리튬 이온 배터리의 가스 발생 특성에 대한 연구

Study on Gas-Generating Property of Lithium-Ion Batteries

리튬이온배터리 화재 및 폭발의 주요 원인 중 하나는 배터리에서 발생하는 가연성 가스이며, ESS와 같이 배터리 다수가 밀집된 경우 열폭주 및 화재 전이로 인한 위험성이 크다. 이에 따라 국내·외에서 리튬이온배터리의 가스 발생 및열폭주 현상을 예측하고 예방하기 위한 연구가 다수 진행되고 있으나 아직 현재진행형인 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 리튬이온배터리 열폭주 전후에 발생하는 가스를 분석하여 열폭주로 인한 위험을 경감시킬 수 있는 기반을 마련하고자 한다. 발생 되는 가스의 종류 및 특성 등을 파악하여 열폭주 시 조기 감지에 의한 예방의 토대를 구축하는 것이다. 실험을 위해 리튬이온배터리를 외관별(원통형, 각형, 파우치형), 양극재별(NCM, NCA, LFP)로 구분하였고 가로, 세로,높이가 각 1.5 m인 챔버 내에서 리튬이온배터리에 열적 이상 조건을 가하여 시간별로 발생하는 가스를 측정하였다. 가스 측정을 위해 FT-IR 분석장치를 사용하였으며, 별도의 수소 센서를 챔버 내에 설치하여 리튬이온전지의 시간별 가스종류 및 측정량 변화를 분석하였다. 실험 결과, 모든 리튬이온배터리에서 CO2와 CO가 가장 많이 발생 되었다. 열폭주이후 각형 및 파우치형에서는 CO2는 증가하고 CO가 감소하였으며, 원통형에서는 CO2와 CO 모두 증가하였다. 독성가스인 HF와 폭발범위가 넓은 H2 또한 발생되었으며, 두 가스의 농도는 상호 간 반비례 관계를 나타냈다.

A main cause of fires and explosions in lithium-ion batteries is the generation of combustible gases by them, and whena large number of batteries are densely packed, like in an Energy Storage System, there is a high risk of thermal runawayand fire propagation. Currently, many studies are being conducted worldwide to predict and prevent the generation ofcombustible gases, and thermal runaway in lithium-ion batteries, but they are still in progress. Therefore, in this study, weanalyzed the gases generated before and after thermal runaway in lithium ion batteries, to prepare a basis for reducing therisk of thermal runaway. We aimed to establish the basis for prevention by early detection in the event of thermal runaway,by understanding the type and characteristics of the generated gases. For the experiment, lithium ion batteries were classifiedin terms of appearance (cylindrical, prismatic, pouch type), and cathode materials (NCM, NCA, LFP). The gases generatedwas measured against time. An FT-IR analyzer was used for gas measurement, and a separate hydrogen sensor was installedin the chamber to analyze changes in the types of gas, and measure the mass of the lithium ion battery over time. In theexperiment, CO2 and CO were generated the most during thermal runaway in all lithium-ion batteries. Thereafter, CO2increased, and CO decreased in the prismatic and pouch types, and both CO2 and CO increased in the cylindrical type. HF(a toxic gas), and H2 having a wide explosive range, were also generated, and the concentrations of these gases were inverselyproportional to each other.