Limiting internal short-circuit damage by self-fusing tabs for high-safety lithium-ion batteries

우리의 전기 자동차에 동력을 공급하고 그리드에 에너지를 저장하는 매끄럽고 강력한 배터리 내부에는 조용한 위험이 도사리고 있습니다. 이 장치들은 마치 카드 한 덱처럼 쌓인 수많은 얇은 재료 층으로 구성되어 있으며, 이 층들이 모두 함께 작동하여 전기를 보유하고 방출합니다. 내부에 미세한 균열이나 이물질 같은 아주 작은 결함이 생기면, 전기가 흐르지 말아야 할 곳으로 직접 흐르는 통로가 만들어질 수 있습니다. 이를 내부 단락(internal short circuit)이라고 합니다. 정상적인 배터리에서 이러한 결함은 주변의 건강한 층으로부터 에너지를 끌어당기는 배수구와 같은 역할을 합니다. 전기가 약한 지점으로 몰려들면서 순식간에 강렬한 열을 발생시킵니다. 만약 이 열이 빠져나가는 속도보다 더 빠르게 쌓이면, 배터리 재료가 분해되고 산소를 방출하며 불이 붙는 연쇄 반응을 일으키게 됩니다. 이 폭주 과정은 작은 국부적 결함을 전체 셀을 집어삼키는 격렬한 화재로 바꿀 수 있습니다. 수십 년 동안 엔지니어들은 재료를 더 단단하게 만들거나 경고를 보내는 센서를 추가하여 이를 막으려 노력해 왔지만, 이러한 방법들은 종로종종 너무 느리게 반응하거나 에너지 흐름의 근원을 차단하기보다는 단순히 피할 수 없는 결과를 늦추는 데 그치는 경우가 많았습니다.

한 연구팀은 이제 배터리 심장부에 직접 내장된 자가 재설정 퓨즈처럼 작동하는 다른 접근 방식을 제안했습니다. 열을 견디려고 노력하거나 경고 신호를 기다리는 대신, 이 설계는 위험한 단락이 시작되는 즉시 전력 공급을 능동적으로 차단합니다. 핵심 혁신은 배터리의 내부 층들을 연결하는 금속 탭에 있습니다. 표준 배터리에서 이 탭들은 전기를 효율적으로 전도하는 고체 금속 조각입니다. 새로운 설계에서 연구진은 이러한 각 탭 안에 특수 금속 합금의 작은 구간을 삽입했습니다. 이 합금은 비교적 낮은 온도에서 녹으면서도 전기를 매우 잘 전도하도록 선택되었습니다. 정상적인 조건에서 배터리는 합금이 완벽한 가교 역할을 하며 의도한 대로 정확하게 작동합니다. 그러나 심각한 단락이 발생하면, 해당 층을 통해 흐르는 갑작스러운 전류의 급증이 거의 즉각적으로 열을 생성합니다. 이 열은 1초도 채 되지 않아 합금 구간을 녹여 금속이 융합되어 열리게 하고, 물리적으로 전기적 연결을 끊어버립니다.

연구진은 이 단순한 기계적 단절이 재앙을 막는 데 믿기지 않을 정도로 효과적이라는 것을 입증했습니다. 표준 배터리에서 단락을 유발했을 때, 내부 온도는 거의 섭씨 386도까지 치솟았고, 셀은 부풀어 올랐으며, 짙은 연기를 내뿜으며 불이 붙었습니다. 전압은 완전히 붕괴되었고 내부 재료는 파괴되었습니다. 반면, 이 자가 융합 탭을 장착한 배터기로 동일한 테스트를 수행했을 때 결과는 완전히 달랐습니다. 단락이 시작되는 순간 전류가 급증했고, 합금이 녹아 연결이 끊어졌습니다. 배터리 온도는 약 섭씨 45도까지만 상승한 후 냉각되기 시작했습니다. 연기도, 화재도, 부풀어 오름도 없었습니다. 전압이 잠시 떨어졌으나 곧 회복되어 나머지 배터리가 안전하게 계속 작동할 수 있게 했습니다. 결함이 있는 층은 격리되어 화재를 키울 수 있었던 에너지 공급을 차단한 반면, 나머지 건강한 층들은 계속해서 작동했습니다.

이 방식이 왜 이렇게 잘 작동하는지 이해하기 위해, 연구팀은 먼저 무엇이 실제로 배터리를 열 폭주 상태로 만드는지를 증명해야 했습니다. 그들은 단 하나의 손상된 층이라도 나머지 배터리와 격리된다면, 그 자체로는 치명적인 실패를 일으킬 만큼 충분한 열을 생성할 수 없다는 것을 발견했습니다. 심지어 단락이 발생하여 거대한 전류 급증이 일어났더라도, 손상된 층이 이웃한 층들과 연결이 끊어져 있는 한 온도는 낮게 유지되었습니다. 위험은 건강한 병렬 연결 층들이 결함이 있는 지점으로 계속해서 에너지를 퍼 올릴 때 발생합니다. 이러한 지속적인 전력 흐름이 온도를 높여 배터리 내부의 화학 물질이 불안정해지게 만듭니다. 이 흐름을 시작 단계에서 차단함으로써, 자가 융합 탭은 배터리 재료가 분해되어 산소를 방출하기 시작하는 임계점에 도달하기 전에 열을 차단합니다.

이 설계는 또한 그러한 배터리를 제작할 때 발생하는 실질적인 과제들도 해결합니다. 연구진은 합금 구간이 빠르게 녹을 만큼 얇아야 하지만 제조 공정을 견딜 만큼은 강해야 한다는 것을 발견했습니다. 그들은 25에서 40 마이크로미터 두께의 층이 적절한 균형을 제공하여, 결함 발생 시 1초 이내에 융합된다는 것을 찾아냈습니다. 정상적인 사용 중에 섬세한 합금이 배터리의 화학 물질과 반응하는 것을 방지하기 위해, 그들은 합금 위에 초박형 에폭시 층을 코팅했습니다. 이 코팅은 탭을 훨씬 더 튼튼하게 만들어 조립 시의 물리적 스트레스를 견딜 수 있게 하면서도, 전기는 자유롭게 통과하도록 했습니다. 테스트 결과, 이 탭을 사용한 배터리는 수백 번의 충전 사이클 동안 용량과 효율성 저하 없이 표준 배터리와 똑같이 우수한 성능을 보였습니다.

연구진은 이 개념이 실제 환경에서도 작동할 수 있는지 확인하기 위해 다양한 가혹한 조건 하에서 테스트를 진행했습니다. 그들은 대규모 단락을 강제로 발생시켜 심각한 전기적 남용을 가했고, 충돌이나 펑크를 시뮬레이션하기 위해 날카롭고 둥근 물체를 셀에 눌러 기계적 남용을 가했습니다. 위험한 고전류 단락이 발생하는 모든 경우에 탭이 녹아 결함을 격리했습니다. 기계적 손상이 단락을 일으킬 만큼 심각한 경우에도, 전류가 퓨즈를 작동시킬 만큼 높았다면 배터리는 안정적으로 유지되었습니다. 흥고롭게도, 기계적 손상이 약한 저전류 단락만을 만들어낸 경우에는 탭이 녹지 않았습니다. 이는 매우 중요한 기능인데, 배터리가 사소하고 해롭지 않은 글리치 때문에 불필요하게 작동을 멈추지 않는다는 것을 의미합니다. 시스템은 사소한 접촉과 생명을 위협하는 급증을 구분할 수 있을 만큼 스마트하며, 실제 위험이 있을 때만 개입합니다.

연구팀은 이 기술을 더 큰 배터리로 어떻게 확장할 수 있는지도 탐구했습니다. 모든 층마다 퓨즈를 배치하면 제조가 복잡해지므로, 연구팀은 층 그룹이 하나의 퓨즈를 공유할 수 있음을 보여주었습니다. 배터리를 세 부분으로 나눈 테스트에서, 한 섹션의 단락이 해당 섹션 전체의 퓨즈를 작동시켜 해당 섹션을 격리하는 동안 나머지 두 섹션은 정상적으로 작동을 계속했습니다. 이러한 모듈형 접근 방식은 이 기술이 생산의 어려움을 크게 높이지 않고도 대형 배터리 팩에 적용될 수 있음을 시사합니다. 연구진은 이 안전 메커니즘을 6가지 다른 유형의 상업용 배터리 화학 조성에 대해 테스트했으며, 모든 사례에서 자가 융합 탭은 열 폭주를 성공적으로 방지하여, 동일한 테스트를 거친 표준 배터리가 400도가 넘는 온도에 도달하는 동안에도 최고 온도를 섭씨 45도 미만으로 유지했습니다.

이 연구는 우리가 배터리 안전을 생각하는 방식의 변화를 나타냅니다. 열에 저항하려고 노력하는 수동적인 재료나 문제가 시작된 후에 감지하려는 외부 시스템에 의존하는 대신, 이 접근 방식은 배터리 구조 안에 능동적인 방어 체계를 구축합니다. 이는 결함이 발생할 것임을 인정하고 이를 즉시 제어할 방법을 제공합니다. 위험한 단락이 형성되는 즉시 에너지 공급을 차단함으로써, 배터리는 연쇄 반응이 시작되기 전에 이를 멈춥니다. 그 결과, 이 방식은 일반적인 상황에서 화재로 이어질 수 있는 종류의 남용을 견뎌낼 수 있는 배터리를 만들어내며, 현대 생활에 필수적인 고에너지 장치들에 새로운 수준의 안전을 제공합니다.