가속 율 열량계를 이용한 ESS시설의 배터리 화재, 폭발시 발생하는 압력 방출 측정 실험

Battery fire experiment using ARC about pressure release because of ESS facility fire and explosion

정확한 원인을 알 수 없는 다수의 ESS 화재의 발생으로 ESS산업이 위축되었고, 친환경 산업의 발전과 사업자, 사용자의 보호를 위해 배터리 화재 연구는 필요하다. 화재의 소화 규모를 결정하기 위해 산소소모법을 이용한 발열양을 측정하는 연구는 다수 진행되었지만 아직 실험 연구가 부족하다. 또한 폭발시 발생하는 압력 방출에 관한 연구 또는 폭발 규모를 산정하는 연구는 더욱 부족한 실정이다. 이전 연구에서는 일반적인 화재의 위험도를 대변하는 발열량을 측정하기 위해 콘칼로리미터를 이용하였고, 이번 연구에서는 배터리의 화재로 인한 폭발 시 발생하는 압력의 크기를 측정하였다. 실험에는 가속 율 열량계(Accelerating rate calorimeter)를 이용하였다. 가속 율 열량계는 시료로부터 발생하는 발열반응 등 열적인 변화를 외부 요인에 의하여 영향을 받지 않고 측정하기 위해 적합한 장비이다. 배터리화재는 Gas-off 발생 후 외부의 산소에 의해 발화가 발생하는데, 발화에 의한 발열량은 배터리로 전달되고 배터리의 열폭주 현상을 가속 시킨다. 가속 율 열량계는 이러한 외부 산소공급을 차단하여 배터리의 열폭주 반응에 의한 폭발 압력과 열폭주의 발생 온도와 온도 상승률을 측정하기에 적합하다. 시료는 18650 배터리 2.6A, 3.5A 두 가지를 사용하였으며 S.O.C. 0%, 50%, 100%에서 실험하였다. 온도는 5도씨/step으로 300도씨 까지 가열하였으며, 0.05도/min의 감도로 열폭주를 감지하였다. 2.6A, 3.5A S.O.C. 0% 에서는 폭발이 감지되지 않았지만 2.6A 50%의 경우 격렬한 화재가 발생하여 불안정한 온도와 압력을 나타내었고, 3.5A 50%에서는 폭발이 발생하였다. 두 시료 모두 100%의 경우 명확한 열폭주와 폭발의 반응을 확인할 수 있었고 실험결과는 2.6A 100% 2.1atm, 3.5A 50% 1.7atm, 3.5A 100% 1.5atm로 확인할 수 있었다. 3.5A 100%의 경우 압력용기의 기밀성이 부족하여 압력상승의 확인이 어려웠으며, 배터리 폭발로 인한 에너지방출의 추가적이 연구가 필요할 것으로 보인다.