전기차(EV) 안전 위협하는, 배터리 열폭주(Thermal Runaway)의 원인

전기차 배터리 화재는 현대 사회에서 중요한 안전 문제로 대두되고 있습니다. 2024년 10월, 인천 청라에서 발생한 벤츠 전기차 화재 사건은 그 심각성을 보여주는 대표적인 사례입니다. 이 사건에서는 주차 중이던 전기차에서 배터리 화재가 발생하였고, 화재는 차량 전체로 번지면서 전소되었습니다​. 이런 사고는 전기차에 사용되는 리튬 이온 배터리의 열폭주와 관련이 깊으며, 배터리 시스템의 설계와 관리에서 매우 중요한 문제로 인식되고 있습니다. 이번 글에서는 배터리 열폭주를 일으키는 주요 원인에 대해 살펴보고, 왜 이러한 사고가 발생하는지 이해할 수 있도록 돕겠습니다.

 

배터리 열폭주의 원인은 다양하며, 배터리 셀 내부에서 복합적으로 작용할 수 있습니다. 열폭주가 발생하는 주요 원인은 크게 과충전/과방전, 내부 단락, SEI 분해로 나눌 수 있습니다.

 

1) 과충전 및 과방전

과충전은 배터리가 지정된 용량 이상으로 충전될 때 발생하는 현상입니다. 리튬 이온 배터리 셀에서는 리튬 이온이 양극과 음극 사이에서 이동하면서 충전과 방전이 이루어지는데, 과충전 상태에서는 리튬 이온이 과도하게 양극에 축적됩니다. 이로 인해 양극 물질이 불안정해지고, 열적 반응이 가속화됩니다. 특히 양극이 리튬 코발트 산화물(LiCoO2)인 경우, 과충전으로 인해 코발트 산화물 내에서 산소가 방출되며 이산화탄소와 같은 가연성 가스를 발생시킬 수 있습니다. 이는 배터리 셀 내부의 압력을 증가시키고, 폭발 위험을 높입니다​.

과방전은 배터리 용량을 초과하여 방전이 이루어지는 경우를 말하며, 음극에서 리튬 이온이 과도하게 방출되어 음극 물질이 불안정해집니다. 이는 전해질과 음극 간의 부반응을 촉진하여 열을 발생시키고, SEI 층이 파괴되면서 추가적인 화학 반응을 일으켜 열폭주를 유발할 수 있습니다​.

열폭주 메커니즘 (a)과충전 / (b)과방전

 

2) 내부 단락 (Internal Short Circuit)

내부 단락은 배터리 셀 내부에서 양극과 음극이 직접적으로 접촉하면서 발생합니다. 내부 단락의 원인은 여러 가지가 있지만, 대표적으로 리튬 덴드라이트(Lithium Dendrite)가 있습니다. 리튬 덴드라이트는 배터리를 반복적으로 충전할 때, 특히 과충전 시에 음극에 과도하게 형성되는 리튬 금속 결정체입니다. 이 덴드라이트는 시간이 지남에 따라 자라나면서 분리막을 뚫고 양극과 음극을 직접 연결하게 됩니다. 이렇게 되면 배터리 셀 내부에서 전류가 급격히 흐르면서 열이 발생하고, 그 결과 셀 내부 온도가 급격히 상승하게 됩니다​.

또한, 제조 공정에서 미세한 불순물이 남아 있거나 외부 충격으로 인해 배터리 셀 내부의 구조가 손상될 경우에도 내부 단락이 발생할 수 있습니다. 특히 전기차와 같은 대형 배터리 팩에서 내부 단락이 발생하면, 그로 인한 열폭주가 배터리 팩 전체로 퍼질 위험이 큽니다.

덴드라이트 형성 과정 - 분리막 관통 및 단락 형성

 

3) SEI 분해 (Solid Electrolyte Interface Decomposition)

SEI(Solid Electrolyte Interphase) 층은 리튬 이온 배터리 셀의 음극 표면에 형성되는 보호층입니다. 이 층은 전해질과 음극 간의 직접적인 반응을 막아 배터리의 안정적인 충방전이 가능하게 합니다. 그러나 충격, 과충전, 또는 고온에서 SEI 층이 파괴되면, 전해질과 음극 사이에서 추가적인 화학 반응이 일어나며, 이로 인해 열이 발생합니다. 이 과정에서 생성된 열은 SEI 층을 더욱 빠르게 분해시켜 추가적인 열폭주로 이어질 수 있습니다​.

SEI 층의 분해는 특히 충방전이 반복되면서 시간이 지남에 따라 점차 가속화됩니다. 따라서 배터리 수명이 다해갈 때 열폭주의 위험이 더 커지며, 이는 배터리 사용 중의 안전성을 크게 저해할 수 있습니다.

Cell 내부 온도 상승으로 인한 SEI 분해

결론

배터리 열폭주는 과충전, 과방전, 내부 단락, SEI 층의 손상 등 여러 원인에 의해 발생할 수 있습니다. 이러한 원인들을 명확히 이해하고 관리하는 것은 전기차 배터리뿐만 아니라 모든 리튬 이온 배터리의 안전성을 확보하는 데 필수적입니다. 앞으로도 배터리 설계 및 관리에서 열폭주를 방지할 수 있는 기술적 대책이 계속해서 발전해야 하며, 배터리 사용자는 적절한 충전 관리와 안전 조치를 준수해야 합니다.

 

 

▶ 참고문헌

-. Qian, Liqin, Yi, Yahui, Zhang, Wenjing, Fu, Chenlong, Xia, Chengyu, Ma, Tiancai, Revealing the Impact of High Current Overcharge/Overdischarge on the Thermal Safety of Degraded Li-Ion Batteries, International Journal of Energy Research, 2023, 8571535, 14 pages, 2023. https://doi.org/10.1155/2023/8571535

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-. Liu, Y., Liu, Q., Xin, L. et al. Making Li-metal electrodes rechargeable by controlling the dendrite growth direction. Nat Energy 2, 17083 (2017). https://doi.org/10.1038/nenergy.2017.83