액체전해질은 액체 상태의 전해질을 말한다. 리튬이온 배터리 내부의 양극과 음극 사이에서 리튬이온의 교환이 원활하게 이루어지도록 돕는 매개체이다. 리튬이온의 원활한 이동을 위해 이온전도도와 전기화학적 안정성, 발화점이 높아야 하며 이온의 출입만 가능해야하고 전자의 출입은 막는다.
리튬이온 배터리는 양극, 음극, 분리막, 전해질로 구성된다. 현재 스마트폰이나 전동공구, 전기자전거, 전기자동차 등에 사용하는 리튬이온 배터리는 액체 상태의 전해질을 사용하고 있다. 이와 달리 전고체 배터리는 전해질이 액체가 아닌 고체 상태이다.
대표적인 전해질은 고안정성 유기 용제에 리튬 염(LiPF6, LiClO4, LiBF3 등)을 용해한 액체 전해질이다.
액체 전해질은 높은 이온 전도성 및 우수한 저온 특성이 있으나, 가연성 액체로 구성되어, 과열 및 과충전 시, 팽창으로 인해 폭발 위험이 있어 고온 안정성이 뛰어난 고체 전해질로 교체될 것으로 보인다.
요구 특성
- 이온 전도도가 높아야 한다.
- 전지 성능 면에서 리튬이차전지를 빠른 속도로 충 방전할 경우 두 전극에서 리튬이온이 출입하는 속도와 전해질 용액 내에서 리튬이온의 이동속도가 더욱 중요한 역할을 한다.
- 전극에 대한 화학적, 전기화학적 안정성이 높아야 한다.
- 전해질은 음극과의 환원 반응 및 양극과의 산화 반응을 고려하여 그에 상응하는 전위영역에서 전기화학적으로 안정하여야 한다.
- 사용 가능한 온도 범위가 넓어야 한다
- 액체전해질이 적용되는 리튬이온전지는 작동 범위가 -20~60도의 온도영역에서 위의 요구조건들을 만족하여야 한다
- 안정성이 우수해야한다
- 전해질에 사용되는 유기 용매는 일반적으로 가연성 물질이므로, 고온으로 가열되면 발화 또는 인화로 인해 연소 및 폭발할 위험이 있다.
- 가격이 저렴해야 한다.
구성
유기용매
작동 전압이 높기 때문에 기본적으로 수용액 전해질은 사용할 수 없다. 유기 용매는 수용액 계에 비해 용매의 유전율 상수(dielectric constant)가 상대적으로 낮다.
- 요구 특성
- 용매의 비 유전율이 커야 한다.
- 리튬 염을 구성하는 양이온과 음이온 사이의 쿨롱 힘과 용매의 유전율 상수는 반비례
- 유전 상수가 클수록 염의 해리 촉진
리튬염
리튬염의 해리 능력은 전하가 비편재화된 음이온을 가진 염일수록 더 큰 경향을 갖는다. 어느 정도 이상의 큰 직경을 갖는 음이온을 가져야 한다. 큰 직경을 가질수록 음이온의 이동도는 저하된다.
- 예) LiPF6
이온 전도도가 높고 전극 내에서도 부반응을 잘 일으키지 않지만, 열적 안정성이 매우 낮다. 또한 전해질 내의 미량의 수분과 반응하면서 생성되는 HF 등의 생성물은 유기 용매의 분해와 전극 부반응을 일으켜 전지의 성능을 열화 시킨다.
첨가제
전해질의 이온 전도도, 전지의 수명 또는 안전성을 향상시키는 기능
- 종류별 특성
- (1) SEI 형성 및 조절제 : 대표적인 첨가제로서 vinylene carbonate(VC)
- (2) 과충전 방지제 : 과충전 시 야기되는 전지의 안전성 문제를 해결하기 위한 첨가제로서, 형성된 과전류를 셀 내에서 순환/소모시켜 고전압 형성을 방지하는 redox-shuttle형 첨가제와 양극 표면에 보호 피막을 형성하여 전류 및 이온의 흐름을 차단하는 피막 형성형 첨가제가 있다.
- (3) 피막 형성형 : 피막형성형첨가제는 redox형 보다 더 진보된 안전성 확보 방법으로 작동 원리는 충전 종지 전압을 초과할 경우 양극 표면에 고분자형 절연막을 형성하여 전류 및 Li이온의 이동을 차단함으로써 영구적으로 셀을 정지시키는 것이다.[1]
각주
참고자료
같이 보기
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