에너지
리튬 배터리의 안전성 및 관련 위험 재평가 – 젤 전해질이 해결책일까?
Securities.io를 Google의 선호 소스에 추가
리튬이온 배터리에 대한 수요는 놀라운 속도로 증가할 것으로 예상됩니다. 2022년부터 2030년 사이에 전 세계 배터리 수요가 최대 7배 증가하여 4.7 테라와트시(TWh)에 이를 것으로 보입니다.
수요는 휴대용 전자기기와 에너지 저장, 전기차 등에서 이 배터리의 광범위한 사용에 의해 촉진됩니다. 그러나 이러한 배터리는 위험이 없지 않으며 화재와 폭발에 취약합니다.
이러한 취약점을 해결하기 위한 한 가지 방안은 반고체 배터리입니다. 이는 액체 전해질을 사용하는 기존 리튬이온 배터리와 고체 전해질 배터리 사이의 중간 지점을 찾아 위험을 감소시킵니다.
젤 형태의 전해질을 구성 요소로 사용하면 배터리의 안정성과 수명이 향상됩니다. 그러나 이러한 젤 전해질은 고온에서 장시간 열처리되면서 눈에 띄는 열화가 발생해 성능 저하와 제조 비용 상승을 초래할 수 있습니다. 또한 반고체 전해질과 전극 사이의 계면 저항으로 인해 배터리 제조 공정에도 어려움이 있습니다.
최근 포항공과대학교(POSTECH) 화학과 박사과정인 서하 남 박사와 박수진 교수, 그리고 연구원 손혜빈 박사는 이러한 문제들을 해결하기 위해 안정적이고 상업적으로 실현 가능한 젤 전해질 기반 배터리를 개발했습니다.
다음 섹션에서는 배터리 메커니즘을 더 깊이 살펴보겠습니다.
리튬 배터리를 위한 안전하고 상업적으로 실현 가능한 젤 전해질
열화된 전해질, 성능 저하 및 비용 상승 문제를 해결하기 위해 연구팀은 전자빔(e-beam) 기술과 함께 이중 기능성 가교 첨가제(CIA)와 디펜타에리트리톨 헥사아크릴레이트(DPH)를 활용했습니다.
연구진은 전극 준비, 전해질 주입, 조립, 활성화, 탈가스와 같은 기존 제조 공정과는 다르게 접근했습니다.
대신 탈가스 공정 후 추가적인 전자빔 조사 단계를 도입해 DPH의 이중 기능성을 강화했습니다. 동시에 CIA는 활성화 과정에서 양극과 음극 표면 사이의 안정적인 계면을 촉진하는 첨가제 역할과 전자빔 조사 과정에서 고분자 구조를 형성하는 가교제 역할을 동시에 수행했습니다.
이 솔루션은 초기 충·방전 과정에서 배터리 부반응으로 발생하는 가스 발생을 기존 배터리 대비 최대 25.5배 감소시켰으며, 전극과 젤 전해질 간의 강한 호환성 덕분에 계면 저항을 안정적으로 유지할 수 있었습니다.
하지만 연구진은 여기서 멈추지 않았습니다. 1.2암페어시의 고용량 배터리를 개발했으며, 이는 전해질이 분해되기 시작하는 55°C에서 테스트되었습니다. 55°C 이상에서는 전해질을 사용하는 기존 배터리가 50 사이클 이후 용량 급감 및 팽창을 겪습니다.
반면 새로운 배터리는 200 사이클 이후에도 가스 발생 없이 1암페어시 용량을 유지하며 향상된 안전성과 내구성 기준을 보여주었습니다.
POSTECH의 박수진 교수가 이 과학적 발견의 유용성을 설명하면서 이렇게 말했습니다:
“안정성과 상업적 실현 가능성에서 이 성과는 전기차 산업에 획기적인 변화를 가져올 것입니다. 우리는 이 발전이 전기차뿐만 아니라 리튬이온 배터리에 의존하는 다양한 분야에도 큰 도움이 되길 바랍니다.”
다음 섹션에서는 리튬이온 배터리의 다양한 적용 사례를 간략히 살펴보겠습니다.
안전한 리튬 배터리의 적용
최근 전기차에서의 활용으로 주목받고 있지만, 리튬이온 배터리는 다양한 다른 분야에서도 안전하게 사용됩니다. 이러한 적용 사례는 일상 생활의 필수 요소이며, 상업적 실현 가능성과 강도가 요구됩니다. 예를 들어, 재충전 가능한 리튬 배터리는 심박조정기에 널리 사용되며, 7~8년의 수명을 유지하면서 무게는 30그램 이하이어야 합니다.
디지털 카메라, 특히 DSLR은 리튬이온 배터리의 소형화와 높은 전력 용량 덕분에 다른 배터리 유형보다 우수한 성능을 제공합니다. 마찬가지로 디지털 어시스턴트, 스마트폰, 노트북은 내구성, 높은 에너지 밀도, 경량 설계, 쉬운 충전 및 저비용 유지보수를 위해 이러한 안전하고 신뢰할 수 있는 배터리에 의존합니다.
또한 3볼트 용량의 소형 리튬이온 배터리는 시계와 같이 작은 장치에 사용되며, 최대 10년까지 지속됩니다. 이러한 배터리는 개인 스쿠터, 골프 카트, 트롤리와 같은 이동 솔루션에도 전력을 공급합니다. 효율적인 전기 저장·방출 능력 덕분에 UPS 시스템, 비상 전원 백업, 태양광 에너지 저장 등에 이상적입니다. 또한 해양·레저 차량 및 착용형 의료 기기와 같은 신흥 분야에서도 점점 더 많이 사용되고 있습니다.
리튬 배터리 채택이 증가함에 따라 생산 및 제조도 늘어나고 있습니다. 그러나 이러한 과정이 배터리 자체만큼 안전하고 실현 가능해야 합니다. 최근 한국의 리튬 배터리 시설에서 발생한 비극적인 화재는 22명의 작업자가 사망하는 사고로, 이 문제의 중요성을 강조합니다.
배터리 제조업체들이 증가하는 수요를 충족하기 위해 어떻게 분투하고 있는지 알아보려면 여기를 클릭하세요.
한국 리튬 배터리 시설 화재
6월 24일, 한국의 한 리튬 배터리 공장에서 다수의 배터리 폭발로 인해 대규모 화재가 발생했으며, 22명의 작업자가 사망했습니다. 주요 배터리 제조업체인 아리셀(Aricell)이 운영하는 이 시설은 서울 남서쪽 산업 지역인 화성에 위치해 있습니다.
화재 발생 직후, 공장에 저장돼 있던 최대 35,000개의 배터리에서 독성 가스가 빠르게 퍼졌습니다. 화재가 치명적으로 번진 원인에 대해 대전대학교 화재·재난 예방 교수 김재호는 다음과 같이 설명했습니다:
“니켈과 같은 배터리 소재는 쉽게 인화됩니다. 따라서 다른 소재에 비해 대응 시간이 충분하지 않은 경우가 많습니다.”
전문가들은 화재 사망자가 화상보다 독성 물질에 의해 더 많이 발생했다고 지적했습니다.
이러한 사례는 예방할 수 있을까?
리튬이온 배터리는 에너지 저장 장치 중 가장 높은 체적 에너지 밀도를 가지고 있어 항상 주의가 필요합니다. 미국 산업안전보건청(OSHA)은 소형 및 착용형 리튬 배터리 구동 장치의 화재·폭발 부상을 방지하기 위한 상세 지침을 발표했습니다.
세계적으로 가장 권위 있는 기술 교육 기관 중 하나인 매사추세츠 공과대학교(MIT)도 리튬이온 안전 가이드를 발표했습니다. 이 지침에 따르면, 배터리를 다루는 작업 공간은 비전도성 및 난연성 소재로 된 표면을 가져야 합니다.
전도성 표면에서 작업해야 한다면 절연 재료로 덮는 것이 권장됩니다. 또한 작업 구역은 목재 테이블, 카펫, 휘발유, 셀의 절연 슬리브를 뚫을 수 있는 날카로운 물체 등 인화성·가연성 물질이 없어야 합니다. 최적 작업 온도는 15~35°C이며, 주변 온도는 60°C를 초과해서는 안 됩니다.
적절한 보관은 화재·폭발 위험을 줄이는 데 중요한 역할을 합니다. 보고서는 많은 리튬이온 배터리 화재가 부적절한 보관 구역과 연관된다고 지적합니다. 최고 안전 기준을 유지하려면 보관 구역은 셀 설계, 화학, 온도, 충전 상태 및 보관 기간 등을 고려해야 합니다.
배터리 제조 시설은 엄격한 보안 조치를 채택해야 합니다. 리튬 배터리 시설의 화재는 화재 자체뿐 아니라 발생하는 독성으로 인해 치명적일 수 있습니다.
제조 보안은 지속적으로 개선될 수 있지만, 배터리 자체도 근본적으로 안전해야 합니다. 일부 기업은 안전한 리튬 배터리 생산에 꾸준히 투자하고 있습니다. 다음 섹션에서는 이러한 기업들을 살펴보겠습니다.
#1. Panasonic Energy의 리튬이온 배터리
Panasonic은 배터리 용량이 증가함에 따라 배터리 안전성을 보장하기 위해 고급 배터리 소재 개발, 공정 정제, 제어 기술 구축에 집중하고 있습니다.
이 배터리는 100°C 이상 가열될 경우 폭발 위험이 증가하지만, 높은 온도 내성 능력을 가지고 있습니다. 그러나 Panasonic은 배터리를 적층하거나 뒤섞을 경우 외부 단락, 열 발생, 화재 또는 폭발이 발생할 수 있음을 인식하고 있습니다.
회사는 엄격한 취급 및 보관 지침을 따르며, 포장 시 배터리 단자가 서로 또는 다른 금속과 접촉하지 않도록 합니다. 진동, 충격, 낙하, 적층으로부터 제품을 보호하기 위해 강력한 포장재를 사용합니다. 또한 Panasonic은 배터리를 실온에 보관하고 약 30-50% 용량으로 충전할 것을 강력히 권고합니다.
이 회사는 원통형, 프리즘형, 파우치형, 핀형 배터리를 포함한 다양한 리튬 배터리 제품을 생산합니다.
그룹의 최신 통합 보고서에 따르면, 회사는 2023년에 8,378.9억 엔의 매출을 기록했습니다.
#2. LG Energy Solutions
LG Energy Solutions는 Li-ion 배터리 팩 제조에 대한 명확한 가이드라인을 준수하는 글로벌 선두 기업입니다. 팩 제조 시 낙하가 발생한 리튬이온 배터리 셀 사용을 금지합니다.
전기 단락을 방지하기 위해 리튬이온 배터리 셀은 금속 물체와 멀리 두고, 손상이나 오염을 방지할 수 있는 환경에서 취급해야 합니다.
또한, 리튬이온 배터리 셀 표면에 직접 용접을 수행해서는 안 되며, 용접 과정에서 고열이나 고압에 노출되지 않도록 해야 합니다.
2023년에 LG는 84,228억 원의 매출을 기록했으며, 이는 2022년 83,467억 원보다 소폭 증가했지만 2021년 73,908억 원에 비해 크게 증가한 수치입니다.
리튬이온 배터리 안전 문제: 포괄적 검토
리튬이온 배터리 안전 문제를 광범위하게 조사한 연구는 여러 잠재적 위험 요소를 지적했습니다.
열폭주 현상은 리튬이온 배터리에서 가장 위험한 안전 문제 중 하나로, 부반응에서 발생합니다. 이러한 반응은 전해질 내부, 양극과 음극 사이, 전극 표면 및 리튬 플라팅 인터페이스에서 일어날 수 있습니다. 열폭주는 기계적, 열적, 전기적 남용에 의해 자주 촉발됩니다.
기계적 남용은 리튬이온 배터리의 안전 문제를 일으키며, 전기적 남용도 배터리 무결성을 손상시킵니다. 마찬가지로 열적 남용, 즉 배터리가 열충격을 받거나 과도한 고온에 도달하는 경우도 큰 위험을 초래합니다.
연구는 내부 및 외부 모두에서 안전성을 향상시키는 전략을 제시합니다. 리튬이온 배터리(LIB) 안전성을 강화하는 핵심 요소는 잘 설계된 내장 냉각 시스템이며, 셀 간 균형을 유지하는 것도 중요합니다. 이는 각 충전 사이클 후 모든 셀의 전압, 용량 또는 충전 상태(SOC)를 측정·비교하는 것을 포함합니다.
제조업체는 생산 안전을 보장하기 위해 여러 프레임워크를 따를 수 있습니다. 실제로 중국 표준, SAE 표준, IEC 표준, UN 표준, JIS 표준 등 다수의 국가가 이미 이러한 기준을 발표했습니다.
전반적으로 우리는 전자 기기가 지배하는 시대에 살고 있으며, 리튬 배터리에 대한 의존도가 지속적으로 증가하고 있습니다. 기술의 효율성과 속도를 추구하면서도 안전을 최우선으로 해야 합니다. 최근 한국에서 발생한 사고는 이러한 균형의 중요성을 강력히 상기시켜 주며, 향후 이러한 불행한 사건을 방지해야 함을 강조합니다.
