이차전지 기술의 진보와 안전성 패러다임의 변화

리튬이온 배터리는 전 지구적인 탄소 중립 정책과 모빌리티의 전동화 추세에 따라 현대 에너지 저장 시스템의 핵심적인 위치를 차지하게 됐다. 특히 전기자동차(EV)와 에너지 저장장치(ESS) 시장의 급격한 팽창은 배터리 에너지 밀도 향상과 동시에 안전성 확보라는 두 가지 상충하는 과제를 던진다[1].

 

현재 시장을 양분하고 있는 니켈-코발트-망간(NCM) 삼원계 배터리와 리튬-인산-철(LFP) 배터리는 각기 다른 화학적 조성과 물리적 구조를 지녔다. 이는 화재 발생 시 거동과 위험성을 결정짓는 근본적인 원인이 된다[3].

 

양극 소재의 화학적 조성ㆍ구조적 안정성 분석

1. NCM 양극재의 층상 구조와 열적 불안정성

NCM 양극재는 Li(NixCoyMnz)O2의 화학식을 가진다. 전이금속 산화물이 층을 이루고 있는 구조다. 니켈(Ni)은 에너지 밀도를 높이는 주성분, 코발트(Co)는 전도성과 수명, 망간(Mn)은 구조적 안정성을 담당한다[3]. 

 

그러나 고에너지 밀도를 위해 니켈 함량을 높인 하이-니켈(High-Ni) 양극재일수록 열적 안정성은 취약해진다. 이는 니켈 이온(Ni3+/Ni4+)이 충전 상태에서 구조적으로 불안정해 고온에서 산소(O2)를 방출하며 암염 구조(Rock-salt structure)로 상변화 하기 때문이다[7].

 

NCM의 열폭주가 격렬한 이유는 화재의 3요소 중 하나인 산소를 배터리 내부에서 직접 공급해서다. 충전된 NCM 양극재는 약 160~210°C 사이에서 결정 격자가 붕괴되며 다량의 산소를 방출한다[9]. 

 

이 산소는 전해질의 연소를 가속화하면서 외부 산소 공급 없이도 화재가 지속되게 만드는 ‘자기 연소’ 특성을 부여한다[6].

 

2. LFP 양극재의 올리빈 구조와 결합 에너지

LFP 양극재(LiFePO4)는 철(Fe)과 인산염(PO4)이 강한 공유 결합을 형성하는 올리빈 구조를 가진다. 이 구조의 가장 큰 특징은 인(P)과 산소(O) 사이의 강력한 P-O 결합 에너지다[4]. LFP 결정 구조 내 P-O 결합 에너지는 약 585[kJ/㏖]에 달한다. 이는 NCM 소재의 금속-산소 결합 에너지보다 훨씬 높다[11].

 

이런 강력한 결합력은 200℃ 이상의 고온에서도 산소 원자가 격자 밖으로 방출되는 걸 억제한다. 실제로 LFP는 270~300℃ 정도의 고온에서도 구조가 유지된다. 분해 시에도 산소를 거의 방출하지 않는다.

 

이 같은 화학적 불활성 덕분에 LFP는 열폭주 시 화염이 발생하지 않는다. 주로 흰 연기(증발된 전해액)를 내뿜는 상대적으로 온순한 반응을 보인다.

 

특성 항목	NCM Nickel-Cobalt-Manganese	LFP Lithium IronPhosphate
결정 구조	층상 구조(Layered Oxide)	올리빈 구조(Olivine)
화학 결합	상대적으로 약한 금속-산소(M-O) 결합	매우 강한 인-산소(P-O) 공유 결합
열폭주 시작 온도	약 130~160°C(하이-니켈 기준)	약 180~270°C
최고 온도	800~1050°C	450~620°C
산소 방출 여부	분해 시 다량의 산소 방출(연소 가속)	산소 방출이 거의 없음
에너지 밀도	200~275Wh/㎏	90~160Wh/㎏

 

3. 열폭주(Thermal Runaway)의 단계별 메커니즘ㆍ화학 반응식

열폭주는 배터리 내부 온도가 외부로 방출되는 열보다 생성되는 열이 많아지는 양성빛 피드백(Positive Feedback) 루프에 진입하면서 발생한다[6]. 이 과정은 크게 네 단계의 화학적 붕괴 과정으로 나뉜다.

 

1) 1단계: SEI 층의 열분해(90~120℃)

(CH2OCO2LI)2 → LI2CO3 + C2H4 + CO2 +0.5O2(△H<0)[5]

 

이 반응은 발열 반응이다. 생성된 가스(Co2, C2H4)는 배터리 케이스 내부의 압력을 높이기 시작한다.

 

2) 2단계: 음극과 전해질의 반응(120~140℃)

SEI 층이 파괴되면 리튬이 삽입된 흑연 음극이 전해질과 직접 반응해 가연성 탄화수소 가스를 생성한다.

2Li + C3H4O3(EC) → LI2CO3 + C2H4 [5]

2Li + C3H6O3(DMC) → LI2CO3 + C2H6 [5]

 

이 단계에서 온도가 더욱 상승하며 전해질의 용매들이 기화되기 시작한다.

 

3) 3단계: 분리막 용융ㆍ내부 단락(130~165℃)배터리 내부 온도가 폴리올레핀 계열 분리막의 녹는점에 도달하면 분리막이 수축하거나 구멍이 뚫린다[5].

 

• 폴리에틸렌(PE): 약 135°C에서 용융

• 폴리프로필렌(PP): 약 165°C에서 용융 

 

분리막이 파괴되면 양극과 음극이 직접 접촉해 내부 단락이 발생하고 저장된 전기 에너지가 순식간에 열로 전환된다[1].

 

4) 양극재 분해ㆍ산소 방출(160~250℃ 이상)

가장 격렬한 단계로 양극재의 구조적 붕괴가 일어난다. NCM의 경우 산소가 방출되며 전해질 연소를 촉발한다[6].

 

방출된 산소는 기화된 전해질과 결합해 화염 화재(Flaming Combustion)를 일으킨다. 온도는 1천℃ 이상으로 급상승한다[9]. LFP는 이 단계에서 구조적 안정을 유지하며 가스 배출(Venting)에 그치는 경우가 많다[12].

 

4. 가스 배출 특성ㆍ폭발 위험성 분석

배터리 열폭주 시 발생하는 가스의 양과 종류는 화재 위험성을 평가하는 핵심 지표다. 단순히 가스 배출량만 보면 NCM이 더 위험하지만 폭발 관점에서는 LFP가 의외의 위험성을 내포하고 있다.

 

1) 가스 생성량의 정량적 비교

실험 데이터에 따르면 NCM 배터리는 LFP보다 훨씬 많은 양의 가스를 생성한다.

 

• NCM: 1.8~2.8L/Ah(용량 대비 발생량)[12]

• LFP: 0.569L/Ah[12] 전체 가스 몰(㏖) 수로 비교할 때도 NCM(4.21㏖)이 LFP(1.59㏖)보다 약 2.6배 더 많은 가스를 배출한다[19]. 이는 NCM 화재 시 배터리 팩 내부 압력이 훨씬 빠르게 상승하고 케이스 파손 가능성이 더 큼을 의미한다.

 

2) 가스 조성ㆍ수소(H₂)의 역설

가스 조성을 분석하면 화재의 성격이 드러난다. 두 기종 모두 H2, CO, CO2, CH4, C2H4 등을 공통적으로 배출하지만 그 비율에서 큰 차이를 보인다.

 

가스 성분	NCM(부피%)	LFP(부피%)
수소(H2)	19	41
이산화탄소(Co2)	24	27
일산화탄소(Co)	36	8
탄화수소 등	나머지	나머지

 

LFP 가스 내 수소 함량이 41%에 달한다는 점은 매우 중요한 사실이다. 수소는 가연성 한계(LFL)가 매우 낮고 연소 속도가 빠른 기체다.

 

따라서 LFP 배터리는 화염 없이 다량의 연기를 내뿜는 동안 실내에 수소 농도가 급격히 올라간다. 임계점에 도달했을 때 점화원이 공급되면 거대한 폭발(Deflagration)을 일으킬 수 있다[12]. Arizona BESS 사고(2019)는 이처럼 축적된 LFP 가스가 문을 여는 순간 점화되면서 발생한 대표적 사례다[21].

 

3) 압력 상승 속도와 화재 전파

NCM은 가스 발생량이 많고 반응 속도가 빨라 압력 상승 속도가 매우 가파르다. 이는 배터리 팩 내부에서 ‘제트 화염’을 유도하며 인접 셀의 물리적 외함을 파괴하는 원인이 된다[9]. 반면 LFP는 상대적으로 상승이 완만하지만 장시간 가스가 체류하며 폭발성 혼합기를 형성하는 특징이 있다[12].

 

5. 화재학적 분석: 열방출율(HRR)과 화재 동역학

1) 방출율(Heat Release Rate, HRR)의 중요성

화재 공학에서 HRR은 화재의 강도와 확산 속도를 결정하는 가장 중요한 변수다.

 

• NCM: 피크 HRR 약 38㎾/Ah에 도달한다. 하이-니켈 소재일수록 산소 공급이 원활해 연소 효율이 높고 화염이 매우 강렬하다[23].

• LFP: 피크 HRR은 약 31㎾/Ah 수준으로 NCM보다 낮다. 그러나 LFP는 에너지 밀도가 낮은 대신 동일 용량 대비 가연성 물질(전해질, 탄소 등)의 절대량이 많아 화재 지속 시간은 오히려 더 길어질 수 있다[9].

 

2) 화재 전파(Thermal Propagation) 속도

셀 간 열폭주 전파 속도를 분석하면 화학적 안정성의 차이가 더 명확해진다.

 

• NCM: 열폭주 반응 속도가 LFP보다 약 9배 빠르다. 전체 팩 수준의 전파 간격도 5배 이상 빠르다[24]. 이는 NCM 시스템에서 화재가 발생했을 때 대피ㆍ초기 대응 시간이 매우 짧음을 의미한다.

• LFP: 열폭주 전파 속도가 느리다. 대부분 인접 셀로의 전파가 자연적으로 차단되기도 한다[25]. 이는 LFP가 에너지 밀도의 불리함을 시스템 수준에서의 안전성으로 극복할 근거가 된다.

 

지표	NCM(삼원계)	LFP(리튬인산철)
피크 온도	800~1050°C	450~620°C
연소 시간	짧고 강렬함	길고 완만함
방출 물질	가스 + 용융 금속 + 산소	가스 + 연기(산소 결핍)
전파 속도	매우 빠름(초 단위)	상대적으로 느림(분 단위)

 

6. 화재 독성학: 독성 가스ㆍ오염 물질의 위협

배터리 화재는 열기보다 독성 가스에 의한 인명 피해 위험이 더 클 수 있다. 특히 전해질의 불소 성분에서 유래하는 가스들은 매우 치명적이다[27].

 

1) 불화수소(HF)ㆍ포스포릴 플루오라이드(POF₃)

리튬염(LiPF6)과 바인더(PVdF)의 열분해로 생성되는 HF는 강력한 부식성과 독성을 지닌다.

 

• 방출량: 상업용 배터리 화재 시 에너지 용량당 20~200㎎/Wh의 HF가 생성된다. 100kWh 전기차 한 대 화재 시 2~20㎏의 HF가 배출될 수 있는 막대한 양이다[27].

• POF3: HF보다 더 독성이 강할 것으로 추정되는 중간 생성물로 수분과 반응해 결국 HF가 된다[28]. 흥미로운 연구 결과에 따르면 동일한 용량(Capacity) 기준 시 LFP 배터리가 NCM보다 더 많은 양의 HF 가스를 방출한다는 보고가 있다[26]. 이는 LFP가 “절대적으로 안전하다”는 대중적 인식에 경종을 울리는 데이터다.

 

2) 중금속 산화물ㆍ에어로졸

NCM 배터리는 화재 시 양극재 구성 성분인 니켈, 망간, 코발트 산화물을 미세 입자(Aerosol) 형태로 배출한다[9].

 

• 입자 크기: 10㎛ 이하의 미세 입자로 배출되면서 호흡기를 통해 흡입된다.

• 유해성: 니켈 화합물은 1군 발암물질이다. 코발트와 망간 역시 인체에 중독 증상을 일으키는 중금속이다[26]. LFP는 철과 인산염이 기반이므로 이러한 유독 중금속 배출에서는 상대적으로 안전하다는 이점이 있다[26].

 

7. 소화ㆍ방재 전략: 수계 소화와 첨가제 효과

리튬이온 배터리 화재는 ‘냉각(Cooling)’이 유일한 해법이다. 배터리 내부의 화학 반응을 멈추기 위해 열을 빼앗아야 한다[6].

 

1) 미분무(Water Mist)와 주수 전략

물은 비열이 커서 냉각 효과가 뛰어나지만 일반적인 주수로는 배터리 내부까지 침투하기 어렵다.

 

2) 간헐적 분사(Intermittent Spray) 

150Ah 대용량 NCM 배터리 실험 결과 연속 분사보다 주기적인 간헐 분사가 냉각 효율을 28% 높이고 표면 온도를 176°C 더 낮췄다[32].

 

3) 물안개(Water Mist) 

미세한 입자가 증발하며 산소를 희석하고 신속히 냉각하지만 LFP 화재 시에는 HF 가스 발생률을 일시적으로 높일 수 있다는 주의점이 있다[27].

 

4) 캡슐화 소화 약제

캡슐화 소화 약제는 물에 캡슐 형성 첨가제를 섞은 것으로 배터리 화재 소화에 효과적인 약제 중 하나로 꼽힌다[34].

 

• 기전: 가연성 전해질 증기를 캡슐화해 연소 반응을 원천 차단한다. 또 물보다 열 흡수 속도가 10배 이상 빠르다[35].

• 성능: 실험 결과 일반 물보다 3배 이상의 냉각 성능을 보였다. 재발화 방지ㆍ독성 가스 저감 효과도 입증됐다[34].

 

5) 가스계 소화 약제의 한계

Co2나 HFC-227ea는 열폭주 화재를 완전히 진압하지 못한다. 불꽃은 끄지만 배터리 내부의 ‘열적 불꽃’은 끄지 못해 약제 방출이 끝나면 수 초 이내에 재발화가 일어난다[37]. 따라서 가스계 약제는 화재 확산 방지용 보조 수단으로만 고려돼야 한다.

 

8. 공학적 설계ㆍ시스템 수준의 안전 대책

배터리 자체의 화학적 개선 외에도 팩(Pack)과 시스템 수준에서의 방재 설계가 필수다.

 

1) 열폭주 전파 방지(Thermal Barrier) 설계

 

• NCM 팩: 화재 시 배출되는 고온 입자와 제트 화염을 관리하는 게 우선이다. 가스 배출 경로(Venting path)를 별도로 설계하고 화염 차단용 강철 하우징이 요구된다[9].

• LFP 팩: 전도에 의한 열 전달을 차단하는 게 핵심이다. 에어로젤(Aerogel)과 같은 초단열재를 셀 사이에 배치하면 전파를 효과적으로 억제할 수 있다[9].

 

2) 조기 감지ㆍ지질 감지 센서

열폭주가 본격화되기 전 배터리는 미세한 전압 강하와 오프가스(Off-Gas)를 배출한다.

 

• 가스 센서: HF나 CO의 미세한 농도 상승을 감지하면 시스템을 즉시 차단하고 소화 설비를 가동할 수 있는 10~30분 정도의 골든타임을 확보할 수 있다[6].

• 내부 단락 감지: BMS를 통해 셀 간 전압 편차를 정밀하게 모니터링해 리튬 덴드라이트에 의한 단락 징후를 조기에 포착해야 한다[1].

 

리튬이온 배터리 화재 안전 패러다임 전환

분석 결과 NCM과 LFP는 서로 다른 화재 위험 프로파일을 지녔다. 따라서 ‘어느 것이 절대적으로 안전하다’는 식의 단순 접근은 지양해야 한다.

 

NCM은 높은 에너지 밀도의 대가로 강렬한 화염과 빠른 확산 속도, 그리고 유독 중금속 배출이라는 위험을 안고 있다. 반면 LFP는 화염의 강도는 낮으나 다량의 수소 배출에 의한 폭발 위험과 높은 농도의 불화수소 생성이라는 숨겨진 위험이 존재한다[12].

 

공학적ㆍ화재학적 관점에서의 제언은 다음과 같다.

첫째, NCM 시스템은 화염 전파를 물리적으로 차단하고 화염 온도를 낮출 수 있는 강력한 능동형 소화 설비(예: 캡슐화 소화약제) 구축에 집중해야 한다.

 

둘째, LFP 시스템은 가스 축적에 의한 대규모 폭발을 방지하기 위해 정전 시에도 작동하는 강제 환기 시스템과 폭발 방지 밸브 설계가 필수다.

 

셋째, 배터리 화재 대응 매뉴얼은 기종별로 차별화돼야 한다. 소방대원들에게 LFP의 가스 폭발 위험과 NCM의 발암성 미세 입자 위협에 대한 교육이 병행돼야 한다.

 

결국 배터리 안전은 소재의 화학적 안정성, 시스템의 기계적 방어력, 지능형 모니터링이 삼박자를 이룰 때 비로소 달성될 수 있다. 전동화 시대로의 성공적인 이행을 위해선 이러한 과학적 사실에 기반한 정밀한 안전 기준 수립이 무엇보다 시급하다.

 

주요 데이터 요약

 

구분	NCM(삼원계)	LFP(리튬인산철)
열적 특징	낮은 시작 온도(160℃) 높은 최고 온도(1000℃)	높은 시작 온도(270℃) 낮은 최고 온도(600℃)
가스 발생	1.8~2.8L/Ah(다량)	0.569L/Ah(상대적 적음)
가스 위험성	CO 비중 높음(질식/독성)	H2 비중 매우 높음(41%, 폭발 위험)
화재 양상	제트 화염, 자기 연소(산소 포함)	다량의 백색 연기 가스축적 후 폭발 가능성
독성 오염	HF, 니켈/코발트 미세 입자(발암성)	HF(에너지당 방출량은 더 높을 수 있음)
최적 소화	급속 냉각(미분무) 캡슐화 약제(F-500)	환기 및 가스 배출 재발화 방지용 냉각

 

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참고 자료

[1] PowerUp Technology. (2026). "NMC vs LFP: Safety and Performance in Operation." PowerUp Insight.

[2] Aalto University. (2026). "Lithium Iron Phosphate Battery Fire Safety." Aaltodoc Research Repository.

[3] Avantis Energy Group. (2026). "NCM Batteries vs LFP Batteries: Key Differences." Avantis Energy White Papers.

[4] NX Technologies. (2026). "Lithium Battery Chemistry: LFP vs NMC Explained." Insight Hub.

[5] Wang, J., et al. (2026). "Research Progress on Thermal Runaway Warning Methods and Systems." MDPI Engines, Vol. 16(2).

[6] Gasmet Technologies. (2026). "What is Thermal Runaway in Lithium-Ion Batteries: Risks and Causes." Gasmet Blog.

[7] Wang, Q., et al. (2026). "Mechanistic Understanding of Thermal Stability and Safety in Lithium-ion Batteries." Chemical Reviews, Vol. 116.

[8] Liu, K., et al. (2026). "Thermal Stability of Lithium-Ion Batteries: A Review of Materials and Critical Issues." MDPI Energies, Vol. 18(16).

[9] Electric & Hybrid Vehicle Technology. (2026). "LFP vs NMC Thermal Runaway." E&H Vehicle Technology International.

[10] Deriy Energy. (2026). "LFP Battery Safety Features vs. NMC/NCA." Deriy Energy Technical Blog.

[11] Ingotta Technology. (2026). "Lifepo4 vs Ternary Lithium Battery in Material Structural Stability." Ingotta Resources.

[12] Zhang, Y., et al. (2026). "Thermal Runaway Characteristics and Gas Composition Analysis of Lithium-Ion Batteries." MDPI Electronics, Vol. 12(7).

[13] Brogen Battery. (2026). "NCM vs. LFP Batteries: What's the Future of Lithium-ion Technology?" Brogen Technical Reports.

[14] SSRN Authors. (2026). "Comparative Study on Thermal Runaway and Gas Production of NCM and LFP Batteries." SSRN Papers.

[15] Chen, L., et al. (2026). "Research Progress on the Influence of Cathode Materials on the Thermal Stability of Lithium-Ion Batteries." MDPI Batteries, Vol. 11(10).

[16] American Chemical Society. (2026). "Evaluating Fire and Smoke Risks with Lithium-Ion Cells, Modules, and Packs." ACS Energy Letters, Vol. 9.

[17] LAPSE Community. (2026). "Experimental Investigation of Thermal Runaway Behavior and Gas Emission." PSE Community Reports.

[18] VTT Technical Research Centre. (2026). "Firefighting in Case of Li-Ion Battery Fire in Underground Conditions." VTT Research Report, R-00066-19.

[19] MDPI Authors. (2026). "NVPF Sodium-Ion Versus NMC and LFP Lithium-Ion Batteries in Thermal Runaway." MDPI Batteries, Vol. 11(9).

[20] ResearchGate Authors. (2026). "Thermal Runaway Characteristics and Gas Composition Analysis of Lithium-Ion Batteries with Different Cathodes." ResearchGate Publications.

[21] EticaAG. (2026). "Toxic Gas in Lithium-Ion Battery Fires: Risks and Solutions." EticaAG Safety Reports.

[22] American Chemical Society. (2026). "Comparison on Thermal Runaway and Critical Characteristics of Li-ion Batteries." ACS Chemical Health & Safety.

[23] UPS Battery Center. (2026). "NMC Versus LFP EV Fire Risk Compared." UPS Battery Center Technical Blog.

[24] ResearchGate Authors. (2026). "Thermal Runaway and Flame Propagation Behaviors of NCM Batteries under Varying Heights." ResearchGate Experimental Study.

[25] Korea Science. (2026). "Numerical Comparative Study on the Thermal Runaway of NCM and LFP Batteries." Journal of the Korean Society of Safety.

[26] NY State Department of Public Service. (2026). "LFP Batteries Are Dangerous, Say Research Scientists." NY DPS Public Documents.

[27] Massachusetts Department of Fire Services. (2026). "Toxicology of the Lithium Ion Battery Fire." Mass.gov Safety Manuals.

[28] Larsson, F., et al. (2026). "Toxic Fluoride Gas Emissions from Lithium-Ion Battery Fires." Scientific Reports/PMC.

[29] Never Again Moss Landing. (2026). "Detailed Characterization of Particle Emissions from Battery Fires." Research Report 2025-03.

[30] MDPI Authors. (2026). "A Review of Fire and Explosion Hazards in Sustainable Lithium-Ion Battery Storage." MDPI Fire, Vol. 9(2).

[31] ResearchGate Authors. (2026). "A Review of Lithium-Ion Battery Fire Suppression." ResearchGate Reviews.

[32] ESST Journal. (2023). "The Effect of Water Mist Strategies on Thermal Runaway Fire Suppression." Energy Storage Science and Technology, Vol. 12(5).

[33] HCT World & NIOSH. (2026). "Comparison of Fire Suppression Techniques on Lithium-Ion Battery Pack Fires." Technical Report F5.

[34] Fire Products Direct. (2026). "F-500 Fire Extinguishers vs Water Extinguishers: Key Differences." Fire Products Direct Australia.

[35] HCT World. (2026). "How To Put Out A Lithium Ion Battery Fire." Fire Suppression Insights.

[36] Johnson Controls. (2026). "F-500 Portable Fire Extinguishers." Johnson Controls UK Campaign.

[37] IMO/China Research. (2026). "Fire Test Research on Ships Carrying Lithium-Ion Battery Vehicles." GOB.mx Technical Attachment.

[38] ResearchGate Authors. (2026). "Experimental Study on Fire and Explosion Suppression of Self-ignition of Lithium Ion Battery." ResearchGate Publications.

 

경기 하남소방서_ 강경석 : youeks@naver.com

 

<본 내용은 소방 조직의 소통과 발전을 위해 베테랑 소방관 등 분야 전문가들이 함께 2019년 5월 창간한 신개념 소방전문 월간 매거진 ‘119플러스’ 2026년 4월 호에서도 만나볼 수 있습니다.>

 

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