리튬이온 배터리는 왜 폭발할까

2016.09.13. 09:26:37

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최근 갤럭시노트7 등 스마트폰 리튬이온 배터리가 폭발하는 사고가 발생했다. 하지만 배터리가 자칫 잘못하면 어떤 큰 사고를 일으킬 수 있는지에 대해서는 잘 알려져 있지 않다.

사실 리튬이온 배터리에 사용되는 재료는 항상 폭발 위험 상태라고 할 수 있다. 이론적 상한치 90%에 달하는 것으로 알려져 있는 현재 리튬이온 배터리는 높은 에너지 밀도, 배터리 셀 안에 갇혀 있는 상태라는 점 때문에 일단 문제가 발생하면 안에 있던 에너지가 한꺼번에 방출되어 버린다.

리튬이온 배터리 내부는 양극과 음극이라는 전극 2개와 이들 전극이 접촉되지 않게 절염하기 위한 구분자, 전해질 등으로 이뤄져 있다. 리튬이온 배터리는 양극 소재에 리튬 산화물을 이용해 전력의 원천인 리튬이온을 생성하는 구조다. 리튬이온 배터리가 충전될 때에는 내부에선 리튬이온이 음극에서 양극으로 이동해 에너지가 축적된다. 그리고 배터리에서 전력을 꺼낼 때에는 양극에서 음극으로 리튬이온이 이동해 전류가 발생한다.

이 때 내부에는 전자, 그러니까 이온을 이동시키기 위한 물질인 전해질이 있다. 또 전극 2개가 직접 닿아 높은 에너지를 방출해버리는 사태를 막기 위한 절연재, 세퍼레이터가 있다. 요즘 시끄러운 갤럭시노트7 배터리는 이런 절연재에 결함이 있는 것이다. 그 탓에 전극 2개가 직접 닿아버리는 탓에 단번에 전류가 발생하면서 폭발로 이어지는 것.

리튬이온 배터리를 안정적으로 동작시키는 데 중요한 건 온도 관리와 과충전 방지다. 모두 안전에 직결되는 문제인 만큼 리튬이온 배터리에는 수많은 제어 관련 기술이 들어간다. 전자가 이동하는 전해질은 열에 민감한 특성이 있어 강한 전류가 흐르거나 한낮 차량처럼 고온 환경에 노출된 상태에서 전자가 이동하면 화학 반응이 일어나 가스나 열이 발생한다. 이 열이나 화학 반응이 일어나면 리튬이온 배터리는 폭주 상태가 되고 최악의 경우 폭발, 화재가 발생한다.

스마트폰이나 카메라처럼 리튬이온 배터리를 탑재한 기기는 본체 온도가 너무 높으면 자동으로 전원을 끄는 기능이 탑재되는 것도 이런 이유다. 이런 기능은 리튬이온 배터리의 폭주를 막기 위해 내장한 보호 기능인 것이다.

또 과충전은 배터리에 축적되는 용량을 초과하는 에너지를 보낼 때 발생한다. 마치 양동이에 물을 넣다가 넘쳐 버리는 것과 같다. 리튬이온 배터리는 양극으로 이동하는 리튬이온이 너무 많으면 이 같은 현상이 발생한다. 이럴 때에는 충전 속도를 느리게 한다고 해서 과충전을 방지할 수는 없다. 충전 전류를 차단하는 방법 밖에 없다.

따라서 리튬이온 배터리는 항상 충전된 용량을 모니터링하는 기능을 갖추고 있다. 이를 통해 항상 제대로 된 배터리 잔량을 파악하는 것이다. 밤새 스마트폰을 충전기에 연결해도 스마트폰 리튬이온 배터리는 충분히 충전되면 자동으로 충전을 멈추는 안전장치를 내장하고 있다.

배터리가 방전되는 모습은 고무줄이 늘어나거나 줄어드는 모습과도 같다. 충전은 고무줄을 손으로 길게 늘여 에너지를 모으는 것과 같고 방전은 손을 떼서 고무줄이 줄어드는 것과 같다는 것. 고무줄을 계속 이렇게 줄이거나 늘이는 과정을 반복하다 보면 언젠가는 깨질 수 있는, 그러니까 과충전에 손상되어 버릴 수 있다는 것.

과충전 외에도 충전 속도를 빠르게 해주는 급속 충전 역시 리튬이온 배터리에 손상을 주는 요인이 될 수 있다. 제대로 디자인한 리튬이온 배터리라면 상황에 따라 최적의 충전을 실시하는 구조다. 하지만 너무 빨리 충전되어 버리면 배터리 재료 표면에 금이 가는 증상이 발생한다. 부자연스러운 충방전을 반복하면 소재 표면에 돌기 모양이 형성되면서 배터리 내부 회로가 쇼트되는 원인을 제공, 배터리가 폭발을 일으키는 결과를 초래할 수도 있다.

더 많은 에너지, 전압을 높이는 것도 배터리에 손상을 줄 수 있다. 전압은 힘의 힘을 나타내는 것으로 전위차라고도 한다. 폭포 낙차가 클수록 힘이 강해지듯 전압이 커질수록 전류의 힘은 강해진다. 에너지가 잘 저장되어 있을 때에는 물론 문제가 없지만 일단 문제가 터지면 더 강한 힘으로 에너지를 방출하기 때문에 큰 사고로 이어질 수 있다.

이런 사고를 막기 위해 재료 개선을 계속되고 있다. 높은 열을 가해도 가스가 발생하기 어려운 전해질로 이온성 액체 재료를 개발하기도 한다. 리튬이온 배터리는 어떤 면에선 높은 에너지를 담아 빠르게 방출할 수 있는 물체라는 점에서 어떤 물질로 만들어도 잠재적으론 폭탄 같은 것이라고도 할 수 있다. 배터리 기술은 지금까지 꾸준히 진화해왔지만 안전성을 높이는 노력이 계속되어야 할 이유다. 물론 불법 개조를 한 배터리를 사용하지 않는 등 사용자 역시 위험을 피할 수 있는 방법을 미리 염두에 둘 필요가 있다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.