전해질은 리튬이온배터리에서 리튬 이온을 전달하는 매개체로서, 높은 이온 전도도는 우수한 전해질이 되기 위해 필요한 조건 중 하나입니다. 

그런데 지구 표면의 약 70%를 차지하는 바닷물의 이온 전도도는 5×10-2S/cm 수준으로 일반적으로 리튬이온배터리에 사용하는 액체 전해질 (~1×10-2S/cm) 대비 훨씬 높은 이온 전도도를 가지고 있는데요. 도대체 바닷물은 왜 리튬이온배터리 전해질로 사용할 수 없는 걸까요?

전해질은 양극, 음극뿐만 아니라 전지 내부의 각종 금속 및 장치와 맞닿아 있기 때문에 전기화학적 안정성이 중요합니다. 여기서 말하는 전기화학적 안정성은 산화, 환원 반응이 잘 발생하지 않는 상태를 뜻합니다. 

전해질은 양극과 음극 사이에서 리튬 이온을 이동시켜 줌과 동시에 가해지는 전압에 따라 전자를 '외부 회로'로만 흐르게 하는 역할을 해야 합니다. 따라서 음극에서 산화돼 나온 전자는 받지 않고, 양극의 환원에 필요한 전자는 주지 못하도록 넓은 '전위창(Potential Window)'을 가진 물질을 선정해야 합니다.

[리튬이온배터리에서 전해질은 전자를 받거나 주면 안되며, 전자를 외부회로로만 흐르게 해야 합니다]

전위창은 전압이 가해지는 동안 물질이 산화 또는 환원되지 않는 전압의 범위입니다. 리튬이온배터리의 작동 전압은 최대 4V 이상인 반면, 바닷물의 전위창은 그보다 좁아 전압이 가해지면 작동 중 수산화나트륨, 염소, 수소 등으로 분해됩니다. 따라서 바닷물은 높은 이온 전도도를 가지고 있음에도 리튬이온배터리의 작동 전압에서 분해되기 때문에 전해질로 사용할 수 없는 것입니다. 

* 납축전지, 니켈 카드뮴 전지는 평균 작동 전압이 낮아 수계 전해질도 사용할 수 있습니다

[LIB의 작동 전압보다 전위창이 더 넓어야 산화·환원 반응이 일어나지 않습니다]

또한 바닷물은 일반적인 전자기기의 작동 온도 범위(-20℃~60℃)에서 안정적으로 사용하기 어려우며, 리튬은 수분과 닿으면 급격한 반응을 일으키기 때문에 리튬이온배터리의 전해질로 적합하지 않습니다. 

리튬이온배터리에는 일반적으로 고전압에도 분해되지 않는 유기용매에 리튬염을 1M 농도로 녹여 사용합니다. 여기서 리튬염은 리튬 이온이 원활하게 이동할 수 있도록 돕는 역할을 합니다. 

리튬이온배터리용 전해질로는 액체, 고체, 젤 등 다양한 형태가 있지만, 모든 전해질은 공통적으로 이온전도도가 높아야 하며, 동시에 작동 온도 범위가 넓고, 열적·전기화학적으로도 안정돼야 한다는 점 잊지 마세요!