1. 서 론
소규모 리튬이온배터리는 스마트폰, 노트북, 웨어러블 기기와 같은 휴대용 전자제품의 핵심 전원으로 사용되며, 최근 배터리 기술의 발전과 함께 적용 범위가 지속적으로 확대되고 있다. 이러한 확산은 편의성과 기능성의 향상이라는 긍정적 효과를 가져왔지만, 동시에 열폭주(Thermal Runaway) 등을 야기시켜 대형화재로 이어지고 있다. 특히 소규모 리튬이온배터리는 사고 발생 시 돌발적 화염 분출, 파편화, 재발화가 빈번하게 나타나며 이는 휴대용 기기 사용자뿐 아니라 운송⋅보관 환경에서도 안전상 위험을 가지고 있다.
이러한 위험성에도 불구하고, 국제적으로 적용되는 안전 기준은 사용 환경과 시험 목적에 따라 상이하다. 예를 들어, IEC 62133와 UL 1642는 주로 전기적⋅기계적 안전성을 평가하여 사고 발생을 예방하는 데 초점을 두고 있으며, 반대로 한국소방산업기술원과 NTA (Nederlandse Technische Afspraak)은 실제 화재가 발생한 이후의 소화성능과 재발화 가능성을 측정하는 시험기반 규제의 성격이 강하다. 다시 말해, 소규모 리튬이온배터리를 정의하는 방식과 시험 조건이 서로 다르기 때문에, 동일한 위험을 평가하더라도 규격별로 분석 관점이 달라지는 구조적 문제가 존재한다.
최근 국내에서 소규모(소형)⋅중형 리튬배터리 화재사고가 증가함에 따라, 리튬이온배터리 전용 소화장치에 대한 필요성이 강조되고 있다. 특히 소화기 성능 인증에서도 소규모 리튬이온배터리 맞춤형 시험인 ｢소화기의 소형리튬이온전지화재 소화성능 KFI인증기준｣(이하, KFI 630)을 적용하면서, 소규모(소형) 리튬이온배터리 소화장치에 대한 성능평가 방법에 대한 논의가 본격화되고 있다. 그러나 각 시험기준의 적용 범위와 목적, 점화 조건, 평가 지표가 상이하여 국내⋅외 시험기준을 종합적으로 분석한 연구는 매우 제한적이다.
따라서 본 연구는 소규모 리튬이온배터리를 대상으로 하는 대표적 시험기준인 KFI 630, NTA 8133, UL 1642, IEC 62133를 비교⋅분석하여 소규모 리튬이온배터리의 향후 국내 기준의 개선 방향을 제안하고자 한다(IEC 62133-2, 2017; UL 1642, 2022; KFI, 2024; NTA, 2025).
2. 소규모 리튬이온배터리
2.1 특성 및 연구동향
소규모 리튬이온배터리는 휴대용 전자기기, 소형 전동장비, IoT 기기 등 다양한 분야에 적용되며, 높은 에너지밀도와 경량화라는 장점을 바탕으로 지속적으로 수요가 증가하고 있다. 그러나 이러한 고성능 특성은 동시에 열폭주와 가연성 전해질 폭발 등으로 대형화재로 인한 문제를 야기한다.
특히 소규모 리튬이온배터리의 경우 구조적 특성상 전극 간 간격이 매우 좁고 전해질의 양이 제한적이어서, 내부 단락 발생 시 초기 발열 속도와 압력 증가가 빠른 경향을 보인다. 이는 소규모 리튬이온배터리에서 관찰되는 제트형 화염, 파편화, 재발화 현상으로 이어진다
연구 동향을 살펴보면, 기존 연구는 소재 기반 안정성 향상을 집중적으로 진행해왔다. 난연 전해질, SEI 강화 첨가제, 리튬금속 대체 음극 등에 집중되어 왔다. 그러나 최근 논의에서는 “소규모 리튬이온배터리 관련 사고는 단일 셀에서 시작되므로, 셀 단위에서의 실증 기반 시험이 필요하다”는 관점이 부각되고 있다. 이에 따라 KFI 630, NTA 8133 등 셀 단위의 화재⋅재발화 평가체계에 대한 관심이 높아지고 있으며, 국내⋅외 인증기관 또한 소규모 리튬이온 배터리 전용 화재시험을 독립된 기준으로 채택하는 추세이다.
소규모 리튬이온배터리는 단일 셀 기반으로 운용되지만, 구조적 특성으로 인해 에너지 밀도 대비 위험 밀도가 매우 높다는 특징을 가진다. 리튬이온배터리는 양극⋅음극⋅전해질⋅분리막으로 구성되며, 충전 상태에서 전해질의 산화성 증가, SEI (고체전해질계면) 층분해, 가연성 가스 발생이 복합적으로 일어나 Fig. 1과 같이 열폭주가 발생한다. 소규모 리튬이온배터리의 경우 내재된 에너지량은 ESS용 등 대형배터리보다 작지만, 반응 표면적이 넓어서 열과 가스가 단시간에 집중적으로 방출되고, 이로 인해 짧은 시간 안에 폭발적 형태로 나타나 대형화재로 이어지는 경향이 있다.
또한, 휴대형 배터리 특성상 외부 충격, 과충전, 단락 등 다양한 사용환경에 노출되기 때문에 열적⋅전기적 스트레스가 누적되기 쉬운 구조이다. 충⋅방전 거듭에 따른 SEI 층의 분리 및 얇은 보호회로의 한계 등은 추가적인 위험요인으로 작용한다. 특히 소규모 리튬이온배터리 셀에서는 내부 전극 간 거리가 매우 짧아 내부 단락 발생 시 온도 상승 속도가 극단적으로 빠르며, 그 결과로 전해질 분해, 산소 방출, 가연성 가스 축적이 연쇄적으로 일어나 단시간 폭염 또는 폭발성 부산물 분출로 이어질 가능성이 높다.
2.2 정의와 종류
소규모 리튬이온배터리의 대한 정의는 범용적으로 활용되고 있지는 않으나 국내와 네덜란드에서는 그 용량 등을 정의하고 있다. 국내의 경우 KFI 630에서 시험 구성요소를 통해 간접적으로 규정하고 있다(KFI, 2024). 셀 1개의 용량은 100 Wh 이상이며 이를 5개 조합하여 총 1,000 Wh 이상의 용량으로 정의한다. 네덜란드의 경우 NTA 8133에서 이를 정의하고 있으며 최대 600 Wh로 용량을 정의하고 있다.
소규모 리튬이온배터리라고 해서 화재가 발생할 경우 그 피해가 작지 않다. 지난 2025년 03월 발생한 비행기내 보조배터리 화재의 경우 발화원은 전기차 등에 사용되는 리튬이온배터리의 용량에 비해서는 매우 작지만 그 피해액은 자동차화재 이상의 피해를 가져왔다.
이처럼 배터리의 종류는 다양하며 구성요소는 유사하나 구성물질에 따라 그 화재 발생 시 그 성상이 달라진다. Table 1에 나타낸바와 같이 양극재에 사용된 물질의 개수와 종류에 따라 삼원계, 사원계로 분류하며 각각의 화재 특성 또한 다르게 나타난다. 삼원계인 NCM (Ni-Co-Mn)은 주로 전기차에 사용되며, 열폭주 개시 온도가 약 170~210 ℃로 비교적 낮고 열폭주 발생 시 산소를 방출하여 자기가속 연소가 진행되는 특성이 있다. NCA (Ni-Co-Al)는 원통형 소형 배터리에 주로 적용되며 NCM과 유사하게 높은 에너지밀도를 가지나, 니켈 함량이 높아 열적 불안정성이 상대적으로 크고 열폭주 시 격렬한 가스 방출과 화염 분출이 나타날 수 있다. 반면 사원계인 LFP (Li-Fe-PO4)는 올리빈(olivine) 결정 구조로 인해 열폭주 개시 온도가 약 270 ℃ 이상으로 높고, 열폭주 시에도 산소 방출이 억제되어 삼원계 대비 화재 위험성이 낮다. 다만 LFP는 에너지밀도가 상대적으로 낮아 주로 ESS 등 대용량 고정형 시스템에 활용된다. 이처럼 화학적 구성에 따라 열폭주 거동과 화재 양상이 상이하므로, 시험기준 적용 시 배터리의 화학계를 고려하는 것이 필요하다(Golubkov et al., 2014; Li et al., 2025; Mrozik et al., 2026).
3. 국내 시험 기준
3.1 기준 및 시험 항목
KFI 630은 크게 전기적 적합성시험과 소화성능시험으로 구성되며, 두 시험 모두 소규모 리튬이온배터리의 실제 화재 시나리오를 재현하는 데 목적을 두고 있다. 우선 전기적 적합성시험은 셀이 정상적 열폭주 거동을 보일 수 있는지를 확인하는 과정으로, 셀 전압을 기준값 이상으로 충전한 후 가열하여 열폭주를 유도한다. 이 단계는 소화시험의 신뢰도를 확보하기 위한 선행 절차로서, 발화가 충분히 유도되지 않거나 셀이 정상적으로 열폭주 반응을 일으키지 못하는 경우 전체 평가가 성립하지 않기 때문에 필수 요소로 설정되어 있다.
소화성능시험에서는 5개의 셀을 배열한 시험체에 발화를 유도하고, 이후 소화약제를 적용하여 화염 소거 여부, 내부 반응 억제 여부, 잔존전압 유지 여부, 재발화 발생 여부를 종합적으로 평가하는 다층적 평가틀을 가지고 있다.
3.2 화재시험 방법
국내에서는 히팅필름을 활용하여 지속적으로 가열을 하고 이를 통해 화재를 발생 시킨다. 이때 온도상승에 조건은 최악의 시나리오를 가정하여 열전이가 지속적으로 발생 할 수 있는 5~10 ℃/min의 상승률을 적용하며 화재시험 후 바로 소화할 수 있는 장비 등을 구축하여야 한다. 또한 소화시험 후 1시간이내 재발화하지 아니하여야한다. 국내 시험방법의 거치대 등을 Fig. 2에 나타내었다.
국내 화재시험방법의 가장 큰 특징은 열 기반 발화 유도 방식과 재발화 억제성 평가이다. 가열 속도를 일정하게 유지하면서 열폭주를 유도하는 방식은 전지 내부의 분리막 파괴, 전해질 분해, 가스 방출 등 열화학적 반응을 자연스럽게 전개시키는 데 적합하다. 이후 소화약제를 적용한 뒤 일정 시간 동안 온도⋅전압⋅화염 등의 여부를 관찰함으로써 소규모 리튬이온배터리에서 나타나는 현상을 통해 평가한다.
이처럼 국내 시험기준은 발화 이전의 예방적 안전성을 평가하는 국제 기준과 달리, 발화 이후의 안전성 확보를 목표로 설계된 점에서 차별성을 갖는 것으로 판단된다.
4. 국외 시험 기준
국외 기준은 소규모 리튬이온배터리관련 시험은 배터리의 안전성을 평가하는 시험과 소화여부를 확인하는 시험으로 크게 두 가지로 구분할 수 있다.미국 UL 및 국제 IEC 계열은 발화 자체를 예방하는 데 초점을 두는 반면, 네덜란드의 NTA 8133은 국내 기준과 유사하게 발화 소화여부를 집중적으로 평가한다.
4.1 기준 및 시험 항목
UL 1642와 IEC 62133은 공통적으로 과충전 등 기기적 문제를 조건으로 전지가 발화하지 않는지를 확인하는 시험 항목을 중심으로 구성된다. 두 규격 모두 단락, 과충전, 기계적 충격, 진동, 온도 사이클 시험 등을 통해 보호회로의 안정성과 셀 내부 구조의 안전성을 평가한다. 그러나 이들 규격은 발화 이후 소화여부에 대해 확인 및 시험하지 않으며, 발화 발생 시 해당 전지는 부적합으로 처리된다. 즉 UL⋅IEC 계열은 사고 전의 예방 중심 안전 기준이라고 할 수 있다.
반면 NTA 8133은 화재시험을 기반으로 소화여부를 확인하는 기준이다. 과충전 기반의 전기적 자극을 통해 셀을 열폭주 상태로 유도한 뒤 소화약제를 사용하여 이후 재발화 여부와 잔존전압을 정량적으로 평가한다. 이러한 방법은 발화 이후의 안전성을 중심으로 한 국내 기준과 가장 유사한 국제 기준이라고 할 수 있다.
4.2 화재시험방법
UL 1642와 IEC 62133은 화재시험 자체를 포함하지 않는다. 오남용 상황에서 발화가 발생할 경우 시험은 즉시 불합격 처리되며, 이후 소화나 재발화 평가를 진행하지 않는다. 이는 예방 중심 시험체계의 전형적 특성으로, 발화 후 거동에 대한 데이터는 제공하지 않는다.
반면 NTA 8133은 국내 기준과 같이 소규모 리튬이온배터리의 발화⋅소화⋅재발화라는 일련의 시나리오를 시험 환경에서 직접 재현한다. 다만 국내 기준이 열 기반 가열을 사용하는 것과 달리, NTA 8133은 전기적 과충전 기반으로 열폭주를 유도한다는 차이를 보인다. 이는 시험유도 방식의 기술적 차이이자, 국가별 리튬이온배터리 사고 사례의 특성과 규제 목적의 차이를 반영하는 부분이다. Table 2에 내용을 나타내었으며 시험방법 중 Fig. 3에 NTA에서 실시하고 있는 시험의 형태를 나타내었다.
Table 2
Comprehensive Comparison of Domestic and International Test Standards for Small-Scale Lithium-Ion Batteries
5. 결 론
소규모 리튬이온배터리의 국내⋅외 시험기준을 비교⋅분석하고 이를 기반으로 향후 국내 기준의 개선 방향을 제안하였다.
첫째, 소규모 리튬이온배터리에 대한 정의가 요구된다. 리튬이온 배터리의 용량(성능) 등은 나날이 고성능화 되고 있다. 그렇다면 어디까지를 소규모로 볼 것이며, 중형과 대형의 구분점은 사용환경을 중심으로 기준점을 나누는 것이 바람직하다. 즉, 자동차 이상에 활용되는 용량의 배터리는 대형으로 그 미만부터 사람이 이동하는데 활용되는 장치는 중형으로 하되 일반가정집에서 충전 및 보관이 가능한 경우의 장치부터는 소규모로 정의하는 것이 바람직하며 이를 기준 또는 가이드라인 등에 제시하여 혼선을 방지해야한다.
둘째, 소규모 리튬이온배터리 1개셀에 대한 용량은 제한은 성능 및 용량뿐만 아니라 사용되는 화학적 구성을 반영하여야 한다. 이는 리튬이온 배터리의 경우 화학적 구성에 따라 안정성 등이 상이하여 화재에 대한 양상이 달라지기 때문이다.
셋째, 재발화에 대한 정의를 명확하게 해야 한다. 다양한 쇼규모 리튬이온배터리를 활용한 실험을 보면 재발화가 발생하는 경우가 매우 잦으며 배터리 셀, 케이싱 등 내부를 확인 할 수 없는 상황이 대부분이다. 이러한 점을 고려해 반영하는 것이 중요하다.
국내⋅외 관련 기준을 비교⋅분석하여 국내 소규모 리튬이온배터리의 시험기준에 대한 개선방향을 제시하였다. 결론에 제시한 항목 외에도 전압의 측정여부 등 다양한 상황을 고려하여 소규모 리튬이온배터리 화재시험기준을 재정한다면 전 세계에서 배터리 화재와 관련한 선두 국가로 자리매김 할 수 있을 것이다.
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