리튬이온배터리 화재

리튬이온배터리 화재란

리튬이온배터리 화재는 셀 내부 발열이 열폭주로 이어져 가연성 전해액과 가스가 연소·폭발하는 화재다.

리튬이온배터리는 휴대전화, 노트북, 전기자동차, ESS에 널리 쓰여 화재 사고가 현장에서 계속 발생한다.

핵심은 열폭주와 셀 간 열 전파다. 발열 경로와 확산 경로를 차례로 따라가 보자.

원인과 열폭주

원인은 크게 네 갈래로 나눠 본다. 열적 남용, 전기적 남용, 기계적 남용, 내부단락이다.

내부단락은 분리막이 손상되거나 이물질이 생겨 양극과 음극이 직접 닿는 상태다.

열폭주는 발열이 다시 발열을 키워 온도가 스스로 올라가는 현상이다.

한 번 시작되면 외부 냉각만으로 멈추기 어렵다.

열폭주 진행과 셀 간 전파

열폭주는 셀 내부 발열이 방열보다 커지면서 시작된다. 발열 원인은 내부단락, 과충전, 외부 열 노출 등이다.

온도가 150~200°C에 이르면 전해액이 분해되어 가연성·유독성 가스가 나오고 스웰링이 생긴다.

200°C를 넘으면 양극재 결정이 무너지며 산소가 나오고, 250°C를 넘으면 화염과 폭발로 이어진다.

이렇게 생긴 열이 인접 셀을 가열해 연쇄 열폭주가 일어나며 팩 전체로 번진다.

따라서 2~3단계에서 셀 간 차단을 끊는 것이 가장 중요하다.

양극재에 따른 차이

양극재에 따라 같은 리튬이온배터리라도 화재 위험도가 다르게 평가된다.

LCO·NMC 계열은 열폭주 경향이 상대적으로 높고, 양극이 분해되면 산소가 나온다.

인산철리튬 LFP 계열은 열폭주에 덜 취약하다고 알려져 있다.

다만 고온에서는 용량 감소율이 커지므로 여전히 온도 관리가 필요하다.

보호회로와 불화수소

방금 문제의 정답은 아니다. 인산철리튬 셀은 열폭주에 덜 취약하다.

셀 전압이 안전 범위를 벗어나면 보호회로가 전류를 끊어야 한다.

과충전은 4.35V±0.05V 이상, 과방전은 2.3V±0.15V 이하가 기준이다.

전해질의 헥사플루오로인산염 음이온은 물과 반응해 독성 HF를 만든다.

보호회로나 관리 회로가 부실하면 열폭주 초기 차단이 실패한다.

정리와 시험 포인트

리튬이온배터리 화재는 열폭주와 셀 간 열 전파가 핵심이다.

답안에는 독성가스 종류, 단계별 온도, 원인과 대책을 빠짐없이 쓴다.

열폭주 후에도 고온이 지속되고 재발화할 수 있다는 점을 함께 쓴다.

셀 설계, 운용 관리, 셀 간 차단을 함께 떠올리며 마무리한다.