리튬 배터리는 왜 폭발할까 | 배터리 이야기 1화

리튬 배터리는 왜 폭발할까

보이지 않는 곳에서 시작되는 작은 반응

어느 날 뉴스에서 이런 장면을 본 적이 있을 것이다.

주차장에 세워진 전기차에서 갑자기 연기가 올라온다. 몇 초 뒤 불꽃이 터져 나온다.

뉴스 앵커는 이렇게 말한다.

“배터리 열폭주로 추정됩니다.”

하지만 여기서 대부분의 사람들은 같은 질문을 한다.

배터리는 도대체 왜 폭발하는 걸까?

배터리 안에서는 무슨 일이 일어날까

리튬 이온 배터리는 기본적으로 세 가지 구조로 이루어져 있다.

• 양극 (Cathode)
• 음극 (Anode)
• 전해질 (Electrolyte)

충전과 방전이 이루어질 때 리튬 이온이 양극과 음극 사이를 이동한다.

이 이온 이동이 바로 우리가 사용하는 전기의 근원이다.

핵심 원리

배터리는 리튬 이온이 이동하면서
전자를 외부 회로로 보내고 그 전자가 전기를 만든다.

문제는 전해질이다

리튬 배터리 내부에는 이온이 이동할 수 있도록 액체 전해질이 들어 있다.

이 전해질은 대부분 유기 용매로 만들어져 있는데 사실 한 가지 문제가 있다.

가연성 물질이라는 점이다.

즉 쉽게 말해 불이 붙을 수 있는 액체다.

열폭주라는 현상

배터리가 손상되거나 내부 온도가 상승하면 작은 화학 반응이 시작된다.

이 반응은 열을 만들어 낸다.

문제는 그 열이 다시 또 다른 반응을 일으킨다는 점이다.

이 과정이 반복되면 온도는 급격하게 상승한다.

이 현상을 과학에서는 이렇게 부른다.

열폭주 (Thermal Runaway)

열폭주란

열이 발생하고
그 열이 다시 반응을 가속시키며
결국 통제할 수 없는 온도 상승으로 이어지는 현상이다.

그래서 폭발이 일어난다

온도가 계속 올라가면 배터리 내부의 전해질이 기화하기 시작한다.

기체는 부피가 커지기 때문에 배터리 내부 압력이 급격히 상승한다.

그리고 어느 순간 그 압력은 배터리 외부를 뚫고 나온다.

이때 전해질이 공기와 만나면 화염이 발생한다.

우리가 뉴스에서 보는 전기차 화재의 많은 사례가 바로 이런 과정에서 시작된다.

그래서 등장한 새로운 기술

이 문제를 해결하기 위해 과학자들은 오래전부터 한 가지 질문을 던졌다.

“불이 붙지 않는 배터리를 만들 수는 없을까?”

그리고 그 질문에서 등장한 기술이 바로 전고체 배터리다.

다음 이야기에서는 왜 전고체 배터리가 등장했고 왜 아직도 상용화가 쉽지 않은지 살펴보려 한다.

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참고 자료

미국 에너지부(DOE) – 리튬이온 배터리 작동 원리

Nature – Lithium battery thermal runaway 연구

IEA Global EV Outlook – 전기차 및 배터리 산업 보고서

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