리튬이온전지와 안전: 분리막, 전해액, 보호회로의 역할

앞선 글에 이어서, 이번에는 리튬이온 배터리에서의 안전성에 영향을 주는 부분들에 대해 정리해보겠습니다. 

출처: 삼성 SDI. https://www.samsungsdi.co.kr/column/all/detail/55269.html

앞선 포스팅에서 리튬이온배터리는 리튬이온이 전자를 방출하는 과정을 잘 통제하여, 방출되는 전자의 이동을 이용해 전기를 만든다고 말씀 드렸습니다. 리튬의 장점은 반응성이 높아(불안정해) 많은 에너지를 방출한다는 점이지만, 이게 또 단점이기도 합니다. 리튬은 아주 불안정해 물에 닿으면 폭발하기도 합니다... 

충전된 음극과 양극이 서로 물리적으로 접촉하게 되면, 음극에 있는 리튬 이온이 한번에 양극으로 이동하며 폭발이나 화재가 일어날 수 있습니다. 이를 막기 위해 있는 것이 분리막입니다. 

그렇지만 분리막은 전지의 용량을 결정하는 부품이 아닙니다. 그렇기 때문에 전지를 소형화 하는 과정에서 점점 얇고 작아지게 됩니다. 이 과정에서 제조상의 결함, 혹은 사용 문제로 분리막이 음극과 양극을 분리하지 못하게 된다면 사고가 발생하게 됩니다. 갤럭시노트 7의 배터리 문제의 경우 이런 이유였습니다. 배터리가 충격을 받아 손상되는 경우도 결국 충격으로 인해 내부 분리막이 훼손되는 경우라고 봐도 됩니다. 

출처: 삼성전자 뉴스룸

이 외 사고가 발생하는 원인은 배터리 과열 및 과충전입니다.

배터리가 과충전 되는 경우, 여러가지 일이 발생합니다. 양극에서 음극으로 리튬 이온이 모두 이동하고 나서도 계속 전기가 연결되어 있다면 다음 현상들이 생깁니다:

• 배터리에 열이 빠르게 축적되기 시작하고, 이 열로 인해 휘발성 유기용매인 전해액에 화재가 발생할 수 있습니다. 또는 이 열로 인해 가스가 배터리 내에 축적됩니다. 
• 열로 인해 혹은 전기화학적 반응으로 배터리 내에 가스가 쌓입니다. 발생한 가스는 배터리의 형태를 변형시켜서 안정성을 떨어트리거나 화재의 원인이 되기도 합니다.
• 음극재의 용량 이상으로 리튬 이온이 이동하는 경우, 음극에서 리튬 이온이 결정화 되면서 돌기/가시(Dendrite) 등이 생기기 시작합니다. 이로 인해 분리막 등이 손상되며 단락(Short Circuit)이 발생할 수 있고, 화재로 이어집니다. 

리튬이온배터리에 어떻게 화재가 발생되는지는 [이 영상 링크] 보시면 좋을 것 같네요. 

이러한 문제를 방지하기 위해, BMS(배터리 관리 시스템)에는 과충전 방지 장치가 설치되어있습니다. 일정 전압 이상으로 배터리의 전압이 올라가는 경우 전류를 차단하는 식의 회로가 구성되어있습니다. 

배터리 사고를 방지하기 위한 제품만을 전문으로 생산하는 상장사도 있습니다. 대표적으로 소형 배터리 보호회로를 만드는 아이티엠반도체, 각형 전지에 가스가 쌓이는 경우, 문제 발생 전에 이를 방출시키는 캡을 만드는 신흥에스이씨 등이 있습니다.