[미래산업의 중심 배터리] 전기차 배터리 ‘안전성’이 생명

▲대전 소재 LG화학 기술연구원에서 연구원들이 배터리 안전성 강화를 위한 핵심 소재인 안전성강화분리막을 검사하고 있다. 사진제공 LG화학

리튬이온 배터리는 높은 에너지를 좁은 공간에 가둬 오래 사용할 수 있지만 잘못 사용하거나 외부 충격이 가해지면 폭발, 발화 등의 안전성 문제가 생긴다.

배터리 선도업체들은 배터리 성능 향상을 위한 노력만큼이나 안전성 확보에 신경을 쓰고 있다. 아무리 사소한 문제라도 제품 신뢰도에 치명상을 입힐 수 있기 때문이다.

삼성SDI는 엄격한 안전성 관리로 ‘무(無)리콜’ 행진을 이어가고 있다. 삼성SDI가 개발한 리튬이온 배터리는 △못으로 배터리를 뚫는 관통 테스트 △강력한 외부 충격을 모사한 충돌 테스트 △배터리를 구부러트리는 압축 테스트 △열을 가하는 가열 테스트 등 다양한 안전성 평가를 거친다. 대부분 실제 일어날 수 있는 것보다 혹독한 상황을 모사해 테스트, 안전성 확보에 만전을 기하고 있다.

소형 배터리보다 훨씬 큰 전기차 배터리의 경우 심각한 안전 문제를 일으킬 수 있는 만큼 더욱 노력을 기울이고 있다. 삼성SDI는 전기차 배터리에 3가지의 독자적 안전장치를 마련해 극한의 환경에서도 견딜 수 있도록 했다. 더불어 배터리 셀마다 추적이 가능한 전산 모니터링 시스템을 통해 품질을 관리하고 있다.

삼성SDI는 배터리 연구소를 통해 성능은 저하시키지 않으면서 동시에 안전성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 배터리 기술을 개발 중이다. 회사 측에 따르면 현재 연구 중인 ‘전고체 배터리(All-Solid Battery)’는 리튬이온의 이동 경로인 전해질을 액체나 폴리머(겔 형태)가 아닌 고체 소재의 물질을 적용, 어떠한 외부 충격이나 환경에서도 절대 터지지 않는다. 더불어 파손으로 인해 배터리에 구멍이 뚫리더라도 가열되거나 폭발하지 않고 정상적으로 작동한다.

세계 전기차 배터리 시장 1위인 LG화학은 연구개발(R&D) 노력의 대부분을 안전성 강화에 쏟고 있다. 이 회사의 대표적 안전성 강화 기술은 배터리의 핵심 소재인 분리막을 강화시킨 ‘안전성강화분리막(SRS®)’과 ‘스택앤드폴딩(Stack&Folding)’이 꼽힌다.

안전성강화분리막 기술은 배터리 핵심 소재인 분리막 원단에 세라믹을 코팅해 열적, 기계적 강도를 높여 내부 단락을 방지한다. 리튬이온전지는 양극과 음극이 서로 리튬이온을 교환하면서 전기를 얻게 되는데, 양극과 음극이 닿을 경우 단락이 발생할 수 있어 ‘분리막(Separator)’은 필수다. 이 분리막이 리튬이온 이동 시 발생하는 열과 압력에 오래 버틸 수 있어야 성능이 좋은 전지를 만들 수 있다. LG화학은 이 기술에 대해 2007년 국내 특허를 시작으로 미국·중국·유럽·일본 등 세계 주요 국가에도 등록했다.

LG화학이 특허를 받은 스택앤드폴딩 제조기술은 배터리 핵심소재를 겹친 후 김밥처럼 말아 뒤틀림 현상에 취약한 기존의 ‘와인딩’이 아닌 양극재, 분리막, 음극재 등을 층층이 쌓아서 접은 뒤 전해질을 주입하는 방식이다. 이렇게 제조된 배터리는 충방전 시 리튬이온이 위아래 방향으로만 압력을 가하기 때문에 기존 배터리 제조 기술에 비해 물리적 안정성을 갖게 된다.