#18. 전해질 (Electrolyte) 첨가제(Additive)의 기능 및 종류 별 특성

1) 첨가제 기능

전해질 첨가제의 주요 기능은 전해질의 이온전도도, 전지의 수명 또는 안전성을 향상시키는것이 주된 목적이다. 전지에 적용되는 대부분의 액체 전해질들은 다양한 첨가제들을 미량으로 반드시 포함하고 있으며, 실제로 첨가제에 의하여 전지의 성능과 안전성이 크게 영향을 받는다. 이 첨가제가 양극에 미치는 영향과 음극의 미치는 영향이 서로 다르기 때문에 양극을 보호하고 성능을 향상 시켜주는 첨가제를 양극 첨가제라 부르고, 음극을 보호하고 성능을 향상 시켜주는 첨가제를 음극 첨가제라고 부른다. 

2) 첨가제 종류별 특성

양극 첨가제 : 양극 표면에 보호막을 생성 시켜 성능을 향상시키는 역할을 하는데, 양극에 생성되는 보호막을 CEI(Cathode Electrolyte Interphase)라고 한다. 

음극 첨가제 : 음극 표면에 보호막을 형성하고 전지의 수명 및 성능을 향상 시키는 역할을 하는데, 음극에 생성되는 보호막을 SEI(Solid Electrolyte Interphase)라고 한다. 

3) SEI 형성/조절제

탄소 음극 표면에 SEI층을 신속하게 형성시키고 이를 안정하게 유지하기 위해 사용되는 대표적인 첨가제로 VC가 있다. VC는 최초 충전과정에서 안정한 SEI층을 형성하고, 탄소 층상 구조의 박리 또는 전해질과의 직접반응을 억제함으로써 전지의 충방전 수명을 향상시키는데 기여한다. VC 첨가시 양극에는 별다른 영향을 주지 않으며 고온에서도 SEI층이 안정성을 유지하는것으로 확인되고 있다. VC는 우수한 성능을 보이나 합성과정이 까다롭고 고가인 단점이 있어 이를 대체할 수 있는 첨가제 연구가 활발히 진행되고 있다. 

4) 과충전 방지제

전지의 안전성 문제는 매우 중요하므로 리튬 이온 전지의 경우 다양한 안전장치들을 전지에 부착하여 사용하고 있다. 그러나 이 장착으로 전지의 가격인상 요인이 발생하고, 이것들을 장착하더라도 전지 내부에서의 자발적인 화학반응까지는 방지할 수가 없기 때문에 전지 내부에서도 새로운 안전장치가 필요하다. 이 방법 중 하나가 바로 과충전 방지제이다. 과충전 방지제는 과충전시 야기되는 전지의 안전성 문제를 해결하기 위한 첨가제로서, 형성된 과전류를 셀 내에서 순환/소모 시켜 고전압 형성을 방지하는 첨가제와 양극 표면에 보호피막을 형성하여 전류 및 이온의 흐름을 차단하는 피막 형성형 첨가제가 있다. 

5) 피막 형성제

피막형성제는 전지가 작동하는 동안 양극 표면에 고분자형 절연막을 형성하여 전류 및 리튬이온의 이동을 차단함으로써 영구적으로 셀을 정지시키는 것이다. 전지 내에서 이온의 이동을 차단하고 외부 도선으로의 전자의 흐름을 항구적으로 차단하게 된다. 그러나 피막 형성형 첨가제는 전지의 활성을 정지시켜 구동을 멈추게 하기 때문에 순간적인 과충전에도 전지를 사용할 수 없다는 단점이 있다. 

6) 전도특성 향상제

이온 전도도를 향상시키기 위해서는 우선 리튬염의 해리를 촉진하여야 하며, 해리된 이온들이 리튬염의 상태로 돌아가지 않도록 이온상태로 유지되도록 하여야 한다. 이와 동시에, 전해질 내 이온의 이동도가 높아야 한다. 전해질내 리튬염의 해리도를 높이기 위해 Crown ether계 첨가제들이 주목받고 있다. 그러나 Crown ether계 화합물은 같은 양이온 수용체들이 Li 이온의 이동을 둔화시켜 결국 전지의 성능을 저하시키는 문제가 발생한다. 또한, 독성이 강한 환경유해 물질이기 때문에 사용이 제한되고 있다. 

7) 난연제

액체 전해질은 대부분 유기용매로 구성되어, 일단 발화가 시작되면 외부에서 전류공급을 차단하더라도 연소가 계속 진행될 수 밖에 없다. 전해질의 연소를 억제하기 위해서는 가능한 유기용매의 비점이 높아야 하며, 유기용매의 열분해와 동시에 피막을 형성하거나 경화되어 산소 및 가연성 가스에 대해 차단층으로 작용되면 더욱 유리하다.