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 시스템 솔루션을 제공하고 있습니다.  관심 있으시면 아래 홈페이지 또는 연락처를 통해 문의 주시면 됩니다. :)

 

https://famtech.co.kr/sub04/01_01.php

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