안녕하세요 이번 시간에는 저번 시간에 한 번 다루었던 주제인 ‘배터리 화재의 원인’에 대하여 한번 더 내용을 다루어 보려고 합니다. 배터리 화재를 단계별로 알아보고 이를 방지하기 위한 방법도 알아보도록 하겠습니다.
1. 배터리 화재의 원인과 단계
배터리 화재의 원인은 간단하게 말하면 딱 한 가지 입니다. 바로 온도 상승 입니다.
온도가 상승하는 원인으로는 지난 시간에 알아보았던 ‘덴드라이트’ 또는 배터리 내부 압력에 의한 분리막 손상이 양극과 음극의 단락에 일조하여 급격한 온도 상승이 근본적인 원인이라고 설명 드렸습니다.
관련 설명은 우측 링크를 통해 확인 해보실 수 있습니다. [배터리 화재의 근본적 원인(feat.덴드라이트)]
단락 뿐만 아닌 외부 온도의 상승이나 내부 압력 증가로도 배터리 내부 전해질 또는 각종 원료들의 온도 상승의 원인이 될 수 있습니다.
내부 온도가 70℃~80℃가 되면 배터리 양날의 검으로 소개 드린 양극과 음극의 SEI층이 서서히 무너지기 시작합니다. [SEI(Solid Electrolyte Interphase)]
SEI층이 무너지면서 이산화탄소등 여러 기체가 나오게 되고 온도는 더욱이 상승하게 됩니다.
결국 120℃ 근처까지 온도가 상승하면 여기서부터 분리막 손상이 시작됩니다. 분리막이 손상되어 양극과 음극이 단락 되고 열폭주가 시작되며 화재는 겉잡을 수 없이 커지게 되는 것 입니다.
그리고 현재 모든 회사들이 에너지 밀도를 늘려 전기차 주행거리를 늘리기 위해 코발트 함량을 줄이고 니켈 함량을 늘리는 ‘하이니켈’ 또는 ‘코발트 프리’ 등의 양극재 종류 배터리가 많이 생산되고 있습니다. 니켈 성분이 많이 포함된 양극재 일수록 원료 내부에서 산소가 많이 방출 되게 됩니다. 그렇게 되면 화재를 더 돕게 되고 꺼진 불도 다시 살아나고, 니켈 연소시 발생하는 산소가 바닥 날 때까지 불이 꺼지지 않는 경우가 생깁니다.
그래서 배터리 화재를 막기 위해 현재 가장 좋은 방법은 화재 전조 현상 감지 기술의 알고리즘화가 외부적으론 가장 중요하다고 여겨지고 있습니다. 특정 높은 온도에서 발생하는 가스를 감지하여 온도를 급격히 낮출 수 있는 강화액이나 다량의 물을 방사하여 온도 상승을 막거나, 이미 화재가 시작된 셀 또는 모듈, 팩 이외 나머지 셀들을 물리적으로 차단하여 온도 상승을 막는 방법이 현재까지는 최선으로 여겨지고 있습니다.
[정리하자면]
- 배터리 내부 온도 증가 (양극 음극 단락, 내부 압력 상승, 외부 온도 상승)
- 내부 온도 70℃~80℃ 에서 SEI층 무너짐
- 내부 온도 120℃ 에서 분리막 손상
- 분리막 손상으로 인한 양극 음극 단락 발생 (급격한 온도 상승)
- 배터리 내부 소재로부터 특정 가스 분출로 화재 악화 (e.i 산소)
- 모듈 단위 또는 팩 단위 근접 셀에 동일 현상 반복 (열폭주)
다시 한번 말하자면 근본적인 원인과 화재 진압 방법은 온도 상승과 그 온도를 막아주는 것이며, 그렇기 때문에 다량의 물을 사용하여 온도 상승을 막는 것이 현재 배터리 화재 진압 방법으로 사용되고 있습니다.