안녕하세요, 이번 포스터에서는 최근 전기자동차와 휴대용 전자기기 등에서 사용되는 리튬이온 배터리의 안전문제로 주목받는 '열폭주'에 대해 알아보도록 하겠습니다. 이 글을 통해 열폭주가 무엇인지, 어떤 원인들로 발생하는지, 그리고 이를 방지하기 위한 방법들에 대해 알아보도록 하겠습니다.
열폭주의 정의
열폭주(thermal runaway)란 통제를 벗어난 셀(cell)이 스스로 발화하는 것을 의미합니다. 미국 국제안전과학기술 업체 UL에서 제정한 UL9540A표준은 이러한 열폭주 화재 확산 평가를 위한 시험방법을 다루고 있습니다.
열폭주가 발생하는 원인
열폭주가 발생하는 원인은 제조 및 소재 결함, 설계 이상, 사용상 부주의, 오남용 등으로 그 원인이 다양하며,
일반적으로 오용조건(abuse conditions)은 네 가지입니다:
기계적 오용, 전기적 오용, 열적 오용, 내부단락입니다.
열폭주 관련 오용의 종류
1. 기계적 오용: 외부적인 힘에 의한 배터리 손상 및 변형을 의미합니다.
예를 들어, 전기차 주행 중 충돌사고에 의한 배터리팩 변형은 셀 내부 분리막 손상으로 이어지고 내부단락을 일으켜 전해질 누수, 화재를 야기할 수 있습니다. 또한, 셀 전체가 금속성 물질에 의해 관통되었을 때 격렬한 내부단락이 발생하여 셀 내부의 온도상승은 내부단락에 의한 열 발생에 의한 것입니다.
2. 전기적 오용: 외부단락, 과충전, 과방전이 이에 해당합니다.
외부단락은 충격에 의한 배터리 팩 변형 및 손상, 침수, 외부 전도성물질에 의한 오염, 전기충격 등에 의해 발생하며 셀 과열은 대부분 저항열에 의해 발생합니다.
과충전은 높은 전압 값에 의한 충전으로 전기적 오용의 한 형태로, 배터리관리시스템(BMS)의 오동작 및 시스템 오류로 셀충전시 상한충전전압을 초과하면 저항열과 화학적인 부반응에 의해서 셀 내부 온도가 급상승합니다.
과방전은 강제 방전을 의미합니다. 과방전 시 양극재의 형태의 변형으로 일부 리튬이온의 삽입 및 탈리가 불가능해지면서 배터리용량이 급속도로 저하됩니다.
이런 과충전 및 과방전의 결과물로는 보조배터리 같은 것이 부푸는 현상, 즉, 셀 팽윤(cell swelling)이 있습니다. 이 현상은 리튬 이온이 과도하게 탈리되면서 SEI하는 막의 분해를 가속시킵니다. 그러면 CO나 CO2 가스가 생성이 되는데, 이 가스때문에 셀 팽윤 현상이 발생합니다.
이런 상태에서 다시 충전을 할 경우 음극 표면에 새로운 SEI 불순물이 형성이 되고, 이렇게 생성된 SEI는 전기화학젓 성능 및 안전성을 크게 저하시킵니다.
3. 열적 오용: 국지과열과 외부 화재 사고가 이에 해당합니다.
국지과열은 전지커넥터가 느슨해지면서 주로 발생하며, 셀 내부 전극재와 집전체간 결합이 약해지면서 발생하여 느슨해진 전극재-집전체 경계면에서 지속적인 충·방전으로 인하여 열이 발생하면서 열폭주로 이어질 수 있습니다. 외부 화재 사고는 화재사고로 인하여 외부연소 및 고온환경에 일정 시간 이상 노출되면 전해질을 연소시켜 열폭주를 야기할 수 있습니다.
4. 내부단락: 내부단락이라는 현상은 배터리의 기계적 오용, 전기적 오용, 그리고 열적 오용과 직접적인 상관관계를 가지며, 이는 열폭주를 발생시키는 결정적인 요소입니다.
그러나 중요한 점은 모든 내부단락이 반드시 열폭주로 이어지는 것은 아니라는 것입니다.
내부단락의 단계는 다음과 같이 세 가지 레벨로 나눌 수 있습니다.
1. LEVEL I : 이 단계에서는 셀의 전압 강하가 매우 느리며, 자가 방전이 되는 정도가 아주 낮습니다. 또한, 온도 변화가 거의 없는 상태를 유지합니다. 이 단계는 초기 단계로, 배터리의 안전성에 큰 영향을 미치지 않습니다.
2. LEVEL II : 이 단계에서는 전압 강하가 매우 빠르며, 눈에 띄는 온도 상승이 보입니다. 이러한 온도 상승은 열이 발생함을 나타냅니다. 이 단계에서는 배터리의 안전성에 영향을 미치며, 관리가 필요한 단계입니다.
3. LEVEL III : 이 단계는 가장 심각한 단계로, 배터리 전압은 0에 이르며, 엄청난 양의 열이 발생합니다. 이러한 상황은 즉각적인 열폭주로 이어집니다. 이 단계에서는 배터리의 안전성이 크게 위협받으며, 즉각적인 대처가 필요합니다.
배터리 사용 시 이러한 내부단락 단계를 인지하고, 각 단계에 맞는 적절한 대응을 하는 것이 중요합니다. 특히, LEVEL III에 이르지 않도록 전기적, 기계적, 열적 오용을 최소화하는 것이 필요합니다.
이번에는 조금 어려운 내용을 다뤘다고 생각하실 수 있는데, 정리를 하면 다음 그림과 같습니다.
이렇게 오늘은 열폭주의 정의 및 열폭주의 원인 및 열폭주와 관련된 오용의 종류까지 알아봤습니다.
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