리튬이온배터리(Lithium-ion batteries, LIBs)는 높은 에너지 밀도(~275 Wh kg⁻¹), 긴 수명, 높은 작동 전압(~ 4.3V vs Li⁺/Li)으로 인해 휴대용 전자기기부터 전기자동차(EV)에 이르기까지 현대 에너지 저장 응용에서 필수적인 기술이 되었다. 그러나 주로 선형 및 환형 탄산염으로 구성되는 가연성 유기 전해액의 사용이 증가하면서 이상 조건에서의 심각한 안전 문제가 제기되고 있다. 전해액 분해, 분리막 손상, 전극 열화와 같은 발열 반응으로 인해 발생하는 열폭주(thermal runaway)는 화재 또는 폭발로 이어질 수 있는 핵심 안전 이슈로 남아 있다. 질소계 및 인산계 물질을 포함한 기존 소화제는 LIB 화재를 억제하는 데 제한적인 효과만을 보였다. 예컨대 트리페닐 포스페이트(triphenyl phosphate, TPP)와 같은 인(phosphorus)계 난연제는 기상(radical) 라디칼을 제거(scavenge)하는 능력 때문에 널리 연구되었다. 그러나 자체소화시간(self-extinguishing time, SET) 시험 결과 대부분의 기존 난연제가 LIB 전해액 화재를 억제하지 못했으며, 실제 작동 조건에서는 그 효과가 제한적임이 확인되었다. 또한 많은 인 및 붕소(boron)계 난연제는 LIB 작동 온도에서 높은 휘발성 또는 분해 특성을 나타내어 장기적인 안전성 향상에 적합하지 않다. 이에 비해 전해액 내부에서 연소를 직접 억제하는 응축상(condensed phase) 난연제는 보다 견고하고 효과적인 안전 대책이다. 가장 유망한 접근 중 하나는 라디칼 제거 효율이 우수한 할로겐(halogen)계 난연제를 사용하는 것이다. 우리의 선행 연구에서는 CaBr₂(브로민화칼슘, calcium bromide)를 LIB를 위한 유망한 난연제로 도입하였고, 응축상 라디칼 제거 메커니즘을 통해 우수한 화재 억제 성능을 입증하였다. CaBr₂는 전해액 내에서의 연소를 효과적으로 억제하지만, 높은 흡습성 및 전해액과의 반응성으로 인해 바람직하지 않은 부반응과 배터리 열화를 유발한다. 이러한 문제를 해결하기 위해, CaBr₂를 폴리(메틸 메타크릴레이트-코-디비닐벤젠) [poly(methyl methacrylate-co-divinylbenzene), poly(MMA-co-DVB)] 껍질에 캡슐화한 열응답성 미세캡슐화(thermo-responsive microencapsulation) 방법을 개발하였다. 이렇게 제작된 마이크로캡슐(CBMC)은 통상 조건에서는 전해액과의 조기 반응을 차단하고, 열에 반응하여 난연제를 방출한다. 본 연구에서는 CBMC가 LIB에서 효과적인 화재 억제뿐 아니라 전기화학적 안정성도 유지함을 입증하였다. CaBr₂ 마이크로캡슐(CBMCs)을 전해액에 도입했을 때, 자체소화시간이 82초에서 단 9초로 감소하며(약 90% 감소) 화재 억제 효율이 크게 향상되었다. 개선된 화재 억제 효과는 파우치 셀 폭발 실험에서도 확인되었는데, CBMC를 포함한 셀은 최대 80 s의 점화 지연 시간을 보였으며, 이는 46 s인 대조군 셀보다 거의 2배에 해당한다. 또한 CBMC 코팅된 폴리에틸렌 분리막(CCPE)은 100회 이상 사이클 동안 안정적인 성능을 보여 LIB 시스템과의 높은 호환성을 입증하였다. 이러한 결과는 미세캡슐화된 할로겐계 난연제가 차세대 고에너지 밀도 LIB의 안전성을 향상시키기 위한 실용적인 전략임을 보여준다. 그림 1

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