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1. 머리말

  리튬이차배터리는 수명이 길고, 휴대성이 우수하며, 에너지 저장 밀도가 높기 때문에 스마트폰, 카메라, 노트북 및 드론 등을 비롯한 소형 전자기기에서부터 전기자동차, 에너지 저장장치(Energy storage system) 등 중대형 전기장치까지 많이 사용되고 있다.

  리튬이차배터리에는 액체전해질을 사용하는 리튬이온 배터리와 고체 또는 젤(Gel) 상태의 중합체(폴리머)를 전해질로 사용하는 리튬폴리머 배터리가 있다. 리튬폴리머 배터리는 리튬이온 배터리와 달리 견고한 금속 외장을 사용할 필요가 없고, 용도에 따라 다양한 크기와 모양으로 제조할 수 있으며 3 mm 이하 두께로 제작이 가능하고, 무게도 30% 이상 줄일 수 있다. 특히 제조공정이 리튬이온 배터리에 비하여 간단하여 대량생산이 가능하며, 전기자동차에 쓰일만한 대용량배터리도 만들 수 있다.

  반면에 리튬이차배터리는 에너지 저장 밀도가 높아 외부충격, 과충전 등 사용상의 부주의와 배터리 또는 보호회로 불량 등 제조상의 결함에 의해 화재 및 폭발사고가 발생하고 있다.

  <표 1>에서 보는 것처럼, 지난 5년간 배터리/축전기로 인한 화재건수는 보급률에 따라 2012년부터 2015년까지는 완만하게 증가세를 이어가다가 2016년에는 2015년보다 34건 증가한 74건(189.74%)으로 집계되었다. 또한 전체 화재건수 중에 전기적인 원인으로 인한 화재건수는 지난 5년간 120건(57.97%)으로 전체 화재건수에 절반이상을 차지하였다.

<표 1> 발화관련기기에 대한 전기설비 중 배터리/축전기의 지난 5년간 화재건수

	구분		계	전기적	기계적	화학적 요인	가스 누출	부주의	기타	미상
2012년	전기 설비	배터리/ 축전기	23	15	4	1	0	1	1	1
2013년			30	17	6	1	0	1	5	0
2014년			41	23	8	3	1	2	0	4
2015년			39	21	7	2	0	6	3	0
2016년			74	44	15	5	0	6	2	2

  본 연구에서는 리튬이온 배터리보다 에너지 효율이 높고 전해질 누액으로 인한 화재 또는 폭발위험이 거의 없는 리튬폴리머 배터리를 선정하여 과충전, 과방전 및 외부충격 등 화재로 이어질 수 있는 여러 가지 상황을 재현하였다. 도출된 위험성과 문제점 등은 화재안전점검과 화재조사 등에 기초자료로 활용할 수 있을 것이다.

2. 리튬폴리머 배터리의 구조 및 원리

  [그림 1]에서 보는 것처럼, 리튬폴리머 배터리는 리튬이온의 공급원이고 전기화학적 변화에 구조가 안정하며 전극전위가 높은 등의 양극과 리튬이온 금속에 비해 용량은 작으나 안전성이 확보된 탄소계 음극, 리튬이온의 이동경로인 등의 전해질, 양극과 음극의 단락을 방지하는 분리막(Separator)으로 구성되어 있다.

3. 리튬폴리머 배터리의 발화위험성

가. 리튬폴리머 배터리의 실험장치

나. 리튬폴리머 배터리의 실험방법 및 결과

(1) 과충전 시 발화위험성

(가) 보호회로(PCM, Protect circuit module)가 설치된 경우

1) 실험방법

  과충전 시 발화위험성을 확인하기 위해 보호회로가 설치된 4,000 ㎃h 리튬폴리머 배터리에 전압 7.4 V, 전류 6.0 A로 설정한 리튬폴리머 충전기를 접속한 후 충전하였다.

2) 실험결과

  [그림 3]에서 보는 것처럼, 리튬폴리머 배터리를 충전하기 시작한 지 40초 만에 충전이 완료되었다는 ‘FULL’ 신호와 함께 충전이 종료되었다. 리튬폴리머 배터리의 충전하기 전 전압은 3.82 V, 충전 후 전압은 3.997 V로 각각 측정되었는데, 리튬폴리머 배터리의 완충 전압은 보통 4.1 V ~ 4.15 V이므로 리튬폴리머 배터리가 완충되기 전에 보호회로에 의해 회로가 차단되면서 리튬폴리머 배터리를 보호하였다.

(나) 보호회로(PCM)가 설치되지 않은 경우

1) 실험방법

  과충전 시 발화위험성을 확인하기 위해 보호회로를 제거한 4,000 ㎃h 리튬폴리머 배터리에 전압 7.4 V, 전류 6.0 A로 설정한 리튬폴리머 충전기를 접속한 후 충전하였다.

2) 실험결과

  [그림 4]에서 보는 것처럼, 충전이 시작된 지 4분 후 리튬폴리머 배터리는 스웰링(Swelling, 부풀어 오름)으로 인해 마치 풍선처럼 부피가 팽창하였다. 8분에는 리튬폴리머 배터리의 내부 압력이 리튬폴리머 배터리 케이스의 밀폐압력보다 커지면서 열분해가스가 분출되기 시작하였으며, 8분 30초에는 스파크가 발생하면서 8분 40초에 착화되었다.

  리튬이온의 이동경로인 전해질( 등)에는 리튬이온이 함유되어 있어 리튬폴리머 배터리가 일정한 속도로 충전 또는 방전이 되도록 유지하는데, 리튬폴리머 배터리의 과충전으로 인해 양극에서 탈리(Deintercalation)된 리튬이온이 증가하게 되고, 증가된 리튬이온이 음극에 삽입(Intercalation) 되지 못하고 음극 표면에 쌓이게 되면서 전해질 내 리튬이온의 농도를 증가시키게 된다. 리튬이온의 농도가 증가되면서 음극 표면에서 성장된 수지상 조직(Dendritic Structure)이 분리막을 뚫고 양극과 접촉하면서 단락(Short circuit)이 발생하며, 이때 생성된 열분해가스의 압력이 리튬폴리머 배터리 케이스의 밀폐 압력보다 커지면서 열분해가스가 분출되기 시작하고, 유입된 산소에 의해 리튬폴리머 배터리 내부가 급속하게 열분해 되면서 화재가 발생한 것으로 보인다.

(2) 과방전 시 발화위험성

(가) 보호회로가 설치된 경우

1) 실험방법

  과방전 시 발화위험성을 확인하기 위해 보호회로가 설치된 4,000 ㎃h 리튬폴리머 배터리에 과부하 상태를 가정하여 1.5 V DC모터 30개(이하 “DC모터 부하”라 칭함)를 병렬로 접속하였다.

2) 실험결과

  리튬폴리머 배터리에 DC모터 부하를 병렬로 접속하였으나 보호회로에 의해 회로가 차단되면서 DC모터 부하는 작동하지 않았다. 리튬폴리머 배터리의 전압은 제조사마다 상이하나 보통 2.7 V~ 3.0 V 이하로 내려가면 리튬폴리머 배터리 내부 셀이 손상되어 수명이 단축되므로 보호회로를 설치하고 있다.

(나) 보호회로가 설치되지 않은 경우

1) 실험방법

  과방전 시 발화위험성을 확인하기 위해 보호회로를 제거한 4,000 ㎃h 리튬폴리머 배터리와 7,300 ㎃h 리튬폴리머 배터리에 과부하 상태를 가정하여 각각 DC모터 부하를 병렬로 접속하여 실험하였다.

2) 실험결과

  [그림 5]에서 보는 것처럼, 7,300 ㎃h 리튬폴리머 배터리에 DC모터 부하를 병렬로 접속한 지 약 10분 후에 DC모터 부하는 정지하였으며, 리튬폴리머 배터리는 스웰링으로 인해 마치 풍선처럼 부피가 팽창하였다. 리튬폴리머 배터리의 두께는 과방전 전 5.91 ㎜에서 과방전 후 16.05 ㎜으로 약 2.71배 부피가 증가하였다.

  [그림 6]에서 보는 것처럼, 7,300 ㎃h 리튬폴리머 배터리에 DC모터 부하를 병렬로 접속한 지 약 20분 후에 DC모터 부하는 정지되었으며, 리튬폴리머 배터리는 스웰링으로 인해 마치 풍선처럼 부피가 팽창하였다. 리튬폴리머 배터리의 두께는 과방전 전 9.82 ㎜에서 과방전 후 10.67 ㎜으로 약 1.08배 부피가 증가하였다.

  리튬폴리머 배터리는 과부하로 인해 전류가 증가하고 증가된 줄열(Joule heat)에 의해 리튬폴리머 배터리 내부 온도가 높아지게 되고, 높아진 온도에 의해 전해질이 기화되면서 부피가 팽창하였다. 4,000 ㎃h 리튬폴리머 배터리는 과방전 시 리튬폴리머 배터리 케이스가 손상되면서 부피는 수축되지 않았다.

(3) 외부충격 시 발화위험성

(가) 실험방법

  외부충격 시 발화위험성을 확인하기 위해 송곳을 사용하여 리튬폴리머 배터리(3.7 V, 7,300 ㎃h) 표면에 충격을 가하였다.

(나) 실험결과

  [그림 7]에서 보는 것처럼, 송곳을 사용하여 리튬폴리머 배터리 표면에 충격을 가하자마자 리튬폴리머 배터리의 내부 압력이 리튬폴리머 배터리 케이스의 밀폐압력보다 커지면서 열분해가스가 분출되기 시작하였으며, 11초 후에 착화되었다.

  송곳에 의해 양극과 음극이 접촉되면서 단락이 발생하고, 이때 생성된 열분해가스의 압력이 리튬폴리머 배터리 케이스의 밀폐 압력보다 커지면서 열분해가스가 분출하기 시작하고, 유입된 산소에 의해 리튬폴리머 배터리 내부가 급속하게 열분해 되면서 화재가 발생한 것으로 보인다.

4. 맺음말

가. 리튬폴리머 배터리 및 리튬폴리머 충전기는 국가통합인증마크(KC mark, Korea certification mark) 등의 안전성 인증을 받은 제품을 구매해야 한다.

나. 리튬폴리머 배터리는 에너지 저장밀도가 높기 때문에 제조상의 결함 또는 사용상의 부주의 의해 화재 또는 폭발위험이 있으므로 과충전, 과방전, 과전류 및 단락전류 차단 등 보호회로가 설치된 리튬폴리머 배터리 및 보호회로 기능이 있는 리튬폴리머 충전기를 구매하여야 한다.

다. 리튬폴리머 배터리는 외부충격에 의해 케이스[파우치 필름(Nylon-Al-Polyolefin계)]가 손상되어 수분이 침투되거나 양극과 음극인 단락 되어 화재가 발생할 수 있으므로 리튬폴리머 배터리는 하드케이스로 보호된 제품을 구매하는 것이 좋다.

라. 리튬폴리머 배터리의 사용 또는 충전하기 전, 리튬폴리머 배터리의 외관 상태(스웰링, 손상 등), 사용 전압, 보호회로 기능 이상 유무 등을 반드시 점검해야 한다.

[두산백과] 리튬폴리머 배터리
국민안전처 국가화재정보센터의 화재현황통계(2012. 1. 1. ~ 2016. 12. 31.)
http://blog.naver.com/costek2007/100041464569 게시된 그림을 바탕으로 수정함