소화기처럼 불 끄는 배터리로 열폭주 막는다
2025년 4월 22일
난연성 전해액 기술로 계면 안정성 확보 및 열폭주 억제
□ 불 끄는 소화기 성분을 배터리에 접목해 리튬이온배터리 열폭주로 인한 전기차 화재를 원천 차단하는 기술이 개발됐다.
□ 한국연구재단(이사장 홍원화)은 충남대학교 송승완 교수 연구팀이 한국전기연구원 도칠훈 박사, 한국기초과학지원연구원 이영주 박사팀과의 공동연구를 통해 리튬이온배터리 열폭주를 억제하는 불소치환형* 카보네이트계 유기용매** 기반 난연성(불연성) 전해액*** 기술을 확보했다고 밝혔다.
[선진상사는 # ESS 배터리 매입 # 리튬이온 배터리 매입및수거 # 전기차 배터리 매입 # UPS 배터리 철거 # 2차 폐축전지 폐기 # 골프카 배터리 폐기 # 전기자전거 배터리 수거 # 인산철 배터리 폐기합니다.
관련하여 상담을 원하시는 분은 010 3018 0141입니다.]
소화기처럼 불 끄는 배터리로 열폭주 막는다
2025년 4월 22일
난연성 전해액 기술로 계면 안정성 확보 및 열폭주 억제
□ 불 끄는 소화기 성분을 배터리에 접목해 리튬이온배터리 열폭주로 인한 전기차 화재를 원천 차단하는 기술이 개발됐다.
□ 한국연구재단(이사장 홍원화)은 충남대학교 송승완 교수 연구팀이 한국전기연구원 도칠훈 박사, 한국기초과학지원연구원 이영주 박사팀과의 공동연구를 통해 리튬이온배터리 열폭주를 억제하는 불소치환형* 카보네이트계 유기용매** 기반 난연성(불연성) 전해액*** 기술을 확보했다고 밝혔다.
*불소치환형: 유기화합물의 수소를 불소로 치환한 화합물
** 카보네이트계 유기용매 기반 전해액: 리튬이온전지의 전해질은 카보네이트 계열의 유기용매가 주로 사용됨. 전해액 용매는 리튬이온 이차전지에서 리튬염을 용해시키고 리튬이온의 이동을 가능하게 하는 유기 액체
***난연성(불연성 전해액): 불에 타는 데 걸리는 시간이 늘어나거나 불에 안 타는 전해액
□ 전기차가 상용화된 이래 매년 배터리 화재가 발생하면서 이차전지 열폭주 현상에 관심이 집중돼 왔다.
○ 리튬이온배터리 열폭주는 과열이나 물리적 충격 등으로 배터리 내부 열이 가속돼 통제 불가능한 상황에 이르는 것으로 최악의 경우 발화 및 폭발로 이어진다.
○ 리튬이온배터리의 전해액으로 사용되는 카보네이트계 유기용매는 쉽게 발화하는 특징이 있어 열폭주의 원인 중 하나로 지목된다.
○ 전해질 성분을 난연성으로 바꾸려는 연구가 이어지고 있지만, 계면 안정성이 확보되지 않아 배터리 성능이 떨어지는 문제점이 있었다.
□ 연구팀은 불소, 인 등의 성분을 포함한 소재의 소화(消火) 기능에 착안, 기존 발화점이 낮은 전해액을 불소치환형으로 설계해 자가소화되는 난연성 전해액을 개발하는 데 성공했다.
○ 배터리 내부 온도가 상승하면 음극 표면막(SEI)*과 전해액이 열분해되고 각종 라디칼과 가스를 방출하는데, 연구팀이 개발한 불소치환형 유기용매는 이렇게 반응성 높은 수소 라디칼을 포획해 마치 소화기처럼 불을 끄거나 불이 안나게 하는 역할을 하게 된다.
○ 더불어, 해당 유기용매를 기반으로 하는 난연성 전해액을 배터리에 적용했을 때 리튬이온배터리 음/양극 계면 안정성이 확보되며 SEI가 높은 열적 안정성을 보였다.
○ 발화가 잘되는 기존 전해액(자가소화시간 35~60s/g)을 난연성(자가소화시간 0s/g) 전해액으로 교체 후 가속율열량계** 측정을 통해 하이니켈 리튬이온배터리의 열폭주 억제 효과를 확인하고 600사이클 이상의 수명 향상 효과를 검증했다.
*음극 표면막(SEI): 배터리 초기 충방전 시 전해액 분해생성물에 의해 음극 표면에 형성되는 얇은 고체막으로 SEI는 배터리의 수명, 안전성과 성능에 영향을 준다.
**가속율열량계: 시료의 열적 변화를 측정하는 장비로 이차전지 화재특성과 성능, 안전성을 확인할 수 있다.
□ 송승완 교수는 이번 연구성과에 대해 “전기차에 탑재되는 기존 리튬이온배터리의 전해액을 난연성/불연성 전해액으로 전격교체해 열폭주를 억제·방지하는 안전성 혁신 기술”이라며, “국내/국제 원천특허를 기반으로 리튬이온배터리가 필요한 모든 분야에 적용할 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.
□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노․소재기술개발사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 재료과학 다학제 분야 국제학술지 ‘머티리얼즈 사이언스 & 엔지니어링 R-리포츠(Materials Science & Engineering R – Reports)’에 3월 27일 게재되었다.
주요내용 설명
작성 : 충남대 송승완 교수
논문명
Preventing thermal runaway of high-nickel Li-ion battery through
nonflammable carbonates-based electrolyte formulation
저널명
Materials Science & Engineering R - Reports
키워드
Li-ion battery thermal runaway (리튬이온배터리 열폭주), Battery fire (배터리 화재), Nonflammable liquid electrolyte (난연성/불연성 전해액), Dendrite-free battery (덴드라이트 없는 배터리)
DOI
doi.org/10.1016/j.mser.2025.100980
저 자
트란티하이옌(제1저자/충남대학교), 안기훈(공동저자/충남대학교), 임건태(공동저자/충남대학교), 김도경(공동저자/한국기초과학지원연구원), 이영주(공동교신저자/한국기초과학지원연구원), 도칠훈(공동교신저자/한국전기연구원),
송승완 교수(교신저자/충남대학교)
1. 연구의 필요성
○ 전기차는 리튬이온배터리를 전원으로 한다. 전기차가 상용화된 이래 리튬이온배터리 글로벌 시장이 확대되고 국가간 배터리 기술 및 시장 점유율 경쟁이 치열해지고 있는 가운데, 국내 기업들은 최근 전기차 캐즘을 겪고 있다.
○ 전기차 캐즘의 원인으로 전기차 및 배터리 가격, 전기차 화재 발생 등 안전 문제, 충전인프라 부족 등 여러 가지가 있다. 그 중, 연구팀은 전기차 화재 방지를 위한 리튬이온배터리 안전성 강화 기술의 절대적 필요성에 주목하게 되었다.
○ 전기차 화재 원인 중 하나가 리튬이온배터리 열폭주와 화재 발생이고, 셀 레벨에서의 열폭주는 전해액 분해생성물로 이루어진 음극 표면막 (SEI)의 열분해에 의해 시작되고 전해액 열분해로 이어지며 진행된다. 따라서 배터리 열폭주를 원천 차단하는 것이 필요하다. 연구팀은 이에 착안하여, 현존 리튬이온배터리 화재 발생의 주원인 중 하나인 전해액을 난연화하는 기술을 개발하고자 하였다.
2. 연구내용
○ 연구팀은 발화가 잘되는 기존 전해액(자가소화시간 35~60 s/g)을 난연성(불연성)(자가소화시간 0 s/g) 전해액으로 교체하고, 이로부터 높은 열적 안정성을 가지는 SEI를 구축하는 기술을 개발하였다. 연구팀은 기존 전해액 유기용매 연소 시 발생하는 수소 등 반응성 높은 래디컬을 스캐빈징하여 소화시키는 메커니즘으로 작동하는 소화재같은 불소치환형 카보네이트계 유기 용매를 기반으로 하는 난연성 전해액 기술을 최초로 설계·개발하고 확보해 오고 있다.
○ 최적 설계된 난연성 전해액을 통해 리튬이온배터리 내 음/양극 계면(SEI)도 안정화시키므로써, 배터리 열폭주 발생의 또 다른 원인인 음극 덴드라이트를 방지하였으며 수명 단축의 원인인 양극 퇴화를 억제하였다. 또한 가속율용량계 측정을 통한 난연성 전해액을 적용한 하이니켈 리튬이온배터리의 열폭주 억제 효과를 확인하였고 충방전 수백 사이클을 구동해도 안정성을 유지하는 수명 향상 효과를 확보하였다.
3. 연구성과/기대효과
○ 기존 리튬이온배터리 기술은 전기차 주행거리 증가와 글로벌 시장 점유율 증가를 위해 주로 에너지밀도 증가와 저가화에 각각 집중되어온 경향이 있다. 이제는 배터리 안전성 강화 기술의 진보를 통해 전기차 안전성 확보가 필요하며, 이는 전기차 캐즘 극복의 방안이 될 수 있다. 이에 연구팀의 배터리 열폭주 억제하는 난연성 전해액 기술의 기여가 기대된다.
(그림) 난연성 카보네이트계 전해액 적용과 음/양극 계면안정화를 통한 리튬이온배터리 열폭주 억제 효과
불소치환형 카보네이트계 유기용매 기반 난연성 전해액을 리튬이온배터리에 적용하여 음/양극 계면을 안정화시키므로써 열폭주 억제 효과와 동시에 600 사이클 이상 안정한 충방전 성능을 확보하였다. 반면, 기존 전해액을 적용한 경우 전해액 자체가 발화가 잘 되고 음극에 덴드라이트 형성, 음/양극 계면의 열적 안정성 저하로 인해 배터리 열폭주와 화재 발생 가능성이 높아진다.
그림설명 및 그림제공 : 충남대 송승완 교수
연구 이야기
작성 : 충남대 송승완 교수
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?
전기차 상용화 직후 최초의 전기차 화재 발생(2013년 테슬라) 뉴스를 접하고, 앞으로 전기차가 보급화되고 시장이 커지면 전기차 화재가 많이 나겠구나하는 생각이 들었습니다. 이에 전기차 화재 발생 안 하도록, 리튬이온배터리 화재 발생 안 하도록 할 수 없을까? 전해액/계면 연구자로서 불 안나는 전해액을 어떻게 개발하는게 좋을까?라는 생각에, 난연성 전해액 개발 아이디어를 도출하게 되었습니다.
불소, 인 등 포함 소재의 소화 기능에 착안해, 기존 발화가 잘 되는 전해액 용매를 불소 치환형으로 설계, 개발하여 자가소화되는 난연성/불연성임을 확인하였습니다.
국내외 전기차 화재로 인한 사상사고 뉴스와 화재 진압에 어려움 있다는 뉴스를 접할 때마다, 리튬이온배터리 열폭주와 전기차 화재 발생을 불가피한 현상으로 기정 사실화되는 경향을 보게 되었습니다. 사고 후 이를 대처하는 기술에 연구비를 투자되는 정책 진행도 필요하겠지만, 애초 상용 리튬이온배터리에 화재가 발생하지 않도록 원천 차단하는 원천기술 확보와 적용으로의 연구비 투자가 더 시급히 필요하다고 생각되었습니다.
□ 이번 성과, 무엇이 다른가?
전기차에 탑재되는 기존 리튬이온배터리의 전해액은 쉽게 발화하는 특징으로 인해 셀 레벨에서의 열폭주 및 화재 발생의 주요 원인입니다. 본 연구는 이러한 기존 전해액을 새로운 클래스의 난연성/불연성 전해액으로 전격 교체해, 리튬이온배터리 열폭주를 억제/방지하는 차별성 높은 혁신 기술입니다. 최초의 국내/국제 원천특허를 다수 확보해오고 있습니다.
□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?
리튬이온배터리가 탑재된 전기차, 항공/우주, ESS 등 모든 응용 분야에 적용 가능합니다. 실용화를 위해 산업적 스케일업 검증이 필요합니다.
연구자 소개
* 송승완, 교신저자
1. 인적사항
○ 소 속 : 충남대학교 응용화학공학과
○ 전 화 : 042-821-7008
2. 학력
○ 2000 Tokyo Institute of Technology 박사 (재료공학)
○ 1999 서울대학교 박사 (무기고체화학)
3. 경력사항
○ 2006 ~ 현재 충남대학교 응용화학공학과 교수
○ 2000 ~ 2004 미국 로렌스버클리 국립연구소 Postdoc fellow
○ 2004 ~ 2005 미국 로렌스리버모어 국립연구소 Postdoctoral research staff member
○ 2020 올해의 공대인상 교수부문 총장 표창
○ 2021 이차전지 산업발전 유공 산업통상자원부 장관 표창
○ 2021 ~ 2023 한국세라믹기술원 비상임이사
○ 2020 ~ 2024 포스코 청암재단 포스코사이언스펠로우 에너지소재 심사위원
○ 2021 ~ 현재 국제저널 Batteries, Associate Editor-in-Chief
○ 2024 ~ 현재 국제저널 EES Batteries, Associate Editor
○ 2024 ~ 현재 한국전기화학회 부회장
4. 전문분야 정보
○ 이차전지 (리튬이온전지 및 차세대전지, 전해질, 계면제어 연구)
5. 연구지원 정보
○ 2024 ~ 현재 과학기술정보통신부‧한국연구재단 나노·소재기술개발사업
* 도칠훈, 공동 교신저자
1. 인적사항
○ 소 속 : 한국전기연구원 이차전지연구단
○ 전 화 : 055-280-1662
2. 학력
○ 1991 경북대학교 박사 (공업화학)
○ 1988 경북대학교 석사 (공업화학)
○ 1985 경북대학교 학사 (공업화학)
3. 경력사항
○ 1992 ~ 현재 한국전기연구원 책임연구원
○ 2010 ~ 현재 과학기술연합대학원대학교(UST) 교수/옴부즈퍼슨
○ 2007 리튬이차전지 기술개발 국무총리 표창
○ 2014 과학기술연합대학원대학교(UST) 최우수 교수상
○ 2016 이차전지 발명진흥, 산업통상자원부 장관 표창
4. 전문분야 정보
○ 리튬이차전지 (전지재료, 전지설계, 전지성능평가, 전지열화학 연구)
* 이영주, 공동 교신저자
1. 인적사항
○ 소 속 : 한국기초과학지원연구원
○ 전 화 : 02-6908-6246
2. 학력
○ 2001 미국 뉴욕주립대학교(스토니부룩) 박사 (화학)
○ 2001 ~ 2003 미국 로렌스버클리 국립연구소/캘리포니아 주립대학교(버클리) 박사후연구원
3. 경력사항
○ 2022 ~ 현재 한국기초과학지원연구원 수도권센터 연구원
○ 2024 ~ 현재 한국기초과학지원연구원 에너지소재연구그룹 그룹장
○ 2023 ~ 현재 중앙대학교 화학과 학연교수
○ 2024 ~ 현재 한국자기공명학회 교육이사
○ 2011 ~ 2022 독일 함부르크대학교 핵자기공명분광연구그룹 리더
○ 2008 ~ 2011 독일/네델란드 다우화학 무기분석그룹 리더
○ 2006 ~ 2008 독일 막스플랑크 고분자 연구소 방문연구원
○ 2003 ~ 2006 LG화학 기술연구원 연구원
4. 전문분야 정보
○ 화학 (이차전지 등 에너지소재의 구조 및 동력학의 고체, 액체, PFG NMR연구)
5. 연구지원 정보
○ 2023 ~ 현재 과학기술정보통신부‧한국연구재단 기초연구사업(중견연구)
○ 2024 ~ 현재 과학기술정보통신부‧한국연구재단 나노·소재기술개발사업
* 트란티하이옌(Tran Thi Hai Yen), 제1저자
1. 인적사항
○ 소 속 : 충남대학교 응용화학공학과
○ 전 화 : 042-821-7690
2. 학력
○ 2018 베트남 Hanoi University of Science 이학사 (화학)
○ 2024 충남대학교 공학박사 (응용화학공학, 지도교수: 송승완)
3. 경력사항
○ 2025 ~ 현재 베트남 호치민 Vietnam National University 연구원
○ 2021 IUMRS-ICA 2021‘구두발표상’수상
○ 2021 한국전기화학회 춘계학술발표회‘우수포스터논문 발표상’수상
○ 2021 충남대‘대학원장상 우수연구상’수상
○ 2023 2023 International Society of Electrochemistry Annual Meeting ‘Best Poster Award’수상
4. 전문분야 정보
○ 이차전지 (리튬이온배터리 및 차세대배터리 안전성 향상용 전해액 및 계면 개발)
* 안기훈, 공동저자
1. 인적사항
○ 소 속 : 충남대학교 응용화학공학과
○ 전 화 : 042-821-7690
2. 학력
○ 2019 충남대학교 학사 (정밀응용화학)
○ 2019 ~ 현재 충남대학교 석박사통합과정 학생 (응용화학공학, 지도교수: 송승완)
3. 경력사항
○ 2021 한국전지학회 2021년도 춘계 학술발표회 ‘우수논문 발표상’ 수상
○ 2022 솔브레인나눔재단 ‘제 7기 장학생’ 선정
○ 2023 삼성 Global Technology Symposium ’Motivation Award’ 수상
○ 2024 245th ECS Meeting (미국, San Francisco) ’Travel Grant’ 수상
○ 2024 한국화학공학회 2024년도 가을학술대회 ‘우수 포스터 발표상’ 수상
4. 전문분야 정보
○ 이차전지 (고에너지 리튬이온배터리용 불연성 전해질 및 계면 연구)
* 임건태, 공동저자
1. 인적사항
○ 소 속 : 충남대학교 응용화학공학과
2. 학력
○ 2021 충남대학교 학사 (응용화학공학)
○ 2023 충남대학교 석사 (응용화학공학)
3. 경력사항
○ 2023 ~ 현재 LG에너지솔루션 선임연구원
4. 전문분야 정보
○ 이차전지 (고에너지 리튬이온배터리용 음극 계면제어 연구, 전기차용 배터리 개발)
*김도경, 공동저자
1. 인적사항
○ 소 속 : 한국기초과학지원연구원
○ 전 화 : 02-6908-6271
2. 학력
○ 2017 한양대학교 학사 (응용화학)
○ 2019 한양대학교 석사 (바이오나노학)
3. 경력사항
○ 2019 ~ 현재 한국기초과학지원연구원 수도권센터 기술원
4. 전문분야 정보
○ 분석화학 (NMR 분광 분석 기반 소재 분석 연구)
선진상사는
사업장 비배출 시설계 폐기물 관련 허가업체로서
ESS 배터리 매입, ESS 배터리 수거, ESS 배터리 장비를 철거합니다.
또한 리튬 이온 배터리 (Li-ion battery), 전기차 배터리 및 2차 폐축전지 , 2차 전지, 골프카 배터리, 전동공구 배터리, 전동보드 배터리, 전기자전거 배터리, 인산철 배터리 등 수거 전문처리 업체입니다.
대학교, 관공서, 병원, 호텔, 군부대, 항공사,국내 외 전기차 관련기업, 발전소 등의 ESS 배터리, 리튬 이온 배터리, 전기차 폐배터리와 2차 폐축전지, ESS, UPS 배터리 매입 수거까지 숙련된 기술과 합리적 가격, 정직함으로 진행합니다.
* ESS 배터리 ( Energy Storage System , 에너지 저장장치)
* UPS 배터리 (Uninterruptible Power Supply , 무정전 전원 공급 장치)
# ESS 배터리 매입 # 리튬이온 배터리 매입 및 수거 # 전기차 배터리 매입 # UPS 배터리 철거및수거 # 2차 폐축전지 수거,폐기 # 골프카 배터리 수거 폐기 # 전기자전거 배터리 수거 # 인산철 배터리 폐기합니다.
관련하여 상담을 원하시는 분은
ds2puw@hanmail.net
010 3018 0141입니다.
'ESS,UPS, 전기차 및 배터리 관련뉴스' 카테고리의 다른 글
| DGIST 인수일 교수팀, 차세대 페로브스카이트 베타전지 개발 (0) | 2025.04.26 |
|---|---|
| 삼성SDI, 재규어랜드로버 선정 '우수 파트너사' (4) | 2025.04.25 |
| 차세대 배터리 양극재 성능 저하 원인 규명 (0) | 2025.04.23 |
| 배터리 쇼 유럽 (3) | 2025.04.22 |
| 서울과학기술대학교, 더 나은 리튬이온 배터리를 위한 LNMO 양극 개선 (1) | 2025.04.21 |
