전기차의 확산과 함께 전기차 화재에 대한 우려도 커지고 있다.

최근 인천의 한 아파트에서 발생한 전기차 화재 사건은 대규모 피해를 초래하며 전기차 배터리의 안전성에 대한 심각한 우려를 불러 일으켰다. 이 사고로 인해 140여 대의 차량이 전소되고, 다수의 입주민들이 긴급 대피하는 상황이 벌어졌다. 이로 인해 전기차 배터리 화재의 위험성과 그에 대한 예방 및 대응 기술의 필요성이 더욱 부각되고 있다.

 

전기차 배터리는 고에너지 밀도의 이차전지로 구성되어 있어, 화재 발생 시 높은 온도로 인해 연쇄 폭발을 일으킬 위험이 크다. 리튬 이온 배터리를 사용하는 전기차는 열에 민감하고, 따라서 화재의 위험이 상대적으로 높다. 특히 이번 인천 화재 사건과 같은 대규모 화재는 유독가스 발생 등의 2차 피해를 초래할 수 있어 그 위험성이 매우 높다. 이러한 상황에서 전기차 배터리의 안전성 강화를 위한 다양한 기술적 접근이 시급히 요구되고 있는 가운데, 이러한 문제를 해결하기 위해 기업들이 혁신적인 특허 기술을 개발하고 있다. 주요 기업들의 전기차 화재 예방 및 대책 기술과 관련된 특허들을 살펴보았다.

 

▲ 출처=freepik  © 특허뉴스

최근의 배터리 모듈은 에너지 밀도 향상을 위해 많은 수의 이차전지들을 수납하여 하나의 셀에서 폭발이 발생할 경우, 다른 셀도 연쇄폭발 할 수 있는 위험이 있다. LG에너지솔루션은 이 문제를 개선하기 위해 화재가 발생한 배터리 모듈로부터 다른 배터리 모듈로의 열폭주 연쇄 반응을 효과적으로 억제할 수 있는 배터리 팩을 개발했다.

 

▲ 화재 안전성이 강화된 배터리 팩(출처=윈텔립스, 10-2022-0106396)  © 특허뉴스

이 배터리 팩에는 냉각관이 있어 냉각수를 공급하고 화재 감지 센서로부터 위험 감지 신호를 받으면 밸브가 열려 냉각수가 배터리 팩으로 빠르게 유입되도록 세팅되어 있다. 이 기술은 배터리 셀 간의 열폭주를 효과적으로 억제하여 화재 확산을 방지한다.

 

SK온도 배터리 자체적으로 화재를 방지할 수 있는 기술을 개발했다.

이 발명은 배터리 화재에 따른 열전이 현상을 제어할 수 있는 방화벽이 포함된 배터리 팩으로, 역시 불이 발생한 배터리 모듈의 열이 다른 셀로 열전이 되는 문제를 방지하기 위해 개발됐다. SK온은 이 문제를 해결하기 위해 배터리 팩에 아예 흡열 방화벽을 세우는 방법을 채택했다.

 

▲ 흡열 방화벽을 포함하는 배터리 팩(출처=윈텔립스, 10-2020-0093791)  © 특허뉴스

흡열 방화벽은 브롬계 난연제, 연소계 난연제 등 다양한 난연제가 포함되어 있으며, 0.12~3mm으 두께로 약 110~150도에서 흡열반응을 한다. 사실 종래 기술로는 이미 배터리 셀과 셀 사이에 열폭주 방지시트를 배치하는 기술이 상용화되었지만 이는 범위가 넓고 400도 이상의 매우 높은 온도에서만 흡열기능을 발휘해 실효성은 많이떨어진다는 지적이 많았지만, SK온의 이 흡열 방화벽은 음극과 양극이 분리막을 경계로 교대로 전극조립체와 상기 전극조립체를 감싸는 파우치 외장재로 구성되어 보다 촘촘하게 화재열을 커버할 수 있고 비교적 중하의 화재 온도에도 감응하여 실효성을 높였다.

 

현대 모비스도 자체적인 소화기능이 구비된 배터리 시스템을 개발했다. 이 시스템은 화재 발생 시 배터리 셀의 발화 지점에 직접 소화액체를 방출할 수 있도록 다수의 배터리 셀 사이에 소화액 저장부가 탑재된 시스템이다.

 

▲ 소화 기능을 구비한 배터리 시스템(출처=윈텔립스, 10-2018-0004239)  © 특허뉴스

배터리 팩에는 소화액 순환기가 구성되어 화재 시 소화액의 압력을 유지하여 점화지점에 지속적인 공급이 가능하고, 화재 발생 시 발화 지점에 소화액을 직접 공급하여 화재를 신속하게 진압하는 시스템으로 연쇄 화재를 효과적으로 막을 수 있다.

 

현대자동차는 배터리에 화재가 발생하면 냉각수가 배터리의 상부로 향하게 설계된 기술을 개발했다.

 

▲ 차량용 고전압배터리의 화재 소화 시스템 및 방법(출처=윈텔립스, 10-2022-0160748)  © 특허뉴스

배터리셀에 화재 발생이 감지되면 배터리 상부에 체결된 어퍼플레이트가 고열에 의해 용융되면서 상기 고전압배터리의 상부를 유동하는 냉각수가 불이 붙은 배터리로 이동하여 화재 초기에 냉각수가 공급되어 화재를 효과적으로 진압할 수 있다. 또 냉각수가 계속 넘치게 되면 옆의 차량이나 주변에 의도치 않게 피해를 입힐 수 있으므로 냉각수의 수위가 일정값에 도달하면 냉각수를 공급하는 워터펌프의 작동을 중지시켜 냉각수의 소모를 줄이고 배터리가 완전히 침수한 상태를 유지하여 화재 완진을 돕는다.

 

배터리 자체가 아닌 배터리 케이스와 커버로 화재를 방지하는 특허기술도 출원되었다,

현대자동차의 협력사인 성우하이텍은 소화 기능이 탑재된 배터리 케이스와 배터리 모듈팩을 개발했다. 배터리 케이스에 소화액제가 탑재되어 배터리 모듈의 열폭주 또는 화재 발생을 막는 기술이다.

 

▲ 소화 기능을 내재한 배터리 케이스 및 이를 포함하는 배터리 모듈과 배터리 팩(출처=윈텔립스, 10-2022-0155614)  © 특허뉴스

이 배터리에는 이중 구조의 배터리 케이스 내부에 소화약재가 구비되어 열폭주로 인한 화재발생시 소화약재가 분사되어 신속하게 화재를 억제할 수 있고, 온도상승으로 인해 용융된 부위를 통해 소화약제가 직접 방출되어 배터리 관리 시스템인 BMS의 고장도 방지하는 이중 안전 장치도 제공한다.

 

현대자동차와 기아자동차가 공동으로 개발한 기술도 눈에 뛴다. 이 기술 역시 배터리 커버를 이용해 화재를 방지하는 기술로, 배터리를 팽팽하게 감싸서 화재를 키울 수 있는 화로의 산소 공급을 차단하는 질식 소화방식을 채택했다. 배터리 커버는 배터리 셀 아래에 위치하며 화재 발생 감지 시 아래서부터 위로 덮개가 펼쳐지며 화재를 빠르게 덮는다,

 

▲ 전기자동차의 배터리 화재 진압 장치(출처=윈텔립스, 10-2022-0137221)  © 특허뉴스

전기차 배터리는 탄소가 아닌 리튬음극을 주로 사용하므로 화재 시 산소와 함께 노출되면 산화나 폭발 가능성이 높다. 양사는 이 부분에 주목하여 산소 차단으로 화재를 방지하는 방법을 고안했다.

 

차량 외부에서 화재를 소화시키는 기술도 있다. 이 기술은 르노코리아 자동차에서 개발한 전지자동차 배터리의 화재 발생에 신속하게 대응하는 소화시스템으로 차체 외부에 소화수 캡이 설치되어 차체 외부에서 소화수를 주입하면 소화수 파이프를 통해 소화수사 직접 상기 배터리 팩에 분사되도록 설계됐다.

 

▲ 전기자동차 배터리의 화재 발생에 대응하는 소화시스템(출처=윈텔립스, 10-2023-0165124)  © 특허뉴스

이 기술은 화재가 시작된 배터리 팩에 직접 물을 분사할 수 있다. 이 시스템은 외부에서 소화수를 통해 초기 화재 발생 시 신속하게 화재를 진압할 수 있습. 다만 외부에 소화수가 필요하다는 점에서 인천 청라 화재와 같이 스프링클러가 미작동하거나 누군가 화재를 발견하지 못할 경우에는 효과에 어려움이 있어 보인다.

 

수조공간을 이용하는 방식도 있다. 이 기술은 전기차 전용 주차구역의 소방시스템으로 일련의 수조공간을 만들어 화재가 발생한 자동차를 소화시키는 방식이다.

 

▲ 전기차 전용 주차구역의 소방시스템(출처=윈텔립스, 10-2023-0062156)  © 특허뉴스

전기차 주차구역에 사각형의 공간을 만들어 이 공간에 주차된 전기차에서 화재가 발생하면 수조 안으로 사방에서 소화수가 빠르게 공급되고 공기 흡입기도 작동하여 수조안에서 불을 끄고 주변으로 불 및 유독가스가 배출되지 않도록 하는 기술이다.

 

▲ 출처=freepik  © 특허뉴스

 

전기차 배터리 화재 문제는 국내뿐만 아니라 국제적으로도 중요한 이슈로 부상하고 있다. 유럽연합은 2026년부터 배터리 여권(Battery Passport) 제도를 도입하여 배터리의 원산지, 탄소발자국, 위험물질, 내구성 등 안전성과 환경성을 담보할 수 있는 정보를 요구할 예정이다. 이에 따라, 한국의 배터리 제조업체들도 이러한 국제 규제에 대응할 수 있도록 배터리의 안전성과 투명성을 강화할 필요가 있다.

 

특히, 전기차 배터리의 안전성 문제는 단순한 기술적 과제를 넘어 사회적 안전과 직결되는 중요한 사안이다. 최근 개발된 다양한 배터리 화재 예방 및 대응 기술들은 전기차의 안전성을 크게 강화할 것이지만, 이러한 기술들이 실제 현장에서 얼마나 효과적으로 작동할지는 추가적인 검증과 지속적인 개선이 필요하다. 

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