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Date 2016/09/06 20:55:03
Name Bomb범
Link #1 http://batteryuniversity.com/
Subject [일반] 리튬이온 배터리에 관해서
안녕하세요, 얼마전 갤럭시 노트7 문제도 있었고,
유게에도 북미에서 VR사용시 배터리 이슈가 있어서 노트7은 교체를 권장한다는 글이 올라왔습니다.

그래서 저는 배터리를 연구하지는 않지만 주워 들은 것들을 바탕으로 리튬이온 배터리에 대해서 간단하게 설명을 드리고
왜 배터리에 불이 붙는지에 대한 이야기를 조금만 곁들여볼까 합니다.
배터리 이슈가 처음 있을때 글을 적을까 하다가 원인도 안나왔는데 괜히 선무당이 될까 안적었습니다만
요즘 트랜드라 배터리 연구를 하시는 분들이 많으신데 더 많은 지식의 공유를 같이 해주시면 좋을 것 같습니다.


1. 리튬 이온 배터리의 구조



이공계 공부를 해보신 분들이면 1차전지, 2차전지에 대한 이야기는 많이 들으셨을 것입니다.
간단히 설명을 드리면 리튬이온 배터리는 anode 와 cathode 사이에 리튬 이온들이 움직이면서 전기를 전달해준다고 보시면 됩니다.

1) 충전시 용액 내 리튬 이온이  Anode의 탄소 구조물로 이동하여 고정이 됩니다. 
2) 방전시 Anode 의 리튬-탄소 구조물에서 리튬이 분리되고 Cathode의 Lithium metal oxide로 리튬 이온들이 고정이 됩니다. 

Overall reaction on a Li-ion cell: C + LiCoO2 ↔ LiC6 + Li0.5CoO2

At the cathode: LiCoO2 – Li+ – e ↔ Li0.5CoO2 

At the anode: 6C + Li+ + e ↔ LiC6 



식은 여기(http://www.nexeon.co.uk/about-li-ion-batteries/)서 가지고 왔으나 Cathode, Anode 소재나 구조에 따라 다르기도 합니다.
(중요하지 않으니 모르셔도 됩니다)



2. 문제의 핵심은 '분리막(Separator)' 

 위 그림을 처음 보신 분들도 눈치가 빠르신 분들은 눈치를 채셨겠지만, Cathode와 Anode는 분리가 되어있습니다.
이 둘이 분리가 되지 않으면 흔히 말해 '쇼트났다'고 하는것처럼 +와 - 전선이 이어지는 현상이과 같이 급격한 반응으로 열이 나기 시작하고
이것이 화재로 이어지곤 합니다.




 분리막은 폴리에틸렌(PE)이나 폴리프로필렌(PP)과 같은 고분자로 만들며, PP/PE/PP 3중 막이 가장 흔하게 사용되고 있습니다.
분리막은 30~100 nm의 작은 구멍들이 나있으며 분리막이 두꺼울수록 리튬 이온의 이동에 방해가 되기 때문에 최대한 얇게 만들어집니다.
요즘은  30 um 이하의 분리막들이 많이 사용되고 있습니다. (일반 A4용지의 1/5 ~ 1/10 수준이라고 생각하시면 됩니다)
분리막이 얇아진건 좋은데 여기서 문제가 발생합니다. 크게 두가지 요인으로 분리막이 손상될 수 있습니다.
1) 열에 의한 손상
2) 미세 입자에 의한 손상

1) 고분자 막으로 이루어진 분리막은 열에 의해 손상될 수 있습니다. 비닐봉지를 가열하면 오그라드는 것 처럼요.
그래서 배터리를 직사광선이 비추는 곳에 둘 경우 폭발의 위험이 있습니다. 마찬가지로 아이폰의 경우 일부 고온에서 아예 휴대폰 작동이 안되도록 설정이 되어있구요. 앞서 언급했것처럼 스마트폰에서 VR 콘텐츠를 이용하면 프로세스 자체의 온도가 올라가기도 하고, 배터리 소모가 많아지면서 배터리 자체의 온도가 올라가기도 합니다. 분리막 자체의 내구성에 문제가 있던 것이면 발열이 심한 작동은 삼가고 빨리 교환 받는 것이 맞겠지요. (경험해보셨겠지만 충전시에도 온도가 많이 올라가기 때문에 충전할때 폭발하는 경우도 많은 것입니다.)

2) 또 하나의 문제로 미세 금속입자들이 직접적으로 분리막을 찢는 경우가 있습니다.
공정과정에서 걸러지지 않은 금속입자일수도 있고, 이온으로 있는 리튬 입자들이 바늘모양으로 결정화 되어 찢는 경우도 있습니다.
이 경우, 모 기업에서는 세라믹으로 분리막을 코팅하여 내구도를 높이는 방법으로 해결하여 큰 소득을 봤고,
분리막의 소재 자체를 다양하게 하거나 강도를 높이는 방법을 많은 기업에서 시도중입니다.

위 두가지 문제와 얽혀서 자잘한 문제들이 있을 수 있습니다. 배터리의 모든 상태를 관리해주는 BMS(battery management system)가 정상적으로 작동을 안해서 온도 조절에 실패했거나, 과충전 과방전이 되었든가...
삼성에서 발표하지 않은 이상 정확하게 어떤 문제라고 콕 집어 얘기 하긴 어렵겠네요. 하지만 배터리 폭발이라면 분리막의 문제일 확률이 가장 클 것 같습니다.


어쨌든 노트7에 대해서 배터리 소손은 아주 적은 불량률이라고 발표하긴 했지만 사용기간이 길어질수록 계속 발생할 수 있는 문제이기에
전량 리콜이 당연한 것입니다. (배터리 부분교체만 했더라도 기술적으로는 큰 문제는 없었겠지만 소비자 안전과 이미지상...) 
역사적으로 시계 이후 가장 오래, 가까이 몸에 지니는 물건이기에 0.000몇%의 문제라도 부디 일어나지 않았으면 좋겠습니다.


+ 납 전지의 경우 안에 가스가 발생해 부풀어 오르는 이유 때문에 역시 안전의 문제가 있었습니다.
++ Anode와 Cathode를 양극, 음극으로 적지 않은 것은 전기화학하는 분들과 전기하시는 분들이 표현이 조금씩 달라서 오해가 생길 수 있더라구요. 저는 헷갈려서 그냥 원래 영어 단어로 표기했습니다. 쉽게 외우는 방법이 있을까요?



+ 내용 보강합니다. 
sway with me 님의 댓글에 따르면

고동진 사장의 인터뷰가 있었습니다.

1) 배터리 셀 내부의 음극과 양극 극판이 눌린다거나 절연 테이프가 건조하는 과정에서 일부 수축돼 문제를 일으키는 경우가 동시 조합일 경우에 문제가 발생했다
2) 파우치 팩은 전지를 말게 돼 있는데 마지막 부분이 안정되게 밑바닥으로 안 가고 옆으로 올라와 손상에 취약했다

두 가지 언급이 있는데요, 

LG의 배터리팩은 여러장의 배터리를 크레페 케이크처럼 쌓은 구조를 가진 것에 비해
삼성의 배터리팩은 한장의 종이를 접는 형식으로 구성이 되어있습니다. 

여러 장단점이 있지만, 이번 경우와 같이 접히는 부분에서 손상이 있을 수 있다는 것이 삼성 배터리팩의 작은 단점으로 볼 수 있습니다.  이런 부분에 압력이나 충격이 가해졌고 손상으로 이어진 것 같습니다.
절연테이프라는 것이 어떤 부분을 말하는것인지는 잘 모르겠습니다만  하나의 큰 문제가 아니라 여러가지 작은 문제들이 겹쳐 생겼다는 것에서 삼성은 매우 당혹스러웠을 것 같네요.

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마스터충달
16/09/06 21:00
수정 아이콘
읔... 이 글도 기억폭력 글이다... ㅜ.ㅜ
16/09/06 21:02
수정 아이콘
쉽게 쓴다고 썼는데... 관련 공부를 하셨나요? ㅠㅠ
마스터충달
16/09/06 21:03
수정 아이콘
금속과입니다. ㅠ.ㅠ
물맛이좋아요
16/09/06 21:12
수정 아이콘
화학은 오래간만입니다.

그리고 한가지만 말씀드리자면 노트s7이 아니라 노트7입니다.
16/09/06 22:04
수정 아이콘
수정했습니다! 감사합니다~!
sway with me
16/09/06 21:17
수정 아이콘
삼성전자 사장의 인터뷰에서 양극이 접지되면서 발생한 문제라고 본 기억이 납니다.
말씀하신 예측이 맞는 것 같네요.

http://www.ohmynews.com/NWS_Web/Mobile/at_pg.aspx?CNTN_CD=A0002241029&CMPT_CD=MMORE
16/09/06 22:07
수정 아이콘
이런 인터뷰를 했었군요... 분리막에 대한 것은 맞는데 정확한 원인은 따로 있었나보네요.

감사합니다.
16/09/06 22:10
수정 아이콘
인터뷰를 바탕으로 조금 보강해볼게요!
16/09/06 21:20
수정 아이콘
삼성에서 공식적으로 분리막 문제라고 발표는 했습니다.
16/09/06 22:08
수정 아이콘
발표문 전문만 보고 인터뷰가 있었는지는 이제 봤습니다. 어쨌든 이쪽이 손상돼야 불이 나는건 맞아서요...
카스가 아유무
16/09/06 21:26
수정 아이콘
cathode는 환원이 일어나는 전극, anode는 산화가 일어나는 전극입니다. 방전과정 중에 LCO는 환원이 되기때문에 cathode이고, 탄소전극은 산화가 일어나기 때문에 anode입니다. 물론 충전과정중에는 반대로 LCO가 anode가 되고 탄소전극은 cathode가 됩니다. 정의상 이렇지만 일반적으로 cathode는 positive electrode와 같은 의미로 anode는 negative electrode와 같은 의미로 사용됩니다. 우리말에서 사용하는 양극 음극은 정의상 positive electrode와 negative electrode이지만 그냥 사용하실때는 cathode와 anode로 사용하시면 됩니다.
카스가 아유무
16/09/06 21:29
수정 아이콘
그리고 저도 귓동냥으로 들은 것지만 분리막에서 발생한 문제가 맞는데 문제는 이런 테스트를 결코 한두번하고 넘기는게 아니라 수백번 수천번 테스트를 하고 통과를 했으니 적용한 것인데 이게 문제가 되니 회사 내부적으로 큰 문제가 발생한 것으로 생각됩니다. 어떻게 될지는 지켜봐야죠
16/09/06 22:09
수정 아이콘
삼성이 하루이틀 장사한 것도 아니고, QC에 관해선 철저한 곳이니 매우 당혹스럽긴 했을 것 같습니다.
급하게 물량 맞추다보니 조금 소홀했을수도 있구요...
티오 플라토
16/09/06 22:35
수정 아이콘
위에서 외우기 쉬운 방법이 있냐고 해서 저도 달아봅니다 크크
Anode - oxidation
Cathode - reduction
이므로, 모음-모음, 자음-자음으로 외우시면 아주 편합니다!
Igor.G.Ne
16/09/06 22:49
수정 아이콘
빵상?
끼랑께랑?
인간들아?
16/09/06 22:52
수정 아이콘
분리막은 이제 30마이크로는 찾아보구 힘들구요...마이 얇습니다.
애노드 캐쏘드는 위에서 잘 설명해주셨지만 현업에선 걍 양극 음극으로 더 많이 불러요
올드한분들은 정극부극도 쓰는데 요샌 사장되다시피한 용어구요
16/09/06 23:05
수정 아이콘
업계 분이신가보네요 흐흐....
그러고보니 그렇네요... SDI사장은 한마디도 없는게 신기한데...뭐가 있는건가..
티오 플라토
16/09/07 01:02
수정 아이콘
정극부극은 일본에서 쓰는 표현이더라구요!
닉네임을바꾸다
16/09/06 23:25
수정 아이콘
닉글일치같은...
Bomb이라니...
Paper, please
16/09/06 23:34
수정 아이콘
그래서 분리막에 세라믹 코팅을 하거나 하는데 이 방법으로도 근본적인 해결은 어려워서 2차전지 제조업체들이 CNF(cellulose nanofiber) 를 도입하려고 한다고 들었습니다. 특히 CNF는 내열온도가 300도 이상이라서 지금과 같은 이슈는 발생하지 않을거라네요.

장기적으로는 분리막 자체가 없는 쪽으로 발전해 갈 것이라고 들었습니다.
16/09/06 23:55
수정 아이콘
CNF도 내열성은 좋은데 근본적인 두께가 얇아 파손에서 자유롭진 않을 것 같습니다. 근본적으로 내구성도 의심이 가구요...
solid state battery로 나아가긴 할텐데 mobility의 문제로 조금 어렵지 않을까 싶습니다...
Paper, please
16/09/07 01:26
수정 아이콘
CNF도 생성하는 균의 효소와 만드는 방법에 따라 물성이 상이해서요. 공극 control만 되면 두께와 상관없이 파손에는 큰 문제가 없을것으로 보입니다. 내구성 자체도 PP/PE 대체가 가능할만한 수준까지는 와 있고요. 근데 저는 다른 값싼 해결책이 나오게 될 가능성이 높다고 생각합니다.
새벽이
16/09/07 06:16
수정 아이콘
주변에 배터리를 연구하는 친구들이 엄청 많은데 대부분은 전기화학적 효율성과 충전속도 그리고 조금 더 싼 대체 물질에 몰빵하는 분위기인 것 같은데 실제 문제는 전극과 분리막의 열적/역학적 내구성에서 발생하는 모양새이군요...흥미롭습니다...
티오 플라토
16/09/07 09:07
수정 아이콘
말씀하신 연구들은 '배터리의 용량을 늘리기 위해' , 또 '대체 배터리 재료를 만들기 위해' 필요한 연구들입니다.
이런 연구가 진행이 많이 되어서 배터리의 용량과 전압이 늘면 늘수록 쇼트가 났을 때 불이 날 위험성이 증가하죠.
그리고 분리막 등의 성능 향상에 의해 그 안전성을 확보할 수 있구요.
요약하자면, 위에 친구분들이 연구하는 것도 중요하고, 분리막이나 전지 구성에 대한 연구도 중요해요.
다만 전극재료에 대한 연구는 학교/회사에서 모두 하지만, 진짜 전지 구동중 위험성에 대해서는 회사들이 주로 연구하니까 상대적으로 전극재료를 연구하는 사람들이 더 많은 것 뿐이죠
새벽이
16/09/07 10:59
수정 아이콘
아 저는 연구의 중요도에 대해서 이야기를 한 것이 아닙니다...아무래도 제 커멘트가 그런 뉘앙스로 들리셨나보네요...(죄송)...다만 주변의 친구들이(특히 재료과) 배터리에 관한 연구를 정말 많이 하고 있는데 후자의 문자에 대해서 물어 보면 그닥 관심을 갖지 않는 것 같아서 조금 놀랐습니다...
하우스
16/09/07 10:20
수정 아이콘
이전에 갤3에서 스웰링 현상 났을 때는 이랜텍 배터리가 문제인 것처럼 나가더니 이번에는 확실히 sdi가 문제인 걸로 결론이 나는 듯 하네요. 애초에 배터리 성능은 셀 공정에서 다 결정이 나는데 당시에는 배터리팩만 조립하는 애꿎은 하청업체만 이슈화가 되었었죠
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