드론의 동력인 리튬배터리 발화 시 화재 전파를 막을 수 있는 안전보관랙

2-1 하이브리드 드론

리튬배터리의 짧은 비행시간 연장과 이륙하중을 증가시키기 위하여 엔진, 발전기, 배터리, 제어기로 구성되어 있는 하이브리드 방식이 연구되었다. 배터리는 발전기의 동력을 보완하고 엔진 고장 등의 비상상황에서 드론을 안전하게 착륙시키는 보조적인 용도로 사용되며, 엔진과 발전기는 비행과 배터리를 충전하는 용도로 사용된다.

하이브리드 드론은 엔진과 모터로 구동되는 하이브리드자동차처럼 리튬배터리보다 약 100배가량 에너지밀도가 높은 휘발유나 가스를 동력으로 사용하며, 탑재 중량에 따라 2~4시간까지 비행이 가능하다. 하지만 비행 중 사고나 추락을 하는 경우, 화석연료인 휘발유나 가스로 인하여 폭발 등, 대형사고로 확산될 위험과 엔진 구동의 소음문제가 발생할 수 있다.

2-2 수소연료전지 드론

수소를 산소와 반응시키면 전기와 물을 얻을 수 있는 원리를 활용한 방식이 연료전지(Fure Cell)로, 발전기 같은 장치를 사용하지 않기 때문에 소음이 적고 친환경적이다.

연료전지의 에너지밀도는 리튬배터리의 4배 이상으로 수소 드론은 약 2시간 비행이 가능하고 액화수소드론은 약 12시간 비행가능하다. 연료전지의 에너지밀도를 결정하는 중요한 인자는 연료전지의 연료인 수소의 저장밀도로 부피당 에너지 밀도가 낮고 부피가 크기 때문에 많이 저장하기 위해 압축하거나 기화, 액화시킨다.

Fig. 2.

Doosan Mobility Innovation DS30

Fig. 3.

Korea Aerospace Research Institute EAV-3

수소 공급을 위하여 고압 용기를 드론에 장착할 때는 전문 자격증 소유자만 취급할 수 있고, 운용 시 문제가 발생한다면 리튬배터리 드론보다 더 큰 피해가 발생할 수 있기 때문에 탑재되는 압력용기 인증과 관련 법적인 검토 및 기술적 성숙도와 신뢰성 향상이 필요하다. 현재 수소연료전지드론의 가격은 약 6000만원으로 민간영역보다는 특수 목적인 국공영역의 기관에서 사용된다.

2-3 태양광 드론

태양광 드론은 기체에 태양광 패널(Solar Panel)을 장착하고 태양광을 충전하여 비행 동력으로 사용하는 방식이다.리튬배터리 드론의 배터리 교체를 위하여 임무를 중단하는 단점을 해소할 수 있지만, 태양광 패널과 기동에 필요한 부품 등으로 증가한 하중만큼 배터리 소모율이 높고, 야간이나 구름이 많은 날에는 태양광 에너지의 안정적인 충전이 제한된다.

태양광 드론은 대기권 중 고도 10~50km인 성층권에서 비행하며 드론의 비행 고도는 18km 이상이다. 성층권 상부의 공기 밀도는 공기 밀도가 지상의 1천분의 1에 불과하여 적은 에너지로 오랫동안 한곳에 머물 수도 있고, 구름이 없어 많은 양의 태양광을 동력으로 사용할 수 있다. 태양광을 전기에너지로 변환시켜주는 태양광 패널을 많이 설치할 수 있고 기체면적이 유동적인 고정익에 적합하며, 성층권이상의 고도에서 제한된 임무만을 수행할 수 있다.

2-4 유선 드론(Tethered Drone)

유선드론(Tethered Drone)은 드론의 비행시간 연장을 위하여 동력을 계속 공급받는 지상의 전원공급장치와 드론을 전기 케이블로 연결한 드론이다. 케이블로 연결되어 있어서 반경이 넓은 임무보다 제자리 비행이나 반경이 좁은 임무, 정찰이나 감시, 촬영에 적합하다. 이론상, 전력만 계속 공급되고 케이블이 절단되거나 기체 결함, 악천후가 아니라면 드론의 모터 내구가 한계에 달할 때까지 계속 비행이 가능하다. 동력을 전달하는 케이블 외에 영상이나 필요한 데이터를 송수신할 수 있는 케이블, 조명도 연결할 수 있다.

Fig. 4.

ELISTAIR ORION2

3-1 리튬배터리(Lithium Battery)

스마트폰, 테블릿, 전기자동차, 전기자전거, 전동기기, 에너지 저장장치(ESS) 등에서 충전하는 2차전지는 납축전지, 니켈-카드뮴전지, 니켈-금속수소전지, 리튬이차전지 등이 있는데, 안정적인 전원을 위한 신뢰성 확보와 소형화, 경량화, 고에너지 밀도를 위한 리튬 계열 배터리의 공급이 증가하고 있고[2] 현재 드론의 동력원도 리튬배터리(Lithium Battery)이다.

리튬배터리의 사용이 증가하는 이유는. 과거 사용되던 납산(Lead-Acid) 축전지나 니켈 기반(Nickel-Based) 배터리에 비해 가벼운 경량으로 단위 무게당 에너지 밀도가 매우 높고, 전압은 니켈 기반(Nickel-Based) 배터리의 1.2V보다 3배인 3.7V로 배터리 셀을 줄일 수 있다. 또한 니켈 기반배터리는 완전히 방전하지 않은 채 70%만 사용하고 충전하면 70%를 충전 용량으로 기억하는 기억 효과(memory effect)가 없어 수명에 영향을 주지 않으며 리튬배터리의 자가 방전율은 5%/월로 니켈기반의 전지의 1/4 정도에 불과[3]하여 자기방전의 손실이 적기 때문이다.

리튬배터리는 크게 양극, 음극, 전해액, 분리막(세퍼레이터) 네 가지로 구성되어 있다. 리튬이온이 이동할 수 있도록 매개체 역할을 하는 전해액으로 액체 전해질을 사용하면 리튬이온배터리, 고체나 젤형태 전해질을 사용하면 리튬폴리머배터리이다.

3-2 리튬배터리 사고

리튬계열의 배터리는 액체 전해질을 사용하는 리튬이온배터리와 겔 형태의 고체전해질을 사용하는 리튬폴리머배터리가 있다. 리튬이온배터리의 액체전해질은 누액으로 인한 폭발의 위험도가 높아 고체전해질을 사용하는 리튬폴리머배터리를 많이 사용하며 드론도 리튬폴리머배터리를 사용한다. 그러나 리튬폴리머배터리도 강한 충격, 고열 노출, 천공, 과충전과 과방전, 과전류 등의 이유로 화재의 위험성은 항상 존재한다.

배터리에 PCM(보호회로. Protection Circuit Module)을 적용하여 과충전, 과방전, 단락(short)을 막고 과전류를 차단하는 기능으로 배터리를 보호한다. 배터리가 3셀 이상인 경우 PCM 기능과 셀 밸런싱, 온도감지 센서 등의 기능을 포함한 BMS(Battery Management System)을 적용하여 배터리 화재나 폭발의 위험성을 낮출 수 있다. 그러나 PCM이나 BMS 기능이 적용된 배터리도 배터리의 양극과 음극의 분리판이 절연되는 물리적인 내외적 손상, 충방전 반복이나, 배터리 제조과정에서 불순물이 내부에 섞일 수도 있는 등, 배터리가 파괴되어 내외부가 단락되는 쇼트로 자연발화(self-ignition)하는 명확한 원인을 규명할 수 없는 화재가 발생한다.

Fig. 6.

Exploded Galaxy Note 7

Fig. 7.

Electric cart charging medium fire in 5 golf courses

Fig. 8.

Tesla Motel Exploded-S90D

Fig. 9.

Battery charging fire for drones in Buan, Jeollabuk-do

3-3 리튬배터리 화재 실험 연구

리튬배터리의 측면, 상부면, 정중앙을 송곳으로 관통하여 리튬배터리 화재의 원인을 연구하기 위한 최원갑(2018)실험[4]에서 측면보다 상부면과 정중앙을 관통하였을 때 흰색 연기가 분출되면서 불꽃이 발생하였고 분출되는 수소가스와 산소가 접촉하는 동시에 화염이 발생하였다. 관통 실험처럼 외부의 강한 충격이나 천공으로 압력이 가해지면 외부 폴리머 팩 및 셀에 흠집이 발생하거나 분리막의 절연성 저하로, 고열에 장시간 노출되는 것처럼 전지 내부의 온도와 압력이 급속하게 올라가게 되고 내부의 리튬 성분이 공기와 만나면서 스파크 및 발열이 발생하여 발화되고 화재로 이어질 수 있다고 한다.

항온기에 리튬이온배터리와 리튬폴리머배터리를 넣고 고온으로 가열하여 폭발위험성을 연구한 심상보(2016)실험[5]에서 리튬폴리머배터리는 약 130°C에서 배부름(Swelling) 현상이 나타났고 약 170°C에 이르자 접합강도가 가장 취약한 부위에서 전해액의 방출되면서 발화하였다. 리튬이온배터리는 단단한 캔타입 구조로 배부름(Swelling) 현상은 나타나지 않았으나, 약 187°C에 이르자 전해질의 급격한 기화로 인한 배터리의 내부압력증가로 접합강도가 가장 취약한 양(+)극 부분에서 전해액의 급격한 방출과 동시에 발화가 발생하고 불꽃 방출이 일어났으며 내부폭발압력으로 설치지점을 강하게 이탈하였다고 한다.

국립소방연구원(2020년 12월 28일)[6]의 리튬배터리 화재 진화 실험에 의하면, 리튬배터리 6개를 가열한 후, A,B,C급 일반 분말 소화기와 물로 진압을 시도하였다. 일반 분말 소화기로 3차에 걸쳐 진화를 시도하였으나 재발화하였고 물이 비교적 효과가 있었다. 이유는 처음 불이 난 배터리의 온도를 낮춰 다음 배터리로 화재가 전파하는 것을 막는 냉각소화효과 때문이라고 한다.

Fig. 10.

Lithium Battery Perforation Test

Fig. 11.

Lithium battery being heated to high temperatures in a thermometer

Fig. 12.

National Institute of Fire and Marine Engineering, 28 December 2020

Fig. 13.

National Fire Research Institute experiment on May 4, 2021

전기자동차도 리튬배터리를 충전하여 운행된다. 국립소방연구원(2021년 5월 4일)[7]의 전기자동차 화재 시 질식소화포로 산소를 차단시켜 진화하는 실험에 의하면, 공기와의 접촉을 막고 10분이 지나자, 자동차 엔진부 쪽의 온도가 670°C까지 상승하였고, 진화 예상시간 20분이 지나도 진화의 가능성은 보이지 않았다고 한다.

리튬배터리에 과충전, 과방전, 과전류, 단락을 막고 PCM과 BMS 기능이 적용하여 배터리 화재나 폭발의 위험성을 낮출 수 있다. 그러나 리튬배터리에 강한 충격으로 천공이 생기거나 고열에 장시간 노출되면, 양극과 음극의 분리막이 손상되고 리튬이 공기와 접촉하는 순간 가스가 방출되어 발화가 시작되며 내부압력이 높아지고 열이 발생하면서 접합강도가 약한 부분에서 전해질이 방출되어 발화가 시작된다.

한국소방산업기술원 홍승태 책임연구원과 국립소방연구원 나용운 연구사는, 리튬배터리의 화재는 화재라기보다는 열폭주인 일종의 발열반응으로, 연이어 붙어 있는 리튬배터리의 처음 화재를 진화한다고 해도, 불이 난 배터리에서 그 다음 배터리로 급격한 열전달과 열상승이 발생하므로, 일반 분말소화기나 질식 소화포로는 진화하기 힘들고 냉각소화효과가 있는 물이 가장 효과적이라고 한다.

리튬, 칼슘, 마그네슘 등 금속화재인 D급 화재의 소화약제는 리튬배터리의 팩이 철재로 덮여 있어 소화약제가 제대로 침투하지 않아 리튬배터리 화재 진화에 물보다 효과가 떨어진다. 발화가 시작된 리튬배터리는 열폭주와 재발화의 특성으로 일반소화기, 금속화재 D급 소화기, 흙, 질식소화포, 밀폐로 산소를 차단하여도 진화되지 않고 냉각소화효과가 있는 물 속에 담궈 열의 전도를 차단하여야 진화된다.

3-4 리튬배터리 안전한 보관

드론을 운용하는 개인이나 교육원, 학교, 산업체, 공공기관 등에서는 다량의 리튬배터리를 사용한다. 리튬배터리의 과충전과 과방전, 천공, 강한 충격, 고열 노출 등에 의한 화재의 위험성은 드론 조종교육이나 인터넷, 관련 서적 등에서 언급하고 있지만, 리튬배터리를 안전하게 보관할 수 있는 보관제품이나 안전장비, 안전시설에 대한 개발과 시장은 미비한 실정이다.

Fig. 14.

Changwon H Aviation Education Center Lithium Battery Storage Location

Fig. 15.

Anseong A-Drone Education Center Lithium Battery Storage Room

Fig. 16.

portable fire resistance plastic case

Fig. 17.

portable steel case

드론 교육원에서는 연속적인 배터리 사용과 충전, 보관의 동선단축을 위하여 다량의 리튬배터리와 충전기를 한 장소에 보관한다. 만약 리튬배터리 화재가 발생한다면 배터리뿐만 아니라 2차 화재로 전파되어 재산 및 인명 피해가 발생할 수 있다.

시중에서 판매 중인 휴대용 내화 비닐 케이스는 리튬배터리의 단시간 보관의 편리함과 휴대성이 강조되지만, 발화 시 가스 누출과 화염, 열폭주로부터 안전하지 않으며, 휴대용 스틸 케이스는 화재 시 압력이 증가하여 폭발로 인한 2차 사고가 발생할 수 있다.

리튬배터리는 열폭주(thermal runaway) 현상과 재발화(reignition)하는 특수한 성질을 가지고 있다. 분리막이 손상되어 양극과 음극의 접촉과 동시에 내부 가스가 급격하게 발생하고 팽창되어 압력과 온도가 급상승하며 발화하게 되는데, 이렇게 자기발열에 의하여 온도가 급상승되는 것이 ‘열폭주’이다. 열폭주로 인하여 초기 발화된 배터리에서 다른 배터리로 열이 복사되고 전도되므로, 발화된 배터리를 진압한 후에도 일정 시간이 지나 다시 발화하는 것을 ‘재발화’라고 한다.

리튬배터리의 안전한 보관을 위해서 발화 시 열폭주와 재발화로 화재가 전파되지 않도록 발화된 배터리만 물 속에 낙하시킬 수 있는 안전보관랙이 필요하다.

4-1 리튬배터리 안전보관랙(Safe Rack) 설계

리튬배터리 발화 시 열폭주와 재발화를 차단시키고 화재 전파를 막기 위해서는 발화된 배터리를 다른 배터리나 가연물질과 분리하여 착화하지 못하게 하는 것이다. 평소에는 충전한 배터리를 보관하고 발화 시엔 발화된 배터리만 분리하여 리튬배터리 소화에 가장 효과가 좋은 물 속에 낙하시키는 방법으로 안전보관랙을 설계하였다.

안전보관랙은 리튬배터리를 플레이트 위에 보관하며 수납이 가능하도록 전면부분은 개방하고 후면부분은 커버로 닫혀있다. 72°C에 도달하면 서멀센서와 커버, 플레이트를 연결한 선이 단선되면서 후면의 커버가 열리고, 단선으로 생긴 플레이트의 단차로 플레이트 위에 놓인 배터리는 롤러에 의해 밀려 워터풀에 낙하되는 중력방식이다.

Fig. 18.

Safe Rack 2D Drawing

Fig. 19.

Safe Rack 3D Drawing

Fig. 20.

Simulate operation when lithium battery fires

4-2 안전보관랙(Safe Rack) MODULE 실험

안전보관랙 안에 있는 발화된 리튬배터리가 서머센서의 단선 온도까지 상승되면 서머센서와 커버, 플레이트의 연결 선이 단선됨과 동시에 커버가 개방되어 배터리 플레이트에 설치한 롤러에 의하여 리튬배터리가 워터풀로 낙하되어 화재를 막는 것이 실험의 목적이다. 또한 가장 우려하는 사람이 공석이 상황에서 화재의 전파를 막을 수 있는지에 초점을 맞추어 실험하였다.

충격에 강하고 열처리에 강화되지 않으며 내식성이 뛰어난 SUS(Still Use Stainless) 재질로 Stainless 전문제작업체에 의뢰하여 완성한 안전보관랙과 폐리튬배터리 22000mAh 1개, 안전보관랙을 올려 놓을 수 있고 발화된 폐리튬배터리의 낙하에 필요한 최소 높이로 화재의 위험이 덜한 높이 70cm 철탄통, 발화된 배터리가 안전보관랙에서 떨어질 워터풀 역할을 할 80*20(지름*높이)cm 원형플라스틱수조, 리튬배터리에 충격을 가하여 천공을 만들 철핀건(gun)과 안전 장구들을 준비하여 실험하였다.

Fig. 21.

Safe Rack 3D Experiment

Fig. 22.

Safety storage rack and frame 3D drawing

4-3 안전보관랙(Safe Rack) MODULE 실험결과

실험결과, 발화된 리튬배터리의 온도가 서멀센서 단선온도인 72.5 °C에 도달하자 서멀센서와 커버, 플레이트의 연결이 단선되어 커버가 개방되었고(③0:00:55), 2초 후 단선으로 생긴 플레이트 단차와 롤러에 의해 배터리는 워터풀로 낙하하였다. 워터풀에 낙하한 리튬배터리는 많은 양의 가스와 기포를 발생하였으며 약 2분30초 동안 계속된 후 기포가 사라졌다.

설계한 안전보관랙에서 발화된 리튬배터리만 분리되어 워터풀로 낙하되어 진화되었다는 것은, 리튬배터리의 진화에는 물이 가장 효과적인 소화재라는 것과 안전보관랙은 리튬배터리를 화재로부터 안전하게 보관할 수 있는 성공적인 설계로, 공석인 상황에서도 화재의 전파를 막을 수 있는 것이 확인되었다. 실험 이후 워터풀의 용량을 늘리고 100개의 리튬배터리를 안전하게 보관할 수 있는 프레임을 설계하였다.

드론을 운용하는 곳은 배터리를 대량으로 보관하고 있다. 배터리 화재는 발화된 배터리 한 개의 셀로 열이 전도되고 이후 급격한 화재의 전파로 인한 재산피해와 인명까지 위협할 수 있기 때문에, 발생 빈도의 불감증보다 2차 피해 파급력과 위험을 간과해서는 안된다. 안전보관랙은 기계적인 작동방식이 아닌 서멀센서와 커버, 플레이트를 선으로 연결하여 중력방식인 자연낙하방식으로, 발화된 배터리만 분리하여 진화시킴으로써 배터리 열 전도와 화재 전파를 막도록 설계하여, 기계적 작동방식의 오류로 발생할 수 있는 한계점까지 극복하였다.