전기차 리튬이온 배터리 화재 원인

안녕하세요. 훈스로그입니다.

전기차에는 수백개~수천개의 리튬이온 배터리가 탑재되어있습니다. 우리가 생각하는 것보다 자동차를 전기로 가게하기 위해서는 큰 용량의 배터리가 필요하기 때문이죠. 보통 50~100kWh 용량의 배터리가 탑재되는데, 이는 스마트폰 배터리 용량의 약 6,000배입니다. 

 최근들어 전기차 배터리 화재가 여럿 발생하고 있는데, 리튬이온 배터리 화재 원인에 대해 알아보겠습니다.

목차

충돌 및 외부 충격에 의한 화재

온도 상승에 의한 화재

과충전에 의한 화재

배터리 결함에 의한 화재

 

충돌 및 외부 충격에 의한 화재

 전기차의 배터리팩은 충돌이나 외부 충격에 취약할 수 있습니다. 충돌사고를 대비하여 배터리팩 프레임 구조를 강건화 하는 등 대비를 하고 있지만, 모든 상황을 고려하여 설계할 수는 없을겁니다. 예를들어 자동차 하부에 있는 배터리팩에 날카로운 물체가 찌른다면 매우 취약할 수 있죠.

전기차 충돌

 충돌로 인해 배터리 셀이 손상되면 내부 구조가 손상되거나, 전기적인 단락이 발생할 수 있어 이는 화재의 원인이 될 수 있습니다. 리튬이온 배터리는 양극, 음극, 분리막, 전해질로 이루어져있는데, 분리막이 손상되어 양극과 음극이 만나게 되면 내부단락이 발생하여 화재가 발생할 수 있습니다.

온도 상승에 의한 화재

 리튬이온 배터리는 온도에 매우 민감합니다. 따라서 전기차 배터리는 온도 관리가 중요하죠. 만약 배터리 시스템이 제대로 냉각되지 않아 과열된다면 내부 화학 반응이 가속화되어 배터리가 과열되고 화재로 이어질 수 있습니다. 온도가 상승하는 원인으로는 배터리 셀의 구조적인 결함, 충전 시스템의 오작동, 냉각 시스템의 고장 등 다양한 원인이 있습니다.

Thermal Runway (열폭주), Source : “ Thermal Runaway Mechanism of Lithium Ion Battery for Electric Vehicles: A Review ” X. Feng, et al Tsinghua University – Beijing

 발화 메커니즘으로는 배터리 셀에 열이 가해질 경우 전해질이 분해되며 화학반응을 일으키게되고, 고온에 장시간 노출된다면 분리막이 수축되고 임계점을 넘는다면 Melting이 발생하여 내부단락이 발생하여 열폭주 및 화재가 발생할 수 있습니다.

과충전에 의한 화재

 리튬이온 배터리의 동작 전압은 일반적으로 2.5~4.2V입니다. BMS(배터리 관리 시스템)에서는 과충전이 되지 않도록 제어를 하도록 되어있습니다. 따라서 충전기 고장으로 인해 계속해서 충전이 되더라도 전기차 배터리팩의 릴레이(스위치)를 끊어 더 이상 충전이 되지 않도록하는 과충전 안전장치를 작동시키게 됩니다.

 

 만약 제대로 작동되지 않는다면 과도한 충전으로 인해 배터리 셀 스웰링(부풀음)이 발생하며 화재 및 폭발로 이어질 수 있습니다. 그러나, BMS에서 각 배터리 Cell의 전압만 모니터링을 제대로 한다면 과충전이 발생할 일은 없기때문에 실제 전기차가 과충전으로 인해 화재가 발생한 사례는 최근들어 없다고 보시면 됩니다. 만약 과충전으로 화재가 발생한 자동차 브랜드가 있다면 정말 형편없는 BMS라고 해도 과언이 아닙니다. 여기서 말하는 과충전은 Cell 전압 약 4.4V를 초과하는 것을 의미합니다.

배터리 결함에 의한 화재

 제조 과정에서 배터리 셀의 결함이 있을 수 있습니다. 이물 유입, 분리막 불량 등 공정상 문제로 결함이 생긴다면 불균형을 초래하고, 충방전 동작 중에 화학적인 문제를 야기할 수 있습니다. 이에따라 수명이 다하기 전에 배터리 화재가 발생할 수 있습니다. 대표적인 사례로 코나 화재 원인으로 지목된 음극 탭 접힘을 들 수 있겠습니다.

한국고툥안전공단 자동차안전연구원(KATRI) '코나 EV 리콜 적정성조사 추진현황 보고서'

 배터리 제조사 및 전기차 제조사는 안전성 향상을 위해 지속적인 연구개발을 진행하고 있습니다. 리튬이온배터리는 열폭주(Thermal Runaway)가 발생하면 인접셀로 전이되는 열전이(Thermal Propagation)로 인해 순식간에 화재 확산과 폭발이 발생하는 것이 가장 문제입니다. 리튬이온 배터리의 열폭주 자체를 막는 것은 구조적으로 거의 불가능에 가깝기 때문에, 업체들은 확산되지 않도록 열전이 TP를 지연시키는 것을 목표로 개발 중입니다.