홍종섭 연세대 기계공학부 교수 연구진
(왼쪽부터 홍종섭 연세대 기계공학부 교수, 김민욱 연세대 기계공학부 석·박사 통합과정 연구원)
국내 연구진이 리튬 이온 배터리의 열폭주 현상을 재현할 수 있는 모델을 개발했다. 전기차에 주로 활용되는 리튬 이온 배터리는 최근 사용량이 크게 늘고 있으나 500도에 이르는 온도가 유지되며 불이 붙는 열폭주 현상이 발생하기도 해 안전성에 대한 우려가 큰 상황이다. 이번에 개발된 모델을 활용하면 열폭주 현상을 예측하고 이를 해결할 방법을 찾을 수 있을 것으로 기대를 모은다.
홍종섭 연세대 기계공학부 교수가 이끄는 연구진은 리튬 이온 배터리에서 열폭주가 일어나는 과정을 찾고 안전성을 높일 모델을 개발했다고 26일 밝혔다.
리튬 이온 배터리 기술의 발전으로 전기차의 주행 거리가 크게 늘면서 관련 산업도 성장하고 있다. 그러나 동시에 전기차의 화재 안전에 대한 우려도 커지고 있다. 리튬 이온 배터리는 외부 충격이나 전기적 결함으로 인해 열폭주 현상을 일으키는데, 열폭주 현상이 한번 일어나면 가스 발생과 함께 여러 반응이 동시에 일어나 현재 기술로는 진압이 쉽지 않은 상황이다.
특히 니켈 함량이 높은 양극재를 쓰는 리튬 이온 배터리는 열적 안정성이 떨어져 열폭주를 일으키는 것으로 알려져 있는데, 아직까지 이에 대한 연구는 미흡한 상황이다. 배터리 내부의 다양한 소재가 일으키는 반응에 대한 연구도 부족해 열폭주를 예측하기 어렵다는 것도 큰 문제다.
연세대 연구진은 리튬 이온 배터리의 열폭주 원인을 찾기 위해 각 부품을 분리해 부품 조합에 따른 열분해 실험을 했다. 총 15가지 조합으로 이뤄진 이번 실험에서는 반응 온도와 발열량을 계산하고 열분해로 발생하는 가스와 질량 변화를 분석했다.
실험에서 얻은 데이터를 바탕으로 열폭주 현상을 재현할 수 있는 모델을 만들었다. 리튬 이온 배터리의 부품이 일으키는 반응을 고려해 높은 정확도를 갖는 것이 특징이다. 실제 실험 데이터와 비교했을 때도 열폭주 현상으로 전해질, 양극, 음극에서 발생하는 열량을 정확하게 예측할 수 있는 것으로 나타났다.
연구진은 모델을 활용해 열폭주가 일어나는 과정을 확인하고 배터리 성능 저하와 열폭주를 예측할 수 있을 것으로 기대했다. 특히 전기차에 주로 쓰이는 대면적 배터리를 이용해서 실험하는 것이 가능해져 안전성을 높이는 데 활용할 수 있을 예정이다.
홍 교수는 “열폭주 반응 모델을 이용해 다양한 상황에서 열폭주와 성능 저하를 예측하고 검증할 계획”이라며 “열폭주 문제 해결을 통해 전기차 안전성을 높이고 보급 확대로 관련 산업 성장에 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.
연구 결과는 국제 학술지 ‘화학공학 저널’에 이달 3일 소개됐다.
조치원소방서 연서119안전센터가 이달 5일 '전기차 화재 대응능력 강화 훈련'을 개최했다. 전기차에 쓰이는 리튬 이온 배터리에서는 진압이 어려운 열폭주 현상이 일어나 화재 피해를 막기 위해 많은 인력과 장비가 필요하다. 최근 국내 연구진은 리튬 이온 배터리의 열폭주 현상을 재현할 수 있는 모델을 개발해 전기차의 안전성을 높일 수 있을 것으로 기대를 모은다./연합뉴스
참고자료
Chemical Engineering Journal, DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.144434
