▲ 정원영 강운공업(주) 본부장(공학박사)

이동통신기기의 대중화, 다양한 모빌리티 확대, 신재생에너지에 대한 사회적 요구의 증가는 고효율을 갖는 이차전지ㆍ에너지저장장치(ESS)와 같은 전기저장장치의 폭발적 수요를 창출했다. 그러나 우리에게 ‘이차전지 화재에 대한 효율적 진화’라는 새로운 숙제도 남겼다.

특히 전기자동차와 전기저장장치 등에 널리 사용되는 리튬(Li) 이온 배터리는 에너지밀도와 이온화경향(금속반응성)이 매우 높아 효율적인 이차전지 구현이 가능하다. 하지만 열에 매우 취약하고 물이 닿게 되면 불이 더욱 번진다. 전기자동차는 배터리 열폭주로 구조 작업을 위한 골든타임이 상대적으로 짧아 신속한 초기 화재진압이 매우 중요하다.

일반적으로 전기자동차의 화재진압은 질식소화포를 덮어 산소공급을 차단하는 질식소화방식과 차량에 물을 분사하거나 차량을 포켓 또는 튜브식 수조에 넣어 냉각하는 냉각소화방식을 사용한다.

그러나 질식소화방식은 양극재로 사용되는 리튬산화물이 고온에서 지속해서 산소(O2)를 방출해 화재진압이 어렵다. 전해질에서 수소(H2)와 같은 다양한 가연성 가스를 방출하므로 추가 폭발의 위험성도 있다.

냉각소화방식은 정확한 발화 위치를 알 수 없어 효율적이고 즉각적인 화재 진화가 어렵다. 종종 소화 효율을 높이기 위해 두 가지 방식을 혼용하기도 하지만 완벽한 진압이 어려운 게 현실이다. 

그럼 도대체 왜, 이차전지는 화재진압이 어려울까? 일반적으로 화재는 ‘물질이 산소와 결합해 에너지를 방출하는 화학반응’으로 정의된다. 가연성 물질(연료)과 산화제(산소), 열(점화원)이 존재해야 연소가 일어나고 화재가 유지되기 위해선 지속적인 화학적 연쇄반응이 필요하다. 이 중 하나라도 제거되면 소화가 이뤄진다.

리튬 이온 배터리의 경우 열적, 전기적, 기계적 충격이 가해지면 화학작용이 일어나기 시작하며 이로 인해 내부 온도가 상승하고 압력이 급격히 증가한다. 이때 즉각적인 소화가 이뤄지지 않을 경우 온도는 지속해서 상승해 분리막 손상을 야기하고 화학반응은 더욱 가속화되면서 화재가 발생하게 된다. 우리는 이걸 ‘열폭주(Thermal Runaway) 현상’이라고 한다.

여기서 발생한 열에너지는 대류나 전도의 형태로 인근 배터리에 전달된다. 이걸 ‘열전이(Thermal Propagation)’라고 한다. 열전이로 인해 배터리 모듈이나 팩 전체로 화재가 확산한다. 배터리 팩 내에 전해질이 연료, 리튬산화물은 산소 공급원, 지속적인 발열반응 형태의 화학반응이 열의 역할을 하므로 내부의 연료가 소진될 때까지 화재는 지속된다.

최근 할로겐계열의 소화약제를 배터리 팩에 장착해 이차전지 화재를 진압하는 억제 소화방식들이 속속 제안되고 있다. 하지만 이 역시 전기자동차의 특성상 추가적인 중량ㆍ부피의 증가, 소화 효율, 내구성, 내후성, 유지보수 등의 문제로 아직 상용화에 이르지 못하고 있다.

따라서 고체에어로졸 소화약제에서 그 답을 찾고자 한다. 고체에어로졸은 개발 초기부터 밀폐된 공간에서의 효율적인 화재진압이 목적이었다.

할로겐계열의 가스소화약제 대비 5배 높은 소화 효율, 높은 열적 안정성, 강한 내구성과 내후성, 고체 상태로 가질 수 있는 긴 보존 기간 등은 전기자동차의 중량과 부피, 열악한 환경에서의 운행 등 제약을 고려할 때 배터리 모듈이나 팩 같은 밀폐된 공간에서 화재를 초기에 진압할 수 있는 효율적 대안이다.

또 생산 중단이 예상되는 기존 할로겐계열의 가스소화약제를 완벽히 대체할 수 있으며 친환경ㆍ무독성은 사회적으로 요구되는 지속가능성(Sustainability)에 잘 부응할 것으로 예상된다. 더불어 고체에어로졸 소화약제를 배터리와 어떻게 잘 조합할 것인가라는 활용적인 측면에서의 많은 관심과 연구가 활발하게 이뤄져야 할 거다. 

“이차전지의 화재진압이 왜 어려울까?”라는 질문에 답을 해보겠다. 그건 아마도 “답이 없어서가 아니고 우리가 알고 경험했던 기존의 화재진압방식과 많이 달라서이지 않을까?”

정원영 강운공업(주) 본부장(공학박사)

※ 외부 필자의 기고 및 칼럼 등은 FPN/소방방재신문 편집방향과 일치하지 않을 수 있습니다.

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