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[강경석의 리튬이온 배터리(LIB) 이야기] 리튬이온 배터리 화재, 소화기로 진압이 될까?- Ⅱ
경기 구리소방서 강경석   |   2024.10.02 [10:00]

지난 호에서 이어지는 내용입니다.

 

리튬이온 배터리 화재의 연소 특성

리튬이온 배터리 화재의 주요 특징은 다음과 같이 요약할 수 있다.

 

온도 상승 속도가 매우 빠르며 최고 온도에 도달하는 데 몇 초밖에 걸리지 않는다. 리튬이온 배터리의 최고 온도는 매우 높아서 800℃를 초과할 수 있다. 이는 인접한 배터리와 가연성 물질을 빠르게 가열해 더 심각한 화재를 유발할 수 있다.

 

리튬이온 배터리 화재는 매우 복잡한 양상을 띤다([그림 1] 참조). 일반적으로 화재는 다섯 가지 등급으로 나뉜다.

 

여기에는 A급(종이, 나무, 천, 그래파이트 등과 같은 가연성 고체), B급(기름, 전해질, 파라핀 등과 같은 고형화된 액체 또는 가연성 액체), C급(수소, 메탄, 에탄, 에틸렌 등과 같은 가연성 가스), D급(리튬, 마그네슘, 알루미늄 등과 같은 가연성 금속), F급(요리용 기름ㆍ지방)이 포함된다.

 

▲ [그림 1] 리튬이온 배터리 화재의 분류(ISO 3941:2007 Classification of fires)

 

리튬이온 배터리의 주요 구성 요소에는 스테인리스 또는 알루미늄 외피, 플라스틱 포장재, 액체 전해질, 양극 재료, 음극 재료, 분리막, 바인더, 구리 호일 등이 포함된다. 이들 대부분은 가연성이다. 

 

예를 들어 리튬이온 배터리의 양극 재료는 가연성 흑연 또는 탄소 섬유다. 지난 호에서 언급했듯이 리튬이온 배터리의 유기 전해질은 가연성 액체다. 또 배터리에서 방출되는 가스는 가연성 수소(H₂)와 일산화탄소(CO), 에틸렌(C₂H₄), 메탄(CH₄), 에탄(C₂H₆)이다. 

 

마지막으로 리튬이온 배터리의 알루미늄 외피와 리튬 금속, 리튬화된 화합물은 모두 가연성 금속이다. 따라서 리튬이온 배터리 화재는 리튬이온 배터리의 복잡한 구성 요소로 인해 A-D급 화재가 포함된 복잡한 화재다.

 

일반적으로 배터리팩은 시스템의 부피당 에너지밀도를 높이기 위해 촘촘하게 배열돼 있다. 이에 따라 소화약제가 배터리팩 내부에 접근하기 어려워 화재진압이 까다롭다. 또 불을 끄고 나면 배터리팩 냉각을 위해 많은 양의 물이 필요하다. 그런데도 배터리의 열폭주가 연쇄적으로 발생해 쉽게 재발화할 수 있다.

 

리튬이온 배터리는 양극 재료에 따라 다양한 연소 특성을 보인다. 리튬 인산철(LiFePO₄) 배터리와 비교했을 때 리튬 코발트(LiCoO₂) 배터리는 제트 화염 상태에서 더 높은 에너지와 격렬한 불꽃을 분출할 수 있다.

 

그러나 이후 연소 상태에서 리튬 코발트 배터리보다 더 큰 불꽃 규모를 가진다. 이는 리튬 인산철 배터리가 더 많은 양의 가연성 가스를 방출하기 때문일 수 있다. 

 

또 과충전 조건에서 NCM(니켈ㆍ코발트ㆍ망간) 배터리보다 더 빨리 열폭주를 일으켰지만 최대 온도는 NCM 배터리 온도보다 낮았다. 반면 과충전 상태에서 화재를 일으키지 않았으나 NCM 양극 배터리에서 니켈 비율이 높을수록 더 격렬한 화재와 폭발을 일으켰다.

 

리튬이온 배터리의 열폭주 과정 분석에 따르면 안전밸브가 열릴 때 많은 연기와 유독 가스가 방출된다. 연기는 소방관들이 화재를 찾을 때 가장 큰 장애물이 된다. 동시에 유독 가스인 HF(불화수소)는 인체 건강에 큰 위협이 된다.

 

위에서 논의된 리튬이온 배터리 화재의 특성을 바탕으로 화재에 적합한 이상적인 소화약제(fire-extinguishing agent)는 다음과 같은 특성을 지녀야 한다.

 

•높은 열용량: 배터리를 빠르게 냉각시키고 화염을 신속하게 진압

•전기 절연성: 화재진압 중 배터리의 단락 방지

•높은 습윤성ㆍ낮은 점도: 소화약제가 밀집된 배터리팩 내부로 쉽게 침투

•재점화ㆍ열폭주 확산 방지: 리튬이온 배터리 모듈의 재발화ㆍ열폭주 확산 방지

•용이한 접근성과 환경 친화성: 쉽게 구할 수 있고 환경에 미치는 영향이 적어야 함.

•빠른 연기 감소: 연기를 제거해 시인성을 높이고 진압 작업을 원활하게 할 수 있어야 함.

 

리튬이온 배터리 화재에 적합한 일반적인 소화제 확인

이 부분에서 소화약제는 물리적 상태에 따라 가스계와 건조 분말계, 수계(물), 폼, 에어로졸 등으로 분류한다. 이런 분류 방법을 토대로 종류

 

별 소화 작용 원리를 확인하고 리튬이온 배터리에 적응성이 있는 소화약제를 찾아 보고자 한다.

 

우선 소화약제 각각의 장단점을 분석하고 소화 작용 원리를 소개한다. 그 후 이를 바탕으로 배터리 화재진압에 대한 소화약제 종류별 효과성에 대해 비교ㆍ분석해 보겠다.

 

1. 가스계 소화약제

가스 소화약제인 이산화탄소(CO2), HFC-227ea, Novec 1230은 소화 후 부식이나 잔여물이 남지 않기 때문에 정밀 장비와 전기화재에 널리 사용된다. 

 

1) 할론

할론 소화약제는 염소 또는 브롬 원자를 포함한 불화탄소다. 대표적인 할론 소화약제는 할론 1301(CBrF3), 할론 1211(CBrClF2), 할론 2402(C2Br2F4) 등이 있다. 선진국에서는 할론 생산이 금지돼 있지만 기존 할론 재활용은 허용된다. 따라서 군사ㆍ항공 분야에서는 여전히 할론 1211을 사용하고 있다. 

 

할론 1211의 소화 메커니즘은 우수한 화학적 억제와 격리, 냉각 특성에 기인한다. 할론 1211의 분해 과정에서 브롬, 염소와 같은 활성 라디칼이 방출돼 연소를 유지하는 데 필요한 라디칼을 제거한다. 연소 과정에서는 연쇄 반응을 방해해 화재를 진압한다.

 

▲ [그림 2] 할론 1211 열분해에 대한 반응 플럭스(923K의 온도, 초당 체류 시간)

 

할론 1211의 화학적 억제 메커니즘은 [그림 2]에 나타난 분해 반응 경로로 설명할 수 있다. 할론 1211은 리튬이온 배터리 화재를 진압할 수 있지만 사용이 중단되면 재발화할 수 있다.

 

예를 들어 미국 연방항공청(FAA)의 실험 데이터에 따르면 할론 1211은 세 종류의 리튬이온 배터리 화재를 성공적으로 진압할 수 있었다. 그러나 리튬 코발트 셀 화재진압 후 재발화가 발생했다. 

 

전체적으로 할론 1301과 할론 1211의 리튬이온 배터리 화재 억제 효과는 매력적이지만 할론이 오존층에 들어가면 자외선에 의해 분해되면서 브롬 또는 염소 원자를 방출한다. 이는 오존층 파괴를 가속한다. 

 

몬트리올 의정서는 오존층 파괴 잠재력이 높은 할론 생산을 금지하고 있다. 따라서 할론의 대체제를 찾기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 할론을 대체할 수 있는 이산화탄소, HFC-227ea, Novec 1230은 독성이 적고 단열성이 있으며 환경친화적이고 화학적으로 안정적이다.

 

2) 이산화탄소

이산화탄소는 석탄의 자연발화 방지와 국제우주정거장의 화재 억제에도 사용됐다. 또 비전도성 특성으로 인해 전기화재에 적합하다. 

 

질식이나 격리, 냉각의 조합을 통해 화염을 억제하는 이산화탄소는 소화약제가 방출되면 가연성 물질 주변의 산소가 희석되면서 연소를 지속할 수 없게 된다.

 

따라서 소화약제의 효율은 밀폐된 공간에 크게 의존한다. 또 고체 또는 액체 이산화탄소의 증발이나 승화로 인해 발화 구역의 일부 열이 흡수돼 온도가 낮아지고 화재진압이 촉진될 수 있다. 

 

그러나 흡열 반응이 화염 온도를 낮추는 데 이바지하는 정도는 미미한 것으로 보인다. 비록 이산화탄소가 질식을 통해 리튬이온 배터리 화재를 진압할 수 있지만 온도를 낮추긴 어렵다. 이는 이산화탄소의 열용량이 너무 낮아서 배터리 온도를 오랫동안 낮출 수 없기 때문이다. 

 

한편 이산화탄소를 소화제로 사용해 리튬이온 배터리 화재를 억제할 때 재발화도 자주 관찰된다. 앞서 논의한 바와 같이 이산화탄소는 낮은 냉각 능력으로 인해 열폭주 동안 리튬이온 배터리에 적합한 소화제가 아니다.

 

3) HFC-227ea

HFC-227ea(1,1,1,2,3,3,3-Heptafluoropropane, C3HF7)는 높은 소화 효율, 적은 잔류물, 낮은 전기 전도성과 독성 등 많은 장점이 있어 전자 장비 등의 화재진압에 좋다.

 

HFC-227ea의 경우 물리적 진압이 화학적 진압보다 소화 효율에 더 크게 이바지한다. 물리적 진압은 주로 냉각과 질식에 의존한다. 화염 반응 영역의 많은 열은 증발 잠열과 열용량에 의해 흡수된다. 

 

한편 약제의 분해는 열 일부를 흡수해 화염 온도를 낮추거나 급격한 연쇄 반응을 늦출 수 있다. 또 기체 상태의 HFC-227ea가 화염 영역에 방출되면 산소 농도가 감소해 어느 정도 화재를 차단하고 질식시키는 역할을 한다.

 

HFC-227ea의 화학적 억제는 화염 영역에서 HFC-227ea의 열분해로 생성된 플루오린화 물질이 H, O, OH 등의 연소 연쇄 반응 종을 제거함으로써 이뤄진다. 

 

일부 연구에 따르면 HFC-227ea는 몇 초 내에 리튬이온 배터리의 불을 빠르게 끌 수 있었다. 하지만 약제 살포가 종료된 후에는 꺼진 불이 다시 타오르는 것으로 나타났다. 약제 분사가 중단되면 배터리 내부의 화학 반응이 다시 가속화되기 때문에 이러한 배터리의 외부 온도는 여전히 매우 높았다. 

 

이산화탄소와 마찬가지로 HFC-227ea도 양극 분해로 인해 산소가 생성될 수 있어 산소 농도를 효과적으로 희석할 수 없었다. 또 약제의 분사 유량을 줄이고 시간을 연장하면 HFC-227ea의 소화 효율을 향상시킬 수 있음이 밝혀졌다. 

 

HFC-227ea는 냉각 용량과 재발화에서 효과적이지 않다. 소화약제의 환경 오염은 여전히 무시할 수 없다. 예를 들어 HFC-227ea 분해 과정에서 다량의 할로겐산(HF)이 발생하는데 이는 인체 건강이나 전자 장비에 유해하다.

 

4) C6F12O(Novec 1230)

Novec 1230(과불화(2-메틸-3-펜타논))은 3M이 2001년 최초로 상용화한 새롭고 깨끗한 약제다. 오존층파괴지수(ODP)가 거의 0에 가깝고 지구온난화지수(GWP)가 1, 대기 중 수명(ATL)이 0.014인 이 약제는 이미 많은 분야에서 사용되며 할론 1211을 거의 대체했다. 

 

Novec 1230은 물리ㆍ화학적 조합으로 화재를 진압한다. 물리적 진압은 열을 흡수하는 냉각에 따라 달라진다. Novec 1230은 실온에서 액체 상태이며 끓는점이 49℃에 불과하다. 따라서 기화가 쉽게 발생해 많은 열을 날려버릴 수 있다. 

 

화학적 억제는 주로 CF3, CF2와 같은 열분해 생성물에 의존해 방사선 농도를 낮출 수 있다. 놀랍게도 저농도(부피 분율 기준, Xa < 2%)의 Novec 1230은 연소 반응에 참여하기 때문에 희박한 연료(CH4/공기 등가비 0.63)의 연소를 촉진할 수 있다. 또 HF, CF2:O 가스와 같은 독성 부산물을 생성할 수 있다.

 

Wang의 연구팀은 실험적으로 Novec 1230이 리튬 타이타네이트 산화물 배터리 화재를 억제하는 효율성을 보고했다. 실험에 따르면 이 소화약제는 리튬 타이타늄 배터리 화재를 30초 이내에 제어할 수 있었다. 하지만 화재가 재발하지 않도록 배터리 표면에 지속해서 소화약제를 분사해야 했다. 

 

반대로 Novec 1230은 유사한 소화약제를 방출할 때보다 더 빠르게 배터리 화재를 끌 수 있었다. 이는 Novec 1230의 방출량이 리튬이온 배터리 화재 소화 효율에 큰 영향을 미치기 때문이다. 

 

예를 들자면 Novec 1230의 낮은 농도는 리튬이온 배터리의 최대 온도를 증가시키는 특이한 현상이 존재한다. 이는 낮은 농도의 Novec 1230이 희박한 배출 혼합가스에서 화염 속도와 단열 온도를 증가시킬 수 있어서다. 

 

Novec 1230의 낮은 냉각 성능을 개선하기 위해 Wang et al.은 리튬이온 배터리 화재를 위한 Novec 1230의 고냉각 효과, 물안개와 결합한 새로운 안전 전략을 보고했다. 이는 리튬이온 배터리의 냉각 능력과 소화 속도에 긍정적인 효과를 미친다. 

 

위 결과는 배터리 열폭주 후 소화약제를 방출하는 상황에서 도출됐다. 액체 Novec 1230에 담가진 LiCoO2 배터리팩의 열 거동은 현저하게 억제된다. 따라서 리튬이온 배터리 화재진압을 위한 Novec 1230의 방출 시점과 최적 농도는 매우 중요하다.

 


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경기 구리소방서_ 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’ 2024년 10월 호에서도 만나볼 수 있습니다.>

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