ESS1)는 신재생 발전설비의 증가와 더불어 급속히 증가하고 있다. 전 세계 ESS 설비 규모는 2022년 43.8GW에서 2030년 508GW/1,432GWh로 10배 이상 증가할 전망이다. 우리나라는 2017년 이후 지속적으로 발생하고 있는 화재 사고로 신규 설치가 급감하였으나, 2022년 4.1GW에서 2030년 6.0GW로 증가할 전망이다.[1] 국내 ESS는 대부분 리튬이온 배터리를 사용하고 있으며, 2017년 8월부터 지속적으로 발생하고 있는 화재 사고로 인해 사업 및 운영에 큰 타격을 받고 있다. 2018년 하반기부터 시작된 정부와 민간의 다양한 노력에도 불구하고 2024년 최근에 화성 배터리 공장에서 발생한 화재는 안타깝게도 23명의 목숨을 앗아갔다. 이에 정부는 ESS 관리를 강화하기로 했으며, 5년간 국가안전관리기본계획으로 5대 전략 15개 추진 과제를 수행하기로 하였다. 5대 전략으로는 새로운 위험에 대비하는 재난안전관리, 디지털 기반의 재난안전관리, 현장에서 신속하게 작동하는 재난안전관리, 회복력을 강화하는 재난안전관리, 국민과 함께하는 재난안전관리 등이다.[2]

본고에서는 다양한 실증을 통해 확인할 수 있었던 리튬이온 배터리 화재 발생 징후와 이를 감지하기 위한 계측 기술의 필요성에 대해 기술하고자 한다. 정부 연구과제는 산업부와 에너지기술평가원의 지원으로 한전이 주관하여 가스안전공사, 한국전기기술인협회, 한국산업기술시험원, 한국화학융합시험연구원, 인텍FA와 수행한 “ESS 안전 확보를 위한 실증 기반의 안전성 평가지표 개발 및 시설 기준 제정”(2019.6~2021.11)이다. 본고에서 기술하는 화재 징후는 리튬이온 배터리를 가장 많이 사용하고 있는 미국, 중국에서도 유사한 결과의 관련 문헌을 확인할 수 있다.

1. ESS의 구성

리튬이온 배터리를 사용하는 ESS 구조는 그림 1과 같다. 최소 단위인 셀부터 모듈, 트레이, 배터리 운영시스템(BMS, Battery Management System), 스위치기어, 랙, 뱅크, 배터리실 등으로 구성되었다. 배터리 운영시스템은 배터리에서 측정한 전압, 온도 등의 계측 데이터를 기반으로 배터리를 안전하고 효율적으로 운영하기 위한 목적을 가지고 있다. 제작사별로 계측 포인트 및 배터리 운영시스템의 위치가 조금씩 차이가 있다. 모든 셀의 정보를 계측하여 감시 운영하는 것이 가장 안전하나, 모듈의 구조와 경제성을 고려하여 필요한 부분에서만 계측 정보를 취득하고 있다.[3]
2. ESS 화재 메커니즘
규명을 위한 실증 시험

화재 징후를 계측하고 방지하기 위해서는 화재가 어떻게 발생하는지를 규명한다. 우선 몇 가지 실증 시험을 소개하고, 시험에서 경험한 계측 데이터의 변화와 계측 방법의 한계를 설명하고자 한다.

그림 2는 셀 3개를 병렬로 연결하고, 셀 1개를 내부단락시켜 전류 쏠림에 의해 화재를 유도한 시험이다. 셀 3개를 시험한 것이지만, 실제 ESS 구조에서는 모듈 내부의 셀과 다수의 랙이 병렬로 연결되는 경우와 유사한 결과를 보여준다.[3] 

그림 2에서 내부단락을 유도한 셀 1개는 내부저항의 감소, 전극의 단락, 전류의 증가, 전해액의 온도 상승, 전해액의 가스 및 연기 발생 등의 현상을 보여준다.[3] 그림 3과 4는 각각 병렬로 연결된 셀 5개 중 1개 셀의 내부단락 시험과 병렬로 연결된 모듈 3개 중 1개 모듈 내부의 셀 일부의 내부단락 시험이다.[3]

그림 3의 시험 결과는 그림 2의 시험 결과에 따라 화재가 발생하고, 셀 1개의 화재가 나머지 셀의 화재로 확산되었다. 이 경우 수초 동안의 연기를 감지한 후 바로 화재로 이어졌는데, 그림 2에서 다른 계측 데이터를 미리 감지하지 않고서는 연기 발생 이후 화재를 방지하거나 진압하기 어렵다.[3]

그림 4에서 모듈 1개의 일부 셀을 순차적으로 1개씩 내부단락을 시켜 모듈 3개 중 모듈 1개의 내부저항이 점차적으로 줄어드는 상황을 시험하였다. 내부저항이 감소하는 모듈의 각 셀과 모듈 전체의 내부저항의 변화가 시작되었다. 또한 정상 모듈에서 내부단락이 진행되고 있는 모듈로 전류가 흐르기 시작한다. 내부저항이 감소하는 셀에서 가스가 발생하고, 전류의 흐름으로 온도가 상승한다. 추가적으로 셀을 내부단락시켜 나갔다. 이미 셀과 모듈의 내부저항, 가스, 전류, 온도의 변화를 겪고 있지만, 데이터를 취득하는 계측 센서가 설치되어 있지 않는 한 변화를 감지할 수 없다. 그림 2~4의 배터리 시험에서 화재가 발생하기 전에 계측할 수 있는 데이터가 있으며, 화재가 발생한 이후에는 화재 진행 속도가 빨라 전기적인 차단으로는 화재 확산 방지가 어렵다. 따라서 화재가 발생하기 전에 계측 가능한 데이터의 정확한 취득을 위해서는 계측 센서와 장치의 개발이 필요하다.[3]

그림 5는 병렬로 연결한 배터리 내부단락에 의한 화재 시험에서 음향, 광, 오프가스, 배터리 표면온도의 변화를 측정한 결과이다. 음향, 광, 오프가스, 배터리 표면온도 순으로 변화를 감지하였다. 온도 1과 온도 2는 각각 내부단락이 발생한 배터리와 병렬로 연결한 배터리의 표면온도이다. 온도는 100%(= 400℃)로 측정하였으며, 사전 징후가 발생한 후에도 변화 없이 진행하다 갑자기 상승하여 화재로 이어졌다. 그림 3, 4의 열폭주(Thermal Runaway)가 시작되면 화재를 방지할 수 있는 시기를 놓친다.[4]

그림 5의 온도가 상승하는 시점에서 전기적인 신호의 변화를 확인할 필요가 있다. 그림 6에서는 전압, 전류, 온도의 변화를 실증하였다. 병렬로 연결된 7개 셀 중 내부단락을 발생시킨 셀의 전류(CT전류-2)가 급상승한 후 수초 후 셀 온도가 상승하였지만, 전압은 수십 분간 변하지 않았다.[5]

그림 6에서 전류가 증가하기 직전 내부저항의 변화와 전류, 전압, 온도의 변화를 확인할 필요가 있다. 그림 7에서는 내부저항이 변하는 동안 온도, 전압, 전류가 변화가 없다. 이후 온도가 상승하였으나 여전히 전압, 전류가 변하지 않았다.[5]

그림 8은 그림 5~7과 유사한 결과를 보여주는 국외 연구 결과이다. 가스를 가장 먼저 계측하였으며, 이후 연기·온도 상승을 수 초간의 차이로 순차적으로 계측하였으며, 전압 변화는 없다가 수십 초 후에야 감소하였다. 그림 5~7과 같은 실증에서 전압의 변화는 배터리 화재가 발생한 시점에서 감소하였으며, 그림 8에서도 온도가 300℃ 정도 상승한 후 감소한 것으로 보아 화재가 발생했다.[6]
그림 5~8에서 화재를 방지하기 위해서는 배터리 내부저항을 포함하는 임피던스와 이후 배터리의 화재 징후로써 음향, 광, 오프가스를 계측할 필요성을 확인할 수 있었고, 이러한 사항은 노르웨이 선급협회 DNV-GL 보고서에서도 확인할 수 있다.

또한 임피던스 측정 기술은 EIS(Electrochemical impedance spectroscopy)와 ICI(Intermittent Current Interruption) 두 가지 방법을 주로 사용한다. EIS는 특정 주파수별 임피던스를 측정하는 방법이고, ICI는 정지 중 전류를 차단한 후 임피던스를 측정하는 방법이다. 두 기술은 정상 운전 중 임피던스를 정확히 측정하며, 배터리를 안전하게 운용하는데 중요하다. 두 기술은 온라인 실시간 상용화, 측정 중 배터리 사용 가능 여부, 정확도, 측정 시간, 충방전 부하 유무, 측정 장치의 크기와 복잡성, 가격 면에서 해결해야 할 점이 있다. 화재 징후를 신속하게 측정하기 위해서는 두 가지 기술 모두 측정 시간이 수 분에서 수 시간 걸리는 점을 해결해야 한다. 또 구조가 복잡하고 가격이 저렴하지 못해 대량 상용화 측면에서 어려움이 있다. 노력의 일환으로 국내 기업인 민테크에서는 EIS와 BMS를 결합한 전기차 배터리 진단 시스템을 2024년에 공급할 계획이라고 발표했다. 민테크는 검사 시간 15분, 정확도와 신뢰도 95%, 98%를 보장하는 장비를 개발 중이다. 연구개발은 10여 개 기업으로부터 총 투자비 300억 이상을 유치하여 진행하고 있다.[7]

오프가스를 측정하는 기술은 미국 Nexveris사의 Lion-Tamer와 영국 Protec사의 Cirrus Hybrid 오프가스 감지기 등이 있다. Lion-Tamer는 2008년부터 미 해군의 자금 지원으로 10년간 개발한 Chemi-resistive 타입의 센서이며, 미국에서 상용화되었다
(국내에서도 일부 사용 중). Cirrus Hybrid는 미세입자 수의 이상적인 증가를 측정하고, 빛의 투과율 변화를 감지하는 방식의 센서이다.[8, 9]

리튬이온 배터리를 사용하는 ESS, UPS, EV, 선박 등의 현장에서 화재 징후를 신속히 감지하는데, 두 가지 기술을 적용하기 위해서는 임피던스 측정 장치와 오프가스 센서를 실시간으로 상시 운용이 가능하고, 1초 이내로 측정이 가능하며, 초소형의 저가형 계측 장치로 개발할 필요가 있다.

3. 연구개발 방향 및 맺음말

리튬이온 배터리는 전력산업, EV, 선박 등의 대용량 설비로 지속적인 증가가 예상된다. 특히 전력산업은 신재생 발전설비 증가로 인한 급속한 공급과 수요의 불균형을 해결하기 위해 ESS를 더욱 잘 활용해야 하며, 기술개발의 뒷받침이 절실하다. 리튬이온 배터리는 고밀도의 에너지를 저장하는 장치로 개발되고 있다. 리튬이온 배터리는 사용 중인 LNG, 휘발유, 수소 등과 같은 에너지이며, 쉽게 열로 변환될 수 있다. 고밀도 에너지원의 화재 징후를 사전에 감지할 수 있는 임피던스 및 오프가스 센싱 기술의 국산화 개발이 성공적으로 이뤄지고, 디지털 트윈·인공지능·빅데이터 분석 등의 기술과 접목하여 운영자들이 편리하고 신속하게 설비 상태를 확인하고 조치할 수 있다. 이렇게 함으로써 산업을 보다 안정적으로 운영하고 발전시키며, 인명과 재산 피해를 방지할 수 있다.

<참고문헌>

[1] 에너지스토리지(ESS) 산업 발전전략,  산업통상자원부, 2023.10.31
[2] “화성 화재참사 반복 안 된다. ESS 등  신산업 안전대책 고삐, 파이낸셜 뉴스, 2024.6.30
[3] “ESS의 화재발생 과정과 이를 방지하기 위한  계측기술 개발의 필요성”, 자동제어계측,  2020년 10월호
[4] “배터리형 ESS의 화재 조기감지 및 방지  운영기술 개발”, 자동제어계측, 2021년 10월호
[5] 최종보고서, 연구과제 “ESS 안전 확보를 위한  실증 기반의 안전성 평가지표 개발 및  시설기준 제정”, 한국에너지기술평가원, 2022
[6] Sascha Koch, Kai Peter Birke, Robert Kuhn,  “Fast thermal runaway detection for lithium- ion cells in large scale traction batteries,” p4,
 Batteries 2018, 4, 16, March 2018
[7] [배터리데이 2023] 민테크, EIS·BMS 복합 전기차  배터리 진단 내년 상용화, 전자신문, 2023.5.21
[8] Off-가스 조기 검출에 의한 ESS 화재예방 방안,  한국첨단기술융합학회, 2018.12
[9] Winners of the 2023 intersec Awards  announced, IFSJ international fire&safety  journal, 2023.1.19

gplim16@kepco.co.kr