리튬 이온 배터리 발전으로 인해 전기차, 소형 전자기기 등 많은 산업 분야에서 적용되고 있는 만큼 동시에 화재 안전성도 우려의 목소리가 높습니다. 따라서 화재가 발생되는 원리와 이유 찾는 방법도 관리 측면에서 중요합니다.
리튬 이온 배터리 폭발 원리와 이유
일반적으로 리튬 이온 배터리의 열 폭주는 단계별로 셀이 손상되어 나타나는 현상이라고 알려져 있으며, 아래와 같은 단계로 열 폭주가 일어날 것으로 가정되고 있습니다.
1단계
- 과도한 전류 또는 과충전으로 과열이 발생되면 양극에 패시베이션(Passivation) 공법으로 만든 SEI층(Solid Electrolyte Interphase)이 파괴됩니다. 이러한 층 파괴로 전해질과 양극에서 통제되지 못하는 현상이 발생됩니다. 여기에서 SEI층이란 리튬 이온이 양극에서 음극으로 이동하는 과정에서 순수하게 리튬 이온만 움직일 수 있도록 +극, -극에 형성된 피막이며 제조상 피막 두께도 매우 중요합니다.
2단계
- 심각하게 SEI층에 악영향을 미치면 배터리 온도가 약 100도씨에 도달하게 됩니다. 이때는 전해액으로 사용되고 있는 유기용매가 분해되면서 가연성 탄화수소가 발생됩니다. 다만 산소와 결합되지 않기 때문에 화재발생은 없습니다. 일반적으로 전해액 파열은 설계 디자인을 통해 제어가 가능하지만 그 이상의 일정 온도나 악조건에 도달하게 되면 배터리 내부 온도가 130도씨 이상 올라갑니다.
3단계
- 약 130도씨 이상이 되면 분리막이 녹으면서 +극과 -극이 단락 됩니다.
4단계
- 마지막 4단계에서는 산소와 만나는 조건입니다. 만약 음극재료인 금속 산화물이 대미지를 받으면 산소를 방출하기 때문에 결국 열폭주 환경에 놓이게 됩니다.
외부의 고온환경에 노출되면 배터리 내부에서 발열반응이 발생해 배터리 온도가 더욱 높아지고 결국 열 폭주로 이어질 수 있습니다.
결국 배터리가 제어되지 못하고 열 폭주 현상이 나타날 때의 배터리 내부 환경은 3가지 조건에 노출되었을 가능성이 높습니다.
- 주위 분위기 온도
- 인화성 물질 공급
- 산소 공급
충전과 방전 시 리튬 이온이 이동하는데 전지 음극에서 화학적으로 나뭇가지 형태로 증착되는 현상을 덴트라이트라고 하며 이 현상 또한 분리막을 손상시킬 수 있는 가능성이 높습니다. 결국 배터리 성능을 저하시키는 요인이기도 합니다.