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스마트폰부터 전기차, 의료기기까지 우리 일상 속 수많은 전자기기는 리튬 배터리에 의존한다. 가볍고 충전 속도가 빠르며 수명도 길어 어떤 곳이든 전력 공급원으로는 최적이다. 하지만 아직 완전히 해결하지 못한 한계도 있다. 충격을 받거나 열에 노출되면 배터리가 과열하거나 폭발하는 ‘열폭주’ 현상이 일어날 수 있다.
국내외에서 리튬 배터리의 위험을 획기적으로 줄여줄 기술이 잇따라 개발됐다. 열 폭주를 근본적으로 막는 신소재부터 배터리 안에 소화기를 내장하는 기술도 나왔다. 과열 위험을 조기에 진단하는 센서도 나왔다. 열로부터 배터리일진홀딩스 주식
를 지키는 안전 기술들이다.
◇리튬 배터리 안에 소화기 내장
장잉(Zhang Ying) 중국과학원 화학연구소 연구원은 고온에서 리튬 금속 배터리의 불을 억제하는 난연성 소재를 개발해 국제 학술지 ‘미 국립과학원회보(PNAS)’에 14일(현지 시각) 발표했다. 난연성은 불이 붙어도 잘 타지 않는 성질을 말한다.
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리튬 배터리는 방전 시 리튬 이온이 음극에서 양극으로 이동하면서 반대 방향으로 전자의 이동을 유도해 전류를 발생한다. 그중 리튬 금속 배터리는 음극 소재로 리튬 금속을 사용하는데, 흑연 음극이 들어가는 일반 리튬 이온 배터리보다 에너지를 10배 가까이 저장할 수 있다. 흑연 음극은 리튬 이온을 결정구조의 층 사이에 일부만 저장하지만, 리튬 금속 음상승차트
극은 전극 전체가 리튬 이온을 저장할 수 있기 때문이다.
하지만 리튬 금속 배터리는 화재 위험 때문에 아직 상용화는 제한적인 상황이다. 열폭주 현상이 발생할 경우, 불에 잘 타는 가연성 가스와 산소가 동시에 방출돼 화재나 폭발 위험이 커지기 때문이다.
연구진은 고분자 기반의 난연성 소재를 개발했다. 이 소재를 리튬 금속 코위버 주식
배터리의 전극에 적용하면, 고온 환경에서 산소의 방출을 억제하면서 동시에 불꽃을 억제하는 물질을 내뿜어 가연성 가스가 만들어지는 것을 막는다. 배터리가 일정 온도 이상이 되면 마치 ‘마이크로 소화기’처럼 작동하는 셈이다.
리튬 금속 배터리에 난연성 고분자 소재는 적용해 테스트한 결과, 기존 배터리 대비 자가 발열 속도가 1만 분의 1 수준아리랑K100EW 주식
으로 감소했다. 일반 배터리는 섭씨 100도 이상이 되자 점점 과열되면서 13분 만에 1000도까지 치솟으며 폭발했으나, 고분자 소재가 들어간 배터리는 220도에서 더 이상 온도가 올라가지 않았고 불도 붙지 않았다.
연구진은 난연성 고분자 소재는 리튬 금속 배터리뿐 아니라 리튬 이온이나 리튬-황 배터리에도 적용할 수 있다고 밝혔다. 전기차나 전자기기, 전기 항공기 등 다양한 분야에 쓸 수 있다는 의미다. 장 연구원은 “단기적으로 기존 배터리 생산 공정에 비교적 쉽게 적용할 수 있는 안전 솔루션”이라며 “장기적으로는 새로운 배터리 설계나 소재 개발과 함께 사용될 수 있다”고 밝혔다.
◇전기차 배터리 화재, 셀부터 잡는다
국내에서도 리튬 배터리 안전을 위한 기술이 진화하고 있다. 현대모비스는 지난해 배터리 과열을 방지하는 기술을 개발한 데 이어, 지난 4월 전기차 배터리 화재를 자동으로 진압하는 ‘배터리 셀 자동 소화 시스템’을 공개했다.
기존 소화 시스템이 배터리 전체에 소화 약제를 뿌리는 방식이라면, 이번에 공개한 기술은 배터리의 온도와 전압, 압력 등을 분석해 이상 징후를 정확히 감지하고, 해당 부위에만 소화 약제를 집중 분사한다. 이를 통해 주변 셀로의 열 전이를 막아 열폭주 현상을 사전에 차단할 수 있다. 셀은 배터리의 최소 단위로, 여러 개의 셀을 연결해 모듈을 만들고, 모듈을 모아 배터리 팩을 구성한다.
현대모비스는 전기차 배터리셀에 불이 나면 소화 약제를 자동 분사해 진압하는 신기술을 개발했다고 밝혔다./연합뉴스
이승준 현대모비스 연구원은 현대자동차그룹의 미디어 채널 ‘HMG 저널’을 통해 “제한된 소화 약제를 가장 효과적으로 쓰기 위해 이상이 생긴 셀에만 약제를 집중하는 구조로 개발했다”며 “화재 발생 전에도 선제적으로 작동해 사고를 미리 막을 수 있다”고 설명했다.
현대모비스가 개발한 이 기술은 기존 배터리 구조를 그대로 유지한 채 적용할 수 있어, 다양한 전기차 배터리 시스템에 쉽게 활용될 수 있다. 또 소화 장치가 차지하는 공간도 매우 작아 배터리의 크기나 용량을 줄이지 않아도 된다.
최근 유럽, 중국, 인도 등 주요 국가들은 배터리 화재가 발생했을 때 열폭주를 일정 시간 이상 늦추거나, 아예 주변 셀로 열이 옮겨가지 않도록 막는 것을 법으로 의무화하고 있다. 현대모비스의 기술은 글로벌 안전 기준을 충족하면서도 현실적으로 적용할 수 있는 대안으로 주목받았다.
◇전고체배터리 속 위험 신호도 외부서 포착
이현욱 울산과학기술원(UNIST) 교수 연구진은 전고체배터리의 고질적인 단점으로 지적돼 온 ‘단락’을 조기에 감지할 수 있는 센서 기술을 개발했다. 이번 연구는 국제 학술지 ‘미 화학회지 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’에 지난달 공개됐으며, 한 달간 가장 많이 읽힌 논문으로 선정됐다.
리튬 배터리가 충격을 받으면 리튬 이온이 이동하는 통로인 액체 전해질이 소실되면서 전극이 직접 맞붙어 화재를 부른다. 전고체배터리는 액체 전해질을 고체로 대체해 이런문제를 해결했다. 다만 충전하는 과정에서 전극에 리튬 결정이 나뭇가지처럼 성장하면 전류가 비정상적으로 흐르는 단락이 발생해 화재를 부를 수 있다. 바로 리튬 수지상 결정이다.
연구진은 배터리 외부에 압력 센서와 변위 센서를 부착했다. 셀 내부에 생기는 미세한 압력과 두께 변화를 실시간 분석해 리튬 수지상 결정이 생기는 초기 징후를 감지했다. 수지상 결정이 수직 방향으로 자랄 때는 내부 압력과 셀 두께 변화가 뚜렷하게 나타나는데, 이 패턴을 관찰하면 단락을 조기에 예측할 수 있다.
연구진은 수지상 결정 형성을 억제할 수 있는 조건도 찾아냈다. 배터리 셀을 위에서 누르는 압력을 높이거나, 리튬 금속 전극의 표면에 은이나 마그네슘을 코팅해 리튬 수지상 결정의 성장을 막을 수 있었다고 연구진은 밝혔다.
이현욱 교수는 “전고체배터리 내부의 위험 신호를 외부 센서로 조기에 감지할 수 있다는 점에서 의미가 크다”며 “전고체배터리의 안정성과 상용화를 뒷받침할 핵심 기술이 될 것”이라고 했다.
참고 자료
PNAS(2025), DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.2501549122
ACS Energy Letters(2025), DOI: https://doi.org/10.1021/acsenergylett.5c01570
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