리튬전지 폭발의 4가지 원인과 피하는 방법

 

리튬 폴리머 전지가 안전하지 않은 본질적인 이유는 전지 내부의 열폭주입니다. 리튬 폴리머 전지의 내부 온도는 지속적으로 열이 축적되어 계속 상승합니다. 그 외부적인 현상은 연소, 폭발과 같은 격렬한 에너지 방출 현상입니다.

1부. 리튬 폴리머 배터리는 안전한가요?

배터리는 고밀도의 에너지 운반체로 본질적으로 안전하지 않습니다. 물체의 에너지 밀도가 높을수록 에너지가 격렬하게 방출될 때 더 큰 영향을 미치고 안전 문제가 더 두드러집니다. 휘발유, 천연가스, 아세틸렌과 같은 고에너지 운반체에도 매년 수많은 안전사고가 발생하는 같은 문제가 있습니다.

2부. 리포 배터리의 안전성에 영향을 미치는 요인

다양한 전기화학 시스템, 용량, 공정 파라미터, 사용 환경, 사용 정도 등은 모두 리포 배터리의 안전성에 큰 영향을 미칩니다.

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리튬이온 배터리는 에너지를 저장하기 때문에 에너지 방출 과정에서 배터리 열이 나타나 열 방출 속도보다 빨리 축적되면 배터리 내부 온도는 계속해서 상승합니다. 리튬전지는 활성이 높은 양극재와 유기 전해질로 구성되어 있어 가열된 조건에서 격렬한 화학적 부작용이 발생하기 매우 쉽습니다. 이 반응은 많은 열을 발생시키고 심지어 위험한 배터리 사고의 중요한 원인인 '열폭주'로 이어집니다.

리튬 폴리머 전지 내부의 열폭주는 어떤 화학 반응이 더 이상 우리가 기대했던 "통제 가능한", "질서 있는" 상태가 아니라는 것을 보여줍니다. 대신 통제 불가능하고 무질서한 상태를 나타내어 에너지를 신속하고 격렬하게 방출합니다.

많은 양의 열을 동반하여 열폭주로 이어지는 몇 가지 화학 반응을 살펴보겠습니다.

1.SEI membrane 분해 및 전해질 발열부반응

고체 전해질 막은 리튬 폴리머 전지의 초기 사이클 동안 형성됩니다. 우리는 SEI 막이 너무 두껍지 않기를 원하지도 않고 완전히 존재하지 않기를 원하지도 않습니다. 합리적인 SEI 막의 존재는 양극 활물질을 보호하고 전해질과 반응하는 것을 방지할 수 있습니다.

그런데 배터리 내부 온도가 130℃ 정도가 되면 SEI막이 분해됩니다. 그러면 음극 단자가 완전히 노출됩니다. 전해질이 분해되어 전극 표면의 열을 방출하고, 이로 인해 배터리 내부 온도가 급격히 상승합니다.

리튬 폴리머 전지 내부의 첫 발열성 부반응이자 일련의 열폭주 문제의 출발점입니다.

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2. 전해질의 열분해

음극에서 전해질의 발열성 부반응으로 인해 전지 내부 온도는 계속 상승합니다. 이는 전해질 내 LiPF6와 용매의 추가적인 열분해로 이어질 것입니다.

이 부반응이 일어나는 온도 범위는 대략 130℃에서 250℃ 사이입니다. 또한 많은 양의 열을 동반하기 때문에 배터리 내부의 온도는 더욱 상승합니다.

3. 양극재의 열분해

리튬 폴리머 전지의 내부 온도가 더욱 상승함에 따라 음극 전극의 활물질이 분해됩니다. 이러한 반응은 일반적으로 180°C에서 500°C 사이에서 일어나며 열과 산소를 동반합니다.

양극 소재마다 활물질을 분해하여 발열량이 다르고, 방출되는 산소의 양도 다릅니다. 리튬인산철 양극 소재는 분해 시 발열량이 적기 때문에 모든 양극 소재 중에서 열적 안정성이 가장 뛰어납니다. 니켈-코발트-망간 3원 소재가 분해되면 더 많은 열이 발생하고, 이에 따라 많은 양의 산소가 방출되며, 연소나 폭발하기 쉬워 안전성이 상대적으로 떨어집니다.

4. 바인더와 양극고활성물질의 반응

음극 활물질 LixC6와 PVDF 바인더의 반응 온도는 약 240°C부터 시작되며, 피크는 290°C에서 발생하며, 반응열은 1500J/g에 이를 수 있습니다.

리튬 폴리머 전지의 열폭주가 순간적으로 완료되지 않는 것을 위의 분석을 통해 알 수 있습니다. 그것은 점진적인 과정입니다. 이 과정은 일반적으로 과충전, 고율 충방전, 내부 단락, 외부 단락, 진동, 충돌, 낙하, 충격 등에 의해 일어나며, 그 결과 배터리 내부의 많은 열이 단기간에 발생합니다. 그리고 지속적인 축적은 배터리의 온도를 계속 상승시키도록 밀어냅니다.

일단 온도가 내부 사슬 반응의 임계 온도(약 130℃)까지 올라가면 리튬 폴리머 전지 내부에서는 자발적으로 발열성 부반응이 발생합니다. 이는 전지 내부의 열 축적과 온도 상승 경향을 더욱 악화시킵니다. 이 과정은 또한 다량의 가연성 가스를 방출할 것입니다. 내부 용매와 가연성 가스의 인화점과 발화점까지 온도가 올라가면 연소와 폭발과 같은 안전사고가 발생합니다.

리튬 폴리머 배터리가 공장을 떠난 후 안전성 테스트 및 인증을 통과했다고 해서 수명 주기 동안 리튬 배터리의 안전성을 나타내는 것은 아닙니다. 이전 분석에 따르면 장기 사용 시 양극 표면의 리튬 금속 침착, 전해질의 분해 및 휘발, 양극 및 양극 활물질의 배출, 배터리 내부 구조 변형, 재료 내 금속 불순물 혼합 등이 발생합니다. 예상치 못한 많은 변화가 발생합니다. 이는 배터리 내부 단락을 유발하여 많은 열을 발생시킵니다. 과충전, 압출, 금속 천공, 충돌, 낙하, 충격 등과 같은 다양한 외부 남용 조건과 결합하여 배터리가 빠르게 많은 열을 발생시켜 열 폭주의 유발 요인이 됩니다.

3부. 리튬전지 폭발 위험 줄이는 방법은?

 

리튬 폴리머 배터리의 사용에는 절대적인 안전은 없고 상대적인 안전만 있습니다. 남용을 방지하고 유해 사건의 확률을 줄이도록 노력하세요.

동시에 양극 및 음극 소재, 전해질, 분리막 등 중요한 구성요소부터 시작하여 화학적 안정성과 열적 안정성이 우수한 소재를 선별하는 것도 필요합니다. 우수한 소재는 난연성이 우수합니다. 내외부 열폭주 트리거 발생 시 내부 부반응 발열량을 줄이거나 발화점 온도가 높아 열폭주 발생을 방지합니다.

배터리 구조 및 케이싱 설계에서 구조적 안정성을 충분히 고려해야 합니다. 외부 응력을 견딜 수 있는 충분한 기계적 강도를 달성하고 배터리 내부에 명백한 변형이 발생하지 않도록 해야 합니다.

또한, 방열 성능도 고려해야 합니다. 열이 제때 방출될 수 있다고 가정해 보겠습니다. 그 경우, 내부 온도가 계속 상승하지 않고, 열 폭주도 발생하지 않을 것입니다.

4부. 최종소견

리튬 폴리머 전지의 안전성 설계는 시스템 이론입니다. 단순히 양극 재료에서 발생하는 분해와 열을 기반으로 리포 전지의 안전성을 측정하는 것은 포괄적이지 않습니다. 시스템 관점에서 인산철 리튬 전지는 3원 재료로 만든 전지보다 반드시 안전하지는 않습니다. 열폭주에 궁극적으로 영향을 미치는 요인이 많기 때문에 양극 재료의 분해로 발생하는 열은 그 중 하나에 불과합니다.

 

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