불 끄는 전해액, 전기차 배터리 열폭주 제어 기술 확보

전기차 배터리 화재의 주요 원인으로 지목되는 열폭주를 제어할 수 있는 난연성 전해액 기술이 국내 연구진에 의해 확인됐다. 전해액 발화를 막기 위해 소화 원리를 접목한 접근으로, 리튬이온배터리의 구조적 안전성을 높이는 방식이다.

한국연구재단에 따르면, 충남대학교 송승완 교수 연구팀은 한국전기연구원 도칠훈 박사, 한국기초과학연구원 이영주 박사팀과 함께 불소치환형 카보네이트계 유기용매를 바탕으로 한 새로운 전해액을 개발했다. 자가소화 기능을 갖춘 이 소재는 전해액의 발화 가능성을 낮추는 동시에, 배터리 계면 안정성 확보에도 기여한 것으로 분석됐다.

리튬이온배터리 열폭주는 배터리 내부의 온도가 상승하면서 전해액과 음극 표면막(SEI)이 연쇄적으로 열분해되고, 반응성 가스가 분출되는 과정에서 발생한다. 연구진은 이 과정의 시작점에 작용하는 수소 라디컬을 제어할 수 있도록, 포획 기능을 갖는 불소 기반 유기용매를 설계했다. 실험 결과, 자가소화시간은 ‘0초/g’ 수준으로 측정됐으며, 일반 전해액(35~60초/g)보다 열확산을 억제하는 데 유리한 성능을 보였다.

이 기술은 안정성 외에도 리튬이온배터리의 수명 유지 측면에서 효과가 확인됐다. 계면 안정성이 확보된 결과, 고온 조건에서도 전해액과 전극 간의 구조 변화가 최소화됐고, 음극 덴드라이트나 양극 퇴화 현상도 억제된 것으로 나타났다.
가속율열량계(ARC) 실험에서는 하이니켈 리튬이온배터리 적용 시 600사이클 이상 안정적으로 충·방전이 지속됐다.

기존의 난연성 전해액 연구에서는 계면 안정성 저하로 인해 실용화에 한계가 있었던 반면, 이번 연구는 소재 설계 단계에서부터 라디컬 억제와 계면 보호를 동시에 고려한 점이 특징으로 꼽힌다. 전해액 조성 안에서 불소·인 계열의 반응 특성을 구조적으로 반영한 결과다.

송승완 교수는 “전해액을 난연화하면서도 성능 저하를 피할 수 있는 기술을 통해 고출력 전기차와 에너지저장장치(ESS) 등 다양한 분야로의 적용 가능성을 확보하게 됐다”고 전했다. 현재 관련 특허 출원과 기술 상용화가 병행 추진되고 있다.

이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노·소재기술개발사업의 일환으로 수행됐으며, 주요 성과는 국제학술지 'Materials Science & Engineering R: Reports' 3월 27일 자에 게재됐다.