배터리 열폭주 현상이란? 시험 방법(Battery Thermal Diffusion, Runaway, Tester, Test method, 챔버, Chamber)

 

목차

 

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배터리 열폭주 현상이란?

 

열확산, 즉 열폭주(Thermal Runaway)는 리튬이온 배터리에서 발생할 수 있는 심각한 안전 문제로, 배터리 내부에서 과도한 열이 발생하고 이를 제어하지 못해 온도가 급격히 상승하는 현상을 말합니다. 이 과정은 결국 배터리의 화재나 폭발로 이어질 수 있으며, 전기차, 전자기기 등 배터리가 사용되는 제품에서 치명적인 사고를 초래할 수 있습니다.

 

열폭주는 다양한 원인으로 인해 발생합니다. 먼저, 외부 충격, 압착, 또는 배터리 내부를 뚫는 손상과 같은 기계적 요인으로 배터리 내부 단락(Short Circuit)이 생길 수 있습니다. 이러한 내부 단락은 전류가 비정상적으로 흐르면서 열을 발생시키며, 이후 폭주 과정이 시작될 가능성을 높입니다. 전기적인 문제도 중요한 원인 중 하나로, 과충전이나 과방전과 같은 상황에서 배터리의 전압이 급격히 떨어지거나 내부 단락이 발생하여 과도한 에너지가 열로 방출됩니다. 마지막으로, 배터리 내부에서 과충전, 고온 환경 노출, 또는 제조상의 결함으로 인해 배터리가 스스로 과열될 수 있습니다. 이로 인해 배터리의 화학 반응이 활성화되면서 열폭주로 이어질 수 있습니다.

 

열폭주의 발생 과정은 단계적으로 진행됩니다. 초기에는 외부 자극이나 내부 결함으로 배터리 손상이 발생하고, 이로 인해 열이 발생합니다. 이후, 발생한 열이 배터리 내부 및 주변의 셀로 전파되면서 온도가 급격히 상승하며, 화학 반응이 더욱 빠르게 진행됩니다. 이 과정에서 배터리 내부의 에너지가 연쇄적으로 방출되면서 폭발적인 온도 상승을 초래하고, 결국 폭발이나 화재로 이어지게 됩니다.

 

열폭주가 발생하면 그 결과는 매우 심각할 수 있습니다. 배터리가 폭발하거나 화재가 발생해 주변 기기 또는 차량이 손상될 수 있으며, 이로 인해 인명 피해도 발생할 수 있습니다. 특히 전기차와 같이 대형 배터리를 사용하는 제품에서는 열폭주의 위험이 더욱 크기 때문에 철저한 관리가 필요합니다.

 

열폭주를 예방하기 위해서는 다양한 관리 방법이 요구됩니다. 우선, 배터리 관리 시스템(BMS)을 통해 배터리의 온도, 전압, 전류를 실시간으로 감시하고 비정상적인 상태를 조기에 차단하는 것이 중요합니다. 또한, 배터리 제조 과정에서 고품질 소재를 사용하고 철저한 품질 관리로 내부 결함을 줄여야 합니다. 사용자가 배터리를 적절히 관리하는 것도 중요합니다. 과충전, 과방전, 물리적 손상을 피하고 배터리를 권장 사용 조건에서 유지하는 것이 필요합니다. 마지막으로, 대형 배터리 팩에서는 적절한 열 관리 및 냉각 시스템을 통해 내부 열이 축적되지 않도록 설계해야 합니다.

 

 

 

 

배터리 열폭주 시험 방법

 

 

1. 테스트 조건

 

A. 환경 조건

• 테스트는 섭씨 0도 이상의 온도에서 수행되어야 하며, 상대 습도는 15~90% 범위 내에 있어야 합니다.
• 대기압은 86~106 kPa 사이의 범위여야 하며, 이는 테스트 환경이 일정한 대기 조건을 유지하도록 합니다.

 

B. 배터리 충전 상태 (SOC, State of Charge)

• 시험을 시작하기 전에, 테스트 대상 배터리의 SOC는 정상 작동 범위의 90% 또는 95%로 조정되어야 합니다. 이는 배터리가 실제 사용 조건과 유사한 상태에서 시험되도록 보장하기 위함입니다.

 

C. 테스트 장비 상태

• 시험 전에 모든 장비가 제대로 작동하는지 확인해야 합니다.
• 장비의 오작동은 테스트 결과의 신뢰성을 떨어뜨릴 수 있으므로, 사전에 철저히 점검해야 합니다.

 

D. 샘플 변경 최소화

• 테스트 대상 배터리에 가해지는 변경은 최소화되어야 하며, 모든 변경 사항은 제조업체에 의해 기록되고 보고되어야 합니다.
• 이는 실험 결과가 표준 조건과 최대한 동일하게 유지되도록 하기 위함입니다.

 

E. 실내 환경 유지

• 테스트는 실내 또는 풍속이 2.5 km/h를 넘지 않는 환경에서 수행되어야 합니다.
• 외부 풍속은 테스트 결과에 영향을 미칠 수 있으므로, 엄격히 제어해야 합니다.

 

 

 

2. 테스트 방법

 

A. 열폭주 유발 방법

열폭주를 유도하기 위해 보통 두 가지 방법이 추천됩니다.

• 가열(Heating): 배터리 셀을 외부 열원으로 가열하여 내부 화학 반응을 촉진시킵니다.
• 천공(Puncture): 날카로운 물체로 배터리 셀을 찔러 내부 단락을 유발합니다.

제조업체는 위 두 가지 방법 중 하나를 선택하거나 열폭주를 유발하기 위한 다른 방법을 선택할 수 있습니다.

 

B. 시험 대상 셀 선정

시험 대상은 배터리 팩 내부의 리튬이온 배터리 셀입니다.

테스트 대상 셀은 팩 중앙부에 위치하거나, 다른 배터리 셀로 둘러싸여 있어야 합니다. 이는 주변 셀로 열이 전파되는 것을 방지하기 어려운 조건을 조성해, 극한 환경을 시뮬레이션하기 위함입니다.

 

 

 

 

 

 

 

배터리 열폭주 시험 장비

 

 

 

열폭주 시험기는 리튬이온 배터리의 안전성을 평가하기 위한 장비로, 배터리 내부에서 발생할 수 있는 열폭주(thermal runaway) 상황을 재현하여 성능과 안전성을 테스트하는 데 사용됩니다. 이 장비는 팜테크에서 제공하며, 다양한 환경 조건과 실험 방식에 맞게 설계되었습니다. 

 

 

 

 

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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