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고도 챔버 리튬 이온 배터리의 열폭주 시험(thermal runaway, Battery, Altitude, Chamber, Li ion) 본문
고도 챔버 리튬 이온 배터리의 열폭주 시험(thermal runaway, Battery, Altitude, Chamber, Li ion)
FAMTECH 2024. 10. 17. 08:13
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고도 챔버 리튬 이온 배터리의 열폭주 시험
해당 내용은 "Investigation on Thermal Runaway Hazards of Cylindrical and Pouch Lithium-on Batteries under Low Pressure of Cruise Altitude for Civil Aircraft" 논문을 참조하여 작성하였습니다.저압 환경에서 리튬 이온 배터리의 열폭주(thermal runaway, TR) 현상을 조사하여 그 위험성을 평가한 연구로, 주로 비행기의 순항 고도에서 발생할 수 있는 저압 환경(대략 20 kPa)에서 배터리의 열적 특성과 가스 방출을 분석한 내용을 다룹니다. 이 연구는 특히, 원통형(18650 모델) 및 파우치형 리튬 이온 배터리의 열폭주 현상에 주목하여 두 종류의 배터리가 저압에서 어떻게 다른 위험성을 보이는지에 대해 실험적으로 분석했습니다.
이 연구의 목적은 저압 환경에서 리튬 이온 배터리의 열폭주가 발생할 때, 발생하는 열적 특성 및 가연성/유독성 가스 방출의 위험성을 평가하는 것이었습니다. 비행기의 순항 고도는 9,000m~13,000m에 달하며, 이 고도에서는 대기압이 20 kPa 이하로 감소할 수 있습니다. 많은 민간 항공기의 화물칸은 여전히 압력이 낮은 상태로 유지되기 때문에, 리튬 이온 배터리의 열폭주에 따른 화재 및 가스 폭발의 위험성은 중요한 연구 과제가 됩니다. 아래는 시험에 사용된 배터리 입니다.
- 원통형 배터리: 18650 리튬 이온 배터리, 용량은 2.6Ah로, 양극재는 니켈 코발트 망간 산화물(LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2, NCM)이고, 음극재는 흑연(그래파이트)입니다.
- 파우치형 배터리: 두 가지 용량(10Ah, 15Ah)의 파우치형 리튬 이온 배터리로, 동일한 양극 및 음극 재료를 사용했습니다.
실험 환경을 재현하기 위해 압력을 95 kPa(지상 대기압)과 20 kPa(비행기 순항 고도 대기압)으로 설정했습니다. 배터리 표면 온도, 방출된 가스 농도(CO, CO2, 탄화수소 등), 연기 밀도, 열방출률(HRR, Heat Release Rate)을 측정하여 데이터를 수집했습니다. 또한 배터리의 온도 상승률이 일정 속도(10 °C/s)를 초과할 때 열폭주가 발생한 것으로 간주했습니다.
실험 절차
- 단일 배터리 실험: 18650 원통형 배터리 1개, 10Ah 파우치형 배터리 1개, 15Ah 파우치형 배터리 1개에 대해 열폭주를 유도하는 실험을 각각 95 kPa와 20 kPa에서 수행했습니다. 배터리는 전극 재료의 열분해와 내부 단락으로 인해 가스를 방출하고 열폭주가 발생하는 과정을 거쳤습니다.
- 다중 배터리 실험: 원통형 배터리 5개를 묶어 놓고, 마찬가지로 95 kPa와 20 kPa 환경에서 열폭주를 유도했습니다. 이 실험에서는 배터리들 사이의 열적 상호작용 및 연쇄 반응을 관찰하고, 다중 배터리에서의 화재 위험성을 평가했습니다.
- 온도 및 열방출률 측정: 열폭주 발생 시점부터 배터리 표면 온도, 연소 온도, 연기 온도를 실시간으로 측정하고, 열방출률(HRR)과 총 열방출량(THR, Total Heat Release)을 계산하여 열적 위험성을 평가했습니다.
- 가스 방출 분석: 방출된 가스의 농도를 측정하여, 주로 CO, CO2, 탄화수소(HC) 등 가연성 및 유독성 가스가 얼마나 배출되는지 분석했습니다. 저압 환경에서 이러한 가스들이 어떻게 다른 양상으로 발생하는지를 중점적으로 살폈습니다.
실험 결과
1. 열폭주 발생 시각
원통형 배터리의 경우, 95 kPa 환경에서 첫 번째 배출(환기)이 144초에 발생했으나, 20 kPa에서는 133초로 더 빠르게 발생했습니다. 이는 저압 환경에서 내부 압력과 외부 압력의 차이가 더 크게 작용하여 배터리의 가스 방출이 더 빨리 이루어졌기 때문입니다.
파우치형 배터리의 경우, 95 kPa에서는 475초와 559초에 각각 열폭주가 발생했으나, 20 kPa에서는 461초와 533초로 더 빠르게 열폭주가 발생했습니다. 그러나, 파우치형 배터리는 저압 환경에서 전체 열폭주가 촉발되기까지 시간이 더 오래 걸렸습니다.
2. 열방출률(HRR)과 총 열방출량(THR)
원통형 배터리와 파우치형 배터리 모두 저압 환경(20 kPa)에서 열방출률과 총 열방출량이 지상 대기압(95 kPa)에 비해 현저히 감소했습니다. 이는 저압 환경에서 산소 농도가 낮아져, 연소 반응이 덜 일어나고 폭발적인 화재가 발생하지 않았기 때문입니다. 예를 들어, 95 kPa에서 15Ah 파우치형 배터리의 최대 열방출률(HRR)은 41.1kW였으나, 20 kPa에서는 8.7kW로 크게 줄어들었습니다.
3. 가연성 및 유독성 가스 방출
저압 환경(20 kPa)에서는 산소 농도가 낮아 연소 과정에서 발생하는 열은 감소했으나, 일산화탄소(CO) 및 탄화수소(HC)와 같은 유독성 및 가연성 가스의 방출량이 오히려 증가했습니다. 이는 저압 환경에서는 열폭주가 발생하더라도 산소 부족으로 인해 가스가 완전히 연소되지 않기 때문입니다. CO와 같은 유독성 가스의 농도가 20 kPa에서 더 높게 측정되어, 저압 환경에서 열폭주로 인한 질식 및 화재 폭발의 위험이 더 높아질 수 있음을 시사합니다.
4. 연기 및 연소 온도
연소 온도와 연기 온도는 저압 환경에서 대폭 낮아졌습니다. 95 kPa에서 원통형 배터리의 최대 연소 온도는 718°C였으나, 20 kPa에서는 491°C로 감소했습니다. 이는 저압 환경에서 산소 농도가 낮아, 강력한 연소 반응이 일어나지 않기 때문입니다. 연기 온도 또한 저압 환경에서 더 낮았으며, 이는 저압에서 연소가 더디게 이루어지고 방출된 가스가 상대적으로 낮은 온도를 유지하는 결과를 가져왔습니다.
배터리 시험용 고도 챔버
팜테크에서 제공하는 배터리 시험용 고도 챔버는 리튬 이온 배터리와 같은 에너지 저장 장치의 안전성을 다양한 대기압 조건에서 평가하기 위해 설계된 장비입니다. 이 챔버는 고도 시뮬레이션을 통해 비행기의 순항 고도나 우주 환경처럼 저압 조건을 재현할 수 있습니다. 일반적으로 대기압을 101 kPa(해수면 대기압)에서 10 kPa까지 조절할 수 있으며, 압력 변화에 따른 배터리의 열폭주, 가스 방출, 화재 위험 등을 평가할 수 있습니다.
이 시험은 특히 항공기나 우주선에 사용되는 배터리의 안전성을 보장하기 위해 중요한데, 저압 환경에서 배터리의 성능 및 안정성이 어떻게 변화하는지를 평가할 수 있기 때문입니다. 배터리의 가연성/유독성 가스 방출과 열적 특성, 그리고 내부 단락으로 인한 폭발 위험성을 평가하여 저압 환경에서의 안전 기준을 확립하는 데 기여합니다.
이러한 고도 챔버는 배터리 개발 및 안전성 평가의 핵심 도구로, 다양한 대기압 조건에서 배터리의 신뢰성을 테스트하고, 고도에 따른 배터리의 위험 요소를 분석하여 더욱 안전한 에너지 저장 장치를 설계하는 데 도움을 줍니다.
해당 내용과 관련해서 팜테크에서 교육 프로그램, 측정/분석 용역, 장비를 제공하고 있습니다. 관심 있으시면 아래 홈페이지 또는 연락처를 통해 문의 주시면 됩니다. :)
