리튬 배터리 화재 위험 낮추는 난연 전해액 개발

KIST-KITECH-KAIST 공동연구진, 선형 유기 카보네이트 분자 구조 제어해 화재 및 열폭주 억제

액체 전해질을 쓰는 현재의 리튬이온전지는 화재 위험이 크고, 한번 불이 나면 연쇄적 발열 반응을 동반하는 열폭주 현상이 일어나 진압이 어렵다. 리튬이온전지의 전해액으로 쓰이는 선형 유기카보네이트 용액은 인화점이 낮아 상온에서도 쉽게 불이 붙는다. 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 상온에서 불이 붙지 않는 난연성 전해액을 개발했다고 9일 밝혔다.  

리튬이온전지의 화재와 폭발 억제를 위해 고인화점 전해질을 개발한 KIST 에너지저장연구센터 이민아 박사 연구팀 (왼쪽부터 전아리 연구원, 이지나 연구원, 이민아 박사) (사진=KIST)

KIST 에너지저장연구센터 이민아 박사와 KAIST 서동화 교수, 한국생산기술연구원(KITECH) 김용진·백자연 박사 공동연구팀은 선형 유기 카보네이트의 분자 구조를 제어, 전해액의 화재 및 열폭주를 억제하는데 성공했다. 

지금까진 전해질의 난연성을 강화하기 위해 전해액 분자에 과량의 불소 원자를 치환하거나 고농도의 염을 녹여 용액을 제조했다. 이는 전해질의 이온 전달 능력이나 전극과의 호환성을 떨어뜨려 상용화에 한계가 있었다.

연구팀은 인화점과 이온전도도가 함께 강화된 신규 전해액 BMEC(bis(2-methoxyethyl) carbonate)를 개발했다. 상용 리튬이온전지 전해액에 쓰이는 대표적 선형 유기카보네이트 DEC(diethyl carbonate) 분자에 알킬 사슬 연장과 알콕시 치환을 동시에 적용해 분자 간 상호작용과 리튬염의 용해 능력을 높인 결과다. 

BMEC 용액은 인화점이 기존 DEC 용액보다 90℃ 더 높은 121℃라 이차전지 작동 온도에서 점화원이 생겨도 불이 붙지 않았다. 또 DEC에 단순히 알킬 사슬을 연장한 DBC(dibutyl carbonate) 용액보다 리튬염 해리가 더 잘 되기 때문에 난연 성질을 높이면 리튬 이온 전달이 느려지는 문제도 해결했다. 해리는 화합물이 이온으로 분리되는 현상으로, 리튬염이 전해액에 잘 해리되어 리튬 이온들이 빠르게 이동할 수 있어야 전지의 성능이 좋아진다. 

고인화점 전해액 분자 설계 전략과 상온 점화 특성 비교 기존 상용 전해액에 사용되던 유기 카보네이트는 인화점이 31℃로 전지 작동 온도(-20℃~60℃)에서 높은 화재 위험성을 가지지만, 알킬 사슬 연장과 알콕시 치환을 통해 설계된 신규 전해액 BMEC는(좌) 점화원이 있을 때에도 불이 붙지 않는다 (우). (자료=KSIT)

개발된 전해액은 충전된 양극과 함께 고온에 노출되어도 상용 전해액에 비해 가연성 기체 발생이 37%, 발열이 62% 줄었다. 신규 전해액을 상용 전극 소재인 하이니켈 양극, 흑연 음극으로 구성된 1Ah급 리튬이온전지에 적용 후 500회 이상 안정적으로 구동시켜 호환성을 확보했다. 70% 충전된 4Ah급 리튬이온전지에 관통 시험을 실시해 열폭주가 억제되는 것도 확인했다.

KIST 이민아 박사는 "이번 연구는 불가피하게 전해액 성능과 경제성 저하를 수반했던 기존 난연성 전해액 연구에 새로운 방향성을 제시한 것"이라며 "개발된 난연성 전해액은 경제성이 좋고 고에너지 밀도 전극 소재와 호환되므로 기존 전지 제조 인프라에 적용할 수 있을 것"이라고 밝혔다. 향후 열적 안정성이 우수한 고성능 배터리 등장을 앞당기리란 기대다. 

이 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 운영되는 국가과학기술연구회 선행융합연구사업, 한국연구재단 중견연구 과제의 지원을 받아 수행됐으며, 학술지 '에너지 & 인바이런먼탈 사이언스(Energy & Environmental Science)' 최신호에 게재됐다.

논문 제목은 'Molecularly engineered linear organic carbonates as practically viable nonflammable electrolytes for safe Li-ion batteries'이다.