1. 머리말

빈 리튬이온배터리는 현재 가장 널리 사용되는 충전식 배터리 중 하나로써 휴대폰, 노트북, 전기차, 에너지저장시스템 등에 광범위하게 사용되고 있다. 산업계에서는 리튬이온배터리의 단점을 보완할 전고체배터리(All Solid-State Battery)에 대한 연구가 이루어지고 있으나, 성능 검증 및 양산까지는 상당 기간 소요될 것으로 보여 리튬이온배터리에 대한 수요는 꾸준히 증가할 것으로 예상된다. 리튬이온배터리 제조공정은 전해액 등 다량의 인화성 액체를 취급하고 배터리 특성상 열폭주(Thermal Runaway) 및 재발화(Reignition) 특징을 갖고 있어 화재 시 소화가 어려우며, 클린룸을 포함한 작업장은 연기로 인한 오염 피해 위험을 내재하고 있다. 따라서, 이러한 위험 요소를 관리하고 사고를 예방하기 위해 철저한 방화 관리가 필수적이다. 본 가이드는 리튬이온배터리 제조공정에서의 화재 및 폭발 위험을 최소화하고, 사고로부터 인명과 재산을 보호하기 위하여 필요한 최소한의 요구사항을 제공하기 위해 제정되었다. 참고로, 본 가이드는 리튬이온배터리 셀을 제조하는 공정에 적용되며, 배터리 4대 구성요소가 상이한 1차 리튬배터리는 본 가이드에서 제외하였다.

2. 리튬이온배터리 제조공정

빈 리튬이온배터리는 리튬산화물을 양극활물질, 흑연을 음극활물질, 다공성 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌 필름을 분리막, 리튬염 계열인 육불화인산리튬 전해질을 유기용매에 용해하여 전해액으로 사용하는 배터리로써 외부 패키징 형태에 따라 원통형, 각형, 파우치형으로 분류된다.

빈 리튬이온배터리 제조공정은 고도로 정밀하고 청정한 환경에서 진행되며, 다양한 화학물질을 취급하고 고온공정을 포함한다. 주요 공정은 극판공정, 조립공정, 화성공정으로 구분되며, 각각의 공정은 신뢰성 있는 안전장치와 엄격한 안전관리가 요구된다. 그림 3은 리튬이온배터리 제조공정의 일반적인 공정 흐름도이며, 제조사에 따라 세부 공정은 다를 수 있다.

가. 극판공정

빈 양극과 음극을 만드는 극판공정은 크게 믹싱, 코팅 및 건조, 프레스, 슬리팅, 진공 건조로 구분할 수 있다.

(1) 믹싱

빈 활물질에 도전재, 바인더 및 용매 등을 넣고 섞어 양극합제 및 음극합제 슬러리를 만드는 공정이며, 용매로는 주로 NMP(N-Methyl-2 Pyrrolidone)가 사용된다. NMP의 인화점은 일반적으로 80~96℃ 정도이다.

(2) 코팅 및 건조

빈 알루미늄 기재(양극) 및 구리 기재(음극)에 믹싱을 거친 슬러리를 일정한 두께로 코팅한 후 건조를 통해 슬러리 내의 용매와 수분을 제거하는 공정이며, 건조 온도는 일반적으로 115~130℃ 정도이다. 열원으로 열매유와 전기히터를 주로 사용하며, 건조로에서 증발된 용매를 회수하여 재사용하기 위한 용매 회수 플랜트(SRP, Solvent Recovery Plant)가 운영되기도 한다.

(3) 프레스

빈 롤 프레스를 이용하여 기재에 활물질이 잘 붙도록 압력을 가하는 공정이며, 열매유 등을 이용하여 롤을 가열하기도 한다.

(4) 슬리팅

빈 슬리터를 이용하여 설계된 배터리 규격에 맞게 극판 폭을 자르는 공정이다.

(5) 진공 건조

빈 진공 조건에서 일정 시간 건조하는 공정으로 공정 중 흡입된 극판의 수분을 최종적으로 제거하는 공정이다. 경우에 따라 생략될 수 있으며, 일반적으로 130~200℃ 정도의 전열 등을 사용한다.

나. 조립공정

빈 배터리의 형태를 만드는 조립공정은 크게 와인딩 또는 스태킹, 탭 용접, 패키징(전해액 주입)으로 구분할 수 있다.

(1) 와인딩 또는 스태킹

와인딩은 양극판과 음극판 사이에 분리막을 넣고 돌돌 말아 젤리롤을 만드는 방식이며, 스태킹은 여러 개의 극판을 분리막을 사이에 두고 층층이 번갈아 가면서 쌓아 올리는 방식으로 라미네이션 & 스태킹(스택 & 폴딩)과 Z-스태킹(지그재그)으로 구분된다.

(2) 탭 용접

극판으로부터 흘러나오는 전류를 한곳으로 모으는 공정으로 양극판과 음극판 무지부에 탭을 접착시키는 공정이며, 기존에는 초음파 방식을 이용하였으나 이후 레이저 방식으로 변경되었다.

(3) 패키징(전해액 주입)

전해액을 주입한 후 최종 배터리 형태로 모양을 형성하고 밀봉하는 공정이다. 각형과 원통형은 캔-캡(Can-Cap) 용접 후 전해액 주입 및 밀봉하며, 파우치형은 패킹 후 전해액 주입 및 밀봉한다. 사용되는 전해액의 인화점은 일반적으로 25℃ 정도이다.

다. 화성공정

빈 배터리의 특성을 띠게 하는 화성공정은 크게 충방전과 에이징으로 구분할 수 있다.

(1) 충방전

방화구획 대상은 건축 관계 법령 뿐만 아니라 공정별 위험요소를 고려하여 피해 규모를 최소화할 수 있도록 선정하여야 한다.

(2) 에이징

배터리의 성능을 안정화시키기 위해 정해진 온도와 습도에서 일정 기간 동안 배터리를 보관하며, 상온 에이징과 고온 에이징으로 구분된다. 에이징을 통해 배터리 내부에 전해액이 고르게 분산돼 리튬이온의 이동이 최적화될 수 있도록 한다.

3. 리튬이온배터리 제조공정 안전관리 가이드(KFS 415) 주요 내용

빈 본 가이드는 국내·외 관련 자료 검토 및 현장 조사를 통해 제정되었으며, 목차 구성은 표 1과 같다.

가. 건물구조

빈 건물의 구조는 제조공정의 특성을 반영하여 인화성 액체 취급과 고온 작업을 안전하게 수행할 수 있도록 계획되어야 하며, 공정별 환경조건 역시 검토되어야 한다. 표 2는 일반적인 세부 공정별 클린룸 및 드라이룸 분류이다.

(1) 방화구역

(가) 방화구획 대상은 건축 관계 법령 뿐만 아니라 공정별 위험요소를 고려하여 피해 규모를 최소화할 수 있도록 선정하여야 한다.

(나) 방화구획 내화성능은 최소 1시간 이상이어야 하며, 방화구획 내화성능 적용 시에는 건축물의 층수 및 높이 뿐만 아니라 가연물의 종류와 양, 스프링클러설비의 방수시간 등이 고려되어야 한다.

(다) 폐배터리를 폐기처리하는 셀폐기장 또한 방화구획 대상에 포함되어야 하며, 셀폐기장은 비교적 화재발생 위험이 높기 때문에 근본적으로 다른 건물들과 이격하는 것이 바람직하다.

(2) 컨베이어 관통부

(가) 컨베이어가 방화구획 벽체를 관통하는 경우 개구부에 자동폐쇄식 방화문 또는 자동방화셔터를 설치하여야 하며, 이들 방화구획 설비에 드렌처설비를 부가하여 설치하는 것은 권장되나 드렌처설비만을 단독으로 설치하는 것은 바람직하지 않다.

(나) 컨베이어가 바닥을 관통하는 경우 상기 조건 이외 바닥판 아래쪽에 깊이 50㎝ 이상의 방연커튼으로 개구부 주위를 둘러싸거나 물분무헤드를 설치하여야 한다.

나. 공정위험

(1) 극판 건조로

(가) 배기설비에는 정전 시를 대비하여 비상전원을 공급하는 등 대책이 마련되어야 한다.

(나) 배기덕트에는 Non Spark 재질의 필터 및 배기팬을 설치하여야 한다.

(다) 건조로 챔버의 인화성 유증기 농도에 따른 인터록이 구성되어야 한다. 용매로 사용되는 일반적인 NMP의 폭발범위는 0.9~3.9%이며, 폭발하한 25% 알람 발생 및 40~50% 설비 정지 설정이 바람직하다.

(2) 열매유 취급

(가) 팽창탱크는 가급적 높은 곳에 설치하여야 하며, 액위조절계 및 경보장치를 설치하여 팽창탱크의 액위를 감시하여야 한다.

(나) 팽창탱크에 벤트가 설치된 경우 벤트의 배출구는 안전한 곳으로 배출되도록 하여 건물 및 설비의 손상 또는 근로자의 상해가 없도록 하여야 한다.

(다) 열매유 배관에 사용하는 단열재는 열매유가 보온재에 스며들어 자연 발화되는 것을 방지하기 위하여 셀룰라 글라스(Cellular glass)와 같은 비흡습성 재질이어야 한다.

(3) 전해액 취급

빈 전해액은 조립공정의 버퍼탱크로 공급된 후 주입설비를 통해 리튬이온배터리 셀에 주입되며, 버퍼탱크로의 공급은 드럼 운반 또는 공급실로부터의 배관으로 이루어진다. 일반적으로 사용되는 전해액은 비교적 낮은 인화점을 갖고 있으므로 취급 시 특별한 주의가 필요하다.

빈 (가) 전해액을 취급하는 장소(공급실, 버퍼탱크, 주입설비)는 방폭구역으로 관리되어야 하며, 유출방지조치 및 자동식소화설비로 방호되어야 한다.

빈 (나) 버퍼탱크에서 화재가 발생하거나 전해액이 누출되었을 경우 공급실로부터의 전해액 공급은 자동으로 중단되어야 하며, 수동으로도 조작이 가능하여야 한다.

빈 (다) 주입설비에는 가스감지기가 설치되어야 하며, 주입설비의 배기설비가 정지된 경우 주입설비 또한 정지되도록 인터록이 구성되어야 한다.

(4) 충방전 및 에이징

빈 충방전룸과 에이징룸은 다량의 배터리가 보관되어 있는 랙 창고의 형태를 띠며, 배터리 운반을 위해 스태커 크레인이 운영된다. 스태커 크레인에 사용되는 전선은 내화전선을 사용하고, 스태커 크레인의 컨트롤 패널은 자동식소화설비로 방호되는 것이 바람직하다.

(가) 충방전

• ① 충방전 시스템은 배터리 셀 온도, 전압, 전류를 실시간으로 모니터링하고, 이상 발생 시 즉각적으로 충방전 작업을 중단할 수 있어야 한다.
• ② 트레이 위치 틀어짐 및 프로브핀 휨 등 충방전 시스템의 물리적 변형은 자동제어시스템을 통해 검출되어 보정되어야 한다.
• ③ 충방전룸 각각의 랙 스테이지에는 배터리 셀의 오프가스를 감지할 수 있는 감지설비가 설치되어야 하며, 오프가스가 감지된 경우 해당 랙 스테이지의 충방전 시스템은 셧다운 되도록 인터록이 구성되어야 한다.

(나) 에이징

• ① 에이징룸 각각의 랙 스테이지에는 배터리 셀의 오프가스를 감지할 수 있는 감지설비가 설치되어야 하며, 오프가스가 감지된 경우 해당 랙 스테이지의 배터리는 스태커 크레인에 의해 자동으로 반출되어야 한다.
• ② 에이징룸에는 스태커 크레인에 의해 자동으로 반출된 배터리를 침수시킬 수 있는 수조를 설치하여야 한다.
• ③ 반출된 배터리는 최종적으로 수조에 침수되어야 하며, 수조로 이동 시 스태커 크레인의 배터리 셀 수납함에서 1차적으로 소화가 이루어지는 것이 바람직하다.

(5) 폐배터리

빈 폐배터리는 리튬이온배터리 제조공정 중 배터리 성능이 기준에 미달되어 폐기하는 배터리로, 전기적 및 화학적으로 불안정한 것으로 간주된다.

(가) 폐배터리를 폐기처리하는 셀폐기장은 스프링클러설비로 방호되어야 한다.

(나) 공정지역에서 셀폐기장으로의 폐배터리 반출 주기는 공정지역에서의 보관 기간을 최소화할 수 있도록 수립하여야 하며, 어떠한 경우에도 1일을 초과해서는 안 된다.

(다) 폐배터리는 공정지역에서 수조에 담긴 상태로 보관 및 운반되어야 하며, 수조는 불연성 재질이어야 한다.

다. 소방시설

(1) 스프링클러설비

(가) 리튬이온배터리 제조공정의 모든 건물에는 습식 스프링클러설비가 설치되어야 한다.

(나) 충방전룸 및 에이징룸의 스프링클러설비는 표 3과 같이 설계면적에 대한 살수밀도를 공급할 수 있도록 수력학적으로 설계되어야 한다.

(다) 상기 스프링클러설비에 더하여 1,900LPM의 소방호스 용수가 공급되어야 하며, 이러한 설비들의 소화용수는 60분간 공급되어야 한다.

(라) 각각의 랙 스테이지에는 인랙 스프링클러헤드가 설치되어야 하며, 인랙 스프링클러헤드는 배터리 취급에 있어 파손되지 않도록 보호되어야 한다.

(마) 에이징룸의 천장 높이가 12m를 초과하는 경우 수직 화염 전파를 막기 위해 랙 스테이지 바닥에 금속판 등의 수평판(Horizontal Barrier)을 설치하고, 그 아래에 인랙 스프링클러헤드를 설치하여야 한다. 이때, 수평판의 수직 간격은 최대 3.7m 이내이어야 한다.

(2) 자동화재탐지설비

(가) 리튬이온배터리 제조공정의 모든 건물에는 아날로그식감지기가 설치되어야 하며 클린룸, 충방전룸 및 에이징룸에는 공기흡입형감지기가 설치되어야 한다.

(나) 아날로그식감지기는 화재표시설정온도 등에 따라 종류, 종별에 의한 감지기를 선정해서 설치하여야 한다.

(다) 공기흡입형감지기는 기류의 배기 흐름 부분에 설치되어야 한다.

라. 안전관리

(1) 비상대응 계획

(가) 제조공정에서 발생할 수 있는 다양한 비상상황(화재, 폭발, 누출 등)에 대비한 계획을 수립하여야 한다.

(나) 비상대응 계획은 최소 연 1회 이상 검토 및 갱신되어야 하며, 공정 변동 시 즉시 업데이트 되어야 한다.

(다) 각 비상상황별 대응 절차를 상세히 작성하여 외국인을 포함한 모든 직원이 이해하고 숙지할 수 있도록 하여야 한다.

(라) 비상대응 절차에는 초기 대응, 인명 구조, 화재 진압, 환경 보호 등의 내용을 포함하여야 한다.

(2) 교육 및 훈련

(가) 리튬이온배터리 제조공정에 관련된 안전 규정, 비상대응 절차 등을 포함한 교육 프로그램을 개발하여야 한다.

(나) 교육 프로그램은 외국인을 포함한 모든 직원을 대상으로 하며, 정기적인 교육을 실시하여야 한다.

(다) 교육 내용에는 공정 안전, 개인 보호장비 사용법, 비상대응 절차, 피난 요령 등이 포함되어야 한다.

(라) 비상 훈련은 최소 연 2회 이상 실시하며, 각 훈련 후 평가를 통해 개선점을 도출하고 반영하여야 한다.

4. 맺음말

빈 과거 ESS 화재에 이어 최근 전기차 화재가 지속적으로 발생됨에 따라 사회적으로 리튬이온배터리에 대한 경각심이 높아지고 있으며, 리튬이온배터리 제조공정에서의 사고는 막대한 재산손실과 인명피해로 이어질 수 있다. 사고를 예방하고 피해를 최소화하기 위한 안전관리 가이드 수립은 필수적이라고 생각되며, 본 가이드가 관련 산업계에서 적극적으로 활용되어 사회 안전망 구축에 도움이 되길 기대한다.