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입력 : 2021-01-28 04:05:02수정 : 2021-02-01 14:06:48
불이 붙어도 연소되지 않는
전고체 전지 개발에도 박차
최근 현대자동차의 코나 일렉트릭(EV)이 또 원인불명의 화재로 논란에 휩싸였다. 올해가 전기차 시대 원년이 될 거라는 장밋빛 전망이 앞섰지만 잇따른 화재가 잡음을 내는 모양새다. 특히나 이번 화재는 현대차가 배터리관리시스템(BMS)을 업그레이드하는 리콜을 진행한 이후에 또다시 발생했다는 점에서 불안함을 증폭시키고 있다. 리튬은 배터리 화재 원인 중 하나다. 리튬은 에너지혁명을 가능케 한 영웅이자, 배터리 안정성의 발목을 잡는 소재다. 리튬은 이온화 경향이 큰 금속이다. 이온화 경향은 금속이 전자(-)를 내주고 양이온(+)이 되려고 하는 정도를 말한다. 이온화 경향이 큰 금속일수록 공기 중 산소와 결합해 쉽게 산화한다.
순수 리튬은 물, 공기와도 반응할 정도로 폭발 위험이 높아 배터리로 쓰기엔 위험하다. 반면 산화 금속 상태의 리튬은 상당히 안정적이다. 이런 점을 활용해 2차전지 내에서 금속 리튬 대신 다른 금속에 섞은 리튬산화물을 활용한다. 배터리는 음극, 양극, 전해액, 분리막으로 구성된다. 리튬이온이 음극으로 가는 과정이 충전, 양극으로 돌아오는 과정이 방전이다. 분리막은 양극과 음극이 접촉해 단락(합선)으로 화재가 발생할 수 있는 걸 막는다. 분리막에는 리튬이온만 오갈 수 있는 미세한 구멍이 뚫려 있다.
리튬배터리는 보통 '열폭주'라는 현상을 통해 폭발한다. 음극에서는 약 70~90도에서 발열반응이 발생하기 시작하고, 양극에서는 130~150도에서 발생한다. 이때 적절하게 냉각되지 않으면 온도가 지속적으로 상승하면서 열에너지 발생 속도도 증가해 폭주하게 된다. 열폭주가 발생하면 분리막이 녹아 내부 단락이 발생할 수 있는데 이렇게 되면 화재가 발생한다.
열폭주는 설계 오류, 제조 결함, 운영상 부주의, 오남용 등 다양한 원인으로 배터리 셀에 스트레스가 가해지면 시작하게 된다. 또 음극과 양극을 손상시키는 과전압이나 음극 표면에 리튬 금속이 나뭇가지 모양으로 들러붙는 덴드라이트가 생기는 과방전 등으로도 발생할 수 있다. 다양한 원인으로 단락이 발생하고, 내부 온도 관리가 안 돼 일정 온도 이상 올라가면, 분리막이 손상되고 불이 붙게 된다. 이때 리튬은 물과의 반응성도 높아 물을 뿌리면 불이 더 격렬해지기도 한다.
이 때문에 기업들은 배터리 화재를 막기 위한 다양한 시스템을 개발했다. 배터리 자체를 안전하게 설계하는 것도 중요하지만 수많은 배터리 셀의 온도, 충전 상태, 전압 등을 감시·관리하는 역할을 하는 BMS 등이 예시다. 이 밖에도 내부 압력이 가해졌을 때 가스가 발생해 분리막을 손상시킬 수 있기 때문에 이상 상황이 되면 가스를 분출하는 가스배출 장치(VENT)가 있다.
배터리 위 작은 구멍이 평상시에는 닫혀 있다가 이상 상황이 되면 열린다. 배터리에 문제가 생기면 배터리 내부와 외부의 회로를 격리시키는 과충전 방지장치(OSD), 특정 전류가 흐르면 회로를 끊는 단락 차단 장치(FUSE)도 있다. 이 밖에 LS일렉트릭은 최적의 설정 온도(실온 25도)를 기준으로 모니터링을 하고, 이상 징후를 보이는 40도 직전부터 '알람' '위험' 경고를 하는 시스템을 개발했다. 비상시 운영시스템을 강제로 정지하거나 냉방·공조 시스템을 가동해 화재와 배터리 손상을 예방한다.
삼성SDI는 배터리 셀에서 화재가 발생할 경우 다른 셀로 번지는 걸 막기 위한 신개념 열 확산 차단재를 부착한다. LG화학은 분리막 표면을 세라믹 소재로 얇게 코팅해 안전성과 성능을 대폭 향상한 안전성 강화 분리막(SRS) 특허 기술을 보유하고 있다. 랑세스와 같은 화학 회사는 배터리 팩에 화재가 나면 외부로 옮겨붙는 걸 막기 위한 난연재를 개발하기도 한다.
하지만 이런 모든 기술들은 근본적인 원인을 차단하는 게 아니다. 최근 배터리 업계에서 '전고체 배터리'가 계속 얘기되는 이유다. 리튬 금속을 그대로 사용하면서 전해질을 고체 상태의 '난연성'(불이 붙어도 연소가 되지 않는 성질) 물질로 대체하는 방법이다. 고체 전해질이 분리막의 역할까지 대신한다. 전고체 배터리는 일본의 도요타를 필두로 개발이 진행 중이다. 도요타는 올해 세계 최초로 전고체 전지를 장착한 시험차를 공개하고, 2020년대 초반 시판에 나서겠다고 밝혔다. 그러나 아직 개발 초기 단계라 상용화까지는 적지 않은 시간이 필요할 전망이다.
[최근도 기자]
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전기차 보급이 늘면서 화재 소식도 자주 들린다. 지난해 6월 미국 펜실베이니아주 필라델피아에서 발생한 테슬라 모델S 화재. [AFP=연합뉴스]
이달 초 부산에서 전기차 아이오닉5가 고속도로 요금소 충격흡수대를 들이받은 후 불길에 휩싸이는 사고가 발생했다. 아직 정확한 조사 결과가 나오지는 않았지만 이 일을 계기로 전기차 화재 사고에 대한 경각심이 높아지고 있다. 전기차는 외부 충격 등으로 배터리가 손상될 경우 화재나 폭발로 이어질 수 있어서다.
22일 중앙일보는 한국교통안전공단 자동차안전연구원의 조언을 통해 전기차 화재에 대한 궁금증을 정리했다. 자동차안전연구원은 매년 자동차안전도평가(KNCAP)를 하는 국토교통부 산하기관이다.
자동차안전연구원은 배터리 화재의 주된 이유로 ▶외부 충격 ▶과충전 ▶제조 불량 등을 꼽았다. 문보현 한국교통안전공단 책임연구원은 “전기차 배터리는 최소 구성 단위인 배터리셀 수백~수천 개가 팩 안에 모여 있다”며 “충돌로 인해 배터리셀의 음극·양극을 분리하는 분리막이 찢어지면서 합선이 발생하고, 이로 인한 열·스파크로 화재가 일어날 수 있다”고 설명했다. 분리막이 찢어지면 순식간에 화재가 발생한다.
그래픽=신재민 기자
특히 전기차 화재로 우려되는 건 배터리 ‘열폭주’다. 배터리팩이 손상되면 내부 온도가 순식간에 섭씨 800도까지 치솟으며 불이 번지는 현상이다. 이럴 땐 화재 진압이 어려워 인명 피해로 이어질 가능성이 크다.
또 배터리 정격 용량보다 과충전됐을 때도 전해질의 온도가 상승, 양극·음극이 분해되고 분리막까지 녹아 화재가 일어날 수 있다. 배터리 제조 불량은 제조 공정상 불순물이 들어가면 내부 단락이나 합선이 발생해 불이 날 수 있다는 설명이다.
전기차는 자동차관리법에 따라 안전성 기준을 통과해야 한다. 내연기관 차량과 동일하게 시속 56~64㎞에서 정면·부분정면·측면 충돌시험을 한다. 이때 배터리의 폭발·화재·감전 위험성이 안전 기준을 충족해야 한다. 또 배터리만 따로 국제 기준보다 엄격한 12개 안전시험을 거친다.
자동차연구원 관계자는 “10t짜리 프레스로 배터리팩을 누르는 압착 시험, 바닷물에 빠뜨리는 침수 시험, 높이 4.9m에서 떨어뜨리는 낙하 시험 등에서 발화나 폭발이 없어야 한다”고 말했다.
이런 가혹한 시험을 통과했는데도 배터리 화재가 발생하는 이유는 뭘까. 연구원 관계자는 “안전성 평가는 최소한의 기준”이라며 “예컨대 평가 기준(시속 56~64㎞) 이상의 충돌이 발생할 경우 배터리 화재 우려가 커질 수 있다”고 말했다. 또 “충돌의 경우 충격량에 비례해 폭발로도 이어질 수 있다”고 덧붙였다.
다만 치명적인 배터리 화재는 흔치 않다. 소방청에 따르면 2017년부터 지난달 말까지 전기차 화재 건수는 59건이었다. 전기차 보급대수 대비 화재 사고율은 0.02% 수준이다.
전문가는 “전기차 보급이 본격화한 만큼 안전사고 가능성에 대해서도 소비자에게 적극 알려야 한다”고 강조한다. 지난 2018년 5만 대였던 국내 전기차 보급 대수는 최근 5년 새 다섯 배가 됐다.
김필수 한국전기자동차협회장(대림대 교수)은 “전기차 배터리는 충격과 수분에 취약한 데 국내 도로 사정은 방지턱 등 울퉁불퉁한 곳이 많고, 장마철엔 침수도 잦다”면서 “정부와 자동차 업체들이 안전 이슈도 함께 고지해 사고 가능성을 낮추는 게 중요하다”고 말했다.
백민정 기자, 부산=김민주 기자
배터리열폭주 현상 이란
배터리시스템 내의 타 배터리에 비해서 3[℃]이상 상승하는 현상 을 말합니다.
열폭주가 일어나면 전압이 상승하거나 배터리가 부풀어 오르고 전해액의 온도가 상승하여
끓어오르는 현상이 발생합니다
기 본적으로 어떤 화학물질이 에너지를 받으면 최 외곽전자가 빠져나가 +전하를 띄기도 하고
거꾸로
–전하를 띄기도 합니다.
이렇게 전자를 주거나 받거나는 화학물질의 종류에 따라 정해지며,
그에 따라 전자를 주느냐 받느냐에 따라서 산화반응이냐 환원반응이 발생합니다.
즉, 어떠한 화학물질이건 화학반응을 하는데 필요로 하는 에너지양이 정해져 있기 때문에
그 양을 초과해 버리면 더욱 화학반응이 많이 일어나기 때문에 열이 발생하고,
열이 냉각되지 않고 누적되면 전해질의 기화온도 이상으로 상승하여 전해질에 금속 이온이
용출을 발생합니다.
즉,
온도가 높아지면 금속이온이 아주 적은 양이지만 용해도가 증가하여 녹는 양도 증가
하게 되고, 금속이온이 녹게 되면, 결정구조가 붕괴되면서 원자들도 녹는다.
따라서 전해질이 녹는다면 산소가 밀폐된 배터리 내부에 남게 되고,
이는 연소의 3요소 중 하나이므로 화재발생과 폭발 로 이어질 수 있습니다.
● 정리하면
과 충, 방전시→열 발생의 누적→전해질의 용해→산소 남음→열의 반복 누적→화
재 발생 또는 폭발 현상
열폭주 현상 원인 으로는 과충전이나 과방전(합선), 내부단락 사고, 단자의 불량, 전해
액의 농도, 충전불량 등이며 이로 인하여 내부에서 순간 과열로 열이 발생하며 순간팽창,
또는 폭발하는 상태 로 열폭주 현상으로 발생된 것 같습니다.
● 과 충, 방전에 의한 열폭주 발생원인 확인 사항 (예)
1. 배터리의 용량산정 확인(실제 부하용량과 배터리 용량관계 )
2. 배터리 내부
보호장치(과열시 차단기능, 과전류, 전해액 기타 등등)
3. 연결부하의 종류 및 부하 소비 형태
4. 기타