불 안 나는 배터리 기술, 가능할까

[아이뉴스24 정종오 기자] 불 끄는 소화기 성분을 배터리에 접목해 리튬이온배터리 열폭주로 인한 전기차 화재를 원천 차단하는 기술이 개발됐다.

한국연구재단(이사장 홍원화)은 충남대 송승완 교수 연구팀이 한국전기연구원 도칠훈 박사, 한국기초과학연구원 이영주 박사팀과 공동연구를 통해 리튬이온배터리 열폭주를 억제하는 불소치환형 카보네이트계 유기용매 기반 난연성(불연성) 전해액 기술을 확보했다.

전기차가 상용화된 이래 매년 배터리 화재가 발생하면서 이차전지 열폭주 현상에 관심이 집중돼 왔다. 리튬이온배터리 열폭주는 과열이나 물리적 충격 등으로 배터리 내부 열이 가속돼 통제 불가능한 상황에 이르는 것으로 최악의 경우 발화, 폭발로 이어진다.

리튬이온배터리의 전해액으로 사용되는 카보네이트계 유기용매는 쉽게 발화하는 특징이 있어 열폭주의 원인 중 하나로 지목된다.

전해질 성분을 난연성으로 바꾸려는 연구가 이어지고 있는데 계면 안정성이 확보되지 않아 배터리 성능이 떨어지는 문제점이 있었다.

연구팀은 불소, 인 등의 성분을 포함한 소재의 소화(消火) 기능에 착안, 기존 발화점이 낮은 전해액을 불소치환형으로 설계해 자가소화되는 난연성 전해액을 개발하는 데 성공했다.

배터리 내부 온도가 상승하면 음극 표면막(SEI)과 전해액이 열분해되고 각종 라디칼과 가스를 방출한다. 연구팀이 개발한 불소치환형 유기용매는 이렇게 반응성 높은 수소 라디칼을 포획해 마치 소화기처럼 불을 끄거나 불이 안나게 하는 역할을 한다.

해당 유기용매를 기반으로 하는 난연성 전해액을 배터리에 적용했을 때 리튬이온배터리 음·양극 계면 안정성이 확보되며 SEI가 높은 열적 안정성을 보였다.

발화가 잘되는 기존 전해액을 난연성 전해액으로 교체 후 가속율열량계 측정을 통해 하이니켈 리튬이온배터리의 열폭주 억제 효과를 확인하고 600사이클 이상의 수명 향상 효과를 검증했다.

송승완 교수는 이번 연구 성과에 대해 “전기차에 탑재되는 기존 리튬이온배터리의 전해액을 난연·불연성 전해액으로 전격교체해 열폭주를 억제, 방지하는 안전성 혁신 기술”이라며 “국내외 원천특허를 기반으로 리튬이온배터리가 필요한 모든 분야에 적용할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

연구 성과(논문명: Preventing thermal runaway of high-nickel Li-ion battery through nonflammable carbonates-based electrolyte formulation)는 재료과학 다학제 분야 국제학술지 ‘머티리얼즈 사이언스 & 엔지니어링 R-리포츠(Materials Science & Engineering R–Reports)’ 3월 27일자로 실렸다.