가속 율 열량계에서 충전율에 따른 리튬이온 배터리의 화재특성

Fire Characteristics of Lithium-ion Battery According to the State of Charge in an Accelerating Rate Calorimeter

최근 기후변화와 해수면 상승 등을 유발하는 화석연료의 대체에너지로서 친환경에너지에 대한 관심이 높아지고있다. 신재생에너지와 같은 친환경에너지의 효율적인 이용을 위해 에너지저장시스템과 스마트 그리드 시스템을 적용하는 등 많은 노력을 기울이고 있다. 하지만 이차 배터리의 사용량이 늘면서 발생하는 많은 화재 등 안전사고는그 사용범위를 크게 제한하고 있는 상황이다. 본 연구에서는 배터리의 온도별로 발생하는 자발적 발열반응과 열폭주현상의 특징 등을 가속 율 열량계를 이용하여 배터리 화재특성을 조사하였다. 실험에 사용된 배터리는 18650 원통형표준 배터리로서 2600 mAh의 용량과 0, 50, 100%의 3가지 충전율로 실험을 수행하였다. 실험의 조건별로 발생하는발열형태를 4단계로 구분하여 충전율에 따른 단계별 존재유무와 온도상승 특성을 조사하였다. 50%와 100% SOC에서 열폭주가 발생하였지만 50%의 경우 폭발 같은 격렬한 반응으로 이어지지 않았고, 100% 충전율에서 격렬한 폭발이 발생하였다. 또한, 열폭주가 발생한 50%와 100% 충전율 실험에서의 열폭주에 대한 활성화 에너지를 구할 수 있는 방법론을 제안하였다.

Recently, the interest in ecofriendly energy as an alternative to fossil fuels, which cause climate change and sea level rise,has increased. To achieve the efficient utilization of ecofriendly energy, such as a renewable energy, considerable effort hasbeen made to use energy storage systems (ESSs) and smart grid systems. However, many safety problems, such as batteryfires caused by the increase in the use of secondary batteries, significantly limit their application scope. In this study, toinvestigate the fire characteristics of lithium ion batteries (LIBs), the characteristics of the spontaneous exothermic reactionand thermal runaway phenomenon that occur at each temperature of an LIB battery were investigated using an acceleratingrate calorimeter. The batteries used in the experiments were standard 18650 cylindrical batteries with a capacity of 2600 mAh,and they were tested at three different state-of-charge (SOC) levels: 0%, 50%, and 100%. The type of heat generated byeach experimental condition was classified into four stages, and the existence and temperature rise characteristics of eachstage were investigated according to the SOC. Although thermal runaway occurred at both 50% and 100% SOC, the reactionat 50% SOC did not escalate into violent explosions like the reaction observed at 100% charging. Furthermore, the activationenergies for the thermal runaway observed in the experiments conducted at 50% and 100% SOC are presented.