최근에 뉴스를 통하여 아파트 지하 주차장에 주차해 논 전기차에서 화재가 낮고 그 결과 지하 주차장과 주차 되었던 자동차에 많은 피해를 주었다는 기사를 본 적이 있다. 그 원인은 열폭주 현상이었다.
요즘 전기차들이 많이 출시되고 소비자들이 구입하는 이 추세가 있었는데 이 뉴스를 통하여 전기차의 위험성이 노출됨으로써 전기차 소비가 주춤한다고 한다 화재원인을 조사해 봤더니 이차전지의 열폭주현상에 의해서 화재가 발생한 것이라는 결론이 나왔다.
이번 글에서는 이차전지의 열폭주 현상이 무엇인지 자세히 알아보고 어떻게 하면 방지할 것인지 에 관하여 조사하고자 한다.
열폭주란 무엇인가?
전기차 배터리에서 자주 언급되는 ‘열폭주’란 리튬 이온 배터리에서 발생할 수 있는 매우 위험한 상태로, 온도가 급격히 상승하면서 스스로 통제할 수 없는 화학 반응이 일어나는 현상이다.
이 현상은 배터리 내부에서 발생하는 과도한 열이 축적되어 내부의 화학 반응이 연쇄적으로 발생하며 배터리 내부와 외부에 큰 손상을 일으킬 수 있다.
이러한 과정은 배터리의 안전성과 성능에 심각한 영향을 미치며, 특히 전기차와 같은 배터리 기반 기기에서 매우 중요하게 다뤄진다. 전기차에서의 안전성은 소비자 신뢰와 직결되기 때문에, 열폭주 현상을 이해하고 이를 예방하는 것이 중요하다.
열폭주의 과학적 원리
리튬 이온 배터리 내부에는 양극, 음극, 전해질 및 분리막이 존재하며, 이들 사이의 화학 반응이 에너지를 저장하고 방출하는 과정에서 열이 발생한다. 열폭주는 이러한 화학 반응이 통제되지 않게 되면서 과도한 에너지가 방출되는 현상이다.
리튬 이온 배터리는 충전과 방전 과정에서 리튬 이온이 양극과 음극 사이를 이동하며 에너지를 저장하는데, 양극 물질(일반적으로 리튬-코발트 산화물이나 니켈-망간-코발트 산화물)이 과도한 열로 인해 분해되면서 산소를 방출하게 된다.
이 과정에서 발생한 산소는 전해질과 반응하여 추가적인 열을 발생시키며, 이러한 열은 연쇄적으로 배터리 내부 반응을 더욱 가속화시킨다.
열폭주의 단계는 다음과 같다.
첫째, 배터리 내부 온도가 특정 임계점을 넘어서면 전해질이 분해되기 시작하며 가스를 방출한다. 열폭주가 시작되는 임계온도는 배터리 구성 요소에 따라 다르다. 예를 들어, 열폭주는 분리막이 녹는 온도에서 발생하는데, 이는 약 130°C (PE 분리막), 170°C (PP 또는 PP/PE/PP 분리막) 혹은 200°C (세라믹 코팅 분리막의 경우)로 나타난다. 전해질은 일반적으로 유기 용매 기반으로 구성되어 있으며, 온도가 상승하면 가연성 가스를 발생시킬 수 있다.
둘째, 이로 인해 내부 압력이 증가하고 배터리 셀이 팽창하거나 파열될 수 있다. 셀 내부에서 압력이 증가하면 분리막이 손상될 위험이 높아지고, 분리막 손상은 양극과 음극이 직접 접촉하게 하여 내부 단락을 유발한다.
셋째, 이러한 단락이 발생하면 화학 반응이 격렬해지면서 온도가 더욱 상승하고, 최종적으로는 폭발이나 화재로 이어질 수 있다. 이 연쇄 반응은 매우 빠르게 진행되기 때문에 초기의 열 관리는 매우 중요하며, 미세한 온도 변화도 심각한 결과를 초래할 수 있다.
열폭주의 원인
외부적 요인으로는 외부 충격이나 물리적 손상, 과충전 또는 과방전 등의 이유로 배터리가 손상되면 내부에 열이 축적될 가능성이 높아진다. 예를 들어, 차량 충돌 사고에서 배터리가 변형되거나 손상되면 내부 저항이 증가하여 열폭주가 발생할 수 있다.
또한, 충전 시 전압을 과도하게 높이는 과충전은 양극 물질의 불안정성을 증가시켜 배터리의 화학 반응을 통제할 수 없게 만든다. 특히, 과충전으로 인해 음극에서 리튬 금속이 석출되면 이는 덴드라이트라 불리는 바늘 모양의 구조물을 형성하게 되는데, 이 덴드라이트는 분리막을 관통하여 단락을 유발할 수 있다.
내부적 요인으로는 제조 과정에서의 결함, 예를 들어 불량한 전해질 사용, 불균일한 양극 또는 음극 소재의 분포, 내부 셀의 결함 등은 배터리의 안정성을 크게 저하시킨다.
또한, 리튬 이온의 불균일한 분포는 배터리의 특정 부분에 과도한 전류가 흐르게 하여 열 폭주를 초래할 수 있다. 덴드라이트 형성(리튬 금속이 결정화되는 현상)은 주로 과충전이나 낮은 온도에서의 충전 시 발생할 수 있으며, 이는 셀 내부의 단락을 초래하여 열폭주의 가능성을 높인다. 제조 공정에서의 미세한 불량이나 오염도 열폭주의 주요 원인이 될 수 있다.
열폭주의 결과와 위험성
열폭주가 발생하면 배터리의 온도가 매우 급격히 상승하면서 결국 셀이 파열되거나 폭발할 수 있다. 이는 화재로 이어질 수 있으며, 전기차와 같은 대형 배터리 팩의 경우 큰 화재나 폭발 사고를 유발할 수 있다.
리튬 이온 배터리의 화재는 일반 화재와 달리 매우 높은 온도에서 발생하며, 소화가 어려운 특징이 있다. 이는 전기차 화재 시 소방대원들이 특수한 소화 방법을 사용해야 하는 이유이기도 하다.
최근 몇 년 동안 여러 전기차 제조업체에서 배터리 화재 사고가 보고되었으며, 이는 열폭주의 위험성을 실감하게 한다. 특히 고속 주행 중 발생하는 화재는 탑승자의 안전에 매우 큰 위협이 된다.
배터리 폭발 시 발생하는 유독가스는 인체에 치명적인 영향을 미칠 수 있다. 리튬 이온 배터리의 전해질은 분해 시 포름알데히드, 일산화탄소, 불화수소와 같은 유독성 가스를 방출할 수 있으며, 이러한 가스들은 호흡기에 심각한 문제를 일으킬 수 있다.
또한, 이러한 가스는 대기 중으로 방출되어 환경에 유해한 영향을 끼친다. 배터리 화재로 인해 발생하는 고농도의 이산화탄소는 대기 오염을 유발하며, 장기적으로 기후 변화에 악영향을 미칠 수 있다. 화재로 인한 유해 물질은 주변 토양과 수질 오염도 초래할 수 있어 환경 보호 차원에서도 열폭주의 방지가 중요하다.
열폭주 방지를 위한 새로운 기술 – LG 화학의 SRL
최근에 국내 기업 LG 화학은 열폭주를 방지하기 위한 획기적인 기술로 SRL(Safety Reinforcement Layer)을 개발하였다. SRL은 전극과 집전체 사이에 삽입되는 1마이크로미터 두께의 안전 강화층으로, 배터리 내부에서 문제가 발생할 경우 전류를 즉각 차단하여 열폭주를 방지하는 역할을 한다.
SRL은 알루미늄과 전극 사이에 얇게 삽입되어 평상시에는 배터리 성능에 영향을 미치지 않는다. 하지만 배터리 내부에 문제가 발생해서 온도가 섭씨 100도씨에 도달하면 SRL이 저항을 급격하게 올리면서 전류 흐름을 차단해 배터리가 더 이상 가열되지 않도록 막는다.
SRL의 구조와 성능은 이 그림에서 보실 수 있는데, SRM 핵심 소재가 폴리티오펜이다. 이 물질은 열이 가해지면 구조가 변하면서 저항을 증가시키는 특성이 있다. 논문에서는 폴리티오펜의 변형을 통해서 적정 온도에서 SRL이 효과적으로 작동하도록 설계 되었다.
폴리티오펜은 플라스틱 같은 고분자인데 그 중심이 되는 부분이 있고 옆에는 가지 같은 사이드 체인이란 게 있다. 연구진 이 가지들을 조절해서 약 섭씨 100도씨에서 열폭주가 일어나지 않도록 방지한 거죠. 이 온도는 리튬 이온 배터리가 과열되기 시작하는 초기 온도랑 정확하게 일치한다.
CF) 폴리티오펜(Polythiophene)은 황(Sulfur) 원자를 포함한 고분자 물질로, 전도성 폴리머의 일종이다. 이 물질은 전기 전도성이 뛰어나고, 유기 전자 장치, 태양 전지, 센서 등의 다양한 응용 분야에서 사용된다.
다음은 SRL에 대한 자세한 설명이다.
SRL의 핵심 기능 중 하나는 정확하고 신뢰할 수 있는 온도 감지이다. 오도를 정확하게 감지하기 위해서 열전대(Thermocouple)와 서미스터(Thermistor)를 이용하여 배터리 셀의 여러 위치에 배치하고 열의 분포를 실시간으로 모니터링
한다.
배터리 온도가 90도에서 130도 사이로 상승할 때, SRL 소재가 반응하여 전기 저항을 급격히 증가시킨다. 이를 통해 과열 초기 단계에서 전류 흐름을 차단하는 퓨즈 역할을 수행하며, 온도가 다시 정상 범위로 내려가면 원래 상태로 돌아가는 가역적인 특성을 갖는다. 이러한 특성 덕분에 SRL은 초기 과열을 신속하게 차단하여 열폭주를 효과적으로 방지할 수 있다.
SRL 소재는 구리, 알루미늄 등의 고열전도성 재료로 구성되어 있다. 이들은 열을 빠르게 전달하여 배터리의 특정 부분이 과열되지 않도록 도와준다. 또한 상변화 물질(PCM)을 사용함으로써 특정 온도에서 고체에서 액체로 변화하며, 이 과정에서 열을 흡수한다.
SRL은 다층 구조로 설계되어, 각 층이 서로 다른 방식으로 열을 관리한다. 예를 들어, 외부 층은 열을 방출하고, 내부 층은 열을 흡수하는 방식이다.
과열된 배터리의 화학 반응 중 일부는 가스를 생성한다. SRL은 이러한 가스를 안전하게 방출할 수 있는 특수 설계된 통로가 있어, 가스가 발생할 때 이 통로를 통해 외부로 배출시킴으로써 이를 통해 내부 압력이 급격히 상승하지 않게 한다.
SRL에는 자동으로 열리는 안전 밸브가 장착되어 있어 압력이 특정 임계치를 초과할 때 자동으로 개방되어 가스를 방출하는데
이 과정은 즉각적이며, 압력 상승으로 인한 구조적 손상을 방지한다.
SRL은 배터리의 전원 공급을 차단하는 회로 차단기를 내장하고 있어 특정 온도에 도달하면 자동으로 작동하여 전류 흐름을 차단한다. 차단 작동은 매우 빠르게 이루어지며, 수 밀리초 이내에 전원이 차단된다.
SRL은 여러 개의 차단기를 사용하여 이중, 삼중 보호를 제공하는데 하나의 차단기가 작동하더라도 다른 차단기가 추가적으로 작동하여 안전성을 높인다.
SRL은 실시간 경고 및 데이터 기록 시스템과 알람 시스템을 가지고 있어서 사용자에게 즉각적인 경고를 제공하고, 배터리 상태를 분석하는 기능을 갖추고 있다.
LG 화학은 SRL을 적용한 배터리를 대상으로 충격 테스트를 실시했으며, SRL을 적용하지 않은 배터리의 폭발률이 63%였던 반면, SRL을 적용한 경우 폭발률이 10%로 크게 감소하였다. 이는 SRL 기술이 배터리 안전성을 크게 향상시킬 수 있음을 입증하는 중요한 결과이다.
SRL 기술은 기존의 배터리 제조 공정에 쉽게 통합될 수 있어 대량 생산이 가능하다. 하루에 최대 5킬로미터의 SRL을 생산할 수 있으며, 이를 통해 상업적 적용이 용이하다. 이는 배터리 제조 비용을 크게 증가시키지 않으면서도 안전성을 확보할 수 있는 현실적인 해결책이다.
마무리
열폭주는 리튬 이온 배터리에서 발생할 수 있는 매우 위험한 현상으로, 과도한 열 축적과 통제되지 않는 화학 반응에 의해 발생한다. 전기차 배터리의 안전을 확보하기 위해서는 열폭주의 원인과 방지 기술에 대한 깊은 이해가 필요하다.
LG 화학의 SRL 기술과 같은 혁신적인 기술은 열폭주의 위험을 효과적으로 줄이고, 전기차 배터리의 안전성을 크게 향상시킬 수 있는 중요한 발전이다.
전기차 사용자는 배터리 관리에 대한 기본적인 이해를 바탕으로, 충전 시 주의사항을 준수하고 배터리 관리 시스템을 적절히 활용하는 것이 중요하다.
특히, 고온 환경에서의 충전이나 급속 충전 시에는 배터리의 온도 변화를 주의 깊게 관찰해야 한다. 또한, 배터리의 이상 징후(예: 충전 시 과도한 발열, 외부 변형 등)를 조기에 감지하고 대응하는 것이 안전을 지키는 핵심이다.