티스토리 뷰
리튬이온 배터리는 화재 사고에 취약한 것일까? 이는 리튬이온배터리는 구조적으로 배터리분리막을 사이에 두고 양극괴 음극이 나눠지는데 이 필름의 일종인 분리막은 고분자화합물로 얇은 플라스틱막으로 되어있어 충격으로 손상되는 경우 음극,양극이 물리적으로 만나 폭발하기 때문이다. 분리막이 얇을 수록 이온의 이동이 쉽고 빨라 배터리 출력을 높일 수 있고, 충전 시간을 줄여 줄 수 있기 때문에 분리막이 얇아 물리적 손상에 취앾하다.
리튬(Lithium)은 알칼리 금속에 속하는 화학 원소로, 기호는 Li 이고 원자 번호는 3이다.
배터리 분리막:
배터리(이차 전지)는 양극재, 음극재, 분리막, 전해액의 4가지 핵심 물질로 구성이 되며, 양극재와 음극재의 이온화에 의한 산화 · 환원 반응으로 전류가 생성된다. 양극재와 음극재가 물리적으로 접촉하여 화학 반응을 일으키면 화재가 발생 할 수 있기 때문에, 필름의 일종인 분리막을 사용하여 이 둘 사이를 분리 한다. 분리막은 충전과 방전이 이루어지는 동안에 전극 간 이동이 일어나는 통로 역할도 하기 때문에 배터리 성능 및 안전에 매우 중요한 역할을 한다. 얇은 분리막 일수록 이온의 이동을 쉽고 빠르게 하여 배터리 출력을 높일 수 있고, 충전 시간을 줄여 줄 수 있다. 그러나 자동차용 배터리는 고온의 환경에 노출될 수 있기 때문에 내열성이 높은 분리막을 만드는 것이 기술 개발의 핵심이다.
스마트폰의 배터리는 리튬이온 베터리로 양극판과 음극판을 분리하는 분리막이 있다. 리튬이온전지는 리튬이온이 음(-)극에서 전해질과 분리막을 지나 양(+)극으로 흐르며 전류를 만들어냅니다. 다 쓴 배터리를 충전기에 꽂으면 양극으로 넘어간 리튬이온이 다시 음극으로 넘어가 재사용할 수 있게 된다.
고온 및 단락전류에 따른 리튬배터리의 폭발 및 화재 위험성에 관한 연구.pdf
KC_62133_휴대용_밀폐_2차전지_안전기준(최종)
배터리가 비정상적인 환경, 즉 화재나 충격, 열 폭주(thermal runaway; 熱暴走) 등에 이르러 화재ㆍ폭발ㆍ누출이 발생하는 경우 핵심이 되는 배터리의 핵심적 구성요소는 다름 아닌 ‘전해질(electrolyte)’이다.
이 전해질과 관련해 가장 중요한 건 현존하는 거의 모든(일반적으로 전부라도 봐도 무방할 것 같다) 리튬-이온 배터리의 전해질은 ‘육불화인산리튬(LiPF6)’이라는 물질이다.
앞서 언급했던 것처럼 소방청 내부 전기차나 ESS 관련 지침 등 관련 자료를 모두 찾아봐도 ‘육불화인산리튬’에 관한 직접적인 언급은 찾아볼 수 없었다.
이 글에서 모든 핵심적인 반응식이나 불산 발생에 관한 주요 쟁점은 ‘육불화인산리튬’으로부터 시작된다. 이건 필자 본인의 대단한 발견이 결코 아니다. (https://www.fpn119.co.kr/167757)
충전식 손난로 안전실태 조사 - 한국소비자원 kca_report_20181231 (kca.go.kr)
휴대기기용 배터리 안전사고 사례분석 및 예방대책.pdf (ciss.go.kr)
리튬이온및리튬폴리머배터리의폭발과화재위험성에관한연구.pdf
리튬이온 배터리의 과충전으로 인한 화재발생 위험성이 실험을 통해 증명됐다.
경기도북부소방재난본부는 11일 오후 3시 양주소방서 야외 훈련장에서 ‘2016년도 경기북부 화재 재연실험 시연회’를 열고, 이 같은 사항을 검증해냈다.
이번 실험은 노트북, 휴대폰 등 각종 휴대용 전자기기에 에너지원으로 사용되는 리튬이온 배터리의 과충전 시 배터리 내부의 위험요소를 분석, 발화되기까지의 과정을 연구하는데 목적을 뒀다.
실제로, 리튬이온 배터리는 니켈 카드뮴 배터리에 비해 무게가 가볍고, 용량이 3배 이상 높다. 또, 자연방전 현상이 적은 탓에 비교적 오래 사용할 수 있는 장점이 있어 휴대용 전자제품에 많이 쓰이고 있다.
이날 본부는 그간의 과거 연구분석 결과들을 토대로 실험을 설계, 공인인증기관인 한국기계전기전자시험연구원 선임연구원의 지도하에 실제 재연실험 세트장을 구성하고 실물화재 재연실험을 진행했다.
실험 조건으로 자체 제작한 리튬이온 배터리에 컷오프 전압 20V, 5A의 전류를 약 3분간 흘려보내는 방식을 취했다.
실험 결과, 리튬이온 배터리가 과충전될 경우 먼저 배터리 내부 음극(-) 표면에 화학 반응성이 높은 금속리튬이 석출(析出), 수지상(나뭇가지모양)의 형태로 자라나는 것이 발견됐다.
아울러, 양극(+) 구조 내에서는 산소를 방출, 전지 내의 전해액 분해를 일으켜 가연성 가스를 발생시키고, 결국 배터리 표면이 부풀어 발화하는 현상이 일어나는 것으로 확인됐다.
김일수 도 북부소방재난본부장은 “최근 급속충전의 필요성으로 인해 일부 인터넷 카페를 중심으로 미인증 배터리 충전기의 사용이 증가하고 있는 상황”이라며, “이 같은 미인증 충전기는 허용전류 이상을 공급할 수 있어 화재의 우려가 높다. 따라서 인증제품 사용 등 각별한 주의가 요구된다.”고 당부했다.
한편, 북부소방재난본부에서는 이번 연구 결과에 대한 논문을 오는 11월 국민안전처 주관으로 개최 예정인 ‘전국 화재조사 심포지엄’에 출품할 예정이다.
리튬배터리의 특징 및 보호회로의 기능
리튬배터리는 전해액을 전해질로 사용하는 전지로서 음극에서 양이온이 빠지면, 음극의 전자가 양극으로 이동한다. 이때 전류가 흐르며, 양극에서는 양이온전자와 화학반응을 일으킨다. 또한 충전 시에는 양이온이 반대로 움직이고, 위 처리과정이 역방향으로 진행된다. 일반적으로 리튬이온 배터리는 체적에너지 밀도가 높고 충전의 효율성이 대단히 높아 2차전지중
가장 널리 사용되기 있지만, 역으로 에너지 밀도가 높은 관계로 과 충전, 과 방전, 과전류, 쇼트 시 배터리를 보호 할 수 있는 안전성이 보장된 보호회로가 반드시 있지 않으면 폭발의 위험성이 존재하게 된다.
이에비해 리튬 폴리머 배터리는 폴리머 전해질을 사용하는 전지로서 리튬이온전지보다 얇고 폭발 위험이 적은 충전지이다. 리튬 이온 전지보다 더 안정적이며,가볍고, 다양한 형상으로 제작할 수 있는 이유로 상대적으로 가격이 더 고가이만, 점차 그 사용이 늘어나는 추세이다. 아울러 폭발 위험성, 전해질의 누액 현상, 자연 방전, 메모리 효과가 거의 없어 편리하다는장점도 있다. 리튬폴리머 전지는 리튬이온전지에 비해 상대적으로 폭발 위험성이 적은 편이지만 리튬이온전지와 마찬가지로 과 충전, 과 방전, 과전류, 쇼트 시리튬폴리머 배터리를 보호하는 기능을 가진 보호회로가 반드시 있어야만 한다.
출처: kci.go.kr
리튬이온및리튬폴리머배터리의폭발과화재위험성에관한연구
전기차의 보급계획이 2016년 12,000대에서 2022년 350,000대로 확대됨에 따라 폐배터리의 발생량도 급증 할 것으로 예상된다. 현재 폐배터리 반납과 폐자동차에 대한 재활용 방법 및 기준은 규정되어 있으나, 전기차의 리튬이차전지 폐배터리 재활용 과정에서 발생할 수 있는 폭발의 위험성과 전기 안전사고 발생등에 대한 예방책의 통합적인 관리체계가 부재한 상황이다
환경부의 각종 용역 보고서나 관리 지침에 따르면 대기환경법 58조 5항에 따라 폐배터리를 반납 받는 주체는 지방자치단체로 규정하고 있으나, 폐배터리를 회수하기 위해서는 항온?항습과 화재시 리튬이온 배터리에 특정화된 방폭 장치 등의 보관시설이 필요하지만, 현실적으로 사회적 비용과 시간이 필요하다는 이유로 3년 내외에는 필요시 전기자동차의 제조사나 전문기관에 폐배터리의 회수 및 보관 등을 위탁하자는 의견들이 개진 되고 있다.
전기차 폐배터리의 안정성 논란은 끊임없이 이어지고 있으며, 특히 탈거와 보관 단계에서 안전 확보의 필요성이 대두되고 있다. 액체 또는 겔타입 전해질을 쓰는 리튬이온전지는 특성상 발화 및 폭발의 위험성, 낮은 내충격성 등 안전성에 대한 태생적인 한계를 가지고 있으며, 열 폭주로 인하여 LCO(리튬코발트), LFP(리튬인산철) 등의 양극 활물질이 사용된 리튬이차전지가 폭발했을 때 20~200mg/Wh 범위 내에서 플루오르화 수소(HF; Hydrogen Fluoride)가 방출될 수 있다. 해당 물질의 위험 기준치가 0.025g/㎥인 점을 감안할 경우 밀폐 혹은 반 밀폐 된 장소에서 가스 배출시 심각한 위험을 끼칠 수 있다
리튬이차전지의 이러한 특성이 반영된 관리방안(탈거 및 보관 방법)이 부재하므로 폐배터리의 안전 취급을 위한 지침 마련이 시급한 상황이다. 전기차 배터리의 경우 100kg 이상인 경우가 대부분이며, 무게는 곧 폭발력에 비례한다. 손상 혹은 파손 등으로 인해 전해질이 누출될 경우 위험은 더욱 커지며, 파손된 배터리는 전해액을 처리한 후 보관하여야 한다.
파손된 폐배터리의 안정성 확보를 위하여 일정 환경에 보관될 수 있는 지침이 필요하며, 이 같은 폐리튬이차전지가 안고 있는 위험 요소들을 안전한 장소, 적정한 장비 및 시설, 전문 인력의 진단 및 해체 과정이 진행될 수 있도록 가이드라인 필요하다고 본다.
보관단계에서 독성 및 폭발위험이 있는 폐유독물질을 함유한 리튬이차전지는 염수방전 및 저온보관을 통하여 안정화 시킨 후 항온?항습설비와 방폭기능을 갖춘 시설에 보관하여야만 발생할 수 있는 위급한 상황을 사전에 방지할 수 있다.
'생활 TIP' 카테고리의 다른 글
| 2023년_한장으로 알아보는 공휴일 요약 (0) | 2022.12.31 |
|---|---|
| 2023년 국가공무원 복무제도 개선 사항 (0) | 2022.12.31 |
| 정전기 없애는 법 10가지 (0) | 2022.12.29 |
| 공인중개사 시험 문제 풀이 001 영속성 (0) | 2022.12.28 |
| 다이어트의 비법 및 방법 (0) | 2022.12.24 |