[흥신소]현대차 ‘전기차 화재’…안심하고 사도 괜찮을까요?

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“전기차 화재 계속 되는데 안심하고 사도 될까요?”

현대차 코나 EV.(자료=현대차)

현대자동차의 주력 전기차 모델인 코나(EV)에서 화재가 발생하는 일이 이어지고 있습니다. 최근까지 총 14건의 화재 사고가 보고됐습니다. 현대차는 지난달 2만5564대를 리콜하기로 결정했죠. 2017년 9월부터 지난 3월까지 생산된 차종이 리콜 대상입니다.

현대차 코나 화재 현황.(자료=장경태 더불어민주당 의원, 언론 등)

현대차는 배터리관리시스템(BMS)을 업데이트한 후 배터리 이상 징후가 발견되는 경우 배터리를 즉시 교체하기로 했습니다. 배터리 이상 징후에 해당하는 사례는 배터리 셀(배터리 팩 내 소형배터리) 간 과도한 전압 편차와 급격한 온도 변화입니다. 현대차는 BMS 모니터링 중 이상 징후가 감지되면 충전 중지와 함께 시동이 걸리지 않도록 조치한다고 합니다.

현대차는 전기차 점유율 기준 세계 4위를 기록하며 친환경 자동차 시대의 선두주자로 부상했습니다. 이번 배터리 화재 사고가 내연기관 자동차에서 친환경 자동차로 전환을 막지 않도록 자발적으로 리콜에 나선거죠.

그럼에도 이미 전기차를 구매한 소비자와 전기차 구매를 고려하는 소비자들의 우려는 가시지 않고 있습니다. 전기차는 내연기관 차량과 비교해 이산화탄소를 덜 배출해 온실가스 저감에 기여합니다. 유지비용 또한 내연기관 자동차와 비교해 경제적입니다. 전기차는 화재 및 폭발 위험성을 안고 있어 안정성 측면에서는 소비자들의 우려가 있는 것 또한 사실입니다.

‘모빌리티(이동성)’에 있어 안전보다 중요한 건 없기 때문입니다. 이번 ‘흥신소’에서는 전기차 배터리에 화재가 발생하는 원인을 살펴봤습니다.

전기차 화재의 주범 ‘열폭주’…원인 규명 “쉽지 않아”

모든 에너지원은 폭발의 위험성을 안고 있습니다. 내연기관 자동차는 가솔린과 디젤 등 화석연료에서 발생하는 열에너지를 에너지원으로 삼고, 전기자동차는 전기에너지를 에너지원으로 합니다. 내연기관은 열에너지를 운동에너지로 바꾸기 위해 엔진을 사용하고, 전기자동차는 전기에너지를 운동에너지로 바꾸기 위해 모터를 사용합니다.

전기차에는 리튬이온배터리가 탑재됩니다. 리튬이온배터리는 음극과 양극, 전해질로 구성된 배터리로 충전과 방전을 통해 전기에너지를 공급합니다. 전문가들은 이전부터 리튬이온배터리가 대형화되면서 ‘열폭주’ 위험을 지적했습니다.

김경수 도쿄공업대학 교수는 ‘리튬이온 배터리의 열폭주에 의한 화재 및 폭발’ 논문을 통해 “지난 몇 년 간 휴대폰 및 전기차 배터리의 사고 사례를 조사해 본 결과 원인은 대부분 열폭주에 의한 것이었다”며 “사고 확률은 100만분의 1에서 1000만분의 1 정도로 매우 낮았다”고 말했습니다.

이어 김 교수는 “리튬이온전지의 화재는 인화성 전해액과 충방전의 속도, 배터리팩의 설계 기술 등과 관련이 있다”고 덧붙였습니다. 김 교수의 설명을 토대로 보면 현대차 코나의 화재는 충분히 일어날 수 있는 사고인 셈입니다. 현대차 외에도 테슬라와 GM, 포르쉐가 생산한 전기차에서도 화재가 발생했죠.

리튬이온배터리 화재 과정(자료=에너지저장장치의 화재안전대책에 관한 연구 최종 보고서)

먼저 화재의 주요 원인으로 지목된 ‘열폭주’는 무엇일까요. 열폭주는 배터리 셀의 자기 발열로 인해 온도가 급격하게 상승하는 현상을 의미합니다. 화재나 폭발을 일으킬 수 있는 온도는 섭씨 80도 이상이라고 합니다. 섭씨 130도를 넘어가면 분리막이 녹아 양극과 음극 사이의 단락이 생기고, 산소가 방출돼 화재가 발생할 조건이 만들어지죠.

리튬이온배터리 구조.(자료=삼성SDI)

소비자들은 전기차를 구매하는 데 있어 충전속도와 주행거리를 주요하게 봅니다. 완성차 업체와 배터리업체들은 주행거리를 늘리기 위해 얇은 분리막을 선호합니다. 분리막이 얇을수록 양극에 더 많은 양극활물질을 넣을 수 있어 배터리 용량이 커지고, 주행거리가 늘어나는거죠. 이 경우 화재의 위험도 높아질 수 있습니다. 국토교통부는 현대차 코나 화재의 원인이 “배터리 셀 내 분리막이 손상돼 합선됐을 가능성이 있다”고 밝혔습니다.

전해액에 쓰이는 유기용매와 리튬염은 불이 붙기 쉬운 가연성의 성질을 띱니다. 전해액은 음극에서 양극으로 이온 이동을 촉진하고 방전시 역방향으로 이동을 촉진해 배터리의 전도성을 만드는 촉매 역할을 합니다. 전해액은 전극과 반응하기도 하지만, 높은 온도에서는 스스로 분해되기도 합니다. 이 경우 압력이 높아지면서 배터리의 안전배출구를 통해 가스를 방출하고, 뜨거워진 가스는 공기 중에서 연소됩니다.

김 교수는 “이러한 배터리의 발화 과정은 반드시 순차적으로 일어나는 것은 아니며 서로 영향을 주고 받으며 복잡한 양상으로 전개돼 온도와 압력을 높이게 된다”며 “열폭주 시 발열반응의 순서를 규명하는 것은 매우 어렵다”고 설명했습니다. 김 교수는 전기차의 경우 수십개 이상의 단전지가 직렬과 병렬 형태로 층층이 쌓아 올리는데, 열적 거동을 예측하는 게 중요하다고 말했습니다.

코나 EV 화재 발생율 0.01%…100% 안전한 전기차는 ‘아직’

이렇듯 전기차 배터리의 화재 사고는 리튬이온배터리의 구조적 문제로 인해 발생한다고 볼 수 있습니다. 리튬이온배터리를 전기차에 적합하게 만들려면 배터리 용량이 커져야 합니다. 전기차는 내연기관 자동차와 비교해 무게가 약 200kg 더 나갑니다. 더 무거운 자동차를 장시간 움직이려면 배터리 용량이 커져야 하는거죠. 이를 위해 배터리를 직렬과 병렬로 층층이 쌓습니다.

전류의 흐름을 빠르게 하거나 느리게 하는 걸 전압이라고 합니다. 수백개의 배터리를 쌓는다면 배터리 간 전압 등을 관리하는 게 어려워집니다. 이를 제어해 최적으로 배터리를 활용하게 해주는 역할을 배터리관리시스템(BMS)이 합니다.

배터리가 과충전될 경우 열화가 빠르게 진행됩니다. BMS는 배터리팩의 전류와 온도를 모니터링해 최적의 상태로 유지하죠. BMS 기술은 크게 두가지로 구분됩니다. 열에 취약한 배터리를 균등 냉각하는 열관리 제어 기능과 배터리의 상태를 판단해 최적 상태에서 작동토록 하는 충전상태 제어 기능으로 나눌 수 있습니다.

완성차업체는 전기차 화재 시 리콜을 통해 배터리를 90%까지 충전하도록 합니다. 과충전을 사전에 방지해 BMS가 배터리 상태를 제어하기 쉽도록 한거죠. 배터리에 불이 붙게 할 가능성을 하나 줄인 겁니다. ‘미봉책’으로 보일 수 있지만, 화재의 원인 규명과 대안을 제시하기 어려운 만큼 가능한 해결책일 수 있는 겁니다.

그렇다면 화재가 발생할 가능성이 있는 전기차를 구매해야 하는 걸까요. 확률로 보면 화재가 날 가능성은 극히 낮습니다. 현대차의 주력 전기차 코나는 2017년 출시됐는데요. 지난달까지 국내와 해외에서 총 11만9159대가 팔렸습니다. 공식적으로 보고된 화재는 14건인데요. 화재 발생율은 0.011%였습니다. 만 대 중에 한 대 꼴로 화재가 난 것으로 볼 수 있습니다.

현대차 코나 EV 판매대수 대비 화재 건수.(자료=현대자동차, 언론 등)

앞서 김경수 교수는 “리튬이온배터리의 화재는 백만분의 1에서 천만분의 1 정도로 매우 낮았다”고 설명했습니다. 현대차가 아닌 여타 완성차 업체에서도 화재가 발생한 만큼 전기차의 구조적인 문제에 기인한 것으로 볼 수도 있을 것 같습니다.

리튬이온배터리의 화재 사고는 삼성전자의 갤럭시 노트7에서도 샤오미 보조 배터리 사례에서도 볼 수 있었습니다.

코나 화재 사고 또한 LG화학에 원인이 있는지 현대차에 있는지 규명하기도 쉽지 않아 보입니다. 현대차에 탑재되는 배터리팩은 LG화학과 현대모비스의 합작사인 HL그린파워에서 맡고 있습니다.

전기차는 IT 기기와 비교해 셀 수도 없이 많은 배터리가 들어갑니다. 여전히 업체들은 전기차의 발화를 막기 위해 원인 규명 중입니다. 화재가 발생할 확률은 극히 낮지만 불안하다면 좀 더 숙고하는 걸 추천드립니다. 화재로부터 100% 안전한 전기차는 아직까지 없습니다.