리튬이온이차전지와 슈퍼커패시터 같은 이차전지는 쉽게 인화되는 유기용매를 포함하고 있어 화재 및 폭발 위험이 있다. 그런데 최근 이차전지의 안전 문제를 획기적으로 해결할 수 있는 기술을 국내 연구진이 개발하여 관심을 모으고 있다.

군산대학교 화학과 이경구 교수 연구팀은 슈퍼커패시터에 불연성 유기용매를 적용하여 화재 및 폭발 위험을 근본적으로 방지해 이차전지의 안전성을 향상한 기술을 개발하는 데 성공했다고 밝혔다.

슈퍼커패시터(supercapacitor)는 축전용량 성능이 향상된 커패시터로서 화학반응을 이용한 리튬이온 배터리와 달리 전극과 전해질 계면에서 이온의 물리적 흡착을 통해 전기를 저장하는 장치를 말한다. 슈퍼커패시터는 주로 고출력이 필요한 전기자동차의 전력 보조장치로 사용되며, 발전된 전력과 부하전력 차이를 조절함으로써 신재생에너지 발전시스템의 높은 전력 품질을 확보하는 데에도 활용되고 있다.

최근 들어 이차전지의 활용 폭이 넓어짐에 따라 이차전지의 안전성이 사회적 이슈로 부각되고 있다. 이차전지는 화재 위험이 큰 유기용매를 포함하고 있어 고온 등의 문제로 이차전지가 비정상적으로 작동할 시 화재 및 폭발 위험이 크다. 그러나 군산대학교 화학과 이경구 교수 연구팀이 새롭게 개발한 기술은 근본적으로 불이 붙지 않는 용매(트리메틸 포스페이트, trimethyl phosphate)를 전해질로 활용함으로써 슈퍼커패시터의 안전성을 획기적으로 개선하였다.

화재 및 폭발의 주 원인인 연소 과정은 가연성 물질이 산소와 반응해서 빛과 열을 내는 급격한 화학반응으로, 이때 물질 연소 시 활성라디칼이 생성되어 화학반응을 촉진하게 된다. 이번에 개발된 전해질은 활성라디칼을 제거하는 기능이 있어 인화되지 않을 뿐 아니라 화재 시에도 연소 반응을 중단시키는 화학적 소화 방법을 제공하여 안정성을 궁극적으로 확보할 수 있게 하였다.

이차전지의 성능은 에너지 밀도, 수명, 안전성 등 다양한 속성에 의해 결정되며 이들 속성을 동시에 향상시키기 어려운 것으로 알려져 있다. 각 속성 간 소위 트레이드 오프(trade-off) 관계가 있어 특정 속성을 향상시키면 다른 속성이 저하된다. 이러한 이유로 그동안 이차전지의 안정성을 확보하기 위한 상당한 노력이 있었으나 상품성 있는 제품이 개발되지 못하는 상황이었다. 하지만 군산대학교 화학과 이경구 교수 연구팀이 개발한 전해질은 다른 성능은 유지한 채 슈퍼커패시터의 난연성을 확보하여 이차전지 성능 향상의 근본적 한계를 극복했다는 점에서 주목할 만한 성과라 할 수 있다.

개발한 전해질을 종이에 적셔 불을 붙이고(왼쪽) 난 직후(오른쪽) 사진

(사진: 군산대 화학과 이경구 교수 연구팀 제공)

이경구 교수는 “이차전지의 성능 향상을 위한 기초 소재 연구가 더욱 활발해지기를 기대하며 새롭게 개발한 전해질 기술을 활용하여 안전한 슈퍼커패시터를 제품화하는 것이 목표”라고 말했다.

해당 연구는 군산시의 지원(지역맞춤형 전기차 클러스터 전문인력양성)을 받아 수행한 것으로, ‘high-voltage and intrinsically safe supercapacitors based on a trimethyl phosphate electrolyte’라는 제목으로 국제학술지 ‘journal of materials chemistry a(인용지수 12.732, jcr 랭킹 상위 6.58%)’ 9월호 온라인판에 게재되었다.