‘전기차 화재’ 가장 큰 원인 배터리…해법은 ‘소재’에 있다

배터리 4대 핵심소재 개발 통해 전기차 '안정성' 확보 가능
가장 좋은 답은 '꿈의 배터리'인 전고체 배터리 개발

엄지용 한국자동차연구원 화학소재기술부문 수석연구원이 16일 서울 강남구 코엑스 스타트업 브랜치에서 배터리 소재를 주제로 열린 '제3회 자산어보'에서 '배터리 열폭주 원인과 대응방안 및 차세대 배터리 소개 개발 방향'을 소개하고 있다. ⓒ데일리안 오수진 기자

종종 발생하는 전기자동차의 폭발·화재 사고의 다양한 원인 중 하나로 ‘배터리’가 꼽히고 있다. 전기차의 경우 내부에 탑재된 배터리 문제가 곧 화재 사고로 이어질 가능성이 크기 때문이다. 이에 따라 업계에서는 배터리에 들어가는 ‘4대 핵심소재’ 개발을 통해 안전성을 확보해야 한다는 의견이 나온다.

엄지용 한국자동차연구원 화학소재기술부문 수석연구원은 16일 서울 강남구 코엑스 스타트업 브랜치에서 배터리 소재를 주제로 열린 ‘제3회 자산어보’에서 “전기차를 확대하는 건 좋지만 충전, 주행거리 등 다양한 문제들이 있다. 가장 큰 문제는 폭발 사고”라며 “폭발 사고의 원인은 다양하지만, 보통 배터리 자체가 충격을 받아 폭발이 발생한다”며 이같이 말했다.

엄 수석연구원은 “배터리소재를 연구하는 사람들은 이를 어떻게 개선해야할 지에 대해 집중적으로 연구 중”이라며 “방법은 크게 3가지인데, 애초에 물리적, 전기척, 열적 충격(abuse) 상태를 만들지 말자는 것”이라고 강조했다.

배터리 4대 핵심소재는 ▲양극재 ▲음극재 ▲전해액 ▲분리막 등으로, 이러한 각 소재들이 화학반응을 일으킬 수 있기에 이 부분을 제어할 필요가 있다는 설명이다. 배터리 4대 핵심소재는 배터리 가격의 70~80%를 차지할 정도로 가장 중요한 요소들이다.

이중 가장 핵심은 양극재 소재 개발이다. 이중 가장 비싼 소재기도 하다. 또 화재에 가장 큰 원인이 되기도 하는데, 열폭주 발영량의 86%가 양극에 기인한다. 양극재의 핵심 재료 하이니켈의 비중이 높은 하이니켈배터리가 발열에 있어 위험성을 갖고 있는 이유기도 하다.

이는 양극활물질 표면 코팅을 통해 발열 가능성을 낮출 수 있다. 불황성 소재를 통해 피막을 형성하고 전해질 접촉을 차단하는 것이다. 또 이온전도성 소재를 활용해 수명 등을 향상시키고, 조성 구배형 양극으로 산소 방출을 억제하는 방법이 있다.

급속충전 및 과충전 시 발생하는 화재 원인은 음극 소재다. 전기차가 급속충전이나 과충전되면 음극 표면 리튬 성장 및 리튬과 전해질 반응에 의해 발열이 심화된다. 이런 경우 음극의 표먼을 보호하는 방안이 제시된다. 탄소 코팅으로 접촉저항을 감소시키고 부피변화를 완충하거나 금속산화물 코팅으로 음극 표면 반응을 억제시키면 된다.

전해질은 가장 민감한 소재다. 인화 및 휘발성 유기 전해액이 발화 시 연료 역할을 하기 때문이다. 이 같은 이유로 전해질 조성을 제어할 필요가 있는데, F첨가 전해액, 리튬염을 통해 안정성 SEI 형성과 리튬 형상을 제어하거나, 이온성 액체를 이용해 높은 끓는점과 인화점, 그리고 발화를 억제할 필요가 있다.

분리막은 가장 기술개발이 많이 됐다고 한다. 분리막 손상은 내부 단락으로 집결되는데, 집전체 설계를 통해 열폭주 전 전자전달 차단이 간으하다. 또 분리막 표면 코팅, 집전체 소재개발 및 구조 설계 등의 방법이 거론된다.

가장 좋은 방법은 ‘꿈의 배터리’라 불리는 ‘전고체 배터리’ 개발이다. 기존 리튬이온배터리 대비 개발이 쉽지 않지만, 셀 안정적을 만들 수 있다는 장점이 있다.

현재 개발에 있어서는 토요타가 가장 빠르게 속도를 내고 있다. 한국에서는 삼성SDI가 2027년도 프로토타입 양산 계획을 밝히는 등 진척을 보이고 있다.

엄 수석연구원은 “일본과 한국도 그렇고 중국 CATL도 전고체 배터리 개발에 대한 의지를 보이는 등 각국이 열심히 전고체 배터리 개발을 진행하고 있다”며 “미국의 경우 스타트업을 통해 전고체 배터리 개발에 나선 상황”이라고 말했다.