리튬이온 배터리가 '폭발'하는 5가지 이유

Creator: UCSD Jacobs School of Engineering - David Baillot

소비자의 기대에 부응하기 위해 휴대전화를 비롯한 각종 디바이스는 얇고 작게 그리고 배터리가 오래가도록 진화했다. 하지만 소형화를 실현시킨 리튬이온 배터리에는 다양한 위험이 도사리고 있다.

리튬이온 배터리가 뉴스의 헤드라인을 장식하고 있다. 최근에는 비행기에서 헤드폰이 폭발한 사건이 주목을 받고 있다. 그 외에도 삼성 'Glaxy Note 7'의 두 차례에 걸친 리콜이나 호버보드의 배터리에 관한 심각한 문제가 보도되고 있다.

리튬이온 배터리 자체가 위험한 것이라고 인식해두는 것이 좋다. 배터리 내부는 섬세하고 이상발열로 이어져 쉽게 발화될 수 있다. 산소에 접하는 것만으로도 실제 발화하고 내부의 액체는 사람의 피부를 까맣게 타게 할 수 있는 위험한 화합물도 섞여 있다.

Li ion battery from a laptop computer. https://commons.m.wikimedia.org/wiki/File:Li_ion_laptop_battery.jpg

성숙하고도 불안정한 기술

그럼 왜 그런 것을 사용하는 것일까? 그 이유는 리튬이온 배터리의 에너지효율이 엄청나게 높기 때문이다. 기업이 방대한 에너지를 작은 패키지 안에 넣음으로써 스마트폰과 노트북도 하루종일 사용할 수 있게 되었다.

처음 상용화된 충전식 리튬이온 배터리는 약 25년 전에 소니가 핸디캠에 사용한 것이라고 한다. 현재는 전세계에 몇십 개의 배터리 공급업체가 존재한다. 리튬이온 전지는 매우 성숙한 기술인 것이다.

그러나 다른 많은 성숙한 기술과는 달리 그 불안정성은 증가하고 있다. 사람들이 용량이 더 크고 더 슬림한 패키지에 더 저렴한 배터리를 요구하고 있기 때문이다.

리튬이온 배터리가 무의식적인 스포트라이트를 받게 된 요인은 많지만 그 중 가장 일반적인 5가지를 살펴보자.

◆ 이유 1 : 제조상의 결함
단순하게 생각하면 폭발한 모든 배터리는 제조방법에 뭔가 문제가 있는 것 같다. 그러나 삼성 'Galaxy Note 7'의 사건 이 보여주는 것처럼 특정 문제를 파악하려고 시도하는 것은 그리 쉬운 일이 아니다.

삼성 자사의 배터리를 탑재한 스마트폰에 관한 최초의 리콜에서는 배터리를 보호하는 케이스와 내부의 전극 사이에 충분한 공간이 없었다는 것을 알 수 있었다. 압박을 받은 결과 일부 배터리의 전극이 휘어져 쇼트를 일으킨 것이다.

문제의 휴대전화가 리콜되었으나 타사의 '안전한' 배터리를 탑재한 대체 디바이스에서도 다른 문제가 발생한 것으로 보아 전혀 다른 원인으로 인한 것이라고 생각된다.

◆ 이유 2 : 설계상의 미비
최근 디바이스의 대부분은 최대한 얇고, 가볍고, 스마트하게 되도록 설계되어 있다. 특히 작은 본체에 대용량 배터리를 탑재한 것이라면 튼튼하지 않으면 큰 피해가 초래될 수 있다. 배터리 주변에서 발생한 물리적 압력은 전극 및 세퍼레이터에 타격을 주고 단전을 초래할지도 모른다.

또 환기와 온도관리가 불충분하면 배터리 내부의 가연성 전해질의 발열을 일으킬 수 있다. 일단 그것이 지나치게 뜨거워지면 화학반응이 더욱 활발해져 발열을 거세질지도 모른다. 열폭주라는 상황은 종종 폭발 또는 발화라는 결과를 초래한다. 그리고 일단 산소에 닿으면 더 큰 폭발이 일어날 것이다.

◆ 이유 3 : 사용자가 준 데미지
디바이스가 제대로 설계되어 있었더라도 떨어뜨리거나 장시간 사용하면 불안정한 전원에게 데미지를 줄 수 있다. 당신의 배터리가 손상을 받았는지 여부를 알 수 있는 최선의 방법은 배터리가 부풀어 올랐는지를 보는 것이다. 그것은 화학반응으로 인해 가스가 생성되었다는 증거이다.

그 팽창 자체가 커버에 압박되어 파열이나 화재로 이어질 가능성도 있다. 불행히도 현재 대부분의 휴대폰은 내부에 배터리가 봉인되어 있어 알아보기 위해 분해하면 보증대상에서 제외된다. 만약 휴대전화의 외부케이스가 벌어지고 비정상적으로 뜨거운 경우에는 조심스럽게 다루고 점검받는 것이 최선책이다.

◆ 이유 4 : 충전기로 인한 문제
휴대전화를 집에 두고 가고 싶다면 저렴한 무상표의 충전케이블을 사용하기 전에 잘 생각하는 편이 좋다. 이러한 케이블과 전원어댑터가 싼 데는 이유가 있다. 있을 수 없는 정도의 낮은 가격을 실현하기 위해 제조업체는 종종 제품의 절연체를 줄이고 안전에 관한 법률을 회피하며 전원관리 기능을 생략하고 있다. 이런 제품은 감전사와 충전기 폭발, 큰 화재로 이어질 수 있다.

◆ 이유 5 : 업계의 압력과 시장경쟁
만약 기업이 배터리 1개마다 약간의 금액을 억제할 수 있으면 그것을 수천만, 수백억 규모의 이익으로 전환할 수 있다. 그 결과 많은 리튬이온 배터리 제조업체가 배터리의 가격을 낮추기 위해 가장 손쉬운 방법을 취한다. 절연체 및 품질관리 비용을 줄이는 것이다. 그 소재는 이미 얇은 세퍼레이터에 손상을 줄 수 있는 결함이 있을지도 모른다.

그것들이 호버보드 화재의 주요 원인이었을 가능성이 높다. 시판된 최초의 모델은 고가였지만, 인기의 높아짐에 따라 저렴하고 내용물이 싸구려인 복제품이 만들어졌다. 크라우드펀딩과 저렴한 부품은 가전업계를 민주화했지만 비용의 감소는 종종 안전을 대가로 이루어진 경우가 많다.

출처 참조 번역
· Wikipedia
· リチウムイオンバッテリーが「爆発」する5つの理由
https://wired.jp/2017/04/01/dont-blame-batteries/