1. 서론
리튬이차전지 화재 안전성 향상기술
리튬이차전지는 리튬이온을 포함하는 전이금속산화물 양극과 리튬이온을 담을 수 있는 음극 물질(예, 흑연계)로 구성된 비수계 이차전지를 가리킨다. 리튬이차전지는 형태에 따라 원통형, 각형, 파우치형 등으로 구분한다.
원통형은 주로 전동공구와 같이 고출력이 요구되는 기기와 전기자동차에, 각형 및 파우치형은 모바일 IT 기기, 전기자동차 및 전력저장시스템 (ESS, Energy Storage System) 등에 각각 적용된다. 리튬이차전지 셀의 종류별 대표적인 특징 및 전기자동차 적용 현황은 <표 1>과 같다.
리튬이차전지의 표준은 용도에 따라 휴대기기용 전원, 전기자동차용 전원 및 산업용전원시장으로 구분 하며 성능평가방법과 안전성평가방법을 규정하는 방향으로 표준제정활동이 진행 중이다. 리튬이차전지는 고출력, 고에너지밀도를 발휘할 수 있는 장점 때문에 많은 응용 분야에 적용되고 있다. 하지만 열적 불안정성을 갖는 리튬과 유기용매 전해액을 사용하는 탓에 화재의 위험성을 항상 지니고 있으며, 이를 해결하는 기술과 화재안전성을 검증하는 방법개발이 요구된다.
2. 현재 표준 트렌드 현황
2-1. R&D 관련 표준동향(성능평가)
리튬이차전지는 각종 응용기기에 적용되는 부품으로서 그 성능을 검증하기 위한 표준이 마련돼있다. 전지 성능으로 요구되는 주요 항목은 용량 (상온·고온·저온), 출력, 사이클 수명, 저장성능(장기보관성능) 및내부저항 등의 평가로 구성된다. 이와 관련된 표준을 정리하면 <표 2>와 같다.
2-2. R&D 관련 표준 동향 (안전성 평가)
리튬이차전지의 평가는 성능보다는 안전성을 검증하는 것이 더욱 중요하기 때문에 전기적, 기계적(물리 적), 열적안전성을 검증하는 표준이 이미 마련돼있다. 전지개발 시 반드시 참고해야 하는 주요 안전성 표준은 <표 3>과 같다.
3. 미래표준 트렌드 전망
리튬이차전지의 열적불안전성 해소를 위한 기술개발은 과거부터 지속되고 있으며, 이의 검증을 위한 평가방법도 점차 고도화되고 있다. 신규 표준의 개발보다는 기존 표준을 강화하는 방향으로 작업이 진행 중인 것이 주목해야하는 특징이다.
① 내부단락 (Internal short-circuit) 저항성 검증방법
과충전, 외부단락 등과 같은 사고는 외부로부터의 충전 전원을 차단하거나, 단락 휴즈 등의 기구설계를 통해 예방할 수 있다. 하지만, 셀 내부로부터 발생하는 단락 현상 즉, 내부단락은 외부보호기기(또는 소자)로 보호할 수 없는 한계가 있다. 내부단락의 원인으로는 셀 제조공정 상의 금속이물질 혼입, 전극배열불량 또는 리튬석출 등을 들 수 있으며 이 경우 양극과 음극 간의 도전 경로가 형성되어 급격한 발열 (열폭주)현상을 일으킨다. 특히 리튬 석출현상은 동작 온도와 충방전 전류의 영향도 함께 받는데, 저온 및 고온 환경에서 고전류에 의해 운전이 이뤄지면 그 현상이 가속화될 수 있다.
이차전지 국제표준제정기구인 IEC에서는 내부단락 상황에서도 열폭주 현상이 일어나지 않는 설계를 요구하고 있는데, 이를 증명하기 위해 ‘강제내부단락시험’을 도입했다. 해당 시험은 셀을 구성하는 젤리롤 안에 1mm 크기의 금속이물을 삽입한 후 압착해 1개 층(양극-음극)을 단락시켰을 때, 열폭주가 일어나는지 여부를 평가하는 방식이다<그림 1(a)>.
하지만 위 시험방법은 셀을 분해해 금속이물을 삽입한 후 재조립 후 압착하는 과정을 거쳐야 하는 고난도의 시험기술을 요구하기 때문에 이를 개선하기 위한 ‘강제내부단락 대체시험방법’이 제안됐다. 즉 셀의 분해 없이 ‘인텐더(Intender)’로 불리는 침을 전지에 삽입해 전압변동을 측정한 후 50mV 이상의 전압강하가 일어나면 시험을 멈추는 방식으로써, 50mV의 전압강하를 1개 층이 단락되는 현상 으로 갈음하는 시험이다<그림 1(b)>.
두 가지 시험의 의도는 모두 금속이물질 혼입, 리튬금속석출 또는 전극배열 불량에 따른 내부단락 발생 에도 불구하고 열폭주까지 이르지 않는 강건한 셀 설계를 할 것을 제조사에 요구하고자 하는 것이다.
상기의 시험방법들은 그 정확도와 실제상황 모의정도를 높이기 위한 노력이 지속되고 있으며, 향후 보다 개선된 방법의 제안이 이뤄질 예정이다.
② 화재전이(Propagation) 저항성 검증 방법
셀 내부단락시험을 시행하기 어려운 경우에는 그 셀로 구성된 모듈 또는 전지팩의 화재전이 시험을 실시한다. 해당 시험의 의도는 셀의 내부단락이 발생했을 때, 셀 스스로가 강건하게 설계되지 못해 열폭주로 이어졌을 경우에도 모듈 또는 전지팩의 폭발로 이어지지 않는지 여부를 확인하는 것이다.
한 셀의 의도적인 열폭주를 위해서는 과충전, 관통, 가열 또는 레이져 중 한 가지 방법을 사용할 수 있으며 두 개 이상의 복합적인 방법을 함께 사용할 수 있다. <그림 2>는 이 중 가열에 의한 열폭주 유도후 전지 모듈의 화재전이 여부를 평가하는 시험장면을 나타낸 것으로 모듈을 구성하는 한 셀의 외곽에 필름히터를 부착한 후 가열해 열폭주를 시켜 주변 셀로의 열전달에 의한 열폭주 전이 또는 화재전 이가 이루어지는지의 여부를 확인하는 방식이다.
4. 맺음말
리튬이차전지는 성능의 우수성 덕분에 자동차 시동용을 제외한 거의 모든 전기 이동 장치(e-mobility)를 비롯해 전자기기 및 ESS에 응용되고 있다. 하지만 열적 불안전성으로 인한 안전사고가 지속되는 등 소비 자를 화재사고로부터 자유롭게 하기에는 아직 시간이 필요해 보인다.
국내에서는 전문연구진의 오랜 노력으로 셀의 안전성 개선이 상당 부분 이뤄졌고, 보호기구의 설계로 전지팩의 안전성을 확보하는데 성공했다. 하지만 셀 내부로부터 발생하는 내부단락 현상의 명확한 규명과 이를 막기 위한 보호대책은 여전히 진행 중이다.
국내 이차전지연구의 대부분은 에너지밀도를 높여 전지의 사용시간을 연장하는데 집중돼있는 것이 사실 이다. 당연히 이러한 노력은 필요하며 바람직한 방향이지만, 안전성 개선을 위한 연구개발의 비중을 보다 증가시킬 필요성은 충분하다고 판단된다. 리튬이차전지를 사고의 위험성으로부터 자유롭게 함으로써 소비자가 보다 안심하고 사용할 수 있게 된다면, 미래 모빌리티 사회가 더 빠른 시기에 열릴 수 있을 것으로 생각된다.
리튬이차전지 관련 표준
성능평가 표준
IEC 61960-3 Secondary cells and batteries containing alkaline or other non-acid electrolytes – Secondary lithium cells and batteries for portable applications – Part 3:
Prismatic and cylindrical lithium secondary cells, and batteries made from them (리 튬이차전지 셀 및 배터리의 성능평가방법)
IEC 61960-4 Secondary cells and batteries containing alkaline or other non-acid electrolytes – Secondary lithium cells and batteries for portable applications – Part 4:
Coin secondary lithium cells, and batteries made from them (코인형 리튬이차전지 셀및 배터리의 성능평가방법)
IEC 62660-1 Secondary lithium-ion cells for the propulsion of electric road vehicles – Part 1:
Performance testing (전기자동차용 리튬이차전지 셀 및 배터리의 성능평가방법)
IEC 62620 Secondary cells and batteries containing alkaline or other non-acid electrolytes – Secondary lithium cells and batteries for use in industrial applications (산업용 리튬이차전지 셀 및 배터리의 성능평가방법)
안전성평가 표준
IEC 62133-2 Secondary cells and batteries containing alkaline or other non-acid electrolytes – Safety requirements for portable sealed secondary cells, and for batteries made from them, for use in portable applications – Part 2: Lithium systems (리튬이차전지 셀 및 배터리의 안전성 평가방법)
IEC 62660-3 Secondary lithium-ion cells for the propulsion of electric road vehicles – Part 3: Safety requirements (전기자동차용 리튬이차전지 셀 안전성 평가방법)
IEC 62619 Secondary cells and batteries containing alkaline or other non-acid electrolytes – Safety requirements for secondary lithium cells and batteries, for use in industrial applications (산업용 리튬이차전지 셀 및 배터리의 성능평가방법)