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최근 전기차 충전 중 폭발이 발생하는 등 리튬이온 배터리의 안전성에 대한 우려가 지속되고 있다. 이러한 사고의 주요 원인 중 하나는 열폭주(Thermal Runaway) 현상이다. 외부 충격이나 과열로 인해 배터리 내 화학 반응이 가속되면서 발화·폭발로 이어진다. 특히 리튬이온 배터리에 사용되는 카보네이트계 유기 전해질은 상온에서도 쉽게 인화돼 발화 요인으로 작용한다.
학계에선 이에 따라 난연성 전해질에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 현재까지 개발된 난연성 전해질은 불소계 고농도 염이나 다량의 불소 원자를 도입하는 방식이라 고비용과 배터리 성능 저하가 한계로 지적됐다.
연구팀은 이런 문제점을 해결하기 위해 가격 경쟁력이 뛰어나고 자기소화력(Self-extinguish)이 우수한 인 기반 난연 첨가제에 주목했다. 전해질의 난연성 확보를 위한 새로운 설계 방향을 도출한 것이다.
인계 화합물은 적은 양으로도 효과적으로 기능하고, 연소 시 발생하는 독성이 적어 배터리 안전성 확보에 유리하다. 전해질의 물리적 특성이나 전기화학적 성능에 미치는 영향력도 낮아 배터리 성능 저하 우려가 완화되는 점도 장점이다. 비교적 낮은 비용으로 제조할 수 있다는 장점도 있다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 등의 지원을 받아 수행했다. 연구 결과는 국제 저명 학술지 ‘Advanced Energy Materials’의 표지 논문으로 선정됐다. 유승호 교수는 “이번 연구는 배터리의 난연성과 계면 안정성을 동시에 확보할 수 있는 첨가제 설계 가능성을 입증한 사례”라며 “이를 기반으로 인계 첨가제의 활용도를 넓혀 향후 차세대 전지 시스템 상용화에 기여할 것”이라고 했다.
