배터리 화재 원천 차단! 친환경 선박과 액침냉각 ESS

지난 8월 인천 서구의 한 아파트 지하 주차장에 주차되어 있던 전기차에 화재가 발생하였다. 화재는 8시간만에 진화되었고, 인명피해는 없었지만 화재로 인해 다수의 이재민이 발생하였다. 도착한 소방관들이 현장 진입을 시도하였으나 전기차에 활용된 리튬이온 배터리 특성 탓에 진압이 쉽지 않았다고 한다. 화재 자체는 다양한 요인이 작용한 ‘결과’였겠으나, 당시의 화재를 진압하는 데 애를 먹었던 결정적인 이유로, 많은 전문가들이 배터리의 ‘열폭주(Thermal runaway)’ 현상을 지목하였다. 먼저 열폭주란 화학∙화공, 전기공학, 토목공학, 천체물리학 등 다양한 영역에서 광범위하게 쓰이는 용어이다. 광의적 정의로는 어떤 역학적 과정의 원인이 온도 증가인데, 이 과정의 결과로 방출된 에너지가 온도를 연쇄적으로 증가시켜 가속화되는 ‘열적 불안정’ 상태라고 정의할 수 있다. 배터리에서의 열폭주는 산화성 양극과 환원성 음극이 만나 급속도로 자가 발열의 형태로 에너지를 방출하는 것을 의미한다. 앞서 사례를 들었던 전기차 화재 사례에서 알 수 있듯이 리튬 배터리 화재는 가연물(전해액과 가연성가스), 산소공급원(산소발생), 점화원(화학반응에 의한 열에너지)뿐만 아니라 연쇄반응인자(배터리 셀 밀집 구조)의 연소 요소 네 가지를 가지고 있어 소화가 어렵다. 통상적인 화재의 경우, 액체 상태의 화학 약재를 활용하여 산소의 공급을 차단하는 ‘질식소화’ 방식을 활용하면 충분히 진압이 가능하다. 하지만 리튬이온 배터리는 구조적으로 배터리 셀의 분리가 어려운데, 배터리 셀에서 지속적으로 가연물과 산소가 발생하기 때문에 화재 진압이 쉽지 않다. 때문에 화재 및 화학 반응이 발생하지 않는 온도까지 물을 분사하여 냉각하는 ‘냉각소화’ 방법이 가장 효과적이다. 이는 소화 방식에 따른 배터리의 열폭주 시간-온도 데이터를 살펴보면 명확하게 알 수 있다. 그래프에 따르면, 질식소화의 경우 열폭주가 진압되지 않고 연쇄적으로 발생함을 확인할 수 있다. 반면, 냉각소화 시에는 최초 열폭주 후 인접 배터리와 함께 온도가 떨어지며 효과적으로 진압됨을 알 수 있다. 이처럼 배터리 화재 시 냉각소화가 질식소화에 비해 효율적이지만, 냉각소화를 한다고 그 화재 진압이 쉬워지는 것은 아니다. 내연기관 차량과 배터리 차량 각각 화재 시, 소화에 필요한 소화수의 양과 시간을 비교해보자. 글로벌 리서치 회사 ‘마켓앤드마켓’의 발표에 따르면, 차량 화재 발생 시 배터리 차량 소화를 위해 필요한 시간은 내연기관 차량에 비하여 8배 높은 8시간이며, 이 때 사용되는 물의 양도 무려 11배 높은 110t 인 것으로 나타났다. 배터리 화재 진압이 어려운 가장 큰 이유는 앞서 설명한 열폭주 현상에 기인한다. 열폭주는 현상은 주로 통제 불가한 열 발생이 주 원인이기 때문에 리튬이온 배터리의 화재 예방은 결국 ‘열 관리’에 있다고 해도 과언이 아닐 것이다.. 이러한 이유 때문에 세계 각국의 여러 기업들이 배터리 열관리 시스템을 구축하여 작동 온도를 조절하고, 셀 내부와 사이의 온도를 균일하게 하는 등 다양한 연구들이 진행하는 중이다. 열관리 시스템은 대표적으로 공기 냉각, 수냉식 냉각, *PCM(Phase change material)을 이용한 냉각 방식이 있다. 최근에는 히트파이프, 액침냉각 등 배터리 온도 관리를 위한 다양한 방법들이 시도되고 있는데, 그 중에서도 최근 액침냉각 이 세간의 주목을 받고 있다. *PCM : 상변이물질, 물체의 상태 변화에 따라 열에너지를 저장/방출한다. ‘액침냉각 방식(Immersion cooling method)’ 은 쉽게 설명하면 배터리를 절연성 액체에 완전히 잠기게 하여 열을 제거하는 방식이다. 2022년 UNIST에서는 액침냉각을 적용하는 원통형 리튬이온 배터리를 ’Water in Battery(WIB)’ 기술로 명명한 바 있다. 단순하고 직관적인 방법이지만, 그만큼 빠르고 효과적인 냉각이 가능하기 때문에 화재를 원천 차단하는 것도 가능해진다. 이러한 확실한 강점 덕분에 액침냉각은 향후 배터리 열 관리 안정성 제고에 큰 역할을 할 것으로 기대된다. "특히 이 액침냉각 방식이 친환경 선박 분야에서 환영받고 있다." 높아진 선박용 배터리 사용률만큼 증가하는 화재 위험에서 안전성을 더해주기 때문이다. 지구 전체 탄소 배출량의 3%를 차지하는 해운업은 기존 연료 체계와 엔진 등에서 탈피, 탄소를 배출하지 않는 선박 운용 체계를 구축하기 위해 다방면으로 솔루션을 모색중인데, 그 솔루션 중 하나인 배터리 활용 비율이 높아지고 있다. 재사용 가능한 배터리를 선박에 적용한다면, 에너지저장체계(Energy Storage System, 이하 ESS)를 활용하여 잉여전력을 배터리에 충전 후, 필요 시 사용하는 등 에너지 효율을 높일 수 있다. 뿐만 아니라 수소, 암모니아 등 친환경 연료를 활용하여 전기를 생산하고 추진하는 ‘완전 전기추진선박’은 에너지 효율은 높이고 이산화탄소 배출은 줄일 수 있다. 이러한 장점들로 인해 탄소 배출 제로를 목표로 하는 해운업에서 선박용 배터리는 중요한 핵심 기술로 등극했다. 다만 배터리의 경우 선박 내 공간 효율 문제도 있지만, 화재 시 진압이 어렵다는 가장 큰 리스크를 극복해야 한다. 망망대해에서 운항중인 전기추진선박의 배터리에 화재가 발생한다면, 그 조치가 어려워 큰 사고로 이어질 수 있기 때문이다. 액침냉각 방식이 친환경 선박 분야에서 환영받는 이유가 바로 이러한 리스크를 극복할 수 있는 현실적인 대안으로 떠오르고 있기 때문이다. 액침냉각 방식을 선박에 적용하기 위해 다양한 노력이 이루어지고 있는데, 최근 한화에어로스페이스와 SK엔무브가 세계 최초로 ‘불타지 않는 ESS’ 개발에 성공하여 전 세계 해운업계의 이목이 쏠렸다. ‘불타지 않는 ESS’ 는 리튬이온 배터리 모듈에 ‘냉각 절연액’을 채워, 화재를 원천 차단하는 기술이다. 해당 기술의 핵심소재인 냉각 절연액은 액체와 기체의 중간 성질을 가지는 물질로, 배터리 모듈 내에서 전기가 통하지 않고 하고 열을 식혀주는 역할을 한다. 이 냉각 절연액을 배터리 모듈 내 채워, 설령 셀 하나가 발화하더라도 주변 셀에 영향을 주지 않게끔 한다. 게다가 기존 ESS 냉각 방식인 공랭, 수냉식 방식과 달리, 냉각 절연액으로 모듈 내부를 완전히 채워 발화의 원인이 될 수 있는 먼지, 염분 등 외부 이물질 유입도 원천 차단한다. 화재가 발생할 수 있는 모든 가능성을 제거하는 것이다. 이 액침냉각 ESS는 선박용으로 개발되어 지속 가능한 해양산업 생태계 조성에 큰 역할을 할 것으로 전망된다. 액침냉각 ESS와 같은 혁신 기술이 보다 빠르게, 안정적으로 상용화를 이룩하려면, 기술 개발과 더불어 관련 안전 기준과 법적 규제의 마련이 시급하다. 신속한 기술 발전과 함께 배터리 화재 안전성에 대한 안전 기준이 동시에 마련된다면, 상용화 시기를 조금 더 앞당길 수 있을 것이다. ‘국제해사기구(IMO)’의 온실가스 감축 전략에 따라 선박들은 2030년까지 총 이산화탄소 배출량을 2008년 대비 20% 저감해야 하고, 전체 선박 연료의 5%를 친환경 연료로 전환해야 한다. 코 앞으로 다가온 환경규제에 대응하기 위한 솔루션으로써 액침냉각 ESS는 미래 해양 환경에 새로운 패러다임과 선택지를 제시할 중요한 기술임을 거듭 강조한다. 해상 환경규제가 강화되는 2030년 선박용 ESS 시장이 2021년 약 21억 달러에서 2030년 약 76억 달러로 연평균 15.5%의 성장을 예상 하고 있는 만큼 이러한 기술의 발전은 온실가스 감축은 물론, 국가의 미래 먹거리가 되어줄 것으로 전망된다. 이처럼 우리나라의 기술들이 세계 시장을 석권하고, 지속 가능한 미래를 만들어가는 데에 큰 역할을 할 수 있길 바란다.