🔋 리튬이온 배터리 과방전 / 내부 발열과 셀 붕괴가 시작되는 순간

(Sensloop Lab Research Log)

연구원 여러분,
오늘은 리튬이온 배터리 과방전(Overdischarge), 그중에서도

고방전율 조건에서의 내부 반응을 살펴보려 합니다.

🧩 1. 서론 “0%” 그 이후에도 셀은 조용하지 않다

우리가 흔히 말하는 “완전 방전”은 사실 정지점이 아닙니다.
셀 내부에서는 여전히 이온 불균형과 전해액의 불안정, 미세한 발열이 이어집니다.

특히 정격 전류를 초과한 고방전율 과방전에서는
셀 자체가 작은 발열 시스템처럼 변합니다.
내부 화학 반응이 제어 범위를 벗어나기 시작하죠.

Sensloop Lab의 셀 단위 실험 환경. 실제 파우치형 셀을 연결해 방전 중 전압 변화를 관찰 중이다.

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⚙️ 2. 과방전 메커니즘 개요

과방전은 단순한 “전압 하락”이 아닙니다.
전류가 과도하게 흐르는 동안, 전극 내부에서는 다음과 같은 단계적 변화가 일어납니다.

① 전류 과부하 → ② SEI 층 붕괴 → ③ Cu 집전체 용출 → ④ 전해액 분해 (CO₂, CH₄, HF 등) → ⑤ 내부 압력 상승 → ⑥ 필름 팽창 및 가스 방출

이 중 SEI 층이 붕괴되는 시점부터는 셀 내부 전위가 급격히 불안정해지며,
저항 발열(Q = I²R)이 누적되어 온도 상승률(ΔT/Δt) 이 급격히 커집니다.

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🔥 3. 내부 발열과 구조 손상

셀을 무리하게 사용하면 리튬 이온보다 전자가 먼저 이동합니다.
전극 간 전위차가 커지면서 SEI 층이 열화되고,
음극의 Cu 집전체가 용출 → 재도금(dendrite 형성) 됩니다.

덴드라이트는 분리막을 찔러 국부 단락(Local short) 을 만듭니다.
그 부위에 전류가 집중되며 폭발적 발열이 일어납니다.
이 구간이 바로 과방전의 “열폭주 전단계(pre-runaway zone)” 입니다.

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💨 4. 파우치형 셀의 오프가스 방출 구조

여기서 하나의 구분이 중요합니다.
‘밴팅(Venting)’은 원통형 셀의 상단 밸브가 열리는 현상을 뜻합니다.
그러나 파우치형 셀에는 밴트가 없습니다.

내부 압력이 높아지면 라미네이트 필름이 팽창(Swelling) 합니다.
이어 접합부가 열리며 가스가 새어 나옵니다.
이것이 ‘오프가스 방출(Off-gas emission)’ 입니다.

이때 방출되는 가스는 주로 CO₂, CO, CH₄, HF 등으로,
눈에 보이지 않아도 냄새, 필름 팽창, 미세한 변형으로 징후를 확인할 수 있습니다.

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🧪 5. Sensloop 예비 관찰 로그

이번 로그는 실험 전 단계의 이론·관찰 기반 정리입니다.
향후 동일 셀을 1C·3C·5C 조건으로 방전해
표면 온도 상승률(ΔT/Δt) 을 중심으로 발열 패턴을 확인할 예정입니다.

가스 방출은 정량 측정이 어렵습니다.
따라서 필름 팽창 정도, 냄새, 압력 변화 등 육안 관찰로 접근합니다.

Sensloop Lab은 이 데이터를 토대로
내부 전류 기작이 열폭주로 이어지는 경계 구간을 후속 로그에서 분석할 계획입니다.

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