배터리 열폭주가 곧 ‘불이 나는 현상’일까요? 열폭주는 화재 자체가 아니라, 셀 내부에서 발생한 열이 추가적인 발열 반응을 촉진하면서 온도가 제어하기 어려울 정도로 빠르게 상승하는 현상입니다. 배터리 안전성을 높이기 위해서는 열폭주가 어떤 원인으로 시작되고 어떻게 진행되는지 이해하고, 각 단계에 맞춰 대응하는 것이 중요한데요.
이번 시간에는 배터리 열폭주의 발생 원인과 진행 과정, 화재·열전파와의 관계를 살펴보고, 이에 대응하는 LG에너지솔루션의 안전 기술을 알아보겠습니다.
배터리 열폭주(Thermal Runaway)란 무엇인가요?
‘열폭주(Thermal Runaway, TR)’는 셀 내부의 발열 반응이 연쇄적으로 일어나면서 온도가 제어하기 어려울 정도로 급격히 상승하는 현상입니다.
리튬이온배터리는 충·방전 과정에서 자연스럽게 소량의 열이 발생합니다. 정상적인 상태에서는 발생한 열이 외부로 원활하게 방출되며 셀의 온도가 안정적으로 유지되는데요. 하지만 셀 온도가 일정 수준 이상으로 높아지면 셀 내부에서 발열(Exothermic) 반응이 일어날 수 있는데요. 이때 발생한 열이 다시 추가적인 반응을 촉진하면서 셀 온도가 빠르게 상승해 열폭주로 진행될 수 있습니다.
열폭주가 발생하면 반드시 화재가 날까요?
열폭주가 발생했다고 해서 모든 경우가 반드시 화재로 이어지는 것은 아닙니다. 열폭주는 셀이 스스로 제어할 수 없는 자체 발열(Self-heating) 상태를 뜻하며, 화재 자체를 의미하지는 않습니다.
다만 열폭주가 진행되면 셀 내부 화학반응으로 가스가 생성되고 내부 압력이 빠르게 높아질 수 있습니다. 이때 셀 구조에 따라 가스나 전해액 등이 외부로 배출되는 벤팅(Venting)1이 발생할 수 있는데요. 배출된 가연성 가스가 점화되면 화재나 폭발로 이어질 수 있는 것이죠.
즉, 화재는 열폭주 과정에서 나타날 수 있는 결과 중 하나입니다. 열폭주가 발생하고 진행되는 양상은 배터리의 소재 조성, 셀 내부 결함, 외부에서 가해진 손상 정도 등에 따라 달라질 수 있습니다.
열폭주는 왜 시작될까요?
➀ 기계적 요인
배터리 셀이 강한 충격을 받거나 압착·관통되면 내부 구조가 손상될 수 있습니다. 특히 양극과 음극을 물리적으로 분리하는 분리막이 손상되면 내부 단락이 발생할 수 있고, 이는 열폭주를 촉발하는 원인이 될 수 있습니다.
② 전기적 요인
배터리가 정해진 전압이나 전류 범위를 벗어나면 안전성이 낮아질 수 있습니다. 대표적인 예가 과충전인데요. 과충전은 충전기의 호환 문제나 BMS(Battery Management System) 설계 문제로 발생할 수 있습니다. 과충전으로 인해 이미 셀 내부에 손상이 생긴 경우에는 충전을 멈춘 뒤에도 자체 발열이 이어져, 시간이 지난 뒤에도 열폭주로 이어질 수 있기 때문에 주의가 필요합니다.
제조사가 권장하는 최저 전압 이하까지 과방전한 뒤 재충전을 반복하는 경우에도 열폭주 가능성이 커질 수 있습니다. 특히 심하게 과방전된 셀을 다시 충전하면 음극의 구리 집전체에서 녹아 나온 구리 이온이 전극 표면에 쌓일 수 있는데요. 이 구리가 두 전극을 연결해 내부 단락을 일으키고, 전류가 크게 흐르면서 발열 위험이 높아질 수 있죠.
③ 열적·환경적 요인
배터리가 비정상적으로 높은 온도에 오래 노출되거나, 발생한 열을 내보내지 못하고 셀이 과열되는 경우에도 열폭주가 촉발될 수 있습니다. 온도가 일정 수준 이상 계속 높아지면 내부 발열 반응이 활발해질 뿐 아니라, 분리막이 수축하거나 변형돼 내부 단락 위험이 커질 수 있습니다. 이로 인해 추가적인 열이 발생하면 열폭주로 이어질 가능성도 더욱 높아집니다.
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열폭주가 시작되면 셀 내부에서는 무슨 일이 일어날까요?
열폭주는 셀 내부의 여러 반응이 연쇄적으로 이어지며 단계적으로 진행됩니다. 셀 내부에서 어떤 변화가 일어나고, 이 변화가 어떻게 열폭주로 이어지는지 살펴보겠습니다.
① 개시 단계
이상 발열로 셀 온도가 높아지기 시작하면 음극 표면의 보호막인 SEI(Solid Electrolyte Interphase)가 분해되고, 음극과 전해액 사이의 반응이 활발해지면서 열과 가스가 발생할 수 있습니다.
② 가속 단계
온도가 계속 상승하면서 분리막이 변형되고 전해액이 분해되며, 내부 단락이 발생할 수 있습니다. 이 과정에서 열과 가스 발생이 늘어나 내부 압력이 빠르게 높아질 수 있습니다.
③ 폭주 단계
온도가 더 높아지면 전해액과 양극을 중심으로 강한 발열 반응이 일어납니다. 일부 양극재는 고온에서 구조가 불안정해지며 산소를 방출할 수 있고, 이 산소가 전해액과 반응하면 발열을 더욱 키울 수 있죠. 이렇게 발생한 열이 다시 내부 반응을 촉진하면서 셀 온도가 급격하게 상승하고, 벤팅(Venting)이나 조건에 따라 발화로 이어질 수 있습니다.
④ 전파 단계
열폭주가 발생하더라도 반드시 주변 셀로 확산되는 것은 아닙니다. 다만 열폭주가 발생한 셀에서 나온 열과 화염, 고온의 가스 등이 인접한 셀로 전달되면 주변 셀에서도 연이어 열폭주가 발생할 수 있습니다. 이를 ‘열전파(TP, Thermal Propagation)’라고 합니다.
열폭주에 대응하는 LG에너지솔루션의 안전 기술
앞서 살펴본 것처럼 열폭주는 시작되기 전과 진행 중, 그리고 주변으로 번지는 단계가 각각 다른 성격을 가집니다. 그만큼 대응도 단계별로 이뤄져야 하는데요. LG에너지솔루션은 열폭주가 일어나기 어려운 소재를 개발하는 단계부터 이상 징후를 조기에 감지하는 진단, 그리고 발생 이후 확산을 막는 설계까지 다층적인 안전 기술을 적용하고 있습니다.
열안전성을 높이는 ATP 전해질 기술
LG에너지솔루션은 POSTECH(포항공과대학교)·성균관대와의 공동연구를 통해 ATP(Allyl Trimethyl Phosphonium) 계열 이온성 화합물을 활용한 전해질 기술을 개발했습니다. ATP 계열 이온성 화합물은 전해질의 동결점을 낮추고 계면 반응을 조절하는 다기능성 소재로, 저온에서 이온 이동이 저하되는 현상과 계면 불안정성을 개선하는 데 활용됩니다. 특히 고용량 실리콘 음극 전지에 적용한 연구에서는 열폭주를 약 90% 이상 억제해 열안전성을 향상시켰습니다. 또한 셀 발화 시 발열량을 기존 대비 90% 낮춰 열 전이 속도를 크게 줄일 수 있을 것으로 기대됩니다.
이상 징후를 찾아내는 BMTS 안전진단 기술
LG에너지솔루션의 BMTS(Battery Management Total Solution)는 배터리의 미세한 이상 신호를 감지하는 고도화된 안전진단 소프트웨어를 갖추고 있습니다. 양·음극 탭 단선(MAVD)이나 미세 내부 단락(RdV), 셀 용량 편차(dSOH) 등을 진단하는 로직을 활용해 업계 최고 수준인 90% 이상의 진단 검출률을 확보하고 있습니다.
열전파 위험을 낮추는 TP 방지 기술
LG에너지솔루션은 열폭주가 발생하기 전 이상 징후를 사전에 감지하고, 발생 이후에는 열이 주변 셀로 번지는 열전파(TP, Thermal Propagation)를 방지하기 위한 기술을 개발하고 있습니다.
리튬 석출(Lithium Plating)2 진단 기술로 TP 주요 원인 중 하나인 리튬 석출을 조기에 감지하고, EIS(Electrochemical Impedance Spectroscopy, 전기화학 임피던스 분광법)3를 활용해 셀의 온도 변화를 예측하고 이상 징후를 조기 탐지합니다. 또한 기체·압력 센싱 기술을 통해 셀 내부의 반응 변화를 직접 감지하는 등 열전파 위험을 낮추기 위한 선제적인 안전 기술을 적용하고 있습니다.
TP 대응을 강화하는 46시리즈 셀·팩 안전 설계
LG에너지솔루션의 46시리즈 원통형 배터리에는 셀과 팩 단계에서 안전성을 강화하기 위한 설계가 적용됩니다. 먼저 셀 단위에서는 Directional Venting4 기술을 적용해 셀 내부에서 발생한 에너지가 정해진 방향으로 배출되도록 설계했습니다. 이를 통해 주변 셀로 열이 전이되는 것을 줄여 열전파에 대응합니다. 팩 단위에서는 CAS(Cell Array Structure)를 통해 냉각 효율과 열 관리 성능을 높였습니다. 여기에 팩의 구조 강성을 높이고, 조립 과정에서 발생할 수 있는 뒤틀림을 줄여 팩의 안전성을 한층 강화했습니다.
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핵심Q&A
Q. 배터리 열폭주(Thermal Runaway, TR)란 무엇인가요?
열폭주는 셀 내부의 발열 반응이 연쇄적으로 이어지면서 온도가 급격히 상승하는 현상입니다. 셀 온도가 일정 수준 이상 높아지면 내부에서 발생한 열이 다시 추가적인 반응을 촉진하면서 열폭주로 이어질 수 있습니다.
Q. 열폭주가 발생하면 반드시 화재로 이어지나요?
열폭주가 발생했다고 해서 반드시 화재가 이어지는 것은 아닙니다. 열폭주 과정에서 내부 압력이 높아지면 가스나 전해액 등이 배출될 수 있고, 이때 배출된 가연성 가스가 발화하면 화재나 폭발로 이어질 수 있습니다. 즉, 화재는 열폭주 과정에서 나타날 수 있는 결과 중 하나입니다.
Q. 열폭주는 왜 발생하나요?
열폭주는 셀 내부 결함뿐 아니라 기계적·전기적·열적 요인으로 인해 발생할 수 있습니다. 충격이나 압착·관통으로 내부 구조가 손상되거나, 과충전·과방전·단락 등으로 비정상적인 전기 상태가 발생하는 경우, 또는 셀이 높은 온도에 노출돼 과열되는 경우 등이 대표적입니다.
Q. 열폭주가 시작되면 셀 내부에서는 어떤 일이 일어나나요?
열폭주는 개시→가속→폭주→전파 단계로 진행될 수 있습니다. 초기에는 SEI 분해와 전극·전해액 사이의 반응으로 열과 가스가 발생하고, 이후 분리막 변형과 내부 단락 등이 더해지면서 발열이 가속됩니다. 열폭주 셀에서 나온 열과 고온의 가스 등이 인접한 셀로 전달되는 경우에는 열전파(TP)로 이어질 수 있습니다. 다만 구체적인 반응 순서와 강도는 셀의 소재와 설계, 충전 상태 및 이상 조건에 따라 달라질 수 있습니다.
Q. LG에너지솔루션은 열폭주와 열전파에 어떻게 대응하고 있나요?
LG에너지솔루션은 소재부터 진단, 셀·팩 설계까지 다양한 안전 기술을 개발하고 있습니다. ATP 전해질 기술과 BMTS 안전진단 기술로 열폭주 가능성과 이상 징후에 대응하고, Directional Venting과 CAS 기술 등을 46시리즈 배터리에 적용하여 셀·팩 단위의 안전성을 강화하고 있습니다.
지금까지 배터리 열폭주의 발생 원인과 진행 과정을 함께 살펴봤습니다. 열폭주는 다양한 원인으로 시작될 수 있는 만큼, 각 단계에 맞는 이상 징후를 조기에 감지하고 주변 셀로의 열전파를 방지하는 기술이 중요합니다.
LG에너지솔루션은 소재부터 진단, 셀·팩 설계까지 다층적인 배터리 안전 기술을 적용하고 있는데요. 앞으로도 더욱 안전하고 신뢰할 수 있는 배터리를 위한 기술 혁신을 이어가겠습니다.
- 벤팅(Venting) : 셀 내부에서 가스가 생성돼 압력이 높아질 때, 가스나 전해액 등이 셀 외부로 배출되는 현상. ↩︎
- 리튬 석출 : 충전 과정에서 리튬이온이 음극 내부에 충분히 삽입되지 못하고, 음극 표면에 금속 리튬 형태로 석출되는 현상. ↩︎
- EIS(Electrochemical Impedance Spectroscopy, 전기화학 임피던스 분광법) : 작은 전기 신호를 가해 여러 주파수에서 나타나는 임피던스 변화를 분석해 배터리 내부 상태를 파악하는 방법. ↩︎
- Directional Venting(DV) : 셀 내부에서 발생한 에너지를 외부로 빠르게 배출하도록 설계한 안전 기술. ↩︎
