[열폭주 챔버]배터리 에너지 저장 시스템 열폭주 전이 예측 설계 개선(Thermal Runaway Propagation and Design Improvements for Safer Battery Energy Storage Systems, Chamber)

 

목차

 

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참조 Ref>>

"Predicting cell-to-cell thermal runaway propagation in modular battery energy storage systems": Christopher Doerrer, Youhan Fu , Carlos M. Da Silva , Cristina H. Amon* Department of Mechanical and Industrial Engineering, University of Toronto

 

 

 

배터리 에너지 저장 시스템 열폭주 전이 예측 설계 개선

 

해당 연구는 배터리 에너지 저장 시스템(BESS)에서 발생할 수 있는 열폭주(Thermal Runaway, TR)와 이로 인한 셀 간 전이를 예측하고, 이를 통해 시스템의 안전성을 높이는 방안을 모색한 연구입니다. 배터리 에너지 저장 시스템은 전기차와 재생 가능 에너지를 지원하며 전력망 안정성을 강화하는 핵심적인 역할을 하고 있습니다. 하지만 이러한 시스템에서 사용되는 리튬이온 배터리는 과충전, 물리적 손상, 제조 결함 등의 이유로 열폭주가 발생할 가능성이 있으며, 이는 화재나 폭발로 이어질 수 있어 큰 안전 문제가 됩니다.

 

 

연구진은 열폭주의 전이 메커니즘을 이해하고, 이를 통해 배터리 모듈의 설계를 개선하기 위해 전산 모델링과 실험 데이터를 활용했습니다. 먼저, 배터리 셀 내부와 셀 간 열 전달 과정을 분석하기 위해 3차원 열전달 모델을 구축하고, 이를 실험 데이터를 통해 검증했습니다. 또한, 배터리 셀의 구조와 물성을 분석하여 열폭주가 발생하는 과정과 영향을 모델링에 반영했습니다.

 

연구에 따르면, 열폭주는 특정 온도(145°C)에 도달하면 시작되며, 이는 화학 반응을 통해 자가발열을 지속시키면서 온도가 급격히 상승하는 특징이 있습니다. 특히, 한 셀에서 발생한 열폭주는 열을 통해 인접 셀로 빠르게 전이되며, 이는 연쇄적으로 열폭주를 발생시키는 결과를 초래합니다. 이를 방지하거나 지연시키기 위해 셀 사이에 열전달을 차단할 수 있는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)이나 실리콘 층과 같은 재료를 사용하는 것이 효과적임을 확인했습니다.

 

연구는 TR 전이 속도가 셀의 유발 온도에 따라 크게 달라진다는 점을 강조했습니다. 예를 들어, 열폭주 유발 온도가 낮을수록(120°C) 전이가 더 빠르게 발생하는 반면, 높은 유발 온도(180°C)를 가진 배터리는 전이를 지연시킬 수 있습니다. 이는 배터리 설계에서 안전성을 고려할 때 유발 온도를 조정하거나 고온 안정성이 높은 소재를 사용하는 것이 중요함을 시사합니다.

 

 

또한, 열폭주 과정에서 배출되는 가스(주요 성분: 이산화탄소, 일산화탄소, 수소 등)는 추가적인 위험 요소로 작용할 수 있습니다. 연구진은 배터리 모듈 내부에서 발생하는 가스의 조성과 열전달 효과를 반영한 모델을 통해 이를 분석했으며, 가스 배출을 제어할 수 있는 설계(예: 압력 완화 밸브)를 제안했습니다.

 

결론적으로, 이 연구는 비교적 단순한 열전달 모델을 사용해 초기 열폭주 전이를 정확히 예측할 수 있음을 보여주었으며, 이를 통해 BESS 설계에서 안전성을 강화할 수 있는 중요한 정보를 제공합니다. 앞으로의 연구는 배출 가스의 열전달 영향을 더욱 정교하게 반영하고, 다양한 셀 화학 조성에 따른 특성을 분석하며, 열폭주를 억제할 수 있는 신소재와 설계 방안을 탐구하는 방향으로 진행될 것입니다.

 

이 논문은 BESS의 설계 및 운영에서 발생할 수 있는 잠재적 위험을 줄이고, 배터리 시스템의 안전성을 높이는 데 필요한 통찰력을 제공한 중요한 연구로 평가됩니다.

 

 

 

열폭주 챔버(Thermal Runaway Chamber)

 

 

CZ-RL-01은 175L 용량의 열폭주 시뮬레이션 챔버로, 배터리 에너지 저장 시스템(BESS) 및 다양한 리튬이온 배터리 관련 안전성을 평가하기 위한 전문 장비입니다. 고정밀 온도 제어 및 안전 설계를 통해 열폭주 실험 환경을 안정적으로 재현하며, 테스트 효율성과 사용자 안전성을 극대화한 제품입니다.

 

 

 

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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