열 폭주 방지에 대한 연구 (논문 Review)

2024.07.04 - [배터리/지식] - 배터리 열폭주(Thermal runaway)란?

배터리 열폭주(Thermal runaway)란?

 

이전 글에서 열폭주와 메커니즘에 대해 알아보았다.

 

현재 배터리 최대이슈인 열폭주에 대하여 이를 방지하고자 다양한 연구가 진행되고 있다.

 

열폭주의 무서운점은 인접 Cell에 대한 Thermal propagation이다.

 

단일 셀의 runaway는 배터리 팩 전체의 runaway를 짧은시간에 만들어낸다.

 

이에 인접 Cell로의 propagation을 연구한 논문을 하나 Review하고자 한다.

 

 

Prevent Thermal Runaway of Lithium-Ion Batteries with Minichannel Cooling (2016)

Jian Xu, Chuanjin Lan, Yu Qiao, Yanbao Ma

 

University of California, Merced와 University of California San Diego의 연구진이 공동으로 수행한 논문이다.

 

Al 재질의 Minichannel에 냉각수를 주입하여 Thermal runaway 방지에 대한 연구이다.

 

 

1. Model view & validation

 

Module Isometric & Top view

 

모델은 5개의 Cell을 합친 1개의 Module을 파란색으로 표시된 Al Minichannel을 통해 냉각수를 흘리며 흡열한다.

 

배터리 안전성 Test중 Nail penetration 이 있다.

 

이는 배터리 Cell 내부를 못으로 관통하며 ISC를 유도하여 열폭주 메커니즘을 확인하는데 사용되는 방식이다.

 

테슬라의 모델 3에 들어가는 Cooling snake의 냉각 방식과 유사한 형태이다.

 

 

Model validation

 

실험을 위한 해당 model의 validation을 검증하기 위해 Hatchard et al.(열폭주 메커니즘 연구 논문)의 

 

Current와 Temp. 모델과 유사한 형태로서 model validation 검증을 하였다.

 

실제로 그래프의 형태가 유사한 점을 봤을 때 충분한 model 검증이 이루어 졌다.

 

 

2. Result & discussions

 

Unit Cell Thermal runaway

 

Nail로 표시된 부분이 penetration이 된 부분이다.

 

Penetration 후 해당 cell의 temp.를 보면 120도 이후 급격한 온도 상승으로 최대 950도까지의 온도 상승이 있었다.

 

시간은 약 150s정도 걸렸다고 한다.

 

이후로는 Jelly roll 에너지원이 열에너지로 바뀌면서 손실로 인해 점점 온도가 하강하게 된다.

 

Volume Flow of water

 

유량에 따른 냉각 제어를 통한 Unit Cell의 온도 그래프이다.

 

물은 비열이 가장 높은 유체 중 하나이다.

 

그렇기에 냉각수의 유체로서 많이 사용되고 있다. (에틸렌-글리콜 등의 널리 쓰이는 냉각수도 있다.)

 

에너지 보존 법칙에 의해 열원이 물로 방열을 하기 때문에 유량이 많을 수록 냉각 효과는 상승한다.

 

하지만 Thermal runaway로 인한 열에너지 량이 순식간에 증가하기에 최대 온도에는 변함이 없는 결과이다.

 

Unit Cell 기준으로는 해당 냉각 시스템으로는 방지가 되지 않았다.

 

 

Maximum Temperature at Different Nail Penetration depth & diameter

 

흥미로운 사실이 또 있다.

 

Nail penetration depth 및 Diameter에 따른 Maximum온도 및 Thermal runaway가 발생하는 시간이 다르다는 결과이다.

 

관통깊이가 깊고 넓을수록 ISC의 반응을 촉진시키는 정보를 알 수 있었다.

 

Adjacent Battery Cell Maximum Temp. at Different flow

 

Nail penetration을 진행한 Cell이 아닌 인접 Cell들에 대한 연구 결과이다.

 

냉각 유량을 증가시킬수록 Maximum temp.가 내려가는 유의미한 결과를 얻을 수 있었다.

 

특히 10L/min일 때의 battery2의 온도는 60도로 유지되며 Thermal runaway를 방지할 수 있었다.

 

모듈 단위에서의 냉각은 독립적인 유량제어가 필요하다는 결론을 얻을 수 있었다.

 

 

3. Insight

 

단일 Cell의 Thermal runaway는 시스템 설계적으로는 한계가 보이는 것 같다.

 

하지만 Adjacent cell들에 대한 chain reaction을 방지하는 것이 시스템 설계적으로는 가능하다고 생각한다.

 

1) Cell 단위 독립 냉각 유량 제어에 필요한 에너지 소모에 대한 최적화

2) heat transfer, conduction coef, convection coef.가 높은 소재로의 냉각 시스템 설계

3) Thermal propagation을 막기 위해 module 사이에 Insulation 소재로 시스템 설계

 

이러한 연구들의 필요성이 느껴졌다.