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[김훈의 차량 화재 이야기] 리튬이온배터리의 화재 원인 - 차량 화재 감식 Ⅹ

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김훈 리스크랩 연구소장(공학박사/기술사) | 기사입력 2024/04/09 [17:28]

[김훈의 차량 화재 이야기] 리튬이온배터리의 화재 원인 - 차량 화재 감식 Ⅹ

김훈 리스크랩 연구소장(공학박사/기술사) | 입력 : 2024/04/09 [17:28]

▲ 김훈 리스크랩 연구소장(공학박사/기술사)    

 

전기차의 화재 원인은 대부분이 배터리의 내부단락이다. 내부단락은 양극과 음극이 직접 접촉되는 현상으로 내부단락이 발생하면 도선을 통해 흘러야 할 전자가 음극판과 양극판 사이로 직접 흐르게 된다. 이때 급격한 전자 이동이 일어나면서 전기저항에 의한 줄열과 전해질의 화학반응으로 인한 발열이 동시에 발생한다. 이것이 촉매제 역할을 하게 돼 결국 양극에서의 열에 의한 양극재 붕괴가 일어나고 폭발적인 발열반응으로 이어진다. 

 

리튬이온배터리의 제조공정은 크게 전극 제조공정과 전지 제조공정, 화성공정으로 구성된다. 화성공정은 최초 충전인 포메이션(formation)공정과 전해액 채널을 안정시키는 에이징(aging)공정, 이물질이 혼입된 불량 전지의 선별(selection) 공정으로 구성된다. 화성공정은 최장 28일 동안 이뤄지는데 화재 또는 폭발사고가 종종 발생하기도 한다. 

 

리튬이온배터리의 내부단락 원인은 먼저 극판과 분리막의 정렬문제가 있다. 리튬이온배터리는 양극재와 음극재 사이에 분리막이 삽입된 형태로 적층하거나 돌돌 마는 방식으로 제조한다. 

 

이 제조과정이 정교하지 못하면 양극이나 음극 모서리 부분이 말리거나 튀어나와 서로 접촉할 수 있다. 또한 분리막이 이들 사이에 제대로 정렬돼 있지 못하면 역시 양극과 음극이 접촉할 수 있다. 

 

또 다른 이유는 이물질 유입이다. 전지 제조과정에서 구리나 니켈, 철과 같은 이물질이 혼입될 수 있다. 구리는 음극 집전체인 동박을 슬리팅하는 공정에서 혼입될 수 있고 니켈은 활물질의 원료로 사용되기 때문에 유입 가능성이 크다. 철은 모든 장비에서 사용하므로 주요 오염원이 될 수 있다. 

 

이러한 금속 이물질이 전지 내부로 혼입될 경우 배터리에 전압을 걸고 충ㆍ방전하는 과정에서 서로 모여 뭉치게 되고 점차 성장하게 되는데 이것을 전압지원확산(FAD, field-assisted diffusion)이라 한다. 

 

이렇게 모여서 커진 금속은 배터리의 전압과 저항에 영향을 주고 기준 함량 이상으로 많이 유입될 경우 전압강하와 함께 분리막을 파손시킨다. 보통 구리는 확산에 3일이 걸리고 니켈은 7일, 철은 14일이 걸린다. 

 

초창기 리튬이온배터리를 개발했던 소니는 14일을 기준으로 안전계수 2를 곱해 28일을 화성공정기간으로 정했다. 지금은 고온에이징 기술이 도입돼 화성공정 기간이 획기적으로 줄었지만 아직도 가장 신경 써서 관리해야 할 가장 중요한 공정이 바로 화성공정이다. 

 

화성공정을 통해 리튬이온의 이동통로인 채널이 완성되고 채널이 완성되지 않은 배터리는 걸러진다. 만일 화성공정이 제대로 이루어지지 않아 결함을 가지고 있는 전지가 출시될 경우 균질해야 할 셀 간에 전압 편차가 생기게 되고 셀 간의 용량 차이로 정상적인 충전 시에도 일부 셀은 과충전 상태가 될 수 있다. 이러면 배터리 팩의 안전성이 급격히 떨어져 화재로 이어진다.

 

김훈 리스크랩 연구소장(공학박사/기술사)

 

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

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