[뉴스속 용어]위험천만 전기차 화재의 시작 ‘열폭주’

분리막 손상되면 음극과 양극 만나 열 발생
화재시 빨리 대피하고 119 신고해야

‘열폭주(Thermal runaway·TR)’는 온도 변화가 그 온도 변화를 더욱 가속하는 방향으로 환경을 변화시키는 상태를 말한다. 즉 열이 더 큰 열을 발생시키는 걸 말한다. 전기차 화재는 배터리의 '열폭주'에서 시작된다.

열폭주 현상으로 불이 난 원통형 리튬배터리. [사진출처=연합뉴스]

최근 전기차 화재에 대한 경각심이 커지고 있다. 지난 1일 인천의 한 아파트 지하 1층 주차장에서 일어난 벤츠 전기차 화재 사고는 리튬이온배터리 열폭주 현상의 위험성과 진화 작업의 어려움을 여실히 보여줬다. 2일 인천소방본부에 따르면, 주민 20명이 연기를 흡입해 병원으로 옮겨졌고, 주차장에 있던 차량 70여대가 피해를 본 것으로 추산됐다. 불은 8시간 20분 만에 꺼졌다. 폐쇄적인 지하주차장 구조와 함께 전기차가 내연기관 차량보다 화재 진압이 훨씬 까다롭다는 점이 악재로 이어졌다.

리튬이온배터리는 일반적으로 양극재, 음극재, 전해질, 분리막 등 4가지로 구성된다. 전기는 리튬이온이 양극재와 음극재 사이를 이동하는 화학적 반응을 통해 생산된다. 양극재는 배터리의 (+)극이며, 주요 성분은 리튬이다. 음극재는 (-)극으로, 주로 흑연을 사용한다. 전해질은 리튬이온이 원활하게 이동하도록 돕는 역할을 한다. 분리막은 양극과 음극이 서로 접촉하지 못하도록 차단한다. 이 분리막에는 미세한 구멍이 있는데, 리튬 이온은 이곳을 통해서 이동한다. 즉, 분리막은 양·음극재의 접촉을 막아 화재, 폭발 등을 방지하고, 이온을 원활하게 이동시켜주는 이차전지 안전성의 핵심 소재다. 열폭주 현상은 과열이나 물리적 파손으로 내부 온도가 상승해 분리막이 손상되고, 배터리의 양극과 음극이 접촉해 열이 발생하는 것이다.

리튬이온배터리 원리 [사진출처=화재보험협회]

내부 온도가 상승하면 전해질이 기화해 발생한 가스로 인해 배터리 내부의 압력이 증가한다. 이 압력으로 분리막이 녹고, 양극과 음극이 만나면서 내부 쇼트(단락) 현상이 일어난다. 쇼트는 전류가 정상적인 경로가 아닌 예상치 못한 경로로 바뀌는 현상이다. 쇼트 때문에 배터리 내부에 저장된 모든 에너지가 방출되면서 배터리의 온도가 800도 이상 치솟는다. 전기차 화재는 이 같은 배터리 1개의 열폭주에서 시작한다. 이것이 인접한 배터리를 가열하면서 급격하게 화재를 일으키는 것이다.

보통 전기차 배터리는 하나의 팩 형태로 차 바닥에 깔려서 내장된다. 팩은 배터리 셀을 여러 개 묶어서 만든 모듈의 집합이다. 이는 상당한 중량의 배터리 무게를 배분하고 차량의 안정을 고려한 배치다. 다만 이러한 구조 특성상 전기차 배터리에 불이 나면 서로 인접한 배터리 셀을 태워 불이 수평 방향으로 번진다. 바람이 없다면 불이 위로 향하는 내연기관차보다 전기차 화재가 발생하면 주변 피해가 더욱 커지는 원인 중 하나다.

또 리튬이온배터리는 물과 상극이다. 리튬과 물이 만나면 불에 잘 타는 수소 가스가 발생하기 때문이다. 불에 휩싸인 전기차에 분말소화기를 사용해도 분말이 리튬이온배터리 내부에 미치지 못한다. 냉각 효과도 거의 없다. 따라서 전기차 하부에 불이 나면, 안전한 장소로 빨리 대피한 뒤 119에 빠르게 신고해야 한다.

최호경 기자 hocance@asiae.co.kr