청라 아파트 화재 뿐만 아니라 이전부터 계속해서 전기차 화재 사고가 계속 발생하고 있습니다. 지속적으로 발생되고있는 전기차 배터리에 의한 화재·폭발 사고가 위험한 이유는 전기차 화재 사고가 나면, 배터리의 온도가 수 초 안에 1000 °C 가 넘게 치솟는 ‘열 폭주’ 현상이 발생해 대형 참사로 이어질 수 있습니다.
오늘은 전기차 화재 원인 및 전기차 배터리 종류에 대해서 알아보도록 하겠습니다.
전기차 화재 원인
특히 국내 2차 전지 업체들이 가장 핵심적으로 추진하는 하이니켈 양극재는 용량이 크지만 열 안정성이 낮은 단점이 있기 때문에, 열폭주에 더 취약하며, 따라서 화재·폭발을 예방하기 위해 열폭주 메커니즘의 비밀을 밝혀내는 것이 더욱 필요하다.
하지만, 급격히 온도가 올라가며 불이 붙어버리는 열폭주의 특성상 메커니즘 분석 난이도가 매우 높다. 그리고 전극과 전해질이 배터리셀 안에 가두어져 있기 때문에 열폭주 도중 어떠한 화학반응이 셀 내부에서 일어나는지 이해하는 것은 난제였다. 때문에 순식간에 온도가 치솟게 되는 ‘열폭주’ 현상이 예상보다 더 심하게 나타나는 것 또한 풀지 못한 숙제였다.
서울대 연구팀의 발표에 따르면 급격히 온도가 치솟는 열폭주의 반응 메커니즘인‘자가증폭루프’를 최초로 밝혀내는데 성공 했다고 발표했다.
연구팀은 방사광 가속기 기반 X선 회절 기법을 활용하여 배터리셀 내부에서 화학종 교환 반응을 관찰했다. 연구팀은 양극재와 흑연 음극 사이의 화학종 교환에서 중대한 발열 반응들이 야기됨을 발견했고, 이것이 생성물이 반응물을 또 다시 만들어내는 ‘자가증폭루프’ 때문임을 밝혀내었다 [그림 2 (좌)]. 게다가 이 ‘자가증폭루프’에 의해 생성된 산소와 이산화탄소가 음극 표면에 석출 된 리튬과 반응하며 급격한 온도 상승에 중대한 기여를 하고 있음을 발견했다 [그림 2 (우)].
이를 바탕으로 연구팀은 음극 표면의 리튬과 ‘자가증폭루프’에 의해 생성된 산소와 이산화탄소의 반응을 막을 수 있는 고품질 알루미나 코팅법을 개발하여, 배터리셀 내에서 일어나는 열폭주를 성공적으로 억제해 내었다 [그림 3]. 이를 응용하면 하이니켈 양극재를 주력으로 추진하는 우리나라 기업들의 경쟁력을 높일 수 있을 것으로 기대된다.
그동안 이차전지 분야는 공학계열의 연구가 주요한 성능향상을 이끌어 왔음. 그러나 더 이상 공학적인 관점만으로는 배터리의 성능 개선에 한계가 다가오고 있다는 관점이 대두되고 있음. 특히 자연과학적인 메커니즘 이해가 차세대 고성능 배터리의 발전에 필요하다고 여겨지고 있음. 이런 가운데 본 연구는 자연대 화학부에서도 산업계에서 주목하고 있는 차세대 이차전지분야의 발전에 큰 기여를 하여 공학적으로 풀지 못한 이차전지 분야의 문제를 해결했다는 것에 큰 의미가 있음. 지금까지 놓쳐왔던 혁신을 자연과학을 통하여 보여줄 수 있음을 보여준 예시임.
전기차 배터리 종류
전기차 배터리는 전기차의 주행을 위한 중요한 부품 중 하나로서, 내부에는 양극과 음극, 전해질, 그리고 수소화 물질 등이 함유되며 전기가 축적되어 전기차의 동력원이 되는 것입니다.
전기차 배터리는 전기차의 주행거리, 속도, 충전 시간 등을 결정하는 중요한 요소이며, 최근에는 배터리용량 증대와 함께 전기차 배터리의 대용량화, 경량화 등 기술적인 발전이 이루어지고 있습니다.
전기차 배터리 종류별 소재
전기차 배터리에는 다양한 소재가 사용되며 그중 가장 많이 사용되는 것은 리튬이온 배터리입니다.
리튬 이온 배터리는 용량이 크고, 높은 충전효율과 방전효율, 그리고 경제성이 좋은 것으로 알려져 있습니다.
그 외에도 나노활성탄소, 나노구조물질, 세라믹 등의 소재가 사용되며 이러한 소재들은 전기차 배터리의 효율성과 안전성을 높여주는 역할을 합니다.
리튬이온 배터리
리튬이온 배터리는 대부분의 전기차에서 사용되는 배터리이며 용량이 크고, 경제성이 좋은 것으로 알려져 있습니다.
니켈-수소 배터리
니켈-수소 배터리는 수소와 니켈을 사용하여 전기를 생성하는 배터리이며 리튬 이온 배터리보다 더 많은 전기를 생산할 수 있지만, 높은 비용과 용량 감소 문제가 있습니다.
페닉스 배터리
페닉스 배터리는 안전성이 높고, 충전 시간이 짧아 대규모 전기차 산업에서 기대되는 배터리입니다.
특히, 온도 변화에 민감하지 않아 극한의 환경에서도 안정적으로 동작할 수 있습니다.
소금수 전지
소금수 전지는 전해질로 소금수를 사용하여 전기를 생산하는 배터리이며 리튬이온 배터리보다 용량은 적지만, 안전성과 가격이 우수하다는 장점이 있습니다.
금속-공기 배터리
금속-공기 배터리는 금속과 공기를 이용하여 전기를 생성하는 배터리이며 용량이 크고, 가볍고, 경제적이지만, 수명이 짧고 충전 시간이 오래 걸리는 단점이 있습니다.
리튬이온 배터리가 많이 사용되는 이유
대부분의 전기차는 리튬 이온 배터리를 많이 사용하고 있습니다.
전기차 제조사들이 사용하는 배터리를 살펴보면 다음과 같습니다.
- 테슬라: 리튬이온(NCA) 배터리
- 쉐보레 볼트: 리튬 이온(NCM) 배터리
- 현대자동차 아이오닉: 폴리머 리튬 이온(NCM) 배터리 – 기아 니로: 폴리머 리튬 이온(NCM) 배터리
- 일렉트릭 아이디어스 유니버설: 폴리머 리튬 이온(LFP) 배터리 – 루시드 모터스 에어: 폴리머 리튬 이온(NCM) 배터리 – 리베라 리베라: 폴리머 리튬 이온(LFP) 배터리
리튬이온 배터리는 현재 가장 일반적으로 사용되는 전기차 배터리 중 하나이지만 무조건은 아닙니다.
예를 들어, 도요타는 미래에는 수소 연료전지 차량을 사용할 것을 계획하고 있습니다.
일부 전기차 모델은 납-산화물 배터리, 나트륨-황 배터리, 나트륨-니켈 배터리 등과 같은 다른 유형의 배터리를 사용하기도 합니다.
하지만 메이저 제조사 대부분이 리튬 이온 배터리를 사용하는 이유는 다른 소재보다 높은 에너지 밀도를 가지고 있기 때문에 더 멀리 주행할 수 있고, 빠르게 충전할 수 있기 때문입니다.
전기차 배터리 수명
-리튬이온 배터리 : 2,000번의 충방전 주기를 견딜 수 있습니다. 시간이 지남에 따라 성능이 점차 감소할 수 있습니다. 약 15년 정도
-리튬인산철 배터리 : 3,000번 이상으로 매우 길어 장기간 사용이 가능합니다. 약 20년 정도
-니켈코발트 배터리 : 약 15년 정도의 수명을 가집니다.
-고체배터리 : 이론적으로 3,000번 이상의 충방전 주기를 견딜 수 있으며, 수명이 20년 이상일 것으로 예상됩니다.
전기차 배터리 관리를 위해서는 아래 사항에 주의해야 합니다.
- 사용 패턴: 잦은 고속 충전과 완전 방전은 배터리 수명을 단축시킬 수 있습니다.
- 온도: 극한의 온도, 특히 고온은 배터리의 열화를 가속화할 수 있습니다.
- 관리: 배터리 관리를 위해 제조사에서 제공하는 충전 규칙을 따르는 것이 중요합니다.