휴대전화 금속접촉 ‘NO’…배터리 폭발사고의 모든것

1월 26일 서울 관악구. 자녀가 자고 있는 방에서 쉬익 소리가 나면서 냄새가 풍겨 확인해보니 이불 위에서 휴대전화 배터리가 타고 있었다.

4월 14일 경남 거창군. 수업 중 학생의 교복 주머니에서 연기가 발생해 주머니 안쪽에 구멍이 뚫렸다.

5월 10일 홍콩. 방에서 떨어뜨린 노키아 휴대전화가 폭발해 팔뚝과 다리에 화상을 입었다.

최근 국내외에서 일어난 휴대전화 배터리 사고 일지다. 6일에는 소비자보호원이 시중의 리튬이온 배터리에 대한 안전성 실험 결과를 발표하면서 배터리 폭발 연소 사고에 대한 관심이 증폭되고 있다. 리튬이온 배터리란 무엇이고 휴대전화 사고는 왜 일어날까.

▽리튬의 두 얼굴=최근 휴대전화에 많이 쓰이는 배터리는 대부분 리튬이온 배터리다. 리튬은 가장 가벼운 금속이기 때문에 여러 가지 장점이 있다. 이전에 휴대전화에 많이 쓰던 니켈 배터리나 니켈카드뮴 배터리에 비해 작고 가벼우며 수명이 길다. 같은 무게라면 전기용량이 2배 이상이다.

그런데 리튬 금속 자체는 반응성이 강하기 때문에 대단히 위험하다. 실제 1980년대 영국에서 개발된 리튬 배터리는 1990년대 초 일본에서 휴대전화 배터리로 상용화했다가 폭발 사고가 잇따르기도 했다.

서강대 화학과 이덕환 교수는 “리튬은 소량의 습기에 닿거나 전극에 많이 뭉쳐 있으면 폭발할 위험이 크다”고 설명했다. 리튬은 물과 격렬하게 반응하며 수소가 발생하기 때문에 작은 스파크에도 폭발이 일어날 수 있다.

하지만 이 교수는 “리튬은 전자를 잃어버린 이온상태가 되면 금속 원자 상태보다 훨씬 안전하다”고 말했다. 리튬의 장점을 유지하면서 리튬이온을 이용해 안전성을 높인 것이 바로 리튬이온 배터리다.

▽내부에 인화성 물질 있어=리튬이온 배터리에서는 리튬이온이 (+)극과 (―)극을 오고 가며 방전과 충전이 이뤄진다. 리튬이온은 양쪽 극을 이동할 때 액체상태인 유기 전해물질 사이를 지나간다. 전문가들은 이 유기 전해물질이 인화성이 강해 문제가 될 수 있다고 입을 모은다.

예를 들어 장식용 체인, 핀, 열쇠 등 금속성 물질이 배터리의 두 극에 접촉하는 현상인 ‘쇼트’가 발생하면 급격하게 방전이 일어난다. 이때 열이 많이 생겨 배터리가 터지는 경우 불이 날 위험이 있다.

4월 14일 교복 주머니에서 연기가 난 사건도 쇼트로 설명이 가능하다. 소비자보호원의 자료에 따르면 당시 배터리는 전극의 한 곳에 전기 스파크 흔적이 있었고 외부에 금속성 액세서리가 부착된 상태였다.

국내 한 휴대전화업체 관계자는 “정품 배터리 내부에는 보호회로, 전류 및 온도 감지 작동소자 등 3중 안전장치가 있다”며 “최악의 경우 배터리는 내부의 가스 압력이 너무 높아질 때 구멍으로 가스가 빠져나가게 만들어졌다”고 밝혔다. 이 때문에 연기가 발생한다는 것.

하지만 정품 배터리도 위험한 경우가 있다. 소비자보호원 이대훈 기술위원은 “금속성 물체와 배터리의 전극이 붙었다 떨어졌다가를 반복하는 경우 안전장치가 제대로 작동하지 않고 불꽃이 발생할 수 있다”고 밝혔다.

▽과도한 충전도 위험=리튬이온 배터리는 (+)극과 (―)극에 있는 물질이 층층이 쌓인 구조를 하고 있다(그림). 방전이나 충전 시 리튬이온은 책갈피에 끼워지듯이 양쪽 극의 층 사이로 들어간다.

특히 배터리의 충전은 리튬이온이 (―)극의 여러 층 사이로 차곡차곡 들어가야 하기 때문에 천천히 진행된다. 보통 3시간 정도가 지나야 완전히 충전된다.

이 교수는 “강제로 급속 충전시키면 안정되게 쌓여 있는 구조가 깨지고, 과도하게 충전시키면 리튬 금속이 생길 수 있어 위험하다”고 밝혔다. 그래서 정품 충전기에도 과도한 충전을 막는 안전장치가 들어가 있다. 하지만 자동차용 충전기에는 정품이 거의 없어 문제가 발생할 수 있다.

한편 어떤 배터리든 위험한 물질을 포함하고 있기 때문에 사용설명서의 주의사항처럼 고열에 노출시키거나 심한 충격을 가하면 안 된다. 섭씨 80도가 넘는 여름철 차안에 휴대전화를 장시간 두거나 화가 난다고 해서 휴대전화를 세게 집어던지는 일은 피해야 한다.

소비자보호원은 1월 26일 휴대전화 배터리 화재 사고의 원인을 분석한 결과 배터리 가장자리에서 날카로운 물체에 충격을 받은 흔적을 발견했다. 이대훈 기술위원은 “비슷한 종류의 배터리 가장자리에 못으로 충격을 주자 열이 많이 나거나 심지어 불꽃을 동반한 폭발현상도 나타났다”며 “개가 강하게 물면 배터리에 비슷한 현상이 나타날 것”이라고 말했다.

이충환동아사이언스기자 cosmos@donga.com