전기차 화재 없앨 배터리 소재 만들었다

KIST-KAIST-생산기술연구원, 신소재 개발
불 붙는 온도가 기존 전해액보다 91도 높아져
충전된 배터리를 못으로 관통해도 열폭주 없어

국내 공동연구진이 개발한 전해액으로 만든 리튬이온 배터리를 못으로 관통해 양극과 음극이 단락되는 테스트에서도 화재가 일어나지 않았다. KIST 제공

[파이낸셜뉴스] 국내 공동연구진이 전기차 화재를 방지할 리튬이온 배터리의 신소재를 개발했다. 배터리의 양극과 음극사이 리튬이온이 이동하는 전해액의 분자구조를 바꿔 불이 붙는 온도를 90℃ 더 높였다. 또 배터리는 양극과 음극이 접촉하면 폭발하는데, 이 소재로 만든 배터리는 못으로 관통시켜도 화재가 일어나지 않았다.

연구진은 새로운 소재가 기존 배터리 제조 시설을 그대로 사용할 수 있어 안전한 리튬이온 배터리 상용화가 가능할 것으로 보고 있다.

상온에서도 불이 붙지 않는 난연성 전해액은 한국과학기술연구원(KIST) 에너지저장연구센터 이민아 박사와 한국과학기술원(KAIST) 서동화 교수, 한국생산기술연구원(KITECH) 김용진·백자연 박사팀이 공동개발했다고 9일 KIST는 밝혔다. 이 전해액은 리튬이온 배터리의 화재 및 열폭주를 억제하기 위해 선형 유기 카보네이트의 분자구조를 제어해 만들었다.

지난해 전가차 화재 사고 건수는 44건, 올 들어 4월까지 31건이 발생했다. 또한 에너지저장장치(ESS)에 대한 화재·폭발 우려도 커지고 있다.

배터리 화재는 외부 충격, 노후화 등으로 인해 전지의 양극과 음극이 붙으면서 발생한다. 이때 연쇄 발열 반응을 동반하는 열폭주 현상으로 인해 다 탈때까지 화재 진압이 어렵다.

연구진은 현재 쓰이고 있는 리튬이온전지 전해액의 분자구조를 바꿔 새로운 전해액 'BMEC'를 개발했다. KIST 이민아 박사는 "새로운 난연성 전해액은 우수한 경제성과 고에너지 밀도 전극 소재와의 호환성을 갖고 있으며, 기존 배터리 제조 인프라에 적용할 수 있을 것"이라고 말했다.

국내 공동연구진이 개발한 리튬이온 배터리 전해액(오른쪽)은 기존의 전해액에 비해 불을 붙여도 상온에서 불이 붙지 않아 화재와 열폭주를 억제할 수 있다. KIST 제공

BMEC 용액은 불이 옮겨 붙는 인화점이 31℃인 기존 전해액보다 90℃ 더 높은 121℃다. 배터리 작동 온도에서 전기 스파크나 불꽃이 일어나도 불이 붙지 않았다.

또한, 다른 연구자들은 불에 쉽게 타지 않는 난연성을 강화하기 위해 만든 전해액들은 충방전 능력이 떨어진다. 연구진은 이 새로운 전해액은 리튬염이 용해되면서 이온으로 분리되는 반응이 일어나 리튬 이온 전달이 느려지는 문제를 해결했다.

이와함께 이 전해액을 고온에 노출하는 테스트를 진행했다. 그결과 충전된 양극과 함께 고온에 노출되어도 상용 전해액 대비 가연성 기체 발생이 37%, 발열이 62% 감소했다. 또한, 새 전해액을 넣어 만든 리튬이온 배터리는 500회 이상 충방전해도 안정적으로 작동했다.

이와더불어 단락 시험도 함께 진행했다.

70% 충전된 리튬이온 배터리를 못으로 관통시켜 양극과 음극이 단락돼도 열폭주가 일어나지 않았다.

KITECH 백자연 박사는 "새로 개발한 전해액은 저비용 촉매를 활용해 손쉽게 스케일-업이 가능하다"며 "앞으로 일산화탄소나 이산화탄소를 활용한 합성법을 추가로 개발해 친환경성을 더욱 높일 것"이라고 말했다.

한편, 연구진은 이 새로운 전해액 개발을 에너지 분야에서 권위 있는 학술지 '에너지와 환경과학(Energy & Environmental Science)'에 발표했다.

[e-mail] 김만기 기자