단단할 것이다

Jul 02, 2023

열 폭주 및 관련 배터리 화재는 고객, 배터리 설계자 및 전기 자동차 제조업체에게 중요한 관심사임이 입증되었습니다. 많은 차량에서 배터리 화재가 발생했으며 수십만 대가 리콜되었습니다. 이러한 사건은 드물지만 매우 심각할 수 있으므로 차량 내부 및 주변 사람들에게 최대한의 안전을 제공하는 것이 중요합니다. 일반적인 질문은 곧 출시될 전고체 배터리 기술이 더 안전하고 열 관리 및 방화 재료가 필요하지 않은지 여부입니다.

IDTechEx의 새 보고서 "고체 및 폴리머 배터리 (2023-2033년): 기술, 예측, 기업"에서는 전고체 배터리의 기술, 기업, 안전성 및 채택을 살펴봅니다.

언뜻 보면 전고체 배터리는 다양한 안전상의 이점을 제공합니다. 가연성 액체 전해질을 제거하고 불연성 고체 전해질로 대체할 수 있습니다. 또한 일반적으로 작동 온도 창이 더 넓기 때문에 잠재적으로 셀 과열을 통한 열폭주 발생 가능성이 낮아집니다. 외부 가열 불량으로 인해 발생하는 열도 일반적으로 감소합니다.

그러나 이것이 전체 이야기를 말해주지는 않습니다. 전고체 배터리라는 용어는 실제로 다양한 배터리 기술을 의미합니다. 어떤 경우에는 배터리가 이온 교환(반고체)을 위해 액체 성분을 계속 사용하는데, 이는 휘발성 성분이 여전히 존재한다는 의미입니다. 일부 고분자 고체 전해질은 완전히 가연성이 아니며 시스템이 충분히 뜨거워지면 전해질이 녹을 수 있습니다.

2022년 파리의 대중교통 운영업체는 두 번의 버스 화재 이후 전기 버스 149대를 일시적으로 철수했습니다. 여기에 사용된 셀은 LFP 양극, Li 금속 양극 및 고체 고분자 전해질을 갖춘 배터리를 사용한다고 명시되었습니다. 공급업체는 자사의 배터리를 "액체 성분, 니켈, 코발트가 전혀 없는 완전 고체"라고 설명합니다.

또 다른 예는 2022년 Sandia National Laboratories에서 전고체 배터리, 고체 배터리의 안전성을 비교한 시뮬레이션 기반 연구(Hewson et. al., Joule, Vol.6, Issue 4, 742-755)에서 나왔습니다. - 양극에 액체 전해질을 첨가한 상태의 배터리와 기존의 액체 기반 리튬 이온 배터리. 이번 연구에서는 외부 가열 고장의 경우 소량의 액체 전해질을 사용하는 전고체 배터리가 일반 리튬 이온 배터리보다 열을 적게 발생하지만 전고체 배터리보다 더 많은 열을 발생시키는 것으로 나타났습니다. 단락 오류의 경우 방출되는 열은 셀 용량에만 의존합니다. 전고체 배터리는 에너지 밀도가 높을 수 있으므로 더 많은 열이 발생할 수 있습니다. 일반 리튬 이온 배터리에 대해 언급되는 일반적인 열폭주 온도는 약 1000~1200oC입니다. 이 연구의 일부 시나리오에서는 전고체 배터리의 온도 상승이 거의 1800oC에 도달했습니다.

전고체 배터리 개발은 아직 진행 중이지만 대부분의 경우 전고체 배터리가 더 안전할 수 있다는 점을 시사합니다. 하지만 어떤 배터리 시스템도 100% 안전할 수는 없습니다. 따라서 팩 외부로 화재 전파를 지연시키기 위해 최종 층을 제공하려면 열 관리 및 방화 재료가 항상 필요합니다.

솔리드 스테이트에 사용되는 방화 재료의 종류는 기존 리튬 이온 배터리에 사용되는 것과 대체로 유사하며, 셀의 폼 팩터(원통형, 각형, 파우치) 및 팩의 전체 디자인은 더 커집니다. 재료 선택에 영향을 미칩니다. 오늘날 수동 방화에 일반적으로 사용되는 재료로는 운모 시트, 세라믹 블랭킷, 캡슐화 폼, 난연성 코팅 등이 있습니다. 에어로겔은 시장에서 주목을 받고 있으며 팽창성 코팅 및 상변화 물질과 같은 옵션에 대한 관심도 높아지고 있습니다.

이러한 재료 중 다수는 1500oC 이상의 온도를 처리하는 데 어려움을 겪습니다. 그러나 최종 목표는 전파를 완전히 중단하는 것이 아니라 가능한 한 오랫동안 지연시키는 것입니다. 고온 성능 외에도 이러한 재료는 점점 더 셀 적합성, 압축 성능 및 비용과 같은 다른 기능을 처리해야 합니다. 화재 안전에 대한 관심이 높아짐에 따라 빠르게 성장하는 EV 시장은 방화 재료에 대한 다양한 기회를 제시할 것이며 고체 상태와 같은 대체 배터리 기술에 의해 제거되지는 않을 것입니다.