전기차와 화재

자동차 산업은 국제 환경규제 강화 및 탄소중립 사회로의 전환에 맞춰 내연기관 자동차에서 전기자동차(EV)로 산업 패러다임이 빠르게 전환되고 있으며, 특히나, 내연기관 자동차의 저성장과 COVID-19로 인한 경제 침체에도 불구하고 글로벌 전기차 시장은 꾸준히 성장하고 있는 상항이다. 이와 더불어 전기차 시장이 성장함에 따라 관련된 안전 규정이 체계적으로 정립 및 강화되고 있음에도 이차전지의 주행거리 향상을 위한 에너지 밀도 향상, 잘못된 사용과 취급 등으로 전기차의 화재 사고가 지속적으로 발생하고 있다. 

최근, 국회 국토교통위원회는 소방청으로부터 받은 ‘최근 3개년의 연도별 전기차 화재 현황’ 자료를 참고하여 3년간 전기차 화재는 총 44건 발생했다고 발표했다. 이 자료를 통해 2022년부터 11건, 24건, 44건 순으로 매해 2배가량 화재 건수가 증가한 것을 확인할 수 있었다. 지난 3년간의 전기차 화재 사고 발생 요인으로는 전기적 요인이 가장 많은 것으로 집계됐고, 부주의, 교통사고, 기계적 요인 순이었다. 이러한 결과를 통해 전기차의 화재사고는 관련 산업계에 악영향을 끼치고 있으며 전기차 보급에 있어 소비자의 선택에 부정적 영향을 끼치고 있다. 따라서 자동차 제조사 및 배터리 제조사는 배터리 화재 예방 및 대응을 위한 다양한 기술을 개발하고 있으며, 배터리의 화재 관련 규제 등의 개정으로 전기자동차의 화재 안전성을 강화해가고 있는 실정이다. 

전기차 배터리 화재 메커니즘

전기자동차의 동력원으로 가장 많이 사용되는 배터리는 현재 리튬이온 배터리로 높은 에너지 밀도, 수명, 낮은 자기 방전률 등의 장점으로 인해 타 이차전지에 비해 적용률이 높다. 하지만 리튬이온 배터리는 단시간에 높은 열과 다량의 인화성 가스를 발생시키는 열폭주 현상으로 인해 심각한 화재 및 폭발 사고를 일으키는 단점이 있다. 특히나, 최근 주행거리 향상을 위한 고용량 이차전지의 경우 니켈 함량이 80% 이상으로 양극 소재의 열적 안전성이 더 낮아짐에 따라 배터리 열 안전성 확보는 더욱 더 중요해졌다. 

일반적으로 배터리 화재의 발생 메커니즘은 배터리 셀 스트레스 및 오용으로 인해 셀 손상이 발생하고 열폭주 및 화재, 열전이로 이어져 화재 확산 및 폭발이 일어나게 된다. 셀 스트레스 및 오용 조건은 크게 기계적(충돌, 찌그러짐, 관통 등), 전기적(과충전, 과방전, 외부단락 등), 열적(저항 및 열 증가) 오용과 내부단락(분리막 기능 소실) 등의 조건으로 나눌 수 있다. 

셀 스트레스 및 오용으로 인한 내부 온도 상승으로 셀 손상 발생 → 내부 압력 상승 → 오프가스 발생 → 제어 불가시 전지 분리막 손상으로 내부 단락 진행 → 열폭주 → 연기 발생 및 점화 → 인접 셀에 전이 → 모듈/시스템 레벨 전이단계로 진행하는 것이 일반적이다. 배터리 화재 발생 시 분리막의 손상으로 인한 내부단락이 발생하고 이후 전해질의 노출, 양극재 내 산소 발생, 고열로 인해 자체적으로 화재 3요소를​ 갖추게 되어 진화가 어려운 폭발적인 화재가 발생하게 된다. 

이와 같은 열폭주 화재 발생 단계를 기반으로 배터리 화재를 막기 위해서는 열폭주 전에 감지 및 제어를 통한 예방 구간과 셀 간 전이를 방지하는 억제 구간으로 나누어 문제 해결을 할 수 있다. 즉 예방 구간에서는 셀의 오프가스를 조기에 감지하여 추가적인 스트레스를 제거함으로써 화재를 방지할 수 있으며, 억제 구간에서는 단위 셀의 열폭주가 주위 셀의 열폭주로 이어지지 않도록 열 및 화염을 차단함으로써 화재 규모를 줄일 수 있다. 

전기차 화재 안전성 확보 노력

전기차 화재의 가장 큰 원인 중 하나인 배터리 열폭주를 방지 하기 위하여 자동차 제조사, 배터리 제조사, 정부 및 연구소 등에서는 다양한 연구를 진행하고 있다. 기본적으로 리튬 이차전지의 최적 열 안전 관리를 기반으로 셀 단위에서는 양극, 음극재의 코팅, 도핑을 통한 안전성 개선, 불연성 전해질, 내구성 및 내열성 향상 코팅 분리막 등의 연구가 진행 중이며, 모듈, 팩 단위에서는 열전이 차단, 열제어를 위한 Vent(압력 저하), PTC(정온도계수소자), CID(과전류장지장치), PCM(상변이 물질) 등의 적용 기술 개발이 이루어지고 있다. 또한 열확산 방지를 위한 소재 적용에 대한 다양한 연구가 진행 중이며, 특히, 열확산 방지 소재는 열폭주 시 발생하는 1,000℃이상의 고열, 고압을 견디고 단열성​ 무게 증가 최소화, 성형성, 저진동, 저분진 등의 조건을 만족하면서, 1,000℃ 화재에서 열전이 방지 150℃ 이하, 5분 이상

의 성능을 만족해야한다. 글로벌 자동차 OEM 제조사에서는 무기소재를 이용한 단열 시트를 적용 중이나 무게가 무겁고 3차원 형상 가공성이 부족한 단점이 있어 이를 보완하기위한 소재 연구 및 배터리 모듈 및 팩의 구조 설계를 통한 다양한 연구를 진행하고 있다. 

또한, 감지 시스템 및 열관리 시스템 등의 시스템 단위의 개발이 진행 중으로, 감지 시스템은 온도 상승 및 전류강하 모니터링과 사전 진단 시스템을 적용하고, 배터리 열관리 시스템은 냉각 또는 가열 기능을 통해 적절한 온도 범위 내에서 배터리 작동을 제어하는 역할을 수행한다. 특히나, 대부분의 열관리 시스템이 열폭주 초기 이벤트 단계에서 온도 상승을 억제할 수 있어야 하므로 냉각 기능이 강조되고 있다. 냉각 열관리 시스템은 공기, 냉매, 유체 적용 방식으로 나뉘며, 현재는 공기, 냉매를 위주로 적용 중이다. 하지만 주행거리 증가에 따른 고용량 배터리 적용으로 유체(냉각수, Immersion 등)를 적용하는 냉각 시스템의 요구가 커지고 있으며, 100kWh 이상의 경우는 Liquid 냉각시스템 적용이 일반화 될 것으로 예상되고 있다. 

배터리 표준화 및 인증

세계적으로 이차전지의 수요 증가에 따라 국제적인 이차전지 관련 조직에서는 EV, ESS(Energy Storage System), RESS (Rechargeable Energy Storage System) 등의 다양한 표준화가 진행 중이다. 미국은 전기자동차 관련 부품 인증 제도를 운영하고 있으며, 미국자동차공학회(SAE)에서는 전기자동차·하이브리드자동차의 규격·테스트 방법·연비 측정법 등 다양한 표준 제공과 동시에 지속적으로 관련 표준이 추가되고 있다. 일본의 경우, 리튬이차전지는 일본 공업규격인 JIS 마크를 취득해야 하며, 최근 배터리 시험규격인 JIS C 8715-1, JIS C 8715-2를 제정하면서 소형에서 중·대형으로 중요성이 변화하고 있다. 중국의 경우 국제표준 ISO 12405-1~3을 대응하여 리튬이온전지 팩·시스템 표준 시리즈 GB/T 31467-1~3을 제정하여 대응하고 있다. 국내​ 표준의 경우 국제표준(ISO, IEC) 모두 KS 표준으로 부합화가 진행되었으며, 추가적으로 열폭주 및 열전이에 대한 중요도가 높아짐에 따라 열폭주관련 시험을 다루는 ISO 6469-1:2019/AMD:2022(Electrically propelled road vehiclesSafety specifications-Part 1: Rechargeable energy storage system(RESS)-Amendment 1: Safety management of thermal propagation)가 2022년 11월 공표됨에 따라 국내에서는 이에 대한 바른 대응이 필요할 것으로 예상된다. 또한, 전 세계 각국은 전기 및 화재 안전 대응을 위해 표준 시험법에 따라 강제 인증을 진행 중이며, 우리나라는 국토 교통부에서 배터리 팩에 대한 인증 시험 KMVSS(Korea Motor Vehicle Safety Standards)를 개정하여 신차는 2021년 7월부터 적용하고 양산차는 2023년 7월부터 적용하기로 하였다.

시사점

전기차 화재는 전기차 보급이 진행된 이후로 수차례 발생하고 있어 전기차의 안전성 문제가 국민적 사회적 관심사로 부각됨에 따라 전기차에 대한 안전기준을 재점검해 화재 사고 예방 및 대책 기술의 개발 필요성이 커지고 있다. 특히, 전기차 배터리 팩의 고용량화에 따라 셀 에너지 밀도 및 팩 에너지 밀도가 높아져서 화재 안전성이 상대적으로 낮아지고 있어 이에 대한 현실적인 대책이 요구되고 있으며, 이로 인해 셀, 모듈, 팩, 시스템 전 분야에 걸쳐 화재 안전성 향상을 위한 연구와 화재 발생 예방 및 대응을 위한 기술 개발이 진행되고 있다. 

이제까지의 전기차 배터리는 초기 시장 창출을 위해 1회 충전 주행거리 향상, 가격 경쟁력 확보 등의 구매 소비자를 대상으로 한 기술 확보에 집중해왔다. 하지만 생산대수 및 시장 보급 확산이 빠르게 진행됨에 따라 충전 성능, 에너지 효율, 내구성 등의 사용자 중심의 연구개발이 더욱 요구되며, 특히 전기차 화재 안전성 확보는 더 이상 간과할 수 없는 이슈로 다가왔다. 국가의 미래 신산업인 친환경차 산업의 글로벌 시장 선점 및 국가 산업 공급망 안정화를 위해서는 안정적인 사용 환경 구성 관련 기술 확보가 선제적으로 진행되어야 하며, 이를 위해 각 분야의 보다 활발한 연구가 절실히 요구되고 있다. ​​