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[김훈의 차량 화재 이야기] 전해액 - 차량 화재 감식 Ⅷ

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김훈 리스크랩 연구소장(공학박사/기술사) | 기사입력 2024/02/26 [13:27]

[김훈의 차량 화재 이야기] 전해액 - 차량 화재 감식 Ⅷ

김훈 리스크랩 연구소장(공학박사/기술사) | 입력 : 2024/02/26 [13:27]

▲ 김훈 리스크랩 연구소장(공학박사/기술사)     ©FPN

인간의 혈액이 신체에 산소를 실어 나르듯 전해액은 양극과 음극을 오가며 리튬이온을 실어 나르는 통로가 된다. 배터리를 장시간 사용하면 할수록 전해액은 열화돼 이상기체를 발생시키기도 하고 고갈돼 마르기도 한다. 

 

화재에 있어 가연물이 되는 게 전해액이다. 리튬이온전지에 사용되는 전해질은 액체와 고체, 겔, 이온 등 네 가지다. 리튬이온전지는 양극활물질의 종류에 따라 LCO, NCM, LFP 등으로 구분된다. 양극활물질의 종류에 따라 조금 차이가 있지만 전해액이 차지하는 비율은 대개 리튬이온전지의 10% 정도로 일정하다. 

 

대부분 리튬이온전지는 액체 전해질을 사용한다. 이는 고체나 겔 타입보다 이온의 이동이 원활하기 때문이다. 고체 전해질은 극성을 가진 고분자에 리튬염을 용해해 만든 것으로 상온에선 이온전도도가 낮아 실제 전지에 적용되지는 않는다. 

 

겔 고분자 전해질은 액체와 고체 중간 형태로 이를 이용한 전지가 휴대폰과 노트북 등에 사용하는 리튬폴리머전지다. 

 

이온성 액체 전해질은 구조적 대칭성이 낮은 유기 양이온과 음이온으로 구성된다. 상온 이하의 융점을 갖는 용융염(molten salt)으로써 리튬이차전지의 전해질로 적용할 경우 리튬염과 공융, 혼합해 사용한다. 이온성 액체 전해질은 인화성이 낮아 안전성이 매우 우수한 전지를 설계할 수 있다.

 

현재 대부분의 리튬이온전지에서 사용하는 액체 전해질은 리튬염을 용매에 용해시킨 것으로 화재 위험성이 높은 유기 전해액이다. 초기에 전해액으로 사용했던 PC(Propylene Carbonate)는 전해액 분자가 흑연의 결정구조 속으로 들어가는 과정에서 출입구를 막아버리는 현상이 나타나 전지의 수명이 급감하는 문제가 발생했다. 

 

이런 문제를 해결하고자 PC보다 분자구조가 간단한 EC(Ethylene Carbonate)를 전해액으로 사용하려 했다. 하지만 EC는 상온에서 고체 상태가 된다. 이 때문에 리튬이온의 이동이 원활치 못했다. 고체를 액체로 만들어야 했고 이때 사용된 보조 용매가 DEC(Diethyl Carbonate)와 DMC(Diemethyl Carbonate)였다. 

 

제3석유류에 속하는 PC와 EC의 인화점은 각각 152℃, 132℃였다. 반면 제1석유류에 속하는 DEC와 DMC의 인화점은 25℃와 16℃로 인화성 매우 높았다. 이를 혼합해 최종적으로 만들어지는 전해액은 제2석유류가 된다. 보조 용매 혼합으로 전해액의 전체 인화점 역시 매우 낮아지게 됐다. 

 

리튬이온전지에 사용하는 전해액은 약 60℃ 부근에서 분해가 시작한다. 온도가 상승해 약 100℃에 이르면 리튬이온전지의 음극 표면에 생성된 이온 전도성 피막이 분해되기 시작하고 150℃까지 상승하면 분리막이 녹아버린다. 

 

전자의 이동을 막고 리튬이온만 통과시키는 분리막이 녹아버리면 열폭주가 발생한다. 대부분 리튬이온전지의 화재는 분리막 파손으로 인한 열폭주 때문이다. 분리막이 파손돼 양극과 음극이 직접 접촉하면 급격한 전자의 이동이 일어나면서 전기저항에 의한 줄열이 발생한다. 동시에 음극과 전해질의 화학반응으로 급격한 발열이 나타난다. 이것이 촉매제 역할을 하게 돼 양극은 열에 의한 붕괴가 일어나고 폭발적인 발열반응으로 이어진다. 이것이 리튬이온전지 화재의 메커니즘이다. 

 

김훈 리스크랩 연구소장(공학박사/기술사)

 

※ 외부 필자의 기고 및 칼럼 등은 FPN/소방방재신문 편집방향과 일치하지 않을 수 있습니다.

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