2차 전지의 원리와 전기차 화재의 과학 — 1차 전지와의 차이까지 완벽 정리

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전기차의 심장은 배터리다

전기차(EV)나 수소전기차(FCEV) 모두 배터리를 핵심 부품으로 사용합니다. 전기차는 배터리에서 직접 에너지를 꺼내 모터를 돌리고, 수소차 역시 연료전지에서 생산된 전기를 보조 배터리에 저장해 모터를 구동합니다.
이 배터리의 가격은 차량 전체 가격의 30~50%를 차지할 정도로 비중이 크며, 기술력과 안전성의 핵심입니다.
우리가 흔히 말하는 ‘전기차 배터리’는 모두 2차 전지(secondary battery)입니다.

그렇다면 왜 ‘2차’라는 이름이 붙었을까요?
또, 전기차 배터리가 왜 화재에 취약하다고 말하는지 과학적으로 살펴보겠습니다.

2차 전지란 무엇인가?

‘2차 전지’란 반복적으로 충전과 방전이 가능한 전지를 뜻합니다.
즉, 한 번 쓰고 버리는 1차 전지(일회용 건전지)와 달리, 외부 전원을 통해 전기를 다시 공급하면 내부 화학 반응이 역으로 일어나 재사용할 수 있는 전지입니다.

이러한 전지는 가역적 화학 반응(reversible reaction)을 기반으로 작동합니다.

방전 시: 화학 에너지가 전기에너지로 변환되어 전류를 공급합니다.
충전 시: 외부 전기를 받아 화학 반응이 역으로 진행되며 원래 상태로 복원됩니다.

즉, 2차 전지는 전기와 화학의 순환 시스템이라 할 수 있습니다.

1차 전지와 2차 전지의 차이

충전 가능 여부·반응 특성·대표 예시·용도·경제성을 한눈에 비교했습니다. 모바일에서는 좌우로 스크롤하여 보세요.

구분	1차 전지 ♻️충전 불가	2차 전지 ⚡충전 가능
충전 가능 여부	불가능 일회용	가능 반복 사용
화학 반응 특성	비가역 반응	가역 반응
대표 예시	알카라인 망간 리튬 1차	리튬이온 니켈수소 납축전지
용도	리모컨, 시계 등 소형 일회용	스마트폰, 노트북, 전기차 등 고출력
경제성	저가이나 사용 후 폐기 필요	초기비용 ↑, 장기 재사용 유리

전기차용 2차 전지의 구조

전기차 배터리는 보통 다음과 같은 구성으로 이루어집니다.

셀(Cell) – 배터리의 최소 단위.
모듈(Module) – 셀 여러 개를 묶은 단위.
팩(Pack) – 여러 모듈과 냉각장치, 보호회로가 포함된 완성체.

각 셀은 양극, 음극, 전해질, 분리막으로 구성됩니다.

양극(Positive Electrode): 리튬이 빠져나오는 쪽.
음극(Negative Electrode): 리튬이 이동해 들어가는 쪽.
전해질(Electrolyte): 리튬 이온이 이동하는 통로.
분리막(Separator): 양극과 음극이 직접 닿지 않게 차단하면서 이온만 통과시키는 얇은 필름.

전기가 흐를 때는 리튬이온(Li⁺)이 전해질을 통해 이동하고, 전자(e⁻)는 외부 회로를 따라 이동하여 전류를 형성합니다.

왜 전기차 배터리는 화재에 위험한가?

전기차 화재의 원인은 단순히 “열이 많아서”가 아닙니다.
배터리 내부에서 일어나는 물리적·화학적 현상의 폭주 때문입니다.

내부 단락 (Internal Short Circuit)
충격, 제조 결함, 또는 분리막 손상으로 양극과 음극이 직접 닿으면 순간적으로 전류가 폭증합니다.
→ 전자들이 한꺼번에 흐르며 엄청난 발열(수백 도 이상)이 발생합니다.
리튬의 고활성 특성
리튬은 산소나 수분과 격렬하게 반응합니다.
따라서 전해질이 손상되어 리튬이 노출되면 자연 발화(Self-Ignition)가 일어날 수 있습니다.
전해질의 인화성
대부분의 리튬이온 전지는 유기용매 기반 전해질을 사용합니다. 이 용매는 휘발성이 높고 불이 잘 붙습니다.
내부 압력이 상승하거나 외부 열이 가해지면 폭발적인 반응이 일어납니다.
열 폭주 (Thermal Runaway)
일정 온도를 넘어서면 내부 화학 반응이 스스로 열을 더 만들어내는 단계에 이릅니다.
→ 열이 높아질수록 반응이 가속 → 폭발적 발열 → 폭발 또는 화재로 이어짐.
이 과정은 눈 깜짝할 사이(수 초 내)에 일어나며, 소화가 거의 불가능합니다.

화재 방지를 위한 기술적 해결책

전기차 제조사들은 이러한 위험을 최소화하기 위해 다양한 기술을 적용하고 있습니다.

BMS (Battery Management System)
배터리의 전압, 온도, 충전 상태를 실시간으로 감시하며, 이상 징후 발생 시 즉시 차단합니다.
냉각 시스템 (Thermal Control)
냉각수나 공랭 방식으로 셀 온도를 일정하게 유지해 폭주를 방지합니다.
안전 차단 회로 (Safety Fuse)
과전류가 흐르면 회로를 순간 차단해 내부 단락을 막습니다.
전고체 배터리 (Solid-State Battery)
인화성 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용하여 화재 위험을 원천적으로 줄이는 차세대 기술입니다.
다만 아직은 제조 단가가 높고 기술적 과제가 남아 있습니다.