전기차 배터리 화재 진압이 쉽지 않다는데

전기차 배터리는 무엇으로 만들어져 있나?

가. 리튬이온배터리 (Lithium Ion Battery)

리튬이온배터리는 한번 사용하면 더 이상 사용할 수 없는 기존의 배터리와는 다르게 충전과 방전을 지속할 수 있는 2차전지이다. 리튬이온 전지는 에너지 저장 밀도가 높아 작고 얇은 모양으로 만들 수 있다. 그래서 원통형, 각형, 파우치형으로 제작된다. 휴대폰이나 카메라와 같은 소형 휴대용 기기의 전원으로 널리 이용되고 있으며, 친환경 에너지 저장장치(ESS) 및 자동차용 배터리로도 사용되고 있다. 또한 리튬이온 전지는 한 번 방전된 후 다시 충전할 때 전지의 용량이 줄어드는 메모리 효과(Memory Effect)가 거의 없고, 자연 방전도 일어나지 않아 2차전지로 사용되기에 적합한 특징을 가지고 있다.

 

리튬이온 배터리의 구성

나. 리튬이온배터리의 구성

리튬이온배터리를 크게 살펴보면, 양극, 음극, 전해액, 분리막 이렇게 4가지로 이루어져 있다. 양극(Cathode)은 리튬코발트 산화물과 같은 리튬을 포함한 금속 산화물이 사용되고, 음극(Anode)은 대부분 층상 구조를 가지는 흑연(Graphite)이 사용된다. 양극과 음극은 배터리의 용량과과 수명을 결정하고, 전해액과 분리막은 배터리의 안정성과 관련이 있다

전해액(Electrolyte)은 리튬 이온이 각 극으로 이동할 때 원활하게 움직일 수 있도록 도와주는 매개체 역할을 하며, 염, 용매, 첨가제로 구성된다. 그리고 이를 둘러싼 케이스가 있는데 전해액이 액체이다 보니 새지 않도록 밀봉하여 보호한다. 이러한 이유로 외부에서 소화수를 뿌려도 물이 내부로 침투하지 못한다.

 

다. 충‧방전 원리

리튬이온배터리의 충전과 방전이 지속될 수 있는 2차전지라고 하였다. 리튬이온배터리의 충‧방전 원리를 살펴보자. 충전시에는 리튬이온과 전자가 음극으로 모이게 되고, 방전시에는 전자와 리튬이온이 양극으로 이동하기 시작한다. 다시 말해서 전자들이 전해질을 타고 양극에서 음극으로 이동하면 충전되고, 반대로 음극에서 양극으로 이동하면 방전된다. 이러한 방법으로 충‧방전을 한다.

 

라. 전기차 배터리의 종류

전기차 배터리는 크게 원통형, 각형, 파우치형으로 나뉜다. 냄드의 투자일기(티스토리)에서 확인한 바에 따르면, 원통형은 표준화된 크기와 다자인으로 대량생산이 가능하고 원가 절감이 좋아 테슬라에서 도입하고 있다. 각형은 외부충격에 대한 강도가 좋아 BMW, 벤츠, 폭스바겐, 아우디, 포르쉐, 페라리에서 사용하고 있다. 그리고 파우치형은 다양한 크기와 모양으로 차량에 접목시킬 수 있고 높은 에너지 밀도를 가질 수 있어서 현대기아차, GM, 르노, 포드, 볼보, 폭스바겐에서 사용하고 있다.

 

최근 날로 성장세를 보이고 있는 전기차

리튬이온배터리의 화재 관련 문제점

가. 산소 없이도 화재가 발생할 수 있다.

FPN daily 보도에 따르면 방재시험연구원에서는 ESS 화재 대응을 위한 자동소화시스템 개발을 위한 정부과제 사업을 2024년까지 진행 중이라고 한다. 그중 리튬이온배터리 열폭주와 발염 연소단계에서 만들어지는 가스를 분석하기 위한 실험에 대한 결과를 발표했다. 실험 결과 리튬이온배터리는 가연물, 산소, 점화원이 존재해야 하는 화재 3요소 중에서 산소가 없어도 화재가 발생한다는 사실을 알아냈다. 산소 농도가 1% 이하인 상황에서 배터리에 열을 가해 열폭주를 유도했더니 일부 화염이 분출되는 연소가 진행되었다는 것이다. 그리고 이 과정에서 아세틸렌, 에틸렌, 메탄, 일산화탄소 등 가연성 기체가 생성되었고 특히 열폭주시에는 수소가 다량 발생한다고 하였다. 이렇듯 1% 이하의 산소 상태에서도 화염이 발생하므로 화학 소화약제에 의한 질식소화는 기대하기 어려울 것으로 보인다.

 

 

나. 분리막이 파손되면 열폭주(Themal Runaway) 현상이 일어난다.

근본적인 문제의 원인은 액체 전해액이다. 가운데 있는 분리막(Separator)은 PP/PE/PP로 구성되어 있는데, 이 분리막이 양극재와 음극재가 만나서 쇼트가 나는 것을 막아주는 역할을 한다. 그런데 배터리에 강한 전류가 흐르거나 충격 또는 고온의 환경에 노출되어 분리막이 손상되면 상호간 접촉으로 쇼트가 발생하게 된다. 이렇게 분리막 파손으로 배터리가 단락되면 충전된 에너지를 순식간에 방출하게 되므로 엄청난 열이 발생하게 되는데, 그 열에 의해 전해액이 열분해 되어 가연성 가스가 발생하고 화재 또는 폭발로 이어진다.

 

다. 하나의 셀 문제는 연속적인 열폭주로 이어진다.

전해액의 성분으로 사용되는 것 중에 주의깊게 봐야 할 성분이 있는데 DMC와 DEC이다. DMC는 디메틸케톤을 말하는데 인화점은 –18℃, DEC는 디에틸케톤으로 인화점은 12.7℃이다. 두가지 성분 모두 낮은 온도에서도 불꽃이 존재하면 화재로 이어지는 위험성을 가지고 있다.

분리막 파손으로 전해액이 순간적으로 가열되면 인화성 가스를 배출하게 되고 배터리의 온도가 급격하게 상승한다. 온도의 상승은 더 많은 인화성 가스를 배출시키게 되고 결국 열폭주를 일으켜 배터리의 내부 압력이 증가하여 셀이 폭발하게 된다. 하나의 셀이 열폭주를 일으켜 폭발하게 되면 이 화염과 열기로 인해 인접한 배터리를 가열하게 되는데, 인접 배터리의 온도가 일정 수준 이상으로 높아지면 인접 셀의 분리막이 녹아내리거나 전해액이 열분해 되어 해당 배터리에서 또 다른 열폭주가 발생하는 것이다.

 

전기차에 사용되는 배터리

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