LG화학이 배터리 화재를 조기에 차단할 수 있는 열폭주 억제 신소재를 개발했다.

LG화학은 1일 CTO 산하 기반기술연구소 연구팀이 열폭주를 억제하는 온도 반응성 ‘안전성 강화 기능층(Safety Reinforced Layer, 이하 열폭주 억제 소재)’을 개발했다고 전했다.

포항공과대학교(POSTECH) 배터리공학과 이민아 교수 연구팀과의 협력을 통해 소재 해석을 진행했으며, 안전성 검증은 LG에너지솔루션이 참여했다. 이번 연구 결과는 세계적인 학술지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 9월호에 온라인으로 게재되었다.

LG화학이 개발한 열폭주 억제 소재는 온도 변화에 따라 전기 저항이 변하는 복합 물질로, 온도가 상승하는 초기 단계에서 전기 흐름을 차단하는 ‘퓨즈’ 역할을 수행한다.

연구팀은 이 소재를 배터리의 양극층과 집전체(전자의 통로인 알루미늄 포일) 사이에 1um(마이크로미터) 두께의 얇은 층으로 제작했다. 배터리에서 이상이 발생하여 온도가 90~130℃에 도달하면, 소재가 온도에 반응하여 결합 구조가 변화하며 전류 흐름을 차단한다.

이 소재는 온도가 1℃ 상승할 때마다 전기 저항이 5,000Ω(옴)씩 증가하여 반응 속도가 매우 빠르다. 최대 저항은 정상 온도에서보다 1,000배 이상 증가하며, 온도가 내려가면 저항이 다시 낮아져 원래 전기가 흐르는 상태로 복원되는 가역성(reversibility)을 가진다.

전기차 배터리 화재의 주된 원인인 열폭주는 전지 내부의 양극과 음극이 의도치 않게 접촉하여 단락과 발열이 발생하면서 시작된다. 수 초 만에 온도가 1,000℃ 가까이 상승하며 화재가 발생하기 때문에, 초기 발열에 빠르게 반응하여 차단하는 열폭주 억제 소재가 화재 예방에 효과적일 것으로 기대된다.

실제로 배터리 충격 및 관통 실험에서 열폭주 억제 소재가 적용된 배터리는 불이 붙지 않거나 불꽃이 발생한 뒤 즉시 꺼져 열폭주 현상이 발생하지 않았다.

모바일용 LCO(리튬·코발트·산화물) 배터리에 대한 관통 실험에서, 일반 배터리는 16%만이 화재를 발생하지 않았지만, 열폭주 억제 소재를 적용한 배터리는 단 한 건의 화재도 발생하지 않았다.

전기차용 NCM(니켈·코발트·망간) 배터리에 약 10kg의 무게추를 떨어뜨리는 충격 실험에서는 일반 배터리가 모두 화재가 발생한 반면, 열폭주 억제 소재가 적용된 배터리는 70%가 화재가 발생하지 않았고, 나머지 30%는 불꽃이 발생했지만 몇 초 내에 꺼졌다.

기존에는 셀 내부에 온도 변화에 반응하는 소재를 넣는 방식이 있었지만, 반응 속도가 느리거나 에너지 밀도가 떨어지는 문제가 있었다. LG화학은 소재 설계 기술과 특허를 보유하고 있어 기존 문제를 해결하면서도 신속하게 양산 공정에 적용할 수 있는 수준의 소재 개발에 성공했다.

LG화학은 모바일용 배터리에 대해 열폭주 억제 소재의 안전성 검증 테스트를 마치고, 내년까지 대용량 전기차용 배터리의 안전성 테스트를 지속할 계획이다.

LG화학 이종구 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 밝혔다.