폴리머를 사용한 난연성 리튬이온 전지 개발 -- 새로운 접근법으로 경량, 효율성과 안전성 향상

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폴리머를 사용한 난연성 리튬이온 전지

 

미국 스탠퍼드대와 미국 에너지부(DOE) 산하 SLAC 국립가속기연구소 공동연구팀은 난연제를 첨가한 경량폴리머를 재료로 한 전지 집전체를 개발해 리튬이온전지의 경량화와 안전성 및 효율성을 높이는 데 성공했다.

연구에 대한 자세한 내용은 「Nature Energy」에 2020년 10월 15일자로 공개되어 있다.

연구팀에 의하면, 이 신기술을 도입하면, 경량화에 의한 전기 자동차의 항속 거리 연장이나, 노트 PC나 스마트폰등의 전자 디바이스가 발화할 위험성을 낮추는 데에 기대할 수 있다고 한다.

또한 전지를 경량화해 가연성을 저감하는 것은 재활용 전지의 수송비용을 낮추는 것이기 때문에 재활용에도 큰 영향을 줄 가능성이 있다.

구리와 알루미늄으로 만들어진 집전체는 전지 부품 중에서도 가장 무거운 부품 중 하나로 그 무게는 고출력 전지와 초박형 전지의 중량 중 1550%를 차지한다.

집전체를 경량화하기 위해 지금까지도 집전체를 얇게 하거나 다공질화하는 방법이 시험되어 왔지만 내구성과 비용 면에서 문제가 있었다.

또한 안전성 측면에서는 전지의 전해질에 난연제를 추가하는 기법이 연구되고 있는데 점도가 증가하여 이온전도성이 저하된 상태가 되면 난연제를 다량 첨가할 수 없다는 문제가 있었다.

이번, 연구팀은, 종래의 집전체에서는 순동제의 도체를, 폴리이미드라고 불리는 경량 폴리머를 베이스로 한 부품으로 치환한 집전체를 제작했다.

폴리머에는 난연제인 트리페닐인산염(TPP)을 첨가해 도체의 양쪽 표면을 0.5μm 미만이라는 얇은 구리층으로 코팅하고 있다.

구리에는 전류를 흘려보낸다는 집전체의 통상적인 기능뿐만 아니라 폴리머와 난연제를 보호하는 역할도 있다.

새 집전체는 기존 제품과 비교해 80% 경량화에 성공했고 에너지 밀도는 1626% 향상됐다.

현재 유통되는 집전체로 만들어진 라미네이트형 리튬이온전지는 라이터 등 직접 불에 닿으면 타기 시작해 전해질이 타오를 때까지 심하게 연소하지만 새로운 난연성 집전체를 이용한 전지에서는 불이 전혀 타오르지 않고 아주 약한 불꽃이 몇 초만 타오르기만 한다.

또 재점화를 시도해도 다시 타오르지는 않았다고 한다.

새로운 집전체는 기존 제품에서 사용되는 구리의 일부를 구리보다 저렴한 폴리머로 대체하기 때문에 제조하기 쉽고 제조비용도 싸진다는 장점이 있다.

이 때문에 상업용 대량생산의 실현성이 매우 높아 연구팀은 배터리 업체와 연락할 예정이라고 밝혔다.


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난연성 리튬이온 전지



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