빅브라더's 업무창고

 배터리 화재 왜 일어날까? 리튬배터리로 인한 화재가 발생되었다는 것은 다시 말해 강한 열에너지를 발생 시켰다고 볼 수 있습니다. 분리막을 통해 음극과 양극이 만나는 현상 즉 단락이 발생되거나, 덴드라이트(Dendrite, 수지상정, 수상돌기) 등과 같이 단락의 원인은 다르더라도 전자의 이동이 급격히 진행되어 줄 열(Joule heat)에 의해 발화가 진행될 수 있다는 점입니다.  그럼 리튬 배터리에서 발생할 수 있는 발화 매커니즘을 하나씩 살펴보겠습니다.  1. 제조결함에 따른 이물혼입  배터리 제조과정에서 이물질(금속 or 금속산화물)이 양극과 분리막 사이에 유입되면 충전과 방전을 계속하면서 이물질이 환원 전압영역에 이르면 금속이온상태로 환원되어 분리막을 통과한 뒤 음극으로 이동하게 되고 음극으로 이동한 금속이온물질은 음극 활물질 표면에 축적되면서 결정성을 지닌 덴드라이트(Dendrite, 수지상정) 형태로 성장하게 됩니다. 덴드라이트가 점점 성장하여 분리막을 거쳐 양극에 접촉하게 되면 음극에 축적된 전자들이 순식간에 양극으로 이동하게 되는데 이때 발생되는 줄열에 의해 발화와 폭발이 가능하게 됩니다.  2. 과충전 충전이 계속되어 과충전이 되면 발열을 하고 전해질에서 가연성 가스의 발생 등이 일어나게 됩니다. 일반적으로 과충전 시 배터리 내부에서는 처음에 전해액과 음극의 환원반응이 일어나서 전해액의 열분해, 전해액과 양극과의 산화분해, 음극의 열분해, 양극의 열분해, 최후에는 분리막이 녹아 내부 단락에 이르게 됩니다.  과충전을 하면 양극은 산화, 결정구조 파괴에 의한 발열이 일어나고 음극은 금속 리튬이 석출되게 됩니다. 과충전 방지 보호회로(Protection Circuit Board, 이하 PCM)가 있더라도 고장 등의 이유로 인해 제대로 작동하지 않는 경우 과충전이 발생하여 폭발할 수 있고, 이를 방지하기 위해 PCM이 설치되어 있는 경우에도 아래와 같은 조건에서 화재로 연결될 수 있습니다....

국내 연구진 덴드라이트 성장 방지용 첨가제 개발 현재 전기차의 적용되고 있는 리튬이온전지의 음극재는 흑연을 주원료로 사용합니다. 채굴의 용이성으로 단가가 저렴하기 때문에 경제성은 있지만 에너지 밀도가 낮은 충분한 양의 리튬이온을 품기에는 부족하다는 단점이 있습니다. 이를 보완하기 위해 고려하고 있는 것은 실리콘 대체재 인데 이 역시도 과도기적인 수준이며 궁극적인 목표는 리튬금속 음극재의 개발이라고 할 수 있습니다. 리튬 금속 음극재를 개발하는데 있어 가장 큰 걸림돌로 작용하는 것이 바로 나뭇가지처럼 배터리 내부에서 뾰족하게 잘하는 현장인 '침상의 리튬' 즉 덴드라이트에 따른 안정성 저하 문제입니다. 카이스트와 충남대 공동연구팀이 덴드라이트를 억제할 수 있는 이온성액체 첨가물을 개발했다고 하여 화제가 되고 있습니다. 이 첨가제는 분자구조가 대칭성을 띠면서 리튬의 덴드라이트 성장을 억제하여 배터리의 성능과 화재 등의 위험성으로부터 보호할 수 있다고 합니다. 리튬이온이 침상 덴드라이트에 달라 붙지 못하도록 균일한 리튬층을 유도하여 덴드라이트의 성장을 예방합니다. 실제 첨가제를 리튬금속배터리에 넣어 사용한 결과 성능이 3배 정도 높아지는 것으로 확인되었습니다. 궁극적으로 리튬 이온의 치명적인 단점인 화재 발생의 리스크를 낮출 수 있다는 면에서 상당한 의미가 있다고 하겠습니다.