배터리 내부 단락 시험이란? 침 관통(Battery Nail Penetration Tests, Internal Short Circuit, 셀, 팩, 열폭주(thermal runaway), 시험기)

 

목차

 

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참조 논문: Nail Penetration Test Analysis for Internal Short Circuit in Large Capacity Lithium-ion Batteries, Xinzhen Feng China Electric POWER Research Institute Nanjing,China

 

Battery Nail Penetration 시험

Nail penetration test experimental platform 참조: Nail Penetration Test Analysis for Internal Short Circuit in Large Capacity Lithium-ion Batteries, Xinzhen Feng China Electric POWER Research Institute Nanjing,China

 

이 논문에서는 대용량 리튬 이온 배터리의 내부 단락(ISC, Internal Short Circuit) 현상을 모사하고, 그 안전성을 평가하기 위해 못 관통 테스트(Nail Penetration Test, NP Test)를 수행했습니다. 이 테스트는 배터리 셀 내부에 못을 관통시켜 의도적으로 단락을 유발하고, 이를 통해 전압 및 온도 변화를 분석하는 실험입니다. 실험에서는 다양한 변수, 즉 못의 관통 속도, 못의 형태, 배터리의 초기 충전 상태(SOC), 그리고 배터리 모듈의 직렬 및 병렬 연결 방식이 ISC에 미치는 영향을 집중적으로 다루었습니다.

 

실험에 사용된 배터리 셀은 120Ah 용량의 리튬 철 인산염(LiFePO4) 기반의 상용 배터리였으며, 이 배터리 셀을 직렬 및 병렬로 연결한 모듈을 통해 테스트가 이루어졌습니다. 실험 전, 배터리 셀은 일정한 충전 및 방전 사이클을 거쳐 성능을 안정화시키는 과정을 밟았습니다. 배터리는 0.5C의 전류로 충전한 후 3.65V에서 2.5V까지 방전하고, 이를 여러 번 반복하여 각 셀의 상태를 균일하게 맞춘 후 본격적인 테스트에 들어갔습니다.

 

실험 환경은 25℃로 조절된 방폭실에서 진행되었으며, 배터리가 못에 의해 관통되는 동안 전압 및 온도 변화가 실시간으로 기록되었습니다. 표준 실험으로는 직경 6mm의 60도 각도의 원뿔형 스틸 못을 사용하여, 배터리 셀을 0.1mm/s의 속도로 천천히 관통시켜 80% 두께까지 침투하거나 감압 밸브가 작동할 때까지 진행했습니다.

 

실험 결과, 여러 변수가 배터리의 전기적 및 열적 특성에 큰 영향을 미친다는 것을 확인할 수 있었습니다. 첫 번째로, 못의 관통 속도가 중요한 변수로 작용했습니다. 관통 속도가 빠를수록 배터리 내부에서 발생하는 열이 축적되어 온도가 급격히 상승했으며, 전압 역시 급격히 하락했습니다. 반면, 관통 속도가 느릴수록 열이 분산될 수 있는 시간이 확보되어 온도의 상승이 완만해지고, 배터리 셀 내부의 압력 변화도 더 안정적이었습니다.

 

두 번째로, 못의 형태도 중요한 영향을 미쳤습니다. 직경이 큰 원뿔형 못은 더 큰 전류를 흐르게 하여 더 많은 열을 발생시켰으며, 이에 따라 배터리의 내부 단락이 빠르게 진행되었습니다. 반면, 직경이 작은 못은 열 발생률이 낮았고, 접촉 면적이 작은 경우에는 단락 현상이 덜 심각하게 나타났습니다. 또한, 둔탁한 끝을 가진 못은 전극 간의 직접적인 접촉을 적게 유발하여 내부 단락의 위험이 낮아졌습니다.

 

세 번째로, 배터리의 초기 충전 상태(SOC)에 따른 차이도 뚜렷하게 나타났습니다. 초기 SOC가 높을수록 배터리 내부에서 생성되는 전류와 열이 많아져 온도가 더 빠르게 상승했으며, 단락 현상이 더 강하게 발생했습니다. 반대로, SOC가 낮을수록 생성되는 전류와 열이 적어 배터리의 안전성이 높아졌습니다. 특히 SOC가 25%로 설정된 경우, 감압 밸브가 작동하지 않고 온도 상승이 급격하지 않게 나타났습니다.

 

마지막으로, 직렬 및 병렬 연결 방식에 따른 차이도 확인되었습니다. 배터리 모듈의 직렬 및 병렬 연결은 각 셀의 전압과 온도 변화에 영향을 미쳤으며, 특히 병렬로 연결된 모듈에서는 전압 변동이 더 크게 나타나 ISC 현상이 더욱 복잡하게 나타났습니다.

 

결론적으로, 이 연구는 리튬 이온 배터리의 내부 단락을 모사하는 실험에서 못의 관통 속도, 형태, 초기 충전 상태, 모듈 연결 방식이 배터리의 전기적 및 열적 거동에 큰 영향을 미친다는 것을 확인했습니다. 이를 바탕으로 리튬 이온 배터리의 안전성을 평가하고 개선하는 데 중요한 데이터와 통찰을 제공할 수 있으며, 향후 더 안전한 배터리 설계와 에너지 저장 시스템 개발에 기여할 수 있을 것입니다.

 

 

 

팜테크 Battery Nail Penetration 시험 장비

 

 

 

팜테크에서 제공하는  Nail Penetration 시험기는 리튬 이온 배터리의 안전성을 평가하기 위한 장비로, 주로 배터리 내부 단락(ISC) 테스트를 위해 사용됩니다. 이 시험기는 배터리 셀에 일정한 속도로 못을 관통시키며, 배터리의 전기적, 열적 반응을 관찰하여 열폭주(thermal runaway) 위험성을 평가합니다.

 

 

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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