리튬 배터리 팽창 및 폭발 원인 분석
May 16, 2025리튬 배터리 팽창 및 폭발 원인 분석
리튬 이온 배터리의 작동 원리
리튬은 화학 주기율표에서 가장 작고 활성도가 높은 금속입니다. 작은 크기와 높은 용량 밀도 덕분에 소비자와 엔지니어에게 인기가 많습니다. 하지만 화학적 특성이 너무 활성적이어서 매우 위험합니다. 리튬 금속은 공기에 노출되면 산소와 격렬한 산화 반응을 일으켜 폭발합니다. 안전성과 전압을 높이기 위해 과학자들은 흑연이나 리튬 코발트 산화물과 같은 리튬 원자를 저장하는 재료를 개발했습니다. 이러한 재료의 분자 구조는 나노 크기의 미세한 저장 그리드를 형성하여 리튬 원자를 저장할 수 있습니다. 이렇게 하면 배터리 쉘이 파손되어 산소가 유입되더라도 산소 분자가 너무 커서 이 미세한 저장 그리드에 침투하지 못하므로 리튬 원자가 산소와 접촉하지 않아 폭발을 방지할 수 있습니다. 이러한 리튬 이온 배터리의 원리는 높은 용량 밀도를 확보하는 동시에 안전성을 확보할 수 있도록 합니다.
리튬은 화학 주기율표에서 가장 작고 활성도가 높은 금속입니다. 작은 크기와 높은 용량 밀도 덕분에 소비자와 엔지니어에게 인기가 많습니다. 하지만 화학적 특성이 너무 활성적이어서 매우 위험합니다. 리튬 금속은 공기에 노출되면 산소와 격렬한 산화 반응을 일으켜 폭발합니다. 안전성과 전압을 높이기 위해 과학자들은 흑연이나 리튬 코발트 산화물과 같은 리튬 원자를 저장하는 재료를 개발했습니다. 이러한 재료의 분자 구조는 나노 크기의 미세한 저장 그리드를 형성하여 리튬 원자를 저장할 수 있습니다. 이렇게 하면 배터리 쉘이 파손되어 산소가 유입되더라도 산소 분자가 너무 커서 이 미세한 저장 그리드에 침투하지 못하므로 리튬 원자가 산소와 접촉하지 않아 폭발을 방지할 수 있습니다. 이러한 리튬 이온 배터리의 원리는 높은 용량 밀도를 확보하는 동시에 안전성을 확보할 수 있도록 합니다.
리튬 이온 배터리는 충전 시 양극의 리튬 원자가 전자를 잃고 산화되어 리튬 이온으로 변합니다. 리튬 이온은 전해질을 통해 음극으로 이동하여 음극의 축전지로 들어가 전자를 얻어 리튬 원자로 환원됩니다. 방전 시에는 이 과정이 역전됩니다. 배터리의 양극과 음극이 직접 접촉하여 단락되는 것을 방지하기 위해, 여러 개의 기공을 가진 격막지를 배터리에 추가하여 단락을 방지합니다. 또한, 좋은 격막지는 배터리 온도가 너무 높을 때 자동으로 기공을 닫아 리튬 이온이 통과하지 못하도록 하여 위험을 방지합니다.
리튬 배터리 셀이 4.2V 이상의 전압으로 과충전되면 부작용이 발생하기 시작합니다. 과충전 전압이 높을수록 위험성이 커집니다. 리튬 배터리 셀 전압이 4.2V를 초과하면 양극재에 남아 있는 리튬 원자의 수가 절반 미만으로 줄어들어 축전지가 종종 붕괴되어 배터리 용량이 영구적으로 감소합니다. 충전을 계속하면 음극재의 축전지가 이미 리튬 원자로 가득 차 있기 때문에, 이후 리튬 금속이 음극재 표면에 축적됩니다. 이 리튬 원자는 음극 표면에서 리튬 이온을 향해 덴드라이트를 형성합니다. 이 리튬 금속 결정은 격막지를 통과하여 양극과 음극을 단락시킵니다. 때로는 단락이 발생하기 전에 배터리가 폭발하기도 합니다. 이는 과충전 과정에서 전해액 및 기타 물질이 분해되어 가스를 발생시키고, 이로 인해 배터리 쉘이나 압력 밸브가 부풀어 오르고 파열되어 산소가 유입되어 음극 표면에 축적된 리튬 원자와 반응하여 폭발하기 때문입니다. 따라서 리튬 배터리를 충전할 때는 배터리 수명, 용량, 그리고 안전성을 동시에 고려하여 상한 전압을 설정해야 합니다. 가장 이상적인 충전 전압 상한은 4.2V입니다.
리튬 배터리를 방전할 때는 하한 전압이 있습니다. 배터리 전압이 2.4V보다 낮으면 일부 재료가 손상되기 시작합니다. 배터리는 자가 방전되므로 방전 시간이 길어질수록 전압이 낮아집니다. 따라서 2.4V에서 방전을 멈추지 않는 것이 좋습니다. 리튬 배터리가 3.0V에서 2.4V로 방전되는 동안 방출되는 에너지는 배터리 용량의 약 3%에 불과합니다. 따라서 3.0V가 이상적인 방전 종료 전압입니다.
충전 및 방전 시에는 전압 제한 외에도 전류 제한이 필요합니다. 전류가 너무 크면 리튬 이온이 저장 셀에 들어갈 시간을 갖지 못하고 재료 표면에 모이게 됩니다. 이 리튬 이온이 전자를 얻으면 리튬 원자가 재료 표면에 결정화되는데, 이는 과충전과 마찬가지로 위험합니다. 배터리 케이스가 파손되면 폭발할 수 있습니다.
따라서 리튬이온 배터리의 보호는 적어도 충전 전압의 상한, 방전 전압의 하한, 전류의 상한을 포함해야 합니다.
일반적으로 리튬 배터리 팩에는 셀 외에도 보호 보드가 있으며, 이 보드는 주로 이 세 가지 보호 기능을 제공합니다. 그러나 보호 보드의 세 가지 보호 기능만으로는 충분하지 않으며, 리튬 배터리 폭발 사고는 전 세계적으로 여전히 빈번하게 발생하고 있습니다. 배터리 시스템의 안전을 확보하기 위해서는 배터리 폭발 원인에 대한 더욱 면밀한 분석이 필요합니다.
배터리 코어 폭발의 유형은 외부 단락, 내부 단락, 그리고 과충전으로 요약할 수 있습니다. 여기서 외부 단락이란 배터리 셀 외부를 의미하며, 배터리 팩 내부의 절연 불량으로 인한 단락도 포함됩니다.
배터리 셀 외부에서 단락이 발생하고 전자 부품이 회로를 차단하지 못하면 배터리 셀 내부에서 고열이 발생하여 전해액 일부가 기화되어 배터리 쉘이 팽창합니다. 배터리 내부 온도가 135°C에 도달하면 고품질 격막지가 기공을 닫아 전기화학 반응이 종료되거나 거의 종료되고 전류가 급격히 감소하며 온도가 서서히 떨어져 폭발을 방지합니다. 그러나 기공 닫힘 속도가 너무 느리거나 격막지의 기공이 전혀 닫히지 않으면 배터리 온도가 계속 상승하여 더 많은 전해액이 기화되고 결국 배터리 쉘이 파손되고 배터리 온도마저 재료가 연소되어 폭발하는 지점까지 상승합니다.
내부 단락은 주로 구리 및 알루미늄 호일의 버(burr)가 다이어프램을 관통하거나 리튬 원자의 덴드라이트(dendrite)가 다이어프램을 관통하여 발생합니다. 이러한 미세한 바늘 모양의 금속은 미세 단락을 유발합니다. 바늘은 매우 가늘고 일정한 저항값을 가지므로 전류가 크지 않을 수 있습니다. 구리 및 알루미늄 호일의 버는 생산 공정에서 발생합니다. 관찰 가능한 현상은 배터리가 너무 빨리 누액되는 것인데, 이러한 누액은 대부분 배터리 셀 공장이나 조립 공장에서 걸러낼 수 있습니다. 또한, 버가 작기 때문에 때때로 타서 배터리가 정상 상태로 돌아올 수 있습니다. 따라서 버 미세 단락으로 인한 폭발 가능성은 높지 않습니다.
이 주장은 각 배터리 공장에서 충전 직후 전압이 낮은 불량 배터리가 종종 발생하지만 폭발은 거의 발생하지 않는다는 사실로 통계적으로 뒷받침될 수 있습니다. 따라서 내부 단락으로 인한 폭발은 주로 과충전으로 인해 발생합니다. 과충전 후 전극은 바늘 모양의 리튬 금속 결정으로 가득 차 있고, 곳곳에 관통점이 있으며, 미세 단락이 발생하기 때문입니다. 따라서 배터리 온도가 점차 상승하고, 결국 고온으로 인해 전해액이 기화됩니다. 이 경우, 온도가 너무 높아 재료가 연소 및 폭발할 수 없거나, 쉘이 먼저 파손되어 공기가 유입되어 리튬 금속과 격렬하게 산화되면 폭발로 이어집니다.
그러나 과충전으로 인한 내부 단락으로 인한 이러한 폭발은 반드시 충전 중에 발생하는 것은 아닙니다. 배터리 온도가 재료를 태울 만큼 높지 않거나, 생성된 가스가 배터리 케이스를 파손시킬 만큼 충분하지 않아 소비자가 충전을 중단하고 휴대폰을 꺼낼 수 있습니다. 이때 수많은 미세 단락으로 인해 발생하는 열이 배터리 온도를 서서히 상승시키고, 일정 시간이 지나면 폭발이 발생합니다. 소비자들은 휴대폰을 집어 들었을 때 매우 뜨거워서 버리고 나서 폭발했다고 종종 이야기합니다.
위의 폭발 유형을 바탕으로 폭발 방지의 세 가지 측면, 즉 과충전 방지, 외부 단락 방지, 그리고 배터리 셀 안전 향상에 집중할 수 있습니다. 이 중 과충전 방지와 외부 단락 방지는 전자적 보호에 속하며, 이는 배터리 시스템 설계 및 배터리 조립과 밀접한 관련이 있습니다. 배터리 셀 안전 향상의 핵심은 화학적 및 기계적 보호이며, 이는 배터리 셀 제조업체와 밀접한 관련이 있습니다.
전 세계 휴대폰은 수억 대에 달하기 때문에 안전을 확보하기 위해서는 안전 보호 장치의 고장률이 1억 분의 1 미만이어야 합니다. 회로 기판의 고장률은 일반적으로 1억 분의 1보다 훨씬 높기 때문입니다. 따라서 배터리 시스템을 설계할 때는 두 개 이상의 안전 방어선이 필요합니다. 흔한 설계 오류 중 하나는 충전기(어댑터)를 사용하여 배터리 팩을 직접 충전하는 것입니다. 이렇게 하면 과충전 방지 기능이 배터리 팩의 보호 기판으로 완전히 전가됩니다. 보호 기판의 고장률이 높지 않더라도, 고장률이 100만 분의 1 정도로 낮더라도 전 세계적으로 매일 폭발 사고가 발생할 가능성이 있습니다.
배터리 시스템이 과충전, 과방전, 과전류에 대해 각각 두 가지 안전 보호 기능을 제공할 수 있다면, 각 보호 기능의 고장률이 1만 분의 1이라면, 두 가지 보호 기능을 통해 고장률을 1억 분의 1로 줄일 수 있습니다. 일반적인 배터리 충전 시스템의 블록 다이어그램은 다음과 같으며, 충전기와 배터리 팩의 두 가지 주요 부분으로 구성됩니다. 충전기는 어댑터(Adaptor)와 충전 컨트롤러의 두 부분으로 구성됩니다. 어댑터는 AC 전원을 DC 전원으로 변환하고, 충전 컨트롤러는 DC 전원의 최대 전류와 최대 전압을 제한합니다. 배터리 팩은 보호 보드와 배터리 셀, 그리고 최대 전류를 제한하는 PTC의 두 부분으로 구성됩니다.
휴대폰 배터리 시스템을 예로 들면, 과충전 보호 시스템은 충전기 출력 전압을 약 4.2V로 설정하여 1차 보호 기능을 구현합니다. 이렇게 하면 배터리 팩의 보호 보드가 고장 나더라도 배터리가 과충전되어 위험하지 않습니다. 2차 보호 기능은 보호 보드의 과충전 보호 기능으로, 일반적으로 4.3V로 설정됩니다. 따라서 보호 보드는 충전 전류를 차단할 필요가 없으며, 충전기 전압이 비정상적으로 높을 때만 작동하면 됩니다. 과전류 보호는 보호 보드와 전류 제한기가 담당하며, 이 두 가지 보호 기능은 과전류 및 외부 단락을 방지합니다. 과방전은 전자 제품 사용 중에만 발생하기 때문에, 일반적으로 전자 제품의 회로 보드가 1차 보호 기능을 제공하고 배터리 팩의 보호 보드가 2차 보호 기능을 제공합니다. 전자 제품이 전원 공급 전압이 3.0V 미만임을 감지하면 자동으로 꺼집니다. 제품 설계 시 이 기능이 설계되지 않을 경우, 보호 보드는 전압이 2.4V로 낮아지면 방전 회로를 닫게 됩니다.
간단히 말해, 배터리 시스템을 설계할 때는 과충전, 과방전, 과전류에 대한 두 가지 전자 보호 장치를 마련해야 합니다. 보호 보드는 두 번째 보호 장치입니다. 보호 보드를 제거했을 때 배터리가 폭발한다면 설계가 잘못되었음을 의미합니다.
위의 방법은 두 가지 보호 기능을 제공하지만, 소비자는 충전기 고장 후 충전하기 위해 정품이 아닌 충전기를 구매하는 경우가 많고, 충전기 제조업체는 비용 절감을 위해 충전 컨트롤러를 제거하는 경우가 많습니다. 결과적으로, 불량품이 좋은 제품을 몰아내고, 저품질 충전기가 시장에 많이 등장합니다. 이로 인해 과충전 방지는 가장 중요한 방어선을 잃게 됩니다. 과충전은 배터리 폭발의 가장 중요한 요인이므로, 저품질 충전기가 배터리 폭발의 주범으로 간주될 수 있습니다.
물론 모든 배터리 시스템이 위 그림과 같은 솔루션을 사용하는 것은 아닙니다. 경우에 따라 배터리 팩에 충전 컨트롤러 설계가 적용되기도 합니다. 예를 들어, 많은 노트북 컴퓨터 외장 배터리 스틱에는 충전 컨트롤러가 내장되어 있습니다. 이는 노트북 컴퓨터가 일반적으로 충전 컨트롤러를 내장하고 있고, 사용자에게는 어댑터만 제공하기 때문입니다. 따라서 노트북 컴퓨터의 외장 배터리 팩에는 어댑터로 충전할 때 외장 배터리 팩의 안전을 보장하기 위해 충전 컨트롤러가 반드시 필요합니다. 또한, 차량용 시거잭을 사용하여 충전하는 제품에는 배터리 팩에 충전 컨트롤러가 내장되어 있는 경우도 있습니다.
모든 전자적 보호 장치가 실패할 경우, 최후의 방어선은 배터리 셀에 있습니다. 배터리 셀의 안전 수준은 배터리 셀이 외부 단락 및 과충전을 견뎌낼 수 있는지 여부에 따라 크게 몇 가지 수준으로 나눌 수 있습니다. 배터리가 폭발하기 전에 내부 물질 표면에 리튬 원자가 축적되면 폭발력이 더 강해지기 때문입니다. 더욱이, 소비자들이 품질이 낮은 충전기를 사용하기 때문에 과충전에 대한 보호는 종종 한 가지 방어선에만 의존하게 됩니다. 따라서 배터리 셀의 과충전 저항 능력은 외부 단락 저항 능력보다 더 중요합니다.
알루미늄 쉘 배터리와 강철 쉘 배터리의 안전성을 비교해보면, 알루미늄 쉘은 강철 쉘보다 안전성 측면에서 더 높은 우위를 가지고 있습니다.
에이시 인텔리전트 리튬이온 배터리용 첨단 장비를 연구하고 제조하는 전문 기업입니다. 당사가 취급하는 사업 내용은 다음과 같습니다.
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