배터리 남용 시험이란? (Battery, Abusive Test, Abuse, International Standard, Specification)

 

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배터리 남용 시험이란?

 

배터리 남용 시험은 배터리의 안전성을 평가하기 위해 비정상적인 환경과 조건에서 배터리가 어떻게 반응하는지를 테스트하는 과정입니다. 이는 배터리 제조사와 연구기관에서 제품의 신뢰성을 보장하고, 사용자 안전을 확보하기 위해 필수적으로 수행됩니다. 특히 전기차, 에너지 저장 장치, 휴대용 전자기기 등 다양한 응용 분야에서 사용하는 리튬 이온 배터리의 경우, 폭발이나 화재와 같은 심각한 사고를 방지하기 위해 엄격한 시험이 요구됩니다.

 

배터리 남용 시험의 주요 목적은 배터리의 물리적, 화학적 한계를 파악하여 안전성을 확인하고, 배터리 개발 과정에서 발생할 수 있는 잠재적 위험을 사전에 제거하는 것입니다. 이를 통해 배터리 설계와 재료 선택을 개선할 수 있으며, 국제적인 안전 규격을 준수하는 제품을 생산하는 데 기여합니다.

 

 

시험의 주요 내용

 

배터리 남용 시험은 주로 전기적, 기계적, 열적 테스트로 나뉩니다. 전기적 테스트는 배터리가 과충전, 과방전, 단락 상황에서도 견딜 수 있는지를 평가합니다. 예를 들어, 과충전 테스트는 배터리를 제조사가 명시한 최대 전압보다 높은 상태로 충전했을 때 발생할 수 있는 발열, 가스 배출, 폭발 가능성을 확인하는 과정입니다.

 

기계적 테스트는 배터리가 외부 충격이나 변형에 의해 어떻게 반응하는지를 평가합니다. 낙하 시험, 압축 시험, 관통 시험 등이 여기에 포함됩니다. 예를 들어, 낙하 시험은 배터리를 고정된 높이에서 떨어뜨려 물리적 손상 여부와 내부 단락 가능성을 조사합니다.

 

열적 테스트는 배터리가 극한 온도 조건에서 작동 가능 여부를 확인합니다. 고온 환경에서의 열폭주(thermal runaway) 가능성, 화재 발생 여부를 테스트하며, 필요시 배터리를 화염에 직접 노출시켜 안전성을 평가하기도 합니다.

 

 

 

배터리 남용 시험의 중요성

 

이러한 테스트는 배터리가 비정상적인 상황에서도 사용자의 안전을 지킬 수 있도록 설계되었는지를 확인하는 데 필수적입니다. 특히 리튬 이온 배터리는 고에너지 밀도를 가지기 때문에 과열이나 내부 단락 시 심각한 화재나 폭발로 이어질 가능성이 있습니다. 배터리 남용 시험은 이러한 위험을 사전에 파악하고, 안전성을 강화하는 중요한 데이터와 기준을 제공합니다.

 

 

 

배터리 남용 시험의 예시

 

예를 들어, 리튬 도금(Lithium Plating)이 배터리 안전성에 미치는 영향을 평가하기 위해 특정 조건에서 리튬 이온이 음극 표면에 과도하게 축적되도록 실험합니다. 이는 배터리 내부의 화학적 불균형을 초래하며, 열폭주의 주요 원인으로 작용할 수 있습니다. 이런 실험을 통해 개발자들은 설계와 재료 개선에 필요한 정보를 얻고, 배터리의 안정성과 수명을 동시에 향상시킬 수 있습니다.

 

또 다른 예는 전기차 배터리 팩에서 발생할 수 있는 충격 상황을 재현하기 위해 고속 충격 시험을 수행하는 것입니다. 이를 통해 충격에 따른 배터리 손상 여부와 화재 발생 가능성을 분석하며, 최악의 시나리오에서도 안전을 확보할 수 있는 구조를 설계할 수 있습니다.

 

 

 

 

 

배터리 남용 시험 규격

 

• UL 1642: 리튬 배터리의 안전성을 평가하는 미국의 표준으로, 배터리의 화재나 폭발 위험을 줄이기 위한 다양한 테스트 요구사항을 포함하고 있습니다.
• IEC 62619: 산업용 리튬 이차 전지의 안전 요구사항을 다루는 국제 표준으로, 열 남용 테스트, 낙하 테스트, 열 폭주 테스트 등 다양한 테스트 절차를 명시하고 있습니다.
• IEC 62133: 휴대용 밀폐형 이차 전지의 안전 요구사항을 규정한 국제 표준으로, 리튬 이온 및 니켈 시스템 배터리에 대한 테스트 절차를 포함하고 있습니다.
• UN 38.3: 리튬 배터리의 안전한 운송을 보장하기 위한 유엔 규정으로, 고도 시뮬레이션, 열 테스트, 진동 테스트, 충격 테스트 등 다양한 테스트를 요구합니다. 

 

 

 

 

 

배터리 남용 시험 예제

 

n:p 비율이 낮은 셀에서 리튬 도금을 유도한 결과, 가시적인 침전물이 관찰되었으며 심각한 열폭주 현상이 발생

 

 

미국 에너지부(DOE)와 미국 선진 배터리 컨소시엄(USABC)을 위한 독립적인 남용 시험 지원을 제공하며, USABC가 정의한 시험 절차에 따라 모든 배터리 제품에 대한 테스트를 수행합니다.

 

배터리를 고정한 상태에서 온도를 상승시키며 셀 팽창을 평가한 결과, 90-100°C까지는 팽창이 거의 없었지만 150°C 근처에서 급격히 팽창하며 배출 현상이 발생

 

 

특히, 리튬 도금이 배터리의 안정성에 미치는 영향을 평가하기 위해, 리튬 도금을 강제로 유도한 테스트 셀을 제작하여 분석합니다. 이를 통해 배터리 내부에서 발생할 수 있는 위험 요인을 보다 정확히 파악할 수 있습니다. 또한, 고에너지 소재와 고온 환경에서도 데이터를 확보할 수 있도록 칼로리미터와 같은 테스트 장비를 개선하는 작업도 진행됩니다. 연구의 또 다른 주요 목표는 고온을 활용하여 배터리를 안전하게 비활성화할 수 있는 방법을 평가하는 것입니다. 이를 통해 배터리가 부풀거나 열 폭주를 일으키지 않고 안정적으로 처리될 수 있는 방법론을 개발하고자 합니다.

 

온도 상승에 따라 전압이 약간 감소, 셀이 실패할 때 전압이 급격히 0으로 떨어져, 셀 자가방전을 통해 비활성화 가능성을 보임

 

 

이 연구에서 이루어진 주요 성과 중 하나는 다양한 n:p 비율(음극 대 양극 비율)을 가진 테스트 셀을 제작하고, 이를 분석하여 리튬 도금이 남용 조건에서 배터리의 안정성에 미치는 영향을 관찰한 것입니다. 예를 들어, 낮은 n:p 비율을 가진 셀은 리튬 도금이 심화되어 열 폭주와 같은 심각한 반응을 보인 반면, 높은 n:p 비율에서는 이러한 위험성이 상대적으로 적었습니다. 이러한 결과는 배터리 설계와 안전성 향상을 위한 중요한 데이터를 제공합니다.

 

또한, 고온 환경에서 셀의 비활성화 경계 조건을 파악하기 위해, 특정 온도 이상에서 배터리가 부풀거나 가스를 배출하는 지점을 확인하는 테스트를 수행했습니다. 이 과정에서 고온에서도 셀이 안정적으로 유지될 수 있는 최적 조건을 정의하는 데 성공했습니다.

 

배터리 남용 시험은 단순히 배터리의 한계를 테스트하는 데 그치지 않고, 배터리의 설계, 재료, 그리고 제조 공정의 개선을 도모하며, 궁극적으로는 안전하고 신뢰할 수 있는 제품을 시장에 제공하는 데 중요한 역할을 합니다. 이를 통해 배터리 기술은 더 안전하고 효율적인 방향으로 발전하며, 전기차와 같은 첨단 기술의 발전에도 기여할 수 있습니다.

 

 

 

 

 

 

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

 

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