배터리 안전성 이야기할 때 빠지지 않는 이트륨, 어떤 역할을 할까?

전기차와 에너지 저장 장치가 우리 생활 곳곳에 자리 잡으면서 배터리 안전성에 대한 관심은 어느 때보다 높아지고 있다. 배터리는 편리한 만큼 위험성도 함께 안고 있기 때문에, 업계에서는 구조적 안정성·열안전성·계면 안정화 같은 요소를 빠짐없이 개선해야 한다. 최근 이 흐름 속에서 이트륨(Y)의 이름이 자주 언급되고 있다. 이 원소는 큰 주목을 받지 않는 조연처럼 보이지만, 실제 기능을 들여다보면 배터리 안전성과 수명을 동시에 챙길 수 있게 해주는 중요한 역할을 맡고 있다. 이 글은 이트륨이 배터리 안에서 어떤 방식으로 작동하는지, 그리고 왜 안전성 논의에서 빠지지 않는 원소가 되었는지 친절하게 풀어낸 내용이다.

이트륨이 양극재 표면에서 안정화층을 형성해 고온 환경에서 배터리 구조를 보호하는 모습을 나타낸 과학 일러스트

 

이트륨이 ‘안전성 소재’로 주목받는 배경

배터리는 충·방전 과정에서 반복적으로 구조 변형이 일어난다. 전극은 팽창과 수축을 경험하고, 전해질과 전극이 만나는 계면에서는 화학적 반응이 계속 이어진다. 이러한 변화는 성능 저하뿐 아니라 열 발생과 직접 연결되면서 안정성을 떨어뜨릴 수 있다. 업계는 이 문제를 해결하기 위해 다양한 첨가제와 코팅 기술을 시도해 왔는데, 그중 이트륨이 가진 특유의 안정성이 큰 관심을 끌고 있다.

이트륨은 산소와 결합했을 때 매우 안정적인 구조를 이루며, 고온에서도 성질이 쉽게 변하지 않는다. 이 원소는 높은 내열성, 우수한 계면 안정화 능력, 구조 보강 효과를 동시에 제공하기 때문에 “배터리 안전성 소재”라는 타이틀을 자연스럽게 얻게 되었다.

 

이트륨이 양극재를 더 안전하게 만드는 방식

배터리 양극재는 고온 환경에서 산소를 방출하는 경향이 있다. 이 산소 방출은 열폭주를 촉발하는 주요 원인이기 때문에 많은 제조사가 양극재의 고온 안정성 문제를 해결하려고 노력하고 있다.

이트륨은 이 과정에서 중요한 역할을 한다.

• 이트륨은 양극재 표면의 구조를 더 단단하게 잡아준다.
  이트륨이 표면에 자리 잡으면 격자 구조가 안정돼 급격한 산소 방출이 억제된다.
• 이트륨은 열에 강한 보호층을 만든다.
  이 보호층은 일정 온도를 넘어서도 쉽게 붕괴되지 않아서 안전성을 높여준다.
• 이트륨은 니켈 비율이 높은 NCM·NCA 계열 양극재에서 특히 효과적이다.
  이 계열은 에너지 밀도는 높지만 구조가 상대적으로 불안정한데, 이트륨이 들어가면 열 안정성이 크게 향상된다.

이러한 특성 덕분에 이트륨은 전기차 배터리처럼 고온 환경에 자주 노출되는 제품에서 신뢰받는다.

 

이트륨이 계면 안정성을 높이는 이유

배터리 내부에서는 전극과 전해질이 맞닿아 있는 계면이 매우 중요한 역할을 한다. 이 부분이 불안정해지면 저항이 늘어나고, 충·방전 중에 열이 쉽게 발생한다.

이트륨은 계면을 안정화하는 데에도 도움을 준다.

• 이트륨은 전극 표면에 균일한 보호층 형성을 돕는다.
  보호층(SEI 혹은 CEI)이 균일하지 않으면 충전 속도와 출력을 낮추는 원인이 된다.
• 이트륨은 보호층이 쉽게 갈라지지 않도록 지지하는 역할을 한다.
  계면의 균열은 추가적인 화학반응을 일으켜 열 발생을 유도할 수 있는데, 이트륨은 이 문제를 완화한다.
• 이트륨은 계면 저항을 낮추는 데도 긍정적이다.
  전하 이동이 원활해지면 과열 현상도 줄어들게 된다.

이러한 효과는 빠른 충전이 반복되는 최근 배터리 사용 환경에서 매우 의미 있는 장점이다.

 

실리콘 음극의 팽창 문제 해결에도 이트륨이 기여한다

최근 전기차 업계는 실리콘 음극재에 큰 관심을 두고 있다. 실리콘은 매우 높은 저장 용량을 갖고 있기 때문이다. 하지만 이 실리콘은 충전 과정에서 크게 부풀어 오르고, 방전 과정에서 다시 줄어드는 특성이 있다. 이 변화는 음극 구조를 무너뜨리고, 결과적으로 배터리 안전성을 낮출 수 있다.

이트륨은 이 상황에서 다음과 같은 개선 효과를 제공한다.

• 이트륨 코팅은 실리콘 구조의 팽창을 완충한다.
  실리콘 입자가 급격하게 부피 변화를 겪어도 코팅층이 이를 지지한다.
• 이트륨은 실리콘 표면에 균일한 보호막을 형성한다.
  보호막이 안정적이면 계면에서 발생할 수 있는 열적 스트레스가 줄어든다.
• 이트륨은 실리콘 음극의 장기 사이클 안정성을 높인다.
  충·방전 반복이 많은 전기차용 배터리에서 이 효과는 매우 중요하다.

실리콘 음극의 단점을 보완하는 기술 중 이트륨 도입은 비교적 실용적이고 산업 공정에 쉽게 적용 가능한 방식으로 평가된다.

 

전고체 배터리에서 이트륨이 갖는 결정적 역할

전고체 배터리는 현재 가장 많은 기대를 받고 있는 차세대 기술 중 하나다. 전해질이 액체가 아닌 고체이기 때문에 화재 위험이 크게 줄어든다. 하지만 고체전해질은 이온 이동이 어려워 충전 속도가 느리고, 전체 성능이 제한되는 문제가 있다.

여기서 이트륨이 중요한 역할을 한다.

• 이트륨은 지르코니아를 안정화시켜 YSZ 구조를 만든다.
  이 구조는 산소 이온이 이동할 수 있는 통로를 넓혀 이온 전도도를 높인다.
• 이트륨이 포함된 고체전해질은 고온에서도 구조가 잘 유지된다.
  전기차처럼 다양한 온도 환경에 노출되는 경우 안정성에 큰 도움을 준다.
• 이트륨은 전고체 배터리의 계면 저항 문제를 개선한다.
  계면 저항은 전고체 배터리 상용화의 가장 큰 장애물 중 하나인데, 이트륨은 이를 완화시키는 역할을 한다.

이런 이유로 전고체 배터리 개발에서 이트륨은 빠지지 않고 등장하는 핵심 원소가 되었다.

 

배터리 안전성을 높이는 데 이트륨이 가지는 종합적 가치

지금까지 살펴본 내용을 정리하면 이트륨이 배터리 안전성을 높이는 방식은 크게 네 가지로 정리된다.

1. 고온 안정성 향상
2. 계면 보호 및 SEI/CEI 품질 향상
3. 전극 구조 보강
4. 전고체 전해질 전도도 개선

이 네 가지 요소는 각각 중요한 역할을 하지만, 서로 연결되면서 전체적인 안정성을 크게 끌어올리는 효과를 만든다. 특히 전기차 산업처럼 안전성이 매우 중요한 분야에서는 이트륨의 가치는 앞으로 더 커질 가능성이 높다.

 

이트륨은 배터리 내부에서 눈에 띄는 양으로 활용되는 원소는 아니다. 하지만 이 원소가 제공하는 안정성 향상 효과는 매우 크다. 고온에서의 구조 안정화, 계면 보호층 강화, 실리콘 음극의 팽창 문제 완화, 전고체 전해질 성능 개선까지—이트륨은 배터리의 여러 문제를 조용히 해결하며 산업 전반에서 신뢰받는 첨가제가 되었다.

배터리 안전성에 대한 요구가 높아질수록 이트륨의 중요성은 더욱 분명해질 것이다. 지금은 조용한 조력자에 가까운 역할이지만, 미래 배터리 기술에서는 이 원소가 핵심 소재 중 하나로 자리를 굳힐 가능성이 크다.

 

이트륨이 도핑된 YSZ 고체전해질 내부에서 이온 이동 통로가 넓어진 전고체 배터리 단면 이미지