“열폭주를 늦춰라”…치열한 전기차 화재지연 기술 경쟁

1,500℃ 이상의 열과 압력을 가해도 20분 이상 견디는 '특수 난연 CFT'의 테스트 모습 / LG화학

[한스경제=권선형 기자] 전기차 배터리 화재를 일으키는 전 단계인 열폭주를 최대한 늦추는 기술개발에 속도가 붙고 있다.

배터리 열폭주는 물리적 충격, 과전압, 과방전 등 전기적 충격에 의해 배터리 내부 온도가 단 몇 분 만에 약 1000℃ 이상 증가하게 되는 현상으로 열폭주가 일어난 후 열전이가 발생하면 다른 배터리 셀에 불이 옮겨 붙어 화재로 이어진다. 열폭주를 최대한 늦춰야 대형 화재로 이어지지 않아, 열폭주를 지연시키는 기술이 고도화될수록 전기차 화재에 대한 안전성은 더 높아진다. 이에 현재 전기차, 배터리 업계 등에서는 열폭주를 늦추기 위한 다양한 기술들이 나오고 있다.

롯데케미칼은 최근 전기차 배터리의 열폭주 현상을 지연할 수 있는 고강성 난연 PP(폴리프로필렌) 플라스틱을 개발했다. 회사 측에 따르면, 난연 PP 플라스틱은 짧은 유리섬유(SGF)가 적용된 소재(PP‧SGF)와 긴 유리섬유(LGF)로 강성을 보완한 소재로 기존 제품에서 강성과 난연 특성을 개선했다.

롯데케미칼은 응용 안전 과학 분야의 글로벌 리더인 UL 솔루션즈의 열성능과 기계적 성능 테스트 평가를 통해 소재의 고온, 충격 강도 성능을 인정받아 시장에서 요구하는 안전하고 효율적인 리튬 이온 배터리에 대한 니즈를 충족시켜가고 있다고 설명했다.

고강성 난연 PP(폴리프로필렌) 플라스틱은 자체 배터리 열폭주 시험을 통해 1,000℃ 이상의 온도에서 성형품 본래의 형태를 유지한 채로 PP/SGF는 300초 이상, PP/LGF는 600초 이상 견디는 성질을 확인했다.

LG화학은 LX하우시스와 함께 1,500℃ 화염에서 20분 이상 견디는 배터리 열폭주 지연 소재인 ‘특수 난연 열가소성 연속섬유 복합소재(특수 난연 CFT)’를 개발하고 기술 고도화에 나서고 있다. 특수 난연 CFT는 강한 화염과 높은 압력에서 기존 복합소재보다 14배 이상 긴 시간 동안 견딜 수 있는 것이 특징이라고 회사 측은 설명했다.

LG화학의 자체 테스트(Torch test) 결과 1.6mm 두께의 얇은 특수 난연 CFT에 1,500℃ 이상의 열과 압력을 가했을 때 20분이 지나도 녹아 흘러내리거나 구멍이 생기지 않았다. 이는 업계 최고 수준의 화염 차단 성능이다.

특수 난연 CFT에는 LG화학의 열폭주 지연 소재 기술과 LX하우시스의 열가소성 복합소재(CFT, Continuous Fiber Thermoplastics) 제조 기술이 적용됐다. 특수 난연 CFT는 단단하고 힘에 의한 변형이 작아(고강성) 전기차 배터리 부품 중 크기가 큰 배터리팩 상단 및 하단 커버 등에 쓰일 수 있다.

한국과학기술연구원은 리튬이온전지의 화재 및 열폭주를 억제하기 위해 상온에서 불이 붙지 않는 난연성 전해액을 개발했다. 지금까지는 전해질의 난연성을 강화하기 위해 전해액 분자에 과량의 불소 원자를 치환하거나 고농도의 염을 녹여 용액을 제조해 왔지만 전해질의 이온 전달 능력이 저하되거나, 상용 전극과의 호환성이 떨어지는 문제가 발생해 경제성과 대량 생산성 측면에서 상용화에 한계가 있었다. 이에 한국과학기술연구원은 상용 리튬이온전지 전해액에 사용되는 대표적 선형 유기카보네이트 DEC(diethyl carbonate) 분자에 알킬 사슬 연장과 알콕시 치환을 동시에 적용해 분자 간 상호작용과 리튬염의 용해 능력을 높여 인화점과 이온전도도가 함께 강화된 전해액을 개발했다. 연구원에 따르면 이 전해액은 인화점이 기존의 DEC 용액보다 90°C 더 높은 121°C로 이차전지 작동 온도에서 점화원 발생 시에 불이 붙지 않는다. 이와 함께 충전된 양극과 함께 고온에 노출되어도 상용 전해액 대비 가연성 기체 발생이 37%, 발열이 62% 감소한다.

연구원은 “개발한 전해액을 상용 전극 소재인 하이니켈 양극, 흑연 음극으로 구성된 1Ah급 리튬이온전지에 적용 후 500회 이상 안정적으로 구동시켜 호환성을 확보했다”며 “70% 충전된 4Ah급 리튬이온전지에 관통 시험을 실시해 열폭주가 억제됨을 확인했다”고 설명했다.

리튬이온 배터리 전문가들은 현재로서는 리튬이온 배터리에서 열폭주를 막을 수 있는 마땅한 기술은 없지만 열폭주를 최대한 지연시키면 대형 화재로 이어지지 않을 수 있어 관련 기술 개발에 더 속도를 내야한다고 제언한다. 리튬이온 배터리는 태생적으로 물리적‧화학적 조건이 갖춰지면 열폭주가 일어날 수밖에 없어 이를 지연해 열전이로 이어지지 않도록 예방하는 것만이 대형화재를 막는 유일한 길이란 설명이다.

한 배터리업계 관계자는 “리튬이온 배터리의 대형화재를 막으려면 배터리가 열폭주를 일으키기 전 얼마만큼 빨리 사전에 감지해 열전이를 막느냐가 관건”이라며 “다양한 배터리 관련 소재에 적용할 수 있는 열폭주 지연 기술이 얼마나 고도화 되느냐에 따라 배터리 안전성도 함께 높아질 것”이라고 말했다.