배터리3사, ‘열폭주’ 잡기 총력…“생존형 배터리 개발 드라이브”

최근 발생한 리튬 이온 배터리 화재사고로 배터리 화재 안정성에 대한 불안감이 재확산되고 있다. 국내 배터리 3사는 고열로 인한 화재 방지 기술 개발에 총력을 기울이는 중이다. 특히 핵심 원인인 ‘열폭주’ 현상 차단을 위해 각 사는 다양한 기술을 고도화하며 종합적 안전성 확보에 나서고 있다.

배터리 화재 및 폭발의 핵심은 열폭주 현상이다. 주로 과충전, 외부 충격, 제조 결함 등의 영향으로 배터리 내부 온도가 통제 불가능한 수치까지 급상승하는 경우에 화재로 이어진다.

LG에너지솔루션, SK온, 삼성SDI 등 국내 배터리 3사는 다양한 충격, 상황에서의 열폭주 현상을 방지하기 위한 ’획기적’ 기술력 개발에 속도를 낸다는 방침이다.

LG화학이 개발한 열폭주 억제 소재. 사진=LG화학

LG에너지솔루션은 배터리 관리 시스템(BMS)을 핵심 안전 기술로 삼고 있다.

BMS는 배터리의 전압, 전류, 온도를 실시간으로 모니터링해 과충전, 과방전, 과열을 방지한다. 특히 LG엔솔의 BMS는 인공지능(AI)를 활용해 배터리 셀 하나하나의 전압, 전류, 온도 변화를 실시간으로 정밀 분석하고 미세한 이상 징후까지 포착이 가능하다.

모기업인 LG화학이 개발한 열폭주 억제 신소재에 적용 시기도 주목된다.

LG화학이 개발한 열폭주 억제 소재는 온도에 따라 전기 저항이 변하는 복합 물질로, 온도가 오르는 초기 단계에서 전기 흐름을 차단하는 ‘퓨즈’ 역할을 한다.

열폭주 억제 소재를 배터리 양극층과 집전체(전자의 통로 역할을 하는 알루미늄 포일) 사이에 1um(마이크로미터) 두께의 얇은 층 형태로 만들었다. 이는 전지 내부의 양극과 음극이 의도치 않게 직접 접촉해 발생하는 단락과 발열을 방지하는 역할을 한다.

LG엔솔은 안전성 검증에 함께 참여했으며 지난해엔 모바일용 배터리에 대한 테스트, 올해 대용량 전기차용 배터리에 대한 테스트를 진행 중인 것으로 전해졌다.

SK온 액침냉각, 차세대 무선 BMS 모형. 사진=SK온

SK온은 축적해 온 ‘Cell to Pack’ 기술에 SK엔무브가 보유한 액침 냉각 기술을 결합하는 작업을 진행 중에 있다.

액침 냉각은 절연성 냉각 플루이드를 배터리 팩 내부에 순환시켜 열을 효과적으로 방출하는 시스템이다. 냉매가 배터리 셀과 직접 접촉하기 때문에 간접 냉각 방식보다 온도 상승을 효율적으로 억제한다.

SK온과 SK엔무브는 냉각 플루이드와 셀의 접촉 면적을 극대화하는 최적의 유로(油路) 설계로 냉각 효율을 향상시킨 액침 냉각 배터리 팩을 개발 중이다.

여기에 무선 BMS를 접목해 단순한 구조와 물리적 안전성을 확보할 것으로 알려졌다.

SK온은 기존 대비 높은 성능을 유지하면서도 배터리 시스템 전체 열을 정밀하게 제어하는 ‘패키지 솔루션’을 제공하겠다는 방침이다.

’인터배터리 2025’에서 공개된 46파이 배터리 라인업. 사진=삼성SDI

삼성SDI는 ‘꿈의 배터리’라고 불리는 전고체 배터리로 화재 위험을 원천적으로 차단하겠다는 전략이다.

리튬이온 배터리는 불이 붙을 수 있는 액체 전해질을 사용하지만, 전고체 배터리는 불연성인 고체 전해질을 사용한다.

안전성뿐만 아니라 높은 에너지 밀도로 전기차 주행 거리를 획기적으로 늘릴 수도 있어 차세대 배터리 시장을 선점할 핵심 기술로 주목받고 있기도 하다.

삼성SDI는 2027년 상용화를 목표로 연구 개발에 속도를 내고 있으며, 파일럿 라인을 구축하고 시제품을 생산하는 등 기술 완성도를 높이는 단계에 접어든 것으로 전해졌다.

또 ‘열전파 차단(No TP)’ 기술도 상품화 적용 검토를 완료했다. 배터리 제품의 특정 셀에 문제가 발생했을 때 셀과 셀 사이에 적용된 안전 소재 등에 의해 다른 셀로 열이 전파되는 것을 물리적으로 막아주는 기술이다.

삼성SDI만의 열전파 성능 예측 프로그램(TPc)을 통해 제품 기획 단계에서부터 열전파 방지를 위한 최적의 구조 설계가 가능하다.

LG에너지솔루션·삼성SDI·SK온 배터리. 사진=챗GPT

“생존형 경쟁 들어선 K-배터리…시행착오 겪을 수록 사고는 줄어”

업계에선 국내 기업들의 ’생존형 배터리’ 개발 경쟁이 본격화되고 있다는 평가가 나온다.

과거에는 배터리 자체의 불안전성을 연구했다면, 이젠 예측할 수 없는 상황에서도 살아남을 수 있는 배터리를 만드는 경쟁이란 게 업계 관계자의 설명이다.

한 업계 관계자는 “국내 기업들은 사실상 안정적인 ‘배터리’를 만드는 단계를 넘어 여러 이벤트(사건·사고)가 발생하더라도 화재를 막는 기술 개발에 들어 선 상태”라며 “배터리 산업은 지금까지 여러 번의 화재 사고를 겪으며 안전성을 강화해 왔고, 장기적으로 봤을 때 화재 사고는 감소하게 될 것”이라고 내다봤다.