[서울=뉴스핌] 신수용 기자 = 전해질은 리튬이온이 양극과 음극으로 자유로이 이동할 수 있도록 하는 물질로 일종의 통로 역할을 합니다. 전해질은 리튬이온을 빠르고 안정적으로 이동시키고 양극과 음극의 표면을 안정화해 배터리의 수명도 늘리는 기능을 합니다.

◆ 전해질, 배터리 충방전 통로...액체 상태 대중화

리튬이온배터리에서 전해질의 성분 구성과 역할. [사진=삼성SDI]

현재 대부분의 리튬이온배터리는 액체 상태의 전해질(전해액)을 사용하고 있습니다. 액체 전해질은 다양한 화학 물질로 이뤄진 유기물입니다.

전해질의 핵심은 '이온전도성' 입니다. 리튬이온을 잘 이동할 수 있도록 이온 전도도가 높은 물질을 주로 사용합니다.

전해질은 리튬염(Lithium Salt), 유기용매(organic solvent), 첨가제(additive)로 구성돼 있습니다. 커피(리튬염)를 녹인 물(유기용매)에 설탕(첨가제)을 넣은 상태를 예시로 들수 있겠습니다. 염은 리튬이온이 지나갈 수 있는 이동 통로이고, 용매는 염을 용해하기 위해 사용하는 유기 액체입니다.

첨가제는 특정 목적을 위해 소량 첨가됩니다. 양극이나 음극 표면에 보호막을 형성하거나 리튬이 양극과 음극 사이를 원할하게 이동할 수 있도록 돕는 역할 등을 합니다. 또한 발열을 줄이거나 용량을 유지하며 내부에서의 가스 발생을 감소시키기도 합니다.

전해액은 리튬이온들만 전극으로 이동시키고, 젙자는 통과하지 못하도록 하는데, 전해액의 종류에 따라 리튬 이온의 속도가 달라집니다.

◆ 정부·기업 고체 전해질 상용화, 안간힘

리튬이온배터리에서 전해질의 역할. [사진=삼성SDI]

최근 삼성SDI가 전고체 배터리 관련 기술을 발표하며 고체 전해질에 대한 관심이 높아졌습니다. 전고체 배터리는 양극과 음극 사이에 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용한 배터리입니다.

삼성SDI는 지난 3월 '인터배터리 2023'에서 전고체전지 모형을 공개 했습니다. 삼성SDI는 도요타에 이어 전 세계에서 두 번째로 전고체 특허를 많이 보유하고 있는 것으로 알려져 있습니다.

전해질이 왔다 갔다 하면서 화학적인 반응을 일으키거나, 열화 현상이 일어나는 데 이 과정에서 '덴드라이트(Dendrite·수지상결정)'가 형성됩니다. 리튬 덴드라이트는 리튬 전지 내부에서 자라나는 나뭇가지 모양의 결정으로 배터리 고장과 불이 붙게 하는 주요 원인입니다. 이러한 위험성을 차단하기 위해 액체인 전해질을 고체화 한 것인 고체 전해질 입니다.

또 전고체 배터리에는 고체 전해질이 분리막의 역할을 대신하기에 분리막을 사용하지 않게 된다고 합니다.

다만 기술 개발의 장벽이 높고, 대량 양산 및 가격 경쟁력 확보는 쉽지 않을 전망입니다. 정부는 국내 배터리 3사와 함께 2030년까지 전고체 배터리 등 차체대 배터리 개발에 20조원을 투자하겠다는 계획을 내놓았습니다.

전문가들이 보는 전고체 배터리 상용화는 2027년~2030년 이후 입니다. 삼성SDI는 2027년 전고체 배터리 대량양산 시스템을 예고한 상태입니다.

배터리의 4대 소재 중 하나인 전해질 시장은 세계 전기차 시장의 급성장과 발 맞춰 빠르게 커갈 것으로 기대됩니다. SNE리서치에 따르면 2030년 전해액과 양극재, 음극재, 분리막 등 리튬이온 배터리 4대 소재의 시장 규모는 1476억 달러(약 196조원)로 성장할 전망입니다.

aaa22@newspim.com