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전기차 배터리 화재는 화재의 패러다임을 바꿨다 해도 과언이 아니다. 기존의 화재와는 다른 방식으로 일어나고, 퍼지면서 일반 자동차 화재보다 훨씬 큰 피해를 발생시키기 때문이다. 전기차 배터리 화재가 왜 그토록 위험한지, 대응책은 있을지 알아본다.

ㆍ 화재 발생 빈도는 낮지만 피해액은 3배 🔎: 과학기술정책연구원이 2024년 7월 8일 발표한 자료를 보면, 2023년 1만 대당 화재 발생 건수가 내연기관차 1.9건, 전기차 1.3건으로 나타났다. 내연기관차에서 화재가 발생할 확률이 더 높다. 하지만 소방청이 공개한 같은 자료에 따르면 2021~2023년 사이 전기차 화재의 건당 평균 피해액은 약 2342만 원으로, 같은 기간 내연기관  차 화재의 평균 피해액인 약 953만 원보다 2.5배 가량 높다. 

ㆍ 소방인력도 더 필요 👷:  8월 ‘배터리 안전에 대한 과학적 접근’ 포럼에서 오기용 한양대 기계공학부 교수는 “전기차 화재를 진압하기 위해 걸리는 시간은 내연기관차의 3배, 진압에 필요한 인력은 내연기관차의 2.5배”라며 “필요한 소화수의 양은 110톤(t)으로, 내연기관차 화재를 진압하는 데 필요한 소화수의 무려 110배에 달한다”고 말했다. 

ㆍ 화재 피해 큰 이유 열폭주 : 전기차 화재가 큰 불로 이어지는 건 열폭주 때문이다. 열폭주는 특정 온도에 다다른 배터리 내부에서 화학 반응이 연쇄적으로 급격하게 일어나는 현상이다. 배터리를 만들 때 생긴 내부 결함 또는 외부 충격에 의해 화학 반응이 일어날 때 생긴긴다.

ㆍ 피해가 큰 건 수평 화염 때문 : 전기차 화재의 특징 중 하나는 ‘수평 화염’이다. 아래에 평평하게 배터리를 쌓는 구조로 인해 배터리는 위쪽 압력이 세고, 불이 붙으면 위가 아니라 옆으로 번진다. 나용운 국립소방연구원 연구사는 “화재가 난 전기차가 내뿜는 열량은 내연기관차보다 높지 않은데, 화염이 수평으로 퍼지면 불이 쉽게 옆 차로 옮겨붙는다”고 설명했다.  이렇게 차 3~4대 정도에 불이 붙으면 소방관이 진입하기도 어려워진다.

ㆍ 불을 끄는 유일한 방법 ‘냉각’ :  연쇄적인 화학 반응에 의해 발생하는 배터리 화재는 기존의 화재 진압 방법을 쓸 수 없다. 배터리가 녹으면서 산소와 연료 물질이 계속 생성되고 산소를 차단해도 화학 반응이 계속 일어난다. 국립소방연구원에 따르면 유일한 소화 방법은 물을 뿌리는 등 배터리를 냉각시켜 화학 반응을 늦추는 것뿐이다. 

ㆍ 재발화 위험 있다 : 화재를 진압한 배터리에서 다시 불이 붙는 경우도 빈번하다. 물을 뿌려 온도를 떨어뜨렸지만, 이후에 다시 화학 반응이 진행되며 불이 붙을 수 있다. 또한 하나의 배터리 모듈에서 일어난 화재를 진압했다 하더라도, 그사이 가열된 다른 모듈에서 열폭주 현상이 일어나서 다시 화재가 일어날 수도 있다. 실제로 전기차 배터리 화재를 진압하고 22시간이 지난 후에 재발화가 일어난 사례도 있다.
 

ㆍ 불에 타지 않는 안전한 배터리 개발 🔋: 과학자들은 주로 쓰는 리튬 이온 배터리를 대체할 안전한 차세대 배터리로 ‘전고체 배터리’를 연구 중이다. 전고체 배터리는 리튬 이온 배터리에 들어간 액체 상태의 전해질을 고체 전해질로 바꾼 배터리를 말한다. 

정훈기 한국과학기술연구원(KIST) 에너지저장연구센터장은 “고체 전해질은 아무리 불을 붙여도 잘 안 타고, 타더라도 액체 전해질만큼 폭발적인 반응은 거의 일어나지 않는다”고 설명했다. 다만 아직 성능이 리튬 이온 배터리만큼 좋지 않으며, 고체 전해질은 리튬 이온 배터리의 액체 전해질보다 1000배가량 더 비싸다는 점을 극복해야 한다. 

ㆍ 열폭주 제어할 코팅 기술 :  역폭주를 막을 기술도 연구 중이다. 올해 임종우 서울대 화학부 교수팀과 김원배 POSTECH 화학공학과 연구팀, 삼성SDI 연구팀은 열폭주 메커니즘을 밝히고, 흑연 음극에 알루미나 코팅을 적용해 열폭주 반응을 막을 수 있는 기술을 개발해 발표했다. 

ㆍ 열 받아도 폭발하지 않도록 배터리 관리 🔎: 전문가들은 전기차 배터리 소재뿐만 아니라 배터리 시스템  연구의 중요성도 강조한다. 배터리 시스템이란 여러 개의 배터리 셀로 이뤄진 배터리 팩, 배터리 관리 시스템(BMS), 배터리 냉각 장치 등을 통합한 시스템을 말한다. 그중에서도 배터리의 전압, 전류, 온도를 실시간으로 모니터링하며 배터리 상태를 관리하는 BMS는 배터리에 이상이 생기면 바로 알려줄 수 있어 배터리 안전과 가장 밀접하다. 

미국 자동차 기업 제너럴 모터스(GM)는 배터리 셀 사이에 열 전도성 재료를 삽입해 열 분산 능력을 향상시키는 열관리 시스템을 개발했다. 이런 시스템들이 적용되면 배터리는 최적의 온도에서 최대의 성능과 수명을 유지할 수 있을 뿐만 아니라, 배터리 온도가 과도하게 상승할 때 일어나는 열폭주 현상도 예방할 수 있다.  

ㆍ 불 난 곳 빨리 찾아 효과적으로 진압 ⏰:  전기차 배터리는 보호팩이 덮여 있어 진압이 어려운데 전치가 하부에 화재 진압 장비를 이동시켜 구멍을 뚫고 배터리팩에 직접 물을 분사하면 효과적으로 진압할 수 있다. 한편 불이 난 전기차 주변에 격벽을 설치해 화재 확산을 막은 뒤 물을 쏟아부어 진압하는 방법도 있다. 

오기용 한양대 기계공학부 교수는 소방설계기술 회사인 안국엔지니어링과 함께 인공지능(AI)을 이용한 화재 대응 시스템을 연구하고 있다. 그는 “일반적으로 화재가 나는 경우에는 주변 구역을 전체적으로 소화하고 있다”며 “AI로 화재 차량의 온도와 열을 감지해서 불이 난 부분을 집중적으로 소화하면 화재를 효과적으로 진압할 수 있다”고 말했다.
 

▶기사 원문 보기  과학동아 2024년 10월호 시사이슈  ▶논문 보기