중국 연구진이 배터리 셀 내부에 이른바 '스마트 방화벽'을 형성해 열폭주 현상을 효과적으로 차단할 수 있는 혁신적인 나트륨 배터리를 개발했다.

과학매체 인터레스팅엔지니어링은 중국과학원(CAS) 물리학연구소 후용성 교수가 이끄는 연구진이 해당 논문을 국제 학술지 ‘네이처 에너지(Nature Energy)’에 발표했다고 최근 보도했다.

연구진은 나트륨 이온 배터리의 열 폭주 현상을 물리적으로 차단하는 자체 보호 기능을 갖춘 불연성 전해질을 개발했다. 특히 이번 기술은 고용량 배터리에서도 높은 수준의 안전성을 구현한 첫 사례로 평가된다.

열 폭주 현상 종식

배터리는 특정 온도 이상으로 상승할 경우 내부 반응이 가속되며 더 많은 열을 발생시키는 ‘역 폭주’ 현상이 발생한다. 이는 온도 상승이 통제 불가능한 수준으로 이어지며 폭발이나 화재를 유발할 수 있어, 전기차와 대규모 에너지 저장 시스템에서 핵심적인 안전 문제로 꼽힌다.

이를 해결하기 위해 연구진은 자가보호 기능을 갖춘 가소성 비연소 전해질(PNE)을 적용했다. 해당 전해질은 온도가 섭씨 150도를 초과하면 액체에서 고체로 빠르게 변하며 배터리 내부에 치밀한 차단막을 형성한다. 이를 통해 열 전달을 효과적으로 차단하고, 과열이 치명적인 고장으로 이어지는 것을 방지한다.

연구진은 "기존의 단일 방어막과 달리 액체 상태의 PNE는 급격한 상변화를 거쳐 밀도가 높은 물리적 장벽으로 고체화 되며 열 확산을 차단하고 배터리 고장에서 흔히 발생하는 화재나 폭발을 방지할 수 있다"고 설명했다.

“영하 40도에서 60도까지 안정적으로 작동”

연구팀은 3.5암페어시(Ah) 용량의 원통형 나트륨 이온 전지를 통해 기술을 검증했다. 못 관통, 고온 노출 등 극한 조건에서 진행된 테스트에서도 해당 배터리는 연기나 화재, 폭발 징후를 보이지 않았다. 또한 섭씨 300도에 달하는 환경에서도 안정성을 유지했다.

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안전성 뿐 아니라 성능도 유지됐다. 해당 배터리는 211Wh/kg의 에너지 밀도를 기록해 기존 첨단 나트륨 이온 배터리와 유사한 수준을 달성했으며, 영하 40도에서 60도에 이르는 넓은 온도 범위에서도 안정적으로 작동했다. 4.3V 이상의 고전압 환경에서도 안정성이 유지된 것으로 나타났다.

연구진은 “이번 성과는 전기차와 대형 트럭, 대규모 전력망 에너지 저장 시스템 등 높은 안전성이 요구되는 분야에서 나트륨 이온 배터리의 상용화를 앞당길 것”이라고 밝혔다.