하나의 배터리 셀에서 발생한 열은 어디까지 영향을 미칠까요? 배터리는 여러 개의 셀(Cell)이 모듈(Module)을 이루고, 여러 모듈이 결합해 팩(Pack)으로 구성됩니다. 각 셀이 서로 가까운 위치에 배치되는 만큼, 특정 셀에서 비정상적인 열이 발생하면 그 영향이 인접한 셀로 이어질 가능성을 고려해야 합니다. 이 때문에 열폭주 자체를 예방하는 것뿐만 아니라, 발생한 열이 주변으로 확산되지 않도록 제어하는 기술도 중요하죠.
이를 위해 적용되는 안전 기술이 바로 ‘TP(Thermal Propagation, 열전파) 방지 기술’입니다. 이번 용어사전에서는 배터리 열폭주와 열전파가 무엇인지, 이를 막기 위해 어떤 기술이 적용되는지 살펴보겠습니다.
배터리 열폭주(TR)란 무엇인가요?
‘TP(Thermal Propagation, 열전파)’ 현상을 이해하기 위해서는 먼저 TR(Thermal Runaway, 열폭주) 현상을 살펴볼 필요가 있습니다. 배터리 열폭주는 배터리 셀의 온도가 상승하면서 내부에서 발열(Exothermic) 반응이 일어나고, 이 과정에서 발생한 열이 다시 온도를 높여 연쇄적으로 발열을 일으키는 현상입니다.
열폭주는 매우 드물게 발생하지만, 한 번 발생하면 배터리의 안전성에 영향을 줄 수 있는데요. 그렇다면 하나의 셀에서 발생한 열폭주는 주변 셀에 어떤 영향을 미칠까요?
배터리 열전파(Thermal Propagation, TP)는 무엇이고, 어떻게 발생하나요?
배터리 열전파(Thermal Propagation, TP)는 하나의 셀에서 발생한 열폭주의 영향이 인접한 셀로 전달돼, 주변 셀에서도 열폭주를 유발할 수 있는 현상입니다. 열폭주가 개별 셀 내부에서 발생하는 현상이라면, 열전파는 그 영향이 주변 셀로 이어지는 현상이라고 볼 수 있습니다.
열폭주로 발생한 열이 전달되면 인접 셀의 온도도 상승하고, 경우에 따라 연쇄적인 열폭주로 이어질 수 있습니다. 따라서 배터리 시스템에서는 열폭주를 예방하는 기술뿐만 아니라, 열폭주가 발생하더라도 다른 셀로 전파되지 않도록 제어하는 기술도 중요합니다.
TP 방지 기술은 어떤 역할을 하나요?
TP 방지 기술(Thermal Propagation Prevention)은 하나의 셀에서 열폭주가 발생하더라도 열과 부산물이 인접 셀로 확산되는 것을 억제해, 연쇄적인 열전파로 이어지는 것을 막는 역할을 합니다.
배터리는 이상 상황에 단계적으로 대응할 수 있는 방어체계를 갖추고 있는데요. 1차 방어선에서는 열폭주가 발생하지 않도록 이상 징후를 미리 예측하고 예방하는 기술이 적용되며, 2차 방어선에서는 이미 발생한 열이 주변 셀로 퍼지지 않도록 막는 TP 방지 기술이 적용됩니다.
즉, 열폭주의 발생 가능성을 낮추는 예방 기술과 함께, 열폭주가 발생한 이후에도 그 영향이 주변 셀로 확산되지 않도록 제어하는 TP 방지 기술을 적용해 배터리의 안전성을 높이는 것입니다.
TP 방지 기술에는 어떤 종류가 있나요?
TP 방지 기술은 열이 다른 셀로 확산되지 않도록 구조적·소재적으로 설계된 안전 기술로, 목적에 따라 여러 방식으로 구현되는데요. 크게 열이 인접 셀로 전달되는 것을 억제하는 방식과 열폭주 과정에서 발생한 부산물이 주변 셀로 확산되는 것을 막는 방식으로 나눌 수 있습니다.
1. 열 전달을 억제하는 기술
- 열 차단재 적용: 셀 사이에 세라믹이나 실리콘 패드 등을 적용해 셀 간 열전도를 줄이고, 열이 전달되는 속도를 늦춥니다.
- 셀 간격 및 공기층 확보: 셀 사이에 일정한 간격을 두어 공기층을 형성하고, 복사열이 퍼지는 속도를 완화합니다.
- 상변화 물질(PCM, Phase Change Material)1 적용: 열을 받으며 녹는 과정에서 열을 흡수해 배터리의 온도 상승 속도를 늦춥니다.
- 냉각 시스템 적용: 공기 흐름 등을 활용해 배터리 내부의 열을 분산시킵니다.
2. 열폭주 부산물의 확산을 억제하는 기술
- 배기 통로(Venting Channel) 적용: 열폭주 과정에서 발생한 가스나 입자를 빠르게 외부로 배출해 주변 셀로의 영향을 줄입니다.
- 난연성 첨가제 적용: 전해질에 난연성 첨가제를 혼합해 열 반응의 확산을 억제합니다.
- 셀 구획 구조(Cell Clustering) 적용: 셀을 구역 단위로 나누는 구조(Cell Clustering)를 적용해 열이 한 구역에서 다른 구역으로 확산되는 것을 물리적으로 차단합니다.
LG에너지솔루션의 TP방지 기술은?
LG에너지솔루션은 배터리 안전 기술 연구를 위해 다방면으로 노력하고 있습니다. 특히 TP 방지 분야에서는 TP를 사전에 감지하고 예방하기 위해 다양한 진단 기술 개발에도 주력하고 있습니다.
1. 리튬 석출(Lithium Plating) 진단 기술: TP의 주요 원인 중 하나인 리튬 석출을 조기에 감지하는 기술입니다. 전류(Pulse) 신호와 전기 신호 분석법인 임피던스(EIS, Electrochemical Impedance Spectroscopy) 분석을 통해 셀 내부에서 일어나는 변화를 세밀하게 파악합니다.
2. EIS(Electrochemical Impedance Spectroscopy) 기술: 셀의 임피던스 변화를 활용해 온도를 예측하고 이상 징후를 조기에 탐지합니다. 이 기능은 BMIC(Battery Management IC)에 통합되어 실시간으로 셀 상태를 모니터링합니다.
3. 센싱 기술: 기체 및 압력 센서를 통해 셀 내부 반응을 직접 감지하여 안전성을 높입니다.
이처럼 LG에너지솔루션은 다양한 진단 기술을 통해 배터리의 이상 징후를 조기에 파악하고, TP로 이어질 가능성을 낮추기 위한 안전 기술을 지속적으로 강화하고 있습니다.
핵심 Q&A
Q. 배터리 열폭주란 무엇인가요?
배터리 열폭주(Thermal Runaway, TR)는 셀 내부의 발열 반응으로 발생한 열이 다시 온도를 높여 연쇄적으로 발열을 일으키는 현상입니다.
Q. 배터리 열전파란 무엇인가요?
배터리 열전파(Thermal Propagation, TP)는 하나의 셀에서 발생한 열폭주의 영향이 인접한 셀로 전달돼, 주변 셀에서도 열폭주를 유발할 수 있는 현상입니다.
Q. 열폭주와 열전파는 어떻게 다른가요?
열폭주는 개별 배터리 셀 내부에서 발생하는 현상이며, 열전파는 열폭주의 영향이 인접한 셀로 이어지는 현상입니다.
Q. TP 방지 기술은 어떤 역할을 하나요?
TP 방지 기술은 열폭주로 발생한 열과 부산물이 인접한 셀로 확산되는 것을 억제해 연쇄적인 열전파를 막는 배터리 안전 기술입니다.
Q. TP 방지 기술에는 어떤 종류가 있나요?
열 차단재와 상변화 물질, 냉각 시스템 등으로 열 전달을 억제하는 기술과 배기 통로, 난연성 첨가제, 셀 구획 구조 등으로 열폭주 부산물의 확산을 막는 기술이 있습니다.
배터리 안전성을 높이기 위해서는 열폭주의 발생 가능성을 낮추는 기술과, 열폭주가 발생한 이후 주변 셀로 열이 전파되지 않도록 제어하는 기술이 함께 필요합니다. LG에너지솔루션은 리튬 석출 진단과 EIS, 센싱 등을 통해 배터리의 이상 징후를 조기에 파악하는 ‘선제적 안전 기술’을 강화하고 있는데요. 앞으로도 관련 기술을 지속적으로 고도화하며 배터리에 대한 신뢰를 더욱 높여 나가겠습니다.
- 상변화 물질(Phase Change Materials, PCM) : 고체 → 액체, 액체 → 기체 또는 그 반대의 상변화 과정에서 온도가 거의 일정한 상태로 유지되면서, 많은 양의 잠열을 흡수하거나 방출할 수 있는 물질. ↩︎
