국내 연구진과 대기업이 배터리 화재를 초기에 막는 열폭주 억제 신소재를 개발했다.

LG화학 CTO 산하 기반기술연구소 연구원들이 개발된 소재를 설명하고 있다. LG화학 제공

LG화학이 개발한 열폭주 억제 소재

LG화학은 1일 CTO 산하 기반기술연구소 연구팀이 열폭주를 억제하는 온도 반응성 ‘안전성 강화 기능층(Safety Reinforced Layer, 열폭주 억제 소재)’을 개발했다고 밝혔다. 포스텍 배터리공학과 이민아 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 소재 해석을 진행했다. 안전성 검증은 LG에너지솔루션과 포스텍이 맡았다. LG화학은 이번 연구 성과를 세계 최상위 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 9월호에 온라인 게재했다. 논문명은 ‘리튬 이온 배터리에서 안전 강화층의 확장 가능한 제작을 통한 열폭주 방지(Thermal Runaway Prevention through Scalable Fabrication of Safety Reinforced Layer in Practical Li-ion Batteries)’다.

LG화학이 개발한 열폭주 억제 소재는 온도에 따라 전기 저항이 변하는 복합 물질로, 온도가 오르는 초기 단계에서 전기 흐름을 차단하는 ‘퓨즈’ 역할을 한다. 연구팀은 열폭주 억제 소재를 배터리 양극층과 집전체(전자 통로 역할을 하는 알루미늄 포일) 사이에 머리카락 100분의 1 수준인 1um(마이크로미터) 두께의 얇은 층 형태로 만들었다. 전지에 이상이 발생해 온도가 90~130℃ 수준으로 정상 범위를 벗어나면 소재가 온도에 반응해 결합 구조가 바뀌며 전류 흐름을 억제한다.

열폭주 억제 소재는 온도가 1℃ 올라갈 때마다 전기 저항이 5000Ω(옴)씩 상승해 온도에 대한 반응 속도가 빠르다. 최대 저항은 정상 온도일 때보다 1000배 이상 높고 온도가 내려가면 다시 저항이 낮아져 원래 전기가 통하는 상태로 돌아온다.

열폭주는 전지 내부의 양극과 음극이 의도치 않게 직접 접촉해 단락과 발열이 발생하며 시작된다. 수초 만에 온도가 1000℃ 가까이 치솟으며 화재가 이어지는 만큼, 발열 초기에 빠르게 반응 경로를 차단하는 열폭주 억제 소재가 화재 방지에 효과적일 것으로 기대된다. 배터리 충격 실험과 관통 실험 모두에서 열폭주 억제 소재를 적용한 배터리는 불이 붙지 않거나 불꽃이 발생한 뒤 곧바로 꺼져 열폭주 현상이 발생하지 않았다는 게 LG화학 설명이다.

모바일용 LCO(리튬·코발트·산화물) 배터리에 못으로 구멍을 뚫는 관통 실험에서 일반 배터리는 전체 중 16% 만이 화재가 발생하지 않았지만 열폭주 억제 소재를 적용한 배터리는 단 한 건의 화재도 발생하지 않았다. 전기차용 NCM(니켈·코발트·망간) 배터리에 약 10㎏ 무게추를 떨어뜨리는 충격 실험에서는 일반 배터리는 모두 화재가 발생했다. 반면 열폭주 억제소재를 적용한 배터리는 70% 비율로 화재가 발생하지 않았고 30%는 불꽃이 발생했지만 수초 내로 꺼졌다고 한다.