배터리 화재에 대해 전문가가 답하다.

리튬이온 배터리 화재에 대한 이토 사토루 씨가 답하다.

전 세계적으로 온난화 가스 배출 제로화를 위해서 글로벌 자동차 메이커들은 전기자동차의 확대를 위해 노력하는 가운데 해외에서는 전기자동차(EV)의 화재사고가 잦아지고 있습니다. EV 전지 발화의 메커니즘이나 증가의 배경에 대해서 삼성 SDI와 혼다에서 EV용 전지 개발에 깊게 종사해온 전문가 사토 노보루 씨에게 물었습니다.

EV의 리튬이온전지는 왜 발화하는 것일까요?

발화의 원인은 다양합니다.

1) 전지 제조공정에서 혼입 된 금속 이물질이 충.방전을 반복하는 가운데 양극재와 음극재를 분리하는 분리막에 데미지를 주어 내부 합선에 따른 화재 발생될 수 있습니다.

2) 충.방전 조건이나 구성 재료에 따라서는 충전 시 리튬이온이 음극재로 받아들여지지 않기 위해 덴드라이트(수지 상정)라는 금속리튬의 침상 결정이 생성되는데 이것이 분리막을 뚫고 나가면 내부 단락을 일으킬 수 있습니다.

3) 충돌 사고등으로 인해 외부로부터 큰 충격이 가해지면 전지가 파손해, 화재사고에 이를 가능성이 높아집니다. 납축전지나 니켈수소전지는 전해액일 무기계로 불연성인데 비해 리튬이온 2차 전지의 전해액은 가연성 유기용매로 화재에 취야합니다.

4) 전지를 구성하는 양극재의 열 안정성이 떨어지면 과충전이 되었을 경우 발열이 촉진되어 열폭주에 따른 화재가 발생될 수 있습니다.

5) 소화가 되었어도 온도가 내려가지 않고 전지 내부에 열이 차 있어서 재연을 반복하기도 합니다. 해외에서는 재활용을 위해 보관중인 리튬이온 전지에서 화재가 발생한 사례도 있습니다.

6) 차세대 전지로 주목되는 전고체전지의 고체 전해질은 무기계로 난연성입니다. 전고체 배터리가 보급되면 화재사고 발생률은 한 층 낮아질 것으로 보입니다. 다만 전고체 전지라 하더라도 조건이 갖추어지면 화재사고에 이를 수 있습니다. 전고체 전지이기 때문에 화재가 일어나지 않는다고는 단언할 수 없습니다.

효과적인 진화 방법이 있을까요?

도로에서 EV 차량의 화재사고가 발생하는 경우 많은 양의 물로 산소를 차단하면서 진화하는게 현실적인 방법입니다. EV용처럼 배터리 용량이 커지면 일반 소화기로는 소화가 어렵습니다.
배터리가 소화된 이후에도 화학적으로 불안정한 상태인 경우가 있으므로 전지를 소금물에 담가두면 단시간에 효율적으로 완전 방전이 가능해지므로 재연 발화를 예방할 수 있습니다.
액체질소와 이산화탄소를 이용해 불을 끌 수도 있지만 현실적인 방법으로는 대량의 물을 이용하는 것이 좋습니다.

K-배터리의 화재에 대한 원인

과도한 원가절감
한국산 배터리를 장착한 전기차 화재가 2019년 중반부터 갑자기 늘었습니다. 이 같은 사고는 지나친 원가절감에서 오는 문제라는 생각입니다. 전기차 원가의 50 ~60%를 차지하는 배터리의 경쟁력 있는 단가 납품을 위해서 전기자동차 제조사들이 지나친 단가인하 압력을 넣고 있습니다. 따라서 원재료를 염가의 재료를 사용할 수밖에 없는 구조입니다.
실제로 그결과 최근 전기차의 배터리 원가비중은 20% 수준까지 낮아진 상태입니다.
원래 일본계 자동차 제조사는 자동차용 전지에 대해서 각자 독자적으로 엄격한 안전기준과 실험 규격을 마련해서 평가하고 있습니다. 안전성이 충분하지 않은 염가의 부재를 걸러내는 작용을 하고 있는 것이죠. 제가 지금까지 경험상으로 미국과 한국. 중국의 자동차 제조사들의 전지 사용에 대한 기준이 일본의 제조사들과 달라고 대부분 느슨한 감이 있습니다.
또한 분리막 역시 일본의 아사히카세히나 도레이의 우수한 품질의 제품 대신 중국산 저품질 재료를 사용하는 것이 이해하기 힘듭니다. 물론 가격의 경쟁력은 확보할 수 있지만 반면 배터리의 안정성은 장담하기 힘들게 됩니다.

하이니켈화 추세
또한 안전을 위해서 삼원계 양극재의 경우 니켈, 코발트, 망간을 1:1:1 비율로 사용했으나 최근 고효율을 위해 니켈 함량을 증가시키고 있는 추세입니다. 게다가 가격이 급등하고 있는 코발트 비율을 낮추고 니켈 함량을 올린 하이 니켈화가 진행되고 있습니다. 니켈, 코발트, 망간의 비율을 6:2:2, 그리고 8:1:1까지 확대한 양극재의 사용이 한국과 중국의 배터리 업체를 중심으로 진행되고 있습니다. 잘 알다시피 니켈이 늘어나면 열적 안정성이 떨어져 발화가 잘 되는 경향이 있기 때문에 안이한 하이 니켈화는 위험을 초래할 수 있습니다.


느슨한 테스트 기준
배터리 테스트 규격으로 따지자면 UN 기준은 교육으로 따지자면 의무교육수준에 불가합니다. 그보다 더 상위의 고등교육이 필요하다는 것은 최근 해외 차량 화재사고와 리콜이 증명하고 있습니다.
일본의 시험기준을 100으로 볼 때 한국은 80%정도의 엄격한 기준을 적용하며, 중국은 그 이하의 수준에 불과합니다.

요즘의 전기차 전환 트렌드 속에서 원가절감만을 쫒기 보다 인명의 안전과 관련된 EV 자동차 배터리의 본연의 기능에 대해서 배터리 제조사들은 재고할 필요가 있다고 생각합니다. 사용자의 안전을 담보로 한 제품은 인정받을 수 없기 때문입니다.

사토 노보루 약력
- 나고야대학 미래사회창조 기구 객원교수 , 에스펙 고문, 일리소 전자공업 사외이사
- 1978년 혼다입사. 차체 부식방지 기술 개발에 종사하다 그 성과로 공학박사학위 취득
- 1990년 혼다기술연구소 기초연구부문 이동
- 1991년 전기차용 전지 연구개발 부문 수석 엔지니어
- 2004년 삼성SDI 상무로 이직. 중앙연구소와 경영전략 부문에서 기술경영 담당
- 2012년 퇴사

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리튬배터리의 발화 매커니즘