CUHK의 새로운 전해질 기술이 리튬 이온 배터리 안전 문제를 해결합니다

휴대용 전자 기기의 충전식 배터리에서 전기 자전거 및 신재생 에너지 차량의 전원 공급원에 이르기까지, 리튬 이온 배터리의 화재 및 연소로 인한 안전 사고는 점점 더 글로벌 관심의 초점이 되고 있습니다. 22일 CNN의 보도에 따르면, 홍콩 중국 대학교(CUHK) 연구팀이 개발한 새로운 기술은 리튬 이온 배터리의 폭발 및 화재 위험을 크게 줄일 수 있으며, 이 기술은 향후 3~5년 내에 상용화될 것으로 예상됩니다.

보고서는 리튬 이온 배터리가 스마트폰에서 신에너지 차량에 이르기까지 다양한 장치에서 널리 사용되고 있다고 지적합니다. 연구자들은 리튬 이온 배터리가 정상 사용 시나리오에서 좋은 안전성을 가지고 있지만, 부적절한 사용은 화재 위험 및 극단적인 경우 치명적인 결과를 초래할 수 있다고 말했습니다. 그 이유는 리튬 이온 배터리 내부에 채워진 전해질이 인화성이기 때문입니다. 물리적 천공, 과충전, 극한의 온도 및 습도 조건 또는 생산 공정 결함에 노출되면 배터리는 점차 안정성을 잃게 됩니다. 일단 이상이 발생하면 배터리 온도가 급격히 상승하고 전해질이 점화되어 "열 폭주"로 알려진 위험한 연쇄 반응을 촉발합니다. 관련 통계 데이터에 따르면 2024년에는 전 세계 민간 항공 운송 부문에서 89건의 배터리 관련 연기, 화재 또는 고온 이상 사건이 기록되었습니다. 일상 생활에서도 전기 자전거, 전기 스쿠터 및 기타 장치의 배터리 화재 사고는 드물지 않습니다.

이 안전 문제를 해결하기 위해, 글로벌 과학 연구 커뮤니티는 전통적인 액체 전해질을 대체하기 위해 고온 저항성 고체 또는 젤 전해질 개발과 같은 기술 연구를 적극적으로 수행해왔습니다. 그러나 이러한 솔루션은 기존 배터리 생산 라인에 대한 대규모 수정을 요구하여 산업화 문턱을 크게 높이고 기술의 보급 속도를 제한합니다. 반면, CUHK 팀이 제안한 새로운 리튬 이온 배터리 최적화 방안은 생산 과정의 핵심 링크를 변경하지 않고 기존 전해질의 화학 성분만 교체하면 됩니다.

연구팀의 연구자들은 리튬 이온 배터리 화재의 핵심 원인이 고압 하에서 전해질의 분해로, 이로 인해 대량의 열이 방출되고 연쇄 반응이 촉발된다고 설명했습니다. 새롭게 개발된 전해질은 이진 용매 시스템을 채택하여 이 위험한 반응 과정을 정확하게 차단할 수 있습니다. 정상 온도 조건에서 첫 번째 용매는 배터리 내부 화학 구조의 밀집도를 유지하여 배터리의 정상적인 성능 출력을 보장합니다; 배터리 온도가 비정상적으로 상승하면 두 번째 용매가 신속하게 보호 메커니즘을 활성화하여 화재 위험을 화학 구조를 느슨하게 하고 열 폭주와 관련된 반응을 늦춤으로써 원천적으로 방지합니다.

CNN은 이 새로운 기술을 채택한 리튬 이온 배터리가 못에 의해 천공된 후 온도가 3.5도 섭씨만 상승했다는 실험실 테스트 데이터를 인용했습니다. 반면, 전통적인 리튬 이온 배터리는 동일한 테스트 조건에서 온도가 555도 섭씨로 치솟았습니다. 연구자들은 이 기술적 방안이 배터리의 핵심 성능과 서비스 수명에 부정적인 영향을 미치지 않을 것이라고 강조했습니다. 테스트 결과, 1000회의 충전-방전 사이클 후에도 배터리 용량이 초기 값의 80% 이상을 유지할 수 있음을 보여주었으며, 상업적 응용의 요구를 완전히 충족합니다.

이 기술은 전해질 구성 요소의 교체만을 포함하고 기존 생산 라인을 수정할 필요가 없기 때문에 빠른 산업화의 기본 조건을 갖추고 있다는 점은 주목할 만하다. 대규모 생산 후 이 기술을 채택한 리튬 이온 배터리의 비용은 현재 주류 제품과 기본적으로 동일할 것으로 예상된다. 현재 관련 기술은 상용화 진전 단계에 접어들었다. 미국 국립재생에너지연구소의 수석 과학자인 도널드 피니건은 "이 기술적 돌파구는 흥미롭고, 미래의 리튬 이온 배터리가 고온 및 단락과 같은 극한 작업 조건을 견딜 수 있게 되어 근본적으로 화재 위험을 피할 수 있게 될 것"이라고 언급했다.