전기차 배터리 열폭주 100도 이하에서도 시작

작성일 08-21

<div id="layerTranslateNotice" style="display:none;"></div> 연세대 연구진, MIT와 공동연구로 화학반응 정밀 분석 
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 전기차 배터리. 게티이미지뱅크 제공
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 전기차 배터리 화재의 시작 지점에서 어떤 화학 반응이 일어나는지를 물질별로 정밀 분석한 연구결과가 나왔다. 
 연세대는 홍종섭 기계공학과 교수, 김민욱 기계공학과 박사후연구원이 아메드 F. 거니엠 미국 매사추세츠공대(MIT) 교수팀과 고체전해질계면층(SEI)에서 어떤 화학 반응이 일어나는지를 물질별로 정밀 분석한 국제 공동연구 결과가 세계적인 에너지 소재 분야 학술지 ‘에너지 스토리지 머터리얼스’에 14일 온라인 게재됐다고 21일 밝혔다. 
 고체전해질계면층은 전지 음극 표면에 자연스럽게 형성되는 얇은 보호막이다. 리튬이온의 이동은 전고체 배터리에서 가능하게 하면서도 전해질과 음극재의 직접 접촉을 차단하는 중요한 역할을 한다. 지금껏 고체전해질계면층은 유기·무기 화합물이 복합적으로 구성돼 있어 각 성분이 어떤 온도에서 어떤 반응을 통해 분해되며 열폭주를 유발하는지에 대한 정량적 정보는 부족했다.
 최근 연구를 통해 전기차 배터리로 쓰이는 '리튬이온전지'의 열폭주 시발점이 양극에서의 산소 방출이 아니라 고체전해질계면층의 분해 반응에서 비롯된다는 사실이 밝혀졌다. 
 연구팀은 상업용 전해질 염과 고체전해질계면층의 주요 구성물질인 리튬메틸카보네이트(LMC), 리튬에틸렌모노카보네이트(LEMC), 리튬카보네이트(Li₂CO₃)를 각각 고순도로 합성하고 이들을 조합해 반응시켰다. 
 이런 과정을 통해 연구진은 고체전해질계면층 구성물질이 전해질 염의 분해 산물과 만나면서 유독가스(POF₃)를 방출하고 중간 생성물을 거쳐 최종적으로 리튬 피로인산염(Li₄P₂O₇)으로 전환되는 단계별 반응 경로를 정량적으로 규명했다.
 특히 리튬카보네이트는 60℃ 이하에서도 발열 반응을 시작했으며 가장 높은 열 발생량을 보였다. 전기차 배터리 화재가 100℃ 이하의 비교적 낮은 온도에서도 시작될 수 있음을 실험적으로 확인한 것이다. 
 이번 연구는 고체전해질계면층을 단일한 보호막으로 보던 기존 시각에서 벗어나 구성물질별 반응성을 분자 수준에서 구체적으로 분석했다는 점에서 학문적 의의가 크다. 또한 분석 결과는 향후 고안전성 전해질 설계, 열폭주 저감 알고리즘 구현, 배터리 시뮬레이션 모델 구축 등에도 널리 활용될 수 있다.
 무엇보다도 산업계에서 가장 흔히 사용되는 전해질 염과 고체전해질계면층 사이의 실제 반응 경로를 실험적으로 입증함으로써 상업용 배터리 시스템에 바로 적용 가능한 실질적인 혜안을 제공한다는 평가다.
 홍 교수는 “연구는 전지 내부에서 가장 먼저 발생하는 화학반응이 무엇인지, 그 반응이 어떤 경로를 통해 열과 유독가스로 이어지는지를 분자 수준에서 명확히 정리한 첫 사례로 배터리 화재의 초기 징후를 보다 정밀하게 예측하고 선제적으로 차단할 수 있는 핵심 데이터를 확보했다는 데 큰 의미가 있다”고 밝혔다.
 김 연구원은 교육부의 대학원 혁신 및 연구 인력 양성 지원 사업인 4단계 두뇌한국21 사업(BK21 FOUR)의 지원을 받아 MIT에서 방문연구를 수행하며 이번 성과를 완성했다.   
 &lt;참고자료&gt;
 -https://doi.org/10.1016/j.ensm.2025.104537
 [이채린 기자 rini113@donga.com]
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