안녕하세요. 이번 시간에는 전기차 사용자가 늘어남에 따라 많은 이슈가 되는 ‘배터리 화재의 근본적 원인’에 대하여 말씀 드리겠습니다.
1. 배터리 화재에 대한 오해
전기차가 상용화 되고 주위에 전기차의 숫자가 증가함에 따라, 무슨 일이 있어도 반드시 해결해야 하고 최대의 단점중 하나는 단연 배터리 화재 입니다. 하지만 여기서 말하는 필수 해결 과제는 불이 자주 나서 위험하다는 이야기가 아닙니다. 전기차 배터리 화재 사고는 일반 내연기관 차량의 1/11수준에 불과합니다.
문제는 불이 난 이후 입니다. 보통 차량에 불이 날 경우 약 1,000L의 물이 필요하지만 각종 화학물질과 금속으로 만든 전기차 배터리에 불이나면 7시간동안 많게는 100배나 많은 물을 소모해야 완전 진화가 가능합니다.
2. 배터리 화재의 원인
2차전지 배터리에서 화재가 발생 했다는 것은 한가지 원인 밖에 없습니다. 배터리 내부에서 강한 열이 발생 됐다는 것입니다.
분리막으로 나뉘어져 있는 양극과 음극이 어떠한 충격과 물질에 의해 분리막이 관통 되고 서로 단락이 발생하면서 순간적으로 엄청나게 많은 전류가 이동하며 열이 발생하게 되는겁니다.
배터리 내부 단락 발생은 충전중 매커니즘을 통해 설명 될 수 있다 [배터리 충전과 방전의 원리 알아보기]
배터리가 충전 되면서 양극쪽의 리튬이온이 음극쪽으로 넘어가며 음극쪽 부피가 커지게 됩니다. 이렇게 되면 충전이 진행될 때 배터리의 압력이 서서히 증가하게 됩니다.
일정량 이상 충전이 되면 부피가 점차 커지면서 분리막을 압박하게 됩니다. 충전과 방전이 오가며 분리막을 계속해서 건드리게 됩니다. 충전이 계속되면서 배터리 내부 압력이 올라가고 분리막에 데미지가 쌓이게 됩니다. 이러한 현상 때문에 배터리 충전중 화재가 많이 발생하게 됩니다.
여기서 아래와 같이 음극재 내부에 금속입자 또는 돌기(덴드라이트)가 찌르는것을 반복하면서 어떤 임계점을 넘게되면 음극과 양극의 단락이 발생하고 화재로 이어지게 되는겁니다.더 큰 문제는 전체적으로 완전히 화재가 발생한 이후에는 찢어진 분리막의 부위나 덴드라이트가 사라져 배터리 내부 화재의 원인이 발견되지 않는 것입니다.
화재가 나지 않고 수 많은 충방전 싸이클이 진행된 배터리의 내부 분리막을 보면 가끔씩 작고 검게 탄 점들이 보이게 되는데 이 부분들이 바로 ‘덴드라이트’가 분리막에 손상을 입히며 불 타 없어지거나 한 그을림 자국들입니다. 그래서 덴드라이트 현상을 해결하는 것이 앞으로 차세대 배터리 산업에서 비중있게 자리 잡고 있는 중요한 과제라고 볼 수 있습니다.
덴드라이트를 억제할 방안으로 주목 받고 있는 ‘전고체 배터리’나 ‘리튬황 배터리’등이 현재 연구되고 있다고 합니다. 솔직히 말해 이미 모두 이러한 단점들을 보완하여 다 만들어져 있지만 ‘에너지 밀도’나 ‘생산성’의 문제로 사용 채택이 되지 않았을거라는 생각이듭니다.