41-41 2025 [춘계학술대회]
| 제목 | 오프가스 측정을 통한 파우치형 리튬 이온 배터리의 열폭주 사전 예측 연구 |
|---|---|
| 분야 | 모빌리티 동력 및 구동시스템 |
| 언어 | Korean |
| 저자 | 김영동(한양대학교), 심인한(한양대학교), 박성욱(한양대학교) |
| Key Words | Pouch-type Lithium-ion battery(파우치형 리튬이온배터리), Thermal runaway(열폭주), Off-gas(오프가스), Gas sensor(가스센서), Constant Volume Chamber(정적챔버), Thermal abuse(열적원인) |
| 초록 |
탄소 중립 정책의 시행으로 전 세계적으로 이산화탄소 배출 감축을 위한 전기자동차 수요가 급증하고 있다. IEA(International Energy Agency)의 "Global EV Outlook 2024" 보고서에 따르면, 2030년까지 수송 부문에서 배터리 수요가 현재보다 4.5배 증가할 것으로 예상된다. 이에 따라 배터리 열폭주로 인한 화재 위험성도 함께 증가하고 있다. 리튬이온배터리는 높은 에너지 밀도와 긴 수명 덕분에 전기자동차의 주요 에너지 저장수단으로 사용되고 있다. 그러나 높은 에너지 밀도로 인해 배터리 열폭주 위험성 또한 커지고 있다. 열폭주는 급격한 온도 상승과 가스 발생을 동반하는 연쇄 반응으로 전기차 화재 사고의 주요 원인으로 지목되고 있다. 따라서 열폭주를 조기에 탐지하여 운전자에게 경고하여 이를 사전에 방지하는 기술 개발이 필수적이다. 최근 주목받는 탐지 기술 중 하나로 배터리에서 방출되는 가스를 기반으로 열폭주를 감지하는 방식인 오프가스(off-gas) 탐지 방법이 있다. 오프가스는 열폭주 이전에 전해액의 분해로 인해 생성되는 가연성 가스로 열폭주의 전조 증상 중 하나이다. 각형 및 원통형 배터리의 경우 일정 압력 이상이 되면 안전밸브를 통해 내부 가스가 배출되므로 오프가스 탐지가 비교적 용이하다. 반면 파우치형 배터리는 안전 밸브 없이 밀폐된 구조를 가지므로, 내부 압력이 증가해도 즉각적인 가스 방출이 발생하지 않아 오프가스를 활용한 열폭주 조기 탐지가 상대적으로 어렵다. 본 연구에서는 다양한 실험 조건을 설정하여 파우치형 배터리에서 오프가스를 탐지하여 열폭주 사전 감지가 가능한 조건을 분석하였다. 실험에는 정격 전압 3.7V, 용량 56Ah의 NCM 811 파우치형 리튬이온배터리(325 × 100 × 9.5 mm)를 사용하였다, 실험은 정적 챔버에서 진행되었으며, 오프가스 배기 이후 1회, 열폭주 이후 1회, 총 2회 챔버 내 가스를 포집하여 GC(Gas Chromatography) 분석기로 성분을 분석하였다. 배터리는 히터를 이용해 가열하여 열적 요인에 의한 열폭주를 모사하였다. 로드셀을 활용하여 파우치의 면압을 실시간으로 측정하였으며, 가스센서를 활용하여 챔버 내 가스 농도 데이터를 취득하였다. 또한, 실험 중 배터리의 온도 및 전압 변화를 기록하였으며, 초고속 카메라를 이용하여 오프가스 벤팅시 셀의 거동을 확인하였다. 본 연구는 파우치형 리튬이온배터리에서 오프가스 방출 조건을 실험적으로 분석하고, 이를 통해 열폭주 사고 예방에 기여하고자 한다. Acknowledgement 본 연구는 2024년도 정부(산업통상자원부)의 재원으로 한국에너지기술평가원의 지원을 받아 수행된 연구임 (RS-2022-KP002703, 섹터커플링 에너지산업 고도화 인력양성사업) |
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