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

배터리 열폭주는 다양한 원인으로 발생할 수 있으며, 이는 복잡한 화학적·물리적 반응을 동반하는 단계적 과정을 거칩니다. 배터리 셀 내부에서 발생하는 열폭주의 각 단계를 이해하는 것은 배터리 안전성을 확보하고, 사고를 예방하는 데 매우 중요합니다. 이번 글에서는 리튬 이온 배터리 셀에서 발생하는 열폭주의 구체적인 과정을 단계별로 살펴보겠습니다.

Cell 열폭주 과정 3단계

1. 1단계: 온도 상승

열폭주의 첫 번째 단계는 배터리 셀 내부에서 온도가 상승하는 과정입니다. 이 단계는 과충전, 과방전, 내부 단락 등 다양한 원인에 의해 시작될 수 있습니다.
배터리 셀 내부의 온도가 약 100°C에 도달하면, SEI(Solid Electrolyte Interphase) 층이 분해되기 시작합니다. SEI 층은 음극 표면을 보호하는 중요한 역할을 하지만, 이 층이 분해되면 음극과 전해질 사이에서 부반응이 발생하여 추가적인 열이 발생합니다​. 온도가 상승할수록 이러한 반응이 가속화되고, 배터리 셀 내부의 압력이 서서히 증가하게 됩니다.

 

2. 2단계: 분리막 손상 및 전해질 분해

온도가 약 200°C에 도달하면, 배터리 셀의 분리막이 녹기 시작합니다. 분리막은 양극과 음극을 물리적으로 분리하는 역할을 하는 중요한 구조물이지만, 고온에서 분리막이 녹으면 양극과 음극이 직접 접촉하여 내부 단락이 발생할 수 있습니다​.
내부 단락이 발생하면, 셀 내부에서 전류가 급격히 흐르며 많은 열이 발생하게 됩니다. 이때 전해질도 고온에서 분해되면서 가연성 가스를 발생시킵니다. 이 가스는 셀 내부 압력을 더욱 높이며, 화재와 폭발의 위험을 증가시킵니다.

3. 3단계: 산소 방출 및 폭발

배터리의 온도가 계속 상승하여 약 250°C를 넘어서면, 양극 재료가 불안정해지기 시작합니다. 특히 리튬 코발트 산화물(LiCoO2)과 같은 양극 재료는 고온에서 산소를 방출하게 되는데, 이 산소는 전해질과 가연성 가스와 결합하여 폭발적인 화학 반응을 일으킬 수 있습니다​.
이 과정에서 배터리 내부의 화학적 반응들이 통제 불가능한 상태로 빠르게 진행되며, 결과적으로 셀 내부에서 폭발이 일어날 수 있습니다. 이 단계에서는 배터리 셀 전체가 파괴되며, 주변 환경에 심각한 피해를 줄 수 있습니다.

결론

배터리 열폭주는 온도 상승, 분리막 손상, 그리고 산소 방출 등의 단계를 거쳐 폭발에 이르는 복잡한 과정입니다. 이 과정을 이해하는 것은 배터리의 안전성을 강화하고, 사고를 예방하는 데 중요한 역할을 합니다. 다음 글에서는 열폭주를 방지하기 위한 최신 기술과 대응 방안에 대해 살펴보겠습니다.

 

▶참고문헌

-.Zhang, Guangxu & Wei, Xuezhe & Chen, Siqi & Zhu, Jiangong & Han, Guangshuai & Tang, Xuan & Hua, Weibo & Dai, Haifeng & Ye, Jiping. (2021). Comprehensive Investigation of a Slight Overcharge on Degradation and Thermal Runaway Behavior of Lithium-Ion Batteries. 

-. L. Wen, J. Liang, J. Chen, Z.-Y. Chu, H.-M. Cheng, F. Li, Smart Materials and Design toward Safe and Durable Lithium Ion Batteries. Small Methods 2019, 3, 1900323. https://doi.org/10.1002/smtd.201900323