배터리 열폭주 막을 해법 제시했다
전해질 설계로 배터리 안정성 높이고 난연성 솔루션 제안

고려대학교(총장 김동원) 유승호 교수 연구팀이 인계 난연 첨가제를 활용해 기존 유기 전해질 시스템의 안정성을 높이고, 배터리 화재·폭발의 주요 원인인 열폭주 현상을 효과적으로 억제할 수 있는 해법을 제시했다.

이번 연구 성과는 국제 저명 학술지 Advanced Energy Materials (IF=24.4) 온라인판에 3월 26일 게재됐으며, 표지 논문으로도 선정됐다.

최근 전기자전거와 전동킥보드 등 소형 모빌리티 기기에서 충전 중 폭발 사고가 발생하는 등 리튬이온 배터리의 안전성에 대한 우려가 지속되고 있다. 이러한 사고의 주요 원인 중 하나는 열폭주(Thermal Runaway) 현상으로, 외부 충격이나 과열로 인해 배터리 내부의 화학 반응이 급격히 가속되면서 자가 발화나 폭발로 이어질 수 있다. 특히 리튬이온 배터리에 사용되는 카보네이트계 유기 전해질은 상온에서도 인화성이 높아 직접적인 발화 요인으로 작용할 수 있다.

이에 따라 난연성 전해질에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 현재까지 개발된 난연성 전해질은 대부분 불소계 고농도 염을 사용하거나 다량의 불소 원자를 도입하는 방식이어서 높은 비용과 배터리 성능 저하라는 한계를 안고 있다.

유승호 교수 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 가격 경쟁력이 높고 자기소화 특성이 우수한 인계 난연 첨가제들에 주목해 전해질의 난연성을 확보하기 위한 새로운 설계 방향을 제시했다.

인계 화합물은 소량으로도 효과를 발휘할 수 있고, 연소 시 발생하는 독성이 상대적으로 낮아 배터리 안전성 확보에 유리하다. 또한 전해질의 물리적 특성이나 전기화학적 성능에 미치는 영향이 작아 배터리 성능 저하 우려를 줄일 수 있으며, 비교적 낮은 비용으로 제조할 수 있다는 장점도 지닌다. 연구팀은 다양한 인계 첨가제의 구조별 특성과 작용 기작을 체계적으로 정리하고, 이를 바탕으로 실용화 가능성과 향후 소재 개발 방향까지 함께 제시했다. 이를 통해 리튬 배터리의 안전성과 신뢰성을 높일 수 있는 전해질 설계 전략을 구체화했다. 유승호 교수는 “이번 연구는 배터리의 난연성과 계면 안정성을 동시에 확보할 수 있는 첨가제 설계 가능성을 보여준 사례”라며 “이를 기반으로 인계 첨가제의 활용 범위를 넓혀 향후 차세대 전지 시스템 상용화에 기여할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

본 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 원천기술국제협력개발사업(이차전지 국제공동연구) 및 개인기초연구 지원을 받아 수행됐다.

Korea University Proposes a Solution to Suppress Battery Thermal Runaway
Electrolyte design improves battery safety and presents a flame-retardant strategy

A research team led by Professor Seung Ho Yu at Korea University (President Kim Dong-One) has proposed an effective strategy to improve the stability of conventional organic electrolyte systems and suppress thermal runaway, one of the major causes of battery fires and explosions, by employing phosphorus-based flame-retardant additives.

This research was published online on March 26 in Advanced Energy Materials (IF=24.4), a leading international journal, and was also selected as a cover paper.

Recently, safety concerns surrounding lithium-ion batteries have continued to grow, particularly due to explosion incidents during charging in small mobility devices such as electric bicycles and electric scooters. One of the major causes of these accidents is thermal runaway, a phenomenon in which chemical reactions inside the battery accelerate rapidly due to external impact or overheating, potentially leading to self-ignition or explosion.

In particular, carbonate-based organic electrolytes widely used in lithium-ion batteries are highly flammable even at room temperature and can directly contribute to ignition.

Accordingly, extensive research has been conducted on flame-retardant electrolytes. However, most flame-retardant electrolyte systems developed so far rely on highly concentrated fluorinated salts or the introduction of large amounts of fluorine-containing components, which inevitably suffer from high cost and degraded battery performance. To address these limitations, Professor Yu’s team focused on phosphorus-based flame-retardant additives that offer strong cost competitiveness and excellent self-extinguishing properties, and proposed a new design strategy for improving electrolyte flame retardancy.

Phosphorus-containing compounds can function effectively even in small amounts and are advantageous for battery safety because they tend to generate relatively low toxicity during combustion. In addition, they have only a limited effect on the physical properties and electrochemical performance of the electrolyte, thereby reducing concerns about battery performance deterioration, while also offering the benefit of relatively low manufacturing cost. The team systematically organized the structure-dependent characteristics and working mechanisms of various phosphorus-based additives, and further presented their practical applicability and future material design directions. Based on this analysis, they established a concrete electrolyte design strategy to improve the safety and reliability of lithium batteries.

Professor Seung Ho Yu said, “This study demonstrates the feasibility of designing additives that can simultaneously secure flame retardancy and interfacial stability in batteries,” adding, “We expect that broadening the application of phosphorus-based additives will contribute to the commercialization of next-generation battery systems.”

This work was supported by the Ministry of Science and ICT and the National Research Foundation of Korea through the Fundamental Technology International Cooperation Development Program (International Joint Research on Secondary Batteries) and the Basic Research Program.