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[리튬이온 배터리의 화재와 대응 (上)] 리튬이온 배터리, 최근 화재로 안전성 이슈 대두
최봉 산업경제 전문기자
입력 : 2024.07.01 00:30
ㅣ 수정 : 2024.07.01 00:30
[기사요약]
지난 6월 24일 화성시 일차전지 공장에서 화재 발생으로 23명 사망
전기차 등에 두루 쓰이는 삼원계 리튬이온 배터리,열폭주로 인한 화재 및 폭발 위험성
열폭주로 이어지는 데 불과 1~2분밖에 안 걸려.. 화재 진압 매우 곤란
화재 위험성 낮다는 중국이 주력하는 리튬인산철 배터리 역시 배출가스 독성 높고 폭발 위험성도 높을 수도..
지난 24일 화성시 소재 일차전지 제조공장에서 발생한 화재로 인해 23명이 사망하는 대형 사고가 발생했다. 비록 이 화재는 이자전지와는 무관하지만 최근 ESS에서 전기차에 이르기까지 국내는 물론 전세계적으로 리튬이온 배터리 관련 화재가 이어지고 있어 우려가 커지고 있다. 이러한 리튬이온 배터리의 화재 및 폭발은 이른바 열폭주(Thermal Runaway)에 따른 것으로서 화재 진압의 어려움과 함께 리튬이온 배터리의 확산에 걸림돌이 되고 있다. 그러나 상대적으로 안전하다는 중국이 주력하고 있는 리튬인산철 배터리도 실상은 그렇지 않다는 주장도 제기되고 있다. 이러한 관점에서 이차전지의 화재와 관련한 이슈와 업계의 대응을 정리해 본다. <편집자 주>
[뉴스투데이=곽대종 산업연구원 명예 KIET Fellow] 지난 6월 24일 경기도 화성시에 있는 한 배터리 제조공장에서 큰 화재로 인해 총 23명이 사망하는 대형 사고가 발생했다.
물론 이 업체는 이차전지 업체가 아니라 일차전지 분야 기업이긴 하지만 최근 몇 년 동안 강원도에서의 전력저장장치(ESS) 화재에서부터 전기차에 이르기까지 리튬이온 배터리의 화재가 심심치 않게 발생해 왔기 때문에 리튬이온 배터리의 안전성 이슈가 대두되고 있다.
• 리튬이온 배터리, ESS에서 전기차에 이르기까지 화재 발생으로 안전성 이슈 대두
주지하다시피 LG엔솔, 삼성SDI 및 SK온의 국내 배터리 3대장은 에너지 저장밀도가 높아 스마트폰에서부터 전기차에 이르기까지 각종 기기에 폭넓게 사용되고 있는 고부가가치의 삼원계 리튬이온 배터리 분야를 석권하고 있어 반도체를 잇는 새로운 먹거리 산업으로 주목받고 있다.
그럼에도 이러한 화재의 빈발에 따라 안전성 이슈가 대두되고 있어 글로벌 경쟁력 유지를 위한 걸림돌로 작용하고 있다.
지난 2019년 LG엔솔의 리튬이온 배터리를 장착한 GM의 플러그인 하이브리드차 쉐보레 볼트에서 발생한 화재로 인해 GM이 10억달러에 달하는 대규모 리콜을 결정함에 따라 LG엔솔도 큰 곤욕을 치른 바 있다.
• 리튬이온 배터리, 열폭주로 인해 화재와 폭발에 이르는 시간 짧아..
리튬이온 배터리에서 화재와 폭발이 발생하는 원인은 크게 세가지로 설명된다.
먼저 배터리 제조 과정에서 불순물이 들어간 경우이다. 양극과 분리막 사이에 들어간 불순물은 양극과 음극이 직접 접촉하게 하여 엄청난 열을 발생시키는 열폭주(Thermal Runaway)를 발생시킬 수 있다.
또 다른 원인으로는 과충전이 지목되는데 과충전의 원인은 과충전 방지 보호회로(PCM)나 배터리 관리 시스템(BMS)의 불량을 들 수 있다. 이러한 기능이 제대로 작동되지 않는 상황에서 배터리에 계속 충전이 이루어질 경우 처음에는 전해질이 끓기 시작하다가 양극과 음극이 분해되고 나중에는 분리막까지 녹아서 화재로 이어지게 된다.
마지막으로 외부 충격으로 인해 배터리에 손상이 발생할 경우 화재가 발생할 수 있는데 차량 사고 또는 하부에 강한 충격이 가해지면 전해액이 흘러나오거나 배터리 일부 기능의 작동이 중단되어 화재 발생으로 이어질 수 있다.
< 리튬이온 배터리의 화재 발생단계 >
무엇보다 이러한 리튬이온 배터리에서 일단 열폭주가 일어나게 되면 화재 및 폭발에 이르는 시간이 매우 짧아 화재 진압에 어려움이 크다는 사실이다.
특히 일반 화재와는 달리 물을 부어 화재를 진압할 수 없다는 점은 화재 진압의 어려움을 가중시키는 요인으로 작용하고 있어 우려가 크다.
• 중국이 주력하는 리튬인산철 배터리도 독성 물질 배출과 화재 위험성 높을 수도..
최근 이러한 리튬이온 배터리의 화재로 인해 CATL 및 BYD 등 중국의 글로벌 메이저 업체들의 주력제품인 리튬인산철 배터리가 상대적으로 화재에 안전한 점이 주목을 받고 있다.
리튬인산철 배터리는 삼원계 배터리에 비해 에너지 저장밀도가 낮고 무게가 무겁지만 안전하고 원가가 저렴해서 중국 정부의 보조금에 힙입어 점유율을 획기적으로 늘려왔다.
그런데 이러한 중국 업체들이 리튬인산철 배터리에 주력하게 된 것은 안전성 우위에 따른 것이라기 보다는 삼원계 리튬이온 배터리 분야에서 국내 배터리 3대장에 비해 글로벌 경쟁력이 뒤진 데 따른 고육지책의 산물이다.
게다가 리튬인산철 배터리도 화재 위험성으로부터 자유롭지 못하다는 사실이 최근 빈발하고 있는 중국에서의 전기차 화재로 인해 지적되고 있다.
아래 그래프에서 보듯이 최근 3년간 주요 브랜드별 전기차 화재 건수에서 BYD 등 중국 4개 업체가 테슬라보다 훨씬 많을 뿐만 아니라 그 외의 업체에서도 전기차 화재가 다수 일어나고 있음을 확인할 수 있다.
전기차 보급 규모에서 절대적인 중국에서 전기차 관련 화재 건수 역시 많을 수밖에 없지만 문제는 장착된 배터리가 주로 리튬인산철 배터리라는 사실이다.
< 브랜드별 전기차 화재 건수 추이(2020~2022) >
게다가 리튬인산철 배터리 역시 결코 리튬이온 배터리에 비해 안전성이 뛰어나다고 할 수 없다는 주장이 제기되고 있다.
국내 소방 전문가의 지적에 따르면 지금까지 배터리 셀 수준의 단순 실험으로 안전성을 평가해 옴에 따라 배터리의 종합적 위험성과 안전 대책 마련에 허점이 있다는 것이다.
리튬인산철 배터리의 경우 삼원계 리튬이온 배터리에 비해 열폭주 시 발생하는 배출가스 특히 불화수소 배출량이 10배 정도로 매우 높아 독성이 더 크며 수소 함유량도 많아 폭발 위험성이 훨씬 더 높을 수 있다는 것이다.
따라서 막연히 리튬인산철 배터리가 삼원계 배터리에 비해 상대적으로 안전하다는 인식은 재고될 필요가 있다.
다음에는 이러한 이차전기 화재에 대해 업계를 중심으로 어떻게 대응하고 있는지를 살펴본다.
[정리=최봉 산업경제 전문기자]
◀ 곽대종(Daejong Gwak) ▶ 한국외국어대학교 경제학박사 / 산업연구원 명예 KIET Fellow / (전) 산업연구원 연구위원 / (전) 한국자동차산업협회 환경·기술분과 위원 / (전) 국가과학기술위원회 평가위원 / (전) 산자부 연구개발사업 평가위원 / (전) 규제개혁위원회 전문위원
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