전기차 화재 원인은 무엇일까? (코나 화재 열폭주)

목차

1. 전기차 화재 사례

2. 배터리팩 및 리튬이온배터리

3. 전기차 화재 원인 추정

안녕하세요. 훈스로그입니다.

전기차 화재 사례

전기차 화재는 코나 EV때 부터 많이 알려진 것 같습니다. 지금까지 화재난 대수가 약 20대정도 될 정도로 초유의 사태였죠. 지금까지도 그 원인에 대해 조사하고 있는만큼 밝히는일이 쉽지만은 않은것이 바로 '전기차 화재' 입니다. 코나뿐만 아니라 테슬라 차량도 전기차 화재 사례가 여럿 있는데, 관련한 포스팅은 따로 작성해놓았느니 참고 부탁드립니다.

전기차 화재 사례 (테슬라 화재 사고)

 

배터리팩 리튬이온배터리

 전기차에는 배터리팩이 탑재되어 있습니다. 셀 → 모듈 → 팩으로, 가장 상위단인 배터리팩은 BMS와 PRA, 모듈 등이 들어있는 단위입니다. 여기서 배터리라고 불리는 Cell의 종류도 형상에 따라 파우치형, 원통형, 각형으로 나눌 수 있고, 양극재에 따라서도 NCM(삼원계), LFP(리튬인산철)으로 나누어집니다. 

 

 지금까지 화재가 발생했던 차량들은 대부분 삼원계 배터리가 탑재된 차량입니다. LFP는 올리빈 구조로 이루어져있어 안전성이 매우 높습니다. 그래서 화재가 발생한 사례가 거의 없으며, 기껏해야 연기정도만 나고 그치죠. 상대적으로 NCM 삼원계 배터리는 니켈 함량이 높을 수록 안전성이 떨어집니다. NCM622 →  NCM811 → NCM9½½ 요즘 추세가 에너지 밀도를 높이기 위해 고니켈으로 가고 있는데, 갈수록 안전성은 좋지 않게 되는 것이죠.

전기차 배터리 종류 [리튬인산철(LFP), 삼원계(NCM,NCA), 전고체 차이 ]

 

 전기차 화재 원인 추정

 첫번째로, 외부 충격에 의한 발화입니다. 리튬이온 배터리는 충격을 받으면 화재가 발생할 가능성이 매우 높습니다. 양극, 음극, 분리막으로 이루어진 구조상 분리막에 손상이 간다면 양극과 음극이 맞닿아 단락이 발생하게 됩니다. 이처럼 내부단락에 의한 열폭주 발생으로 화재가 발생하게 되는 것입니다. 열폭주(Thermal Runaway)란 다양한 원인으로 배터리 Cell에 Stress가 가해지며, 이에 따라 열이 발생하고 인접셀로 전이되어 폭발하는 현상을 뜻합니다.

출처 : https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2405829716303464

 두번째 원인으로는 배터리 Cell 불량입니다. 제조 공정상에서 이물질 혼입에 의한 분리막 손상으로 화재가 발생하는 메커니즘입니다. 최근에는 비파괴검사등을 통한 전수검사로 발생할 가능성이 거의없다고는 합니다. 분리막 자체 품질 불량, 음극탭 접힘에 의한 내부단락 메커니즘도 있습니다.

 세번째 원인으로는 외부단락입니다. 어떠한 이유에서든 배터리팩의 절연이 파괴되고, 그에 따라 팩 자체에 통전이되어 전위차가 발생하고 외부단락으로 이어지는 메커니즘입니다. 전기차의 고전압배터리팩은 400V 이상의 고전압이기 때문에 외부단락이 발생할 경우에는 엄청난 폭발로 이어집니다. 하지만 일반적으로 퓨즈 or 세이프티 플러그라고 하는 안전장치가 있기 때문에 발화로 이어질 가능성은 낮습니다.

출처 : https://vruzend.com/tech-center/safety-avoiding-short-circuits/

 리튬이온 배터리는 한번 열폭주가 되기 시작하면 그 전이속도가 엄청납니다. 일반적인 소방차가 와서는 불을 끌수가 없어 자연소화 될때까지 지켜보고만 있어야할 정도죠. 오히려 리튬이 물과 반응하여 더 격렬하게 반응할 수도 있습니다. 그렇기 때문에 화재가 발생한 차량에서 그 원인을 분석하기가 쉽지가 않습니다. 대부분 전소되어 원인미상으로 결론이 나는 이유죠. 실제로 코나ev도 아직까지 그 원인을 명확하게 밝히지 못한만큼 어려운 일이죠.

출처 : https://www.autonews.com/automakers-suppliers/hyundai-canada-probing-case-kona-ev-fire-explosion

 코나 화재 원인과 관련하여 배터리 안전 마진 부족이라는 의견도 있지만, 현대차와 LG에너지솔루션이 그정도로 멍청하진 않을겁니다.. BMS 충전맵 오적용, 불량판단 로직 문제 등의 의견도 있으나 현재까지는 배터리 Cell불량쪽으로 무게가 실리는 듯 합니다. 왜냐면 현대차뿐만아니라 다른 제조사 차량들도 많이 화재가 발생했으니말이죠.. 심지어 코나와 동일한 bms, 배터리팩을 사용하는 니로EV에서는 화재 사례가 단 1건도 없죠. 니로 전기차는 SK ON 배터리셀을 사용했다고 하죠?