리튬이온 배터리 열폭주 전이 억제를 위한 소화패드 및 난연코팅 적용 효과에 관한 실험적 연구

Experimental Study on the Effect of Fire-Extinguishing Pads and Flame-Retardant Coatings for Suppressing Thermal Runaway Propagation in Lithium-Ion Batteries

본 연구는 리튬이온 배터리의 화재 확산을 유발하는 핵심 요인인 열폭주 전이의 저감 방안을 화재사례 분석 및 재현 실험으로 부터 규명하였다. 재현 실험은 리튬이온 배터리(18650) 셀로 구성된 배터리 팩을 대상으로 무방호 및 방호조건으로 세가지 조건(무방호 조건, 자동소화패드 적용 조건, 난연코팅 부직포 적용 조건)에 대한 열폭주를 유도하고 조건별 온도특성을 측정하였다. 연구 결과, 무방호 조건에서는 열폭주는 명확히 발생하였으며, 중심(타격점)에서 주변으로의 전이 열영향이 점진적으로 확산된 전형적 패턴을 보였다. 하지만 방호 조건(자동소화패드 적용, 난연코팅 부틱포 적용)에서는 난연코팅 부직포 적용 시에는 최대온도가 674 ℃까지 상승하여 온도는 낮추지는 못했지만 방호 조건 모두 빠른 냉각을 유도해 전이 지속성이 억제되어 열폭주 전이가 감소하는 것을 확인할 수 있었으며, 자동소화패드 적용 조건에서는 열폭주는 단일 셀에서만 발생하여 주변 셀로의 열폭주 확산은 억제된 형태로 비전이형의 패턴을 보이는 것을 확인할 수 있었다.

This study investigated strategies to mitigate thermal runaway propagation, a major cause of fire spread in lithium-ion batteries, by analyzing fire incidents and reproducible experiments. Experiments were conducted on 18650 lithium-ion battery packs under three conditions: unprotected, with an automatic fire-extinguishing pad, and with a flame-retardant-coated nonwoven fabric. Under unprotected conditions, thermal runaway was clearly observed, exhibiting a typical pattern of progressive heat propagation from the impact point to the surrounding cells. Under protective conditions, both measures effectively suppressed propagation. The flame-retardant nonwoven fabric produced a peak temperature of approximately 674 ℃; however, it induced rapid cooling, which reduced propagation. The automatic fire-extinguishing pad confined the runaway to a single cell, exhibiting a nonpropagating pattern. These results confirm that the use of protective materials can significantly reduce the risk of thermal propagation in lithium-ion battery systems.