한국전자통신硏, 2차전지용 난연 첨가제 개발..전기차 화재위험 극복

ETRI가 개발한 불소화황산화계 난연 첨가제(우측)와 첨가제가 적용된 리튬이차전지(좌측). ETRI 제공.

전기자동차에 쓰이는 리튬 이차전지에는 발화 가능성에 대비해 전해질에 불에 잘 타지 않는 첨가제를 넣는데 국내 연구진이 세계 최초로 불소화황산화물계 난연(難燃) 첨가제를 개발했다. 안전성이 뛰어난 리튬 이차전지 구현으로 이어질 수 있을 전망이다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 기존 난연제인 인산계 난연제인 트리페닐포스페이트(TPP)보다 난연 특성과 안정성, 셀 성능이 크게 개선된 불소화황산화계 난연 첨가제를 개발했다고 밝혔다. 리튬 이차전지는 양극재, 음극재, 전해질, 분리막 4가지로 구성된다. 양극의 리튬이온이 음극으로 이동하며 에너지가 충전되고, 다시 양극에서 음극으로 이동하며 에너지를 방출한다. 리튬이차전지에서 전해질은 내부의 리튬이온이 원활하게 이동하도록 돕는 매개체, 분리막은 리튬이온만을 통과시키고 양극과 음극의 접촉을 막는 역할을 한다.

전해질 첨가제는 전해질에 소량 첨가하는 물질로, 전기화학적 안정성과 이차전지의 성능을 높이는 역할을 한다. 기존 상용 인산계 난연 첨가제는 화염 지연 특성은 있으나, 많은 양을 투입해야 하고 전극과 전해질 간 계면 저항이 증가하는 등 문제가 있었다.

ETRI 연구진은 10종이 넘는 상용 인산계 난연제를 전기화학 실험을 통해 분석하고, 불소화황산화물계 난연 첨가제를 합성했다. 연구진은 개발된 난연 첨가제를 니켈 함량이 90%인 리튬 니켈, 망간, 코발트 전이금속 산화물의 양극, 리튬금속의 음극을 적용한 셀에 첨가했다. 이를 통해 불이 잘 붙지 않는 난연 특성이 개선되고 이차전지 성능도 향상됨을 확인했다. 구체적으로 난연 특성은 2.3배, 이차전지의 성능은 160% 향상됐다. 전극과 전해질 사이의 계면반응이 최소화돼 계면 저항도 크게 감소했다. 이 첨가제는 기존의 리튬 이차전지 생산 공정에서 별도 공정변화 없이 소량만 첨가해도 활용할 수 있어 상용화가 쉽다는 장점이 있다. ETRI 연구진은 향후 이 소재를 리튬 전이금속 산화물 양극-리튬금속 음극에 적용하는 데서 나아가 흑연 전극 및 실리콘 전극의 음극 소재로 적용하는 연구도 할 예정이다.김진수기자 kim89@dt.co.kr