ETRI, 세계 최초 불소화황산화물계 난연 첨가제 개발

ETRI, 세계 최초 불소화황산화물계 난연 첨가제 개발 

- 안전한 리튬 이차전지 구현, 전기자동차 화재위험 극복

- 기존 첨가제 대비 난연 특성 2.3배, 이차전지 성능 160%↑

전기자동차에 흔히 사용되는 리튬 이차전지에는 발화 가능성에 대비하여 전해질에 불에 잘 타지 않는 첨가제를 넣는다. 국내 연구진이 세계 최초로 불소화황산화물계 (플루오르설페이트계, fluorosulfate-based) 난연(불에 잘 타지 아니함) 첨가제 개발에 성공했다. 고안전성 리튬 이차전지 구현과 전기자동차 화재위험 극복에 큰 도움이 될 전망이다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 기존 난연제로 널리 알려진 인산계 난연제인 트리페닐포스페이트(TPP : triphenyl phosphate)보다 난연 특성과 안정성, 셀(이차전지 셀(Cell) : 전기에너지를 사용할 수 있는 리튬 이차전지 기본단위. 양극과 음극, 전해질, 전해질로 구성됨) 성능이 크게 개선된 불소화황산화계 난연 첨가제를 개발했다고 밝혔다. 

<ETRI가 개발한 불소화황산화물계 난연 첨가제와 이를 적용한 유형별 리튬이온전지>

리튬 이차전지는 양극재와 음극재, 전해질과 분리막 4가지로 구성된다. 양극의 리튬이온이 음극으로 이동하며 에너지가 충전되고, 다시 양극에서 음극으로 이동하며 에너지를 방출한다. 전해질은 이차전지 내부의 리튬이온이 원활하게 이동하도록 돕는 매개체, 분리막은 리튬이온만을 통과시키고 양극과 음극의 접촉을 막는(양극과 음극이 직접적으로 접촉하게 되면 강한 화학반응 등으로 화재가 발생할 수 있음.) 역할을 한다.

전해질 첨가제는 그중 전해질에 소량 첨가하는 물질로, 전기화학적 안정성과 이차전지의 성능을 높이는 핵심적인 물질이다. 

기존 상용 인산계 난연 첨가제는 화염 지연 특성은 있으나, 많은 양을 투입해야 하고 전극과 전해질 간 계면 저항(성질이 서로 다른 두 물질이 맞닿는 경계면에서 일어나는 화학반응(계면 반응)을 통해 발생하는 저항. 계면 저항이 높아지면 이온전도도 감소에 따라 이차전지의 성능이 떨어지고, 수명이 감소하는 등 문제가 발생한다.)이 증가하는 등 사용에 제한이 많았다.

ETRI 연구진은 10종이 넘는 상용 인산계 난연제를 전기화학 실험을 통해 분석하고, 처음으로 불소화황산화물계 난연 첨가제를 합성, 기존 인산계 난연제의 단점을 개선했다. 

연구진은 개발된 난연 첨가제를 니켈 함량이 90%인 리튬 니켈, 망간, 코발트 전이금속 산화물의 양극, 리튬금속의 음극을 적용한 셀에 첨가했다. 이를 통해 불이 잘 붙지 않는 난연 특성의 개선과 동시에, 이차전지 성능도 개선된 불소화황산화물계 첨가제의 성능을 검증했다. 

그 결과, 기존 난연 첨가제를 적용한 전해액과 비교해 난연 특성은 2.3배, 이차전지의 성능은 160% 향상된 우수한 결과를 확인했다.

<ETRI연구진이 불소화황산화계 난연첨가제가 적용된 리튬이차전지의 성능을 시험하고 있는 모습>

연구진은 불소화황산화물계 난연제 적용 시 전극과 전해질 사이의 계면반응이 최소화되어, 계면 저항이 크게 감소했다고 설명했다. 

아울러, 본 첨가제 적용에 따라 전극에서 리튬 이차전지의 수명을 해치는 이유에 대해서도 함께 제시하는 등 불소화황산화물계 첨가제의 특성을 다양한 실험과 메커니즘 연구로 규명했다.

또한, 이번 불소화황산물화계 난연 첨가제는 기존의 리튬 이차전지 생산 공정에서 별도 공정변화 없이 개발한 첨가제를 소량만 첨가해도 활용할 수 있어 상용화가 쉽다는 장점이 있다.

본 성과는 재료, 화학 분야의 세계적인 학술지로 영국 왕립화학회가 발행하는 ‘재료화학저널A(‘Journal of Materials Chemistry A (IF=14.511, JCR 10% 이내, 2022년 기준)’)’ 최신호에 게재되어 우수성을 입증받았다.

A trade-off-free fluorosulfate-based flame-retardant electrolyte additive for high-energy lithium batteries - Journal of Materials Chemistry A

ETRI 오지민 지능형센서연구실 선임연구원은“기존 인산계 첨가제의 한계를 극복하고 새로운 난연 첨가제 연구를 통해 안전한 리튬 이차전지를 구현하고 싶었다. 향후 불소화황산화물계 난연 첨가제 상용화 및 이를 통한 소재·부품·장비 기술자립화에 기여할 수 있도록 노력하겠다”고 밝혔다.

ETRI 연구진은 향후 이번 연구를 통해 개발된 난연 첨가제 소재를 리튬 전이금속 산화물 양극-리튬금속 음극 적용에서 나아가 흑연 전극 및 실리콘 전극의 음극 소재로 적용하는 연구를 진행할 예정이다.

본 연구는 과학기술정보통신부 및 한국연구재단 국가핵심소재연구단의“리튬이차전지용 고성능 다기능 전해질 및 첨가제 특성 향상기술 개발”과제 지원으로 수행되었다. ETRI를 중심으로 울산과학기술원, ㈜엔켐 등이 참여해 성과를 이뤄냈다.