최근 신에너지 자동차의 자연발화 사고가 빈번히 발생하고 있으며, 리튬 배터리는 '열폭주'로 자주 헤드라인을 장식하고 있다. 데이터에 따르면 2021년 중국의 신에너지 자동차 대수는 784만 대에 이르렀고 전국적으로 화재 사고가 3000건 발생했다.
순수 전기차의 경우, 배터리 '열 폭주'로 인한 사용자의 주행 불안과 폭발 문제가 업계 내에서는 늘 관심의 대상이었다. 열관리 시스템의 효율성과 배터리 열관리 성능 역시 재충전 주행거리와 배터리 안전성에 직접적인 영향을 미친다.
전국 자동차 보유 및 자연발화사고 기준으로 계산하면, 연료자동차의 연소사고는 1만대당 연간 2~4건 정도인 반면, 신에너지자동차의 연소사고는 0.9~1.2건 정도이다. 그러나 둘 사이의 화재 원리와 결과로 볼 때 신에너지 자동차의 '유해성'은 더욱 높다. 리튬 배터리를 장착한 순수 전기차는 열폭주 후 열을 방출해 단시간에 합선이 발생해 화재가 발생하고, 배터리 내부의 화재가 연쇄반응을 일으켜 차 안에 있는 사람들의 탈출 시간이 매우 성급해진다. 또한 리튬 배터리의 화재도 더욱 위험합니다. 한편, 화재 온도가 높기 때문에 화재가 진압된 후에도 냉각시키기 위해 많은 양의 물이 필요합니다. 반면, 리튬 배터리는 파손된 후 다시 발화될 위험이 있습니다.
리튬 배터리 열 폭주 메커니즘
리튬 이온 배터리의 열 폭주에서 발생하는 화학 반응은 복잡하고 연속적인 과정으로 하루아침에 이루어지지 않고 전체 과정에서 단계적으로 진행됩니다.
리튬 이온 배터리의 위험 원인은 일반적으로 다음과 같은 이유로 배터리 내부의 발열 반응이 폭주하기 때문입니다.
(1) 과충전 : 사양에 맞지 않는 동작을 하는 경우. 예를 들어, 리튬 이온 배터리가 과충전되면 양극 재료는 리튬 탈리 반응을 계속 진행하여 전해질이 산화 및 분해되어 많은 열을 방출하고 열 폭주 위험이 크게 증가합니다.
(2) 피어싱 : 리튬 이온 배터리는 장기간 사이클링하는 동안 음극 표면에 리튬 수지상 돌기를 생성하며, 그 중 일부는 떨어져서 '죽은 리튬'을 형성하고, 다른 하나는 계속 성장하여 분리막을 관통하여 배터리 단락을 초래합니다.
(3) 고온 : 전해질 용매는 모두 가연성 탄산염 및 카르복실산염 유기 용매로, 고온, 고압에서 산화 분해되어 많은 열을 방출하여 열 폭주를 초래합니다.
(4) 고전압 : SEI(고체 전해질 상 경계면) 필름의 형성이 불안정하고 고전압 하에서 분해되어 열을 방출합니다.
(5) 외력에 의한 손상 : 진동, 압출, 충돌, 화재 등의 외력에 의해 손상되면 배터리 구조 붕괴, SEI 필름 찢어짐, 전해액 누출, 내부 단락 등의 문제가 발생할 수 있습니다.
배터리 자체의 자연 발화 외에도 격렬한 충돌, 돌출, 넘어짐 등의 외부 요인으로 인해 내부 부품의 단락이 발생하여 자연 발화될 수도 있다고 할 수 있습니다. 위의 반응은 독립적으로 진행되지 않으며, 어느 시점에서는 여러 반응이 동시에 발생할 가능성이 높다는 점은 주목할 가치가 있습니다.
