보이지 않는 범인을 찾는 과정

리튬이온 배터리 화재는 일반적인 화재와 다르다. 발화 지점 자체가 녹아내리거나 소실되는 경우가 많기에 물리적 잔해만으로는 원인 규명이 매우 어렵다. 따라서 화재가 발생한 후 남겨진 ‘잔해(Post-mortem)’를 통해 화재의 근본 원인을 과학적으로 입증하는 표준화된 포렌식 워크플로우를 제안한다.

 

비파괴 분석의 혁명 X-rayㆍCT Scan

화재현장에 있어 포렌식의 제1원칙은 ‘증거 보존’이다. 배터리를 해체하는 순간 내부의 미세한 증거는 사라질 수 있다.

 

1. 3차원 단층 촬영 Computed Tomography

 

• 전극의 뒤틀림(Buckling): 열폭주 전 외부 충격이 있었는지 아니면 내부 압력 팽창으로 인한 변형인지를 구분한다.

 

• 젤리 롤(Jelly-Roll) 붕괴: 배터리 내부의 젤리 롤 형태의 전극 구조가 무너진 패턴을 분석해 열의 전파 방향(열폭주 시작점)을 찾아낸다.

 

2. 가상 절단면 분석

CT 데이터를 통해 소프트웨어상에서 배터리를 가로, 세로로 자르며 분석할 수 있다. 이는 실제 절단 시 발생하는 가공 흔적(Artifact)을 배제해 순수한 화재 당시의 상태를 보존할 수 있게 한다.

 

열폭주 Termal Runaway 전이 단계 분석

배터리가 화재에 이르는 과정을 포렌식 3단계로 구분한다.

 

• 1단계: 내부 단락(Internal Short Circuit)

양극과 음극이 분리막을 뚫고 만나는 지점이다. 현미경을 통해 집전체(구리)의 디펙(Defect), 비드(Copper Beads) 등의 문제를 찾는다.

 

이는 높은 전류가 흐르며 구리 집전체가 녹아 구슬 모양으로 굳은 현상인데 전기적 결함의 결정적 증거가 된다. 하지만 집전체 특성상 위에 언급한 현상들을 발견하지 못할 가능성이 크다. 일반적인 전선에서 맨눈으로 식별되는 비드 형태와는 다르다.

 

• 2단계: 가스 배출(Venting)

배터리 내부 압력이 한계에 도달하면 안전밸브가 터지면서 가스가 분출된다. 밸브의 변형 형태를 통해 내부 압력이 얼마나 급격하게 상승했는지를 역추적하는 공식을 적용한다.

 

• 3단계: 화염 전파(Propagation)

하나의 셀에서 시작된 불이 옆 셀로 옮겨붙는 과정이다. 인접한 셀들의 변형 정도를 비교함으로써 수백 개의 셀 중 어느 것이 ‘최초 발화 셀(First Ignited Cell)’인지를 판별한다.

 

화학적 지문 분석 SEM/EDX 활용

물리적 형체가 사라진 경우 현미경을 통한 화학 성분 분석이 들어간다.

 

• 원소 매핑(Mapping): 음극 표면에 양극 물질(코발트, 니켈 등)이 검출된다면 이는 확실한 내부 단락의 증거다.

 

• 탄화 패턴 분석: 전해액이 타면서 남긴 잔존물의 화학적 구성을 통해 사고 당시 주변 온도를 추정한다.

 

열폭주의 화학적 메커니즘과 포렌식 추론

리튬이온 배터리 화재 포렌식의 정점은 ‘화학적 인과관계’를 밝히는 것이다. 따라서 화재조사관들의 시각에 의존하는 고전적인 감식의 답습은 잠시 내려두길 바란다.

 

1. 열폭주의 시발점: SEI 층의 열적 붕괴(63~120℃)

조사관이 배터리 잔해에서 가장 먼저 확인해야 할 화학적 흔적은 SEI(Solid Electrolyte Interphase) 층의 파괴 흔적이다.

 

• 메커니즘: 외부 가열이나 과충전으로 온도가 69~120℃에 

도달하면 SEI 층이 발열ㆍ분해하기 시작한다.

 

• 화학 반응식: (CH2OCO2Li)2 → Li2CO3 + C2H4 + CO2 + 0.5O2

 

• 포렌식과 공학적 함의: 이 단계에서 발생하는 가스는 셀 내부에 압력을 형성하며 그 압력을 높인다. 화재현장에서 외함이 팽창(Swelling)된 채 발견된다면 본격적으로 발화하기 전 상당 시간 저온 가열 상태(Overheating)에 노출됐음을 시사한다.

 

2. 전해질의 산화ㆍ가스 분출(120~200℃)

• 메커니즘: SEI 층 붕괴 후 노출된 리튬 삽입 음극(LiC6)이 유기 전해질과 직접 반응해 폭발적 열을 방출한다.

 

• 전해질 분해

1) LiPF6 → LiF + PF5 

2) PF5 + H2O → POF3 + 2HF 

 

• 불산(HF) 생성: 생성된 HF는 강력한 부식성 가스로 내부 알루미늄 집전체를 부식시키고 가스 분출구를 통해 나온다.

 

• 포렌식적 함의: 주변 금속 구조물의 하얀 부식이나 구리 배선의 특정 부식 패턴은 다량의 HF 발생을 입증하는 화학적 지표가 된다.

 

3. 양극 구조의 붕괴와 산소 방출(200℃ 이상)

외부 산소 공급 없이 배터리 내부에서 산소가 발생해 화재를 키우는 결정적인 ‘자기 연소’ 단계다.

 

• 양극재별 특징: LFP(리튬인산철)는 ‘Fe – P – O’ 결합이 강해 산소 방출이 적다. 하지만 NCM(니켈ㆍ코발트ㆍ망간)은 니켈 함량이 높을수록 낮은 온도에서 붕괴하며 다량의 산소를 방출한다.

 

• 반응식

• 포렌식과 공학적 함의: XRD(X선 회절 분석)를 통해 양극

재의 상변화(Phase Transformation)를 확인하고 도달했던 최고 온도를 추정한다. Spinel 구조에서 Rock-Salt 구조로의 변화는 250℃ 이상의 고온 노출을 의미한다.

 

4. 리튬 덴드라이트와 내부 단락

화재 원인 규명을 위해 ‘리튬 덴드라이트(Dendrite)’ 성장을 분석한다.

 

• 메커니즘: 저온 충전이나 급속 충전 시 리튬 이온이 음극 표면에 나뭇가지 모양 금속으로 석출된다.

 

• 포렌식과 공학적 조사 분석: SEM으로 수지상 구조를 확인하고 EDX로 금속 성분을 분석해 제조 공정 이물질인지, 충전 패턴에 의한 리튬 석출(사용자 책임)인지를 가려낸다.

 

양극재별 화재 양상의 차이

우린 이 차이를 근거로 설계 결함인지, 환경 요인인지를 다투게 된다.

 

1. NCM Nickel-Cobalt-Manganese 배터리: 폭발적 연소

 

• 화학적 특성: 니켈 함량이 높을수록 에너지 밀도도 높지만 산소(O2) 결합력이 약하다.

 

• 화학적 붕괴: 약 200~250℃ 사이에서 양극 구조가 붕괴되며 다량의 산소를 방출해 ‘자발적인 가속 연소’를 일으킨다.

 

• 포렌식 포인트: 금속 외함 비산(파편화) 가능성이 높다. 구리(Cu)와 알루미늄(Al)이 용융돼 합금화된 흔적(1천℃ 도달 시)이 발견된다.

 

2. LFP Lithium Iron Phosphate 배터리: 지연성 발화ㆍ가스 분출

 

• 화학적 특성: ‘P – O’ 결합이 매우 강해 약 350℃ 이상까지 산소를 배출하지 않고 견딘다.

 

• 화학적 붕괴: 화염 자체는 덜 격렬하나 가연성 가스(수소, 메탄 등)를 장시간 표출해 밀폐 공간 내 ‘가스 폭발(Vapor Cloud Explosion)’ 위험을 높인다.

 

• 포렌식 징후: 외함 부풀어 오름(Swelling) 또는 특정 방향의 가스 분출 흔적(Torching)이 뚜렷하다.

 

실무 가이드라인ㆍ증거 확보 SOP

데이터의 정확성뿐 아니라 증거물 보관 연속성(Chain of Custody)과 표준 작업 절차(SOP)가 핵심이다.

단계 1

현장 보존ㆍ초기 기록 On-Site Documentation

• 열적 패턴 촬영: 배터리팩 변색 패턴(Soot Pattern) 촬영으로 발화 지점을 특정한다.

• 가스 포집: 주변 잔류 가스나 그을음을 진공 용기에 포집한다.

 

단계 2

시료 채취ㆍ무결성 확보 Sampling&Integrity

• 비파괴 수거: 분해하지 않고 그대로 수거해 내부 증거 훼손을 방지한다.

 

• 수분/산소 차단: 아르곤(Ar) 가스 충진 백이나 진공 팩에 밀봉해 화학 반응에 의한 새로운 성분(HF 등) 등이 생성되는 걸 방지한다.

 

• 일련번호 부여: 셀마다 번호를 부여하고 위치 정보에 대해 사진으로 기록한다.

 

단계 3

감정분석 센터 등 이송ㆍ분석 Laboratory Analysis

• 연속성 문서: 수거자와 운송자, 분석자의 서명과 시간이 기록된 문서를 동반한다.

 

• 교차 검증: XRD와 SEM-EDX 결과를 대조해 특정 화학 반응을 입증한다.

 

결론: 화학적 타임라인 재구성

조사관은 유도기(SEI 분해)와 발현기(HF 분출), 폭주기(산소 방출)의 타임라인을 재구성한다. 전해질 분해 산물과 전극 상변화 데이터는 화재 당시 내주 상태를 복원하는 ‘타임머신’ 역할을 한다. 목격자 진술보다 강력한 증거력도 갖게 된다.

 

경기 하남소방서_ 강경석 : youeks@naver.com

 

<본 내용은 소방 조직의 소통과 발전을 위해 베테랑 소방관 등 분야 전문가들이 함께 2019년 5월 창간한 신개념 소방전문 월간 매거진 ‘119플러스’ 2026년 2월 호에서도 만나볼 수 있습니다.>

 

119플러스 정기 구독 신청 바로가기

119플러스 네이버스토어 구독 신청 바로가기

119플러스 웹진

소방전문 매거진 119플러스 웹진 과월호 보기

www.fpn119.co.kr/pdf/pdf-fpn119.html

네이버 스토어 구독 신청하기

국내 유일 소방전문 매거진 119플러스를 가장 빨리 만나는 방법!

smartstore.naver.com/fpn119

소방용품 정보를 한 눈에! '소방 디렉토리'

소방용품 품목별 제조, 공급 업체 정보를 알 수 있는 FPN의 온라인 디렉토리

www.fpn119.co.kr/town.html?html=town_list.html