1. 머리말

빈 국제 정책은 파리기후협정 이후 이산화탄소 배출 저감을 목표로 내연기관 차량의 배출가스를 규제하고 친환경 차량의 채택을 촉진하기 위한 조치를 시행하고 있다. 이에 전기동력과 자율주행은 자동차 산업 핵심 전략으로서 국가 성장동력으로 삼고 있다. Global EV Outlook 2024[1] 에 따르면, 2023년 전 세계 전기차 판매량은 1,400만 대에 달하며, 전년 대비 35% 증가하였다. 또한, 국가별로 전기차 판매 비율은 중국이 60%, 유럽이 25%, 미국이 10%를 차지하고 있고, 2045년까지 전 세계 전기차 보급량이 5억 대를 초과할 것으로 예상된다.

빈 한국은 2019년 10월 ‘미래자동차 산업 발전 전략–2030년 국가 로드맵’을 발표하며, 2030년까지 전기·수소차 판매 비중을 33%로 확대하고 보조금 지원 및 충전 인프라 확산을 추진하였다. 그 결과, 매년 전기차에 대한 수요가 증가하고 있고, 2019년 전기차 수가 약 90,000대였으나, 2024년은 146,000대를 초과하고 있다[2].

빈 그러나 전기차에 대한 수요가 증가함에 따라 화재 사고의 수도 급증하고 있다. 전기차에서 발생한 화재는 주행 중 또는 주차 중에 발생하였고, 연간 화재 사고를 살펴보면 2018년 2건, 2019년 3건, 2020년 11건, 2021년 24건, 2022년 44건, 2023년 47건이 발생했으며, 2024년 6월까지 24건이 보고되고 있다[2, 3]. 이는 전기차 증가와 함께 화재 사고가 매년 증가하고 있음을 나타낸다. 전기차의 화재 발생률은 10,000대당 1.68%로, 내연기관 차량의 1.88%보다 낮지만, 전기차의 화재 진압은 훨씬 더 어려우며, 짧은 채택 기간으로 인해 완전히 안전하다고 볼 수 없다.

빈 대부분의 전기차는 높은 에너지 밀도, 긴 사이클 수명, 메모리 효과가 없는 리튬 이온 배터리를 사용한다[4]. 화재적인 측면에서 리튬 이온 배터리는 고온, 강한 배터리 방전, 독성 가스 배출 및 기계적, 전기적, 열적 손상과 같은 극한 조건으로 인해 화재를 유발할 수 있는 안전 문제를 안고 있다[5-9]. 전기차 화재는 단일 셀에서 열 폭주가 발생할 때 발생하며, 이 열이 인접한 셀로 전이되어 연쇄 반응을 일으키고 차량 전체로 화재가 확산된다. 그러므로 전기차 화재를 효과적으로 진압하고 주차장 및 터널과 같은 차량 밀집 지역에서 위험의 확산을 방지하는 것은 매우 중요하다[10]. 또한, 전기차 화재를 진압하는데 상당한 인력과 시간이 소요된다. 열 폭주 현상은 온도가 1,000도를 초과할 수 있고, 이는 건물 화재와 유사한 열을 발생시키며, 많은 인력과 다량의 물로도 효과적으로 진압되지 않는다. 최근, 2023년 1월 서울 용산에서 발생한 전기차 사건에서는 84명의 소방관과 약 44,000리터의 물이 필요하였다. 또한, 이러한 사건의 50% 이상이 여름에 발생하며, 배터리 점화가 화재의 주요 원인이다. 전기차 화재를 진압하는 방법으로는 냉각 진압, 질식 덮개, 폼 소화제, 질식, 차량 침수 등이 있다. 그러나 이러한 방법은 많은 인력과 시간을 소모하며 재발화의 위험이 있어 효과적인 진압 방법이 필요한 실정이다.

빈 이에 본 연구는 전기차 화재에 대한 효과적인 냉각 방법을 찾고자 해외에서 소화약제로 사용되는 소화약제 F-500을 사용하여 일련의 화재 진압 실험을 실시하였고, 본 연구의 결과가 전기차 화재 진압 방법에 대한 기초 자료로 활용되길 바란다.

2. 전기차의 화재원인 및 소화 메커니즘

빈 배터리는 셀(Cell)-모듈(Module)-팩(Pack) 구조로 되어 있어, 하나의 셀이 130℃ 이상 과열되면 부풀어 오르며 오프가스를 방출하고 폭발과 함께 불꽃이 발생해 인접 셀로 급속히 전이되고 열폭주가 진행된다. 이 과정에서 냉각을 위한 주수가 일시적으로 효과를 보이나 리튬과의 반응으로 불길이 더욱 격렬해져 차량이 빠르게 전소되는 과정으로 화재가 발생한다. 리튬이온배터리가 손상되면 열폭주가 발생하면서 내부에서 생성된 오프가스(Off-gas)가 셀 외부로 발산되고, 셀은 배터리팩의 금속 하우징에 의해 외부 충격, 습기, 먼지 등으로부터 보호받지만, 하우징 내부에 생성된 가스는 쉽게 배출되지 못하고 일정 시간 축적된다. 셀 내에서 열폭주가 일어나는 대표적인 요인들로 이산화탄소(CO2), 일산화탄소(CO), 플루오린화수소(HF), 메테인(CH4), 수소기체(H2) 등이 있다. 배터리 내부 압력을 높이는 이산화탄소, 일산화탄소와 발화성과 폭발성을 지닌 메테인(CH4)과 수소 기체(H2) 등은 유기계 전해질 성분이 배터리의 구성물질들과의 다양한 화학적·열적 반응을 통해 생성이 된다. 특히, 부식성 및 양극활물질의 결정구조 분해의 주된 원인인 플루오린화 수소의 경우, 리튬 염으로 사용되는 육불화인산리튬(LiPF6)이 수분과의 반응을 통해 생성된다. 이러한 요인들로 인해 셀 내부에서 전해질이 기화되며 플루오린화 수소로 인한 SEI층 및 결정구조의 분해 그리고 고온으로 인한 분리막의 붕괴 등 여러 가지 요인으로 인하여 양극재와 음극재가 직접 반응을 하는 단락현상이 일어나게 된다. 이러한 현상들이 연쇄 작용을 하여 온도가 빠르게 상승하면서 열폭주의 주요 원인 중의 하나로 작용하게 된다.

3. 실증실험 개요

빈 본 연구에서는 두 종류의 전기차를 사용하여 총 3회의 실험을 실시하였다. 실험은 방재시험연구원 화재환경시험동에서 실시하였고, 점화장치를 이용하여 화염이 차량에 붙을때까지 차량을 점화한 후 점화장치를 제거하였다. 차량이 일정 시간 연소한 후, 물과 F-500 첨가제를 혼합하여 화재를 진압하였다. 실험 1과 실험 2는 전기차 화재성상을 확인하기 위해 다양한 항목들을 측정하였고, 실험 3에서는 첨가제 F-500의 성능만을 평가하였으며, 비디오 카메라를 설치하여 화재 특성과 진압 시간을 관찰하였다(표 1).

빈 실험 시나리오는 다음과 같다. 점화 → 전기차에 화염이 붙으면 점화장치 제거 → 7~10분 후 열폭주가 발생하거나 시각적으로 접근하기 어렵다고 판단되면 소화 시작 → 배터리 온도가 낮아져 안전하다고 판단되면 소화 종료. 한국에서는 소방관이 도착하여 소방을 시작하는데 약 7~10분 정도 소요되므로 화염 발생 후 화염의 크기에 따라 7 분 이후에 소화를 시작하였다. 또한, 실험 중에 수행된 소화는 전직 소방관과 소화 경력이 있는 사람들의 도움을 받아 수행되었으며, 소방 활동을 수행한 인원은 모든 실험에 동일하게 수행되었다.

구분	모델명	배터리 종류	측정 항목	소화 방법	소화약제
실험1	레이EV	리튬 이온 폴리모	열 방출률, 온도, 복사열, 비디오 카메라	상부	물+F500
실험2	코나EV	리튬 이온		상부+하부
실험3			비디오 카메라	상부+하부

가. 시험체와 소화약제 F-500의 사양

빈 실험 1에서 사용된 전기차는 2011년 한국에 처음 도입된 전기차로, 리튬 이온 폴리머 배터리가 장착되어 있다. 이 차량은 일반 승용차에 비해 크기가 작고, 무게는 1,185kg이다. 실험 2와 실험 3에서 사용된 전기차는 2018년에 도입된 모델로, 리튬 이온 배터리가 장착되어 있다. 이 차량들은 표준 승용차보다 작으며, 무게는 1,600kg이다(표 2).

빈 소화약제 F500은 HCT America에서 개발한 다목적 고급 소화제로, 화재분류 A급, B급, C급, D급 및 리튬 이온 배터리 등의 화재 소화가 가능하다. 이 소화제는 인화성 액체로서, 물 분자를 캡슐화하여 비가연성으로 만들고, 화재를 빠르게 냉각시키며, 산화 반응을 억제하여 신속하게 화재 진압이 가능하다고 알려져 있다. 또한, 물과 혼합하여 사용할 수 있고(A급: 0.5-1%, 기타: 3%), 소화수의 침투력 증가, 연쇄 반응 차단, 연기 제거 효과 향상, 냉각 성능 개선 등의 특징이 있다.

모델명	레이EV	코나EV
출시일	2011년	2018년
배터리	리튬 이온 폴리머(16.4kWh)	리튬 이온(64kWh)
충전 방식	완속 및 고속 충전 방식 분리	완속 및 고속 충전 방식 분리
크기	(폭)1,595mm X (깊이)3,595mm X (높이)1,710mm	(폭)1,800mm X (깊이)4,180mm X (높이)1,570mm
좌석수	4	5
무게	1,185kg	1,600kg

나. 실험장소 및 점화방법

빈 실험은 3MW 열량계(폭 7m × 깊이 7m × 높이 5m)를 사용하여 개방된 공간에서 수행되었다. 또한, 생성된 연기의 누출을 방지하고 열 방출 속도를 정확하게 측정하기 위해 후드 주변 하단에 방화 커튼이 설치되었다. 점화는 48.7 kW의 열 용량을 가진 프로판 가스 점화기를 사용하여 배터리 셀에 열을 집중시키고, 화염이 발생하면 점화기를 제거하여 실험을 계속 진행하였다.

다. 전기차 화재 성상 결과

빈 (실험 1) 점화 후, 약 3분 45초 동안 지속된 후 자발적인 점화가 시작되었다. 10분 17초에 차량 내부에서 불꽃이 발생하며 냉매 가스의 폭발이 일어났다. 이후 차량의 내부와 트렁크에서 빠른 연소가 진행되었고, 12분 10초에 소화가 시작되어 17분 10초에 종료되었다. 소화는 차량의 상단 부분만 진행되었다. 연소는 다음과 같은 순서로 진행되었다. 하부 → 내부 → 후면 → 외부로 진행되었고, 소화 시간은 약 5분이 소요되었다.(그림 5)

빈 (실험 2) 점화시작 약 3분 26초 후, 불꽃이 전기차의 하부에 있는 뒷타이어를 점화시켜 타이어가 터졌다. 약 6분부터 불꽃이 차량 외부로 퍼져 나가며 트렁크와 천장을 불길에 휩싸이게 하고 빠르게 타올랐다. 약 12분 후에는 냉매 가스 폭발이 발생하였고, 차량의 창문이 깨지며 차량 본네트 외의 모든 곳에서 연소가 일어났다. 이후 실험 장소 주변은은 검은 연기로 가득 차 카메라로는 더 이상 볼 수 없게 되었다. 소화는 점화 후 10분 48초에 시작되어 약 13분 59초에 종료되었다. 소화 과정은 차량의 상부와 하부에서 동시에 진행되었다. 연소 과정은 하부 → 외부 → 후면 → 내부로 진행되었고, 소화 시간은 약 3분 11초가 소요되었다.

빈 (실험 3) 점화는 약 8분 34초 동안 지속되었고, 이후 불꽃이 하부에서 차량 앞 본네트로 빠르게 퍼졌다. 15분 51초에 불꽃이 내부로 퍼져나가고 여러번의 폭발이 발생하였으며, 18분 45초에 상부와 하부 모두 소화가 시작되었다. 불꽃은 19분 41초에 꺼졌고, 연기는 13분 10초에 감소하였으며, 소화는 27분 05초에 종료되었다. 소화 과정은 차량의 상부와 하부에서 동시에 진행되었고, 연소는 하부 → 본네트 → 내부 → 외부 순으로 진행되었으며, 소화 시간은 약 8분 20초가 소요되었다.

라. 실증실험 고찰 및 결론

빈 이 연구에서는 소화약제 F500을 사용하여 총 3회의 실규모 전기차 화재 진압 실험이 수행되었다. 실험 1에서는 불꽃이 차량하부 → 내부 → 후면 → 외부의 순서로 퍼지는 패턴, 실험 2에서는 차량하부 → 외부 → 후면 → 내부의 순서로 퍼지는 패턴, 실험 3에서는 불꽃이 차량하부 → 후드 → 내부 → 외부의 순서로 퍼지는 패턴이 관찰되었다. 이러한 결과는 차량에서 발생하는 화재가 차량의 크기나 유형에 관계없이 불규칙하게 퍼진다는 것을 확인하였다.

빈 소화 시간은 실험 1에서 5분, 실험 2에서 3분 11초, 실험 3에서 8분 20초였다.(표 3) 실험 1에서는 배터리에서 폭발음이 한 번 발생했지만, 연쇄 반응은 발생하지 않았고, 실험 2에서는 폭발음이 없었다. 또한, 실험 3에서는 여러번의 폭발음과 함께 열 폭주가 발생하였다. 따라서, 실제 전기차 화재발생 후 완전 진압까지 평균 60분이 소요된다는 점을 고려할 때, 이 연구에서 F-500 소화제의 사용은 시간과 비용 측면에서 매우 효과적이었다.

	실험1	실험2	실험3
점화 후 점화기 제거 시간	3분 45초	3분 26초	8분 34초
소화 시작 시간	12분 10초	10분 48초	18분 45초
소화 종료 시간	17분 10초	13분 59초	27분 05초
소화 시간	5분	3분 11초	8분 20초
기타	폭발음 1회	폭발음 없음	열폭주

4.맺음말

빈 전기차 화재사고는 최근 몇 년간 전기차 사용의 증가과 함께 주목받고 있는 문제이다. 이러한 사고는 차량의 배터리 시스템, 충전 인프라, 그리고 전반적인 안전 관리와 관련이 있다. 전기차의 장점에도 불구하고, 화재사고는 소비자와 제조사 모두에게 큰 우려를 안겨주고 있다. 따라서, 전기차의 안전성을 높이기 위해서는 지속적인 기술 개발과 함께 엄격한 안전 기준이 필요하다. 또한, 소비자 교육과 인식 제고를 통해 전기차의 올바른 사용법과 안전 수칙을 알리는 것이 중요하다. 화재예방을 위해서는 전기차 화재 맞춤형 소방시설 실치기준이 마련되어야 하고, 화재안전성능을 강화해야 하며, 안전하고 효과적인 화재대응체계를 마련해야 한다. 정부와 관련 기관은 전기차 화재사고를 예방하기 위한 정책과 연구를 지원해야 하며, 제조사들은 안전성을 최우선으로 고려한 설계를 해야 한다. 마지막으로, 전기차 화재사고는 앞으로도 해결해야 할 중요한 과제이며, 이를 위해 모든 이해관계자가 협력하여 안전한 전기차 환경을 조성하는 것이 필요하다. 전기차의 미래는 밝지만, 안전이 뒷받침될 때 비로소 그 가능성을 최대한으로 실현할 수 있을 것으로 생각된다.

참고문헌

1. Global EV Outlook 2024, Electric Vehicles Initiative, 2024.

2. 유정근, 2024년 전기차 보급 전년比 감소…원인은 ‘1톤 트럭’, 오늘의 경제, 2025.

3. Electric Vehicle Fire Response Guide, National Fire Research Institute, 2023.

4. M. Dubarry et al., Battery durability and reliability under electric utility grid operations, J. Energy Storage 18, 185–195, 2018.

5. R. Bisschop et al., Fire Safety of Lithium-Ion Batteries in Road Vehicles, RISE 2019.

6. X. Feng et al., Mitigating thermal runaway of lithium-ion batteries, Joule 4 (4), 743–770, 2020.

7. M. Chen et al., Investigation on thermal and fire propagation behaviors of multiple lithium-ion batteries within the package, Appl. Therm. Eng. 157, 2019.

8. D. Ren et al., Overcharge behaviors and failure mechanism of lithium-ion batteries under different test conditions, Appl. Energy 250, 323–332, 2019.

9. A. Garcia et al., An optical investigation of thermal runway phenomenon under thermal abuse conditions, Energy Convers. Manag. 246, 2021.

10. P.E. Santangelo et al., Full-scale experiments of fire control and suppression in enclosed car parks: a comparison between sprinkler and watermist systems, Fire Technol. 52 (5), 2016.