배터리 기술이 전기차, 스마트폰, 재생에너지 저장 장치 등 다양한 분야에 필수적 요소로 자리 잡으면서 배터리 안전성이 중요한 화두로 떠오르고 있습니다. 배터리 내부에서 발생할 수 있는 발화와 폭발 위험은 사용자와 기업 모두에게 큰 위협이 되며, 이에 따라 안전성을 향상하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 이 글에서는 배터리 안전성을 높이기 위한 주요 기술적 접근법과 연구 동향을 살펴보겠습니다.
배터리 안전성의 주요 위험 요소
배터리 안전성에 영향을 미치는 주요 위험 요소는 크게 과충전, 과열, 내부 단락이 있습니다. 특히 리튬이온 배터리는 높은 에너지 밀도를 가지고 있어 과충전이나 외부 충격으로 인한 열 폭주(thermal runaway)가 발생할 수 있으며, 이는 배터리 내부 온도가 급격히 상승해 화재로 이어질 수 있습니다.
- 과충전 및 과방전
과충전 시 배터리 내 화학 반응이 불안정해지며, 과도한 리튬 금속이 축적되어 발화 위험이 증가합니다. 반면, 과방전은 배터리 내부 구조에 손상을 일으켜 배터리 성능과 수명을 급격히 줄입니다. - 과열 및 열 폭주
배터리 내부의 전해질이 고온에서 분해되면서 가스를 발생시키고, 이에 따른 압력 증가로 인해 폭발이 발생할 수 있습니다. 충전 시나 고출력 방전 시 발생하는 열을 효과적으로 방출하지 못하면 열 폭주가 일어날 가능성이 큽니다. - 내부 단락 및 덴드라이트 형성
충·방전 과정에서 리튬이온이 불균형적으로 배치되면 덴드라이트(나뭇가지 모양의 리튬 결정)가 형성되며, 이는 배터리 셀 내부의 단락을 일으켜 화재나 폭발을 초래할 수 있습니다.
배터리 안전성 향상을 위한 기술적 접근
- 고체 전해질을 사용하는 전고체 배터리
전고체 배터리는 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용해 안전성을 대폭 향상시키는 기술입니다. 고체 전해질은 액체 전해질에 비해 발화 위험이 낮고, 열 폭주를 방지하는 데 효과적입니다. 일본, 한국, 미국 등의 주요 배터리 기업들은 고체 전해질을 통해 덴드라이트 형성을 억제하고, 배터리의 안전성을 강화하는 연구를 활발히 진행하고 있습니다. - BMS(배터리 관리 시스템) 강화
BMS는 배터리의 상태를 실시간으로 모니터링하고, 과충전, 과방전, 과열을 방지하여 배터리의 안전성을 관리하는 시스템입니다. 최근 AI를 이용해 배터리의 열화 상태를 예측하고, 위험 상황을 사전에 경고하는 기능이 강화되고 있습니다. BMS는 특히 고속 충전이 필요한 전기차 배터리에서 필수적인 요소로 자리 잡고 있으며, 배터리 수명도 연장하는 역할을 합니다. - 첨단 열 관리 시스템
배터리의 온도를 일정하게 유지하기 위한 냉각 시스템은 안전성을 유지하는 데 매우 중요합니다. 현재 전기차와 ESS에서 사용되는 첨단 열 관리 시스템은 공기 또는 액체 냉각 방식을 사용해 배터리 셀의 온도를 조절합니다. 특히 고출력 배터리의 경우 냉각 시스템이 효과적으로 작동해야 열 폭주를 방지하고 안전성을 보장할 수 있습니다. - 난연성 전해질
전해질은 배터리의 화학 반응을 촉진하는 주요 요소로, 고온에서 쉽게 발화할 수 있습니다. 이를 방지하기 위해 난연성 전해질이 개발되고 있으며, 이는 기존의 유기 용매 대신 불연성 물질을 사용해 열 폭주 시 발화 위험을 낮춥니다. 이로 인해 전기차와 같은 고온 환경에서도 배터리의 안전성을 강화할 수 있습니다. - 나노 소재를 이용한 전극 강화
음극과 양극의 물질 강도를 강화하기 위해 나노 소재가 사용되고 있습니다. 예를 들어, 나노 실리콘 입자를 포함한 음극은 리튬 금속의 불균형적인 팽창을 막아 덴드라이트 형성을 억제하고, 내부 단락 위험을 줄입니다. 나노 소재를 이용하면 전극 구조가 강화되며, 충격이나 외부 압력에 더 강한 배터리를 만들 수 있습니다.
배터리 안전성 향상 연구 동향 및 사례
주요 배터리 제조사와 연구기관은 배터리 안전성을 높이기 위한 다양한 연구를 진행하고 있습니다.
- 테슬라
테슬라는 배터리 셀의 구조를 개선하고, 4680 배터리 셀과 같은 새로운 셀 설계를 통해 안전성을 강화하고 있습니다. 테슬라는 또한 BMS 기능을 고도화해 배터리 상태를 실시간으로 모니터링하고, 온도와 충전 속도 조절을 통해 안전성을 최적화하고 있습니다. - LG에너지솔루션
LG에너지솔루션은 고체 전해질 기반 전고체 배터리 기술에 대한 연구를 진행 중이며, 덴드라이트 문제를 해결하기 위한 음극 개선 기술에도 집중하고 있습니다. 또한, AI 기반 BMS를 통해 배터리의 열화 상태를 예측하고, 예방 조치를 사전에 취하는 연구를 통해 배터리의 장기적인 안전성을 확보하려고 합니다. - 퀀텀스케이프(QuantumScape)
미국의 퀀텀스케이프는 전고체 배터리 상용화를 목표로 연구 중이며, 고체 전해질을 통해 배터리 안정성을 높이는 데 집중하고 있습니다. 이 회사는 고체 전해질의 이온 전도성을 높여 배터리 성능과 안전성을 동시에 확보하려는 목표를 가지고 있습니다. - CATL
중국의 CATL은 난연성 전해질과 고온 안정성 음극을 개발하여, 고온에서도 안전하게 작동할 수 있는 배터리 기술을 연구 중입니다. CATL은 전기차용 배터리에서 발생할 수 있는 열 폭주 문제를 해결하기 위해 액체 냉각 시스템을 적용하고, 다양한 상황에서 안전성을 테스트하고 있습니다.
미래 전망
배터리 안전성은 전기차 및 에너지 저장 시스템에서 필수적인 요소로 자리 잡을 것입니다. 고에너지밀도 배터리와 고속 충전 기술이 발전함에 따라, 배터리 내부에서 발생하는 열과 전기적 불안정을 효과적으로 제어하는 기술이 더욱 중요해질 것입니다. 향후 전고체 배터리와 같은 차세대 기술이 상용화되면, 배터리 안전성 문제는 크게 개선될 것으로 기대됩니다.
결론
배터리 안전성은 배터리 기술 발전의 핵심 과제 중 하나로, 안전성을 높이기 위한 다양한 기술적 접근이 이루어지고 있습니다. 고체 전해질, BMS, 냉각 시스템, 난연성 전해질 등은 모두 배터리의 발화와 폭발 위험을 줄이고, 사용자와 환경의 안전을 보장하기 위한 중요한 기술입니다. 앞으로 배터리 안전성이 개선됨에 따라, 전기차와 에너지 저장 장치의 보급이 가속화되고, 탄소 배출 감소와 환경 보호에 기여할 것입니다.