분리막

배터리의 열폭주 과정에 대해 남아있는 의문이 있지만, 현재까지 파악한 바로는 다음과 같은 일련의 이벤트에 의해 열폭주가 시작되는 것으로 보인다. 열폭주로 이어지는 발열 반응은 배터리 온도가 계속 상승함에 따라 리튬 이온 배터리(LIB)의 모든 내부 구성 요소와 파괴적으로 상호 작용한다. 일부 요소는 초기에 피해를 입지만, 대부분의 요소는 고장을 일으키면서 열 축적을 직접 가속화한다.
맨 처음 파손되기 시작하는 구성 요소는 일반적으로 약 80~120°C(176~248°F)에서 문제가 시작되는 SEI(Solid-Electrolyte Interphase, 고체 전해질 계면상)이다. 이 시점에서 열폭주가 느려질 수 있지만 애노드가 일단 전해질에 노출되고 나면 더 이상 되돌릴 수 없다. 반응성 애노드 표면에서 발생하는 발열 반응으로 다음 임계 온도에 도달할 때까지 시스템에 더 많은 열이 가해진다.
그다음으로 영향을 받는 구성 요소는 분리막으로, 두 단계에서 정상 작동에 실패한다. 약 120~150°C(248~302°F)에서 분리막이 녹기 시작하여 작은 단락이 발생하고, 이어 220~250°C(428~482°F) 근처에서 분리막이 분해되면 더 심각한 내부 단락이 발생한다.
다음 반응은 이전 온도 범위에 따라 빠르고 직접적으로 발생하는데, 캐소드 재료, 바인더, 전해질이 모두 분해되기 시작하여 배터리 셀의 온도가 약 800°C(1,472°F)까지 급격히 상승한다. 이러한 반응에는 LIB 내의 압력을 증가시키는 가스 생성물이 있다.
빠른 열 생성과는 별개로 캐소드 반응은 재앙적인 부산물로 가연성 산소를 생성한다. 정확한 조건에 따라, 그 즉각적인 결과는 “열 + 산소 = 화재” 또는 “열 + 가스 = 파열/폭발”이다. 물론, 모든 재료가 똑같이 만들어지는 것은 아니며 이러한 범위보다 다소 높거나 낮은 온도, 심지어 미래에는 이러한 온도를 벗어나 문제가 발생할 수도 있다. 따라서 적절한 테스트를 통해 해당 배터리를 위해 가능한 가장 안전한 재료를 선택하는 것이 필수적이다.

흑연 애노드 재료의 열 불안정성을 강조 표시한 TGA 온도 기록도

열폭주를 피하고 최적의 열 내성을 가진 배터리 재료를 선택하기 위해, 배터리 연구원들은 시차 주사 열량 측정법(DSC) 및 열중량 분석(TGA) 기술을 선택한다.

DSC: DSC는 재료로 들어오거나 재료에서 나가는 열류를 온도 또는 시간의 함수로 측정한다. 그래프 출력에서 볼 수 있는 상변화 발생 시 온도 변화와 흡수되거나 방출되는 열 사이의 열용량 관계가 중단된다. 안전한 작동 온도부터 열 남용까지의 다양한 조건에서 테스트할 수 있다.

TGA: TGA는 온도 또는 시간의 함수로 샘플의 질량을 측정한다. 일반적으로 말하자면, 열 안정성이 더 높은 재료는 더 높은 온도에 도달한 후에 질량 변화가 발생한다.

DSC의 결과로 다음 질문에 답하시오.

• 재료의 용융 온도, Tm
• 재료의 유리 전이 온도, Tg
• 배터리를 구성하는 다양한 재료의 가장 낮은 상변화 온도.

TGA의 결과로 다음 질문에 답하시오.

• 재료가 분해되기 시작하는 온도.
• 주어진 온도에서 열 분해 또는 산화 분해로 손실된 샘플 질량의 양.
• 주어진 온도에서 분해 반응(산화성 유도 분해와 열 유도 분해 모두 해당)의 속도.
• 배터리를 구성하는 다양한 재료의 최대 열 안정 온도.