원래 전기자동차 배터리에 대해 5탄까지 작성하려다가 화재이슈와 LFP배터리의 대체 등 급박하게 변화함에 따라 글 작성을 멈췄습니다. 최근 전기자동차에 대한 큰그림들이 대략적으로 그려졌고, 결국에는 이러한 그림으로 진행될 것이다 라는 압도적인 주장이 있어 오늘부터 이야기를 풀어가보려 합니다.
< 배터리 화재 원인 >
배터리의 화재가 일어나는 원인은 단 한가지입니다. 바로 "열.폭.주."
그렇다면 열폭주가 왜 일어나느냐를 알면 화재를 방지할 수 있을 것입니다.
열폭주가 일어나는 이유는 +극과 -극이 쇼트가 나거나 과전류가 지속적으로 발생했을 때입니다.
양 극의 쇼트가 발생하는 원인으로는 배터리 셀 내부의 극판이 열화되어 미세한 금속성분이 극판에 달라붙어 핀처럼 자라남에 따라 절연막을 뚫고 반대편 극판과 접촉하면서 일어날 수 있습니다. 이는 배터리의 수명이 거의 남지 않았을 때 발생할 가능성이 큽니다. 두번째는 절연막이 배터리를 만들면서 미세한 파손이 있었거나 어떠한 이유로 시간이 지남에 따라 절연막 파괴가 일어나는 경우도 있습니다. 마지막으로 배터리 셀의 양극이 외부의 요인으로 인하여 쇼트가 발생한 경우가 있습니다.
이렇게 쇼트가 발생한 경우에는 양극간 대전류가 발생하면서 배터리의 온도가 급격하게 상승하게 됩니다.
과전류가 발생하는 원인으로는 가장 큰 원인이 밸런스(셀 or 모듈)가 무너지면서 하나의 셀 or 모듈에 모든 전류가 쏠리면 발생합니다. 대부분 BMS에서 차단하지만 퓨즈나 릴레이가 단선되지 않고 늘러붙어 차단되지 않은 경우도 발생할 수 있습니다.
이렇게 쇼트 또는 과전류로 인하여 배터리 셀의 온도가 상승하게 되면 off-gas가 발생하고 극판에 화재가 일어나게 됩니다.
< 배터리 소화 방법 >
작년까지는 배터리를 설치할 때에 소방법에 의거 소화장치를 설치하도록 하였습니다.
문제는 소화장치를 설치하는 위치가 배터리 모듈 외부에 설치하였기 때문에 효과적으로 소화되지 않았으며, 소화약제도 금속화제에 효과적인 효능을 보이지 못하였습니다. 그래서 일부에서는 열폭주가 멈추도록 물을 지속적으로 뿌리거나 물속에 침수시키는 등의 방법을 적용하였습니다.
1. 온도를 내리는 방법이 맞는 것인가?
이 방법이 정답입니다. 배터리의 열을 급속하게 내릴 수 있다면요.
안타깝게도 배터리의 열을 지속적으로 급속하게 내릴 수 있는 방법이 많지 않습니다.
특히 물을 뿌리거나 침수 시키는 것이라면.... 안하는게 더 좋다고 봅니다.
배터리에 물을 뿌리거나 침수를 시킨다면 오히려 양극에 쇼트가 일어나고 배터리 팩 전체가 열폭주가 일어나기 때문에 화재를 방지하거나 소화를 시키는것이 아니라 오히려 불에 기름을 끼얻는 행동입니다. 그러나 걱정할 필요가 없습니다. 왜냐하면 배터리 팩이 방수설계가 되어 있기 때문에 침수를 시키거나 물을 뿌린다고 해도 배터리 팩 안으로 물이 침투되지 않기 때문입니다.
그렇다고 안전한 소화방법일까요?
다시 처음으로 돌아와서 답하자면 물을 뿌리거나 배터리 팩을 침수시키는 것은 소화에 크게 도움이 되지 않습니다. 그렇다면 처음에는 왜 정답이라고 이야기했느냐? 그것은 지금까지는 이 방법이 유일했기 때문입니다.
2. 그렇다면 제대로된 소화방법은?
배터리의 화재나 열폭주를 막는 방법은 다음과 같습니다.
1) 열폭주 원인을 제거합니다.
2) 배터리 온도를 급격하게 떨어뜨립니다.
3) 공기를 차단합니다.
4) 빠른 시간안에 소화시킵니다.
현재 배터리 분야에서 배터리 열폭주 및 소화에 대해 연구 및 개발이 활발히 진행되고 있으며, 몇가지 솔루션도 제시되었습니다.
그 첫번째로 몇몇 화학회사에서는 주변온도를 급격하게 떨어뜨리는 약재를 절연재 또는 캡슐에 담았다가 일정 온도위로 올라가면 이 약재가 기화되어 주변의 온도를 빠르게 내리는 방법이다. 이는 급속 냉매 소화기법으로 개발되고 있으며, 현재로는 가장 기발한 방법으로 주목받고 있습니다.
두번째로는 배터리 모듈내에 질소소화액을 분사하는 방법입니다. 몇몇 배터리 업체에서 적용하는 방식으로 보통 ESS분야에 적용되기 시작하였습니다. 배터리 렉에 질소소화액이 담긴 소화통을 설치하고 각 배터리 모듈에 튜브를 연결하여 온도센서에 일정온도이상 올라가면 해당 배터리 모듈에 연결된 튜브 밸브가 열리고 질소소화액이 내부에 분사되는 방식입니다. 가장 가능성이 높은 방식이지만 몇가지 단점이 있습니다.
질소 소화액이 배터리 모듈 내부로 분사되면 내부 압력이 높아져서 배터리 모듈 케이스가 파손될 위험이 높다.
소화에 다소 시간이 걸리므로 다른 배터리 셀의 열폭주를 막기 힘들다.
EV자동차 배터리 모듈에 적용하기가 구조적으로 어렵다. 등의 단점이 있다.
마지막으로 직접 소화 방식입니다. 이는 현재 개발 중으로 금속화재를 소화시킬 수 있는 소화약재와 주변 온도를 떨어뜨리는 효과를 낼 수 있도록 하는 것입니다. 이를 발화점에 직접 분사하는 방식으로 개발하고 있는 것으로 알고 있습니다.
< 마치며 >
배터리의 화재를 진압할 수 있다고 해서 안전한 것은 아닙니다. 소화는 가장 최후 대책일뿐이며, 애초에 화재가 일어나지 않거나 화재가 일어날 가능성이 낮아야 하는 것입니다. 현재 리튬이온배터리 뿐만 아니라 리튬인산철, LTO, 리튬황, 나트륨 배터리 등 수많은 배터리들을 대체로 연구하고 있으며, 대체하려는 움직임을 보이고 있습니다.
현재 가장 가까이 온 대체품으로는 LFP(리튬 인산철)가 있습니다. 아직 LTO, 리튬황, 나트륨배터리 등을 비롯한 차세대 배터리는 아직 연구가 더 필요하며, 양산화를 위해서는 더 많은 시간이 필요하기 때문에 많은 EV차 제조사와 ESS 등의 대용량 에너지저장장치 제조사들은 기존 리튬이온 배터리에서 LFP배터리로 교체하고 있는 추세입니다.
다음 글에는 리튬이온 배터리와 리튬 인산철 배터리에 간략한 차이점과 EV자동차의 미래에 대해 적어보겠습니다.
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