소화기처럼 불 끄는 배터리로 열폭주 막는다
- - 난연성 전해액 기술로 계면 안정성 확보 및 열폭주 억제 -
□ 불 끄는 소화기 성분을 배터리에 접목해 리튬이온배터리 열폭주로 인한 전기차 화재를 원천 차단하는 기술이 개발됐다.
□ 한국연구재단(이사장 홍원화)은 충남대학교 송승완 교수 연구팀이 한국전기연구원 도칠훈 박사, 한국기초과학지원연구원 이영주 박사팀과의 공동연구를 통해 리튬이온배터리 열폭주를 억제하는 불소치환형* 카보네이트계 유기용매** 기반 난연성(불연성) 전해액*** 기술을 확보했다고 밝혔다.
*불소치환형: 유기화합물의 수소를 불소로 치환한 화합물
** 카보네이트계 유기용매 기반 전해액: 리튬이온전지의 전해질은 카보네이트 계열의 유기용매가 주로 사용됨. 전해액 용매는 리튬이온 이차전지에서 리튬염을 용해시키고 리튬이온의 이동을 가능하게 하는 유기 액체
***난연성(불연성 전해액): 불에 타는 데 걸리는 시간이 늘어나거나 불에 안 타는 전해액
□ 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 및 폭발로 이어진다.
○ 리튬이온배터리의 전해액으로 사용되는 카보네이트계 유기용매는 쉽게 발화하는 특징이 있어 열폭주의 원인 중 하나로 지목된다.
○ 전해질 성분을 난연성으로 바꾸려는 연구가 이어지고 있지만, 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 방출하는데, 연구팀이 개발한 불소치환형 유기용매는 이렇게 반응성 높은 수소 라디칼을 포획해 마치 소화기처럼 불을 끄거나 불이 안나게 하는 역할을 하게 된다.
○ 더불어, 해당 유기용매를 기반으로 하는 난연성 전해액을 배터리에 적용했을 때 리튬이온배터리 음/양극 계면 안정성이 확보되며 SEI가 높은 열적 안정성을 보였다.
○ 발화가 잘되는 기존 전해액(자가소화시간 35~60s/g)을 난연성(자가소화시간 0s/g) 전해액으로 교체 후 가속율열량계** 측정을 통해 하이니켈 리튬이온배터리의 열폭주 억제 효과를 확인하고 600사이클 이상의 수명 향상 효과를 검증했다.
*음극 표면막(SEI): 배터리 초기 충방전 시 전해액 분해생성물에 의해 음극 표면에 형성되는 얇은 고체막으로 SEI는 배터리의 수명, 안전성과 성능에 영향을 준다.
**가속율열량계: 시료의 열적 변화를 측정하는 장비로 이차전지 화재특성과 성능, 안전성을 확인할 수 있다.
□ 송승완 교수는 이번 연구성과에 대해 “전기차에 탑재되는 기존 리튬이온배터리의 전해액을 난연성/불연성 전해액으로 전격교체해 열폭주를 억제·방지하는 안전성 혁신 기술”이라며, “국내/국제 원천특허를 기반으로 리튬이온배터리가 필요한 모든 분야에 적용할 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.
□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노․소재기술개발사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 재료과학 다학제 분야 국제학술지 ‘머티리얼즈 사이언스 & 엔지니어링 R-리포츠(Materials Science & Engineering R – Reports)’에 3월 27일 게재되었다.
