전기차 배터리 열폭주, 110도에서 시작된다

연세대, 열폭주의 초기 반응 경로 첫 규명

지난해 부산 강서구 가드케이 부산공장에서 리튬 배터리 화재 전용 소화기 시연에 앞서 원통형 배터리에 열폭주 현상이 일어나고 있다./뉴스1

전기차 배터리 화재를 유발하는 열폭주 현상의 초기 반응 경로가 밝혀졌다. 배터리 안전성을 높이기 위한 기초 데이터로 활용될 전망이다.

홍종섭 연세대 기계공학과 연구진이 전기자동차 배터리 화재의 주요 원인으로 지목돼 온 고체전해질계면층(SEI, Solid Electrolyte Interface)의 분해 메커니즘을 정밀하게 규명했다. 연구 결과는 에너지 소재 분야의 국제 학술지 ‘미 화학회 에너지 레터스(ACS Energy Letters)‘에 지난 24일 게재됐다.

최근 전기차 보급이 확대되면서 배터리 안전성의 확보가 전 세계적으로 중요한 과제로 떠오르고 있다. 특히 배터리 내부에서 발열 반응이 연쇄적으로 이어져 온도가 급격히 상승하는 ‘열폭주’는 화재와 유독가스 배출 등 치명적인 사고로 이어질 수 있다. 하지만 이를 유발하는 내부 물질들의 분해 반응 메커니즘은 오랫동안 풀리지 않은 난제로 남아 있었다.

특히 전기차 배터리의 핵심 보호막인 SEI는 리튬이온이 이동하는 과정에서 전극 표면에 자연스럽게 형성되는 얇은 층으로, 전지의 수명과 안전성에 결정적인 역할을 한다. 그러나 이 SEI 내부 물질이 고온에서 분해되는 반응 경로는 지금까지 명확히 밝혀지지 않았다.

연구진은 SEI를 구성하는 대표적 유기 성분인 리튬에틸렌모노카보네이트(LEMC)에 주목했다. 연구진은 고순도 LEMC 시료를 직접 합성한 뒤, 이를 활용해 열분해 반응을 정량적으로 분석하고, 다양한 분석 기법과 시뮬레이션을 결합해 실제 반응 경로를 정밀하게 추적했다.

그 결과, 약 110도 전후에서 시작되는 LEMC의 초기 분해 반응에서 다량의 열과 가연성 가스가 방출되는 것으로 나타났다. 이는 전지 내부의 온도, 압력을 높여 화재 위험을 높였다. 즉 열폭주 현상의 단초가 될 수 있음을 과학적으로 입증한 것이다.

홍종섭 교수는 “열폭주는 단순히 고온에서 일어나는 현상이 아니라, SEI 내부의 특정 유기물 분해에서 시작되는 매우 정교한 반응 과정임을 과학적으로 규명한 것”이라며 “이번 연구가 차세대 전지 설계와 안전성 향상에 중요한 토대가 되길 기대한다”고 밝혔다.

참고 자료

ACS Energy Letters(2025), DOI: https://doi.org/10.1021/acsenergylett.5c01003

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