[월드투데이 성연수 기자] 리튬이온 배터리는 우리 주위에서 작게는 휴대폰, 노트북에서 크게는 전기자동차까지 충전해서 사용하는 대다수의 기기에 사용되고 있다. 

리튬이온배터리는 친환경 에너지원으로 고출력, 긴 수명, 높은 에너지 밀도를 가진다는 장점이 있어 최근 탄소 중립을 위해 자동차 업계에서 화학연료 대신 리튬이온 배터리를 사용한 전기차를 출시하고 있다.

리튬이온 배터리는 '양극', '음극', '전해액', '분리막'으로 구성되어있다.

양극은 양이온이 되려는 경향이 큰 리튬과 산소가 결합한 산화물로 구성되어있다. 양극은 배터리의 용량과 사용 시간을 결정한다.

흑연으로 구성된 음극은 양극에서 나온 리튬이온과 전자를 저장하고 방출하며 전류를 흐르게 한다. 

음극은 배터리 수명에 영향을 끼치기 때문에 휴대폰을 오래 사용할수록 배터리 소모 속도가 빨라지는 것도 이 음극과 관련이 있다.

전해질은 양극의 리튬이온이 음극으로 원활하게 이동하게 하는 매개체이며, 이온 전도도가 높은 물질로 이루어져 있다.

분리막은 양극과 음극이 직접적으로 만나는 걸 방지해준다. 분리막에는 미세한 구멍인 '기공'이 있어 내부 온도가 일정 수준 이상으로 올라가면 기공이 막혀 리튬이온의 이동을 막아 내부적으로 쇼트 발생을 막아준다.

분리막이 없다면 양극과 음극이 만나 배터리 내부 합선이 발생할 것이다.

양극과 음극은 배터리의 기본성능을, 전해액과 분리막은 배터리의 안전성을 담당한다.

 리튬이온 배터리는 한 번 쓰고 버릴 수 있는 일회용 전지와는 다르게 충전과 방전이 가능해 재사용이 가능한 2차 전지이다.

충전이란 양극의 리튬이온과 전자가 음극으로 들어가는 과정으로 양극의 리튬이온은 전해질을 통해, 전자는 음극과 양극을 연결한 도선을 통해 이동한다. 

양극의 리튬이온과 전자가 음극으로 모두 이용하였을 때 배터리가 다 충전되었다고 한다. 이는 나중에 사용할 에너지를 저장하는 것이라 볼 수 있다.  방전은 반대로 음극에 있는 리튬이온과 전자가 양극으로 돌아가며 저장된 에너지를 사용하는 과정이다.

이 충전과 방전이 반복되면 성능이 저하되어 처음 구입하였을 때 비해 배터리 소모가 빨라지기도 한다.

배터리를 반복 사용하면서 음극 소재의 구조가 바뀌게 된다. 음극의 흑연에 리튬이온이 결합하면서 흑연의 부피가 커지는데, 이 과정을 반복하면서 흑연 구조에 미세한 변화가 일어나 배터리의 수명이 감소한다.

이성구 한국화학연구원 책임연구원은 "(리튬이온배터리가) 얇고 가볍고 에너지 밀도가 크다 보니, 과충전이나 사용 중에 발생할 수 있는 물리적 손상에 의해서 온도가 상승하고 결국에는 부풀어 올라 화재가 발생하는 문제점이 있습니다"라고 말했다.

리튬이온전지의 발화 및 폭발의 원인은 외/내부에 가해지는 힘, 과충전, 외부 가열 등 다양한 요양한 요인이 있으며, 이 외에도 부품 및 구조적 문제로 인해 폭발이 일어날 수 있다.

리튬이온 전지의 발화 및 폭발사고 요인은 무척 다양하며 복합적이며 사고 이후 외관상으론 대부분 탄화되어 발화·폭발 원인을 규명하기 어려운 경우가 많다.

전기차의 경우 차 한 대에 리튬이온 배터리가 하나의 배터리셀이 아닌 약 300개 정도가 사용되다 보니 배터리에 이상이 생겼을 때 더 큰 피해가 일어난다.

또한 대용량 배터리인 ESS의 경우 빈번한 화재가 일어나면서 ESS 설치 사업장 현황은 2018년엔 975곳에서 2021년 9월 기준 86곳으로 약 10분의 1로 줄었다. 

물론 사업장의 축소 원인이 화재에서만 기인한 것은 아니지만 큰 영향을 끼쳤다.

지난달 산업부는 이에 지난해 6월부터 4건의 ESS 화재 사고를 조사하여 그 결과를 바탕으로 전문가와 업계의 의견을 수렴해 ESS 안전 강화 대책을 마련한 바가 있다.