LG화학, 배터리 열폭주 억제 신소재 개발

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발열 초기 단계 반응 경로 차단 퓨즈 역할… 세계적 학술지 논문 게재
내년까지 대용량 전기차용 배터리 안정성 테스트 진행 계획

양준규 기자 기자페이지 + 입력 2024-10-01 14:57:47

LG화학은 자사 최고기술책임자(CTO) 산하 기반기술연구소 연구팀이 온도 반응성 ‘안전성 강화 기능층(열폭주 억제 소재)’을 개발했다고 1일 밝혔다.

이민아 포항공과대학교(포스텍) 배터리공학과 교수 연구팀이 LG화학과 함께 공동 연구를 통해 소재 해석을 진행했고 LG에너지솔루션이 안전성 검증에 참여했다.

이번에 개발된 열폭주 억제 소재는 온도에 따라 전기 저항이 변하는 복합 물질로 온도가 오르는 초기 단계에서 전기 흐름을 차단하는 퓨즈 역할을 한다.

연구팀은 열폭주 억제 소재를 배터리의 양극층과 집전체 사이에 머리카락 100분의 1 수준인 1um 두께의 얇은 층 형태로 만들었다. 전지에 이상이 발생해 온도가 90~130도 수준으로 정상 범위를 벗어나면 소재가 온도에 반응해 결합 구조가 바뀌며 전류의 흐름을 억제하는 구조다.

열폭주 억제 소재는 온도가 1도 올라갈 때마다 전기 저항이 5000Ω(옴)씩 상승해 온도에 대한 반응속도가 빠르다. 최대 저항이 정상 온도일 때보다 무려 1000배 이상 높고 온도가 내려가면 다시 저항이 낮아져 원래의 전기가 통하는 상태로 돌아오는 가역성도 갖췄다.

전기차 배터리 화재의 주요 원인인 열폭주는 전지 내부의 양극과 음극이 의도치 않게 직접 접촉해 단락과 발열이 발생하며 시작되는 것으로 알려져 있다. 수 초 만에 온도가 1000도 가까이 치솟으며 화재가 이어지는 만큼 발열 초기에 빠르게 반응 경로를 차단하는 열폭주 억제 소재가 화재 방지에 효과적일 것으로 기대된다.

실제로 열폭주 억제 소재를 적용한 배터리는 배터리 충격 실험과 관통 실험에서 불이 붙지 않거나 불꽃이 발생한 뒤 곧바로 꺼져 열폭주 현상이 발생하지 않았다.

일반 배터리는 모바일용 LCO(리튬·코발트·산화물) 배터리에 못으로 구멍을 뚫는 관통 실험에서 전체 중 16%만 화재가 발생하지 않았지만 열폭주 억제 소재를 적용한 배터리는 단 한 건의 화재도 발생하지 않았다.

전기차용 NCM(니켈·코발트·망간) 배터리에 약 10kg의 무게추를 떨어뜨리는 충격 실험 결과 일반 배터리는 모두 화재가 발생했으나 열폭주 억제 소재를 적용한 배터리는 70%가 화재가 발생하지 않았고 30%는 불꽃이 발생했지만 수 초 내로 꺼졌다.

LG화학은 모바일용 배터리에 열폭주 억제 소재 안전성 검증 테스트를 마치고 내년까지 대용량 전기차용 배터리에도 안전성 테스트를 이어갈 계획이다.

이종구 LG화학 CTO는 “양산 공정까지 빠른 시일 내 제품에 적용할 수 있는 가시적인 연구 성과다”며 “고객이 안심하고 전기차를 이용할 수 있도록 안전성 강화 기술을 고도화하고 배터리 시장 경쟁력 강화에 기여할 것”이라고 말했다.

이번 연구 성과를 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈 9월호 온라인판에 게재됐다.

양준규 기자 jgyang@skyedaily.com 기자페이지 +