전기차 화재의 열 폭주 메커니즘이 규명됨. '자가증폭루프'

위 그림은 자가증폭루프로 인한 급격한 온도 상승을 묘사한 내용으로

서울대 조수근 박사 (현 포항방사광가속기 연구소),

서성재 박사과정 연구원 (공동 1저자)은 급격히 온도가 치솟는 열폭주의

반응 메커니즘인 ‘자가증폭루프’를 최초로 밝혀내는데 성공 했다는 내용을

국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈 (Advanced Materials)’에 발표함.

- 내용 요약

전기차에서 화재가 나면, 배터리의 온도가 수 초 안에 1000 °C 가

넘게 치솟는 ‘열 폭주’ 현상이 발생해 대형 참사로 이어질 수 있다.

전기차 안전 문제는 본격적인 전기차 시대에 앞서 해결해야만 하는

가장 큰 이슈 중 하나로 특히 국내 이차전지 업체들이 가장 핵심적으로

추진하는 하이니켈 양극재는 용량이 크지만 열 안정성이 낮은 단점이 있어,

열폭주에 더 취약하며, 화재·폭발을 예방하기 위한 연구가 더욱 필요하다.

하지만, 수 초 안에 일어나는 열폭주의 특성상 메커니즘의 분석 난이도가

매우 높을 뿐 아니라, 배터리셀 안의 물질들이 화학적으로 어떻게 반응하는지

확인하는 것은 방법론적으로도 매우 어렵다. 때문에 순식간에 온도가 치솟게

되는 ‘열폭주’ 메커니즘은 지금까지도 제대로 연구가 진행되지 못 했었다.

본 연구팀은 방사광 가속기 기반 X선 회절 기법을 활용하여

배터리셀 내부에서 화학종 교환 반응을 관찰했다.

온도에 따른 자가증폭루프 메커니즘을 설명한 그림.

연구팀은 양극재와 흑연 음극 사이의 화학종 교환에서 중대한 발열 반응이 야기되는 것을 발견했고, 이로 인해 생성물이 반응물을 또 다시 만들어내는 ‘자가증폭루프’ 때문이라는 사실을 밝혀냄. (좌측 그림) 그리고 자가증폭루프’에 의해 생성된 산소와 이산화탄소가 음극 표면에 석출 된 리튬과 반응하며 급격한 온도 상승에 중대한 기여를 하고 있음을 발견했음. (우측 그림)