하나의 셀에서 시작된 열폭주가 인접 셀로 확산되는 “열폭주 전파”는 배터리 팩 전체의 안정성을 좌우하는 핵심 변수다. 최근 셀투팩·셀투섀시 구조가 확산되면서 모듈 하우징이 해주던 완충 역할이 줄어들어, 셀 간 장벽 자체의 중요성이 더 커지고 있다.
기본 원리
열폭주 전파는 단일 경로로만 일어나지 않는다. 셀 간 직접 열전도, 배출 가스 이동, 냉각판이나 버스바 같은 금속 부품을 통한 2차 전도 등 여러 경로가 복합적으로 작용한다. 특히 파우치형·각형 구조에서는 셀 간 장벽이 두 가지 상반된 역할을 동시에 수행해야 한다 — 충방전에 따른 셀의 팽창·수축을 흡수하는 기계적 완충 기능과, 1,000℃ 이상 고온에서도 인접 셀로 열이 전달되지 않도록 막는 열 차단 기능이다.
특허 관점
KR101518189B1(배터리 내 전지의 열폭주 전파 방지)의 청구항 핵심은 두 요소의 조합이다. 열이 인접 전지로 소산돼 그쪽에서도 열폭주가 촉발되는 것을 막는 열 절연체와, 열폭주를 겪는 전지로부터 오히려 열을 적극적으로 유인해 다른 여러 전지로 분산시키는 열 전도체를 함께 배치하는 구조다. 명세서는 “고장난 전지로부터 열이 충분히 멀리 유인되면, 주변 전지는 충분히 낮은 온도를 유지”한다고 설명하는데, 이는 단순히 열을 막기만 하는 게 아니라 열을 계획적으로 분산시켜 국소적으로 위험 온도에 도달하지 않도록 하는 발상이다.
앞서 등록된 KR20170005117A(열 폭주 보호물이 있는 리튬 이온 배터리)는 다른 각도에서 접근한다. 온도가 미리 정해진 수준을 넘으면 흡열 반응을 일으켜 열을 흡수하고 기체를 배출하는 세라믹 매트릭스 소재를 셀 사이에 배치하는 구성이다. 명세서는 경쟁사 구조(BYD 방식으로 지목된 구조)가 “금속성 재료만을 가지고 있어 날카로운 물체가 코어 내로 침입해 국지적 단락을 유발”하는 단점이 있다고 직접 비교하며, 개별 코어를 물리적으로 분리하는 자사 구조의 우위를 주장한다.
한계와 전망
셀투팩·셀투섀시로 셀 간 간격이 좁아질수록, 열과 에너지가 이동할 수 있는 경로는 더 단축된다. 업계 자료들은 기존에 쓰이던 폼 계열이나 금속 기반 소재가 “기계적 완충”과 “열 차단”이라는 상반된 두 요구를 동시에 만족시키기 어려웠다고 지적한다. 앞으로는 이 두 기능을 한 소재에서 동시에 구현하는 복합재 특허가 열폭주 방지 경쟁의 다음 축이 될 가능성이 크다.