Analysis of Car Fire Cases Related to a Lithium Battery and Cause Investigation Technique

리튬배터리와 관련된 차량화재 사례 및 원인조사 기법 분석

Abstract

As lithium batteries have been used for car navigation systems and as the second battery for black boxes, lithium battery-related car fires have often occurred. In the case a lithium battery is the fire origin, a fire investigation technique has not been established to determine if a battery ignites or whether the lithium battery is damaged by fire. This study introduced car fire cases related to lithium batteries, analyzed the causes of a fire of a lithium battery, and proposed fire investigation techniques to objectively determine if a lithium battery ignites or whether a lithium battery is damaged by fire after external ignition.

차량의 내비게이션과 블랙박스의 보조배터리로 리튬배터리가 사용되고 있어 리튬배터리와 관련된 차량화재가 발생하고 있다. 발화개소 내에 리튬배터리가 있을 때, 리튬배터리에서 발화된 것인지 화재로 인해 리튬배터리가 피해를 입은 것인지를 판별하는 화재조사 기법이 정립되어 있지 않다. 이 논문에서는 리튬배터리와 관련된 차량화재 사례들을 소개하고, 리튬배터리의 화재발생 원인을 분석하며, 리튬배터리에서 발화된 것인지 외부에서 발화된 후 리튬배터리가 화재로 인한 피해를 입은 것인지를 객관적으로 판별할 수 있는 화재조사기법을 제안하고 있다.

1. 서론

리튬배터리는 체적에너지밀도가 높고 충전 효율이 좋아 2차전지 중 가장 널리 사용되고 있다. 리튬배터리는 리튬이온 배터리와 리튬폴리머배터리로 구분되며 전해액이 액체상태인가 겔상 고체폴리머인가의 차이일 뿐 본질적인 차이는 없다. 리튬배터리는 휴대폰, 카메라, 드론, 차량용 블랙박스 보조배터리, 전기자동차, 전기저장장치(ESS) 등 우리 생활과 떼어낼 수 없을 만큼 주위에서 많이 사용하고 있다. 2016년 삼성 갤럭시7 배터리에서 화재가 발생하여 문제가 되었던 것처럼 리튬배터리는 잘못 설계․제조․취급되는 경우에 화재로 이어질 수 있고, 실제로 리튬배터리와 관련된 상당한 화재가 발생하고 있다.

리튬배터리와 관련된 화재가 발생하고 있는 영향으로 인해서 소방관서 화재조사요원^(1-5)을 비롯한 한국전기안전공사⁽⁶⁾, 메이커⁽⁷⁾ 등^(8,9)에서 리튬배터리와 관련된 화재조사기법에 대해 연구하여 발표하고 있지만 구체적인 조사기법을 제시하지 못하고 있는 실정이다.

이 논문에서는 차량화재 사례 중 리튬배터리와 관련된 사례를 소개하고, 리튬배터리가 포함된 화재가 발생하였을 때 화재조사요원들에게 직접적인 도움을 줄 목적으로 리튬배터리에서 발화된 것인지 외부에서 발화된 후 리튬배터리가 화재로 인한 피해를 입은 것인지를 객관적으로 판별할 수 있는 조사기법을 제시한다.

2. 리튬배터리와 관련된 차량화재 사례

리튬배터리와 관련된 차량화재 사례가 다른 논문들에소개되어 있지만^(2,5) 이 논문들에는 구체적인 화재원인과 조사기법이 제시되어 있지 않으므로 이 논문에서는 저자가 직접 조사하여 원인을 분석하였고 후술하는 제시하는 조사기법과 관련될만한 차량화재 사례들을 소개한다.

2.1 화재사례1

식당 주차장에 주차를 하고 주문한 음식이 나오기를 기다리던 중 주차 후 20분 정도 경과한 시점에 운전자가 승용차 안에 놓아둔 휴대폰을 가지러 갔을 때 승용차에 이상이 없었다. 식사를 마치고 주차 후 50분 정도 경과한 시점인 6월 26일 17:00경 되돌아왔더니 타는 냄새가 나서 운전석쪽 문을 열었더니 시커먼 연기가 나왔다.

Figure 1의 (a)와 같이 운전석 앞 대시보드 안의 전기배선이 타서 녹아 내려 있는 상태로 진화되어 있음을 발견하였다.

운전석 앞쪽 바닥의 카펫 위에 Figure 1의 (b)와 같이 블랙박스 보조배터리(리튬배터리) 잔해가 소락(燒落)되어 있고, 소락된 보조배터리는 Figure 2와 같이 배터리 셀의 케이스가 용융되어 있고 전극 연결단자부분에서 용융흔적이 식별되었다.

Figure 1. Fire origin and lithium battery debris on floor mat.

Figure 2. Fused cell case and terminal.

2.2 화재사례2

아파트 옥외주차장에 주차 후 20분 정도 지난 시점에 관리사무소에서 승용차에 화재가 발생함을 확인한 후 119신고(11월 1일 16:16)를 하여 소방대가 진화한 사례이다. Figure 3의 (a)와 같이 조수석 앞 대시보드 쪽이 연소되었다. 조수석 앞 대시보드 아래의 바닥을 발굴한바 Figure 3의 (b)와 같이 내비게이션 모듈에 연결된 보조배터리가 위쪽으로 연소되다가 꺼진 모습이고 Figure 4와 같이 보조배터리 자체가 부풀어 있다.

Figure 3. Fire origin and lithium battery debris.

Figure 4. Lithium battery debris.

2.3 화재사례3⁽¹⁰⁾

Figure 5의 (a)와 같은 모델의 총주행거리 5,000 km 정도인 캠핑카를 점포 부지 내 천막으로 된 창고 안에 주차해놓은 상태에서 119신고(10월 5일 04:11)가 된 화재 사례로 화재 발생 당시 비가 내리고 있었다.

Figure 5의 (b)와 같이 화재발생 현장에서 조사한바 현장의 잔해와 캠핑카의 연소 상황으로 보아 캠핑하우스 하부측에서 발화되어 연소확대되었음이 확인되었다. Figure 6과 같이 캠핑하우스 하부에 위치한 리튬배터리 철제 케이스의 배터리 연결 전선 인입구 부분에 변색흔이 있고, 케이블 도체가 철제 케이스 인입구와의 접촉에 의해 융착되어 있다. 그리고 리튬배터리 케이스 안에는 배터리 셀이 8개씩 2곳에 16개가 들어 있었는데, Figure 7과 같이 이 중 1개의 셀이 부풀어 올라 있다. Figure 5. Before and after fire occurrence of camping car.

Figure 6. Battery cable melted and attached at metal case.

Figure 7. Inflated 1 cell of lithium battery.

2.4 화재사례4⁽¹¹⁾

중고차로 구입한 승용차에 배터리 체크 경고등이 점등되어 서비스센터에 전화하니 점등된 이유를 진단할 수 있다고 하여 서비스센터로 가기 위해 고속도로를 주행 중이었다. 갑자기 속도가 줄어드는 듯 한 느낌과 함께 보닛 안에서 전기 스파크 같은 현상이 보이고 동시에 비상등과 계기판의 여러 가지 모양의 것들이 빨간색으로 점등되었다. 1차선에서 4차선으로 차선 변경 후 놀라서 내려서 보니 보닛에서 화염이 올라와서 시동키를 빼고 빠져 나와서 곧바로 119신고(8월 8일 13:35)를 하였다. 마침 물을 싣고 지나가던 탱크로리에서 소방대가 도착할 때까지 물을 뿌려서화재가 더 이상 번지지 않게 해주었음에도 Figure 8과 같이 엔진룸이 피해를 입었다.

Figure 8. Car of fire case 4.

Figure 9의 (a)와 같이 엔진룸 우측에 위치한 메인퓨즈박스의 +단자와 차체 나사에 추가로 설치한 가느다란 전선이 접속되어 있다. 이 가느다란 전선을 접속한 메인퓨즈박스의 +단자 부위에 Figure 9 (b)와 같이 발열흔적과 스파크로 인한 용융흔적이 있고, 메인퓨즈 박스의 +단자에서 뒤쪽으로 연소확대가 된 흔적이 남아 있다. 발열흔적이 있는 메인퓨즈 박스의 +단자를 분해한바 Figure 10의 (a)와 같이 메인퓨즈박스의 +단자의 케이블 접속고리와 고리에 추가로 끼워 넣은 전선에 스파크 흔적이 있고, Figure 10의 (b)와 같이 메인퓨즈박스 +단자에 추가로 설치한 전선이 차 실내 조수석 앞쪽 대시보드 아래의 블랙박스용 리튬배터리와 연결되어 있다. 이 배터리는 블랙박스로 24시간 상시 녹화를 하기 위해 설치한 것이다.

Figure 9. Main fuse box and + terminal.

Figure 10. Disassembled cable ring and lithium battery for blackbox.

3. 리튬배터리의 발화 메커니즘

3.1 리튬배터리의 구조

모든 배터리는 4가지 요소인 양극, 음극, 전해질, 분리막으로 구성되어 있고, 리튬배터리는 아래 Figure 11과 같이 음극집전체, 음극활물질, 분리막, 양극활물질, 양극집전체로 되어 있다. 리튬배터리는 리튬이온배터리와 리튬폴리머 배터리로 구분되는데, 리튬이온배터리는 전해질로 전해액을 사용하고 리튬폴리머배터리는 전해액을 사용하지 않고고분자 전해질을 사용하는 차이가 있을 뿐이다.

Figure 11. Structure of lithium polymer battery⁽¹²⁾.

음극 집전체는 구리박막(이하 ‘구리극판’이라 함)을 사용하고 음극활물질은 탄소(흑연)을 사용하며, 음극활물질은 전도성이 우수하고 전기화학반응에 안정한 도전체 및 결합재와 혼합하여 고체화하여 구리극판에 코팅하여 음극을 형성한다.

분리막은 리튬이온이 이동할 수 있도록 작은 기공을 가지고 있는 고분자로 된 다공성 박막으로 양극과 음극이 직접 접촉되는 것을 막아 단락이 발생하지 않도록 하는 역할을 하며 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌을 사용한다. 배터리내부 온도가 분리막의 열가소성 성분의 용융온도까지 상승하면 용융되어 기공이 막히어 리튬이온의 이동이 중단되어 온도상승이 중지되는데 이를 셧다운(Shut down)이라고 부르며, 셧다운 이후에도 분리막의 내열온도 이상으로 상승하면 분리막이 파괴되는데 이를 브레이크다운(Break down,破膜)이라고 부른다.

양극 집전체는 알루미늄박막(이하 ‘알루미늄극판’이라 함)을 사용하고 양극활물질은 리튬코발트 산화물(LiCoO2)을 사용하며 양극 집전체는 양극활물질로 코팅되어 양극을 형성한다.

전해질은 양극과 음극 사이에서 리튬이온을 이동하게 하는 매질 역할을 하며, 리튬이온배터리는 전해질로 리튬염을 용해시킨 유기전해액을 사용하는데 전해액의 인화점은 40 ℃정도이므로 위험물안전관리법에서 정하는 제4류위험물 제2석유류에 해당하고, 리튬폴리머배터리는 액체전해질을 사용하지 않고 고분자 전해질을 사용하는데 분리막이 고분자 전해질 역할을 동시에 한다.

리튬배터리는 구리극판과 알루미늄극판을 롤 모양으로 감아 원통에 넣고 전해질을 채운 원통형, 연속된 구리극판과 분리막 및 알루미늄 극판을 포개어 접은 각형, 절단된 4각형의 구리극판과 분리막 및 알루미늄 극판을 적층한 각형이 있다.

Figure 12와 같이 배터리에 전자제품 등을 연결하면 음극 전극의 흑연 격자구조 속에 있는 리튬이온(Li+)이 분리막을 통해 양극의 결정구조 속으로 움직이기 시작하며 이 과정에서 전자(ⓔ)가 도선을 타고 음극에서 양극으로 이동하면서 전류가 양극에서 음극으로 흐르고, 충전을 하면 금속산화물 속에 끼어들어간 리튬이온(Li+)이 다시 음극 쪽으로 향하게 되고 이 때 전자(ⓔ)도 도선을 타고 움직이며배터리는 충전상태가 된다⁽¹³⁾.

Figure 12. Operation principle of a lithium battery⁽²⁾.

3.2 발화 메커니즘

리튬배터리는 연소의 3요소를 만족시킬 수 있으므로 발화될 수 있다^(14,15). 리튬배터리의 화재원인과 관련된 발화메커니즘은 다음과 같이 분석할 수 있다⁽¹²⁾.

3.2.1 이물혼입 등 제조결함

배터리 제조과정에 이물질(금속 또는 금속산화물)이 양극과 분리막 사이에 유입되면 충전과 방전을 계속하면서 이물질의 환원 전압영역에 이르면 금속이온 상태로 환원되어 분리막을 통과하여 음극으로 이동하게 되고, 음극으로 이동한 금속이온물질은 음극활물질 표면에 축적되면서 결정성을 지닌 덴트라이트(Dendrite) 형태로 성장하게 되고, 덴드라이트가 성장하여 분리막을 거쳐 양극에 접촉되면 음극의 전자가 순식간에 양극으로 흐르며 이 때 주울열이 발생하여 발화․폭발의 방아쇠 역할을 한다⁽¹⁶⁾.

3.2.2 과충전

충전이 계속되어 과충전이 되면 발열을 하고 전해질에서 가연성가스의 발생 등이 일어난다. 일반적으로 과충전시 배터리 내부에서는 처음에 전해액과 마이너스극의 환원반응이 일어나서 전해액의 열분해, 전해액과 플러스극과의 산화분해, 마이너스극의 열분해, 플러스극의 열분해, 최후에 분리막의 용융유동에 의한 내부 단락이 발생한다. 과 충전을 하면 플러스극은 전해액의 산화, 결정구조의 파괴에 의한 발열이 일어나고 마이너스극은 금속리튬이 석출한다. 과충전 방지 보호회로(Protection Circuit Board, 이하 PCM이라 함)가 없거나 PCM이 있더라도 고장 등의 이유로 기능하지 못하는 경우에는 과충전이 되어 폭발될 수 있고⁽¹⁷⁾, 과 충전을 방지하기 위해 PCM이 설치되어 있는 경우에도 다음과 같은 경우에는 과충전이 되어 화재로 연결될 수 있다.

(a) 배터리의 설정을 잘못하여 충전하는 경우

니켈카드뮴배터리는 충전 완료시에 특유의 전압변화(델타피크)가 발생하므로 충전기에 이를 검출하여 충전을 멈추는 기능이 있다. 리튬전지를 니켈카드뮴배터리의 설정으로 충전을 하면 리튬전지는 충전 완료 시에 이 전압변화가 없으므로 충전이 정지되지 않고 과충전이 된다.

(b) 각 셀의 전압밸런스가 무너진 경우

리튬배터리는 여러 개 셀을 직렬접속으로 조합된 팩으로 되어 있고, 경년사용이나 사용조건 등에 따라 각 셀의 전압밸런스에 차이가 생기는 경우가 있다. 이 상태를 개선하기 위해 Figure 13의 (a)와 같이 충전 시에 각 셀의 충전상황을 모니터하여 각각 셀마다 충전종료를 하는 기능이 충전기에 갖춰져 있고 이 충전방법을 밸러스충전이라고 한다.

Figure 13의 (b)와 같이 밸런스충전 기능이 없으면 맨 우측의 셀은 만충전이 되어 있지만 좌측 2개 셀은 충전 중인 상황이 된다. 각 셀의 전압에 차이가 생긴 리튬배터리를 충전할 때 밸런스충전을 하지 않는 경우에 직렬 셀을 일체로 하여 모니터하고 있는 것이 되어서 팩 전체의 전압으로서는 적절할지라도 단일 셀로서는 과충전이 된다. Figure 13의 (b)와 같은 경우에 팩 전체로서는 충전이 종료되지 않으므로 맨 우측 셀은 과충전이 된다.

Figure 13. Balance charge and over charge⁽¹²⁾.

3.2.3 과방전

방전에 의해 음극에서 Li+이 다 빠져나간 후 계속 방전모드가 지속되면 음극에서 더 이상 전자를 공급할 수 없기 때문에 구리극판에서 전자가 공급되면서 이로 인해 구리극판이 녹게 된다. 구리극판이 녹게 되면 집전체로서의 기능을 잃게 되고 내부 단락의 가능성이 높아져 배터리의 기능이 열화된다⁽¹⁸⁾. 과방전을 하면 양극 측에 코발트가 용출되고 음극 측에 구리극판이 용출된다. 따라서 과방전을 하면과 충전과 마찬가지로 발열을 한다.

3.2.4 잘못된 설정으로 충전

충전하는 리튬배터리의 셀 수와 사양을 잘못 인식하여 충전전압, 충전전류를 잘못하여 충전하면 과충전이 될 수 있다.

3.2.5 외부 열에 의한 가열

화재열 등에 의해 외부로부터 가열된 경우에는 배터리내부에서 플러스극 재료, 전해액, 마이너스극 재료가 단독 및 상호 발열반응을 일으키고 이에 따라 분리막이 용융하여 전극이 단락되고, 이 때 주울열에 의해 열폭주가 개시된다.

PCM은 과충전, 과방전, 과전류 전기적인 이상특성에 대해서는 보호역할을 하지만 배터리가 고온에 노출된 경우에는 배터리 내부 자체의 활성화에너지 반응을 막을 수 없기 때문에 PCM과 관계없이 발화․폭발한다. 리튬폴리머 배터리의 경우 약 130 ℃로 가열되었을 때 부풀어오름현상이 일어났고 약 170 ℃에서 폭발과 함께 불꽃방출이 일어났다⁽¹⁹⁾.

3.2.6 외부 충격

외부로부터의 충격에 의해 각 전극의 절연이나 분리막이 손상되는 경우, 그때에 발화에 이르지 않더라도 충전 시에 내부 단락이 발생하여 발화하는 경우가 있다.

3.2.7 손상된 배터리에 충전

부풀어 오르거나 찍혀 움푹 들어간 배터리에 충전 중 화재가 발생하는 경우가 있다. 충전된 배터리는 애완견이 물어뜯어 내부에서 단락이 발생하면 화재로 이어질 수 있으므로 충전 중이 아니더라도 화재로 이어질 수 있다⁽²⁰⁾.

4. 리튬배터리와 관련된 차량화재 원인조사 기법

화재사례1은 Figure 2와 같이 리튬배터리 셀의 알루미늄 재질의 케이스가 용융되어 있고 알루미늄재질의 전극에 용융흔적이 있지만 알루미늄은 융점이 660 ℃⁽²¹⁾에 지나지 않으므로 리튬배터리 셀에서 발화된 후 케이스와 전극이 용융된 것인지 화재로 인해 케이스와 전극이 용융된 것인지 알 수 없다.

화재사례2는 리튬배터리 자체가 부풀어 올라 있는 특이점이 있지만 이러한 부풀어 오르는 현상은 내부적인 요인으로 단락된 경우에도 생길 뿐만 아니라 화재에 노출된 경우에도 생기는 현상이므로 리튬배터리로 인한 화재인지 그렇지 않으면 다른 원인으로 화재가 발생하여 리튬배터리에 부풀어 오르는 현상이 발생한 것인지 알 수 없다.

화재사례3은 리튬배터리 박스와 케이블이 접촉되어 화재가 발생한 것인지 그렇지 않으면 부풀어 오른 리튬배터리 셀에서 화재가 발생한 후 2차적으로 리튬배터리 박스와 케이블이 접촉된 것인지 알 수 없다.

화재사례4에서는 Figure 9와 같이 메인퓨즈박스 +단자부위의 발열과 스파크가 발생한 이유는 조수석 앞쪽 대시보드 아래의 블랙박스용 배터리를 설치하면서 블랙박스용리튬배터리에 전원을 공급하기 위해서 메인퓨즈박스 +단자의 너트를 풀어 가느다란 전선의 끝을 볼트에 고리모양으로 끼워 넣고 너트를 조여 접속하여서 접속부위에서 너트 체결력 부족이나 차량운행 중의 진동 등으로 인한 접속불량이 발생하였기 때문인 것으로 분석할 수 있다. 따라서 화재원인은 리튬배터리와 직접 관련이 없지만 리튬배터리에 충전하기 위한 전원을 공급하는 메인퓨즈박스 +단자의 체결불량으로 인한 것이다.

사례1은 리튬배터리 셀의 알루미늄 호일(케이스)과 전극이 화재로 인해 용융된 것인지 배터리 셀의 발화로 인해용융된 것인지를 알 수 없고, 사례2와 사례3은 리튬배터리로 인한 화재인지 그렇지 않으면 화재로 인해 리튬배터리가 부풀어 올라 단락으로 이어진 것인지를 알 수 없는 문제가 있으므로 리튬배터리와 관련된 화재원인조사 기법을 정립할 필요가 있다.

4.1 기존 연구 사례

리튬배터리와 관련된 조사 기법과 관련된 기존 연구가 소방관서 화재조사요원을 중심으로 있어왔지만 개별적인 화재사례에 대한 원인분석이 대부분이고 조사 기법은 정립되어 있지 않거나 검증이 되지 않은 내용이었다.

원인조사 기법을 검증한 우리나라 논문은 한국법과학수사학회지에 게재된 논문⁽¹⁶⁾이 유일하다. 이 논문에서는 18650 원통형 리튬배터리를 대상으로 전해액 주입 전 Jelly roll 상태에서 최외각의 양극과 분리막 사이에 Fe, Cr, Mn 및 Ni로 구성된 약 2 mm 크기의 금속조각을 삽입한 후 배터리 캔에 Jelly roll을 체결한 후 전해액을 주입하고 충방전을 하여 내부 단락으로 인한 발화/폭발 시험을 하고 있다. 내부 단락에 의해 발화된 배터리를 비파괴 검사(X-ray, CT 스캔)를 한 후 해체하여 극판 평가를 하고, 최초 삽입한 금속성 이물의 흔적을 찾기 위해 캔과 음극 집전체에 형성된 방사형 패턴 중심점 부근으로 SEM/EDS 분석을 하였다. 비파괴 검사로 내부 단락 지점의 추정이 가능하고, 배터리 캔안에서 SEM/ EDS 분석으로 금속이물의 조성이 검출되며, 단락이 발생한 Jelly roll에서 크랙이 반복적으로 형성되어 있고 내부 단락 중심부에서는 전기 단락에 의한 용융 홀이 발생하는 것으로 결론을 내리고 있다. 이 논문은 리튬배터리에 이물질이 삽입되어 단락된 경우에만 검증할 수 있는 한계를 안고 있다.

원인조사 기법을 검증한 외국 논문으로는 일본 오사카소방국 화재조사요원이 발표한 논문⁽²²⁾이 있다. 이 논문은 일본 소방청 주최 2017년도 소방방재과학기술상 공모에서 우수상에 선정되었다. 이 논문을 작성하게 된 계기가 것은 아파트에서 화재가 발생하여 강제로 현관문을 개방하고 소방대가 진입하여 진화하였는데 발화개소에서 발화원이 될 만한 것은 리튬배터리를 전원으로 하는 휴대용 DVD플레이어 밖에 없었고 제품 감식을 통해 화재원인을 판정할 수 있었지만 리튬배터리에서 발화한 경우 등의 특징을 파악할 필요성이 있었기 때문이다. 화재조사에 활용하기 위해 6가지(실험1 - 리튬배터리에 과전류를 흘려 발화시킨 경우, 실험 2 - 리튬배터리를 외부 화염에 노출시킨 경우, 실험3 - 휴대용 DVD 플레이어에 과전류를 흘려 발화시킨 경우, 실험 4 - 휴대용 DVD 플레이어를 외부 화염에 노출시킨 경우, 실험5 - 원통형 리튬이온배터리에 과전류를 흘려서 발화시킨 경우, 실험6 - 원통형 리튬이온배터리를 외부 화염에 노출시킨 경우) 연소실험을 실시하였다.

6가지 실험으로부터 발견한 공통점은 첫째, 내부에서 발화시킨 경우에는 구리극판은 대단히 부서지기 쉽고 여러 곳이 손상되어 있으며 구멍이 뚫리는 등 소실을 확인할 수 있고, 알루미늄극판은 모두 또는 대부분이 소실되어 원형을 유지하고 있지 않고, 둘째, 외부 화염에 노출시킨 경우는 구리극판에 구멍이나 소실이 없고 알루미늄극판은 구멍이나 소실이 있고 원형을 유지하거나 약해져 무너져 있으며, 셋째, 분리막은 내부에서 발화시킨 경우나 외부화염에 노출시킨 모든 경우에 소실되어 있다.

일본 논문에서는 이물질이 삽입된 경우는 연구대상으로 하고 있지 않으므로 이물질 삽입과 관련된 부분은 우리나라의 검증논문⁽¹⁶⁾을 참고하면 될 것으로 사료된다.

4.2 리튬배터리 관련 화재원인조사 기법 제안

차량화재 조사과정에 발화개소로 판정한 곳에 리튬배터리가 있는 경우에는 리튬배터리에서 발화된 것인지 그렇지 않으면 다른 기기 등에서 발화된 후 리튬배터리로 확대된것인지를 판정해야 한다. 리튬배터리에서 발화되었다면 리튬배터리에서 발화된 물리적인 증거를 제시해야 하고 발화된 원인을 규명해야 한다. 리튬배터리와 관련이 없는 다른 기기 등에서 발화된 후 리튬배터리로 확대되었다면 그 근거를 제시해야 한다. 이런 관점에서 차량화재 시 리튬배터리와 관련된 화재원인조사 기법을 아래와 같이 제안한다.

4.2.1 외관조사

우선 발화개소 내에 있는 리튬배터리에 대해 외관으로부풀어 오름, 천공, 용융 등을 조사한다.

(1) 부풀어 오름

외관은 우선 배터리 셀에 부풀어 오름이 있는가를 조사한다. 부풀어 오름은 셀 극판 내부에서 단락된 경우도 생기고 다른 기기 등에서 발화된 후 화재에 노출된 경우에도 생기므로 부풀어 오름 여부만으로 발화여부를 판정할 수 없지만, 부풀어 오름이 없다면 배터리 셀 내부에서의 발화는 배제될 가능성이 높다.

(2) 천공

셀 외부에 천공이 발생해 있는지를 조사한다. 셀 극판내부에서 단락되어 발화된 경우에는 천공의 방향이 내부에서 외부로 향해 있고 단락개소를 중심으로 방사상으로 분출된 모습이 확인된다.

천공이 확인되더라도 Figure 14와 같이 천공 방향이 외부에서 내부로 향한 경우는 화재 후 진화과정이나 조사과정 등에서 2차적으로 발생한 것이므로 화재원인과 관련이 없다.

Figure 14. Hole of battery cell outside.

(3) 용융

외부에서 확인되는 구리극판과 알루미늄극판뿐만 아니라 전극의 용융이나 발열흔적을 확인한다. 전극에 용융이나 발열흔적이 없는 경우에는 전극과 극판(집전체)의 접속 불량에 의한 화재는 배제될 수 있다. 알루미늄 집전체와 연결된 전극 부위가 알루미늄인 경우에는 알루미늄의 국부적인 용융만으로는 접속불량 유무를 확인할 수 없지만 용융부위 근처의 극판에 용융이나 손상방향을 확인될 수 있으면 전극과극판의 접속불량을 화재원인으로 추정할 수 있다.

이와 같은 이유로 배터리 팩이 복수의 셀로 구성되어 있고 배터리에서 발화되었음이 명백한 경우에는 여러 개의 셀이 화재를 발생시키는 것이 아니라 복수의 셀 중 특정하나의 셀에서 화재가 발생한 것이다. 그러므로 특정 셀만부풀어 올라 있거나 천공되거나 용융되어 있는 등 외관상 특이점이 있으면 특이점이 있는 배터리에서 발화되었을 가능성이 높다.

연소정도가 심해 부풀어 오른 흔적 등 외관검사를 하기 어려운 경우에는 비파괴검사와 분해조사로 이행하여도 무방하다.

4.2.2 비파괴 검사

X-ray나 CT를 통해 비파괴검사를 하여 극판 내부의 천공이나 용융 상황 등을 확인한다. X-ray나 CT 비파괴검사를 통해 천공이나 국부적인 용융 부위의 위치 등을 확인할 수 있고, 천공이나 용융 위치 등을 확인되면 분해조사를 하는데 도움을 줄 수 있다. X-ray나 CT 등 비파괴검사 장비는 분해하기 전에 내부 상황을 확인하기 위한 용도로 사용되므로 이러한 비파괴검사 장비가 없더라도 배터리 내부에서 발화여부를 분석할 수 없는 것은 아니다. X-ray나 CT 등의 비파괴검사 장비가 없으면 다음의 분해조사로 곧바로 이행하여도 무방하다.

4.2.3 분해 조사

리튬배터리는 원통형(롤형), 사각감기형, 적층형(각형)으로 구분되는데, 롤형과 사각감기형은 각각 1매의 알루미늄극판과 구리극판 및 분리막이 감긴 것이므로 외부에서부터 순차적으로 풀어가며 분해하며 풀어가면서 극판의 용융,천공, 소실, 변형 등의 특이점이 있는지 확인한다. 적층형은 구리극판, 분리막, 알루미늄극판 순으로 적층되어 있으므로 위에서부터 아래쪽으로 순차적으로 1매씩 분리하여 극판 앞뒤면의 용융, 천공, 소실, 변형 등의 특이점이 있는지 확인한다.

(1) 구리극판

구리극판(동박)은 구리의 용융점이 1083 ℃이므로 차량화재로 인해 용융되지 않고 남아 있는 경우가 대부분이며 일부 예외적인 상황에서 화재열로 용융될 수 있다. 화재로 인한 화염은 구리극판을 일정한 크기(면적)로 공격하여 용융시키는 특징이 있지만 내부 단락은 단락된 지점에 국한하여 국부적으로 점공격을 하여 용융시키는 특징이 있으므로 전기적인 단락에 의해 용융된 것인지 화재로 인해 용융되는 것인지는 육안으로도 쉽게 구분할 수 있다.

화재 발생 전에 내부 구리극판이 국부적으로 용융되거나 천공된 경우는 화재로 인해 2차적으로 생긴 것이 아니므로 단락에 의한 용융이나 천공만으로 발화여부를 판단할 수 있는 것처럼 보이지만, 배터리 셀은 충전된 상태에서 화재에 노출되어 분리막의 절연기능이 상실되면 2차적으로 단락이 발생할 수도 있으므로 구리극판의 국부적인 용융이나 천공만으로 발화여부를 판단하기 어렵다. 즉, 화재에 노출된 배터리 셀의 구리극판에 단락으로 인한 용융이나 천공흔적이 발생할 수 있고 발화요인이 된 배터리 셀 내부의 단락으로 인한 경우도 구리극판에 용융이나 천공흔적이 발생할 수 있으므로 내부 구리극판의 천공이나 용융흔적으로는 발화여부를 판단할 수 없는 것처럼 해석될 수 있다. 그러나 용융이나 천공의 크기가 화재요인이 된 내부 단락으로 인한 것과 화재 후 2차적으로 분리막의 절연기능이 상실되어 단락된 것에 아래와 같은 차이가 있으므로 내부 구리극판의 천공이나 용융흔적으로 발화여부를 판단할 수 있다.

(a) 1-2 mm 미만의 작은 천공만 다수 있는 경우

Figure 15와 같이 내부 구리극판에 직경 1-2 mm 정도의 작은 천공이 다수 발견되는 경우가 있다. 이러한 천공은 화재요인이 된 것이 아니라 화재에 노출되어 분리막의 절연기능 상실로 2차적으로 단락되어 발생한 것이다. 충전된 셀은 전기에너지가 남아 있으므로 분리막이 절연기능을 상실한 지점에서 단락이 발생할 수 있고 단락되면 전기적인 아크에 노출된 구리 극판을 용융시켜 천공을 남긴다.

Figure 15와 같이 내부 구리극판에 직경 1-2 mm 정도의 작은 천공이 다수 발견되는 경우에 화재로 인해 2차적으로 단락되어 나타낸 것이라고 판단한 근거는 이 배터리 셀은부풀어 오르지도 않았을 뿐만 아니라 단락(천공)된 지점에서 화염이 분출되어 간 흔적이 없으며 천공도 다른 극판까지 영향을 미치지 못하고 구리극판 1매에 국한되어 있고알루미늄극판 상당부분이 남아 있기 때문이다.

Figure 15. Copper foil with a lot of small hole.

(b) 큰 천공이 있는 경우

Figure 16은 셀의 18개 구리극판 중에서 위에서 아래쪽으로 2-5번 극판에 있는 천공 흔적을 나타내고 있는 것 중 4번째 극판의 모습이다. 이러한 큰 천공은 화재에 직접 노출되지 않은 내부 극판에 있고 여러 매에 걸쳐 있을 뿐만 아니라 외부에서 내부로 향한 천공흔적이 아니므로 화재로 인해 2차적으로 발생했거나 화재 후 2차적으로 발생했다고 보기 어렵다. Figure 16 셀의 알루미늄극판은 모두 소실되어 있다.

Figure 16. Copper foil with a big hole.

(2) 알루미늄극판

알루미늄 극판은 알루미늄의 융점이 660 ℃이어서 전기적인 아크뿐만 아니라 화재에 노출되면 대부분 용융되므로 용융된 것만으로 배터리 셀의 발화여부를 판단할 수 없지만, 극판이 남아 있는 경우에는 해당 배터리 셀은 발화와 관련되지 않은 것으로 분석할 수 있다.

Figure 15에서 구리극판에 조그만 천공이 많이 있지만 알루미늄 극판이 남아 있는 것을 보더라도 이 극판은 화재원인과 관련이 없음을 알 수 있고 이 작은 천공들은 화재 후 2차적으로 발생한 것임을 알 수 있다.

(3) 분리막

분리막은 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌으로 되어 있으므로 화재에 노출되든 단락 아크에 노출되든 연소되어 소실되므로 분리막은 발화여부를 판단하는데 도움이 될 수 없다.

4.2.4 발화여부 판단

우리나라 및 일본의 검증논문과 위에서 제시한 조사기법(외관조사, 비파괴검사, 분해조사)를 통해 배터리 셀 극판에서 단락으로 인한 발화여부 판단을 다음과 같이 할 수 있다.

첫째, 외관상 특이점(부풀어 오름, 천공, 용융)을 조사한다. 여러 배터리 셀 중 외관상 특이점이 있는 셀에서 발화되었을 가능성이 높다.

둘째, 비파괴검사를 통해 내부 특이점이 있는 위치를 파악한다.

셋째, 극판 분해조사를 하여 구리극판의 천공이나 용융상황을 파악한다. 내부 구리극판의 여러 매에 걸쳐 천공되어 있고 큰 천공 직경인 경우에는 해당 셀의 내부 단락으로 화재가 발생한 것으로 판정할 수 있다.

그리고 외관상 특이점이나 비파괴검사를 통해 내부 특이점이 있더라도 극판 분해조사를 하여 여러 매에 걸쳐 천공되지 않고 1-2 mm 정도의 작은 천공들이 다수 있다면 해당 셀에서 발화되지 않은 것으로 분석할 수 있다.

화재사례4와 같이 배터리 셀 자체에서 발화되지 않고 배터리 팩의 케이블 전원측 접속부위에서 발화된 사례도 있는 만큼 차량화재 조사 시 리튬배터리가 설치되어 있는 경우에는 발화개소 안의 리튬배터리 전원측 접속부위에 특이점이 있는지 확인할 필요가 있으며, 특이점이 있는 경우에는 해당 개소에서 발화되었는지 면밀히 검토할 필요가 있다.

5. 결론

차량의 블랙박스나 내비게이션의 보조배터리로 리튬배터리가 설치되고 있어 리튬배터리와 관련된 차량화재가 발생하고 있다.

이 논문에서는 리튬배터리와 관련된 차량화재 네 가지 사례를 소개한 다음 리튬배터리의 구조와 발화메커니즘을 분석하고, 리튬배터리와 관련된 화재원인조사 기법을 아래와 같이 제안하였다.

첫째, 배터리 셀의 내부 구리극판이 여러 매에 걸쳐 천공되어 있고 천공 직경이 큰 경우에는 해당 셀의 내부 극판에서의 단락으로 화재가 발생한 것으로 판정할 수 있다.

둘째, 외관상 특이점(부풀어 오름, 천공, 용융)이나 비파괴검사 결과 내부에 특이점이 있더라도 분해조사를 하여 구리극판이 여러 매에 걸쳐 천공되어 있지 않고 1-2 mm 정도의 작은 천공들이 다수 있다면 해당 셀에서 발화되지 않은 것으로 판정할 수 있다.

셋째, 내부 구리극판에 천공이 없이 남아 있으면 해당 셀에서 발화되지 않은 것으로 판정할 수 있다.

넷째, 내부 알루미늄극판이 소실되지 않고 대부분 남아있는 경우는 배터리 셀에서 발화되지 않은 것으로 판정할 수 있다.