안전한 중대형 EV/ESS 배터리를 위하여 > News Insight

  친환경, 탄소중립 이슈와 관련되어, 미래 산업의 변화는 친환경 전기의 사용이 가능한 전동화(Electrification)와 이를 확장하기 위한 무선화(Cordless)가 선제적으로 필요하며, 이를 통해 전기차 등의 모든 사물에 있어 배터리로 움직이는 BoT(Battery of Things)의 시대가 도래할 것으로 전망되고 있다. 

  현재 리튬이온배터리는 1991년 일본 소니사가 최초 상용화한 이후, 한국은  2000년대 중반 이후 모바일 산업 성장과 함께 세계시장을 주도하기 시작했으며, 2010년대 들어 전기차 산업 성장에 따라, 강력한 내수시장 지원을 기반으로 후발주자로 들어온 중국까지 한‧중‧일 경쟁이 치열하다.

  특히, 한국은 기술 확장에 소극적인 일본에 비해 하이브리드 자동차용 등 중대형 배터리기술을 선제적으로 개발해 세계 최초로 승용차에 리튬이온배터리를 장착하는 등 세계적 수준의 중대형 배터리 기술 확보에 집중해왔다. 

  그러나, 현재 탄소배출량 규제, 각국의 전기차 전략 등 다양한 긍정적 신호에도 불구하고, 배터리 산업의 지속적인 발전에 저해되는 원인 중 하나가 배터리의 안전 이슈이다. 세계 최초로 상용화한 일본의 소니사도 자사 배터리가 탑재된 노트북의 발화사고로 큰 영향을 받은 적이 있으며, 한국 삼성SDI도 갤럭시 사고를 겪은 바가 있다. 또한 최근까지의 국내 ESS 화재사고 및 전 세계적으로 발생하는 전기차용 배터리 안전 이슈 등도 계속되고 있다. 

  원론적인 관점에서 납축전지, 니켈수소전지 등과 같이 전해액으로 수계를 사용하는 작동전압 1.2V 수준의 배터리에 비해, 충분한 환경조건에서 발화가 가능한 비수계 유기전해액을 사용하는 리튬이온배터리는 작동전압이 3.6V로 월등히 높은 에너지밀도를 가질 수 있다. 그러나, 결국은 보다 높은 에너지량을 사용하기 위해서는 안전도가 낮아질 수밖에는 없는 것이 당연한 이치이기도 하다.  

  다만 보다 낮아진 안전도를 사용관점에서 어떻게 개선시킬 수 있을 것인가가 가장 중요한 이슈이며, 이를 위해 불이 쉽게 붙을 수 있는 비수계 유기전해액을 불연성의 고체전해질로 바꾸는 전고체전지 기술이 그 대안으로서 많은 관심을 받고 있으나, 아직 상용화에는 많은 난관이 남아 있는 것이 현실이다. 

  또한 제조결함으로 인한 안전 이슈와는 별개로 현재 사용되는 전기차나 ESS용 등의 중대형 배터리는 셀 수십 개에서 수백~수천 개 이상이 직렬 및 병렬로 연결되어 사용하기 때문에, 사용 기간이 늘어남에 따라 발생하는 셀간 성능 편차 등으로 인한 내구 열화는 필연적이며, 이로 인한 배터리 제품의 화재안전성 감소를 어떻게 확인하고 관리할 것인가가 매우 중요해지고 있다.

  리튬이온배터리는 무게당 및 부피당 가장 많은 에너지를 담고 있는 배터리 그릇이기 때문에 오용, 남용 등에 의해 언제든지 화재 가능성을 내포하고 있으며, 이를 억제, 관리하기 위한 다양한 기능이 탑재되어 있다. 그럼에도 불구하고, 열적, 전기적, 기계적 오용에 의해 미세 내부 단락이 발생하면, 이로 인해 자가 발열이 일어나고, 이러한 발열이 축적되면, SEI 열분해, 분리막 녹음 등의 현상으로 가속화되어, 최종 열폭주 현상(발화 및 폭발 등)으로 이어지게 된다.

  전지 종류에 따라서도 다른데, 한국이 강점이 있는 고성능의 삼원계 배터리는 안전 이슈 발생시 양극재에서 산소를 방출하게 되지만, 중국이 강점이 있는 저가형의 인산철 배터리는 양극재에서 산소를 거의 발생하지 않아, 화재가 나는 경우에도 전체 가스발생량 및 발열량 등에서 우위를 점하고 있다. 

  미래 다양한 모빌리티, 친환경 에너지저장을 위해 보다 높은 에너지밀도를 요구하는 수요가 급격히 증가하고 있는 현실에서, 높은 성능과 더불어 어떻게 배터리 안전을 담보할 수 있는가가 관련 업계 연구자들의 화두가 된 지 오래되었다. 고성능을 원할수록 언제든 화재가 발생할 수 있다는 인식과 더불어 배터리를 만들 때부터, 사용하고, 처리하는 전 과정에서의 관리가 가장 중요하다.

  먼저 배터리 셀-모듈-팩을 제조하는 과정에서의 품질을 가능한 균일화하고, 제조결함을 최소화할 수 있는 기술이 필요하며, 이를 위해 현재 전지사들은 제조 지능화를 통해 이를 해결하려고 연구개발 중에 있다. 또한 오용, 남용 등으로 인해 단셀에서 이슈가 발생하여 열폭주 시에도 열전이를 최대한 억제함으로써 사용자가 안전을 담보할 수 있는 수준의 안전성을 확보할 수 있는 기술이 필요하며, 이를 위해 다양한 열전이 억제기능을 배터리 제품 제조과정에서 구현하고 있다. 

마지막으로는 결국 장기 사용에 따른 셀간 성능 편차로 인한 내구 열화를 지속적인 상태 모니터링을 통해 안전 이슈로 발생할 가능성을 미리 확인하여 사전에 방지할 수 있는 배터리 지능화가 필요하며, 이는 BMS 고도화 및 사용이력 기반 AI 기능 부여 등의 방법으로 구현을 시도하고 있다. 

  리튬이온배터리는 한 세기 동안 성능 개선을 통해 급격한 성장을 이루어 왔고, 다음 세기도 이러한 추세를 지속될 것이다. 배터리의 안전 이슈를 현명하게 해결함으로써, 가까운 미래에 우리의 주위에 수많은 배터리 제품이 공생하는 환경에서도 보다 안전하게 사용할 수 있는 배터리중심사회가 될 것임을 기대한다.   

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