"퓨즈처럼 화재 차단"…LG화학, 배터리 열폭주 억제 소재 개발

발열 초기 단에서 전기 흐름을 차단하는 퓨즈 역할

전기차 배터리 충격 실험서 70% 화재 미발생

내년까지 대용량 전기차용 배터리에도 안전성 테스트

LG화학이 개발한 열폭주 억제 소재. ⓒLG화학

LG화학은 최고기술책임자(CTO) 산하 기반기술연구소 연구팀이 열폭주를 억제하는 온도 반응성 '안전성 강화 기능층(열폭주 억제 소재)'을 개발했다고 1일 밝혔다.

이번 연구 성과는 세계적인 학술지 네이처 커뮤니케이션즈 9월호에 온라인 게재됐다. LG화학은 이민아 포항공대 배터리공학과 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 소재 해석을 진행했고, LG에너지솔루션이 안전성 검증에 참여했다고 전했다.

이번에 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 배터리의 양극층과 집전체(전자의 통로 역할을 하는 알루미늄 포일) 사이에 머리카락 100분의 1 수준인 1㎛(마이크로미터, 100만분의 1m) 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.

온도가 1도 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 원래의 전기가 통하는 상태로 돌아오는 가역성까지 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 모바일용 LCO(리튬·코발트·산화물) 배터리에 못으로 구멍을 뚫는 관통 실험을 한 결과 일반 배터리는 16%만 불이 나지 않았지만, 열폭주 억제 소재를 적용한 배터리는 단 1건의 화재도 발생하지 않았다.

전기차용 NCM(니켈·코발트·망간) 배터리에 약 10㎏의 무게추를 떨어뜨리는 충격 실험에서도 일반 배터리의 경우 모두 화재가 발생한 반면, 열폭주 억제 소재 적용 배터리의 경우 70%는 화재가 발생하지 않았고 나머지 30%는 불꽃이 발생했지만 수 초 내로 꺼졌다.

LG화학은 소재 설계에 대한 기술력과 특허를 기반으로 기존의 반응 속도와 에너지 밀도 저하 문제를 해결하면서도 빠르게 양산 공정에 적용할 수 있는 수준의 소재 개발에 성공했다고 설명했다.

LG화학은 모바일용 배터리에 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 성과"라며 "고객이 안심하고 전기차를 이용할 수 있도록 안전성 강화 기술을 고도화하고 배터리 시장 경쟁력 강화에 기여할 것"이라고 말했다.