열폭주

320px|섬네일|오른쪽|열폭주를 나타낸 도해.<br />반응이 일어남으로써 열이 발생하고, 열이 반응을 가속시키고, 반응은 열을 발생시킨다. 파멸적 결과가 발생할 때까지 양성 피드백은 반복된다.
**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