리튬의 열폭주 방지를 위한 불연성 전해질 개발

상업용 전해질에서 유기 탄산염의 분자 구조를 조정하면 배터리의 화재 위험이 줄어듭니다. 비불소화, 불연성 전해질은 열적으로 안정적인 고성능 배터리를 달성할 수 있는 실행 가능한 경로를 제시합니다.

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한국과학기술연구원(KIST) 윤석진 원장은 에너지저장연구센터 이민아 박사, 한국과학기술원(KAIST) 서동화 교수 등이 이끄는 공동연구팀을 밝혔다. ) 및 Drs. 한국생산기술연구원(KITECH) 김용진·백자연 연구원은 리튬이온 배터리의 화재 및 열폭주 방지를 위해 선형 유기탄산염의 분자 구조를 맞춤화해 상온에서 불이 붙지 않는 불연성 전해질을 개발했다. .

출처: 한국과학기술연구원

전기차와 에너지저장장치(ESS)에 중대형 리튬이온전지의 사용이 확대되면서 화재 및 폭발에 대한 우려도 커지고 있다. 배터리 화재는 배터리가 외부충격, 남용, 노후화 등으로 합선되었을 때 발생하며, 일련의 발열반응을 동반한 열폭주 현상으로 인해 화재 진압이 어려워 인명 피해 위험이 높습니다. 특히 상용 리튬이온전지 전해액에 사용되는 선형 유기탄산염은 인화점이 낮아 상온에서도 쉽게 발화해 발화의 직접적인 원인이 된다.

지금까지는 전해질의 인화성을 줄이기 위해 용매 분자나 고농도 염의 집중적인 불소화 방법이 널리 채택됐다. 그 결과, 전해질 내 리튬 이온 수송이 감소하거나 상용 전극과 호환되지 않아 상용화가 제한되었습니다.

(좌) 상용 리튬이온전지 전해질(DEC)과 KIST, 한국생산기술연구원, KAIST 공동연구팀이 개발한 신규 전해질(BMEC)(우).

연구진은 상용 리튬이온 배터리 전해액에 사용되는 대표적인 선형 유기탄산염인 디에틸카보네이트(DEC) 분자에 알킬 사슬 연장과 알콕시 치환을 동시에 적용해 새로운 전해질인 비스(2-메톡시에틸)카보네이트(BMEC)를 개발했다. 분자간 상호작용과 용매화 능력을 높여 인화점과 이온전도도를 높인 제품입니다. BMEC 용액은 인화점이 121°C로 기존 DEC 용액보다 90°C 높아 기존 배터리 작동 온도 범위에서는 발화되지 않습니다. BMEC는 단순한 알킬화 대응물인 디부틸 카보네이트(DBC)보다 더 강한 리튬염을 해리할 수 있어 분자간 상호 작용을 증가시켜 가연성을 줄일 때 리튬 이온 이동 속도가 느려지는 문제를 해결합니다. 그 결과, 기존 전해액의 원래 비율 성능을 92% 이상 유지하면서도 화재 위험을 크게 줄였습니다.

또한, 새로운 전해질은 기존 전해질 대비 가연성 가스 발생을 37%, 발열을 62% 완화시켰다. 연구팀은 새로운 전해질과 고니켈 양극, 흑연 음극을 결합해 1Ah 리튬이온전지가 500사이클 이상 안정적으로 작동하는 것을 입증했다. 또한 70% 충전된 4Ah급 리튬이온 배터리를 대상으로 못 관통 테스트를 실시해 열폭주 억제를 확인했다.

KIST 이민아 박사는 “이번 연구 결과는 전기화학적 특성이나 경제성이 희생될 수밖에 없었던 불연성 전해질 설계에 새로운 방향을 제시했다”고 말했다. “개발된 불연성 전해질은 원가 경쟁력이 있고, 고에너지 밀도 전극 소재와의 상용성이 우수해 기존 배터리 제조 인프라에 적용이 가능할 것으로 기대된다. 궁극적으로는 열 안정성이 뛰어난 고성능 배터리의 등장을 가속화할 것”이라고 말했다.