인천 청라에서 생긴 전기차 화재로 인해 지하주차장에 있던 140대가 화재 피해를 입었고 30%가 넘는 480세대가 전기 공급이 안되는 극심한 고통을 겪고있습니다. 화재가 발생한 전기차가 8시간 20분 만에 블이 꺼졌는데 전기차 화재가 왜 발생하는지 배터리 현직자가 알려드리겠습니다.
배터리 개발에 몸담고있는 필자는 전기차에 대해 밝은 미래를 갖고있슺니다. 하지만 전기차 화재뉴스를 들으면 맘이 안좋은데요. 왜 전기차에 화재가 발생하면 다 탈때까지 기다려야할까요.
양극과 주행거리의 관계?
현재 전기차시장에서 사용하는 대부분의 배터리는 리튬이온배터리입니다. 주행거리를 결정하는 양극활물질에 따라 크게 한국배터리기업은 NCM 및 HIGH NI계열을, 중국배터리기업은 LFP계열을 위주로 개발해왔습니다. NCM와 HIGH NI, LFP의 차이점은 에너지밀도의 차이라고 보시면 됩니다. 즉, 단위 부피/무게 당 더 높은 에너지를 낼 수 있는것이 NCM, HIGH NI계열입니다. 같은 부피에 같은 양의 배터리를 만든다면 NCM, HIGH NI계열의 배터리를 장착한 차량이 더 많은 거리를 주행하는거죠.
그럼 NCM, HIGH NI계열은 왜 LFP보다 안전하지않을까?
양극활물질의 종류마다 열적 특성이 다르기 때문입니다. 배터리에 이상이 발생하면 점점 열이 발생하고 온도가 오르기 시작합니다. 보통 분리막은 120도 근처에서 리튬의 통로인 PORE(구멍)을 막아줘 양극과 음극의 쇼트를 방지해줍니다. 하지만 온도가 점차 오르면서 NCM계열 양극활물질은 구조가 쉽게 붕괴되어 더 많은 열을 발생시킵니다. 구조가 붕괴될 때 열적안정성이 낮아 더 많은 열을 방출하고 주변에 있는 다른 배터리에도 안 좋은 영향은 주는 것이죠.
화재발생원인은 무엇?
화재가 발생하는 원인은 기본적으로 만나지 않아야할 양극과 음극이 만나게 되는 상황입니다. 그 상황을 만드는 원인이 물리적인 충돌이던지, 전기적인 특성이던지, 배터리 자체의 결함 또는 열적인 문제냐에 따라 부르는 명칭이 다를 뿐이죠.
1. 열폭주
가장 중요하게 볼 것은 열폭주입니다. Thermal Runaway 라고도 부르는데 배터리가 과열되면 배터리 안에 있는 구성요소들의 내부 화학반응에 의해 온도가 급격히 상승하게 됩니다. 1,000도 이상 오르는 경우도 있어 배터리를 구성하는 알루미늄이나 구리를 녹여 없애는 경우도 생깁니다. 배터리가 버틸 수 없는 정도로 내부에 급격히 온도가 올라 임계점을 넘으면 배터리를 순간적으로 폭발하거나 불이 붙어버립니다. Hard short라고 보시면 되죠.
2. 외부손상
충격, 진동, 추락처럼 다양한 이유로 배터리가 외부로부터 물리적으로 강한 충격을 받으면 내부 셀이 찌그러지고 손상되어 쇼트가 발생할 수 있습니다. 이렇게 배터리가 손상되어 쇼트가 발생하면 쇼트가 되고 쇼트가 일어난 지점을 기점으로 급격하게 전류가 커져 온도가 상승하고 화재가 발생합니다.
3. 과충전
배터리를 과도하게 충전할 경우 배터리가 사용되는 전압보다 너무 높아지면 배터리 내부의 전해질이 분해되고, 이로 인해 가스가 발생하며 폭발이나 화재로 이어질 수 있습니다. 배터리를 사용하는 전압은 보통 4V에서 4V초반대를 사용하는데 계속 충전을 하다보면 문제가 생기는 거죠. 개발하는 과정 중에 사용최대전압의 1.1배까지 이상이 없도록 만들고 배터리매니지먼트시스템(BMS)에도 과하게 충전되는 것을 막는 기능이 들어있습니다.
4. 자체 결함
배터리를 제조하는 과정 중에 결함으로 인해 불량한 배터리가 생산될 수 있으며, 이러한 배터리는 사용 중에 열폭주나 내부 단락을 일으킬 가능성이 높습니다. 내부에 이물을 검사하고 제거하는 기능이 있지만 다양한 경우로 결함이 있는 배터리가 만들어지고 검사를 통해 걸러지지 않은채 외부로 나갈 수 있는 경우도 적지만 발생합니다. 이런게 사전에 발견되면 리콜등의 조치를 하게 되죠.
5. 온도 변화
배터리는 온도에 민감하고 온도에 따라 성능이 변합니다. 매우 높은 온도나 매우 낮은 온도에서 성능이 저하되거나 불안정해질 수 있죠. 0도나 영하의 온도에서는 저온수명이나 충전방전특성 등 성능적으로 저하된다면 높은 온도는 배터리 내부의 화학 반응을 활발하게 만들어 화재 위험이 증가할 수 있습니다.
6. 잘못된 배터리 관리 시스템 (BMS)
배터리 관리 시스템은 배터리의 충전 상태, 온도, 전류 등을 모니터링하고 조절하는 역할을 합니다. 이 시스템이 제대로 작동하지 않으면 배터리가 과충전되거나 과방전되어 위험한 상황을 초래할 수 있습니다. 배터리의 노화: 배터리는 사용 시간이 길어지면서 성능이 저하되고 내부 저항이 증가합니다. 노화된 배터리는 열을 더 많이 발생시키며, 이는 화재의 원인이 될 수 있습니다.