이 글에는 리튬이온 셀·배터리팩·전자부품을 활용한 실험 과정이 포함되어 있습니다. 이 기록은 Sensloop Lab의 통제된 환경에서 수행된 내용입니다.
안전한 실험을 위해 다음을 권장드립니다:
- 절연 장비와 보호장구(장갑·보안경 등)를 착용하세요.
- 작업 전 전압 확인과 절연 처리를 진행하세요.
- 고전압 배터리팩 실험은 숙련자가 진행하는 것이 안전합니다.
💡 연구 개요
연구원 여러분, 오늘은 리튬이온 배터리 화재의 출발점이자
모든 전기차·ESS 화재의 핵심 메커니즘인 ‘열폭주(thermal runaway)’ 현상에 대해 살펴보겠습니다.
겉으로는 단순한 ‘폭발’로 보이지만,
그 내부에서는 수초 만에 화학적 연쇄 반응이 폭발적으로 진행됩니다.
이 글에서는 그 반응의 순서를 시각적으로 이해할 수 있도록 정리했습니다.
🔥 1. 열폭주란 무엇인가?
“배터리 내부의 온도 상승 속도가, 배출되는 열보다 빠른 상태”
이것이 바로 열폭주입니다.
즉, 발생하는 열이 냉각보다 빠를 때
배터리 내부 온도는 기하급수적으로 상승하게 됩니다.
온도가 일정 임계치를 넘으면 내부 화학 반응이 통제 불가능한 수준으로 가속되어
결국 폭발 또는 화재로 이어지게 됩니다.
⚙️ 2. 열폭주의 진행 단계 (HTR 루프)
배터리의 열폭주는 Heat–Temperature–Reaction(HTR) 루프를 형성하며 순환합니다.
| 단계 | 주요 현상 | 설명 |
|---|---|---|
| ① 발열 시작 | SEI층(고체전해질 계면막) 분해 | 최초 충전 시 형성된 SEI가 열에 의해 파괴되며 가스가 발생 |
| ② 온도 상승 | 전해액 분해 및 산소 방출 | 내부 전해액이 끓으며 인화성 가스 배출 (CO₂, HF 등) |
| ③ 반응률 상승 | 양극/음극 활물질 분해 | 화학반응 속도가 폭발적으로 증가, 내부 압력 급등 |
| ④ 폭발적 확산 | 분리막 용융, 내부 단락 | 양·음극이 직접 접촉 → 순식간에 전기 에너지 방출 |
결국 이 순환고리가 끊기지 않으면,
배터리는 ‘스스로 연소하는 상태’ 로 들어가며
이것이 우리가 흔히 말하는 “폭발”입니다.
⚡ 3. 왜 한 셀의 열폭주가 전체로 번질까?
전기차나 ESS에 들어가는 배터리 팩은 수백 개의 셀로 구성됩니다.
하나의 셀에서 열폭주가 시작되면 인접한 셀로 열과 가스가 연쇄 전파됩니다.
이것을 ‘도미노 폭주(thermal propagation)’ 라고 합니다.
배터리 팩 내부는 밀폐 구조이기 때문에
생성된 가스가 빠져나가지 못하고, 내부 압력은 더 상승합니다.
결국, 하나의 셀의 문제가 전체 화재로 번지게 됩니다.
🧊 4. 진압이 어려운 이유
리튬이온 배터리 화재는 단순한 표면 화재가 아닙니다.
내부 전해액이 계속 끓고 가스를 배출하기 때문에
겉불을 꺼도 내부에서는 열이 계속 발생합니다.
즉, 외부 진화 후에도 재발화(re-ignition) 가 흔합니다.
🔍 실제로 테슬라 모델 S, 현대 코나 EV 화재 모두
1차 진압 후 수 시간 뒤 재발화 사례가 보고되었습니다.
🧪 5. Sensloop Lab의 분석 정리
| 항목 | 열폭주 전 | 열폭주 중 | 열폭주 후 |
|---|---|---|---|
| 온도 | 30~80℃ | 150~800℃ 급상승 | 재발화 가능 |
| 내부 반응 | 안정적 충방전 | SEI 분해 + 전해액 기화 | 내부 단락 + 가스 잔류 |
| 소화 효과 | 부분 냉각 가능 | 제한적 | 냉각 지속 필요 |
따라서, 리튬이온 배터리 화재는
“열 제거 + 내부 반응 차단” 이 동시에 이루어져야만 완전 진압이 가능합니다.
이는 단순히 분말이나 CO₂ 소화기만으로는 불가능한 이유이기도 합니다.
🧠 6. 결론: 열폭주는 ‘시간과의 싸움’
배터리 화재는 전기적, 화학적, 물리적 요인이 한꺼번에 작용하는 복합 화재입니다.
따라서 단순히 “냉각”만으로는 부족합니다.
열폭주를 조기에 탐지하고, 내부 반응을 억제할 수 있는 기술적 대응이 필수입니다.
🔗 다음 편 예고
다음 포스트에서는 “과충전·과방전이 배터리 열폭주를 유발하는 이유” 를 다뤄보겠습니다.
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