리튬 배터리 내부저항 증가 주 원인은? 전기차 폭발과 화재 기술적으로 줄일 수 있나?

 

 

각형 LIB 의 구조를 살펴보자. 리튬배터리 LIB(Lithium Ion Battery)는 종류별로 각형(prismatic), 파우치(pouch), 원통형(cylinder) 로 분류되어 형태가 서로 상이하지만 그 그본적인 구조에 있어서는 동일하다고 할 수 있다. 즉 전극, 전해질 및 분리막으로 구성되며 아울러 반드시 가스 배출구(vent) 를 가지도록 제작된다.

아울러 오랫동안 안전하게 사용하던 LIB 팩에서도 장시간 사용에 따라 서서히 노화(aging) 현상이 일어나는 것은 불가피하다. 노화가 일어난다함은 리튬 전극에서 돌기(dendrite)가 생성될 수도 있으며 아울러 오랜 사용에 따라 LIB  사용 온도가 제법 높음으로 인해 전해질의 솔벤트가 분해되고  증발하여 기화가 일어나 기포가 발생하게 되며 일부는 가스배출구(vent)로 빠져나가게 된다. 

아울러 전해질 내부에 Vent 로 다 빠져 나가지 못한 솔벤트 기포가 남아서 섞이게 된다면 전기적인 저항 역할을 하여 리튬이온의 정상적인 흐름을 방해하게 되고 이는 결국 LIB 팩의 용량을 점차 저하시키게 될 것이다. 아울러 솔벤트 기포가 액상 전해질에 섞이게 되면 압력으로 인해 각형이나 파우치형 LIB가 두께가 부풀어 오르게 된다. 전기차의 모든 LIB 팩이 이러한 현상을 보이는데 이는 즉 LIB의 Vent 가 있음에도 불구하고 일부밖에는 배출하지 못하여 나머지는 LIB 내부에서 기포상태로 잔존하게 된다는 의미이다. 그래서 내부저항 측정기로 측정 시 높은 임피던스 저항값을 보이게 되는 것이다.

 

LIB 내부에 기포상태로 존재하면서 LIB 팩의 내압을 발생시키는 솔벤트성 기포는 위험한 가연성 물질임에 유의하자. 전해질 내 기포에 의한 LIB 셀 압력이 상승함에 따라 Vent 를 통한 배출량도 많아질 것이므로 기술적으로 충분히 감지가 가능하므로 이 문제를 해결한다면 최근의 어처구니 없는 전기차 LIB 의 화재 및 폭발 건수를 크게 줄일 수 있을 것으로 예상한다.

 

한편 LIB 내부에서급속하게 돌기(dendrite)가 성장하여 분리막을 찢고 전기적 쇼트를 일으키게 된다면  최근 출고된 전기차 사고와 같이 겉잡을 수 없는 폭발과 화재로 이어질수도 있게 된다.

https://www.youtube.com/watch?v=EY491f_QAfw 

 

LIB셀들은 직병렬 연결 후 단독으로 사용되는 것이 아니고 반드시 제어 장치인 BMS(Battery Management Sysyem) 를 설치하여 안전한 상황에서 사용되어야 한다. 적어도 충전 시에 적절한 LIB 용량까지 회복하시키기 위해 밸런싱 작업을 통해 안전하게 직렬연결된 전체 LIB 셀들을 서서히 충전시켜야 한다.

 

품질 불량 LIB 의 경우 초기 제작과정이나 또는 사용 과정에서 전극재료는 삐죽삐죽한 나무 모양의 돌기(dendrite)들이 발생하여 분리막을 뚫고 양극과 음극간의 전기적 쇼트(Electric Short)가 발생하게 되면 급속한 폭발 및 아울러 화재를 수반하는 사고가 벌어지게 되는 것이다.

이와 같이 LIB의 급속한 파손(catastrophic failure)은 갓 생산된 전기차라든지 또는 심지어 생산라인의 조립 공정에서 조차 드물게 발생할 수 있자. 다음은 국내 굴지의 자동차회사에서 전기차 조립이 막 끝나 주차시켜둔 차량에서 일어난 후자의 사례이다.

http://www.koreanewstoday.co.kr/news/articleView.html?idxno=64345 

전기차 코나 화재...현대차 2년만에 침묵 깼다 - 한국뉴스투데이

 

조립 완료 후 일어나는 화재사건이나 출고된지 얼마되지 않은 전기차에서 일어난 화재나 폭발 사건 뿐만 아니라 노후화(aging) 에 따른 전해질 변질로 인한 화재 사건은 충분히 사전에 감지하며, 기술적으로도 방지가 가능하다는 점을 재차 지적해 둔다.