부식방지 첨가제 ( Additives for Corrosion Inhibition )

리튬이차전지의 부식 방지를 위한 첨가제

부식은 우리 주위에서 항상 일어나고 있는 자연적인 현상입니다. 

찾아보진 않았지만 아마도 엔트로피가 증가하는 방향이겠지요?

이미 아시는 것처럼 순수한 물질은 질서정연한 정돈된 상태입니다. 하지만 질서정연한 것은 무질서한 상태로 변하려는 성질이 있고, 이는 엔트로피가 증가하는 방향이므로 부식은 자연스러운 현상이라고 예상해봅니다.

 

리튬이차전지의 폼팩터는 크게 3가지 정도가 있습니다.

 

1. 원형/원통형 (Cylindrical type)

2. 각형 (Prismetic type)

3. 파우치형 (Pouch type)

 

리튬이온이차전지의 형태

 

원통형과 각형은 케이스가 금속으로 되어 있고, 파우치형은 폴리머 수지로 구성되어 있습니다.

원통형과 각형의 경우에는 케이스가 금속으로 되어 있어서 금속이물이 발생할 가능성이 파우치형보다는 높다고 할 수 있습니다.

금속이물-이라고 쓰고 불순물이라고 읽는다-이 있으면 전지의 전기화학반응이 계속되는 충방전과정에 금속이물이 전지반응에 참여하여 문제를 일으킬 수 있습니다.

금속이물이 있을 경우는 저전압이슈/자기방전이슈 등이 발생할 수 있는 것입니다.

실제로는 동일한 의미입니다. 미세단락(short)가 발생하면 충전된 용량이 천천히 저하되기 시작합니다. 이런 것을 자기 방전이라고 부릅니다. 이 또한 엔트로피가 증가하는 방향입니다.

 

최근 관련하여 아래 책에 관련 내용이 있어서 소개를 드려볼까 합니다.

해당 내용은 196page에 있습니다. 자세한 내용은 참고문헌을 꼭 읽어보시면 좋을 것 같습니다.

 

Electrolytes for Lithium and Lithium-Ion Batteries

 

 

2002년에 Ube에서 Dinitile (예를 들면 Adiponitrile 같은)을 미량 첨가할 경우 금속으로된 전지부품 (예를들면 전지케이스 또는 전극)의 부식을 줄일 수 있다는 것을 발견합니다. 이 또한 Ube의 특허이고 이미 20년이 흘렀으니 특허는 만료된 것으로 보입니다.

 

그 후에 수요가 급격히 늘면서 미량의 Dinitrile과 다른 첨가제들을 혼합한 다양한 전해액이 개발됩니다.

2004년에 LG화학에서 SN (succinonitrile)과 sebaconitrile 을 F-toluene과 섞어서 사용한 특허를 출원하였다고 합니다.

같은 해 삼성SDI에서는 SN (succinonitrile)이 음극의 집전체인 Cu를 보호해주는 효과가 있다는 것을 발견하였다고 합니다.

2006년에는 LG화학에서 SN (succinonitrile)과 FEC(fluoroethylene carbonate를 사용한 전해액에 대한 특허를 출원했습니다.

 

그러나 dinitrile 은 그 물리적 성질을 잘 보고 공정에 적용을 해야합니다.

 

일례로 ADN(adiphonitrile)은 녹는점이 3도이기 때문에 상온에서 액체상태입니다만, SN (succinonitrile) 은 녹는점이 57도로 상온에서는 waxy oil 형태로 존재합니다. 점도 또한 매우 높습니다. 이런 이유로 SN (succinonitrile)은 일반적인 상온조건에서 사용할 수 없는 것입니다. 

 

그래서 SN 같은 첨가제는 과량사용하면 점도에 영향을 줄 수 있고 저항 증가로 인하여 전지성능에 영향을 줄 수 있습니다.

 

도움이 될만한 참고문헌 링크를 참고해보세요.

 

감사합니다.

 

 

Mechanism, quantitative characterization, and inhibition of corrosion in lithium batteries

 

WO2007081169A1 - Non-aqueous electrolyte and electrochemical device with an improved safety - Google Patents

 

다른 글도 있으니 관심이 있으시면 읽어보시기 바랍니다.