[Tech 스토리] 배터리 안전과 수명 책임지는 '전해액'

기사입력 : 2020년12월06일 09:22

최종수정 : 2020년12월06일 09:22

전해액 3요소, 리튬염‧유기용매‧첨가제
리튬이온을 이동을 돕는 '베트스 드라이버'
고체 전해질 연구도 활발...2025년 이후 상용화 전망

[편집자주] 기업들의 신기술 개발은 지속가능한 경영의 핵심입니다. 이 순간에도 수많은 기업들은 신기술 개발에 여념이 없습니다. 기술 진화는 결국 인간 삶을 바꿀 혁신적인 제품 탄생을 의미합니다. 기술을 알면 우리 일상의 미래를 점쳐볼 수 있습니다. 각종 미디어에 등장하지만 독자들에게 아직은 낯선 기술 용어들. 그래서 뉴스핌에서는 'Tech 스토리'라는 고정 꼭지를 만들었습니다. 산업부 기자들이 매주 일요일마다 기업들의 '힙(hip)' 한 기술 이야기를 술술~ 풀어 독자들에게 전달합니다.

[서울=뉴스핌] 이윤애 기자 = 최근 전기차 화재로 배터리의 안전성 문제가 불거지며 리튬이온 배터리에서 분리막과 함께 안전을 책임지는 '전해액'에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 오늘은 전해액에 대해 알아보겠습니다.

◆ 전해액은 무엇인가

우선 전기차에 사용되는 리튬이온 배터리의 원리와 구성 요소를 살펴볼 필요가 있습니다. 리튬이온 배터리는 양극재, 음극재, 분리막, 전해액으로 구성돼 있습니다.

배터리 내에서 양극(+)과 음극(-) 물질은 '산화환원 반응'을 통해 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 역할을 하고 전해액은 리튬이온이 양극과 음극을 오가면서 충방전을 가능하도록 합니다.

한마디로 전해액은 '리튬이온을 빠르고 안정적으로 이동시키는 매개체'로 양극과 음극 사이를 오가는 리튬이온을 위한 베스트 드라이버라고 생각하면 이해가 조금 더 쉽습니다.

[서울=뉴스핌] 이윤애 기자 = [그림=삼성SDI] 2020.12.04 yunyun@newspim.com

이 전해액은 리튬염과 유기 용매, 첨가제로 구성돼 있습니다. 우리가 매일 아침 마시는 커피를 예로 들면, 리튬염은 커피 가루, 유기용매는 물, 첨가제는 시럽으로 이를 섞으면 커피, 즉 전해액이 됩니다.

이중 리튬염은 리튬이온이 이동할 수 있는 통로의 역할을 합니다. 때문에 용매에 쉽게 용해되거나 해리(화합물이 이온으로 분리되는 현상)가 잘 돼야 하며 이렇게 해리된 이온들이 잘 이동할 수 있어야 합니다. 보편적으로 적용되는 리튬염은 LiPF6(리튬·인산·불소로 구성)로 이온 이동도, 용해도, 화학적 안정성이 다른 염에 비해 우수하다고 평가됩니다.

염을 용해시키는 액체, 유기 용매(Organic Solvent) 는 리튬염을 잘 용해시켜 리튬이 원활하게 이동할 수 있도록 돕습니다. 유기 용매는 이온 화합물을 잘 분리시킬 수 있도록 리튬염에 대한 용해도가 커야 하며 리튬의 원활한 이동이 쉽도록 점도가 낮아야 합니다.

중요한 점은 리튬은 수분을 만나면 급격한 반응을 일으키기 때문에 전해액의 용매는 물과 반응하지 않는 소재를 사용합니다.

마지막으로 첨가제는 특정한 목적을 위해 소량으로 첨가되는 물질을 말합니다. 전해액에서 차지하는 절대적인 함량은 적지만 수명개선, 고온특성 개선, 저항 감소 등의 전해액 전체 시스템에서 핵심적인 역할을 수행합니다.

양극용과 음극용으로 나뉘는데 양극 보호 첨가제는 열화를 억제하면서 발열을 개선시키거나 과충전을 방지하고 음극용 첨가제는 수명을 향상시키고 배터리 용량을 유지하는 역할을 담당합니다.

◆ 고체 전해질도 있던데...

올해 초 삼성SDI가 전고체 배터리 관련 기술을 발표하며 전해'질'에 대한 관심도 높아졌습니다.

현재 전기차용으로 가장 많이 사용하는 리튬이온 배터리는 액체 상태의 전해액을 사용합니다. 하지만 전고체 배터리는 고체 상태의 전해질로 바꿉니다. 이 경우 고체 전해질이 분리막의 역할까지 대신해 분리막을 사용하지 않게 된다고 합니다.

[서울=뉴스핌] 이윤애 기자 = [그림=삼성SDI] 2020.12.04 yunyun@newspim.com

전 세계가 가장 집중한 부분은 안전성이 크게 개선된다는 점입니다. 최근 전기차 화재 사건에서 얘기 됐듯이 액체 전해질은 온도 변화로 인한 배터리의 팽창, 외부 충격에 의한 누액 등 배터리 손상 시 화재 및 폭발 위험성 있습니다.

반면 전고체 배터리에서는 배터리 내에서 유일한 액체인 전해액을 고체로 바꾸면서 소재 모두 불연성 고체가 됩니다. 화재, 폭발 위험성이 크게 낮아질 것이란 기대가 나오는 이유죠.

◆ 전해액 시장, 2025년까지 연 평균 42% 성장

고체 전해질을 사용하는 전고체 배터리 기술 개발을 위해 전 세계 완성차와 배터리업계가 매진하고 있지만 상용화까지는 기다림이 필요합니다. 전문가들은 2025년 이후가 될 것이라고 전망합니다.

[서울=뉴스핌] 이윤애 기자 = [표=SNE] 2020.12.04 yunyun@newspim.com

그 사이 전해액 시장은 세계 전기차 시장의 급성장과 발 맞춰 빠르게 커갈 것으로 기대됩니다. 에너지 시장조사업체 SNE리서치에 따르면 2차전지 전해액의 시장 수요는 2025년까지 연평균 42% 성장해 지난해 13만5000톤에서 2025년 약 109만3000톤까지 늘어날 전망입니다.

스마트폰, 노트북 등에 사용되는 소형 전지와 전기차에 들어가는 중대형 전지용 전해액 비율을 나눠본다면 지난해 34대 66에서 2025년 6대 99 수준으로 바뀔 것으로 보입니다.

yunyun@newspim.com

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광복군, 일본군 무장해제 "항복사실 모르느냐? 변상문의 '화랑담배'는 6·25전쟁 이야기이다. 6·25전쟁 때 희생된 모든 분에게 감사드리고, 그 위대한 희생을 기리기 위해 제목을 '화랑담배'로 정했다. 우리는 그들에게 전의(戰意)가 없는 것을 보이기 위해 기관단총을 모두 어깨에 걸쳤다. 그러고도 만일을 위해서 각각 산개하면서 뛰어내리기 시작했다. 드디어 내 차례가 왔다. 몸을 날렸다. 아. 그때 그 바람 냄새, 그 공기의 열기, 아른대는 포플러의 아지랑이, 그리고는 아무것도 순간적이었지만 보이지 아니했다. 그러나 어쩐 일인가? 우리 주변엔 돌격 태세에 착검한 일본군이 포위하고 있었다. 워커 구두 밑의 여의도 모래가 발을 구르게 했다. 코끼리 콧대 같은 고무관을 제독총에 연결한 험상궂은 방독면을 뒤집어쓴 일본군이 차차 비행기를 중심으로 원거리 포위망을 좁혀오고 있었다. 너무나도 위험한 상황이었다. 이것이 그리던 조국 땅을 밟고 처음 맞은 분위기였다. 동지들은 눈빛을 무섭게 빛내면서 사주경계를 했다. 그러나 아직 기관단총을 거머쥐지는 아니했다. 여의도의 공기가 움직이지 않는 고체처럼 조여들어 왔다. 뿐만 아니었다. 타고 온 C46형 수송기로부터 한 50여m 떨어진 곳의 격납고 앞에는 실히 1개 중대나 되는 군인들이 일본도를 뽑아 든 한 장교에게 인솔되어 정렬해 있었다. 그 앞에는 고급장교인 듯한 자들이 한 줄 또 섰고, 장군 몇 명도 있는 듯했다. 그러나 무엇보다도 8월 18일 한낮의 그 뜨거운 여의도 열기가 우리를 더욱 긴장시켰다. 격납고 뒤에까지 무장한 군인이 대기하고 있었다. 중형전차의 기관포도 이쪽을 향하고 있었다. 환호하는 광복군. [사진= 국사편찬위원회] 비행장 아스팔트 위엔 한여름의 복사열이 그 위기의 긴장처럼 이글대고 있었다. 어느새 우리는 땀에 젖어 있었다. 기막힌 침묵이 십여 분이나 지났다. 그러나 그들은 어떤 행동도 취해 오지 않았다. 마침내 우리가 발걸음을 옮겼다. 우리는 일본군 고급 장교들이 늘어선 쪽으로 한걸음 씩 움직였다. 각자 산개, 조심하라! 누군가가 이렇게 나직하게 말했다. 서해 연안으로 비행기가 고도를 낮출 때 누군가가 유서를 쓰던 일이 이 순간 내 머릿속에서 상기되었다. 일본군 병사들은 우리가 다가서자 의외로 포위망을 풀 듯이 비켜섰다. 우리는 아직 기관단총을 어깨에 멘 그대로였다. 일본군이 길을 열어주자, 그들도 일본군 육군 중장을 선두로 한 장교단이 우리 쪽으로 오기 시작했다. 그가 바로 조선주차군사령관 죠오쯔끼(上月良夫)였다. 쬬오쯔기는 그의 참모장 이하라 소장과 나남 사단장과 참모들을 뒤로 거느렸다. 우리도 좌우로 벌려 섰다. 쬬오쯔기가 「나니시니 이라시따노?(무슨 일로 왔소?)」말문을 열었다. 퍽 야무지게 보였다. 우리는 말 대신 영등포 상공에서 뿌리다 남긴 선전 전단을 내밀어 주었다. 우리의 임무가 일본어와 우리말로 적힌 전단이었다. 거긴 또 우리가 이렇게 들어오게 된 사연도 적혀있었다. 우리는 한 장씩 그 전단을 다른 일본군 장교들에게 나누어 주었다. 쬬오쯔끼는 이를 받아 읽고, "일본은 정전만 한 상태이니 일단 돌아갔다가 휴전 조약이 체결된 다음에 재입국하라"라고 말했다. 그러면서 은근히 위협했다. 자기네 병사들이 꽤 흥분되어 있으니, 만약 돌아가지 않으면 그 신변 보호에 안전책임을 지기가 어렵다는 분위기라고 했다. 이에 이범석 장군이 "네 놈들의 천황이 이미 연합국에 무조건 항복한 사실을 모르느냐? 이제부터는 동경의 지시가 필요 없다는 것을 알아야 한다"라고 맞섰다. 그러나 쉽사리 양보하지 않았다. 옥신각신 말이 몇 번 건너 왔다 갔다. 갑자기 쬬오쯔끼는 한 일본군 대령에게 일을 처리하라고 지시했다. 그러면서 그는 동경서 손님이 오기로 되어 있어 마중을 나와 있던 참이란 말을 하고는 물러가 버렸다" 이범석 장군은 일본군 측에 "조선 총독을 만나 담판 짓겠다'라고 요구했으나 거절당했다. 일본군 무장해제 임무를 띠고 국내로 들어 온 '광복군 국내정진군'은 아무런 소득도 올리지 못한 채 다음 날 8월 19일 14:30분 여의도 기지를 이륙하여 중국으로 돌아갔다. 광복군은 미군정이 시작되고 나서 한참이나 지난 다음에 개인 자격으로 귀국할 수밖에 없었다. 조짐이 좋지 않았다. / 변상문 국방국악문화진흥회 이사장 2025-09-29 08:00

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중국 전기차 주행거리 두배 증가 배터리 개발 [베이징=뉴스핌] 조용성 특파원 = 중국이 에너지 밀도를 두 배 증가시킬 수 있는 전고체 배터리를 개발해 낸 것으로 나타났다. 중국 칭화(淸華)대학 화학공학과의 연구팀은 '음이온이 풍부한 용매화 구조 설계'를 개발해 냈으며, 이를 기반으로 불소 함유 폴리에테르 전해질을 성공적으로 만들어냈다고 중국 관찰자망이 30일 전했다. 해당 연구 성과는 논문 형식으로 국제 학술지인 네이처에 등재되었다. 연구진이 만들어낸 폴리에테르 전해질은 고체이며, 연구팀은 해당 전해질을 사용하여 전고체 배터리를 제작했다. 제작된 전고체 배터리는 604Wh/kg의 에너지 밀도를 기록했다. 이는 현재 리튬 이온 배터리의 에너지 밀도가 150~320Wh/kg인 점을 감안하면 에너지 밀도가 두 배 이상 높아진 것이다. 동일한 무게의 배터리이지만 해당 전해질을 사용한 전고체 배터리는 두 배 이상의 전력을 충전할 수 있는 셈이다. 이론적으로 전기차의 1회 충전 주행 거리가 두 배 증가할 수 있게 된다. 현재 500km가량을 주행할 수 있는 전기차가 1000km를 주행할 수 있게 된다. 해당 전고체 배터리는 안전성 테스트도 통과하였다. 못을 박아도 화재와 폭발이 일어나지 않았다. 또한 120도의 높은 온도의 박스 안에 6시간 동안 방치되었지만, 연소나 폭발이 일어나지 않았다. 또한 500회 이상 충방전을 거치면서도 에너지 저장 용량은 안정적으로 유지되었다. 연구진이 만들어낸 전고체 배터리가 상용화된다면 많은 분야에서 활용이 가능해진다. 전기차의 주행 거리는 두 배 증가하며, 드론의 비행 거리도 두 배 증가하게 된다. ESS(에너지저장장치) 역시 부피당 저장 용량을 크게 끌어올리게 되며 ESS 소형화가 가능해진다. 칭화대 연구진이 개발한 전고체 전해질의 도식도 [사진=네이처 캡처] ys1744@newspim.com 2025-09-30 10:35