한국전자통신연구원(ETRI)이 불소화황산화물계 난연(難燃) 첨가제 개발에 성공했다고 밝혔다. 기존 인산계 난연제인 트리페닐포스페이트(TPP)보다 난연 특성과 안정성, 셀 성능을 크게 개선한 성과다.

전기차(EV)에 흔히 사용되는 리튬이온 배터리는 양극재와 음극재, 전해질과 분리막 4개로 구성된다. 여기에 발화 가능성에 대비해 불에 잘 타지 않도록 한 첨가제를 전해질에 삽입한다.

전해질은 배터리 내부의 리튬이온이 원활하게 이동하도록 돕는 매개체로 소량 첨가되는 첨가제를 통해 전기화학적 안정성과 이차전지의 성능을 높일 수 있다.

기존 전해질 첨가제로는 인산계 난연 첨가제가 많이 사용됐다. 인산계 난연 첨가제는 화염 지연에는 효과적이지만 많은 양을 투입해야 하고, 전극과 전해질간 계면 저항이 증가하는 점이 단점으로 지적됐다. 

ETRI는 10종이 넘는 상용 인산계 난연제를 전기화학 실험을 통해 분석하고, 불소화황산화물계 난연 첨가제를 처음으로 합성해 인산계 난연제의 단점을 개선했다고 소개했다. 

개발된 난연 첨가제를 니켈 함량이 90%인 리튬 니켈, 망간, 코발트 전이금속 산화물의 양극, 리튬금속의 음극을 적용한 셀에 첨가해 확인한 결과 불이 잘 붙지 않는 난연 특성을 2.3배 높이고 성능을 160% 향상시켜 개선된 효과를 거뒀다.

특히 전극과 전해질 사이의 계면반응이 최소화돼 계면 저항이 크게 감소하는 특질이 나타났다.

ETRI에 따르면, 기존의 리튬 이차전지 생산 공정에서 별도 공정변화 없이 이번 불소화황산물화계 난연 첨가제를 소량만 첨가해도 활용할 수 있다. 즉 기존 공정에 적용해 신속하게 상용화될 수 있다.

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

이번 성과는 재료, 화학 분야의 세계적인 학술지로 영국 왕립화학회가 발행하는 ‘재료화학저널A’ 최신호에 게재됐다. 

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.