전 세계적으로 모든 산업군에 이제 친환경은 빼놓을 수 없는 과제다. 특히 전기차 보급 확대에 따른 2차전지 보급에도 속도가 붙고 있다. 현재 2차전지(이하 배터리)는 전기차와 전동공구, 스마트폰, 노트북, 전기자전거, 전동킥보드, 전기 휠체어 등 다양한 곳에 사용되며 일상에서 빼놓을 수 없는 요소로 자리매김하고 있다.
배터리의 구성요소는 양극과 음극, 분리막, 전해액이다. 양극은 배터리의 사용 시간을 책임진다. 얇은 알루미늄 기재와 활물질, 도전제, 바인더로 구성됐다. 활물질, 도전제, 바인더를 합쳐서 ‘합제’라고 부르며 합제는 작은 입자의 파우더 가루들이 섞여 있는 형태다.
양극재의 핵심 원료인 리튬은 반응성이 커서 자연 상태에 있을 때는 리튬 원소로 있지 않고, 리튬(Li)과 산소(O)가 만난 리튬 산화물(Li + O)의 형태로 존재한다. 산화물 상태가 안전하기 때문에 배터리의 양극에도 리튬 산화물의 형태로 리튬이 존재하는데, 리튬산화물처럼 양극에서 배터리의 전극 반응에 관여하는 물질을 ‘활물질’이라고 부른다.
업계에서는 어떠한 양극 활물질을 사용하느냐에 따라 배터리에 저장되는 전자(e-)의 수가 달라지고, 배터리의 용량과 전압도 결정짓게 되기 때문에 리튬이온 배터리에 가장 적합한 성능을 가진 활물질을 개발해 사용하고 있다.
또 다른 소재는 배터리 수명에서 가장 중요한 역할을 담당하는 음극이다. 음극 소재로 사용되고 있는 물질은 흑연이다. 흑연은 아주 규칙적인 분자구조를 가지고 있다. 탄소가 결합된 하나의 층이 여러 겹 쌓인 구조로 아파트와 흡사한 모양이다.소재로 사용되는 흑연은 두 종류다. 광산에서 채굴하는 천연 흑연과 석유 코크스와 피치코크스를 원료로 전기 저항로에서 2500℃ 이상으로 가열해서 만들어지는 인조 흑연이다. 인조 흑연은 천연 흑연보다 결정구조가 일정하고 안정적이지만, 가격이 비싸다는 단점이 있다.
세 번째 소재는 ‘분리막’으로 배터리의 안전성을 결정짓는 구성요소다. 전기가 통하지 않는 절연 소재의 얇은 막으로 맨눈으로 확인할 수 없는 공기구멍을 가지고 있는 다공성 필름이다.
분리막의 역할은 크게 3가지다. ▲전지의 절연체 역할 ▲리튬이온이 양극과 음극을 오가면서 충·방전을 을 가능하게 하는 역할 ▲높은 기계적 강도를 통한 내부에서 발생하는 부산물이나 이물질 차단 등이다. 소재는 플라스틱의 원료인 폴리올레핀과 폴리프로필렌 등 절연 특성이 뛰어난 고분자 소재가 이용된다.
마지막으로 전해액은 배터리 내부의 양극과 음극 사이에서 리튬이온이 이동할 수 있도록 매개체 역할을 수행한다. 양극과 음극의 표면을 안정화하고, 배터리의 수명이나 셀 특성을 향상시키는 기능을 한다. 전해액은 크게 염과 용매, 첨가제로 구성된다. 염은 리튬이온이 이동할 수 있는 통로의 역할을 한다. 업계에서 공통으로 사용하는 염은 LiPF6(리튬·인산·불소로 구성)이다.
기본적으로 염은 유기용매에 쉽게 용해 및 해리(화합물이 이온으로 분리되는 현상)가 돼야 하고 해리된 이온들은 잘 이동할 수 있어야 한다. LiPF6는 이온 이동과 용해, 화학적 안정성이 다른 염에 비해서 우수하고 적합한 것으로 알려졌다. 염을 잘 용해해 리튬이 원활하게 이동할 수 있도록 도와주는 용매는 대표적으로 EC(Ethylene Carbonate)가 사용된다.
첨가제는 특정한 목적을 위해 소량으로 첨가되는 물질이다. 용매가 분해되지 않도록 먼저 분해돼 양극이나 음극 표면에 보호막을 형성하는 역할을 한다. 이를 통해 리튬만 양 음극 사이를 원활하게 이동할 수 있게 도와준다.
임중권 쿠키뉴스 기자
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