[Remake] 커져가는 전기차 포비아, 이를 해결할 수 있는 열쇠는?

[Remake] 커져가는 전기차 포비아, 이를 해결할 수 있는 열쇠는?

대학생신재생에너지기자단 26기 강민석
 

23기 김용대님의 "[Remake, 인터뷰] 갈수록 잦아지는 배터리 화재사고, 막을 방법은 없을까?"기사의 Remake 버전입니다. 기사 작성에 도움을 주시고 배려해주신 23기 김용대님께 감사의 말씀을 전합니다.

 

[전기차 화재의 추이]

[자료 1. 2018~2023년의 전기차 화재 건수 추이]

출처: 뉴스1

 최근 인천 청라의 한 아파트 지하 주차장에서 주차돼 있던 전기차에 화재가 발생한 사건이 있었다. 화재로 인해 지하 주차장에 주차돼 있던 87대의 차가 불에 타고, 아파트 480세대에 전기 공급이 끊기는 사고가 발생했다. 이 사건은 국민들의 전기차에 대한 포비아가 더욱 커지는 계기가 됐다. 이 사건 이외에도, 우리나라에서 전기차 화재 사고가 일어나는 빈도가 계속 높아지고 있다. 소방청에서 조사한 바에 따르면 전기차 화재 사고는 2021년에 24건에서 2022년에 43건, 2023년에 72건으로 매년 증가하는 추세를 보인다. 이와 같은 추세는 국민들의 전기차에 대한 반감을 증가시키며, 전기차 시장에 악영향을 초래하고 있다. 그렇기 때문에 전기차 시장이 성장하기 위해서는 전기차 화재 사고를 예방해야 한다. 전기차 화재 사고에는 다양한 원인이 있지만, 그중에서 가장 큰 원인은 바로 전기차 내의 배터리 화재이다. 그렇다면 전기차에 내장돼 있는 배터리에서 화재가 발생하는 이유가 무엇일까?
 

[배터리 화재의 원인]

 배터리에서 화재가 발생하는 이유는 바로 배터리 셀의 열폭주이다. 열폭주는 배터리의 셀 단위에서 내외부의 열적 요인, 화학적 또는 물리적 충격으로 인해 온도가 상승해 화재로 이어지는 현상을 의미한다. 열폭주 현상의 원인으로는 내부 단락, 과충전 및 과방전, 제조 과정에서의 결함 등이 있다.
① 내부 단락

[자료 2. 분리막을 손상시키는 덴드라이트]

출처: BATTERY INSIDE

 액체 전해질을 사용하는 배터리의 내부에는 양극과 음극의 접촉을 차단하는 분리막이 있다. 양극과 음극이 서로 접촉할 경우 단락 현상이 발생하고, 이는 배터리 화재를 유발하기 때문에 분리막의 역할은 매우 중요하다. 그러나 배터리를 계속 사용하다 보면, 충전하는 과정에서 음극 표면에 뾰족한 나뭇가지 모양의 결정체인 덴드라이트(Dendrite)가 자라는 경우가 있다. 덴드라이트(Dendrite)가 계속 자라면서 분리막을 손상시키면, 결국 양극과 음극이 접촉하게 된다. 양극과 음극이 접촉함에 따라 단락 현상이 발생하고, 이는 배터리 화재 사고를 유발한다.
② 과충전 및 과방전
 배터리에 저장할 수 있는 용량을 초과해 충전할 경우, 배터리 내부에서 화학반응 이상으로 양극에 리튬 이온이 축적될 수 있다. 이에 따라 화학 구조가 불안정해지면서 양극 붕괴가 발생하고, 온도가 상승해 열폭주가 발생할 수 있다. 또한, 배터리의 용량보다 많은 전압을 사용해 배터리의 전압이 지나치게 낮아지게 된다면, 음극에서 리튬 이온이 과다하게 소모돼 리튬이온을 제외한 음극의 다른 구성 요소 사이에서 화학반응으로 열이 발생해 열폭주가 발생할 수 있다. 따라서 과충전과 과방전 역시 배터리 화재의 원인이 된다.
 이와 같이 배터리 화재의 원인은 여러 가지가 있다. 그렇다면 배터리 화재를 줄일 수 있는 방안으로는 무엇이 있을까? 지금부터 이에 관해서 기술적인 측면과 정책적인 측면으로 나눠서 설명하겠다.
 

[기술적인 측면]

① 사용하는 배터리의 변경
(1) LFP 배터리

[자료 3. LFP 배터리]

출처: BATTERY INSIDE

 가장 흔히 쓰이는 이차전지인 리튬이온전지는 양극재를 무슨 물질을 쓰는지에 따라 여러 종류로 나뉜다. 그중 리튬 코발트 산화물(LCO)을 양극재로 사용하는 삼원계 배터리는 현재 대한민국에서 생산되는 전기차에서 가장 흔히 사용되는 배터리이다. 그러나 삼원계 배터리는 가격이 높은 코발트를 활용하기에 생산 단가가 높고, 화재의 위험성이 크다는 단점이 있다.
 이러한 문제점들을 해결하기 위한 방안으로 리튬인산철을 양극재로 사용하는 LFP 배터리가 차세대 배터리로 떠오르고 있다. LFP 배터리는 양극재인 리튬인산철이 olivine 구조(육면체 형태)로 돼 있기 때문에 삼원계 배터리와 비교하여 안정성이 훨씬 높다. 그리고 과충전, 과방전의 가능성이 낮다는 장점이 있다. 과충전과 과방전은 열폭주의 원인으로, 배터리 화재의 주요 원인 중 하나이기에 LFP 배터리는 삼원계 배터리에 비해 화재로부터 안전한 배터리다. 또한, LFP 배터리는 저렴한 양극재를 사용하기에 생산 단가가 낮아 배터리 시장에서 가격 경쟁력이 높다는 장점이 있다.
 이러한 이유로 전 세계에서 LFP 배터리의 비중을 높이기 시작했다. 리서치 기관인 블룸버그 NEF에 따르면 미국 전기차 시장에서 LFP 배터리는 2030년까지 초과수요를 유지하고, 미국 전기차 수요의 40%를 달성할 것으로 예측한다. 또한, 중국에서는 2021년부터는 LFP 배터리 수요가 급증하며 중국 전기차의 절반 이상에 LFP 배터리가 탑재됐다.
(2) 전고체 배터리

[자료 4. 삼성 SDI에서 제시한 전고체 배터리의 개발·양산 로드맵]

출처 :  뉴스웍스

 전고체 배터리는 기존 이차전지와 달리, 전해질이 액체가 아니라 고체인 배터리이다. 전고체 배터리는 고체 전해질을 활용하기에, 액체 전해질 누액 등으로 인한 화재 및 폭발 위험이 낮아서 화재 안정성이 높다. 뿐만 아니라, 전고체 배터리는 에너지 밀도가 높으며 충전 속도가 빠르다는 장점이 있다.
 이러한 이유에서 전고체 배터리 역시 LFP배터리와 마찬가지로 차세대 배터리로 떠오르고 있으며, 많은 기업에서 전고체 배터리 기술 개발에 힘을 쓰고 있다. 중국의 CATL에서는 최근 ‘세계 전기 배터리 컨퍼런스’에서 배터리 안전 문제를 강조하고 2027년까지 전고체 배터리를 생산할 계획이라고 밝혔다. 그리고 삼성 SDI에서는 2027년까지 전고체 배터리 양산을 목표로 기술 개발을 위해 노력하고 있다. 전고체 샘플 공급도 기존 3개 사에서 5개로 확대해 상용화 준비에 속도를 가하고 있다. 전고체 배터리는 아직 상용화되기까지 시간이 조금 남았지만, 전고체 배터리 기술이 발전해 상용화가 이루어진다면 전기차 화재 사고를 줄이는 것에 긍정적인 영향을 줄 것이다.
② 액침 냉각

[자료 5. GRC 액침냉각 시스템]

출처: 뉴스1

 전기차 배터리의 화재를 줄일 수 있는 또 다른 방안으로 액침 냉각을 활용하는 방안이 있다. 액침 냉각은 배터리를 비전도성 유체에 직접 넣어 식히는 방식으로, 기존에 사용하던 수랭식 방식, 공랭식 방식과 비교하였을 때 전력 소비량을 줄일 수 있으며 열 관리 효율이 높다는 장점이 있다. 따라서 액침 냉각 방식은 배터리 냉각 기술의 지평을 열며, 차세대 배터리 열관리 기술로 떠오르고 있다. 글로벌 시장조사업체 '마켓츠 앤 마켓츠'(Markets and Markets)에서는 전 세계 서버·전기차·충전기 등 액침 냉각 시장은 2030년 17억 1,000만 달러(약 2조 3,000억 원) 규모로 성장할 것으로 예측한다. 이에 따라 정유업계에서는 액침 냉각에 쓰이는 윤활유 개발에 열을 올리고 있다.
 또한, GS칼텍스와 에쓰오일, 현대오일뱅크도 완성차 기업에 맞춤형 액침 냉각 유체를 공급하기 위해 제품 개발에 나섰다. 그리고 SK엔무브는 대전 R&D센터에서 액침 냉각 유체를 개발 중이다. 또한, 미국 액침 냉각 시스템 전문 기업인 GRC와의 협업도 진행 중이다. 지난해 GRC에 2,500만 달러 규모의 지분 투자도 단행했다.
③ 스마트 충전기 

[자료 6. 스마트 충전기]

출처: 한국경제

 스마트 충전기를 활용하면 전기차 화재 사고를 사전에 예방하는데 큰 도움이 된다. 스마트 충전기는 전기차 화재의 주요 원인인 배터리 열폭주 현상을 사전에 감지해 제어하며 배터리 화재를 예방하고, 충전 인프라를 구축하고자 하는 목적으로 제작됐다. 이는 충전 중에 배터리 상태 정보를 정해진 주기별로 수집해 배터리 데이터 관리 시스템에 전송하는 기능과 배터리 충전에 대한 제어 정보를 수신해 전기차 충전을 제어하는 기능을 가지고 있다. 그렇다면 스마트 충전기는 어떠한 원리로 화재 예방 기능을 수행할 수 있을까?
 스마트 충전기를 통해 수집된 데이터는 충전 서비스 사업자 서버로 전송되고, 이후에 환경부의 배터리 빅데이터 센터로 전송된다. 전송된 데이터를 바탕으로 전문적인 진단 서비스 기술을 이용해 전기차 화재를 예측한다. 그리고 이에 대한 제어 명령을 충전기로 전송하며 화재 예방 기능을 수행한다. 정부에서는 전기차 화재 예방을 목적으로 내년부터 스마트 충전기 보급량을 9만대로 늘릴 것이라고 밝혔다. 
 또한, 올해 7월 말에 KGM에서는 전기차 보급 확대 및 화재예방을 위한 환경부 정책에 협력하기 위해 배터리 정보제공이 가능한 BMS 및 EVCC(EV Communication Controller) 소프트웨어를 개발하는 데 성공했다. 이후 KGM에서는 전국 스마트 충전기 제조사 대상으로 직접 방문해 호환성 테스트에 착수했다. 이 소프트웨어가 상용화된다면, 전기차의 화재 사고를 사전에 예방하며 전기차의 안정성을 높일 수 있을 것으로 기대된다.
 

[정책적인 측면]

① 전기차 배터리 인증제
 인천 청라의 아파트에서 전기차 화재 사고가 발생한 이후로, 정부에서는 지속되는 전기차 화재 사고를 막기 위해 내년 2월에 도입될 예정이었던 '전기차 배터리 인증제'를 오는 10월로 앞당겨 시행하기로 했다. 전기차 배터리 인증제는 전기차를 제작할 때 정부가 배터리 안전성을 사전에 인증하는 제도이다. 또한, 정부에서는 배터리 제조사와 제작 기술 등 주요 정보까지 의무적으로 공개할 계획이라고 밝혔다. 여기서 말하는 주요 정보로는 배터리 용량, 정격전압, 최고 출력, 셀 제조사와 형태, 주요 원료가 있다. 그리고 전기차 정기 검사 시 배터리 검사 항목에 셀 전압, 배터리 온도·충전·열화 상태, 누적 충·방전을 추가할 예정이다.
 이 외에도, 정부에서는 배터리 사업자에 대한 책임을 강화하기 위해 노력하고 있다. 우선, 내년부터 제조물 책임보험에 가입하지 않은 자동차 제작사에 대해서는 전기차 보조금 지급을 제외하기로 했다. 그리고 기업들이 제조물 책임보험 가입을 의무화하도록 하는 방안을 추진할 예정이다. 또한, 충전 사업자에 대해서는 화재 발생 시 피해를 구제할 수 있도록 무과실 책임보험 가입 의무화를 추진할 수 있도록 하는 법안이 현재 국회에서 논의 중이다.
② 화재 피해의 규모 줄이기

[자료 7. 스프링클러 설비 시스템 설계도]

출처: 세이프타임즈

 기차 화재 사고 자체를 예방하는 것 외에도, 전기차에서 화재 사고가 발생했을 때 그 피해를 최소화할 수 있는 방안 또한 마련될 예정이다. 우선, 정부에서는 앞으로 모든 신축 건물의 지하 주차장에는 화재 발생 시 감지·작동이 빠른 습식 스프링클러를 설치하도록 규정했다. 이때 동파 우려가 있는 건물의 경우에는 성능이 개선된 준비작동식 스프링클러 설치를 허용했다. 그리고 신축 건물에 대한 화재감지기 설치 기준도 강화하고, 구축 건물에서는 화재 시 스프링클러의 정상 작동에 대한 평시 점검을 강화하도록 조치할 예정이다.
 또한, 정부에서는 전기차 화재 진압장비를 확대 보급하기 위해 노력하고 있다. 화재 발생 시 소방 당국의 원활한 화재 진압을 위해 내년까지 전국 모든 소방관서(240개)에 이동식 수조를 297대에서 397대로, 방사 장치는 1,835개에서 2,116개로, 질식소화 덮개는 875개에서 1,131개로 늘릴 예정이다. 그리고 리튬이온배터리 전용 소화 장치를 배치하여 화재가 발생한 대상물에 산소를 차단하고, 배터리 열폭주로 인한 순간적인 화재의 확산을 초기에 예방할 수 있도록 조치할 예정이다.
 

[전기차 시장의 전망]

 지금까지 전기차 배터리에서 화재가 발생하는 원인과 이를 예방하기 위한 방안에 대해 알아봤다. 전기차는 환경오염이 심각해지는 상황에서, 이를 가속하는 내연기관 자동차에 대한 대안으로 떠오르며 큰 인기를 얻고 있었다. 그러나 현재의 전기차 시장은 부족한 충전 인프라와 높은 가격, 전기차 화재로 인한 포비아 등으로 인해 부정적인 영향을 받으며, 심지어는 전기차 회의론이 나오고 있는 수준에 이르렀다.
 하지만, 장기적으로 본다면 결국 전기차의 시대가 올 것이라는 의견이 지배적이다. 실제로도 세계 각국에서는 기후변화에 대응하기 위해 탄소 중립에 대한 중요성이 올라가면서 각 정부에서 환경오염 주범 중 하나인 내연기관 대신 전기차로 전환하겠다는 정책을 펼치고 있다. 물론 전기차의 폐배터리를 처리할 때 환경오염이 발생한다는 의견도 있지만, 이는 내연 기관 자동차가 유발하는 수준에 비하면 낮은 편이다. 따라서 전기차 시장이 활력을 얻기 위해서는 전기차의 안전성을 높이고, 충전 인프라를 확대하는 방안을 마련하기 위해 정부, 기업 등 다양한 기관에서 함께 노력해야 한다. 이러한 노력이 지속된다면 전기차 시장은 캐즘을 극복하고 다시 일어설 수 있을 것이다.

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전기차 화재에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "[Remake, 인터뷰] 갈수록 잦아지는 배터리 화재사고, 막을 방법은 없을까?" , 23기 김용대, https://renewableenergyfollowers.org/4110

[Remake, 인터뷰] 갈수록 잦아지는 배터리 화재사고, 막을 방법은 없을까?

 

2."날이 갈수록 증가하는 전기차 화재 사태, 이를 줄일 수 있는 방법은 무엇이 있을까", 21기 이현서, https://renewableenergyfollowers.org/3898

날이 갈수록 증가하는 전기차 화재 사태, 이를 줄일 수 있는 방법은 무엇이 있을까

 

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참고문헌

[ 전기차 화재의 추이 ]

1) 김초희, [그래픽] 전기차 화재 건수 추이, 뉴스1, 2024.09.12., https://www.news1.kr/photos/6814325

[배터리 화재의 원인]

1) Alternative Fuel Technology Research Team KOREAN REGISTER, 배터리 화재 및 예방, file:///C:/Users/user/Downloads/%EB%B0%B0%ED%84%B0%EB%A6%AC%20%ED%99%94%EC%9E%AC%20%EB%B0%8F%20%EC%98%88%EB%B0%A91.pdf
2) Battery Lab. BATTERY INSIDE, “배터리 용어사전 – 덴드라이트”, 2023.02.14., https://inside.lgensol.com/2023/02/%EB%B0%B0%ED%84%B0%EB%A6%AC-%EC%9A%A9%EC%96%B4%EC%82%AC%EC%A0%84-%EB%8D%B4%EB%93%9C%EB%9D%BC%EC%9D%B4%ED%8A%B8/, (2024.09.12.)
[기술적인 측면]
1) 박혜원, 中 “전고체전지 2026년 탑재” 선언에 다급해진 K-배터리, 조선일보, 2024.09.06., https://it.chosun.com/news/articleView.html?idxno=2023092122898
2) 차은지, "전기차 화재 걱정마세요"…KGM, 스마트 충전기 대응 소프트웨어 개발 완료, 한국경제, 2024.09.06., https://www.hankyung.com/article/202409061655g
3) 채윤정, 전기차 화재에 '전고체 배터리' 주목…韓·中·日 상용화 격돌, 뉴스웍스, 2024.09.02. https://www.newsworks.co.kr/news/articleView.html?idxno=764388
4) 한재준, 전기차는 윤활유도 달라야…정유업계 달려드는 배터리 '액침냉각', 뉴스1, 2023.05.19., https://www.news1.kr/industry/energy-heavyindustry/5051070
5) Battery Lab, BATTERY INSIDE, “세상의 모든 배터리에 대한 궁금증 – LFP 배터리가 주목받는 이유는 무엇일까?”, 2023.10.26. https://inside.lgensol.com/2023/10/%EC%84%B8%EC%83%81%EC%9D%98-%EB%AA%A8%EB%93%A0-%EB%B0%B0%ED%84%B0%EB%A6%AC%EC%97%90-%EB%8C%80%ED%95%9C-%EA%B6%81%EA%B8%88%EC%A6%9D-lfp-%EB%B0%B0%ED%84%B0%EB%A6%AC%EA%B0%80-%EC%A3%BC%EB%AA%A9/, (2024.09.12.)

[정책적인 측면]
1) 정진우, 전기차 배터리 인증제 10월 실시…"제조사 공개 의무화", 머니투데이, 2024.09.06., https://news.mt.co.kr/mtview.php?no=2024090608040843286
2) 조용선, [특별기획 - 화마와의 전쟁 ①] 주차장 화재 '골든타임 사수' 대안 ?, 세이프타임즈, 2019.03.06., https://www.safetimes.co.kr/news/articleView.html?idxno=73761
3) 하종숙, 행안부, 정부청사 전기차 화재예방형 충전기 확대 설치, 국토일보, 2024.06.11., https://www.ikld.kr/news/articleView.html?idxno=295337
[전기차 시장의 전망]
1) 박성수, [기자수첩] 전기차 전환, 느려지는 거지 멈추는 건 아냐, 시사저널e, 2024.09.12., https://www.sisajournal-e.com/news/articleView.html?idxno=405723