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휴대용 배터리는 유죄인가?
우리 주변 과학 이야기
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Feb 14. 2025
2025년 1월 27일 김해공항의 에어부산 항공기 화재는 보조배터리에서 시작된 화재가 다른 수화물로 옮겨 붙은 것으로 의심받고 있다. 화재 진화 후 사진을 보면, 항공기 동체의 윗부분이 심하게 훼손된 것을 볼 수 있다. 객실 내 좌석 위 짐칸인 오버헤드 빈(Overhead Bin)이 탔는데 다른 원인은 뚜렷하게 안 나오고 있다.
최근 항공기 사고에 민감해진 승객들은 탈출하기 위해 모두 일어나 복도로 나왔고 밀고 밀치고 당연히 대혼란이 벌어졌다. 승무원의 안내가 있기 전에 스스로 비행기 문을 열고 탈출했다고 한다. 순식간에 일어난 일이라 냉정함을 찾기엔 급박한 순간이었다. 모두 무사히 대피했기에 망정이지 큰 사고로 이어질 뻔했다.
휴대용 전자장비가 늘어남에 따라 충전이 가능한 2차 배터리는 이제 생활의 필수품이 되었다. 배터리를 사용하는 제품은 전기자동차, 휴대전화, 노트북만을 떠올릴 수도 있지만 태블릿, 블루투스 스피커&이어폰, 해외용 Wifi 기기(일명 도시락), 전자담배, 면도기, 무선청소기, 전동공구, 카메라, 보조배터리, 전기자전거, 각종 개인형 이동장치(Personal Mobility, PM), 드론, 의료기기, 태양광 및 풍력 에너지 저장 장치 등 그 종류를 다 헤아릴 수 없을 정도로 많고 더 많아질게 분명하다.
샤오미 파워 뱅크, 위키미디어: nijanthan_v이처럼 배터리의 용도는 늘어나고 있고 점점 고용량에 콤팩트해지는 추세이다(즉 내부가 복잡해 진다는 이야기다). 이제 배터리 없는 생활은 절대 상상할 수 없다. 하지만 배터리의 특징상 단락이나 합선이 일어나 화재가 발생하면 순식간에 불이 커지고 소화도 극히 어렵다. 이렇다 보니 모든 배터리를 검사할 수도 없고, 화재 시 항공사에게 그 책임을 묻기도 어려워졌다. 가장 많이 사용되는 리튬 배터리 화재에 대해 알아보자. [리튬 배터리의 메커니즘은 하단 [보론] 참조]
리튬 배터리 화재의 원인 및 특성
리튬 배터리는 화재에 취약한데 또 태생적인 특징 때문에 불을 끄는 것이 정말 힘들다.
리튬 배터리의 화재 원인 설명도, 출처: Qingsong Wang et. al., 20191. 열폭주 현상
배터리 내부에서 열이 발생하면 특정 온도(50~140℃) 이상에서 급격하게 온도가 상승하는 열폭주 (Thermal Runaway) 현상이 발생할 수 있다. 이 상태가 되면 배터리 내부의 화학반응은 통제 불가능해지면서 폭발과 화재로 이어질 수 있다. 특히 리튬 이온 배터리는 에너지 밀도가 높아 열폭주 위험이 더욱 크다. 산소와 결합한 화재가 아니라 화학반응이 다 끝나야 비로소 꺼진다.
2. 유독 가스 발생
배터리 화재 시에는 다량의 유독 가스가 발생한다. 이러한 가스에는 불화수소산 (Hydrofluoric acid), 일산화탄소 (Carbon monoxide) 등 유해한 물질들이 포함되어 있어 흡입 시 심각한 건강 문제를 일으킬 수 있다. 특히 불화수소산은 독성이 매우 강하여 피부에 닿으면 심한 화상을 유발할 수 있으며, 호흡기를 통해 흡입될 경우 폐 손상까지 생길 수 있다.
3. 진압의 어려움
배터리 내부는 복잡한 구조로 이루어져 있어 화재 발생 시 외부에서 물이나 소화 약제를 주입하더라도 포장제를 넘어 내부까지 효과적으로 침투시키기 어렵다. 또한 배터리 자체에서 반응에 의해 계속 열이 발생하기 때문에 재발화의 위험도 높다.
리튬 코발트 배터리의 열폭주 현상 개괄도, 출처: Qingsong Wang et. al., 2019수화물 허용 제품 구별하기
항공사에서 제한하고 있는 수화물 중 규제하는 보조배터리의 Wh(와트시)는 다음과 같은 공식으로 계산할 수 있다.
Wh = (전압 × mAh) ÷ 1000
예를 들어, 전압이 3.7V이고 mAh가 10,000mAh인 보조배터리의 Wh는
Wh = (3.7V × 10,000mAh) ÷ 1000 = 37Wh
Wh는 배터리가 장착된 기기를 1시간 동안 동작시킬 수 있는 전력량을 의미한다. 보조배터리의 용량은 mAh로 표기하는 경우가 많지만, 대형 파워 뱅크는 Wh로 표기하는 경우가 있다.
대한항공 리튬 배터리 장착 전자기기 수화물 기준, 출처: 대한항공 홈페이지조금 김 빠지는 이야기지만, 160Wh이란 매우 대용량의 배터리다. 일반적으로 갖고 다니는 휴대용 보조배터리나 노트북배터리, 스마트폰배터리는 근처도 못간다. 아래 사진에서 보이는 대용량 파워뱅크도 3.7v, 30,000mA로 용량은 111Wh 정도밖에는 안된다. 160Wh면 전문 방송용 카메라 등에 쓰이는 대형 배터리의 용량 수준이다.
고용량 보조배터리, ⓒ 전기주제품의 규격, 용량은 보통 제품에 표시되어 있는데, 규격이 쓰여 있지 않은 제품은 정식수입제품이 아닐 가능성이 크다. 한국에서 판매되는 보조배터리(전자제품)는 다른 나라에서 인증을 받았거나 말거나 무조건 KC인증을 받아야 하며, KC번호(AB000000-00000A 이런 식으로 쓰여있다)는 국가기술표준원 제품안전정보센터 홈페이지에서 KC제품안전정보를 클릭하여 확인할 수 있다. 하지만 방금 해보니 용량은 표시되어 있지 않다. 일부 보도에서 용량 확인이 된다고 하는데 검색을 안 해보고 기사를 쓴 모양이다. 사실 이 사이트는 한국에 출시 인박한 제품의 출시정보를 추론해 보는데 많이 쓰인데. 애플이 새 핸드폰을 한국에 출시하려면 인증을 먼저 받아야 하기 때문이다.
올바른 배터리 생활
당분간 리튬 배터리를 대체하는 안전이 완벽한 물건이 나오기는 힘들 것이다. 따라서 내 물건의 피해, 다른 사람의 피해를 방지하는 사용법을 익히는 게 먼저다. 일단 이상시 바로 조처가 가능하게 손에 닿는 곳에 보관해야 한다. 이번 사고 같이 한 번에 꺼내기 어려운 오버헤드 빈에 보관하다 열폭주가 나게 되면 뒤처리가 어렵다. 바로 집어서 격리시키거나 소화작업을 할 수 있도록 좌석 아래에 넣어 두는 것이 좋다. 일차적으로 화재가 났을 때 다른 곳에 옮겨 붙기 전에 이동시키고 불을 끌 수 있도록 개개인이 보관하여야 한다.
국토교통부는 2025년 3월 1일부터 국내 항공사 여객기 안에서 보조배터리와 전자담배를 선반에 보관할 수 없다는 조치를 발표했다. 또 기내 반입하려면 지퍼백에 보관하거나 절연 테이프로 충전 단자를 감아 화재 가능성을 차단해야 한다. 기내에서는 배터리를 이용한 충전은 가능하지만 배터리의 충전은 안된다. 물론 국내 항공사에만 해당하는 조치이고 벌칙규정이 있는 것은 아니지만 상당 부분 화재의 위험성을 줄일 수 있을 것으로 보인다. 물론 100% 안 난다는 보장은 없다.
리튬 배터리는 충격을 주면 폭발할 수 있기 때문에 사용 시 충격에 더욱 조심해야 한다. 견고한 배터리 케이스를 사용하면 좋다. 좁은 좌석에서 배터리가 떨어져서 의자틈 등에 끼게 되면 케이스가 파손되며 화재로까지 이어질 수 있다. 이때는 절대로 의자를 움직이지 말고 승무원에게 도움을 요청해야 한다. 혹시라도 잘못되면 비행기를 태워먹거나 비행이 중단될 수도 있다.
배가 튀어나온 배터리: 위키미디어: Tobias ToMar Maier리튬 배터리는 화학반응을 통해 전기를 만든다. 배터리가 오래되면 이 화학반응이 더 이상 완벽하게 완료되지 않아 전해액이 기화되어 가스가 발생하고 배터리를 부풀어 오르게(swelling) 한다. 또한 배터리 내부 층들이 (손상이나 결함으로 인해) 적절한 분리를 유지하지 못하면 가스 방출, 팽창 및 화재가 발생할 수 있다. 가스 방출의 다른 원인으로는 제조 과정에서 발생한 결함, 과충전, 과도한 온도 등이 있으며, 셀 내부에서 원치 않는 화학반응을 일으킬 수 있다. 시큼한 냄새가 난다면 전해액이 새는 것이니 바로 폐기하여야 한다. 그리고 배터리는 소모품이다. 충전과 방전을 반복하면서 충전시간이 길어지고 방전시간은 짧아진다.
리튬 배터리 화재의 진화
일부 보도에 따르면, 리튬이온 배터리의 화재는 일반 화재와 다르기 때문에 금속제화제에 사용하는 D급 소화기를 사용해야 한다고 한다. 하지만 이는 틀린 사실이다. 리튬 배터리 화재에 맞게 생산된 소화기는 아직까지 없다.
소화기에는 사용할 수 있는 화재의 종류에 따라 A등급(보통화재-일반가연물, 나무, 종이), B등급(유류화재- 기름, 알코올), C등급(전기화재), D등급(금속화재), K등급(주방화재)으로 구분된다. 분출물의 형태/종류에 따라서는 거품, 분말, 이산화탄소, 할론 소화기 등으로 구분된다. 우리가 주변에서 쉽게 볼 수 있는 것은 거품형 ABC등급 소화기다.
ABC등급 복합 소화기, @ 전영식한편 D급 소화기는 마그네슘, 나트륨, 칼륨, 리튬을 포함한 가연성 금속이 산소와 반응하여 발생하는 화재를 위한 것이다. 포함된 유리 구체(glass sphere)가 녹으면서 금속 표면에 막을 만들어 화재 및 재발화를 억제하는 기능을 한다. 리튬 배터리는 내부반응에 의한 온도 상승에 따른 열폭주로 화재가 나는데, 완전한 진화 하려면 발화점 이하로 냉각시켜 줘야 한다. 하지만 D급 소화기로는 역부족이다. 오픈된 환경에서 지속적으로 온도를 낮추기는 어렵다. 결국 화재가 일어나지 않도록 하는 방법 밖에는 없다.
전문가의 지시를 반드시 따라야
US Airways Flight 1549 in the Hudson River, New York, 2009, 위키미디어: Greg L항공기와 공항은 일반인이 절대로 알 수 없는 매우 위험한 시설이고 장소이다. 주기장에는 제트엔진을 켠 비행기가 이륙절차를 기다리고 있고, 각종 화물과 연료 등을 실은 차량이 수시로 다닌다. 일반인으로서는 그들의 규칙을 알 수 없다. 위 사진처럼 물 위에 착륙할 수도 있다.
전문가의 안내와 지시를 믿을 수 없다고 다른 승객에게도 위험을 야기할 수 있는 독자적인 행동은 절대로 하면 안 된다. 탑승구 중에는 엔진 바로 앞에 있는 것이 있다. 보통 승기, 하기시에 앞쪽 탑승구만을 이용하기 때문에 잘 모르지만, 중간 탑승구와 뒤쪽 탑승구는 엔진의 흡배기에 직접적인 영향을 받을 수 있다. 따라서 엔진이 정지된 걸 확인하고 이용해야 한다. 엔진이나 유압장치가 멈췄는지 알 수 있는 일반 승객은 없다.
승무원은 당신에게 땅콩, 커피와 식사를 가져오기 위해 함께 비행기에 타는 게 아니다. 항공여행이 안전한 이유는 많은 관계자들이 보이지 않게 여러분들의 안전을 챙기기 때문이다. 반드시 승무원, 전문가의 지시에 따라야 한다.
[보론] 리튬 배터리
리튬배터리의 구성
리튬 배터리는 크게 양극, 음극, 전해액, 분리막으로 구성된다.
- 양극(anode): 리튬 화합물로 만들어진 전극으로, 리튬 이온을 방출하는 역할을 한다.
- 음극(cathode): 탄소 물질로 만들어진 전극으로, 리튬 이온을 받아들이는 역할을 한다.
- 전해액: 양극과 음극 사이에서 리튬 이온이 이동할 수 있도록 돕는 액체 또는 고체 물질.
- 분리막: 양극과 음극이 직접 접촉하는 것을 막아 단락을 방지하고, 리튬 이온만 통과시키는 역할을 한다.
리튬 배터리의 작동 원리
리튬 배터리는 충전과 방전 과정에서 리튬 이온의 이동을 통해 에너지를 저장하고 방출한다.
- 충전: 외부 전원으로부터 에너지를 공급하면, 양극에 있던 리튬 이온들이 전해액을 통해 음극으로 이동한다. 이 과정에서 전기에너지가 화학에너지 형태로 변하여 저장된다.
- 방전: 외부 회로를 통해 전기를 사용하면, 음극에 있던 리튬 이온들이 전해액을 통해 다시 양극으로 이동한다. 이 과정에서 화학에너지가 전기에너지 형태로 방출된다.
리튬 배터리의 장점
- 높은 에너지 밀도: 다른 종류의 배터리에 비해 동일한 무게나 크기에서 더 많은 에너지를 저장할 수 있다.
- 높은 전압: 더 높은 전압을 제공하여 효율적인 에너지 사용이 가능하다.
- 긴 수명: 충방전 횟수가 많아 오랫동안 사용할 수 있다.
- 낮은 자가 방전율: 사용하지 않을 때 에너지 손실이 적다.
리튬 배터리의 종류
리튬 배터리는 양극 물질에 따라 다양한 종류로 나눌 수 있다. 대표적인 종류는 다음과 같다.
리튬 코발트 산화물 (LCO) 배터리: 에너지 밀도가 높지만, 하지만 안정성이 낮아 폭발 위험이 있음. 주로 스마트폰, 노트북 등에 사용.
리튬 망간 산화물 (LMO) 배터리: LCO 배터리보다 안정성은 높지만, 에너지 밀도가 낮음.
리튬 니켈 망간 코발트 산화물 (NMC) 배터리: LCO 배터리와 LMO 배터리의 장점을 결합한 배터리, 에너지 밀도와 안정성이 모두 우수. 전기 자동차, ESS 등에 사용.
리튬 인산철 (LFP) 배터리: 안정성이 매우 높고 수명이 길지만, 에너지 밀도가 낮음. 전기 버스, ESS 등에 사용.
리튬 코발트 산화물 배터리의 구조, 출처: Qingsong Wang et. al., 2019배터리 에너지 밀도와 화재 위험성의 상관관계
배터리 에너지 밀도는 단위 부피당 저장할 수 있는 에너지의 양을 의미하며, 일반적으로 Wh/L(와트시/리터) 단위로 표시된다. 에너지 밀도가 높은 배터리는 동일한 크기에서 더 많은 에너지를 저장할 수 있어 전기 자동차 (EV), 에너지 저장 시스템 (ESS) 등 다양한 분야에서 활용된다. 일반적으로 배터리의 에너지 밀도가 높아질수록 화재 위험성 또한 증가하는 경향이 있다. 그 이유는 다음과 같다.
높은 에너지 함량: 에너지 밀도가 높은 배터리는 내부의 활물질 (양극재, 음극재)의 양이 많아 화재 발생 시 연소될 물질이 많아져 화재 규모가 커질 수 있다.
높은 반응성: 에너지 밀도를 높이기 위해 사용되는 활물질은 일반적으로 반응성이 높아 외부 충격, 과충전, 과방전 등의 요인에 의해 쉽게 발화될 수 있다.
열 폭주 (Thermal Runaway): 배터리 내부에서 열이 발생하면 활물질의 분해 반응이 가속화되며, 이는 더 많은 열을 발생시키는 연쇄 반응으로 이어져 열 폭주를 유발할 수 있다. 열 폭주는 화재 및 폭발로 이어질 수 있다.
리튬 배터리의 안전성
리튬 배터리는 높은 에너지 밀도를 가지는 만큼 안전성 문제가 발생할 수 있다. 과충전, 과방전, 외부 충격 등으로 인해 화재나 폭발 위험이 있다. 따라서 배터리 관리 시스템 (BMS)을 통해 배터리의 상태를 실시간으로 감시하고 제어하여 안전성을 확보하는 것이 중요하다.
최근 배터리 기술 동향
최근에는 에너지 밀도를 높이면서도 화재 위험성을 낮추기 위한 다양한 기술 개발이 진행되고 있다.
안전성 강화된 활물질: 화재 위험성이 낮은 활물질 (예: 리튬인산철)을 사용하거나, 활물질 표면에 보호막을 형성하여 안정성을 높이는 기술이 개발되고 있다.
고체 전해질: 액체 전해질 대신 불연성 고체 전해질을 사용하여 화재 위험성을 낮추는 전고체 배터리 기술이 주목받고 있다.
배터리 관리 시스템 (BMS): 배터리의 상태를 실시간으로 모니터링하고 제어하여 과충전, 과방전, 과열 등을 방지하는 BMS 기술이 발전하고 있다.
배터리 에너지 밀도와 화재 위험성은 어느 정도 상관관계를 가지고 있지만, 기술 개발을 통해 에너지 밀도를 높이면서도 안전성을 확보하는 것이 가능하다. 앞으로 더욱 안전하고 효율적인 배터리 기술이 개발될 것으로 기대된다.
참고문헌
Qingsong Wang, Binbin Mao, Stanislav I. Stoliarov, Jinhua Sun, A review of lithium ion battery failure mechanisms and fire prevention strategies, Progress in Energy and Combustion Science, July 2019, Volume 73, Pages 95-131
전영식, 과학커뮤니케이터, 이학박사