Top 40 리튬 이온 배터리 폭발 Quick Answer

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[대리실험]배터리 폭발 실험, 날이 좋아서… 폭발 시켰습니다. (100% 리얼!)

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리튬 이온 배터리 폭발

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리튬 이온 배터리 폭발

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반복되는 리튬이차전지 폭발사고, 예방책은? – 에너지신문

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리튬이온 배터리의 장점과 무서운 단점 : 파워존 – 대한민국 NO.1 멀티탭 제조, 유통 전문 기업

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잇따른 전기차 ‘열 폭주’ 화재 폭발 사고…○○○배터리 기술로 해결한다? [티포트] | 서울특별시 미디어재단 TBS

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리튬 이온 배터리 폭발

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¸®Æ¬ÀÌ¿Â ¹èÅ͸®´Â ¿Ö Æø¹ßÇÒ±î – Å×ũȦ¸¯

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반복되는 리튬이차전지 폭발사고, 예방책은?

화보협 방재시험연구원, 화재위험성 재현실험 진행

전동킥보드 과도한 튜닝 및 승차정원 초과 지양해야

[에너지신문] 한국화재보험협회 방재시험연구원은 최근 빈번하게 발생하는 전동킥보드 등 리튬이차전지를 이용한 생활기기의 화재위험성을 알아보기 위한 화재재현실험을 21일 실시했다.

전동킥보드, 전기자전거, 드론, 스마트폰 등 리튬이차전지를 이용한 생활기기는 우리 실생활에 널리 보급돼 있다. 리튬이차전지의 사용 증가에 비례해 화재나 폭발 빈도가 잦아지며 그 위험성 또한 매우 높아지고 있다.

소방청 국가화재정보시스템 통계자료에 의하면 배터리·축전기, 배터리 충전기, 전동킥보드, 전기자전거 및 드론 화재는 2019년 131건, 2020년 182건, 2021년 223건으로 해마다 증가하는 추세다.

지난 2019년 5월 충전 중이던 전동킥보드 화재로 외국인 유학생이 사망했다. 지난달에는 광주의 한 아파트에서도 충전 중이던 전동킥보드 화재폭발 사고로 베란다 유리창이 깨지고 인근 주민들이 대피하는 사건이 발생했다. 이처럼 리튬 이차전지를 이용한 생활기기에서 화재 사고가 지속해서 발생하고, 그로 인한 피해 또한 속출하고 있다.

▼최근 3년간 배터리 사용으로 발생한 화재 건수(출처: 국가화재정보시스템)

구 분 2019 2020 2021 전기설비 배터리/축전기 94 113 131 배터리충전기 25 22 32 소 계 119 135 163 생활기기 전동킥보드 10 39 39 전기자전거 2 6 11 드 론 – 2 10 소 계 12 47 60 총 계 131 182 223

방재시험연구원은 리튬이차전지의 화재위험성에 대해 널리 알리고 예방대책을 공유하기 위해 화재재현실험을 실시했다. 이번 실험은 리튬이차전지의 화재 위험요소 중 과충전, 과열, 외부충격으로 인한 화재의 3개 상황을 가정해 진행됐다.

먼저 과충전에 의한 화재재현실험에서 각각의 전지에 3.7V의 2배 전압인 7.4V로 과충전하는 경우, 즉 정상 동작 전압 이상으로 충전했을 경우를 가정했다.

먼저 비보호용 리튬이온전지(3.7V, 2000mAh) 1개에 2배의 전압(7.4V)으로 과충전한 결과(실험1) 내부 압력 상승에 의해 분출된 가스가 착화하면서 화재가 발생했다. 또 비보호용 리튬폴리머전지(3.7V, 4000mAh) 1개에 2배의 전압(7.4V)으로 과충전했을 경우(실험2) 부피가 팽창하는 스웰링 현상이 발생하고 전지로부터 분출된 가스가 착화, 화재가 발생했다.

과열에 의한 화재실험에서는 각각의 전지 표면에 필름히터를 사용, 열을 가해 발화점 온도 확인 및 열폭주 현상을 실험했다.

필름히터를 사용해 리튬이온전지(3.7V, 2600mAh) 표면에 열을 가하자 약 160℃에서 전지로부터 분출된 가스가 착화하면서 화재가 발생했다(실험3). 리튬폴리머전지(3.7V, 1만mAh)는 같은 조건에서 약 200℃에 도달했을때 화재가 발생했다(실험4).

마지막으로 외부충격에 의한 화재재현실험에서는 외부 충격으로 인해 리튬이차전지에 화재가 발생할 수 있는지 확인하기 위해, 각각의 전지 표면에 송곳을 사용해 충격을 가하는 실험을 했다.

송곳으로 리튬이온전지(3.7V, 2600mAh) 표면에 충격을 가하자마자 양극과 음극이 송곳에 의해 접촉, 전지로부터 분출된 가스가 착화하면서 화재가 발생했다(실험5). 리튬폴리머전지(3.7V, 1만mAh) 역시 같은 충격에서 화재가 발생했다(실험6).

▲ 송곳으로 충격을 주자 곧바로 불길이 치솟고 있는 리튬이온배터리.

화재보험협회 관계자는 이번 실험을 토대로 “외부 충격에 의해 리튬이차전지의 케이스(피복)가 손상됐는지를 확인하고, 가능하다면 홀더나 하드 케이스로 보호된 제품을 사용해야 한다”며 “전지의 보호회로 불량 또는 충전기나 전원 공급장치 자체 고장 등으로도 화재가 발생할 수 있으므로 충전할 때에는 장시간 자리를 비우지 말고, 충전이 완료된 후에는 전지와 충전기를 반드시 분리했야 한다”고 밝혔다.

또 과도한 튜닝 또는 전동 킥보드 승차 정원 초과 등 단시간에 전지를 과도하게 사용하는 경우 급격한 온도 상승에 따라 내부 셀이 손상돼 전지의 수명 단축 또는 화재 발생 위험이 있으므로 지나친 튜닝 및 승차정원 초과는 피해야 한다고 설명했다.

전지를 방전된 상태로 장시간 방치하는 경우 보호회로가 정상작동 되지 않아 과방전을 유발, 수명이 단축될 수 있으므로 정기적으로 충전, 보관하고 전지가 고온 환경에 노출되는 경우 내부 온도가 높아지게 되고 이로 인해 화재가 발생할 수 있어 직사광선에 노출된 차량 내부나 전기히터 전면 등 60℃ 이상의 고온이 유지되는 장소에 전지를 보관하거나 충전하는 것을 지양해야 한다는 게 협회 측의 설명이다.

문성화 방재시험연구원장은 “리튬이차전지는 전기차, ESS 등 4차 산업혁명을 대표하는 다양한 산업에 쓰이고 있다. 이에 발맞춰 협회는 ESS 배터리 화재 관련 연구·개발을 선도적으로 추진하고 있으며, 이를 토대로 리튬이차전지 화재 안전성관련 시험연구에 더욱 매진하겠다”고 말했다.

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잇따른 전기차 ‘열 폭주’ 화재 폭발 사고…○○○배터리 기술로 해결한다? [티포트]

▶ 이 콘텐츠는?

전세계서 속출하는 전기차 화재 폭발 사고.

화재의 주요 원인으로 리튬이온배터리가 지목되고 있는데요.

화재 가능성을 확 낮춰줄 새 배터리 기술이 분주하게 개발되고 있습니다.

언제쯤 화재 걱정 없이 편안히 전기차를 탈 수 있을까요?

TBS 이강훈 기자의 ‘티포트’입니다.

▶ 콘텐츠 내용

지난달(2월) 국내에서 발생한 전기차 화재 사고는 알려진 것만 모두 3건.

반복되는 전기차 화재 소식은 사람들의 전기차 이용을 주저하게 만드는 핵심 요인이 되고 있습니다.

국토교통부 자료에 따르면 지난 2017년부터 4년간 국내에서 발생한 전기차 화재 사고는 무려 69건.

해외 상황도 다르지 않아서, 유명 자동차 제조사들이 자사 전기차를 대량 리콜하는 사례가 계속 나오고 있죠.

전기차에서 불이 나는 이유 가운데 핵심은 배터리 부분에 있어요.

전기차 배터리는 ‘리튬이온배터리’가 대표적인데요.

첫째, 배터리 셀 제조 상의 불량으로 분리막이 손상된 경우

둘째, 배터리관리시스템(BMS) 소프트웨어에 결함이 있는 경우

셋째, 배터리 내 각종 하드웨어에 결함이 있는 경우 등.

주로 이 세 가지 원인으로 화재가 많이 발생하고 있어요.

【 인터뷰 】 김필수 / 대림대 미래자동차공학부 교수(한국전기차협회장)

“리튬이온배터리 자체가 에너지 밀도는 높지만 근본적으로 분리막 등에 영향을 받아서 구멍이 뚫리는 등 문제가 생기면 바로 열폭주 현상이 생기면서 물속에서도 불꽃이 일어나는 굉장히 심각한 문제가 생길 수 있다는 근본적 한계점이….”

만약 기존 리튬이온배터리를 계속 쓸 수 밖에 없다면 전기차에 불이 나는 사고도 계속 겪어야 하는 걸까요?

아니요.

이 문제는 때가 되면 해결될 가능성 높아요.

지금 쓰이는 리튬이온배터리는 액체전해질을 쓰고 있는데, 고체 전해질 배터리를 개발하는 연구가 현재 국내외에서 한창 진행중이기 때문이지요.

이 고체 전해질 배터리는 외부 충격을 받아 전해질이 흘러나올 위험이 없고, 인화성 물질이 포함되지 않아 불이 붙을 가능성이 현저히 낮은데요.

아마도 2030년쯤을 전후로 국내외 시장에서 전고체 배터리를 탑재한 전기차가 양산돼 나올 것으로 보입니다ㅣ.

물론, 그 전까지는 불가피하게도 지금과 같은 화재 사고를 좀 더 보게 될 가능성이 있죠.

여기서 하나 더!

전기차 화재가 특히 문제가 되는 건, 일반 내연기관차량과 달리 한 번 불이 붙으면 차량이 전소될 때까지 불이 좀처럼 꺼지지 않는 문제가 있다는 건데요.

불길이 거세니 주변 차량들까지 함께 태우는 일도 많죠.

지난달 부산서 일어난 현대자동차 코나 일렉트릭(코나EV) 화재 사고는 불을 끄는데 무려 30분 가까이 걸렸고요.

지난해(2021년) 미국 텍사스에서 발생한 테슬라 전기차 모델S 화재 사고는 진압에 무려 7시간이 걸린 것으로 알려졌죠.

이때 사용된 소방용수가 모두 10만 리터인데, 이는 현지 소방서 한 곳이 보통 한 달 동안 사용하는 양과 맞먹는다고 합니다.

이렇게 전기차 화재 대응이 소방당국의 과제로 떠오르자, 전문적인 대응 방법을 따로 연구하거나 현실에 적용하는 훈련도 활발히 이뤄지고 있죠.

다시 돌아와서,

기존 전기차 모델에서 화재를 막기 위해 기술적 보완이 시급한 부분은 뭘까요?

우선, 불이 나면 차량 내부에서 1차로 불을 끄는 내부 소화시스템이 필요하고, 차량 내 열 발생을 일찍 감지해서 불이 나기 전에 탑승자가 차를 떠날 수 있도록 돕는 시스템이 필요해요.

전기차 이용자가 주의할 점으론,

배터리 충전 목표량을 설정해 과충전을 예방하고, 배터리의 온도를 급격히 높일 우려가 있는 급속 충전은 피하는 게 좋아요.

또 운전을 할 때는 최대한 차체에 충격을 주지 않도록 조심히 하고, 차량에 소화기를 비치하는 것은 아주 기본 중 기본이죠.

2016년 국내에 등록된 전기차가 1만여 대에 불과했는데, 지난해 말에 23만여 대를 넘겼어요.

꾸준한 성장 속에, 모두가 전기차를 안심하고 이용하는 날도 곧 오지 않을까요?

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리튬이온 배터리는 왜 폭발할까

최근 갤럭시노트7 등 스마트폰 리튬이온 배터리가 폭발하는 사고가 발생했다. 하지만 배터리가 자칫 잘못하면 어떤 큰 사고를 일으킬 수 있는지에 대해서는 잘 알려져 있지 않다.사실 리튬이온 배터리에 사용되는 재료는 항상 폭발 위험 상태라고 할 수 있다. 이론적 상한치 90%에 달하는 것으로 알려져 있는 현재 리튬이온 배터리는 높은 에너지 밀도, 배터리 셀 안에 갇혀 있는 상태라는 점 때문에 일단 문제가 발생하면 안에 있던 에너지가 한꺼번에 방출되어 버린다.리튬이온 배터리 내부는 양극과 음극이라는 전극 2개와 이들 전극이 접촉되지 않게 절염하기 위한 구분자, 전해질 등으로 이뤄져 있다. 리튬이온 배터리는 양극 소재에 리튬 산화물을 이용해 전력의 원천인 리튬이온을 생성하는 구조다. 리튬이온 배터리가 충전될 때에는 내부에선 리튬이온이 음극에서 양극으로 이동해 에너지가 축적된다. 그리고 배터리에서 전력을 꺼낼 때에는 양극에서 음극으로 리튬이온이 이동해 전류가 발생한다.이 때 내부에는 전자, 그러니까 이온을 이동시키기 위한 물질인 전해질이 있다. 또 전극 2개가 직접 닿아 높은 에너지를 방출해버리는 사태를 막기 위한 절연재, 세퍼레이터가 있다. 요즘 시끄러운 갤럭시노트7 배터리는 이런 절연재에 결함이 있는 것이다. 그 탓에 전극 2개가 직접 닿아버리는 탓에 단번에 전류가 발생하면서 폭발로 이어지는 것.리튬이온 배터리를 안정적으로 동작시키는 데 중요한 건 온도 관리와 과충전 방지다. 모두 안전에 직결되는 문제인 만큼 리튬이온 배터리에는 수많은 제어 관련 기술이 들어간다. 전자가 이동하는 전해질은 열에 민감한 특성이 있어 강한 전류가 흐르거나 한낮 차량처럼 고온 환경에 노출된 상태에서 전자가 이동하면 화학 반응이 일어나 가스나 열이 발생한다. 이 열이나 화학 반응이 일어나면 리튬이온 배터리는 폭주 상태가 되고 최악의 경우 폭발, 화재가 발생한다.https://www.youtube.com/watch?v=HQQOiilJwJ0스마트폰이나 카메라처럼 리튬이온 배터리를 탑재한 기기는 본체 온도가 너무 높으면 자동으로 전원을 끄는 기능이 탑재되는 것도 이런 이유다. 이런 기능은 리튬이온 배터리의 폭주를 막기 위해 내장한 보호 기능인 것이다.또 과충전은 배터리에 축적되는 용량을 초과하는 에너지를 보낼 때 발생한다. 마치 양동이에 물을 넣다가 넘쳐 버리는 것과 같다. 리튬이온 배터리는 양극으로 이동하는 리튬이온이 너무 많으면 이 같은 현상이 발생한다. 이럴 때에는 충전 속도를 느리게 한다고 해서 과충전을 방지할 수는 없다. 충전 전류를 차단하는 방법 밖에 없다.따라서 리튬이온 배터리는 항상 충전된 용량을 모니터링하는 기능을 갖추고 있다. 이를 통해 항상 제대로 된 배터리 잔량을 파악하는 것이다. 밤새 스마트폰을 충전기에 연결해도 스마트폰 리튬이온 배터리는 충분히 충전되면 자동으로 충전을 멈추는 안전장치를 내장하고 있다.배터리가 방전되는 모습은 고무줄이 늘어나거나 줄어드는 모습과도 같다. 충전은 고무줄을 손으로 길게 늘여 에너지를 모으는 것과 같고 방전은 손을 떼서 고무줄이 줄어드는 것과 같다는 것. 고무줄을 계속 이렇게 줄이거나 늘이는 과정을 반복하다 보면 언젠가는 깨질 수 있는, 그러니까 과충전에 손상되어 버릴 수 있다는 것.과충전 외에도 충전 속도를 빠르게 해주는 급속 충전 역시 리튬이온 배터리에 손상을 주는 요인이 될 수 있다. 제대로 디자인한 리튬이온 배터리라면 상황에 따라 최적의 충전을 실시하는 구조다. 하지만 너무 빨리 충전되어 버리면 배터리 재료 표면에 금이 가는 증상이 발생한다. 부자연스러운 충방전을 반복하면 소재 표면에 돌기 모양이 형성되면서 배터리 내부 회로가 쇼트되는 원인을 제공, 배터리가 폭발을 일으키는 결과를 초래할 수도 있다.더 많은 에너지, 전압을 높이는 것도 배터리에 손상을 줄 수 있다. 전압은 힘의 힘을 나타내는 것으로 전위차라고도 한다. 폭포 낙차가 클수록 힘이 강해지듯 전압이 커질수록 전류의 힘은 강해진다. 에너지가 잘 저장되어 있을 때에는 물론 문제가 없지만 일단 문제가 터지면 더 강한 힘으로 에너지를 방출하기 때문에 큰 사고로 이어질 수 있다.이런 사고를 막기 위해 재료 개선을 계속되고 있다. 높은 열을 가해도 가스가 발생하기 어려운 전해질로 이온성 액체 재료를 개발하기도 한다. 리튬이온 배터리는 어떤 면에선 높은 에너지를 담아 빠르게 방출할 수 있는 물체라는 점에서 어떤 물질로 만들어도 잠재적으론 폭탄 같은 것이라고도 할 수 있다. 배터리 기술은 지금까지 꾸준히 진화해왔지만 안전성을 높이는 노력이 계속되어야 할 이유다. 물론 불법 개조를 한 배터리를 사용하지 않는 등 사용자 역시 위험을 피할 수 있는 방법을 미리 염두에 둘 필요가 있다. 관련 내용은 이곳 에서 확인할 수 있다.

이석원 기자 [email protected]

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