スマートフォンや自動車をはじめとする多様な製品に広く用いられているリチウムイオン電池は、適切な保管や充電が行われている限り、極めて高い安全性を有していると言える。
리튬 이온 배터리는 스마트폰이나 자동차 등 다양한 제품에 널리 사용되고 있지만, 적절하게 보관하고 충전하면 매우 안전하다고 할 수 있습니다.
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하지만 실제로는 전 세계에서 수천 건의 화재가 보고되고 있으며, 사상자를 동반하는 심각한 사태로 이어지는 경우도 드물지 않습니다.
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리튬 이온 배터리는 가연성 전해질을 포함하고 있으며, 이는 유기 용매에 용해된 리튬 염의 용액으로, 전하의 이동을 가능하게 하는 역할을 합니다.
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배터리가 물리적인 손상, 과충전, 극한의 온도, 또는 제조상의 결함과 같은 요인으로 인해 불안정해지면, 갑작스러운 발열이나 발화가 발생하여 열폭주라고 불리는 연쇄적인 위험 반응으로 이어질 수 있습니다.
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특히 항공 업계에서는 많은 배터리가 탑재된 기기가 반입되기 때문에, 객실이나 화물실에서 화재가 발생할 경우 항공기 전체를 잃을 가능성이 있습니다.
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실제로 올해 1월 한국 부산에서 발생한 에어버스 A321 기종 화재 사고에서는, 발화원이 머리 위 수하물 칸에 보관되어 있던 예비 배터리였을 가능성이 높으며, 이 사고를 계기로 일부 항공사에서는 유사한 기기의 반입을 제한하는 조치를 취하였습니다.
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그 상황을 받아들여, 홍콩중문대학교의 연구팀은 리튬이온 배터리의 안전성을 대폭 향상시키기 위한 설계 변경을 제안했습니다.
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기존 전해질 내의 화학물질을 새로운 것으로 대체함으로써, 현재의 제조 공정에 큰 변화를 주지 않고도 신속하게 적용할 수 있습니다.
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손웨 씨현재 버지니아 공과대학교의 박사후 연구원에 따르면, 온도에 민감한 소재를 설계함으로써 실온에서의 높은 성능을 확보하면서도 고온 환경에서도 우수한 안정성을 유지할 수 있다고 하였으며, 해당 그룹은 기존에 존재하던 안전성과 성능의 균형을 맞추기 어려웠던 과제를 극복했다.
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구체적으로는, 두 종류의 용매를 포함하는 새로운 전해질을 사용함으로써, 실온에서는 제1의 용매가 배터리의 화학 구조를 안정화시켜 성능을 최적화하고, 과열 시에는 제2의 용매가 주도적으로 작용하여 구조를 느슨하게 만들어 열폭주로 이어지는 반응을 지연시킵니다.
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실험실 시험에서는 못 찌르기 시험 후 온도 상승이 3.5도에 그쳤으며, 기존 배터리처럼 갑자기 555도까지 급격하게 온도가 상승하는 현상은 나타나지 않았습니다.
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또한, 배터리의 성능과 내구성에 대해서는 1000회 충전 사이클 이후에도 배터리 용량의 80% 이상을 유지하고 있어, 현재 제품과 동등한 수준에 도달하고 있습니다.
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새로운 전해질은 액체이기 때문에, 기존 생산 라인에 큰 변화를 가할 필요가 없어 쉽게 도입할 수 있다고 홍콩중문대학교 기계자동화학과의 류이치춘 교수는 말합니다.
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전극의 제조가 가장 어려운 공정인 반면에, 전해질은 액체이기 때문에 새로운 설비의 도입이나 공정의 추가가 필요 없으며, 이것도 큰 장점이 되고 있습니다.
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새로운 방법을 도입함으로써 제조 비용이 약간 상승할 가능성은 있지만, 대량 생산 시에는 현재 제품과 거의 동일한 가격이 될 것으로 예상됩니다.
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현재 연구팀은 배터리 제조업체와 상용화에 대해 협의 중이며, 실용화까지는 3년에서 5년이 걸릴 수 있습니다.
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또한, 시험 단계에서는 태블릿 단말기를 작동시키기 위해 배터리가 제작되었지만, 자동차나 더 큰 장비에 응용하기 위해서는 추가적인 검증이 필요합니다.
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이와 같이, 이번 리튬이온 배터리의 안전성 향상에 관한 연구 결과는 미래 산업계에 매우 큰 의미를 가지고 있습니다.
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