리튬이온배터리 화재 억제 : 난연전해액 종류 및 난연메커니즘

리튬이온배터리는 인화성물질인 카보네이트 계열의 전해액을 사용하기 때문에 발화위험이 있다. 이를 해결하기위해 전고체전지같은 차세대 배터리가 주목받고있지만, 양산기술이 확보되지 않아 도입되기 어렵다. 그에 따라 자기소화성 난연전해액이 주목받고 있다.

난연전해액 테스트 실험 (출처 : Nano energy, 2018, 46,404-414)

 

 

 

1. 인계난연제 

인(Phosphorus)은 대표적인 난연제로 사용되는 물질이다. 인과 산소의 결합수에 따라 존재하는 여러형태(Phosphate, phosphite, phosphonate) 및 질소와 결합된 Phosphazene이 대표적으로 존재한다.

인계난연제 종류 (출처 : J. Korean Electrochem. Soc., Vol. 12, No. 3, 2009)

인계난연제는 화재가 발생하면 유기화합물로부터 연소반응에 사용되는 산소(Oxygen), 수소(Hydrogen)과 결합하여 폴리메타인산이라는 물질로 반응한다. 이때 폴리인산은 에스테르화, 탈수화 반응을 거치게 되는데 Char라는 물질이 생성된다. 바로 숯이다. 이때 발생하는 Char가 열과 산소를 차단시켜 화재의 연쇄반응을 억제한다.

인계난연제 난연 메커니즘 (출처 : J. Korean Electrochem. Soc., Vol. 12, No. 3, 2009)

유기물질 연소 -> 인계화합물 라디칼형성 -> 인계화합물 라디칼이 산소, 수소와 반응 -> 인산형성 -> 인산의 에스테르 탈수화반응 -> Char 생성 -> 열과산소 차단 ★★★

 

 

 

2. 불소난연제

아래 그림을 참고하면 아래 나타난 화학구조중 불소를 포함하는 것들이 불소난연제이다.  기존 카보네이트구조에 불소가 추가된 DFDMC도 있고, 여러 형태로 존재하고 있다.

불소난연제 종류 (출처 : J. Korean Electrochem. Soc., Vol. 12, No. 3, 2009)

난연메커니즘은 화재발생시 내부 높은 온도로인해 불소난연제는 라디칼을 형성하는데 이때 생겨난 라디칼들이 할로겐라디칼 (X·) 형태로 변화하게된다. 이렇게 생겨난 할로겐 라디칼은 연소반응의 전이를 억제하여 화재를 막는 역할을 한다.

불소난연제 난연 메커니즘 (출처 : J. Korean Electrochem. Soc., Vol. 12, No. 3, 2009)

유기물질 연소 -> 불소난연제분해 -> 할로겐라디칼형성 -> 할로겐라디칼 연소억제 ★★★

 

 

 

3. 이온성액체

이온성액체는 이온결합을 이용하여 설계된 액체이다. 양이온-음이온간의 이온결합을 형성하기 때문에 고온에서 휘발되기 어려워 내열성이 우수하다. 이런 장점을 이용하여 이온성액체가 난연전해액으로 연구되고 있다.

이온성액체의 종류 (출처 : J. Korean Electrochem. Soc., Vol. 12, No. 3, 2009)

하지만 이러한 이온성액체는 점도가 높은 단점이있다. 점도가 높기 때문에 리튬이온의 mobility가 감소하여 상용전해액보다 낮은 리튬이온전도도를 갖는다. 결과적으로 전지구동시 높은 저항을 갖기 때문에 성능을 저하시킨다. 따라서 난연성은 유지하면서, 점도를 낮추는 방향으로 여러 양이온, 음이온 조합이 연구되고 있다.