리튬이온전지 화재 위험 절반으로… 전해질 첨가제 신기술 나왔다

원자력연 창업기업 내일테크놀로지 김재우 대표 연구진

한국원자력연구원의 연구원 창업기업인 내일테크놀로지 연구진이 질화붕소나노튜브(BNNT)를 이용한 전해질 첨가제를 개발했다. 연구 결과는 국제 학술지 부표지논문으로 소개됐다./한국원자력연구원

국내 연구진이 신소재를 활용한 리튬이차전지용 전해질 첨가제를 개발했다. 배터리는 전기차의 성능을 결정하는 주요 부품으로, 전기차 시장 성장과 함께 배터리 기술의 중요성도 커지고 있다. 그간 리튬이온전지의 한계로 꼽히던 주행 거리, 충전 시간은 물론 화재 위험성까지 낮추는 기술의 개발이 중요해진 상황이다.

김재우 내일테크놀로지 대표가 이끄는 연구진은 한국에너지공대, 충남대 연구진과 공동으로 26일 질화붕소 나노튜브(BNNT)를 활용한 리튬이차전지용 전해질 첨가제를 개발했다고 밝혔다.

내일테크놀로지는 2015년 당시 한국원자력연구원에 근무하던 김 대표가 설립한 연구원 창업기업이다. 질화붕소나노튜브 기술 사업화하기 위해 창업해 세계 최초의 자동차 배기가스 정화 촉매를 선보이기도 했다. 질화붕소나노튜브는 전기를 통하지 않는 전기전력 세라믹 나노소재로 기존 탄소나노튜브와 비슷한 수준의 열전도와 물리적인 특성을 보이면서도 900도 이상의 고온에서도 안정성이 높은 장점이 있다. 이런 특징 덕분에 전자 산업에서 차세대 기술로 주목 받고 있다.

연구진은 질화붕소나노튜브를 리튬이차전지 분리막과 전해질에 활용할 수 있을 것으로 보고 첨가제를 개발했다. 배터리에는 성능을 높이기 위해 다양한 물질을 첨가하는데, 대표적인 첨가제인 탄소나노튜브는 양극과 음극에는 사용할 수 있으나 전기를 잘 통하는 성질 때문에 분리막과 전해질에는 사용하지 못하던 상황이다.

연구진은 질화붕소나노튜브를 전해질에 직접 첨가하는 대신 분말을 분리막에 코팅해 첨가제 기능을 내도록 했다. 기존 배터리 제작 공정에도 쉽게 적용할 수 있는 것은 물론 배터리 충전 속도·용량, 안전성을 비롯해 성능도 향상하는 데 도움을 주는 것으로 나타났다.

충전 속도를 결정하는 이온전도도와 이온전달률은 기존 방식보다 각각 20%, 50% 이상 증가했다. 배터리의 용량을 결정하는 양극의 비용량(specific capacity)도 10% 이상 늘었다. 500회 이상 고속 충·방전을 반복해도 용량은 99.6%를 유지해 안정성도 개선됐다.

원통형 구조의 질화붕소나노튜브를 통해 열 배출도 빨라져 화재 위험성도 낮아졌다. 배터리 온도가 높아지면 분리막이 열 수축하면서 양·음극에 쇼트가 발생하면 폭발하는데, 열 수축률을 50% 이상 낮춰주는 만큼 폭발 가능성도 낮아졌다는 설명이다.

김 대표는 “질화붕소나노튜브를 전해질 첨가제로 사용했을 때 배터리 성능을 높일 수 있다는 것을 확인한 최초의 실험”이라며 “차세대 전해질 개발을 통한 사업화에 힘쓸 예정”이라고 말했다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘ACS 머티리얼즈 레터스’ 10월호 부표지논문으로 소개됐다.

참고자료

ACS Materials Letters, DOI: https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.3c00538

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