배터리 스웰링(배터리 배부름) 현상의 원인과 해결방법
KAIL ・ 2021. 7. 7. 21:20
올해초, 노트북의 베터리에 스웰링 현상이 나타나서 배터리를 교체한 경험이 있습니다.
https://blog.naver.com/zfzf1996/222197210530
해당 내용에서 ‘배터리 스웰링’ 현상에 대해 다루기로 언급하습니다.
그리고 너무 늦은감이 있지만 이제라도 작성해보기로 하였습니다.
배터리 스웰링(Battery Swelling)의 Swelling의 뜻은 ‘배부름’이라는 의미입니다.
배터리가 이상 현상으로 인해 배가 부른 듯이 부풀어 오르기 때문입니다.
배터리 스웰링 현상으로 인해 부풀어 오른 모습.
배터리의 부피가 커지게 되면 인접한 다른 장비(CPU, 메인보드, 디스플레이 등)에
압력을 가하게 되어 손상을 유발할 수 있습니다.
배터리의 부피가 증가하면 인접한 다른 장치에 영향을 미치게 된다.
또한 지속된 부피 증가로 배터리 케이스가 터지게 되면
리튬이온과 전자가 만나는 화학작용으로 큰 화재가 발생할 수 있습니다.
해당 현상이 발생하는 이유는 배터리 내부에 기체가 발생하기 때문입니다.
리튬이온배터리 내부에서 발생하는 기체는 2가지 종류가 있습니다.
전해질과 물이 만나 발생하는 HF
전해질이 증발하여 발생하는 기화가스
리튬이온배터리는 크게 Anode, Cathoded, 전해질, 분리막
4가지 구성요소를 가지고 있습니다.
(각 구성요소의 종류는 제조회사마다 다를 수 있습니다.)
<리튬배터리의 구조1> 음극~분리막, 분리막~양극 사이에 전해질이 차는 형태이다.
전해질은 유기용매인 EC와 DEC를 일정 비율로 섞고 LiPF6를 넣어서 사용합니다.
(EC: Ethylen Carbonate, DEC: Diethyl Carbonate)
<전해질 종류 및 특성>
Anode는 구리 호일에 graphite를 코팅하여 사용합니다.
Cathode는 알루미늄 호일에 LiCoO2를 코팅하여 사용합니다.
<리튬배터리의 구조2> 리튬배터리의 모든 구성요소의 종류를 제조업체마다 다를 수 있다.
분리막은 PP(Polypropylene)와 PE(Polyethylene)을 PP/PE/PP로 삼층구조거나
PO(Polyolefin)을 강화하여 사용하기도 합니다.
<분리막의 종류 및 특성>
여기서 각각의 기체가 발생하는 이유에 대하 알아보도록 하겠습니다.
첫 번째, 전해질과 물이 만나 발생하는 HF
해당 경우는 거의 발생하지 않습니다.
생산오류로 공장에서 소량의 수분이 투입되는 경우를 제외하면
배터리가 패키징이 되어 있어서 수분이 내부로 침입하는 경우가 없습니다.
두 번째, 전해질이 증발하여 발생하는 기화가스
배터리 스웰링 현상의 대부분의 원인이 해당 기체입니다.
해당 가스가 발생하는 경우는 여러 가지가 있습니다.
① 주변 기기의 열에 의한 전해질의 기화
일반적인 전해질의 가용온도는 –20℃~60℃입니다.
노트북 CPU가 작업이 없는 상태일 때 적정온도가 40℃~55℃이고
부담감이 있는 고성능 그래픽 작업이나 게임 중 일 때는 70℃~80℃입니다.
노트북은 구성상 배터리와 CPU, 그래픽카드가 인접해있고
각 부분에서 발생하는 열은 인접 부위로 전달될 수밖에 없습니다.
따라서 CPU에서 발생된 열이 배터리에 전달되어 내부의 전해질이 기화되는 것입니다.
② 과충전, 과방전에 의한 전해질 기화
과충전, 과방전이 지속되고 반복되면 전해질에 열이 가해져 기화됩니다.
과충전은 배터리 충전이 100%가 되었음에도 계속 충전하는 것을 의미하며
이러한 경우,
Cathode의 LiCoO2가지속적인 전압 주입에 의한 스트레스(힘)로
전해질 방향으로 이동하게 됩니다.
이렇게 되면 전해질에 지속적인 스트레스를 가하여
열이 발생하게 되고 일부가 기화됩니다.
<리튬이온배터리의 과충전 상태>
과방전은 배터리가 0%가 되어 전원이 꺼지는 것을 반복하는 것을 의미합니다.
해당 현상이 반복될 경우, Anode에 있는 구리 호일이 분해되어 전해질에 퇴적되고
구리는 전해질보다 저항이 높음으로 이후 배터리를 사용할 때 기존보다 저항이 증가하여
온도 상승에 영향을 줍니다.
<리튬이온배터리의 과방전 상태>
이러한 이유를 바탕으로 배터리 스웰링을 방지하기 위해서는
과충전, 과방전을 자제하기 위해 베터리를 20~80%로 사용해야하며
고온, 고압에 배터리를 노출시키지 않아야 합니다.
이러한 원인들로 발생하는 배터리 스웰링은
2017년를 전후로 발생 빈도가 현저히 감소하였습니다.
그 이유는 바로 BMS(Battery Management System)라는
새로운 매커니즘이 개발되었기 때문입니다.
최근, 노트북과 핸드폰, 자동차에 리튬이온배터리가 사용되고
해당 기기들의 특성상 고성능 발현을 위한 주변 기기의 발열이 필수 불가결함으로
배터리에 BMS(Battery Management System)회로를 구성하여
과충전, 과방전을 방지하고 자체적인 냉각시스템을 작동하여
배터리 안전사고를 예방하고 있습니다.
<BMS 회로>
하지만 이러한 시스템에도 불구하고 배터리 스웰링이 발생한다면
배터리의 교체가 최선입니다.
가끔 유튜브나 인터넷에서 배터리에 구멍을 뚫어서 기체를 방출하는 것을
해결책으로 제시하는 사람들이 있는데
해당 방법은 매우 위험한 방법입니다.
자칫하면 리튬배터리 내부의 분리막을 찢어버리게 되면
리튬 이온과 전자가 만나게 되며 강력한 화학반응으로 인한 큰 화재로 이어질 수 있습니다.
다음과 같은 이유로 건전지나 배터리를 일반쓰레기통에 버리게 되면
쓰레기통의 날카로운 물질에 의해 내부의 분리막에 손상될 수 있음으로
전용 수거함에 넣어서 처리해야 합니다.
<폐건전지 수거함>
