연구진, 리튬 열폭주 방지 위한 불연성 전해질 개발

2023년 8월 1일

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국립과학기술연구회

에너지저장연구센터 이민아 박사, KAIST 서동화 교수, 한국생산기술연구원(KITECH) 김용진·백자연 연구원은 리튬이온 배터리의 화재 및 열폭주 방지를 위해 선형 유기탄산염의 분자 구조를 맞춤화해 상온에서 불이 붙지 않는 불연성 전해질을 개발했다. .

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 불이 붙는다.

지금까지는 전해질의 인화성을 줄이기 위해 용매 분자의 불소화나 고농도 염을 집중적으로 사용하는 방식이 널리 채택됐다. 그 결과, 상용 전극과 호환되지 않는 전극에서는 전해질 내 리튬 이온 수송이 감소하여 상용화가 제한되었습니다.

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 해결할 수 있습니다. 그 결과, 기존 전해액의 원래 비율 성능을 92% 이상 유지하면서도 화재 위험을 크게 줄였습니다. 또한, 신규 전해액은 기존 전해액 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. 이 연구는 에너지 및 환경 과학 저널에 게재되었습니다.