1.개요
리튬이온 배터리는 외부 가열 및 과충전에 의한 열폭주(Thermal Runaway)현상에 의해 연쇄적 폭발과 독성가스의 생성을 발생시킨다.
최근에는 화성 일차전지 제조 업체에서 화재.폭발로 인하여 23명의 사상자가 발생하였으며, 이 사고를 계기로 관리 및 대응에 관한 안전대책이 보다 상세히 연구되어야 할 것으로 판단된다.
2. 리튬이온의 구성
(1)양극:리튬이온 배터리의 용량과 전압을 결정하는 역할
-리튬의 경우 화학적으로 불안정하여 리튬 산화물을 양극에 사용(활물질)
(2)음극:전자를 도선으로 내보내는 역할
-양극에서 리튬이온을 받아 저장하였다가 외부회로를 통해 전류를 흐르게 하고, 다시 리튬이온을 양극으로 보냄.
(3)전해액:리튬이온을 이동시키는 역할
-전해액 내에는 염, 용매, 기타 첨가제가 함유되어 있음.
(4)분리막:양극과 음극이 서로 섞이지 않도록 물지적으로 차단하는 역할
-리튬이온만 이동할 수 있도록 함.
3. 리튬의 열폭주(Thermal Run-away) 현상
(1)리튬이온 배터리는 외부의 가열 및 과충전에 의해 내부에서 높은 고열을 발생하고 그 영향으로 과압이 형성된다.
1차적인 안전조치는 과압을 배출할 수 있는 Safety Cap에 의해 발생된 증기가 배출되지만, 분해가 지속될 경우 배터리의 폭발로 이어질 수 있다.
(2)열폭주의 가속화 영향
1)SEI(Solid Electrolyte Interphase) 분해
-양극에서 음극으로 리튬이온이 전해액을 통해 이동 시 전해액 내 첨가물과 부반응을 일으킨다. 이것을 SEL-고체의 얇은 막을 형성하게 되는데 열폭주 시 SEL이 분해되어 열폭주에 영향을 준다.
2)전해액(Di-Methyl Carbonate (DMC)와 Di-Ethyl Carbonate (DEC)는 인화점이 각각 18℃, 25℃)
-전해액은 인화점이 60℃이하인 인화성 물질을 취급하는 것으로 알려져 있으며, 열폭주 시 높은 증기압 발생으로 과압 형성과 폭발위험영향이 상존한다.
3)분리막 용융
-분리막의 소재는 PE 또는 PP의 합성수지 계열로 고열 발생 시 유리전이온도 이상으로 녹게 만든다. 용융될 경우 양극과 음극, 전해액, SEL의 부반응 등으로 열폭주가 심해지며 연쇄적 폭발과 함께 독성가스를 방출한다고 알려져 있다.
4. 열폭주(Thermal Run-away) 현상에 따른 발생 가스
(1) 전해액 내에는 염, 용매, 첨가제 등에 의해 열폭주에 의한 과열 시 독성가스를 방출한다.
-CO, CO2, H2, C2 H4, CH4, C2 H6, C3 H6 7가지 가스가 대표적이며, 그 외에도 HF, POF3가스가 발생하지만 미미한 것으로 알려져 있다.
(2) CO, CO2, H2의 가스발생량 85% 차지
5. 리튬이온 배터리 취급 시의 안전조치
(1) 조치 감지 가능한 가스감지기 설치
-CO계열 또는 H2 감지기 설치(경보기능 및 주기적인 검교정 실시)
(2) 불꽃 감지기 설치
(3) 적응성이 있는 소화기 설치(금속분말용 소화기)
-주수소화 시 발화 촉진 및 인화성 가스 발생하여 화재, 폭발 위험성 증가
(4) 비상조치계획에 따른 근로자 대피 훈련 및 물질 위험성 교육
(5) 보관, 취급 시 최소량으로 관리(근로자 상주지역 내 최소화)
(6) 건축물 내 비상대피로 확보 및 관리