20211016 이차전지4 - 전해질

1.  리튬이차전지 전해질

1)  필요성 : 기본적으로 전지란 전극에서의 전자전도와 전해질에서의 이온전도를 전제조건으로 하기 때문에, 전극 만큼이나 전해질이 매우 중요함.

2)  좋은 전해질의 조건

-     이온전도성이 높아야 한다.

è  전해질은 기본적으로 이온의 통로 역할을 해야 하기 때문에 높은 이온전도성을 가져야한다. 반면, 이 기능을 유지하기 위해서 많은 양을 필요로 하지 않기 때문에 전해질은 얇은 층으로 형성되어도 된다. 다만 경우에 따라(납축전지) 전해질 일부가 전지의 전지반응에 참여하는 경우 일정양 이상의 전해질이 요구된다.

-     화학적, 열적, 전기화학적(산화/환원에 대해 안정) 안정해야 한다.

è  전지는 기본적으로 양극과 음극에서의 산화와 환원 전위의 차이인 전압을 이용한다. 따라서 전해질이 양극에서 산화/환원 된다면 전지의 성능을 떨어뜨리게 된다. 따라서 전해질은 넓은 전위창을 이용할 수 있어야 제대로 된 성능을 발휘할 수 있게 된다. (LUMO/HOMO). 리튬이차전지에서는 알칼리전지나 납축 전지처럼 자기 방전이 일어나서 음극에서 금속의 환원반응이 일어나지 않게 해야 한다. 납축전지나 알칼리전지 대비 더 높은 전압을 형성하는 리튬이온전지에서 전해질이 자기방전(전해질 분해과정)이 일어날 가능성이 높아지기 때문에 더 안정성이 높은 물질을 요구하게 된다.

-     활물질과의 사이에서 양호한 계면을 형성해야 한다

-     싸고 취급이 쉬워야 한다.

3)   리튬이차전지의 전해액

-     대부분의 리튬이온전지에는 전해질로 리튬염을 용매에 용해시킨 전해액을 사용하고 있다. 높은 이온전도성과 싼 가격을 만족하는 LiPF6를 용해시킨 EC(탄산 에틸렌) 계열이 사용되고 있음.

-     이외에도 PC(탄산 프로필렌) 계열도 가격이 저렴하고 높은 이온전도성을 가짐

-     EC/PC 계열의 용매가 선택된 것은 비유전율이 높아서 리튬염의 용해도와 해리도가 높아지고, 산화환원에 대한 안정성이 높기 때문

-     EC 계열이 PC 계열보다 많이 쓰이게 된 이유는, 상대적으로 SEI층 형성에 유리했기 때문. EC는 응고점이 높아서 잘 굳어지기 때문에 이를 보완하기 위해서 DMC, DEC, EMC 등의 직쇄계 카보네이트계를 첨가하여 응고점과 점도를 낮춤.

-     용해도를 높이기 위해서 리튬양이온과 결합이 잘 떨어지는 소재 조합을 찾았으며, 이과정에서 PF6-가 선택됨. 다른 전해질도 연구가 되었으나, 음극과 양극에서 부식 및 환원 문제로 인해서 현재까지도 PF6-리튬염 전해질이 많이 쓰임.

-     EC 계열대비 PC 계열은 상대적으로 저렴한데, LiPF6 대신 LiBOB라는 지지전해질을 이용하면 PC 계열의 용매를 사용할 수 있음. 해당 물질을 사용 가능한 배터리는 LPF를 양극으로 사용하는 배터리.

 

https://youtu.be/Dqz5xxDOPUI