전기차 배터리 화재 예방 '고분자 반고체 전해질' 개발

UNIST·한국화학연구원·한국에너지기술연구원

불연성 반고체 전해질을 개발한 울산과학기술원(UNIST) 연구진. 윗줄 왼쪽 2번째 송현곤 교수, 원형사진 김믿음 석사과정연구원, 아랫줄 오른쪽 첫번째 제 1저자 정지홍 책임연구원. UNIST 제공

불에 타지 않는 불연성 반고체 전해질이 개발됐다. 지하 주차장을 위협하는 전기 자동차의 배터리 화재 문제 해결에 도움이 될 것으로 기대된다.

울산과학기술원(UNIST)은 송현곤 에너지화학공학과 교수와 한국화학연구원, 한국에너지기술연구원 공동연구팀이 배터리 내에서 분자 결합이 가능한 ‘불연성 고분자 반고체 전해질’을 개발했다고 17일 밝혔다. 분석 결과 이 반고체 전해질은 배터리에서 발생할 수 있는 화재를 효과적으로 억제했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘ACS 에너지 레터스’의 최신호 표지 논문으로 게재됐다.

기존 불연성 전해질에는 과량의 난연 첨가제를 사용하거나 매우 높은 끓는점을 가진 용매를 사용했다. 이 용매는 전해질의 이온 전도도를 급격하게 감소시키는 등 여러 단점이 존재했다.

연구팀은 전해질에 미량의 고분자를 첨가해 ‘반고체 전해질’을 만들었다. 만들어진 고분자 반고체 전해질은 기존 액체 전해질 대비 33% 높은 리튬 이온 전도도를 보였다. 이를 활용한 파우치형 배터리는 고체전해질계면(SEI) 층이 형성돼 구동할 때 발생하는 전해질의 불필요한 반응을 막아 110% 향상된 수명 특성을 보였다.

불연성 젤 전해질의 작동 원리. 가연성 전해질의 휘발성을 고분자가 억제해주고 불가피하게 생성되는 라디칼로 인한 라디칼 연쇄 반응은 불소화 알킬 작용기가 안정화시켜 연소가 일어나지 않게 된다. 울산과학기술원(UNIST) 제공

우수한 전해질 성능과 동시에 불연성을 가지는 이유는 연소과정 중 연료와 라디칼 연쇄 반응을 억제할 수 있기 때문이다. 라디칼은 하나의 전자를 가지는 원자 혹은 분자로 매우 불안정한 특성을 보인다. 연구팀은 라디칼을 안정화할 수 있는 수치를 정량적으로 분석하고 이를 억제함으로써 개발한 고분자의 우수성을 다시 한 번 입증했다.

이번 논문의 제1 저자인 정지홍 UNIST 에너지화학공학과 책임연구원은 “배터리 내에서 중합된 고분자와 휘발성 용매와의 상호작용을 활용해 라디칼 연쇄 반응을 억제할 수 있었다”며 “전기화학적 정량화를 통해 라디칼 억제 수치를 분석함으로써 불연성 전해질의 메커니즘을 밝히는데 큰 도움이 될 것”이라고 전했다.

공동 제1저자인 김믿음 UNIST 에너지화학공학과 석사과정연구원은 “전해질의 불연성 평가에 그치지 않고 파우치형 전지에 적용하는 등 다양한 실험을 통해 배터리 자체의 우수한 안전성을 확인했다”고 설명했다.

교신저자인 송현곤 UNIST 에너지화학공학과 교수는 “이번 연구에선 UNIST 연구팀이 전기화학 관련 부분을, 한국화학연구원 정밀화학연구센터가 고분자의 합성을, 한국에너지기술연구원 울산차세대전지 연구개발센터는 배터리의 안전성 실험을 진행하는 등 3개 기관의 협업이 이뤄졌다”며 “고분자를 활용한 불연성 반고체 전해질은 기존 배터리 조립 공정에도 바로 적용 가능해 추후 불연성 배터리의 상용화를 가속화시킬 것”이라고 말했다.

[박정연 기자 hesse@donga.com]