리튬배터리의 자체 특성때문에 전기차 화재는 내연기관 자동차와는 화재의 성격이 다르다. 전기차 화재사건은 빈번하지 않으나 발생하면 즉시 소방서에 알리는 적절한 전략으로 짧은 시간에 불길을 잡을 수 있다.
SK이노베이션 등 전기차 배터리 생산업체에서 리튬전지의 쇼트 열폭주 원인을 개선하고 막는 기술을 개발해냈다. 그래서 전기차가 화재에서 더욱 안전해졌다.
작가소개
안녕하세요. 환경운동하는 작가에코 eco입니다. 하나뿐인 소중한 지구를 어떻게 하면 더푸르고 맑게 지속가능하게 하는지 관련 환경기술과 환경활동을 소개하고 있어요. 일상의 크고 작은 실천으로 여러분도 환경에 기여하고 있습니다.
이 블로그를 읽다 보면 다양한 환경활동과 환경기술로지 속가능한 지구가 이렇게 가능하구나를 알 수 있어요. 전기차가 친환경 바람을 타고 보급되고 있지요. 독일 포르셰, BMW, 벤츠, 아우디, 미국 테슬라, GM, 한국 삼성자동차와 현대자동차가 전기차를 출시하고 있어요.
국토부의 통계를 보면 전기차 등록 대수는 2022년 1분기 기준 전년 동기보다 74.9%가 늘어났어요. 전기차가 진정한 친환경인지는 다음 편에 살펴보고 이번에는 전기차가 화재의 원인과 대처방안에 대해 알아보겠습니다.
전기차 화재는 흔하지 않으니까 너무 걱정할 필요 없어요. 게다가 화재가 나도 대응책이 있어요.
1. 전기차 화재원인 리튬배터리 쇼트 열폭주 현상과 원인 5가지
전기차 화재 건수는 드물다. 전기차 화재 시 매연이나 화상으로 인해 사망한 경우는 없다. 충돌로 인한 충격으로 사망은 발생했으나 이는 전기차가 아닌 자동차 사고에서도 발생하는 사항이다.
소방청의 통계를 보면 2017년부터 2022년 5월 말까지 발생한 전기차 화재 사건은 전국에서 59건이었다. 사망은 0명이고 부상자는 4명이었다. 2019년 기준 전기차 보급대수 대비 화재 사고율은 0.02%로 전체 자동차 화재 사고율 0.02%와 다르지 않았다.
전기차 배터리는 요금소 앞 분리대나 가로수 등을 들이받으면 차체에 물리적 압력이 가해져서 배터리도 충격을 받아 분리막이 훼손되어 쇼트가 발생한다.
그래서 전기차 화재가 발생했을 때 탑승자와 소방대원을 보호하려면 더 높은 안전기준이 필요하다. 생산한 전기차 충돌 검사할 때 기준속도를 현재보다 더 올리는 것도 한 방법이다.
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전기차 배터리 형태는 생김새에 따라 파우치형, 각형, 원통형 등이 있다. 형태가 어떻든 배터리에서 내부 쇼트(short circuit, 숏 서킷, 단락, 합선)가 발생하면 열폭주로 이어진다. 단락은 전기 용어이다. 숏 서킷은 전기회로에서 짧은 길이 만들어져서 전류가 흐른다는 뜻이다.
양극과 음극이 만날 때 내부 단락이 발생한다. 내부단락은 셀(cell, 구획) 내부에 쌓여있는 양극과 음극이 직접적으로 접촉해 강한 화학반응이 일어나 화재가 발생하는 상황이다.
내부 단락은 1) 얼라인먼트(alignment) 불량, 2) 분리막 부재, 3) 금속 이물 유입, 4) 내부 변형 등 제조 과정에 의한 것과 5) 충전 방전에 의한 것이 있다.
얼라이먼트 불량은 제조 과정에서 양극과 음극이 제대로 정렬이 되지 않는 경우이다. 배터리 내부에는 종잇장처럼 사각형 형태의 양극, 분리막, 음극이 순차적으로 반복해서 쌓여 있다.
이 소재들을 쌓는 과정이 정교하지 않으면 양극이나 음극 종이장의 모서리 부분이 말리거나 튀어나와 화재가 발생한다.
분리막 부재는 양극과 음극 사이에 위치하는 분리막이 양극과 음극을 제대로 막지 못해 비어 있을 때 양극과 음극이 접촉해 화재가 발생한다. 분리막은 강하고 얇을수록 리튬이온이 활발하게 양극과 음극을 이동할 수 있어서 배터리 성능을 개선하고 충전 속도도 빨라진다.
금속 이물 유입은 용접 과정에서 금속 이물질이 셀 내부로 튀어서 주로 발생한다. 이온이 이물질인 금속에 달라붙어 뾰족하게 커지면서 화재의 원인이 된다.
내부 변형은 양극, 분리막, 음극을 길게 뽑아 겹쳐놓고 말아서 배터리를 제조하는 배터리 각형방식에서 발생한다. 소재를 두껍게 말면 모서리 부분에 곡률이 생긴다.
배터리를 사용하다 보면 곡률이 있는 부분과 평평한 부분의 팽창 형태가 달라서 뒤틀린다. 이 뒤틀린 부분에 화학반응이 집중적으로 일어나 뾰족한 결정이 쌓여 화재의 원인이 된다.
충전과 방전 과정 중에 분리막 손상이 발생할 수 있는데 이 또한 화재 원인이다. 배터리를 완전히 충전할수록 배터리 내부 압력이 높아져 쇼트가 발생할 위험이 더 커진다.
원통형 배터리가 충전방전이 반복되면 내부가 팽창하고 팽창하면서 분리막이 압력을 받게 된다. 이 상황이 반복되면 분리막의 미세한 기공이 변형되어 화재로 이어진다.
2. 리튬배터리 쇼트 열폭주 해결한 SK이노베이션
열폭주를 막을 수가 없어서 관련 기술이 개발 중이었다. 전고체 배터리는 화재 위험이 없다. 다만 완성되기까지 수년이 걸린다. 전고체 배터리는 리튬이온이 움직이는 매개체가 액체가 아닌 고체라서 안전성이 높다.
열폭주를 막는 기술개발을 2021년 SK이노베이션이 해냈다. SK 배터리 개발센터 이존하 센터장이 파우치형 배터리 경쟁력을 주제로 자사의 배터리기술력과 안전성에 대해 발표했다. SK배터리는 화재발생이 제로이다.
이존하 센터장은 배터리 화재가 발생하는 원인을 개별 셀 관점과, 이 셀을 300~400개 묶은 배터리 팩 관점으로 구분해 해결책을 제시했다. 파우치배터리 화재의 주요 원인은 내부단락이다.
SK의 새로운 파우치형 배터리는 위 다섯 가지 원인 중 금속 이물 유입, 내부 변형, 분리막 손상 발생확률을 크게 낮추었다. 나머지 두 원인은 Z폴딩 기법을 사용해 극복했다. Z폴딩(지그재그 감싸기)은 분리막을 자르지 않고 길게 뽑아내 양극과 음극을 연속적으로 감싸는 방식이다.
즉, 분리막이 양극과 음극 사이를 지그재그로 오가면 완전히 포개는 형태로 감싸서 양극과 음극이 완전히 분리되어 모서리 부분에서 양극과 음극이 접촉할 가능성을 줄였다. 분리막이 얇아야 리튬이온이 쉽게 양극을 오간다. 얇으면서 튼튼한 분리막을 만드는 게 기술력이다.
SK는 자사의 독자적인 축차 연신 기술과 CCS 코팅 기술로 분리막 기술의 핵심을 표현했다. 축차연신은 점도 높은 반죽 형태의 분리막 원료를 얇은 필름 형태로 펼치는 공법이다. 반죽을 폭 방향으로 잡아당긴 후 길이방향으로 잡아당겨 분리막 두께를 균일하고 정교하게 한다.
CSC(Ceramic Coated Separator) 코팅 기술은 미세한 세라믹 가루(돌가루)를 분리막에 얇게 펴 바르는 기술이다. 이 코팅을 거친 분리막은 형태가 쉽게 변형되지 않는다. 외부압력도 잘 결디고 열에 수축되지 않아 배터리 화재를 원천차단한다.
패터리 팩 관점에서 화재 방지 기술은 열확산 안전성에 달려 있다. 배터리 팩 내부에는 수백 개가 넘는 배터리 셀이 줄지어 있다. 열확산 안전성은 팩 내부에 나란히 배치된 셀들 사이에서 일부 셀에 화재가 발생했을 시 주변 셀로 열이 번지는 것을 차단하는 개념이다.
SK가 자체 제작한 E-팩은 열을 근본적으로 차단해 화재가 번지지 않는다고 증명했다. E-팩은 열이 번져냐 가는 것을 차단하면서도 부품 개수를 줄여 공간 효율을 오히려 높이고 가격까지 낮추었다.
3. 전가차 화재신고 유의점
전기차에 화재가 나면 신고할 때 전기차라는 것을 알려야 한다. 진압방법이 다르기 때문이다. 전기차 배터리에서 열폭주가 일어나면 가연성 가스와 산소가 대량 발생해서 폭발하듯 강한 불길이 치솟는다.
혼자 불을 끄려 하지 말고 일단 신속하게 차 밖으로 대피하고 소방서에 전기차 화재 신고를 한다. 그렇게 미리 전기차라고 알려주면 소방관들이 필요한 장비를 챙겨 출동해서 발 빠른 대응으로 1시간 내에 완전히 진화한다.
전기차 화재를 진압하는데는 엄청난 양의 물이 든다. 전기차 주변에 조립식 수조를 설치한 뒤 물을 채워넣는 방식이 쓰인다. 즉, 소방수가 담긴 냉각수조에 차량을 통째로 침수시키는 방법이다.
서울소방학교에서 전기차 화재진압용 이동형 수조를 2021년 개발했다. 발화점인 배터리 전체를 물로 감싸는 방법이다. 전기차 진화방법은 물이 덜드는 방향으로 개선되고 있으며 다양한 방법이 연구개발되고 있다.
SK이노베이션 배터리에는 화재가 발생하지 않고 불이 붙는다 해도 폭주하지 않는다. 일반적으로는 폭발적으로 붙은 불은 금방 꺼지는데 전기차 화재는 양상이 달라서 적절한 대처가 필요하다.
전기차 배터리는 셀 수백 개가 모여 한팩(pack)을 이룬다. 이중 한 셀에서 쇼트가 일어나 열폭주가 시작되면 다른 셀로 연쇄적으로 불이 옮겨 붙는다. SK가 이를 막는 배터리를 개발했다.
전기차에 불이 붙으면 화재를 진압하는데 시간이 걸린다. 겉에 불꽃이 없어도 내부에 살아있는 불씨가 다른 배터리 셀에 옮겨 붙을 수 있기 때문이다. 열확산 안전성이 보장된 배터리는 훨씬 안전하다.
진화된 차를 옮길 때도 소방차가 따라붙으며 대비한다. 이동 중 충격이 가해지면 다시 열폭주가 생길 수 있어서다. (참조 매일산업뉴스, 시사인)
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전기차 화재는 흔하지 않다. 일단 기존의 리튬이온배터리에서 쇼트로 인한 열폭주가 발생하면 불길이 거셌다. 그러나 SK이노베이션 등 관련기업에서 기술이 발전해서 배터리 개발사마다 쇼트 열폭주 원인을 대폭 개선했다.
전기차에 혹시 화재가 발생하면 즉시 차밖으로 나와 소방서에 전기차 화재라고 분명하게 신고한다. 그러면 소방관들이 필요한 장비를 갖춰 출동해서 1시간 내 진압한다.
