배터리 열폭주(Thermal runaway)란?

2024.07.01 - [배터리/지식] - 배터리의 작동 원리

배터리의 작동 원리

 

이전 글에서 배터리의 작동 원리에 대해 간략하게 알아봤다.

 

이번 글에서는 배터리 업계에 최대 이슈로 지목되는 '열폭주'에 대해서 다뤄보고자 한다.

 

열폭주 메커니즘에 대해 상세히 다룬 

"Thermal runaway mechanism of lithium ion battery for electric vehicles: A review"

Xuning Feng a b, Minggao Ouyang a, Xiang Liu a, Languang Lu a, Yong Xia a, Xiangming He a b

논문을 참고하였다. Minggao 교수님은 열폭주 분야에서 유명하다고 하신다.

 

 

열폭주(Thermal Runaway)

 

리튬 배터리 열폭주

 

열폭주는 배터리 내부의 원인 불명의 과열 발생에 의한 폭발현상을 의미한다.

 

원인 불명인 이유는 배터리가 폭발하면서 원인에 대한 Evidence를 지우기 때문이다.

 

하지만 어떤 원인에 의해 발생되는지 추론정도 할 수 있는 상황으로 알고있다.

 

열폭주 메커니즘과 원인들에 대해 알아보고자 한다.

 

 

1. 열폭주 메커니즘

 

열폭주는 다음과 같은 메커니즘을 갖게된다.

 

1) SEI Decomposition

 

SEI는 배터리 제조 후 초기 충전 시 음극재 표면에 생기는 고체 형태의 얇은 막이다.

 

SEI는 Li+만 이동시키고 추가 전해질 분해는 막아주는 일종의 분리막 역할을 한다.

 

열폭주가 시작되면 SEI 막이 분해가 되면서 추가적인 전해질 분해가 이루어지게 된다.

 

 

2) Anode + Electrolyte Reaction

 

SEI 막이 분해되면서 Anode와 Electrolyte의 반응이 시작하면서 추가 열이 지속적으로 발생하게 된다.

(화학 반응에서는 반드시 열이 발생한다.)

 

지속적인 SEI 분해로 음극 표면의 Oxidization을 유도하게 된다.

 

이 과정에서 분리막(PE,PP)이 melting이 된다.

 

 

3) Seperator Melting & Short-circuit

 

양극과 음극의 직접적인 반응을 막아주는 분리막의 melting이 시작되게 된다.

 

이때 Internal Short-circuit이 일어나며 기하급수적으로 온도가 상승하게 된다.

 

고온에서 양극 활물질들은 반응시 O2를 발생시키기에 온도 상승을 더욱 가속화 시킨다.

 

 

4) Cathode & Electrolyte & Binder Decomposition

 

Cathode, Electrolyte는 열에 취약하여 고온에서 쉽게 분해가 된다.

 

 

5) Internal Pressure & Energy explosion

 

내부의 화학 반응으로 인해 CO,CO2,CH4,H4 등 가스가 발생하여 압력을 증가시킨다.

 

결국 Cell 표면이 내부 압력을 이기지 못하여 지속적은 스웰링이 된다.

 

그로 인해 800도 이상의 초고온으로 Thermal runaway가 발생하게 된다.

 

 

*번외

‘Thermal runaway features of large format prismatic lithium ion battery using

extended volume accelerating rate calorimetry'

 

해당 논문에 의하면 열폭주의 시작까지 대략 15~40초정도 소요가 된다고 한다.

 

이후 연쇄 과정은 짧은 시간에 일어나기에 배터리 열폭주 방지에 대한 연구는 매우 중요한 것을 알 수 있다.

 

해당 논문은 삼원계(NCM)배터리에서 25Ah 상태의 열폭주 특성에 대한 연구로 저명한 논문이라고 한다. 

 

기회가 되면 Review 해보고자 한다. 

 

 

2. 열폭주 원인

 

cause of Thermal runaway

 

열폭주의 원인은 크게 3가지가 있다.

 

각 원인에 대해서 알아보고자 한다.

 

 

1) Mechanical Abuse

 

물리적인 변형에 의한 열폭주 야기 현상이다.

 

차량 운행 중, 사고를 당하거나 혹은 기타 외부 충격 및 관통에 의해 배터리의 형태가 Deformation 되는 것이다.

 

이 때, 분리막의 차단 기능이 사라지면서 양극과 음극의 reaction으로 열폭주가 발생할 수 있다.

 

 

2) Electrical Abuse

 

Dendrite & Overcharge

전기적인 변형에 의한 열폭주 야기 현상이다.

 

배터리의 작동 원리인 충전 및 방전과 연관이 되는 부분이다.

 

오른쪽 그림과 같이 SOC 100% 이상의 과충전 시 전압이 높아지면 리튬 이온이 음극 표면에 과다하게 축적된다.

 

이 때 리튬 금속 형태로 석출되며 나뭇가지 모양의 Dendrite로 성장하게 된다.

 

덴드라이트는 가시 형태로 분리막을 지속적으로 타격하여 내구도를 저하 시키고 Li+ 이동을 방해하게 된다.

 

필요한 에너지원 이상을 사용하면서 Li+ 이동이 되기에 점점 배터리에 무리가 가게 되어 스웰링 현상이 발생한다.

 

방전의 경우에는 Li+의 과도한 이동으로 인해 Dendrite 성장이 가속화되어 분리막에 손상을 가한다.

 

따라서 지속적인 과충방전은 결국 ISC(Internal Short-Circuit)이 발생하면서 열폭주가 발생하게 된다.

 

 

3) Thermal Abuse

 

배터리는 고온 환경에 매우 취약하다.

 

고온으로 인해 배터리 내 Electrolyte, SEI, Anode, Seperator가 분해 혹은 열충격을 받게 된다.

 

이로 인해 Anode와 Cathode의 chemical reaction이 발생하여 열폭주를 불러 일으킨다.

 

Thermal Abuse에 대해서는 battery cooling system(혹은 BMS)의 존재로 다른 Abuse 대비 상대적으로 빈도가 낮다.

 

 

이번 글에서는 배터리 열폭주의 정의와 종류에 대해 알아보았다.

 

현직자분들의 말씀을 첨언하자면 배터리 열폭주 해결은 가장 중요한 이슈라고 모두가 얘기하고 있다.

 

다음 글에서는 배터리 열폭주 방지에 대한 연구 논문 하나를 Review 하고자 한다.

 

 

감사합니다 :)