전기차 열폭주 화재 `걱정 끝`…소화기처럼 불끄는 `난연성 전해액` 개발

송승완 충남대 교수팀, 계면 안정성 및 열폭주 억제
리튬이온배터리 교체 후 사용..내구성도 우수해

국내 연구진은 리튬이온배터리의 열폭주를 원천 차단하는 난연성 전해액을 개발했다. 아이클릭아트 제공

불소치환형 카보네이트계 난연성 전해액을 적용한 리튬이온배터리 열폭주 억제 효과 개념도. 연구재단 제공

리튬이온배터리의 열폭주로 인한 전기차 화재를 원천 차단할 수 있는 새로운 난연성 전해액이 개발됐다. 기존 전기차에 탑재되는 리튬이온배터리의 전해액을 교체하는 것만으로 열폭주를 억제할 수 있어 전기차뿐 아니라, 우주항공, 에너지저장시스템(ESS) 등 모든 산업 분야에 활용할 수 있을 전망이다.

한국연구재단은 송승완 충남대 교수 연구팀이 도칠훈 한국전기연구원 박사, 이영주 한국기초과학지원연구원 박사팀과 공동으로 리튬이온배터리의 열폭주를 막는 카보네이트계 유기용매 기반 '난연성 전해액 기술'을 개발했다고 21일 밝혔다.

리튬이온배터리 열폭주 현상은 과열이나 물리적 충격 등으로 배터리 내부 열이 급속히 올라가 통제 불가능한 상황에 달하면 발화 및 폭발로 이어진다. 이런 열폭주는 배터리 전해액 분해 생성물로 이뤄진 음극 표면막의 열분해에 의해 시작되고, 전해액 열분해로 이어지며 진행된다.

기존 리튬이온배터리의 전해액으로 사용되는 카보네이트계 유기용매는 쉽게 발화해 열폭주의 원인 중 하나로 꼽힌다. 이 때문에 전해질 성분을 불에 타지 않는 난연성으로 바꾸려는 연구가 이어지고 있다.

하지만, 계면 안전성이 확보되지 않아 배터리 성능이 떨어지는 한계가 있다. 연구팀은 소화기 성분에 착안해 기존 발화점이 낮은 전해액을 불소치환형으로 설계한 난연성 전해액을 개발했다. 배터리 내부 온도가 올라가면 음극 표면막과 전해액이 열분해되고, 각종 라디칼(활성종)과 가스를 방출하는데, 반응성 높은 수소 라디칼을 포획하는 방식으로 화재를 차단한다. 마치 소화기처럼 불을 끄거나 불이 나지 않게 하는 역할을 난연성 전해액이 담당한다.

연구팀은 난연성 전해액을 배터리에 적용한 결과, 리튬이온배터리의 양극과 음극 계면 안정성이 확보되고, 음극 표면막의 열적 안정성이 높아진 것을 확인했다. 또한 발화가 잘 되는 기존 전해액을 난연성 전해액으로 교체한 후 리튬이온배터리의 열폭주가 억제되고, 600사이클 이상 구동 후에도 수명 향상 효과를 검증했다.

송승완 충남대 교수는 "국내외 원천 특허를 기반으로 리튬이온배터리가 필요한 모든 분야에 적용할 수 있다"며 "앞으로 스케일업 검증을 통해 실용화를 추진할 계획"이라고 말했다.

이 연구결과는 재료과학 분야 국제 학술지 '머티리얼즈 사이언스&엔지니어링 R-리포츠(지난달 27일)'에 실렸다.이준기기자 bongchu@dt.co.kr