한국자동차기자협회가 주최한 '2022 한국자동차기자협회 심포지엄'의 좌장을 맡은 김철수 호남대학교 미래자동차공학부 교수는 최근 발생한 전기차 화재에 대해 충분히 극복할 수 있는 사안이라는 점을 강조했다. 전기차 보급이 확대되면서 전기차 화재도 증가하고 있으며, 이에 대한 소비자의 불안감도 높아지고 있다. 이번 한국자동차기자협회 심포지엄에서는 배터리 화재의 원인과 사례를 살펴보고, 앞으로의 대응 방안에 대한 논의도 이어졌다. 전기차에 사용되는 배터리의 기본적인 이해부터 화재 발생 시의 대응 방안까지 발표된 내용을 정리해 소개한다.

먼저, 배터리의 개념을 정리할 필요가 있다. 배터리는 크게 일차 전지, 이차 전지로 구분된다. 한번 방전되면 다시 충전할 수 없는 건전지를 일차전지, 다시 재충전이 가능한 전지를 이차 전지로 구분한다. 이차 전지는 1900년대에는 납축전지가 대부분이었지만, 기술 발전에 따라 1950년대에는 니켈계전지, 그리고 1990년대 부터는 이제 흔하게 만날 수 있는 리튬이온전지가 널리 보급되 사용되고 있다. 리튬이온 전지는 1985년 일본 아키라 요시노에 의해 처음 개발되었으며, 1990년 일본의 가전업체인 소니가 자사의 제품에 필요한 리튬이온 전지를 대량 생산하면서 빠르게 보급되었다. 작은 크기에 전자제품에 필요한 전력을 충분히 충전할 수 있었던 만큼 이후 사용 범위는 크게 확대되어 이제는 전기차에 까지 사용되고 있다. 

리튬이온 배터리는 리튬 금속산화물로 구성된 양극재, 흑연/그라파이트로 구성된 음극재, 양극과 음극간의 이온 이동이 가능하도록 하는 전해질, 그리고 양극과 음극을 분리하면서 이온이 통과할 수 있는 얇은 막인 분리막으로 구성된다.

리튬이온 배터리는 크기와 무게를 크게 줄이면서 많은 에너지를 축적할 수 있는 장점이 있지만, 여전히 해결하기 어려운 단점을 가지고 있다. 전기차의 화재로 바로 이러한 단점에서 발생하는 이슈다. 

먼저, 리튬이온 배터리는 사용 중 많은 열이 발생하게 되면 이로 인해 전해액이 휘발하면서 가스가 발생하고 이것이 배터리 내부에 축적된다. 이 가스가 배터리의 형태를 변형시켜 안전성을 크게 떨어트리고 화재로 이어지는 원인이다. 또, 음극재에 용량 이상의 리튬 이온이 이동하는 경우 리튬이온이 날카로운 가시처럼 변화하는 결정화가 진행되어, 분리막을 손상시키고 이 또한 화재로 이어진다.  

이러한 불안정한 상황을 막기 위해 가전제품부터 전기차까지 리튬이온 배터리가 사용되는 모든 제품에는 보호회로 또는 BMS라 불리는 배터리 매니지먼트 시스템이 탑재된다. 과충전과 과전류, 과방전 등 배터리의 열을 올리거나 불안정해지는 상황을 제어하는 기능이 더해지게 된다. 필수품이 되어버린 보조배터리의 경우에도 보호회로가 탑재되어 있으며, 전기차의 경우 BMS를 통해 배터리를 관리하게 된다.

하지만, 배터리 관리가 더해진 제품이라도 충전상황, 사용방법에 따라 이상은 생길 수 있다. 전자제품에 사용된 리튬이온 배터리가 원래의 형태와 달리 부풀어 오른 모습을 종종 볼 수 있다. 내부의 가스로 인해 형태가 변형된 모습이다. 가전제품의 소형 리튬이온 배터리는 화재나 폭발이 발생하더라도 피해 규모가 제한적이지만, 전기차의 경우 화재 진압에도 어려움을 겪을 만큼 위험성이 높다.    

전기차는 대용량의 배터리를 탑재해 전기모터를 작동시켜 주행한다. 당연하게 여겨지는 전기차 배터리의 위치는 더 많은 배터리를 위치시키고 차량의 무게중심을 낮추기 위한 것이기도 하지만, 전륜과 후륜 사이에 위치시키는 것이 가장 안전한 위치이기 때문이기도 하다. 

전기차에 탑재되는 배터리는 가장 작은 단위는 셀 크기부터 외부 충격과 열, 진동으로부터 보호하기 위해 여러 개의 셀을 모아 프레임에 넣은 모듈, 그리고, 이 모듈이 모여 전기차에 장착되는 최종형태인 배터리 팩으로 구분된다. 배터리 팩은 단단한 외부 패키지를 통해 전기차 하부에 위치하고 이 배터리 팩 자체가 차량의 프레임에 완전히 고정된다. 

전기차 역시 진동이나 열, 외부 충격 등 다양한 외부 환경에 노출되는 만큼 배터리 팩은 쉽게 변형되기 어려운 튼튼하게 제작된다. 안전을 위해 필수적인 요소지만, 전기차 화재시에는 오히려 화재 진압을 힘들게 하는 요인이 되기도 한다. 또한, 차체에 단단히 고정되는 배터리 팩이지만, 차량하부에서 오는 충격에는 취약하다는 약점도 있다. 지난 6월 발생한 전기차 화재사고도 차량 하부로 전해진 충격이 화재로 이어졌다. 

내연기관 차량이 주행 안전성을 위해 다양한 충돌 안전 테스트를 거치 듯이 전기차용 배터리 또한 다양한 테스트를 통해 안전성을 검증하게 된다. 압축, 낙하, 관통, 진동, 전복, 과충전, 단락, 고열, 열충격 등 다양한 테스트를 통해 검증된 배터리가 전기차에 탑재된다. 

이런 테스트를 거쳐 탑재되는 배터리지만, 화재사고로 이어지기도 한다. 자동차 화재 사고는 매년 증가해 약 5,000건이 발생한다. 하지만, 1년 간 발생하는 자동차 사고 가운데 0.02%의 비율이다. 지난 해 자동차 화재 가운데서도 전기차 화재 건수는 23건, 전체 전기차 가운데 0.01%의 비율이며, 전체 등록 차량으로 보면 그 비중은 더욱 낮다. 모든 자동차 화재는 크고 작음을 떠나 발생하지 않아야 하지만, 현재 소비자들의 우려보다는 발생확률이 높지 않다.

그럼에도 불구하고, 전기차 화재가 일반적인 내연기관 차량의 화재와 달리 주목해야 하는 이유는 화재 발생 시의 위험성이 더 높기 때문이다. 전기차 배터리는 화재 발생시 1,000도 에 달하는 열을 발생하고, 일반적인 화재 진압 방법으로는 불을 끄기도 어렵다. 의식을 잃은 탑승자가 차량에서 내리기도 전 고온의 열과 불길을 내뿜기 때문에 사망사고로 이어질 확률도 대단히 높다. 가장 큰 문제는 현장에서 화재가 제압되더라도 견인 중 다시 재발화하거나, 차량 보관소에서 다시 재발화하는 경우가 대부분이라는 점이다. 

최근의 전기차 화재 사례를 살펴보면, 전기차 화재의 위험성을 알 수 있다. 지난 6월 발생한 부산 강서구 남해고속도로 요금소에서 발생한 전기차 화재 사고는 차량이 요금소 충격흡수대를 충돌해 탑승자 2명이 사망했다. 배터리 내부 온도가 1000도 까지 치솟는 열폭주 현상으로 인해 인명 피해가 더욱 커졌다. 현장에 이동식 수조가 설치되 30분 동안 차량을 수조에 침수시켜 내부 온도를 내릴 수 있었다. 같은 6월 미국 캘리포니아 주에서 발생한 전기차 화재에서도 땅에 구덩이를 파고 물을 채운 후 차량을 침수시켜 진압했다. 

기술 발전을 통해 리튬이온 배터리의 축전 용량 등은 증가했지만, 화재 위험성을 여전히 존재한다. 특히 전기차의 경우 무거운 차량을 움직이게 하기 위해 매우 높은 전압의 전기가 사용되고 많은 전기를 저장하기 위해 높은 에너지 밀도를 지닌 배터리가 탑재된다. 그만큼 전기차는 전기로 인한 화재의 위험이 존재할 수 밖에 없다. 

심포지엄에 참석한 김철수 호남대학교 미래자동차공학부 교수는 “전기차 화재 사고들은 엔지니어들이 놓친 부분들이 있었고 품질관리가 안된 점 등의 원인으로 발생하고 있지만 향후 전고체 배터리를 비롯, 좀더 안전한 배터리가 개발되고 경험이 쌓이면 충분히 극복할 수 있다고 생각한다. 그렇지만 근본적으로 위험요소를 갖고 있는 만큼 엔지니어들은 더욱 세심한 노력을 기울이지 않으면 안된다”고 강조했다.

이광범 법무법인 세종 고문은 “전기차 배터리는 제조뿐만 아니라 정비, 사고, 폐차 등 다양한 분야에서 취급되는데, 현장에서는 납 배터리처럼 취급하는 경향이 있다. 국내외 사례를 살펴보면, 화재 진압 후나 충돌 후 폐차장 재발화 등의 화재 문제가 계속 발생되고 있다. 현장에서 실제 리튬이온 배터리를 다룰 수 있는 정비사, 견인 기사, 폐차장 종업원 등에 대한 소양 교육이 필요한 시점이다. 리튬이온 배터리의 정상 사용 조건이 아닌 비정상 사용 조건에서의 취급 요령 매뉴얼도 필요하며, 이를 교육할 프로그램을 만들어야 한다”고 밝혔다.

이어 “전기차 배터리의 안정성 확보를 위해 국제 기준이 제정되고 업데이트 되고 있으나 이는 정상 조건에서의 시험 평가이다. 교통사고 등과 같은 비정상 조건에서의 평가는 현재 없다. 최소한의 인명 구조를 위한 골든 타임을 확보하고 피해를 최소화하기 위해 비정상 조건(열폭주, 열전이 상태)에서의 시험 평가가 필요하다. 현재 기술로 열 폭주를 근본적으로 해결하기는 어려운 상황이므로 피해를 최소화할 수 있도록 열 폭주를 제어하는 노력(기술 개발)이 필요하다”고 강조했다.

현실적인 전기차 화재 대응 방안 가운데 중요한 부분은 충전 인프라 확대와 전기차의 올바른 관리방법을 제조사와 사용자가 모두 권장하고 익혀야 한다는 것이다. 기술적인 한계가 존재하는 상황에서 무조건 배터리의 안전성을 높이기 위해 테스트 조건을 높이는 것은 곧 차량의 가격 상승으로 이어지게 된다. 이를 감수해야 하는 것은 결국 소비자다. 결국 현존하는 시스템 상에서 1회 충전 주행거리에 다소 손해를 보더라도 완충 비율을 85% 내외로 낮추고, 완속 충전을 습관화하는 노력이 필요하다. 충전 인프라를 확대해 자주 충전 할 수 있는 여건을 갖추는 것도 중요하다. 

현재 전기차 화재를 100% 막는 것은 불가능한 것처럼 보인다. 그만큼 지금 상황에서 중요한 것은 배터리의 안전성을 높이는 기술발전 뿐만 아니라 비정상적인 조건에서도 피해를 최소화 하기 위한 대처 요령과 제도 확립, 그리고 배터리 관리에 관심을 기울이는 사용자의 노력도 더해져야 할 것이다.