열폭주

열폭주(熱暴走, 영어: Thermal runaway)는 어떤 시스템에서 온도가 상승하는 것이 오히려 온도를 더욱 상승시키는 조건을 만들어, 이 과정이 통제 불가능한 양성 피드백으로 증폭되는 현상을 말한다. 이는 시스템의 열 발생 속도가 열 손실(방출) 속도를 초과할 때 시작되며, 한번 발생하면 자체적으로 가속되어 파괴적인 결과로 이어진다.

이 현상은 화학공학, 전기화학, 물리학 등 다양한 분야에서 관찰된다. 특히 폭발적인 발열 반응을 포함하는 화학 공정이나 리튬 이온 전지와 같이 에너지가 고도로 밀집된 시스템에서 중요한 안전 문제로 다뤄진다. 그 결과는 단순한 과열을 넘어 격렬한 화재, 폭발, 그리고 유독성 물질의 방출로 이어질 수 있다.

 원리 및 메커니즘 
열폭주의 핵심 원리는 열 발생과 열 손실 간의 불균형이다.

모든 시스템은 열을 발생시키는 과정(예: 화학 반응, 전기 저항)과 열을 외부로 방출하는 과정(예: 전도, 대류, 복사)을 동시에 가진다. 안정적인 상태에서는 열 발생률과 열 손실률이 평형을 이룬다.

1.  초기 단계 (불균형 시작): 외부 과열, 내부 단락, 물리적 충격 등의 이상 조건으로 인해 시스템의 온도가 상승하면, 많은 화학 반응의 속도는 아레니우스 방정식에 따라 온도에 지수적으로 비례하여 증가한다. 즉, 온도가 조금만 올라도 열 발생률은 급격히 커진다.

2.  가속 단계 (양성 피드백): 반면, 열 손실률은 보통 주변 온도와의 차이에 비례하여 선형적으로 증가한다. 특정 임계 온도를 넘어서면, 열 발생률의 증가량이 열 손실률의 증가량을 압도하게 된다. 이때부터 시스템은 자체적으로 열을 축적하며 온도를 계속해서 올리는 양성 피드백 고리에 진입한다.

3.  폭주 단계 (제어 불능): 온도가 걷잡을 수 없이 치솟으면서 물질의 분해, 상변화(기화) 등이 연쇄적으로 일어나고, 이는 압력의 급격한 상승을 동반한다. 결국 반응물이 모두 소모되거나 시스템이 물리적으로 파괴될 때까지 과정이 멈추지 않는다.

이 과정을 간단히 표현하면 다음과 같다.
온도 상승 → 반응 속도 증가 (지수적) → 열 발생량 급증 → 온도 추가 상승 → ...

 주요 사례 

 리튬 이온 전지 

현대 전자 기기 및 전기자동차의 핵심 부품인 리튬 이온 전지는 열폭주의 가장 대표적이고 중요한 사례이다.

상세 원인
 전기적 요인:
 과충전: 규정 전압 이상으로 충전 시, 음극 표면에 리튬 금속이 나뭇가지 형태로 석출되는 덴드라이트가 형성된다. 이 덴드라이트가 성장하여 분리막을 꿰뚫으면 내부 단락을 일으킨다.
 과방전: 전지를 너무 깊이 방전시키면 음극의 구리 집전체가 용해되어 양극에 석출될 수 있다. 이후 재충전 시 이 금속 입자들이 내부 단락의 원인이 될 수 있다.
 기계적 요인:
 외부 충격 및 관통: 못이나 날카로운 물체에 의한 관통, 혹은 강한 충돌로 인한 전지 변형은 분리막을 직접적으로 파손시켜 양극과 음극을 접촉시킨다.
 열적 요인:
 외부 고온 노출: 화기 근처나 여름철 밀폐된 차량 내부와 같이 섭씨 60도 이상의 고온 환경에 장시간 노출되면 전지 내부의 가장 약한 화학 성분인 SEI 층부터 붕괴가 시작될 수 있다.
 내부 결함:
 제조 공정 불량: 전극을 만들 때 미세한 금속 이물질이 혼입되거나, 전극 절단면의 날카로운 부분이 분리막을 미세하게 손상시키는 경우, 시간이 지나면서 내부 단락으로 발전할 수 있다.

열폭주 진행 과정 (온도별)
열폭주 과정은 전지 종류와 상태에 따라 다르지만, 일반적으로 다음과 같은 단계를 거친다.

1.  초기 가열 및 SEI 층 붕괴 (80-120°C): 내부 단락이나 외부 열로 온도가 상승하면, 음극 표면의 보호막인 SEI 층이 분해되기 시작한다. 이는 더 큰 발열 반응을 촉발하는 시작점이다.

2.  분리막 용융 및 추가 단락 (130-150°C): 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌 소재의 분리막이 녹기 시작하며 기능이 상실된다. 이로 인해 양극과 음극의 접촉 면적이 넓어져 단락 전류가 급증하고 온도는 폭발적으로 상승한다.

3.  전해액 분해 및 가스 발생 (150-200°C): 유기 용매 기반의 전해액이 끓고 분해되면서 에틸렌, 프로필렌, 이산화탄소 등 가연성 및 유독성 가스를 대량으로 방출한다. 이로 인해 전지 내부 압력이 스웰링 현상을 일으키며 급격히 팽창한다.

4.  양극재 분해 및 산소 발생 (>200°C): 코발트, 니켈 등을 포함한 양극 활물질의 결정 구조가 붕괴하면서 산소를 방출한다. 이는 화재 삼각형의 세 요소(연료, 발화점, 산소) 중 마지막 조각을 제공하는 것과 같다.

5.  열폭주 및 화재/폭발 (>250°C): 방출된 가연성 가스와 산소가 고온에서 만나 격렬하게 반응하며 화염을 분출하거나 밀폐된 공간에서는 폭발로 이어진다.

셀 간 열 전파
전기차 배터리 팩과 같이 수많은 셀이 밀집된 경우, 하나의 셀에서 발생한 열폭주는 옆에 있는 셀을 가열하여 연쇄적으로 열폭주를 일으키는 열 전파 현상을 유발할 수 있다. 이는 대규모 화재로 이어지는 주된 원인이다.

 화학 반응기 
화학공학 공정, 특히 대규모 발열 반응을 다루는 배치 또는 반-배치 반응기에서 열폭주는 치명적인 산업 재해로 이어질 수 있다. 냉각 시스템의 고장, 교반 실패, 촉매의 과다 투입, 혹은 반응물 농도 조절 실패 등이 원인이 될 수 있다. 온도가 비가역점을 넘어서면 반응은 제어 불가능 상태가 되어 반응기 파열 및 유해 물질 누출 사고(예: 보팔 참사)를 일으킬 수 있다.

 기타 사례 
 마이크로파 가열: 일부 세라믹이나 고분자 재료는 마이크로파를 흡수하는 능력이 온도에 따라 증가한다. 이로 인해 특정 지점이 과열되면 더 많은 마이크로파를 흡수하여 온도가 기하급수적으로 상승하는 열폭주가 발생할 수 있다.
 퇴비화: 대규모 퇴비 더미 내부에서는 미생물의 호기성 분해 활동으로 많은 열이 발생한다. 더미가 너무 크고 다져져 있으면 내부의 열이 외부로 빠져나가지 못하고 축적되어 온도가 70-80°C 이상으로 상승, 자연 발화로 이어질 수 있다.
 천체물리학: 초신성, 특히 백색왜성이 동반성으로부터 물질을 흡수하다가 임계 질량을 초과할 때 발생하는 Ia형 초신성은 거대한 규모의 열핵 반응 폭주의 결과로 설명된다.

 예방 및 완화 대책 
열폭주의 위험성 때문에 이를 방지하고 피해를 최소화하기 위한 다중 안전장치가 매우 중요하다.

 예방 대책 
 배터리 관리 시스템: 전압, 전류, 온도를 셀 단위로 실시간 감시하여 한계치를 벗어나면 충전/방전을 차단한다. 또한, 여러 셀의 전압을 균일하게 맞추는 셀 밸런싱 기능으로 특정 셀의 과충전을 방지한다.
 소재 수준의 안전성 강화:
 내열성 분리막: 세라믹 입자를 코팅하여 기존 분리막보다 높은 온도에서 버틸 수 있도록 만든다.
 난연성 전해액: 인(P) 계열 화합물과 같은 첨가제를 넣어 전해액 자체에 불이 잘 붙지 않도록 만든다.
 전고체 전지 개발: 가연성의 액체 전해액을 불연성의 고체 전해질로 대체하여 열폭주의 근본 원인 중 하나를 제거하려는 연구가 활발히 진행 중이다.

 완화 대책 
 기계적 안전 장치:
 PTC 소자: 온도가 오르면 전기 저항이 급격히 커져 전류 흐름을 억제한다.
 CID: 전지 내부 압력이 일정 수준 이상 높아지면 내부 회로를 물리적으로 끊어버리는 장치이다.
 안전 벤트: 내부 압력이 폭발 위험 수준에 도달하기 전에 의도적으로 약한 부분을 터뜨려 가스를 배출한다.
 열 관리 및 전파 차단 설계:
 능동/수동 냉각: 공랭식 또는 수랭식 냉각 시스템으로 배터리 팩의 온도를 관리한다.
 열 차폐재 삽입: 배터리 팩 내부의 셀과 모듈 사이에 에어로젤이나 마이카 같은 단열 성능이 뛰어난 소재를 삽입하여, 하나의 셀에서 열폭주가 발생하더라도 인접 셀로 열이 전파되는 것을 최대한 지연시킨다.

 같이 보기 
 리튬 이온 전지
 양성 피드백
 발열 반응
 전고체 전지
 배터리 관리 시스템

 각주 

분류:화학공학 공정
분류:전기공학
분류:천체물리학
분류:격변변광성
분류:유해성
분류:기술 위험
분류:물리화학
분류:전기화학
분류:재난