리튬이온 배터리 발화 방지 특허 기술

1. 리튬이온 배터리 발화 메커니즘과 주요 원인

리튬이온 배터리는 고에너지 밀도와 충·방전 효율성 덕분에 스마트폰, 전기차, 에너지 저장 시스템(ESS) 등 다양한 분야에서 핵심 에너지저장 장치로 활용되고 있다. 하지만 이와 동시에 잠재적인 발화 및 폭발 위험이 내재하여 있다는 점에서 안전성 확보는 배터리 기술의 핵심 과제로 부상하고 있다. 리튬이온 배터리의 발화는 주로 내부 단락(internal short circuit)이나 과충전(overcharging), 외부 충격(mechanical abuse), 고온 환경에서의 열폭주(thermal runaway)로 인해 발생한다. 열폭주는 배터리 내부 온도가 일정 임계치를 초과하면 내부 화학 반응이 급격히 촉진되어 자가 발열이 발생하고, 이에 따라 추가적인 분해 반응이 연쇄적으로 일어나는 현상이다. 특히 전해질로 사용되는 유기용매는 인화성이 높기 때문에 온도 상승 시 쉽게 가연성 가스를 발생시켜 화재로 이어질 수 있다. 이러한 리스크는 단일 셀 수준에서 시작되어 팩 단위, 모듈 단위로 확산하며, 최악의 경우 전체 시스템의 파괴와 인명 피해로까지 이어진다. 따라서 이를 방지하기 위한 기술 개발은 단순한 성능 개선을 넘어 산업 생태계 전반의 신뢰도와도 직결되는 문제이다. 이러한 문제의 심각성을 반영하여 글로벌 기업들과 연구기관들은 발화 방지에 초점을 둔 다양한 특허 기술을 출원하고 있으며, 이들 기술은 배터리 구조, 소재, 제어 시스템 측면에서 다각도로 접근하고 있다.

2. 소재 기반 발화 방지 특허 기술: 세라믹 코팅과 난연 전해질

리튬이온 배터리의 열적 안정성을 확보하기 위한 핵심 전략 중 하나는 배터리 구성 소재 자체의 특성을 개선하는 것이다. 특히, 양극재 및 분리막에 대한 소재 개선이 주요한 특허 영역으로 부각되고 있다. 대표적인 사례로는 세라믹 코팅 분리막 기술이 있다. 이는 고분자 분리막 표면에 알루미나(Al₂O₃), 실리카(SiO₂) 등의 세라믹 입자를 코팅하여 열 안정성을 크게 향상하는 기술이다. 이 기술은 셀 내부 온도가 상승하더라도 분리막이 쉽게 수축하거나 용해되지 않아 내부 단락을 예방할 수 있다. 실제로 삼성SDI, LG에너지솔루션, CATL 등의 주요 배터리 제조사는 세라믹 코팅 분리막에 대한 다수의 특허를 보유하고 있으며, 이는 ESS 및 EV용 배터리에서 안전성을 확보하는 데 핵심적인 역할을 하고 있다.

또 다른 중요한 소재 기술은 난연 전해질(Fire-retardant Electrolyte) 개발이다. 일반적인 유기용매 전해질은 불연성이 아니므로 발화의 직접적인 원인이 되며, 이를 해결하기 위해 다양한 난연 첨가제가 개발되었다. 예컨대, 인계 화합물(organophosphate) 기반의 난연 첨가제를 포함하거나, 전해질 자체를 불연성 용매로 구성하는 기술이 이에 속한다. 특히 LG에너지솔루션은 '난연성 전해질 조성물'에 대한 특허를 다수 보유하고 있으며, 전해질 내 난연 물질의 비율과 전도도 사이의 최적 균형을 확보하는 데 주안점을 두고 있다. 이러한 소재 기반 특허 기술은 배터리의 기본 물리적·화학적 안정성을 향상해, 열폭주 발생 자체를 원천적으로 억제하는 데 크게 기여하고 있다.

3. 배터리 구조 및 센서 기반 모니터링 특허 기술

배터리의 발화 위험은 단순히 소재 개선만으로 완전히 제거할 수 없기 때문에, 물리적 구조 및 실시간 모니터링 시스템을 통한 다중 안전 설계가 병행되어야 한다. 이에 따라 최근 특허 기술들은 배터리 셀 내부의 구조적 변화을 통해 발화 가능성을 줄이는 방향으로 진화하고 있다. 대표적인 기술은 **내부 압력 해소 장치(Pressure Relief Device, PRD)**를 내장한 셸 구조다. PRD는 셀 내부 압력이 임계치를 초과할 경우 자동으로 가스를 배출해 폭발을 방지하는 장치로, 파우치 셀이나 원통형 셀에 다양하게 적용되고 있다. 이와 관련된 특허는 Panasonic, BYD 등 주요 제조사들이 다수 보유하고 있으며, 셀 형태에 따라 PRD 위치 및 개방 조건을 최적화한 설계가 반영되어 있다.

또한 센서 기반 발화 모니터링 및 예측 기술도 발화 방지를 위한 핵심 기술로 주목받고 있다. 이 기술은 배터리 내부 또는 모듈 단위에서 온도, 전압, 전류, 가스 감지 등의 데이터를 실시간 수집하여 이상 징후를 조기에 탐지하고, 필요시 시스템 차단이나 냉각 기능을 수행하는 알고리즘을 포함한다. 특히 최근에는 AI 기반의 이상 패턴 분석 및 기계학습 모델을 활용하여 발화 가능성을 예측하는 특허가 증가하고 있다. 예를 들어 테슬라는 ‘배터리 팩 내부 열 이상 감지 및 냉각 제어 시스템’에 관한 특허를 통해 배터리 상태를 실시간으로 진단하고, 고온이 감지될 경우 특정 셀만 차단하는 정밀 제어 기술을 구현하고 있다. 이와 같은 구조 및 센서 기술은 물리적 방호와 함께 전자적 제어 기술을 결합함으로써 다중 안전장치를 구축하는 방향으로 발전하고 있다.

4. 전고체 배터리와 차세대 발화 방지 기술의 특허 동향

리튬이온 배터리의 구조적 한계를 보완하고 발화 위험을 근본적으로 제거하기 위한 차세대 기술로 **전고체 배터리(All-solid-state battery)**가 주목받고 있다. 전고체 배터리는 유기용매 대신 고체 전해질을 사용함으로써 인화성과 누액 문제를 원천적으로 차단할 수 있는 장점이 있다. 이에 따라 글로벌 기업들은 전고체 배터리의 상용화 경쟁과 함께 다양한 발화 방지 특허를 선점하고 있다. 특히 도요타는 고체 전해질의 안정성을 향상하기 위한 황화물계 전해질 조성 및 계면 안정화 기술에 대한 다수의 특허를 확보하고 있으며, 이는 고온 환경에서도 화학적 안정성을 유지함으로써 발화 위험을 크게 줄이는 데 기여하고 있다.

전고체 배터리의 또 다른 핵심 기술은 전극-전해질 계면의 접촉 안정화다. 이는 고체와 고체 사이의 접촉 저항이 커지며 발생하는 국부적인 열 발생을 최소화하고, 전기화학적 반응이 고르게 일어나도록 설계하는 데 중점을 둔다. 이와 관련된 특허는 셀 압착 구조, 전극 소재의 미세구조 제어, 계면 중간층 설계 등의 기술로 구체화하고 있으며, 삼성전기, 히타치, QuantumScape 등도 이 분야에 적극적인 특허 출원을 진행하고 있다. 또한 나트륨이온 배터리, 리튬 황 배터리 등 차세대 기술로 확장되는 배터리 플랫폼에서도 발화 방지를 위한 신소재 기반 특허가 활발히 개발되고 있다. 이러한 특허 동향은 배터리 산업이 ‘에너지 밀도’ 중심에서 ‘안전성 중심’으로 패러다임을 전환하고 있음을 보여주며, 향후 산업 생태계 전반에 걸쳐 구조적인 기술 진화를 예고하고 있다.