지난 호에서 이어지는 내용입니다.

 

3) 열적 오용

배터리 팩에서 일반적인 열적 오용 조건으로 로컬 과열이 발생할 수 있다. 과열은 기계ㆍ전기적 오용 외에도 셀 커넥터의 접촉 불량으로 발생할 수 있다. 셀 커넥터의 접촉이 느슨해지는 게 실제 사용 중 확인됐다. Zheng 등 [1]은 배터리 팩 내 하나의 셀에 접촉 저항이 증가한 걸 확인했다.

 

저항 증가의 원인은 제조 과정에서의 결함으로 밝혀졌고 이로 인해 커넥터 접촉 불량이 발생한 상황이다. [3]에서 보고된 사고 1번과 같이, HEV 배터리 팩의 TR(열폭주) 사고는 접촉 불량과 그로 인한 국소 과열로 인해 시작됐다.

 

배터리 팩의 셀은 금속 전류 커넥터를 통해 연결돼 있었으나 차량 진동 조건에서 연결이 느슨해졌다.

 

특정 영역을 지나는 높은 전류로 인해 집중적인 열 발생이 초래됐고 로컬 과열과 그에 따른 TR이 발생했다. 접촉 저항은 사전 조임 압력과 접촉 표면의 거칠기에 의해 영향을 받는다.

 

Taheri 등 [2]의 연구에 따르면 사전 조임 압력이 부족하면 접촉 저항이 큰 폭으로 증가한다. 전극-집전체 간의 연결(밀착) 불량은 인터페이스에서 열 손실을 유발할 수 있다.

 

이에 따라 인터페이스에서 배터리 코어로 열이 과도하게 흐를 수 있다. 이는 온도 상승과 TR의 시작을 야기할 수 있다. 접촉 불량에 의한 열 관리 부주의에도 [4]에서는 자동차 실내의 연소로 열 관리 부주의가 발생할 수 있음을 보고한다.

 

충돌 후 전해액 누출이 이러한 연소를 촉진할 수 있다. 한마디로 열 관리 부주의는 배터리 TR의 직접적인 원인이다. 

 

4) 내부 단락

 

▲ [그림 1] 내부 단락: TR의 가장 일반적인 특징

ISC(내부 단락)는 [그림 1]에서 볼 수 있듯이 TR의 가장 일반적인 특징이다. 거의 모든 오용 조건은 ISC와 함께 발생한다. 광범위하게 말해서 ISC는 배터리 분리막의 손상으로 인해 양극과 음극이 서로 접촉할 때 발생한다.

 

ISC가 작동하면 재료에 저장된 전기화학적 에너지가 열 발생과 함께 자발적으로 방출된다. [그림 1]에서 보듯 이 분리막의 손상 메커니즘에 따라 ISC는 세 종류로 나눌 수 있다. 

 

⒜ 기계적 오용으로 인한 경우: 못 등의 관통이나 압착으로 인한 분리막의 변형ㆍ손상 

⒝ 전기적 오용으로 인한 경우: 분리막이 수지상 결정에 따라 뚫리는 경우, 과충전ㆍ과방전으로 인해 수지상 결정의 성장이 유도되는 경우 

⒞ 열적 오용으로 인한 경우: 극한의 고온으로 인해 분리막이 수축하고 붕괴해 대량의 ISC가 발생하는 경우

 

기계ㆍ열적 남용으로 인해 발생하는 거대한 ISC는 TR을 직접 촉발한다. 반면 열을 거의 발생시키지 않고 TR을 촉발하지 않는 가벼운 ISC가 있다.

 

에너지 방출 속도는 분리판 파손의 정도에 따라 달라지며 ISC에서 TR까지의 시간에 따라 달라진다. 모든 셀은 판매 전에 해당 테스트 표준을 통과해야 해서 오용으로 인한 ISC의 가능성은 매우 낮다.

 

그러나 현재 시험 표준에서 잘 규제할 수 없는 자발적 ISC 또는 자가 유도 ISC라고 하는 종류의 ISC가 여전히 있다. 자발적 ISC는 제조 중의 오염이나 결함에서 비롯되는 것으로 여겨진다.

 

자발적 ISC는 2013년 보잉 787 배터리 고장(지난 호 [표 1]의 사고 번호 4ㆍ5 참조)의 가장 가능성 있는 원인으로 간주됐다. 오염ㆍ결함이 명백한 열 발생과 함께 자발적 ISC로 발전하는 데는 며칠 또는 몇 달이 걸린다.

 

장시간 배양 중 자발적 ISC의 메커니즘은 다소 복잡하고 추가 조사가 필요하다. 메커니즘에 대한 심층적인 통찰력은 자발적 ISC의 조기 경보에 도움이 될 수 있다.

  

ISC의 위험 수준은 자가 방전 속도와 예상치 못한 열 발생으로 평가될 수 있다. 현재 문헌을 요약하면 [그림 2]와 같이 세 가지 수준의 ISC를 제안한다.

 

▲ [그림 2] ISC의 3단계

 

⒜ Level I: ISC를 가진 셀에 자가 소화 기능이 나타나며, 즉 자가 방전 속도가 느리지만 명확한 열 발생은 없음.

⒝ Level II: ISC의 특성이 더욱 뚜렷해지며 전압 저하 속도가 빨라지고 온도가 더 빠르게 상승

⒞ Level III: 세퍼레이터의 붕괴로 인해 TR이 억제될 수 없으며 집적된 열이 발생

 

다행히도 자발적 ISC의 촉발은 Level I에서 III로 진행되는 데 시간이 걸리기 때문에 BMS(배터리 관리 시스템)가 자발적 ISC의 결함을 Level III로 발전하기 전에 충분한 시간을 탐지할 수 있다. 

 

참고로 자가 방전 속도와 열 발생 모두 등가 ISC 저항을 통해 정량적으로 평가될 수 있다. 더 작은 등가 ISC 저항은 열 발생이 더 크고 TR 가능성이 더 큰 심각한 ISC를 나타낸다.

 

⒜ 높은 반복성을 가져야 함. 

⒝ 전압 강하와 온도 상승을 동시에 발생시켜 ISC를 촉발할 수 있어야 함. 

⒞ 예약된 촉발 시간과 특정 등가 ISC 저항으로 ISC를 촉발할 수 있음. 

⒟ ISC로 인한 열 생성은 셀에 의해 완전히 흡수될 수 있음. 

⒠ ISC로 인한 방전은 셀의 충전 상태를 감소시킬 수 있음. 

⒡ 셀 재료에 대한 실제 손상을 시뮬레이션할 수 있음. 

 

그러나 위의 대체 테스트 접근 방식 중 어느 것도 이상적이지 않다. 요구 사항 ⒜와 ⒡가 기술적 관점에서 모순되는 것처럼 보이기 때문이다. 고급 대체 ISC 테스트의 개발은 진행 중이며 가까운 미래에 획기적인 진전이 예상된다.

 

대체 테스트에도 불구하고 ISC로 인한 위험은 모델링 분석을 통해서도 평가할 수 있다. Santhanagopalan et al. [5]은 리튬이온 배터리의 ISC 동작을 시뮬레이션하기 위해 전기화학‑열 결합 모델을 개발했다. 그들은 ISC의 네 가지 다른 시나리오가 있다고 제안했다. 

 

⒜ 두 전류 사이의 ISC 집전체(구리ㆍ알루미늄) 

⒝ 구리 전류 수집기와 양극의 활성 물질 사이의 ISC 

⒞ 알루미늄 전류 수집기와 양극의 활성 물질 사이의 ISC 

⒟ 두 전극의 활성 물질 사이의 ISC 

 

결과는 다음과 같다. 시나리오 ⒞가 네 가지 중 가장 위험할 수 있다. [5]의 모델링 결과는 실험을 통해 검증될 수 있으며 실제 조건에서 ISC 메커니즘을 밝히는 데 유익하다.

 

요약하자면 TR의 가장 일반적인 특징인 ISC는 추가 연구할 가치가 있다. 

 

⒜ 자발적 ISC의 점진적 진화 메커니즘을 조사하는 것 

⒝ 보다 신뢰할 수 있는 대체 ISC 테스트를 개발하는 것 

⒞ 사용하기 쉬운 ISC 시뮬레이션 모델을 구축하는 것

 

에 대한 추가 연구를 통해 ISC와 TR 간의 관계를 명확히 해야 한다.

 

 

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참고 자료

[1] Y. Zheng, X. Han, L. Lu, J. Li, M. Ouyang, Lithium ion battery pack power fade fault identification based on Shannon entropy in electric vehicles, J. Power Sources 223 (2013) 136–146.

[2] P. Taheri, S. Hsieh, M. Bahrami, Investigating electrical contact resistance losses in lithium-ion battery assemblies for hybrid and electric vehicles, J. Power Sources 196 (15) (2011) 6525–6533.

[3] X. Feng, C. Weng, M. Ouyang, J. Sun, Online internal short circuit detection for a large format lithium ion battery, Appl. Energy 161 (2016) 168–180.

[4] G.P. Beauregard, Report of investigation: hybrids plus plug in hybrid electric vehicle. eTec, Phoenix AZ, 2008.

[5] S. Santhanagopalan, P. Ramadass, Z. Zhang, Analysis of internal short-circuit in a lithium ion cell, J. Power Sources 194 (1) (2009) 550–557.

 

 

경기 구리소방서_ 강경석 : youeks@naver.com

 

<본 내용은 소방 조직의 소통과 발전을 위해 베테랑 소방관 등 분야 전문가들이 함께 2019년 5월 창간한 신개념 소방전문 월간 매거진 ‘119플러스’ 2025년 3월 호에서도 만나볼 수 있습니다.>

 

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