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전기차 배터리 화재 원인으로 주목되는 고체전해질계면층의 분해 메커니즘을 규명한 연구진. 왼쪽부터 홍종섭 연세대 교수, 김민욱 연세대 박사 졸업생, 김경학 한양대 교수. 연세대 제공

국내 연구진이 전기자동차 배터리 화재의 주요 원인으로 지목되는 고체전해질계면층(SEI)의 분해 메커니즘을 규명하는 데 성공했다. 전기차 배터리 화재를 유발하는 열폭주 현상의 초기 반응 경로를 과학적으로 밝혀낸 것으로 배터리 안전성 향상을 위한 핵심 기초 데이터를 제공했다는 점에서 학계와 산업계의 주목을 받는다.

연세대는 홍종섭 기계공학과 교수 연구팀 SEI 분해 메커니즘을 규명하고 연구 결과를 최근 국제학술지 ‘ACS 에너지 레터스’에 발표했다고 30일 밝혔다.

전기차 보급이 확대되면서 배터리 안전성 확보는 전 세계적으로 중요한 과제로 떠오르고 있다. 고온에서 발생하는 열폭주는 화재와 유독가스 배출 등 치명적인 사고로 이어질 수 있지만 이를 유발하는 내부 물질들의 분해 반응 메커니즘은 오랫동안 풀리지 않고 있다.

전기차 배터리의 핵심 보호막인 SEI는 리튬이온 이동 과정에서 전극 표면에 자연스럽게 형성되는 얇은 층이다. 전지의 수명과 안전성에 결정적인 역할을 한다. SEI 내부 물질의 고온 분해 반응 경로는 지금까지 명확히 밝혀지지 않았다.

연구팀은 SEI를 구성하는 대표적 유기 성분인 리튬에틸렌모노카보네이트(LEMC·Lithium Ethylene Monocarbonate)에 주목했다. 연구진은 고순도 LEMC 시료를 직접 합성한 뒤 이를 활용해 열분해 반응을 정량적으로 분석했다. 다양한 고급 분석기법(TGA-MS, FTIR, NMR, XPS)과 분자동역학(ReaxFF-MD) 시뮬레이션을 결합해 실제 반응 경로를 정밀하게 추적했다.

그 결과 약 110°C 전후에서 시작되는 초기 분해 반응이 다량의 열과 가연성 가스를 발생시켰다. 110°C 전후에서 시작되는 이 열과 가스 발생 반응을 열폭주 현상의 단초로 지목했다.

실험 결과 LEMC는 약 150°C에서 화합물인 ‘LiCO₃H’와 에틸렌글리콜(EG)로 분해된다. 약 220°C 부근에서는 LiCO₃H가 무기 화합물인 ‘Li₂CO₃’로 전환된다. 이 과정에서 이산화탄소(CO₂)와 에틸렌옥사이드 방출된 다량의 가연성 가스가 전지 내부 온도 상승과 압력 증가를 유발해 화재 위험을 높이는 핵심 요인으로 작용하는 것으로 분석됐다.

연구를 이끈 홍종섭 교수는 “열폭주는 단순히 고온에서 일어나는 현상이 아니라 SEI 내부의 특정 유기물 분해에서 시작되는 매우 정교한 반응 과정임을 과학적으로 규명한 것”이라며 “이번 연구가 차세대 전지 설계와 안전성 향상에 중요한 토대가 되길 기대한다”고 밝혔다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1021/acsenergylett.5c01003

[박정연 기자 hesse@donga.com]

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