2차전지의 위험성과 대책 (feat. 원리와 개념)

오늘은 최근 인천의 한 아파트에서 발생한 화재로 이슈가 되고 있는 전기차 배터리, 즉 2차 전지에 대해 얘기해보고자 한다. 

전기차 배터리는 2차 전지가 들어가있다. 2차 전지란 충전을 통해 여러 차례 사용할 수 있는 배터리를 말한다. 이 2차 전지는 현재 대한민국 산업의 큰 축으로 자리매김하고 있어 삼성SDI, LG에너지솔루션, SK온과 같은 완성업체에서부터 에코프로와 같은 양극재 생산 업체까지 많은 산업에서 양질의 일자리를 제공하고 있으며 미래먹거리 산업으로 자리매김하고 있다.

그런데 이차전지의 개발 초기부터 나왔던 화재와 같은 안전성 문제가 계속되는 글로벌 전기차 공급과 ESS 확대로 불거지는 모습을 보며 한 번쯤은 정리를 해야 될 것 같아 이번 계기로 2차전지에 대해 알아보도록 하겠다.

 

 

1. 2차 전지의 역사

< 2차 전지의 역사 >

 

2차 전지는 서두에 언급한대로 충방전이 가능한 화학전지를 말하고 1차 전지는 우리가 흔히 리모컨이나 소형 전자제품에 사용하는 에너자이저와 같은 1회용 배터리를 말한다.

2차 전지는 1800년 중반에 프랑스의 가스통 플랑테라는 사람이 개발했는데, 납과 황산을 이용해서 만들었다. 용량과 전압이 크고 구조가 간단했으나 부피가 매우 커서 상용화되지는 못했다.

그러다 니켈과의 혼합을 통해 니켈계 배터리가 개발되어 작고 가벼우면서도 에너지밀도가 높은 배터리를 일본기업 Sony에서 사용화하게 된다.

 

* 여기서 잠깐!

왜 니켈일까? 니켈은 금속중에서 가장 비중이 낮다. 물의 1/2에 불과해 물보다도 가벼운 금속이라 배터리의 성능 대비 무게와 부피가 작아질 수 있게 되었다.

그러나 니켈은 산소와 매우 친화적이라 공기중에 노출되었을 때 산소와 격렬한 반응을 통해 화재폭발을 일으키므로 추후 설명하게 될 ‘열폭주’현상의 주 원인이기도 하다.

 

 

2. 2차 전지의 성장

지구는 환경오염과 온난화로 몸살을 앓고 있다. 지구의 인구가 계속 증가세를 보이며 개인의 모빌리티가 증가하는 상황에서 화석연료의 지속적 사용은 이러한 현상을 심화시키고 있다. 이에 따라 화석연료 사용을 줄이면서 친환경적인 모빌리티로의 전환이 가속와되며 전기차가 대두되게 되었다.

아울러, 친환경 전기의 생산으로 인해 전기를 저장하여 필요할 때 공급하는 ESS도 함께 성장하고 있다. AI가 발전하여 엄청난 전력이 필요하게 된 인류는 밤에 생산한 전기를 ESS에 저장하여 수요가 높은 낮에 공급하는 방식으로 ESS가 널리 활용되고 있는 것이다.

각설하고, 배터리의 수요는 향후 10년간은 지속적으로 증가할 것으로 보이고 당연하게도 배터리의 치명적 단점으로 인해 사고의 수도 증가할 것으로 보인다.

 

 

3. 2차 전지의 원리

이제 2차 전지의 원리를 살펴보자.

정확히는 리튬이온전지의 구조와 원리라고 해야 할 것이다.

 

< 리튬이온전지의 구조와 원리 >

 

리튬이온전지를 구성하고 있는 것은 크게 4가지로 볼 수 있다.

1) 양극

리튬이온전지에서 가장 중요하다고 볼 수 있다. 배터리의 안전성을 위해 이 양극활물질이 좋은 품질로 만들어져야 한다. 양극활물질은 리튬산화물로 구성되어 있다. 충전 시에는 리튬이온만 빠져나와 음극으로 이동한다. 따라서 양극재가 배터리의 용량과 전압을 결정하게 된다. (저장할 수 있다는 것은 그만큼 사용할 수 있다는 것이므로 배터리의 스펙을 결정하는 요소가 됨)

2) 음극

음극은 양극과 구조가 동일하다. 양극에서 건너온 리튬이온을 저장했다가 방전 시(배터리 사용 시) 리튬이온이 다시 양극으로 넘어가게 된다.

음극재가 리튬이온을 더 빠르게 받아들여야 충전시간이 단축되므로 양극재와 함께 개발되고 있는 추세이다.

음극활물질에는 흑연 또는 실리콘이 사용된다.

3) 분리막

분리막은 리튬이온이 통과할 수 있는 구멍이 나 있는 막이다. 양극과 음극을 구분하여 다른 것들 것 서로 넘어가지 못하게 막으면서도 리튬이온은 자유롭게 이동할 수 있게 만들어준다.

4) 전해질

전해질은 리튬이온의 이동수단이라고 볼 수 있다. 리튬이온이 녹아 양극과 음극을 오갈 때 용이하게 만들어준다. 전해질은 부도체라서 전자는 통과시키지 않는다.

 

이차 전지의 원리는 상당히 난해하고 어려워서 깊게 들어갈수록 머리가 아프니 이정도에서 넘어가는 것이 좋겠다.

 

4. 작동 메커니즘

1) 충전 (양극에서 산화반응)

배터리 외부에서 전원을 연결하여 충전을 시키면 양극에 있는 리튬원자가 리튬이온으로 분리되어 분리막을 통해 음극으로 이동한다(산화반응). 음극에서는 외부에서 공급된 전자와 결합되어 리튬원자가 만들어져 전기적으로 중성을 유지하게 된다.

이것이 바로 충전 상태이며 즉 리튬원자와 전자가 음극에 저장되는 것이다.

 

2) 방전 (음극에서 산화반응)

충전된 배터리를 사용하게 되면 음극에 있던 리튬원자가 전자와 분리되어 리튬이온이 되고 리튬이온은 분리막을 통해 양극으로 이동하게 된다. 전자는 음극에서 양극으로 이동하며 전기를 발생시킨다. 이때는 음극에서 산화반응이 일어난다.

 

그렇다면 리튬은 왜 이렇게 산화가 잘 이루어지느냐?

리튬이 가진 특성이 이온화되기 쉬운 경향을 지녔기 때문이다. 금과 은의 경우는 안정성이 높아 반응을 잘하지 않지만 리튬은 반응성이 매우 큰 물질이라 전자와 쉽게 분리되고 결합한다.

리튬 자체는 반응성이 높아 불안정하나 리튬산화물은 안정적인 구조이므로 이 성질을 활용하여 2차 전지에 사용하는 것이다.

 

 

5. 2차 전지의 위험성과 대책

2차 전지의 높은 밀도의 에너지저장 능력과 리튬의 불안전성 등으로 화재의 위험이 있다는 것을 확인할 수 있었다. 구체적으로 지금까지 어떤 사고가 있었는지 확인해보자.

1) 배터리 화재 사고집계

언론에 보도된 내용 등을 필자가 집계한 사고사례건수이다. (사실과 다를 수 있음)

년도	전기차 화재	ESS 화재	합계
2023	72	50	122
2022	43	34	77
2021	24	32	56

 

전기차의 보급 확대와 ESS의 증가로 인해 화재사고가 해를 거듭할수록 늘어나는 형국이다. 최근에는 빈땅과 옥상 등에 태양전지를 이용해 전력을 생산하여 저장하는 소규모 ESS도 많아 아무래도 화재 사고가 증가하는 모양새다.

 

2) 구체적으로 어떤 위험성이 있는지, 그에 대한 대책을 살펴보자.

구분	위험성	안전대책
과충전에 의한 폭발	배터리는 BMS라는 제어장치가 있어서 배터리를 보호하고 있지만 셀 자체의 결함, BMS의 이상 등으로 폭발 가능	배터리는 최대 90%까지만 충전 (BMS가 제어하지 못하는 경우가 있으므로 100%까지 충전할 경우 과충전에 의한 폭발 위험성 증가)
열폭주	일단 과도한 열이 발생하여 화재가 발생하면 열폭주에 의해 소화가 어려운 상황이 발생하게 됨	전기차 주차장은 소화설비 접근이 용이한 곳에 위치시키고 중요 설비와는 이격시켜둠.
분리막 손상	분리막은 리튬이온을 적정 수준으로 통과시키는 안전장치 기능도 수행하나 분리막이 손상되어 양극활물질과 음극활물질이 직접 접촉하면 폭발적 발화가 발생할 수 있음	고품질의 분리막을 사용해야 하며 분리막이 손상되더라도 양극활물질과 음극활물질이 반응하지 않도록 기술적 발전이 필요함.

 

사실 배터리 화재에 있어 안전대책은 안전한 배터리를 만드는 것이다. 다만, 사용자의 입장에서 보다 안전한 사용환경을 만들어야 하므로 배터리 화재에 대한 추가적인 대책을 생각해본다면 다음을 고려해볼 수 있다.

1) 전용의 소화설비 구축

현재로선 사고 발생 후 잘 조치하는 수 밖에 없다. 질식소화포를 구비해놓고 전기차를 완전히 담가 질식시켜 소화시키는 것이다. 전기차 충전기가 있거나 사업장 내에 대형 2차 전지가 있을 경우 고려해볼 수 있다. 또한, 최근 지어진 아파트의 경우 대부분 주차장이 지하에 있어 전기차 화재에 취약할 수 밖에 없으므로 전기차 충전소에 소화설비를 집중시키는 것도 좋을 것이다. (하부 스프링클러를 통한 집중소화, 전기차를 한 구역에 모아서 주차함으로써 소화에 용이하게 구성하는 등)

 

< 질식소화포 비치 사진 >

 

 

2) ESS 설계시 안전사항을 고려해야 한다.

(1) ESS 배터리 공간과 사람이 상주하는 건물을 분리

(2) 불연재질로 벽면을 만들고 소화활동이 가능하도록 설계

(3) 개구부는 인근 건축물에 영향이 없도록 설치

(4) 가급적 강제환기를 적용하여 인화성가수가 체류하지 못하도록 설계

(5) BMS가 열폭주를 감지할 경우 전체 시스템을 트립하도록 설정

(6) HVAC 시스템은 비상전원이 공급되어 최후까지 기능을 유지하도록 설계

(7) 스프링클러는 비상 시 30분 이상 작동되도록 전원과 용수 확보

(8) 사각지대없는 CCTV 설치 (7일간 영상 보관)

(9) 전기설비기술기준을 따르고 전기저장시설의 화재안전기준(NFSC 607)을 따름

 

 

이렇게 배터리의 원리와 위험성에 대해서 살펴보았다. 배터리 화재가 발생할 경우 완전소화에 전기차는 평균 15시간 내외, ESS의 경우 3~4일 가량 소요되므로 엄청난 피해가 아닐 수 없다. 화재를 예방하는 것이 최선이겠지만 배터리 화재의 경우 예방이 어려우므로 빠른 대응이 될 수 있도록 사업장 안전관리에 만전을 기해야겠다.

 

 * 참고사항

그런데 내연기관 차량에 비해 전기차가 정말로 화재에 취약할까?

내연기관차와 전기차의 1만대당 화재발생 건수를 비교한 그래프이다.

< 내연기관과 전기차 화재 발생 건수 비교, 머니투데이 >

내연기관 차량이 전기차보다 화재발생 건수가 더 높은 것을 알 수 있다.

물론 내연기관은 역사가 오래되었고 전기차는 상용화된지 얼마 되지 않았으므로 절대적인 비교는 어려울 수 있다. 다만, 전기차가 막연히 내연기관차보다 위험하다는 인식은 통계적으로 잘못되었다는 것을 알 수 있다.

(전기차가 소화에 걸리는 시간이 훨씬 길다는 것은 사실) 

 

아무쪼록, 배터리 화재에 잘 대응해서 사건사고와 피해가 줄었으면 좋겠다는 생각이다.

 

[핵심 내용정리]

1. 2차 전지 화재 사고는 점차 증가하는 추세

2. 과충전에 의한 열폭주가 가장 위험하고 무서운 사고

3. 질식소화포를 비치하는 등 사업장 내 안전대책 마련 필요