리튬 이온 배터리가 폭발하는 원인

Home - SCIENCE WAVE

 

 

리튬은 원소주기율표에서 수소, 헬륨 다음에 나오는 매우 단순한 구조를 가진 원자번호 3번인 물질이다. 리튬은 은백색 고체이지만 비중이 0.82에 불과한 물보다 가벼운 금속이며, 물을 만나면 곧 폭발할 정도로 거의 모든 물질과 화학반응을 잘 일으키는 성질이 있다. 특히 리튬 원자는 화학반응 때 3개의 전자 중에 최외각의 전자 1개를 쉽게 방출하여 전류가 되도록 하는 성질이 있다.

 

 

 

 

리튬은 공기와는 물론 다른 물질과 화학반응을 빨리 하여 폭발하듯이 불타기도 한다. 따라서 순수한 리튬은 진공 속이나 화학반응을 잘 하지 않는 불활성 액체인 케로신, 금속유 속에 저장한다. 오늘날 세계는 리튬 자원을 확보하기 위해 사막의 소금호수 등지에서 큰 자원전쟁을 하고 있다.

 

​

1차전지와 2차전지의 차이는?

전지는 화학에너지를 전기에너지로 바꾸어주는 참으로 편리한 발명품이다. 일반적으로 한번 사용하고 버리는 종류의 전지는 1차전지라 하고, 충전하여 몇 번이라도 재사용하는 전지는 2차전지라 한다.

​

재사용할 수 있는 2차 전지는 내부에서 일어나는 전류 발생 화학반응이 반대쪽으로도 일어날 수 있다. 2차전지는 여러 종류가 있다. 대표적인 2차전지는 자동차 배터리로 사용하는 납축전지(lead-acid battery)와 랩탑 컴퓨터, 휴대폰, 전기자동차 등에 사용하는 리튬-이온 전지(lithium-ion battery, li-ion battery)이다.

 

 

 

 

건전지와 손목시계를 동작시키는 작은 수은전지는 1차전지이다. 전지가 발명되기 전에는 발전소에서 보내오는 전류만 에너지로 사용할 수 있었다. 그러나 작은 공간에 전기를 저장해 두고 재충전할 수 있는 2차전지의 탄생은 인류의 삶을 극적으로 편리하게 변화시켰다. 1차, 2차전지의 용도와 사용량은 해마다 증가하고 있다. 다행히 그들의 가격은 현재까지 매년 내려가고 있다.

​

 

어디에나 들어있는 리튬-이온 전지

미국에서는 2015-17년 사이에 전자담배(e-ciga)가 폭발하여 입술과 턱에 화상을 입는 사고가 2,000여 건 발생했다고 한다. 이후 전자담배의 리튬-이온 배터리는 훨씬 안전하도록 개선되었다. 리튬-이온 배터리는 용도가 너무나 다양하다. 스마트폰, 랩톱 컴퓨터, 어린이 장난감, 어린이 옷. 전동 킥보드, 전자 공구(工具), 전기로 가는 자동차 등은 모두 재충전 전기에너지를 사용한다.

 

 

 

 

충전식 배터리를 장시간 켜두거나 과충전하면 열이 발생하여 불이 나고 폭발하는 경우가 극히 드물게 있다.

​

 

전기를 저장할 수 있는 것을 처음 증명한 첫 실험은 1745년에 독일의 클라이트스와 네덜란드 라이덴의 과학자 무셴브로크(Pieter van Musschenbroek 1692-1761)에 의해 거의 동시에 이루어졌다. 이후 패러데이, 벤자민 플랭클린, 갈바니, 볼타, 데니얼, 에디슨, 유레이 등의 과학자에 의해 여러 종류의 1차전지가 개발되어 왔다.

 

​

 

2차전지로 가장 중요하게 이용되는 리튬-이온 전지가 처음 사용된 시기는 1991년이다. 당시에 개발된 제품은 형태가 크고 출력도 약했지만 차츰 작고 큰 힘을 낼 수 있게 발전했다. 초기의 리튬-이온 전지는 랩톱 컴퓨터에 이용되었지만 자동차에 이용될 정도는 아니었다. 하지만 리튬-이온 전지는 2차전지로 큰 이점을 가지고 있었다. 우선 리튬이라는 원소는 워낙 가벼운 원소이기 때문에 전지를 여러 개 붙여 대형화하더라도 무게가 적었다.

 

 

 

 

영상은 리튬-이온 전지의 원리를 설명한다. 리튬-이온 배터리 내부에서는 화학변화에 의해 왼쪽 양극에서 전자가 나와 오른쪽 음극으로 가도록 되어 있고, 두 극 사이에는 액체 상태의 전해질(electrolyte)이 채워져 있다. 그림에서 자동차가 달리면 양극에서 음극으로 전자가 이동한다. 이 전지 내부에서는 전자가 음극에서 양극으로, 양극에서 음극으로 직접 이동할 수 없기 때문에, 전지 위에 적색과 흑색으로 표시된 전선을 따라 전자(황색 점)가 오고 간다. 에너지가 소모(방전放電)되었을 때 재충전을 하면, 오른쪽 음극에 모였던 전자가 전선을 따라 양극 쪽으로 되돌아가 재충전(recharge)된다. 이런 방전과 충전은 몇 번이라도 일어나게 만든 것이 리튬-이온 전지이다. 리튬-이온 전지는 양극 재료로 흑연을 사용하고, 음극은 리튬이 포함된 화합물을 쓴다. (자료: ScienceNewsExplores)

​

 

리튬-이온 전지는 왜 화재가 발생하는가?

리튬-이온 전지에 사용된 리튬은 화재를 일으킬 위험이 있는 물질이고, 전해액 자체도 가연성이 있는 유기화합물이다. 리튬-이온 배터리가 자동차에 이용될 정도로 고압 전류를 내고, 쉽게 재충전이 되는 것은 전해액의 성분 덕분이기도 하다.

​

 

리튬-이온 전지가 과열되면 전해액이 발화할 위험이 있다. 리튬-이온 전지의 화재와 폭발 사고의 주된 이유는 과충전되거나 과방전된 것이 원인이었다. 그래서 리튬-이온 전지 설계자들은 과충전과 과방전이 일어나지 않도록 컴퓨터 칩을 만들고 있다.

 

 

 

 

화재를 발생시키는 요인은 양극 재료인 리튬 금속에 있다. 어떤 사고로 리튬 금속이 전해액과 접촉하면, 과열이 발생하는 동시에 음극 쪽에서 산소가 나와 전해액이 맹렬히 연소하여 폭발하게 된다. 이런 반응은 워낙 빨리 일어나기 때문에 억제할 여유가 없이 1,000℃ 이상 고열이 되기도 한다. 영상은 리튬-이온 전지로 채워진 덩어리(팩)가 불타는 모습이다.

 

​

리튬-이온 전지의 화재 위험성을 줄이는 방법으로 과학자들은 전해질을 액체에서 고체 폴리머로 대체하는 연구를 하고 있다. 고체 전해질은 생산하기가 힘들기 때문에 앞으로 더 연구가 이루어져야 한다.

​

 

리튬을 양극재로 사용하는 이유는 무엇인가?

값비싼 희귀 원소인 리튬을 전지의 양극(+) 재료로 사용하는 가장 큰 이유는 다른 물질과 화학적으로 결합하는 힘이 매우 강한 것이다. 예를 들어 리튬 조각을 물에 떨어뜨리면 즉시 물과 반응하여 핑크빛 가스를 발생시킨다.

​

그리고 리튬은 금속이지만 식칼로 재단할 수 있을 정도로 무르고 가볍다. 리튬-이온 전지는 다른 방법으로 만든 2차전지보다 전기에너지 저장 능력이 5-10배 크기도 하고, 사용 수명도 아주 길다.

 

 

 

 

자동차를 시동하고 전체에 전기를 공급하는 자동차 배터리는 무거운 납 화합물과 황산을 이용한 2차전지의 일종이다. 거의 모든 자동차가 사용해온 납축전지는 12V 전압을 발생한다.

​

 

가볍고 소형화된 리튬-이온 전지는 인류 역사에서 획기적인 발명품이었다. 작고 가벼운 이 2차전지는 군사용으로, 우주탐사선에서 이용되다가 드디어 자동차의 동력원이 되어 온실가스 감축에 공헌하게 되었다. 리튬-이온 전지는 여러 종류가 개발 이용되고 있다. 2019년의 노벨화학상은 1970년대에 리튬-이온 전지 개발에 공헌한 뉴욕주립대학의 화학자 Michael Stanly Wittingham(1941-)을 비롯한 일본인 화학자 Akira Yoshino(1948-), 미국의 고체물리학자 John B. Goodenough(1922-2023)에게 수여되었다. - YS

 

 

지구상에서 추위에 가장 강한 사람들은 누구일까?