최근 인천의 한 아파트 지하 주차장에 주차된 고급 전기차 세단에서 화재가 나 사람들의 전기차에 대한 포비아가 형성되고 있습니다. 이런 불안 요인은 전기차 시대를 앞두고 속도를 더디게 할 가능성이 크며 주식과 투자 전반적으로 면밀하게 예의 주시해야 할 듯 합니다. 더불어 화재를 두고 대책을 마련하는 모습은 너무나 미숙한 모습에 실망을 안겨주며 지자체의 대처와 전기차 제조사 및 배터리 제조사의 극명한 법정공방으로 이어져 피해자들의 고통이 가중될 것으로 보여집니다.
과거 산업화시대를 이끌던 영국은 농업에서 공업으로 변화하면서 수많은 부작용 낳았습니다. 과도한 공장 건설과 공업화 산업화 과정은 스모그 현상을 일으켰으며, 런던 스모그 사태는 수백만명의 사람들의 목숨을 빼앗아 갔습니다.
시대의 변화의 시점에 산업의 안전망과 법적 안전망을 잘 따져서 인명피해를 최대한 피하고 보다 편리한 문명의 이기를 맞이할 수 있는 노력이 절실합니다.
열 폭주(Thermal Runaway)는 리튬 이온 배터리에서 발생할 수 있는 심각한 안전 문제로, 배터리 내부에서 발생한 과도한 열이 제어되지 않고 급격하게 증가하여 화재나 폭발로 이어질 수 있는 현상을 말합니다. 이 문제는 리튬 이온 배터리의 본질적인 약점 중 하나로, 다양한 요인에 의해 촉발될 수 있습니다.
열 폭주 발생 과정
- 초기 발열:리튬 이온 배터리에서 과충전, 과방전, 내부 단락, 또는 외부 충격 등이 발생할 때, 배터리 내부의 온도가 상승하기 시작합니다. 이 초기 발열은 다양한 요인에 의해 발생할 수 있으며, 배터리 내부의 화학 반응을 촉진합니다.
- 분해 반응:온도가 일정 수준 이상으로 올라가면, 배터리 내의 전해질과 양극 재료가 분해되기 시작합니다. 이 분해 반응은 발열 반응으로, 추가적인 열을 발생시킵니다. 특히, 양극 재료인 리튬 코발트 산화물(LiCoO2) 같은 물질은 고온에서 산소를 방출할 수 있는데, 이는 화재를 일으킬 수 있습니다.
- 열 폭주의 가속화:배터리 내부에서 생성된 열이 제대로 방출되지 않으면, 배터리 내부의 온도가 더욱 빠르게 상승합니다. 이로 인해 더 많은 분해 반응이 일어나고, 더 많은 열이 발생하게 됩니다. 이 과정이 반복되면서 온도가 급격히 상승하게 되고, 결국 열 폭주 상태에 이르게 됩니다.
- 결과적인 폭발 및 화재:열 폭주가 극단적으로 진행되면, 배터리의 외부 케이스가 압력을 견디지 못하고 파열되거나, 내부에서 발생한 가스와 열이 배터리 외부로 분출되면서 화재나 폭발이 일어날 수 있습니다.
열 폭주의 주요 원인
- 과충전:배터리를 과충전하면 전극에서 과도한 리튬이 석출되거나 전해질이 분해되면서 열이 발생할 수 있습니다. 이는 열 폭주의 시작점이 될 수 있습니다.
- 과방전:과방전 상태에서는 전극의 구조가 불안정해지며, 이로 인해 내부 단락이 발생할 수 있습니다. 이 단락으로 인해 급격한 발열이 일어날 수 있습니다.
- 내부 단락:배터리 내부의 양극과 음극이 직접적으로 접촉하면 단락(쇼트) 현상이 발생하며, 전류가 급격하게 흐르면서 열이 발생합니다. 이는 열 폭주로 이어질 수 있습니다.
- 외부 충격:배터리가 외부 충격을 받아 손상되면, 내부 셀 구조가 망가져 단락이 발생할 수 있습니다. 이는 배터리 내부에서 빠르게 열을 발생시키고, 열 폭주로 이어질 수 있습니다.
- 높은 외부 온도:배터리가 매우 높은 온도에 노출되면, 내부의 전해질과 전극이 불안정해지면서 열 폭주가 발생할 수 있습니다.
열 폭주 방지를 위한 대책
- 배터리 관리 시스템 (BMS):BMS는 배터리의 상태를 실시간으로 모니터링하고, 과충전, 과방전, 과열 등을 방지하기 위해 설계되었습니다. BMS는 배터리의 온도를 감지하고 필요시 충전이나 방전을 중단시켜 열 폭주를 예방할 수 있습니다.
- 열 관리 시스템:효과적인 열 관리 시스템을 통해 배터리 내부의 열을 적절히 방출하거나, 온도를 조절할 수 있습니다. 액체 냉각 시스템이나 공기 순환 시스템 등이 사용됩니다.
- 안전 밸브와 분리막:배터리 셀 내부에는 과도한 압력을 방출하는 안전 밸브와, 양극과 음극을 물리적으로 분리하는 분리막이 설치되어 있습니다. 분리막은 배터리 내부 단락을 방지하고, 안전 밸브는 압력을 낮춰 폭발 위험을 줄여줍니다.
- 첨단 소재 사용:새로운 전극 및 전해질 소재를 개발하여 열에 더 강하고, 열 폭주를 억제할 수 있는 특성을 가진 배터리를 만들려는 연구가 진행되고 있습니다.
결론
열 폭주는 리튬 이온 배터리의 안전성 문제 중 가장 심각한 문제로, 이를 방지하기 위해 다양한 기술적 접근이 필요합니다. 모든 기술과 제도는 그 명과 암이 존재합니다. 순기능과 역기능이 있는 것 처럼 우리는 순기능에 젖어 있을 때 항상 재난이 왔던 점을 명심하여 최악의 사태로 번지지 않기 위해 최선의 노력을 다해야 할 것 입니다.
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