홍콩 중문대학교(CUHK)의 연구원인 위에 선(Yue Sun)에 따르면, 배터리 성능을 높이는 것은 종종 안전과의 타협이 필요하다. 그녀는 성능 향상을 위해서는 실온에서 발생하는 화학 반응에 집중해야 하지만, 안전성을 높이기 위해서는 고온에서 발생하는 반응에 주목해야 한다고 설명했다. “그래서 우리는 이 타협을 깨뜨릴 아이디어를 떠올렸습니다. 실온에서 잘 작동하면서도 고온에서 안정성을 유지할 수 있는 온도에 민감한 물질을 설계했습니다,”라고 선 연구원이 밝혔다.
배터리의 화재는 일반적으로 전해질의 일부가 압력에 의해 분해되면서 열을 방출하고 연쇄 반응을 일으킬 때 시작된다. 선 연구원과 동료들이 설계한 새로운 전해질은 두 가지 용매로 구성되어 이 연쇄 반응을 차단하는 역할을 한다. 실온에서 첫 번째 용매는 배터리의 화학 구조를 견고하게 유지하고 성능을 최적화하는 데 도움을 주지만, 배터리가 과열되기 시작하면 두 번째 용매가 우세해져 구조를 느슨하게 하고 열 폭주(thermal runaway)를 유발할 수 있는 반응을 늦춘다.
CUHK의 연구와 시중에 판매되는 배터리를 바늘로 찔러본 실험에서, 새로운 설계의 배터리는 3.5도 섭씨만 상승했으며, 전통적인 배터리에서는 555도 섭씨까지 급증하는 것과 대조적이다. 연구팀에 따르면, 새로운 배터리는 성능이나 내구성에 부정적인 영향을 받지 않으며 1,000회의 충전 주기 후에도 80% 이상의 용량을 유지한다. “우리의 발명은 전해질이기 때문에 시장에 이미 존재하는 시스템에 쉽게 적용될 수 있습니다. 기본적으로 새로운 전해질로 교체하기만 하면 됩니다,”라고 홍콩 중문대학교 기계 및 자동화 공학 교수인 이춘 루(Yi-Chun Lu)가 말했다. 이 연구는 《Nature Energy》 저널에 발표되었다.
새로운 화학 공식은 생산 비용을 약간 증가시킬 수 있지만, 대량 생산 시 현재 배터리와 거의 동일한 가격이 될 것으로 예상된다. 루 교수와 동료들은 새로운 설계를 시장에 출시하기 위해 배터리 제조업체와 논의하고 있으며, 3-5년 내에 이를 실현할 계획이다.
실험에서는 태블릿에 전력을 공급할 수 있을 만큼 충분히 큰 배터리를 제작했지만, 자동차에 필요한 크기로 확대하기 위해 추가 검증이 필요하다. 연구팀은 새로운 배터리가 현재 리튬 이온 배터리를 사용하는 모든 제품, 즉 보조 배터리, 노트북, 스마트폰에 사용될 수 있기를 희망하고 있다. “그 경우, 이러한 기기의 배터리는 에너지 밀도와 성능을 유지하면서 안전성을 더욱 높일 수 있습니다. 예를 들어, 침대 옆 탁자에서 전화기를 충전할 때 불이 날까 걱정할 필요가 없을 것입니다,”라고 루 교수가 덧붙였다.
텍사스 A&M대학교 화학 공학 교수인 호르헤 세미나리오(Jorge Seminario)는 새로운 설계가 고용량 리튬 이온 배터리와 관련된 가장 큰 도전 과제 중 하나인 안전성과 성능을 동시에 달성하는 문제를 해결했다고 평가했다. 그는 CNN과의 인터뷰에서 “이 연구는 혁신적이며 큰 영향을 미치며, 리튬 이온 배터리의 안전성 문제에서 핵심적인 해결책을 제공합니다,”라고 말했다.
– 출처: CNN, China Daily