리튬이차전지 시험용 셀의 dFMEA 기반 화재 위험성 평가에 관한 연구

A Study on dFMEA-based Fire Risk Assessment of Lithium-ion Secondary Battery Testing Cells

본 연구에서는 연구개발 단계에서 활용되는 리튬이차전지 시험용 셀의 화재 위험성을 평가하고자 설계 고장형태영향분석(design failure mode and effects analysis, dFMEA)을 수행하였다. dFMEA는 전문가 그룹을 통해 시험용 셀을구성하는 양극, 음극, 분리막, 전해액 그리고 셀 설계에 대하여 고장 위험분석, 위험성 평가, 위험우선순위 분석의절차로 실시되었다. 또한 심각도, 발생도, 검출도로 구성되는 평가기준의 수준을 3단계로 재정립하여 시험용 셀 적용에 최적화하였다. 고장 위험분석 결과, 총 11건의 고장 원인이 도출되었으며, 특히 시험용 셀에 높은 니켈 함량을갖는 니켈-코발트-망간(NCM)계 양극 소재를 적용하거나, 높은 열 수축률 및 낮은 인장강도 갖는 분리막 적용, 전해액 조성 최적화 오류가 존재할 때, 폭발 및 열폭주 발생이 예측되어 위험우선순위 분석에서 화재 위험성이 높은 중위험군으로 분류되었다. 따라서, 연구개발 단계에서 시험용 셀 제조시 소재의 상호 반응성 및 예비 물리화학적 물성분석과 화재 피해 저감을 위한 안전장비 구축이 요구된다.

In this study, Design Failure Mode and Effects Analysis (dFMEA) was performed to evaluate the fire risk of lithium-ionsecondary battery testing cells used during the research and development stage. dFMEA was used for the failure riskanalysis, risk assessment, and risk priority analysis of the anode, cathode, separator, electrolyte, and cell design of thetesting cell. In addition, the evaluation criteria, including severity, occurrence, and detection, was reorganized into threecategories and optimized for the testing cell application. Based on the failure risk analysis, a total of 11 causes of failurewere identified. In particular, explosion and thermal runaway were predicted when a nickel-cobalt-manganese (NCM)-basedanode material with a high nickel content was used, the separator had a high thermal contraction rate and low tensilestrength characteristics, and there were errors in the electrolyte composition optimization. This cause of failure was classifiedas a moderate risk with a high fire risk by the risk priority analysis. Therefore, at the research and development stage, itis critical to evaluate the mutual reactivity and preliminary physical properties of battery materials and to construct safetyequipment to reduce fire damage.