배터리 전소 시험(Burning Test)이란? 방법 및 규격(Battery, 시험기, ISO9705, 셀, 팩, 열폭주, Thermal Runaway)

 

목차

 

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참조 논문>>

Study of the fire behavior of high-energy lithium-ion batteries with full-scale burning test: Ping Ping, QingSong Wang, PeiFeng Huang, Ke Li, JinHua Sun, DePeng Kong, ChunHua Chen

 

 

배터리 전소 시험(Burning Test)이란?

 

시험셋업, 참조: Study of the fire behavior of high-energy lithium-ion batteries with  full-scale burning test

 

최근 전기차와 대용량 배터리 사용이 늘어남에 따라 리튬이온 배터리의 폭발 및 화재 위험에 대한 관심이 커지고 있습니다. 리튬이온 배터리는 높은 에너지 밀도를 가지고 있어 효율적인 에너지 저장 장치로 사용되지만, 내부 단락, 과열, 충격 등의 원인으로 인해 발화하거나 폭발할 수 있습니다. 이러한 위험성을 평가하고 안전 대책을 마련하기 위해 대용량 리튬이온 배터리에 대한 전소 시험이 필요했습니다.

 

이 연구는 대형 고에너지 리튬이온 배터리, 특히 50Ah 리튬인산철/흑연(LiFePO4/graphite) 배터리 팩의 화재 행동을 분석하고자 했습니다. 배터리의 화재 행동은 배터리의 충전 상태(State of Charge, SOC)에 따라 달라질 수 있으며, 화재가 발생할 경우 열방출률(Heat Release Rate, HRR)과 화재 확산 양상을 분석하는 것이 중요합니다. 이 연구는 배터리 화재가 단계적으로 진행되는 양상과 각 단계에서 발생하는 현상을 면밀히 분석하여, 배터리의 안전성 개선을 위한 기초 자료를 제공하고자 했습니다.

 

전소 시험의 진행 방식

전소 시험은 ISO 9705 표준에 따른 풀스케일 방화 시험(Fully-scaled burning test)을 기반으로 수행되었습니다. 시험의 대상은 50Ah 리튬인산철/흑연 배터리 팩으로, 각 배터리 팩은 10Ah 셀 5개로 구성되었습니다. 전소 시험을 진행하기 위해 배터리 팩을 특별히 설계된 실험 장치에 배치하고, 방열기에서 발생한 열로 배터리를 서서히 가열했습니다.

 

구체적으로 시험 장치는 ISO 9705에 따라 방 내부에서 방화 실험을 진행하는 방식으로, 배터리와 방열기 간 거리는 100mm로 설정되었습니다. 방열기는 3kW의 출력을 내며, 배터리 내부에서 발생하는 다른 열반응의 간섭을 방지하기 위해 프로판 가스와 같은 별도의 연료는 사용하지 않았습니다. 배터리는 불연성 보호 케이스에 넣어 폭발이나 화재 확산에 따른 시스템 손상을 방지하였으며, 배터리의 질량 손실을 측정하기 위해 전자저울이 배터리 하단에 배치되었습니다. 또한, 배터리의 화재 행동을 모니터링하기 위해 두 대의 카메라가 설치되어 실시간으로 연소 과정을 관찰했습니다.

 

배터리의 발화 여부를 평가하기 위해 산소, 이산화탄소, 일산화탄소 등 가스 분석기를 사용해 연소 시 발생하는 가스 농도를 실시간으로 측정했습니다. 배터리의 온도 변화는 여러 지점에서 측정되었으며, 배터리 표면과 100mm 상부에 열전대를 설치해 배터리 주위의 열 변화도 모니터링했습니다.

 

 

시험 결과

전소 시험 결과, 배터리의 화재 행동은 몇 가지 단계를 거쳐 진행되었습니다. 우선 배터리 팽창이 일어나고, 내부 가스가 배출되며 제트 화염이 발생합니다. 이후 안정적인 연소가 이루어지다가 다시 제트 화염이 발생하고, 연소가 계속되는 세 번째 화염 발생 후 화재는 감소되며 최종적으로 소멸됩니다. 시험 중 최대 화염 온도는 1500도에 달했으며, 배터리의 충전 상태에 따라 화재 강도와 연소 양상이 달라졌습니다. 충전 상태가 100%일 때는 세 번의 제트 화염이 발생했으며, 충전 상태가 낮을수록 제트 화염 발생 빈도가 줄어들었습니다. 이때 내부 단락이 배터리 발화의 주요 원인으로 작용했으며, 이는 배터리 내부의 분리막이 녹으면서 전극 간 접촉이 일어나 발생한 것으로 확인되었습니다.

 

특히 충전 상태가 높을수록 열방출률이 높고, 연소 과정에서 배터리 내부에서 산소가 발생하여 화재를 더 크게 만들 수 있다는 점이 확인되었습니다. 또한, 전기 에너지가 화재에 추가적인 에너지를 제공하여 배터리의 화재 위험성을 증가시킵니다. 이러한 결과는 리튬이온 배터리의 충전 상태가 화재의 위험성을 크게 좌우한다는 점을 강조하며, 충전된 배터리는 방전된 배터리보다 더 큰 화재 위험을 내포하고 있음을 보여줍니다.

 

 

 

 

 

 

배터리 전소 시험기(Burning Tester)

 

 

 

팜테크에서 제공하는 Battery Burning Tester는 리튬이온 배터리와 같은 고에너지 저장 장치의 화재 위험을 평가하고, 안전성을 확보하기 위해 설계된 시험 장비입니다. 이 장비는 배터리의 열폭주(thermal runaway)와 화재 행동을 모니터링하고 분석하는데 필수적인 역할을 합니다.

 

이 장치는 주로 고출력 리튬이온 배터리의 화재 특성을 분석하는데 사용되며, ISO 9705 표준에 따른 풀스케일 연소 시험(Fully-scaled burning test)을 기반으로 설계되었습니다. 배터리 화재 실험에서 발생하는 연소 열과 화염 행동을 분석하여, 배터리가 화재 상황에서 어떻게 반응하고, 어떤 조건에서 발화되는지를 평가할 수 있습니다.

 

 

 

 

해당 내용과 관련해서 팜테크에서 교육 프로그램, 측정/분석 용역, 장비를 제공하고 있습니다.  관심 있으시면 아래 홈페이지 또는 연락처를 통해 문의 주시면 됩니다. :)

 

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