서울대·포스텍·삼성SDI 연구팀, 배터리 화재 원인 규명
‘열폭주’ 메커니즘 밝히고 억제 공법까지 제시…국제 학술지 게재


최근 주차 중인 전기차가 화재를 일으키는 등 배터리 화재에 대한 경각심이 높아진 가운데 국내 연구진이 배터리 화재를 부르는 ‘열폭주’ 현상의 원인을 규명하는 데 성공했다. 나아가 열폭주 현상을 억제할 새로운 공법까지 제시해 화재·폭발을 예방하는 데 큰 도움이 될 것으로 보인다.

서울대학교는 5일 임종우 서울대 화학부 교수, 김원배 포스텍 교수, 삼성SDI 연구팀이 공동으로 진행한 연구를 통해 전기차 폭발·화재의 원인인 열폭주 현상의 메커니즘을 규명하고, 이에 따라 음극을 코팅할 경우 열폭주 현상이 억제될 수 있음을 확인했다고 밝혔다.

열폭주 현상이란 전기차에서 화재가 발생할 경우 배터리의 온도가 수 초 안에 1000도를 넘게 치솟는 현상이다. 열폭주가 발생할 경우 배터리가 폭발을 일으키거나 화재를 확산시키는 만큼 전기차 안전을 위해 현상의 원인을 규명하고 대응책을 강구해야 한다는 의견이 커져 왔다. 그러나 짧은 시간에 일어나는 특성상 분석 난도가 매우 높고, 배터리셀 안의 물질들이 화학적으로 어떻게 반응하는지 확인하는 것 역시 방법론적으로 매우 어려워 지금까지도 제대로 연구가 진행되지 못했다.

이미지 크게보기 연구팀이 제시한 열폭주 제어 알루미나(산화 알루미늄) 코팅 공법의 개념도. 서울대학교 제공

연구팀은 방사광 가속기 기반 X선 회절 기법을 활용해 배터리셀 내부에서 화학 반응을 관찰했다. 그 결과 양극재와 흑연 음극 사이의 화학종 교환에서 중대한 발열 반응이 비롯되고, 발열을 통해 반응이 다시 발생하는 ‘자가증폭루프’ 때문임을 밝혀냈다. 나아가 연구팀은 자가증폭루프에 의해 생성된 산소와 이산화탄소의 반응을 막을 수 있는 고품질 산화알루미늄 코팅법을 개발해, 배터리 내에서 일어나는 열폭주를 성공적으로 억제해냈다.

이번 연구는 공학적 난제를 해결함으로써 연구계와 산업계가 주목하고 있는 차세대 2차전지 분야의 발전에 크게 기여한 것으로 평가받는다. 특히 국내 2차전지 업체들이 핵심적으로 추진 중인 하이니켈 양극제(코발트의 비중을 낮추고 니켈 함량을 80% 이상으로 크게 높인 양극재)는 용량이 크지만 열 안정성이 낮아 열폭주에 더 취약한 만큼, 이번 연구 결과를 응용하면 전기차 시대를 앞서 안전 문제를 해결하고 우리 기업들의 경쟁력을 높일 수 있을 것으로 기대된다.

삼성SDI와 삼성미래기술육성재단, 과학기술정보통신부의 지원을 받아 수행된 이번 연구결과는 지난 1일 유명 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈’의 표지 논문으로 선정됐다.

구혁 기자