과열되면 꺼지는 배터리 개발

스탠퍼드大, 온도 따라 온·오프

과열·화재 우려가 없는 배터리가 개발됐다. 과열 조짐이 있으면 꺼지고, 충분히 식으면 곧바로 다시 켜진다.

이런 배터리가 대량으로 생산되면 호버보드(공중에 떠 다니는 보드 모양 탈것), 리클라이너(뒤로 젖혀지는 의자), 차량용 내비게이션 시스템 등 배터리 과열에 따른 화재 우려가 커 리콜되거나 생산이 금지되는 사례가 잇따랐던 전자제품들에 먼저 적용될 것으로 전망된다.

미국 스탠퍼드대는 11일(현지시간) 화학공학과 바오저난(鮑哲南·영문 표기 Zhenan Bao) 교수와 재료공학과 추이이(崔屹·영문 표기 Yi Cui) 부교수 등 공동교신저자 2명이 이끄는 연구팀이 이런 내용을 포함한 논문을 신생 학술지 ‘네이처 에너지’에 게재했다고 밝혔다.

스탠퍼드대 바오저난 교수. ⓒ 연합뉴스

스탠퍼드대 바오저난 교수. ⓒ 연합뉴스

바오 교수는 “사람들은 리튬-이온 배터리 화재 사고 문제를 해결하기 위해 여러 방법을 시험해 왔다”며 “우리는 성능 저하 없이 가열과 냉각 주기를 반복하면서 꺼졌다가 다시 켜질 수 있는 배터리를 처음으로 개발했다”고 설명했다.

리튬-이온 배터리의 음·양 전극 사이에는 겔(gel) 상태의 전해질이 채워져 있으며, 전해질과 전극 사이에는 얇은 다공성(多孔性) 분리막이 있어 음극과 양극이 서로 단락되지 않도록 막아 준다.

그런데 과다 충전이 되거나 두 전극이 전기적으로 직결돼 단락되면 열이 발생하고, 이에 따라 온도가 섭씨 150도 이상으로 올라가면 분리막이 녹고 전해질에 불이 붙으면서 폭발할 우려가 있다.

이런 배터리 과열 화재를 방지하기 위해 전해질에 불이 잘 붙지 않게 하는 방염(防炎) 물질을 첨가하는 방법을 포함해 여러 가지 기술이 제안된 바 있으며, 추이 교수는 과열되기 전에 경고를 하는 ‘스마트 배터리’를 2014년에 제작하기도 했다. 그러나 이런 기술들은 배터리가 일단 과열되고 나면 못 쓰게 되거나 온도 변화에 충분히 민감하게 반응하지 않는 등 문제가 있었다.

이번 연구를 수행한 저자들은 끝이 뾰족한 니켈 나노입자들을 얇은 탄소 원자 막인 그래핀으로 코팅한 후 이 입자들을 탄성이 있는 얇은 폴리에틸렌 박막 속에 넣고 이를 배터리 전극 중 한 쪽에 연결시켰다.

전류가 통하기 위해서는 끝이 뾰족한 입자들이 서로 맞닿아야 한다.

만약 열이 나서 온도가 올라가면 폴리에틸렌이 팽창하며, 그러면 그 속에 든 입자들이 서로 접촉하지 못하고 떨어지면서 전류가 더 이상 통하지 않게 된다.

연구팀은 이 배터리를 섭씨 70도 이상으로 가열하니 폴리에틸렌 박막이풍선처럼 급속히 팽창하면서 배터리가 작동을 멈췄고, 다시 온도를 낮추니 배터리가 다시 동작하는 것을 확인했다고 설명했다.

입자의 농도를 조절하거나 박막에 사용하는 고분자 중합체의 재질을 바꿈으로써 ‘과열’ 기준이 되는 온도를 조절하는 것도 가능하다고 논문 저자들은 설명했다.

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