[논문]리튬배터리와 관련된 차량화재 사례 및 원인조사 기법 분석

이의평

doi:10.7731/kifse.2019.33.2.098

리튬배터리와 관련된 차량화재 사례 및 원인조사 기법 분석
Analysis of Car Fire Cases Related to a Lithium Battery and Cause Investigation Technique 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.33 no.2, 2019년, pp.98 - 106

초록
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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.

Abstract ▼ AI-Helper

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.

주제어

표/그림 (16)

그림 Figure 1. Fire origin and lithium battery debris on floor mat.
그림 Figure 2. Fused cell case and terminal.
그림 Figure 3. Fire origin and lithium battery debris.
그림 Figure 4. Lithium battery debris.
그림 Figure 5. Before and after fire occurrence of camping car.
그림 Figure 6. Battery cable melted and attached at metal case.
그림 Figure 7. Inflated 1 cell of lithium battery.
그림 Figure 8. Car of fire case 4.
그림 Figure 9. Main fuse box and + terminal.
그림 Figure 10. Disassembled cable ring and lithium battery for black box.
그림 Figure 11. Structure of lithium polymer battery⁽¹²⁾.
그림 Figure 12. Operation principle of a lithium battery⁽²⁾.
그림 Figure 13. Balance charge and over charge⁽¹²⁾.
그림 Figure 14. Hole of battery cell outside.
그림 Figure 15. Copper foil with a lot of small hole.
그림 Figure 16. Copper foil with a big hole.

AI 본문요약
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문제 정의

리튬배터리와 관련된 차량화재 사례가 다른 논문들에 소개되어 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.
셀 외부에 천공이 발생해 있는지를 조사한다. 셀 극판 내부에서 단락되어 발화된 경우에는 천공의 방향이 내부에서 외부로 향해 있고 단락개소를 중심으로 방사상으로 분출된 모습이 확인된다.
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 리튬배터리 가 화재로 인한 피해를 입은 것인지를 객관적으로 판별할 수 있는 조사기법을 제시한다.

제안 방법

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 뿌려서 화재가 더 이상 번지지 않게 해주었음에도 Figure 8과 같이 엔진룸이 피해를 입었다.
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.
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, CT스캔)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 캔 안에서 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.
둘째, 비파괴검사를 통해 내부 특이점이 있는 위치를 파악한다.
리튬배터리는 원통형(롤형), 사각감기형, 적층형(각형)으로 구분되는데, 롤형과 사각감기형은 각각 1매의 알루미늄 극판과 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.
셋째, 극판 분해조사를 하여 구리극판의 천공이나 용융 상황을 파악한다. 내부 구리극판의 여러 매에 걸쳐 천공되어 있고 큰 천공 직경인 경우에는 해당 셀의 내부 단락으로 화재가 발생한 것으로 판정할 수 있다.
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.
우선 발화개소 내에 있는 리튬배터리에 대해 외관으로 부풀어 오름, 천공, 용융 등을 조사한다.
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, CT스캔)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.
이 논문에서는 리튬배터리와 관련된 차량화재 네 가지 사례를 소개한 다음 리튬배터리의 구조와 발화메커니즘을 분석하고, 리튬배터리와 관련된 화재원인조사 기법을 아래와 같이 제안하였다.
리튬배터리는 원통형(롤형), 사각감기형, 적층형(각형)으로 구분되는데, 롤형과 사각감기형은 각각 1매의 알루미늄 극판과 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.
첫째, 외관상 특이점(부풀어 오름, 천공, 용융)을 조사한다. 여러 배터리 셀 중 외관상 특이점이 있는 셀에서 발화 되었을 가능성이 높다.
화재조사에 활용하기 위해 6가지(실험1 – 리튬배터리에 과전류를 흘려 발화시킨 경우, 실험2 - 리튬배터리를 외부 화염에 노출시킨 경우, 실험3 - 휴대용 DVD 플레이어에 과전류를 흘려 발화시킨 경우, 실험4 - 휴대용 DVD 플레이어를 외부 화염에 노출시킨 경우, 실험5 - 원통형 리튬이온배터리에 과전류를 흘려서 발화시킨 경우, 실험6 - 원통형 리튬이온배터리를 외부 화염에 노출시킨 경우) 연소실험을 실시하였다.

대상 데이터

양극 집전체는 알루미늄박막(이하 ‘알루미늄극판’이라함)을 사용하고 양극활물질은 리튬코발트산화물(LiCoO2)을 사용하며 양극 집전체는 양극활물질로 코팅되어 양극을 형성한다.
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.
원인조사 기법을 검증한 외국 논문으로는 일본 오사카 소방국 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 될만한 것은 리튬배터리를 전원으로 하는 휴대용 DVD플레이어 밖에 없었고 제품 감식을 통해 화재원인을 판정할 수 있었지만 리튬배터리에서 발화한 경우 등의 특징을 파악할 필요성이 있었기 때문이다.

성능/효과

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.
넷째, 내부 알루미늄극판이 소실되지 않고 대부분 남아있는 경우는 배터리 셀에서 발화되지 않은 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.
내부 단락에 의해 발화된 배터리를 비파괴 검사(X-ray, CT스캔)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 캔 안에서 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.
셋째, 내부 구리극판에 천공이 없이 남아 있으면 해당 셀에서 발화되지 않은 것으로 판정할 수 있다.
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.

후속연구

사례1은 리튬배터리 셀의 알루미늄 호일(케이스)과 전극이 화재로 인해 용융된 것인지 배터리 셀의 발화로 인해 용융된 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.
비파괴 검사로 내부 단락 지점의 추정이 가능하고, 배터리 캔 안에서 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.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	과방전은 어떻게 하면 생기는가?	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.
	리튬배터리의 특징은?	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.
	모든 배터리들의 요소들은 어떻게 구성되어 있는가?	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.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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