전 세계적으로 기후변화를 유발하는 온실가스의 증가를 억제하기 위한 환경 규제로 인해 전기차 시장이 급격하게 성장하고 있다. 리튬이온배터리는 높은 에너지밀도 (~300 Wh/kg) 및 소형화 (약 670 Wh/L)의 장점을 바탕으로 높은 주행거리를 요구하는 전기차의 동력원으로 활용되며 수요가 폭발적으로 증가하고 있다. 

리튬이온배터리는 이차전지로서 전기차 시장에서의 중요성을 인정받아 12대 국가전략기술에 선정되었으며, 정부는 12대 국가전략기술에 향후 5년간 25조원 규모의 천문학적인 범국가적 투자를 통해 미래 유망분야로서 집중적으로 육성할 계획이다. 

현재 시장에서는 리튬이온배터리를 전기차 및 에너지저장장치(Energy storage system (ESS))를 포함한 중대형 응용 분야에서 집중적으로 활용하고 있다. 이러한 산업군에서는 리튬이온배터리의 추가적인 고에너지 밀도화 및 대용량화가 필수적이나, 배터리로 기인한 시스템 고장 빈도나 화재 위험이 더욱 커져 사용자의 불편함과 인명 피해를 초래하고 있다. 배터리 안전성에 대한 수요자의 부정적인 인식은 전기차 구매를 억제하는 요인으로 작용할 수 있으며, 더불어 정부가 ‘전기차 보급 확대 중장기 로드맵’을 통해 배터리 안전 정책을 강조한 만큼 배터리 안전성 확보를 위한 기술 마련이 시급한 상황이다.

리튬이온배터리는 전기적/기계적/열적인 오용/남용이나 사고 상황에서의 외부 충격 등에 기인하여 급속한 부반응을 거치며 매우 높은 양의 열과 가스를 방출하게 된다. 고온, 고압 환경에서 유기용매 기반의 전해액이 양극에서 방출되는 산소와 반응할 경우, 통제 불가능한 수준의 폭발적인 연소반응이 일어나게 된다. 이런 일련의 과정을 열폭주(Thermal runaway)라고 명명하고 있다. 

단일 배터리의 열폭주 과정에서 방출되는 매우 높은 열량은 열전달을 통해 주변 배터리로 전파되어 인접한 배터리 온도를 높이고, 추가적인 열폭주 반응을 촉진하게 된다. 이런 일련의 과정을 열확산(Thermal propagation)으로 명명하고 있다. 전기차용 리튬이온배터리의 안전성을 확보하기 위해서는 열폭주와 열확산을 명확히 규명하고, 이를 적절하게 억제/제어할 수 있는 방열/방폭 등의 기술 개발이 시급히 필요하다.

리튬이온배터리 화재 기작에 대한 이해

2018년 열폭주의 물리적/화학적 반응 메커니즘 기반 Time sequence map(TSM)이 제안된 이후 다양한 연구가 진행되었지만, 열폭주 민감성 및 복잡성으로 인해 여전히 규명되지 않은 많은 요소가 존재하고 있다. 배터리의 안전 상태를 정량적으로 진단하기 위해서는 열폭주에 의한 화재 기작의 정확한 메커니즘(음극-전해액 피막 분해 반응, 충전 심도에 따른​ 양극 구조 붕괴, 분리막 용융에 의한 내부 단락 반응 등)을 규명할 필요가 있다. 또한, 열폭주 시 발생할 수 있는 배터리 간 열확산의 기작에 관한 연구도 병행되어야 한다. 현재는 열확산 과정을 수치해석 기반으로 분석하고 있으나, 배터리를 단순 발열체로 모사하고 열폭주 반응 메커니즘을 고려하지 않아 실제 배터리 팩 내 열확산 과정과의 연결성이 부족한 상황이다. 실제 배터리 팩 내부 열확산 기작의 이해를 위해 배터리 열폭주 메커니즘을 고려한 해석 기법을 도입하고 Auto-clave 등의 정밀 실험기법을 활용한 검증을 통해 배터리 열확산 영향 인자에 대한 분석이 필요하다.​

전 세계적으로 MIT(미국), NREL(미국), Purdue University(미국), Tsinghua University(중국) 등 다양한 기관에서 열폭주와 열확산에 관해 연구하고 있으나, global 반응에 관한 연구가 주로 진행되고 있으며, 특히, 기초 반응 메커니즘에 관한 연구가 부족하여 열폭주 현상에 대한 예측/분석/응용에 한계를 보이고 있다.

리튬이온배터리 상태 정밀 진단 플랫폼

매우 복잡하고 난해한 열폭주/열확산 과정을 배터리 관리 시스템(Battery Management system(BMS)을 통해 감지하는 제한된 정보(전압, 전류, 온도 등)를 활용하여 화재 사고를 예방하는 것은 신뢰성이 매우 낮을 수밖에 없다. 특히, 현재 배터리 관리 시스템은 감지하는 정보를 통해 배터리의 물리적인 특성을 정확하게 예측하지 못하며, 물리화학적/전기화학적 현상에 기인하여 발생하는 배터리의 불안정 상태를 정밀하게 진단할 수 없다. 이런 한계를 극복하고자 물리 기반 해석 플랫폼을 활용하여 배터리 상태를 진단하기 위한 시도가 이뤄지고 있지만, 물리 기반 해석 플랫폼의 연산 비용 및 열폭주 반응 메커니즘 적용 한계 등으로 인해 기본적인 State of 

charge(SOC) 예측 수준을 보이고 있으며, 안전성 진단 지표인 State of safety(SOS) 진단에는 한계를 보이고 있다. 물리화학적/전기화학적인 특성을 기반으로 실시간 배터리 안전 상태를 진단하기 위해서는 배터리 관리 시스템을 통해 감지하는 정보를 활용하여 물리 현상을 정확하게 예측할 수 있으며 연산 최적화를 통해 실시간 연산이 가능한 플랫폼 구축이 필요하다. 

여러 산업체 및 연구기관에서 배터리 내부의 전기화학적열적 거동을 정확하게 분석하기 위한 물리 기반 모델을 개발하고 있지만, 높은 연산 비용의 한계로 인해 빠른 계산이 필요한 분야에서는 데이터 기반의 등가회로 모델을 활용하고 있다. 이에 호주 연구팀에서는 물리 현상을 반영하면서도 빠른 연산 시간을 갖는 물리 기반 등가회로 모델에 대한 방법론을 제시하기도 하였다.​

열폭주/열확산 기작에 기반한 배터리 열안전성 진단 기술

배터리 SOS 진단을 위해 일반적으로 사용되는 데이터 기반의 알고리즘은 많은 양의 실험 데이터가 필요하며 데이터의 신뢰성에 의해 상태 진단 정확도가 결정된다. 데이터 기반의 알고리즘은 물리 현상 기반의 화재 기작 분석을 통해 도출된 열폭주 진단 지표, 열확산 영향 인자를 고려하지 않는다는 점에서 한계점이 분명하다. 따라서, 변화하는 배터리의 상태 진단을 위해서는 실험 데이터 의존성이 낮고, 정확한 해석 플랫폼 기반의 진단 알고리즘 기술 개발이 필요하며, 정확한 배터리 화재 기작의 이해를 바탕으로 열폭주 진단 지표, 열확산 영향 인자를 고려한 정확하고 신뢰성 높은 진단 알고리즘을 확보해야 한다. 배터리의 안전성을 확보하기 위해 배터

리의 상태를 추정하고 진단하는 기술들이 지속적으로 연구되고 있으나, 배터리의 안전과 직접적인 관련이 없는 State of Charge(SOC), State of Health(SOH) 등에 관한 연구가 주를 이루고 있다. 최근에는 배터리의 안전 상태를 직접적으로 나타내는 SOS 진단에 관한 연구가 일부 진행되었지만, 정성적인 분석에 머물러 있으며, 실제 배터리의 열폭주 메커니즘을 기반으로 하는 정략적인 연구는 아직 수행된 바가 없다. ​

열폭주/열확산 억제를 위한 방열/방폭 기술

리튬이온배터리의 열폭주와 열확산 과정을 명확히 규명 및 이해한 후에는 이를 적절히 억제/제어할 수 있는 방열/방폭 등의 기술 개발이 필요하다. 배터리 기초 특성 분석 및 Autoclave 실험 등을 통해 셀/모듈/팩 단위의 열폭주/열확산 기작을 규명하고 물리 기반 배터리 열폭주/열확산 해석 모델을 활용한다면, 현재 기술의 신뢰성 한계를 뛰어넘을 수 있을 것으로 보인다. 이를 기반으로 방열/방폭 임계 조건을 도출하여 전기차 화재 사고를 줄이기 위한 발판을 마련하여야 한다. 

물리 현상이 반영된 높은 신뢰도를 갖는 배터리 열폭주/열확산 해석 모델을 통해 도출된 방열/방폭 임계 조건은 배터리 제조업체에서 안정적인 거동이 가능한 배터리 설계에 활용할 수 있다. 또한, 배터리 열폭주/열확산 현상 규명을 통해 확보할 수 있는 배터리 방열/방폭 임계 조건은 전기차 배터리 모듈 및 팩 설계에 활용되어 차량 내 배터리의 열폭주/열확산 위험성을 사전에 차단하여 열폭주 발생을 억제함으로써 전기차 안전성 향상에 기여할 수 있다. 

전기차 열안전성 확보

리튬이온배터리의 열폭주/열확산 기초 특성을 반영하여 안전성 저하를 진단하는 기술이 개발된다면, 자동차 산업에서 지속해서 높은 점유율을 갖는 내수는 물론 급성장하는 세계 전기차 시장에 발맞춰 수출 품목으로도 시장 최대 경쟁력을 가질 수 있을 것으로 전망할 수 있다. 또한, 우리의 기술적 우위를 바탕으로 지속해서 전기차 시장을 선도할 수 있을 것이라 예상된다. 전기차 열안전성 확보를 위한 기술 개발 과정에서 모듈/팩 레벨의 전기차 안전성 해석 및 평가를 진행해야 하며, 기존의 소형 배터리 개선 연구에서 벗어나 산업 현장에 실제로 적용 가능한 기술을 개발하여야 한다. 

전 세계적으로 탄소 배출량 규제 움직임에 따른 기후변화에 대한 대책의 하나로 전기차의 보급률이 높아지는 상황에서 상기와 같은 전기차용 리튬이온배터리 열폭주/열확산 억제를 위한 물리 현상 기반 배터리 안전 상태 진단 기술은 전기차의 편의성과 신뢰성을 증대할 수 있다. 배터리 통합 해석 플랫폼을 활용한 배터리 SOS 진단 기술 개발을 통해 전기차 구매 감소의 원인 중 대다수를 차지하는 배터리 내구성 및 안전성에 대한 수요자의 인식이 개선될 수 있으며, 최근 감소하고 있는 국내 전기차 소비에 활력을 불어넣을 수 있을 것으로 기대된다​.​

글 / 홍종섭 (연세대학교​​​)

출처 / 오토저널 2024년 4월호