열폭주 — 제 열로 한 칸씩 오르는 계단

배터리에서 난 불이 유난히 끄기 어려운 까닭

전기차 배터리에서 난 불은 끄기 어렵다는 말을 자주 듣습니다. 이유로 꼽히는 것은 셋입니다. 열이 아주 빠르게 쏟아져 나오고, 배터리를 감싼 상자가 열을 가둬 바깥에서 식히기 어렵고, 배터리 안에서 산소가 생겨 불이 바깥 공기에만 기대지 않습니다 (DOI: 10.1016/j.firesaf.2025.104503). 잦아든 불이 다시 살아나는 일도 대응을 까다롭게 만듭니다 (DOI: 10.3390/su172310578).

세 이유 가운데 둘은 배터리 안에서 나옵니다. 열과 산소를 내는 반응이 배터리 안에서 일어납니다. 열폭주(thermal runaway)는 배터리 안의 온도가 오르면 열을 내는 화학 반응이 일어나고, 그 반응이 낸 열이 다시 온도를 올려 더 많은 반응을 부르는 고리가 스스로 멈추지 못하고 이어지는 일입니다 (DOI: 10.1016/j.ecmx.2022.100310; DOI: 10.1002/bte2.70149).

이 글은 그 고리가 어떻게 시작되고, 어떤 순서로 올라가고, 옆으로 어떻게 번지는지를 따라갑니다. 그 고리를 끊으려는 설계가 어디에 들어가 있는지도 함께 따라갑니다. 대상은 오늘 휴대폰과 전기차에 쓰는, 안을 액체로 채운 리튬이온 배터리입니다. 다른 화학을 쓰는 배터리는 이 글의 범위 밖입니다.

셀 안에 들어 있는 것

휴대폰 배터리도 전기차 배터리도 같은 기본 단위로 만듭니다. 셀은 배터리를 이루는 가장 작은 한 칸으로, 양극과 음극, 그 사이를 채운 전해질과 둘을 가르는 분리막이 한 통 안에 들어 있습니다. 전기차 배터리는 이런 셀을 여럿 묶은 덩어리입니다.

셀 안을 오가는 주인공은 리튬입니다. 리튬 이온은 리튬 원자가 전자 하나를 내놓아 + 전기를 띤 알갱이입니다. 리튬 이온이 머무는 곳은 두 전극입니다. 양극은 셀의 + 쪽 전극으로, 방전할 때 리튬 이온이 돌아와 자리를 잡는 곳입니다. 음극은 셀의 − 쪽 전극으로, 충전할 때 리튬 이온이 건너와 머무는 곳입니다. 리튬 이온과 전자가 각자 어느 길로 가는지는 이 시리즈의 다른 편, 셀 안의 구조와 충전·방전을 다룬 편이 자세히 다룹니다.

열폭주 이야기에서 중요한 것은 이 부품들의 성질입니다. 셀의 재료는 반응성이 높고 타기 쉬워서, 무리한 조건에 놓이면 전극과 전해질 사이에 원치 않는 반응이 줄줄이 일어날 수 있습니다 (DOI: 10.3390/app9122483).

두 전극 사이를 채운 것부터 보겠습니다. 전해질은 두 전극 사이를 채워 리튬 이온은 지나가게 하고 전자는 건너가지 못하게 하는 물질입니다. 전해질은 대개 타는 액체입니다. 셀이 내뿜는 가스에는 전해질 용매가 증발한 기체가 많이 섞여 있고, 그 기체가 가스 전체를 더 타기 쉽게 만듭니다 (DOI: 10.1016/j.jlp.2024.105488).

두 전극 사이에는 막도 하나 있습니다. 분리막은 양극과 음극이 서로 닿지 않게 둘 사이를 가르는 얇은 막으로, 아주 작은 구멍이 많아 리튬 이온은 지나갑니다. 분리막은 이온은 통과시키고 전자는 막아, 두 전극이 셀 안에서 직접 이어지지 않게 지킵니다. 그런데 흔히 쓰는 플라스틱 분리막은 높은 온도에서 줄어듭니다 (DOI: 10.1002/adma.202106335).

두 전극은 평소에 에너지를 지니고 있고, 온도가 오르면 전해질과 분리막까지 셀의 재료가 서로 반응해 열을 내는 연료가 됩니다.

열이 쌓이는 속도와 빠져나가는 속도

실험실에는 일부러 최악의 조건을 만드는 시험이 있습니다. 셀을 열이 조금도 빠져나가지 못하는 통에 넣고 데웁니다. 이 조건은 큰 배터리 더미 한가운데에서 식을 길을 잃은 셀 하나를 흉내 냅니다 (DOI: 10.1149/ma2014-01/1/76).

이 시험이 최악인 이유는 열의 셈법에 있습니다. 셀은 쓰는 동안에도 열을 내고, 그 열의 일부는 바깥으로 빠져나가며, 나머지는 셀 안에 쌓입니다 (DOI: 10.1109/access.2018.2824838). 빠져나가는 열이 생기는 열을 따라잡으면 온도는 어느 선에서 멈춥니다. 생기는 열이 앞서면 온도가 오르고, 화학 반응은 온도가 높을수록 빨라지므로 열이 더 빨리 생깁니다. 빠져나갈 길이 막힌 통 속에서는 이 앞지르기가 가장 쉽게 일어납니다.

이 고리를 계단으로 그려 볼 수 있습니다. 계단 한 칸은 어떤 온도에 닿아야 시작되는 반응 하나입니다. 그 반응이 낸 열이 셀을 다음 칸의 시작 온도까지 밀어 올리면, 셀은 누가 밀지 않아도 다음 칸에 올라섭니다. 열폭주를 연쇄적인 발열 반응이 셀 안 온도를 가파르게 올리는 현상으로 보는 설명이 이 그림과 같습니다 (DOI: 10.1016/j.ecmx.2022.100310). 니켈·코발트·망간을 섞은 양극을 쓴 셀 두 개를 분석한 연구도 가장 큰 열을 내는 반응이 어떤 임계 온도에 닿을 때 시작된다고 결론짓습니다 (DOI: 10.3389/fenrg.2018.00126). 실제 반응들은 서로 얽혀 함께 진행되기도 합니다 (DOI: 10.1002/advs.76228). 계단은 그 큰 줄기를 보여 주는 그림입니다.

계단의 아래쪽과 위쪽은 성격이 다릅니다. 시판 원통형 셀 안에 광섬유 감지기를 넣어 열폭주를 지켜본 실험에서, 셀의 온도와 압력이 오르는 속도의 곡선이 갑자기 꺾이는 구간은 되돌릴 수 있는 반응이 되돌릴 수 없는 반응으로 넘어가는 자리와 겹쳤습니다 (DOI: 10.1038/s41467-023-40995-3). 셀 세 종류에 무리를 가하다가 아주 적은 양의 수소가 잡히는 순간 무리를 멈췄더니, 시험한 모든 경우에서 열폭주로 가지 않았습니다 (DOI: 10.1016/j.xcrp.2025.102859, 실험실 시험). 아래쪽 칸에서 무리를 멈춘 셀은 열폭주로 가지 않았고, 어느 칸을 넘어서면 셀은 스스로 끝까지 올라갑니다.

칸의 높이와 크기는 셀마다 다릅니다. 같은 설계의 셀을 같은 조건에서 시험해도 열 반응이 크게 갈리고 (DOI: 10.1016/j.jpowsour.2024.234106), 큰 원통형 셀은 셀의 한 부분이 실험실 열량계로 정한 흔한 시작 온도를 크게 넘기도 합니다 (DOI: 10.1016/j.est.2024.111275). 열폭주가 거치는 과정은 셀을 이루는 재료에 따라서도 크게 달라집니다 (DOI: 10.1016/j.nxener.2024.100186). 칸마다 몇 도인지는 셀마다 따로 재야 합니다.

첫 칸으로 밀어 올리는 세 갈래

계단의 첫 칸에 올려 주는 힘은 세 갈래로 나뉩니다. 찌그러지거나 뚫리는 기계적 손상, 정해진 한도를 넘는 충전 같은 전기적 무리, 바깥에서 들어오는 열입니다 (DOI: 10.1016/j.jechem.2020.10.017; DOI: 10.1002/aenm.71302). 셋 모두 셀 안의 반응이 열을 지나치게 빨리 내게 만들고, 그 끝에 열폭주가 올 수 있습니다 (DOI: 10.1016/j.aets.2024.06.002).

세 갈래가 자주 만나는 자리가 있습니다. 먼저 바깥 길의 이름부터 부르겠습니다. 회로는 전기가 전지에서 나와 기구를 거쳐 다시 전지로 돌아오는, 끊긴 데 없이 닫힌 길입니다. 셀이 내놓는 전기는 원래 이 바깥 회로를 돌아야 합니다. 내부 단락(internal short circuit)은 셀 안에서 양극과 음극이 분리막을 건너 직접 이어져 전기가 바깥 회로를 거치지 않고 흐르는 일입니다. 내부 단락은 분리막이 열에 줄어들거나 눌려 부서질 때 흔히 생깁니다 (DOI: 10.1149/ma2019-01/6/582).

내부 단락은 리튬이온 배터리의 고장 가운데 가장 다루기 어려운 것의 하나로 꼽힙니다. 열폭주로 이어질 수 있고, 미리 알아채기도 어렵습니다. 원인은 만드는 과정의 여러 단계에서 생기는 결함까지 넓게 걸쳐 있습니다 (DOI: 10.1016/j.jpowsour.2025.238265). 실험실에서 쇠못을 셀에 박는 시험은 차 사고처럼 바깥에서 온 충격이 셀 안에 단락을 만드는 경우를 흉내 냅니다 (DOI: 10.1149/ma2014-01/1/76). 못 시험은 하기 쉬운 대신 결과를 바꾸는 조건이 많습니다 (DOI: 10.1016/j.jpowsour.2025.238265).

전기 쪽 길에는 시간이 걸리는 경로도 있습니다. 리튬 석출은 리튬 이온이 음극 안으로 들어가지 못하고 음극 표면에 금속 리튬으로 쌓이는 일입니다. 리튬 석출은 너무 빠르게 충전하거나 낮은 온도에서 충전할 때 생길 수 있습니다. 석출이 심해지면 리튬이 나뭇가지 모양으로 자라 분리막을 뚫고 내부 단락을 만들 수 있고, 그 끝에 열폭주가 올 수 있습니다 (DOI: 10.3390/en17235930). 석출이 생기는 조건과 배터리를 늙게 하는 쪽 이야기는 이 시리즈의 다른 편, 배터리가 늙는 이유를 다룬 편이 맡습니다.

세 갈래는 출발점이 달라도 도착점이 같습니다. 셀 안 어딘가가 식는 속도보다 빨리 데워지는 순간, 계단의 첫 칸이 시작됩니다.

계단을 한 칸씩 — 데워지는 셀 하나

이제 셀 하나를 바깥에서 천천히 데운다고 해 보겠습니다. 계단은 한 종설이 정리한 네 칸을 따릅니다. 음극과 전해질이 맞닿은 경계가 먼저 무너지고, 분리막이 줄어들고, 전해질이 분해되고, 양극이 산소를 내놓습니다 (DOI: 10.1002/advs.76228).

첫 칸은 음극 표면에서 시작됩니다. SEI는 음극 표면에 생기는 아주 얇은 막으로, 처음 몇 차례 충전하는 동안 전해질 일부가 분해되며 만들어지고 그 뒤로도 조금씩 자랍니다. 음극과 전해질 사이를 가르던 이 막이 무너지는 것이 계단의 첫 단계입니다 (DOI: 10.1002/advs.76228). 막이 무너지면 음극과 전해질이 직접 만나 반응합니다. 막은 이 시리즈의 다른 편, 배터리가 늙는 이유를 다룬 편에서 더 자세히 나옵니다.

둘째 칸은 분리막입니다. 분리막이 고장 나는 방식은 뚫림, 녹음, 열에 의한 수축의 셋입니다 (DOI: 10.70322/gct.2024.10006). 분리막이 줄고 녹고 무너지는 일은 작은 단락·큰 단락과 함께 나타나 열폭주로 가는 것으로 보고됩니다. 그 가운데 무엇이 열폭주의 시작을 당기는지는 그 연구가 따지려는 질문입니다 (DOI: 10.1149/ma2021-015303mtgabs, 학회 초록).

분리막이 무너지면 그 자리에서 내부 단락이 생길 수 있습니다. 내부 단락은 계단의 한 칸으로 세기 어려운, 분리막이 무너질 때 곁에서 일어나는 일입니다. 그 몫을 두고 근거가 갈립니다. 휴대폰 배터리보다 훨씬 큰 납작한 셀 한 종류를 단열 통에서 데운 학회 초록이 있습니다. 가득 충전한 셀에서 내부 단락의 신호는 약 181도에서 잡혔고, 열폭주는 그로부터 343초 뒤 약 213도에서 왔습니다. 분리막이 열에 줄어든 것이 단락의 원인이었고, 단락이 일어난 순간 셀이 데워지는 속도는 빨라지지 않았습니다. 이 셀에서 내부 단락은 열폭주보다 먼저 왔지만 열은 적게 냈고, 큰 열은 음극과 전해질의 반응, 양극과 음극 사이의 반응이 냈습니다. 셀의 부품을 섞어 데운 시험에서는 양극과 음극 사이의 반응이 가장 큰 열을 냈습니다. 단락이 낸 열이 적었던 것은 셀 안 전해질이 말라 저항이 커졌기 때문이라고 저자들은 설명하고, 열로 시작된 열폭주에서 단락이 하는 몫은 더 밝혀야 한다고 적습니다 (DOI: 10.1149/ma2019-01/6/582, 학회 초록·셀 한 종류).

다른 근거들은 단락에 더 큰 몫을 둡니다. 니켈·코발트·망간 셀 두 개를 분석한 연구는 단락이 양극과 음극 사이의 큰 반응을 당기는 데 결정적이라고 보면서도, 단락과 열폭주의 관계를 앞으로 따질 과제로 꼽습니다 (DOI: 10.3389/fenrg.2018.00126). 분리막이 터져 생긴 단락을 큰 고장의 주된 원인으로 보는 연구가 있고 (DOI: 10.1149/ma2021-015303mtgabs, 학회 초록), 분리막 고장을 열폭주의 직접 원인으로 적는 종설도 있습니다 (DOI: 10.70322/gct.2024.10006). 못이 박히거나 셀이 눌려 큰 단락이 한꺼번에 생기면, 단락이 곧바로 열폭주를 당깁니다 (DOI: 10.1149/ma2019-01/6/582).

셋째 칸은 전해질이고, 넷째 칸은 양극입니다. 전해질이 분해되고, 양극이 산소를 내놓습니다 (DOI: 10.1002/advs.76228). 니켈을 섞은 산화물 양극을 데우면 결정 구조가 바뀌면서 산소가 풀려납니다. 이 관찰은 한도를 넘겨 충전한 양극 재료를 따로 데운 실험에서 나왔습니다 (DOI: 10.1002/adfm.201200693). 풀려난 산소 같은 반응성 기체가 분리막을 건너 반대쪽 전극과 반응하는 것이 열폭주를 부르는 길로 지목됩니다 (DOI: 10.1002/adma.202106335). 셀을 800도 넘게 달구는 주된 열원은 양극과 음극 사이의 산화·환원 반응으로 꼽힙니다 (DOI: 10.3389/fenrg.2018.00126). 처음에 본 「배터리 안에서 생기는 산소」가 바로 이 칸에서 나옵니다.

계단을 오르는 동안 셀 안에는 가스도 쌓입니다. 가스 분출(venting)은 셀 안에서 생긴 가스로 압력이 오르다가, 그 가스가 셀 밖으로 터져 나오는 일입니다. 원통형 셀에는 이때 열리도록 미리 내 둔 통로가 있습니다 (DOI: 10.1016/j.jlp.2024.105488). 가스 분출은 열폭주보다 먼저 옵니다 (DOI: 10.1016/j.xcrp.2025.102859). 광섬유 감지기로 잰 셀 안 압력에는 봉우리가 두 번 섰고, 첫째는 가스 분출, 둘째는 열폭주의 시작과 맞았습니다 (DOI: 10.1038/s41467-023-40995-3). 분출된 가스에는 수소, 메탄, 일산화탄소, 이산화탄소, 플루오린화수소, 전해질 용매의 증기가 섞여 있습니다 (DOI: 10.1016/j.jlp.2025.105657). 이 가스는 타기 쉽고 독성이 있어서, 불과 폭발과 중독의 위험이 함께 나옵니다 (DOI: 10.1016/j.est.2024.111288). 가스가 빠르게 생기는데 충분히 빠져나가지 못하면 셀이 터질 수 있습니다 (DOI: 10.1002/advs.201700369).

한 셀에서 옆 셀로

셀 하나가 계단 꼭대기에 올라도, 그 열이 옆 셀로 넘어가지 않으면 사고는 그 셀 하나에서 멈춥니다. 문제는 넘어갈 때입니다. 열폭주 전파(thermal runaway propagation)는 한 셀의 열폭주가 내놓은 열과 뜨거운 가스가 옆 셀을 데워, 그 셀까지 열폭주로 몰아가는 일입니다. 전파는 고장을 여러 셀로 빠르게 퍼뜨려 위험을 키웁니다 (DOI: 10.3390/batteries11060216). 계단의 그림으로 말하면, 꼭대기에 오른 셀이 내놓은 열이 이웃 셀을 그 셀의 첫 칸 위로 밀어 올리는 일입니다.

열이 옆 셀로 건너가는 길은 셋입니다. 맞닿은 면을 타고 건너가는 열, 분출된 뜨거운 가스가 실어 나르는 열, 그리고 불꽃과 그 복사열입니다. 어느 길이 주도하는지는 단계에 따라 바뀝니다 (DOI: 10.1002/aenm.71302). 큰 원통형 셀을 대상으로 한 모형과 실험에서는 뜨거운 분출 가스가 이웃 셀로 열을 들이는 길을 먼저 막는 것이 가장 중요했습니다. 그다음에 맞닿아 건너가는 열을 셀 사이 간격으로 다스렸고, 지름이 큰 셀일수록 더 멀리 떨어뜨려야 했습니다 (DOI: 10.1016/j.est.2024.111275). 전파는 셀 사이의 간격, 사이에 넣는 재료, 셀을 쌓은 방식에 따라 달라집니다 (DOI: 10.1016/j.etran.2023.100305).

진압 연구의 결과는 시험한 대상과 방법에 따라 갈립니다. 8킬로와트시짜리 가정용 저장장치에서 다섯 가지 진압 방법을 시험한 연구가 있습니다. 미세한 물안개와 그것에 캡슐화 첨가제를 넣은 방법이 가장 나았고, 진압하지 않은 시험보다 번짐이 늦춰진 시간을 각각 179%와 167% 늘렸으며 열폭주의 위험비를 70% 넘게 낮췄습니다. 한 가정용 저장장치 시험에서 다섯 가지 진압 방법 가운데 어느 것도 번짐을 끝내 막지 못했습니다. 냉각이 잘될수록 증기 구름도 많이 생겨 폭발 위험이 커지는 문제도 드러났습니다. 저자들은 지금의 진압 기술이 전파를 늦출 수는 있어도 막지는 못한다고 결론짓습니다 (DOI: 10.1007/s10694-025-01831-w). 차에 미리 단 관으로 배터리 상자 안에 냉각수를 넣는 방법을 축소 모형으로 시험한 연구는, 승용 전기차 배터리 화재를 물 약 100킬로그램으로 몇 분 안에 끌 수 있다고 보고합니다 (DOI: 10.1016/j.firesaf.2025.104503, 축소 모형 실험). 열폭주가 일어난 뒤의 화재 예방·소화 기술이 피해를 효과적으로 줄일 수 있다고 보는 종설도 있습니다 (DOI: 10.1016/j.aets.2024.06.002).

시험 기준도 마지막 답이 되지 못합니다. 기록이 남은 대형 저장장치 사고들을 모은 짧은 종설에 따르면, 최신 기준과 그 기준의 전파 시험을 통과한 시스템에서도 화재와 전파가 일어난 경우가 있었습니다. 저자들은 그 기록에서 기준의 빈틈을 찾습니다 (DOI: 10.1002/prs.12448).

고리를 끊는 자리들

세라믹을 입힌 분리막, 타지 않게 만든 전해질 첨가제, 셀 사이의 차단벽, 셀을 지켜보는 장치까지 대책이 들어가는 자리는 여럿입니다. 한 종설은 열폭주의 단계마다 신호를 정하고, 그 단계에 맞는 대책을 재료·셀·모듈·팩·시스템의 층에 각각 짝지으라고 제안합니다 (DOI: 10.1002/advs.76228). 대책은 재료에서 셀, 팩, 셀을 지켜보는 장치까지 여러 층에 걸쳐 있고, 그 대책을 계단의 칸마다 짝지어 두자는 제안이 나와 있습니다. 전파를 다룬 종설은 지금의 층층 차단을 넘어 여러 기능을 한데 묶은 장치로 가야 한다고 내다봅니다 (DOI: 10.1002/aenm.71302).

재료 층에서는 타지 않게 만든 전해질 첨가제, 열에 강한 재료, 세라믹을 입힌 분리막이 쓰입니다 (DOI: 10.1016/j.aets.2024.06.002). 열에 줄어들지 않는 분리막을 시험한 연구에서는, 실험실에서 만든 작은 셀이 달아오를 때의 가장 가파른 온도 상승이, 세라믹을 입힌 보통 분리막을 쓴 셀의 초당 131.6도에서 초당 3.7도로 줄었습니다. 그 분리막은 단락을 막고, 산소가 반대쪽 전극으로 건너가는 길도 막았습니다 (DOI: 10.1002/adma.202106335, 실험실 셀). 금속을 입힌 플라스틱 판을 전극 받침으로 쓴 원통형 셀은 못 박기 시험에서 매번 열폭주를 피했고, 보통 셀은 매번 열폭주로 갔습니다 (DOI: 10.1016/j.xcrp.2021.100360, 실험실 시험).

셀 층에서는 가스를 내보내는 길이 중요합니다. 바닥에 두 번째 분출구를 낸 원통형 셀은 열폭주가 일어나는 동안 셀이 터지는 데까지 가는 단계를 피했습니다 (DOI: 10.1002/advs.201700369, 단일 연구). 팩 층에서는 앞 절에서 본 간격과 차단재가 일합니다. 열을 머금는 재료, 열을 잘 전하지 않는 벽, 불을 끄는 물질을 단계에 맞춰 쓰는 방식이 정리돼 있습니다 (DOI: 10.1002/aenm.71302). 셀을 통째로 불을 막는 액체에 담근 모듈 하나는 무리를 가한 시험에서 불이 옆으로 번지지 않았고, 액체 없이 시험한 모듈은 불과 폭발로 타 버렸습니다 (DOI: 10.3390/en17102418, 단일 연구).

맨 위층은 지켜보는 장치입니다. 배터리 관리 시스템은 셀의 전압과 전류, 온도를 지켜보며 충전 상태와 건강 상태를 추정하고, 셀을 보호하고 셀들 사이를 고르게 맞추는 장치입니다. 충전 상태는 지금 남은 양의 비율이고, 건강 상태는 셀이 얼마나 늙었는지를 가리키며, 둘 다 이 시리즈의 다른 편들이 다룹니다. 이상이 보이면 이 장치가 셀을 지키는 동작을 하고 (DOI: 10.1002/bte2.70149), 열폭주를 늘 막을 수는 없어서 시작 전에 알아채는 방법이 따로 연구됩니다 (DOI: 10.1002/bte2.70149). 문헌을 체계적으로 모은 종설은 무리를 알아채는 데는 온도 감시가, 셀 고장을 알아채는 데는 전압 감시가 각자에 맞는 계산 모형과 짝지을 때 알맞다고 결론짓습니다 (DOI: 10.1016/j.fub.2025.100110). 셀 안에 넣은 광섬유 감지기는 가스 분출보다도 먼저 경보를 낼 수 있었고 (DOI: 10.1038/s41467-023-40995-3, 단일 실험), 앞서 본 수소 감지처럼 아래쪽 칸에서 신호를 잡는 방법도 실험실에서 시험되고 있습니다 (DOI: 10.1016/j.xcrp.2025.102859). 층을 겹쳐 두어도 빈틈은 남습니다. 앞 절의 사고 기록이 그 빈틈을 보여 줍니다.

양극 재료에 따라 달라지는 계단

계단의 가파름은 양극에 무엇을 쓰느냐에 따라 크게 달라집니다. 인산철 양극은 리튬·철·인산으로 된 양극이고, 니켈계 양극은 니켈에 코발트와 망간 또는 알루미늄을 섞은 산화물로 된 양극입니다. 양극의 결정 구조가 어떻게 다른지는 셀 안의 구조를 다룬 편이 다룹니다.

인산철은 열에 아주 안정한 양극으로 알려져 있습니다. 시판 셀들을 바깥에서 데운 시험에서 코발트 계열 노트북 셀은 불을 내며 700도를 넘었고, 인산철 셀의 반응은 훨씬 약했습니다. 그래도 인산철 셀 가운데 일부에서는 열폭주가 관측됐고, 한도를 넘긴 충전 시험은 대부분 별일 없었지만 한 번은 격렬한 불로 끝났습니다. 저자들은 더 안전한 셀을 만드는 데 성과가 있었지만 극한 조건에서는 열폭주가 여전히 일어날 수 있다고 적습니다 (DOI: 10.1149/2.0311410jes).

두 차종에서 꺼낸 셀을 비교한 연구에서, 셀이 담은 에너지를 같게 맞추고 보면 니켈 비율이 높은 셀의 열폭주 반응은 인산철 셀보다 9배 빨랐고, 이웃 셀로 번지는 구간 전체로 보면 5배 빨랐습니다. 대신 인산철 셀은 같은 무게와 부피에 담는 에너지가 적습니다. 그 연구는 평균값으로 따질 때 셀을 팩으로 묶는 방식을 다듬으면 그 격차가 무게 기준 16%로 줄고 부피 기준으로는 메워질 수 있다고 분석합니다. 저자들은 니켈 비율이 높은 셀 쪽 안전 요건이 훨씬 높다고 보고, 이 맞바꿈을 더 연구해야 한다고 덧붙입니다 (DOI: 10.1016/j.etran.2023.100305). 시판 셀 수백 번의 남용 시험을 모은 자료에서, 용량(암페어시)당으로 맞춰 보면 셀이 내놓은 열은 에너지 밀도·출력 밀도가 높은 셀일수록 컸습니다 (DOI: 10.1016/j.jpowsour.2024.234106). 함께 움직인다는 관찰이고, 이 자료가 원인을 가려 주지는 않습니다.

가스 쪽은 그림이 다릅니다. 문헌을 모은 종설에서 니켈·망간·코발트 셀은 평균적으로 가스를 더 많이 냈고, 인산철 셀이 낸 가스는 그보다 독성과 불붙는 위험이 컸습니다 (DOI: 10.1016/j.est.2024.111288). 시판 원통형 셀 세 종류를 가득 충전해 데운 한 연구는 불꽃이 번지는 빠르기 하나로 가스의 위험을 쟀습니다. 그 기준으로 인산철 셀과 니켈·망간·코발트 셀은 수소가 많은 분출 단계의 가스가, 니켈·코발트·알루미늄 셀은 이산화탄소가 많은 열폭주 단계의 가스가 가장 위험했습니다 (DOI: 10.1016/j.jlp.2025.105657, 단일 연구). 인산철 셀로 만든 팩에서는 셀 하나에 단락이 나도 극한 조건에서까지 전파가 일어나지 않았다는 결과가 있지만, 이것은 2차원 컴퓨터 모형 한 편의 결과입니다 (DOI: 10.1016/j.egyr.2020.03.024, 모형 연구).

인산철 셀은 덜 격렬하고 느리게 달아오르지만, 열폭주가 일어날 수 있고 가스 쪽 위험은 따로 남습니다.

얼마나 자주 일어나는가

2011년 이후 전기차와 플러그인 하이브리드에서 난 불은 약 5,718건(95% 신뢰구간 2,866~10,846건)으로 추정됩니다. 이 차들의 화재는 해마다 약 45%(±11.3%)씩 늘고 있습니다. 이 추정을 낸 미국 국립표준기술연구소(NIST)의 보고서는 리튬이온 배터리 화재 자료가 조각나 있고 대부분 불완전하며, 지금의 집계가 실제보다 크게 적다고 적습니다 (DOI: 10.6028/nist.tn.2365). 초록이 자료원으로 드는 NFIRS·CPSC 화재 자료는 미국 것이고, 초록은 이 추정이 어느 지역의 집계인지 따로 밝히지 않습니다. 숫자는 2011년 이후를 모두 더한 추정입니다.

이 숫자는 건수입니다. 같은 기간 도로 위의 전기차가 몇 대였고 얼마나 달렸는지가 같은 자리에 없습니다. 차가 빠르게 늘어나는 시기라면 화재 건수가 늘어도 차 한 대가 더 위험해졌다는 뜻인지 알 수 없습니다. 불이 몇 건 났는지는 셀 수 있어도, 몇 대 가운데 몇 건인지가 같이 놓이지 않으면 이 숫자만으로는 더 자주 나는지 덜 자주 나는지 말할 수 없습니다.

연구자들의 평가도 이 빈자리를 가리킵니다. 가스 문헌을 모은 종설은 열폭주를 드문 사건으로 적습니다 (DOI: 10.1016/j.est.2024.111288). 배터리 사고 위험을 폭넓게 살핀 연구는 사고 통계 자료가 모자라 이 새 위험을 받아들일 만한지가 아직 제대로 평가되지 않았다고 적습니다 (DOI: 10.3390/su172310578). 드물다는 평가와 통계가 모자라다는 평가가 함께 서 있는 것이 지금의 근거입니다.

어디를 더 볼까

이 글에 나온 「회로」는 「전압·전류·전력 — 한 바퀴를 돌아도 줄지 않는 것」에서 처음 정의한 말입니다. 전기가 바깥 길을 한 바퀴 돌아야 한다는 그 그림 위에서 보면, 내부 단락이 왜 지름길인지가 더 또렷해집니다. 저장장치를 적을 때 쓴 「8킬로와트시」 같은 에너지 단위는 「와트와 와트시 — 속도계와 주행거리계로 읽는 전기의 두 숫자」가 다룹니다.

이 시리즈의 다른 편 가운데 셀 안의 구조와 충전·방전을 다룬 「배터리 셀 — 두 전극 사이를 오가는 흔들의자」는 이 글의 둘째 절을 넓힙니다. 배터리가 늙는 이유를 다룬 「배터리 노화 — 구슬은 줄고 선반은 금 간다」는 음극 표면의 막과 리튬 석출, 건강 상태를 자세히 다룹니다. 배터리의 숫자를 읽는 「암페어시와 와트시 — 얼마나 담고, 얼마나 빨리 꺼내는가」는 에너지 밀도와 충전 상태를 다룹니다.

열폭주의 각 단계가 몇 도에서 오고 어느 반응이 가장 큰 열을 내는지는 셀의 재료에 따라 크게 달라서, 연구자들이 지금도 맞춰 가는 중입니다 (DOI: 10.1016/j.nxener.2024.100186).

근거 논문

• "A Review of Failure Modes and Safety Strategies of Lithium‐Ion Batteries from Materials to Systems" (2026) — DOI: 10.1002/advs.76228 — 열폭주를 음극-전해질 경계 붕괴·분리막 수축·전해질 분해·양극 산소 방출의 순차 단계로 나누고 다중 물리 결합을 분석. 단계별 지표를 재료~시스템 층의 대책과 잇는 틀을 제안.
• "Understanding the risk of lithium-ion battery fires:" (2026) — DOI: 10.6028/nist.tn.2365 — 2011년 이후 전기차·플러그인 하이브리드 화재 약 5,718건(95% CI 2,866~10,846) 추정, 연 45% 증가. NFIRS·CPSC 등 자료가 조각나 있고 과소 집계.
• "Performance of Extinguishing Agents against Lithium-Ion Battery Fires" (2026) — DOI: 10.1007/s10694-025-01831-w — 8kWh 가정용 저장장치에서 진압 방법 다섯 가지 시험. 물안개·캡슐화제가 번짐 지연 179%·167%, 위험비 70% 넘게 감소. 어느 것도 전파를 막지 못함, 증기 구름의 폭발 위험. 진압은 늦출 수 있으나 막지 못한다.
• "Breaking the Energy Cascades: Stage‐Specific Mitigation of Thermal Runaway Propagation in Lithium‐Ion Battery Systems" (2026) — DOI: 10.1002/aenm.71302 — 촉발 경로(과충전·바깥 가열·내부 단락), 전파의 전도·분출 대류·복사와 불꽃, 열 완충·차단·진압. 층층 차단을 넘어 통합형 플랫폼으로.
• "Prognostic Approaches for Early Detection of Thermal Runaway in Lithium‐Ion Batteries" (2026) — DOI: 10.1002/bte2.70149 — 열폭주는 제어할 수 없는 자기 발열 과정이며 늘 막을 수는 없어 조기 감지가 연구된다. BMS 기반 보호 동작 등.
• "A Systematic Review of Thermal Runaway in Li-ion Batteries: Pathways, Detection Techniques, and Early Warning Models" (2025) — DOI: 10.1016/j.fub.2025.100110 — 남용 감지엔 온도 감시+경험 모형, 셀 고장 감지엔 전압 감시+통계 모형.
• "Mitigating lithium-ion cell thermal runaway via selective trace H2 sensing" (2025) — DOI: 10.1016/j.xcrp.2025.102859 — 열폭주 전 셀이 가스를 분출하고 미량 수소가 잡힌다. 수소 감지 시 남용을 멈추면 시험한 모든 경우에서 열폭주 방지(NCA·NMC·LFP 시판 셀).
• "Evaluation of the laminar burning velocity of various battery vent gases emitted during the thermal runaway of Li-ion cells" (2025) — DOI: 10.1016/j.jlp.2025.105657 — 시판 원통형 셀 3종(100% 충전) 가열. 분출 가스 주성분(H2·CH4·CO·CO2·HF·용매 증기). 층류 연소 속도 기준으로 LFP·NMC는 수소가 많은 분출 단계, NCA는 이산화탄소가 많은 열폭주 단계가 가장 위험.
• "Internal short circuits in lithium-ion batteries; origins, detection, and experimental reproduction: A review" (2025) — DOI: 10.1016/j.jpowsour.2025.238265 — 내부 단락은 열폭주를 부를 수 있고 감지가 어려운 가장 문제적인 고장의 하나. 제조 단계 결함 등 원인. 못 시험은 쉽지만 변수가 많다.
• "Advances in the Battery Thermal Management Systems of Electric Vehicles for Thermal Runaway Prevention and Suppression" (2025) — DOI: 10.3390/batteries11060216 — 열폭주 전파는 셀 간 고장을 빠르게 퍼뜨려 위험을 키운다. 냉각 방식 종설.
• "Cooling water injection for EV battery fires: A targeted method to suppress thermal runaway" (2025) — DOI: 10.1016/j.firesaf.2025.104503 — 전기차 배터리 화재가 끄기 어려운 이유(높은 열 방출률·케이스 단열·셀 안 산소 발생). 축소 모형 실험에서 미리 단 관으로 냉각수를 넣는 방식이 승용 전기차 배터리 화재를 물 약 100kg으로 몇 분 안에 진압.
• "A Thorough Investigation into the Current State of the Art in Safety Management on Battery Fire and Explosion Risks" (2025) — DOI: 10.3390/su172310578 — 재발화와 화학물질로 대응이 복잡. 통계 자료 부족으로 새 위험의 수용성이 평가되지 않음.
• "Review of gas emissions from lithium-ion battery thermal runaway failure — Considering toxic and flammable compounds" (2024) — DOI: 10.1016/j.est.2024.111288 — 드문 열폭주 사건의 가연성·독성 가스. 평균적으로 NMC가 가스량이 많고 LFP 가스가 독성·가연성 위험이 큼.
• "The battery failure databank" (2024) — DOI: 10.1016/j.jpowsour.2024.234106 — 같은 설계·같은 조건에서도 열 반응이 크게 갈린다. Ah당으로 맞춘 열 출력은 에너지·출력 밀도와 강한 양의 상관.
• "Review of prevention and mitigation technologies for thermal runaway in lithium-ion batteries" (2024) — DOI: 10.1016/j.aets.2024.06.002 — 열·기계·전기 남용이 과도한 발열을 일으켜 열폭주로. 난연 전해질·열 안정 재료·세라믹 분리막. 열폭주 뒤 화재 예방·소화 기술이 피해를 효과적으로 줄일 수 있다.
• "Time-resolved characterization of toxic and flammable gases during venting of Li-ion cylindrical cells with current interrupt devices" (2024) — DOI: 10.1016/j.jlp.2024.105488 — 원통형 셀의 파열판이 열려 가스가 나온다. 분출 가스의 DMC(전해질 용매)가 풍부하고 가스 전체의 가연성에 기여.
• "Design guidelines to prevent thermal propagation and maximize packing density within battery systems with tabless cylindrical lithium-ion cells" (2024) — DOI: 10.1016/j.est.2024.111275 — 원통형 셀은 국부적으로 흔한 시작 온도를 크게 넘을 수 있다. 뜨거운 분출 가스의 대류 열 유입 차단이 우선, 이어 간격으로 전도 대응. 지름이 클수록 간격이 더 필요.
• "Lithium-Ion Batteries (LIBs) Immersed in Fire Prevention Material for Fire Safety and Heat Management" (2024) — DOI: 10.3390/en17102418 — 액체에 담근 모듈은 남용 시험에서 화재 전파 없음, 일반 모듈은 화재·폭발.
• "Recent Progress of High Safety Separator for Lithium-Ion Battery" (2024) — DOI: 10.70322/gct.2024.10006 — 분리막 고장은 열폭주의 직접 원인이며 뚫림·녹음·열 수축의 셋.
• "Electrochemical Mechanism Underlying Lithium Plating in Batteries: Non-Invasive Detection and Mitigation" (2024) — DOI: 10.3390/en17235930 — 리튬 석출은 급속 충전·저온에서 흑연 음극 표면에 금속 리튬이 쌓이는 것. 극단적이면 덴드라이트가 분리막을 지나 내부 단락·열폭주.
• "Thermal runaway process in lithium-ion batteries: A review" (2024) — DOI: 10.1016/j.nxener.2024.100186 — 열폭주 기전은 재료에 따라 크게 다르고, 복잡해 추가 연구가 필요.
• "Operando monitoring of thermal runaway in commercial lithium-ion cells via advanced lab-on-fiber technologies" (2023) — DOI: 10.1038/s41467-023-40995-3 — 18650 셀 내부 광섬유 감지. 압력 봉우리 둘(안전 분출·열폭주 시작), 온도·압력 변화율 곡선의 꺾임은 가역→비가역 반응 전환에 대응, 분출 전 경보 가능.
• "Thermal runaway propagation in automotive lithium-ion batteries with NMC-811 and LFP cathodes" (2023) — DOI: 10.1016/j.etran.2023.100305 — 셀 에너지 기준 NMC-811 열폭주 반응이 LFP보다 9배(전파 구간 전체 5배) 빠름, NMC-811 안전 요건이 훨씬 높음. 팩 수준에서 LFP의 무게 불리 16%로 축소·부피 불리 상쇄 가능. 전파는 간격·중간재·적층에 의존. 후속 연구 필요.
• "Lessons learned from large‐scale lithium‐ion battery energy storage systems incidents: A mini review" (2023) — DOI: 10.1002/prs.12448 — 기준과 전파 시험(UL 9540A)을 통과한 시스템에서도 화재·전파 발생 사례, 기준의 빈틈.
• "A review of thermal runaway prevention and mitigation strategies for lithium-ion batteries" (2022) — DOI: 10.1016/j.ecmx.2022.100310 — 열폭주는 셀 안 연쇄 발열 반응이 내부 온도를 급격히 올리는 현상.
• "Simultaneously Blocking Chemical Crosstalk and Internal Short Circuit via Gel‐Stretching Derived Nanoporous Non‐Shrinkage Separator for Safe Lithium‐Ion Batteries" (2021) — DOI: 10.1002/adma.202106335 — 분리막은 이온 투과·전자 절연 막. 상용 폴리올레핀은 고온 수축, O2 등 반응성 기체 크로스토크가 열폭주로. 비수축 분리막에서 최대 온도 상승률 3.7 vs 131.6 °C/s(1Ah 파우치).
• "Prevention of lithium-ion battery thermal runaway using polymer-substrate current collectors" (2021) — DOI: 10.1016/j.xcrp.2021.100360 — 알루미늄 코팅 고분자 집전체 18650 셀은 못 관통 시 100% 열폭주 방지, 표준 셀은 매번 열폭주.
• "Role of High-Temperature Separator Stability on Safety and Thermal Signature of Li-Ion Pouch Cells" (2021) — DOI: 10.1149/ma2021-015303mtgabs — 학회 초록. 분리막 파열 단락을 큰 고장의 주된 원인으로 보고, 수축·녹음·붕괴와 단락의 상관을 보이며, 무엇이 열폭주 시작을 당기는지 따지려 함.
• "Computational modelling of thermal runaway propagation potential in lithium iron phosphate battery packs" (2020) — DOI: 10.1016/j.egyr.2020.03.024 — 2D 팩 모형, 셀 하나 내부 단락 가정 시 극한 조건에서도 전파 없음.
• "A review of lithium-ion battery safety concerns: The issues, strategies, and testing standards" (2020) — DOI: 10.1016/j.jechem.2020.10.017 — 기계·전기·열 남용의 영향을 중심으로 열폭주 개관.
• "A Review on the Thermal Hazards of the Lithium-Ion Battery and the Corresponding Countermeasures" (2019) — DOI: 10.3390/app9122483 — 전통적 배터리 부품의 반응성·가연성 때문에 남용 조건에서 전극-전해질 부반응이 줄줄이 일어날 수 있다.
• "(Invited) The Role of Internal Short Circuit during the Thermal-Induced Thermal Runaway Process of Lithium-Ion Battery" (2019) — DOI: 10.1149/ma2019-01/6/582 — 학회 초록, 24Ah 파우치 셀. 100% 충전에서 내부 단락 180.9 °C, 343초 뒤 열폭주 213.3 °C. 단락은 분리막 수축 탓이며 전해질이 말라 저항이 커져 열은 적었다. 주 열원은 음극-전해질·양극-음극 반응(DSC에서 양극+음극이 가장 큼). 가열 열폭주에서 단락의 역할은 더 밝혀야 함. 못·압착의 대규모 단락은 곧바로 열폭주.
• "Time Sequence Map for Interpreting the Thermal Runaway Mechanism of Lithium-Ion Batteries With LiNixCoyMnzO2 Cathode" (2018) — DOI: 10.3389/fenrg.2018.00126 — 주 열원은 양극-음극 산화환원 반응, 내부 단락은 그 반응을 당기는 데 결정적이나 800 °C 이상의 주 열원은 아님, 산화환원은 임계 온도에서 시작. 단락-열폭주 관계를 앞으로의 과제로 제시.
• "An Overview on Thermal Safety Issues of Lithium-ion Batteries for Electric Vehicle Application" (2018) — DOI: 10.1109/access.2018.2824838 — 셀 안의 열 발생·방출·축적.
• "Identifying the Cause of Rupture of Li‐Ion Batteries during Thermal Runaway" (2017) — DOI: 10.1002/advs.201700369 — 가스가 충분히 빠지지 못하면 셀이 파열·폭발. 바닥에 두 번째 분출구를 낸 18650 설계는 파열 단계를 피함.
• "Abuse by External Heating, Overcharge and Short Circuiting of Commercial Lithium-Ion Battery Cells" (2014) — DOI: 10.1149/2.0311410jes — 바깥 가열에서 코발트계 노트북 셀은 화재·700 °C 초과, LFP는 훨씬 약했으나 일부 열폭주. LFP 과충전은 대부분 무사했으나 한 번 격렬한 화재. 극한 조건에선 열폭주가 여전히 날 수 있다.
• "Lithium-Ion Cell Safty Experiments Under Adiabatic Conditions: Nail Penetration" (2014) — DOI: 10.1149/ma2014-01/1/76 — 학회 초록. 단열 조건은 셀 더미 속 식지 못하는 셀을 흉내 내는 최악 조건, 못 관통은 차 사고 같은 외부발 내부 단락을 흉내.
• "Combining In Situ Synchrotron X‐Ray Diffraction and Absorption Techniques with Transmission Electron Microscopy to Study the Origin of Thermal Instability in Overcharged Cathode Materials for Lithium‐Ion Batteries" (2012) — DOI: 10.1002/adfm.201200693 — 과충전된 NCA·NMC 양극을 가열하면 구조 변화와 함께 산소 방출.