리튬 이온 배터리 열 폭주 및 재료 분석

오늘날 여러 자동차 회사들이 전력용 배터리에 리튬 배터리를 대규모로 사용하고 있으며, 에너지 밀도 또한 점점 높아지고 있습니다. 하지만 여전히 전력용 배터리의 안전성에 대한 우려가 남아 있으며, 이는 배터리 안전에 대한 완벽한 해결책이 아닙니다. 열폭주는 전력용 배터리 안전 연구의 핵심 대상이며, 집중적으로 연구할 가치가 있는 분야입니다.

우선 열폭주가 무엇인지 이해해야 합니다. 열폭주는 다양한 원인에 의해 촉발되는 연쇄 반응 현상으로, 단시간 내에 배터리에서 막대한 열과 유해 가스가 방출되는 현상입니다. 심각한 경우 배터리에 화재나 폭발을 일으킬 수도 있습니다. 열폭주의 원인은 과열, 과충전, 내부 단락, 충돌 등 다양합니다. 배터리 열폭주는 대개 배터리 셀의 음극 SEI 막 분해에서 시작하여 격막의 분해 및 용융으로 이어지고, 음극과 전해액의 열분해, 양극과 전해액의 분해까지 진행되어 대규모 내부 단락을 일으킵니다. 이로 인해 전해액이 연소되고, 이 열이 다른 셀로 확산되어 심각한 열폭주를 유발하며, 결국 배터리 팩 전체에 자연 발화를 일으킬 수 있습니다.

열폭주 현상의 원인은 내부적 원인과 외부적 원인으로 나눌 수 있다. 내부적 원인은 주로 내부 단락 회로 때문이며, 외부적 원인은 기계적 남용, 전기적 남용, 열적 남용 등으로 발생한다.

배터리의 양극과 음극 단자 사이의 직접적인 접촉인 내부 단락은 접촉 정도와 그로 인해 발생하는 반응이 매우 다양합니다. 일반적으로 기계적 및 열적 남용으로 인한 심각한 내부 단락은 열폭주를 직접적으로 유발합니다. 반면, 자연적으로 발생하는 내부 단락은 비교적 경미하며, 발생하는 열도 매우 작아 열폭주를 즉시 유발하지 않습니다. 내부 자가 발생 원인에는 제조 결함, 배터리 노화로 인한 내부 저항 증가 등의 각종 특성 저하, 장기간의 경미한 오용으로 인한 리튬 금속 침전물 형성 등이 있습니다. 시간이 지남에 따라 이러한 내부 원인으로 인한 내부 단락 발생 위험은 점차 증가합니다.

기계적 손상이란 외부 힘의 작용으로 리튬 배터리 단량체 및 배터리 팩이 변형되고, 각 부품이 상대적으로 변위되는 현상을 말합니다. 배터리 셀에 가해지는 주요 손상 형태로는 충돌, 압착, 천공 등이 있습니다. 예를 들어, 고속으로 주행하는 차량이 이물질과 접촉하면 배터리 내부 격막이 파손되어 단락이 발생하고, 단시간 내에 자연 발화가 일어날 수 있습니다.

리튬 배터리의 전기적 오용은 일반적으로 외부 단락, 과충전, 과방전 등 여러 형태로 나타나며, 특히 과충전은 열폭주로 이어질 가능성이 매우 높습니다. 외부 단락은 배터리 셀 외부에서 압력 차이가 있는 두 도체가 접촉할 때 발생합니다. 배터리 팩의 외부 단락은 차량 충돌, 침수, 도체 오염 또는 정비 중 감전으로 인한 변형 때문에 발생할 수 있습니다. 일반적으로 외부 단락으로 발생하는 열은 배터리 자체의 온도를 상승시키지는 않지만, 단자 파손으로 인한 열폭주는 발생할 수 있습니다. 외부 단락과 열폭주 사이의 중요한 연결 고리는 과열 지점에 도달하는 온도입니다. 외부 단락으로 발생한 열이 제대로 방출되지 못하면 배터리 온도가 상승하고, 이 고온이 열폭주를 유발합니다. 따라서 단락 전류를 차단하거나 과도한 열을 방출하는 것이 외부 단락으로 인한 추가 손상을 방지하는 방법입니다. 과충전은 에너지가 매우 높기 때문에 전기적 오용 중 가장 위험한 요소 중 하나입니다. 과충전 과정에서는 열과 가스가 발생하는 것이 일반적입니다. 열 발생은 저항열과 부반응에서 비롯됩니다. 첫째, 과도한 리튬 침착으로 인해 양극 표면에 리튬 덴드라이트가 성장합니다.