강명보
(Myung Bo Gang)
1
김남진
(Nam Jin Kim)
2†
-
제주대학교 기계공학과 박사과정
(Ph.D. Candidate, Department of Mechanical Engineering, Jeju National University, Jeju
63243, Korea)
-
제주대학교 기계공학과 교수
(Professor, Department of Mechanical Engineering, Jeju National University, Jeju 6343,
Korea)
Copyright © 2016, Society of Air-Conditioning and Refrigeration Engineers of Korea
키워드
에너지 밀도, 발열량, 리튬이온, 니켈-코발트-망간, 열폭주
Key words
Energy density, Heat generation, Lithium-ion battery, NCM, Thermal runaway
기호설명
$A$：
전해질 붕괴빈도율 [1/s]
$c$：
반응물질의 무차원 농도
$c_{sei}$：
리튬함유 준안전성 종의 무차원 양
$c_{n e g}$：
탄소 내 삽입된 리튬의 무차원 양
$c_{e}$：
전해질의 무차원 농도
$C_{P}$：
정압비열 [J/(kg·K)]
$E_{a}$：
반응계수 [J/mol]
$H$：
단위 질량당 반응엔탈피[J/kg]
$h$：
대류열전달계수 [W/(㎡·K)]
$k$：
열전도도 [W/(m·K)]
$\mu$：
점성계수 [N․s/㎥]
$L$：
배터리 길이 [m]
$Q$：
단위 부피당 발열량 [W/㎡]
$R$：
반응속도 [1/s]
$t$：
시간 [s]
$t_{sei}$：
리튬에 의해 반응하는 층 두께의 무차원 양
$T$：
온도 [℃]
$Ra$：
레일리 무차원수
$W$：
단위 부피당 반응물질의 질량 [kg]
$W_{c}$：
젤리롤의 부피별 탄소 함량 [g/㎥]
$W_{P}$：
젤리롤의 부피별 양극활물질 함량 [g/㎥]
$W_{e}$：
젤리롤의 부피별 전해질 함량 [g/㎥]
$\alpha$：
전환율
1. 서 론
극변하는 기후 변화로 인한 생태계 파괴의 심각성에 대해 다양한 관점에서 우려의 목소리가 나오는 동안에 코로나로 인한 세계적 위기가 맞물리며 기존 산업계에서도
에너지원에 대한 인식의 변화가 생겨나고 있다. 주요 선진국들은 탄소중립(Net-Zero)을 선포하였고, 이는 4차 산업혁명과 맞물려 다양한 신재생에너지의
보급으로 확장되었다. 에너지 신산업의 일환으로 기존 및 신규 에너지원을 융복합하고자 하는 연구가 꾸준하게 시도되고 있으며, 중대형 전자제품이 발전하면서
에너지 저장장치에 대한 관심이 급증하고 있다. 국내에서도 한국판 그린뉴딜 정책을 추진하며 핵심 요소 중의 하나로 신재생에너지 관련 산업들을 선정하고
보급에 박차를 가하고 있는데, 이는 리튬이온전지의 연구개발과 매우 밀접한 관계를 갖고 있다.
한번 방전되면 사용이 불가한 일차전지와는 달리, 충전하여 재사용이 가능한 이차전지는 다양한 산업군에서 활발하게 사용되고 있으며 특히 리튬을 양극으로
사용한 리튬 이차전지는 에너지 저장장치에 필수적으로 가장 많이 사용되고 있다. 리튬은 반응성이 크기 때문에 전지 양극에서도 산화물 형태로 존재하는데,
리튬산화물과 같이 양극에서 배터리의 전극 반응에 참여하는 물질을 활물질이라고 한다. 어떠한 양극 활물질을 사용하느냐에 따라서 저장 가능한 전자의 수가
달라지며, 이를 통해 배터리의 용량과 전압을 결정하게 된다.
NCM 배터리는 양극활물질로 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn)을 활용한 삼원계 배터리를 말하며, 다른 활물질에 비해 에너지 밀도가 높아 대용량
배터리 제작에 적합하고 반복적인 충방전이 가능하기 때문에 에너지 저장장치에 널리 사용된다. 니켈(Ni)은 배터리의 용량, 코발트(Co)와 망간(Mn)은
안전성, 알루미늄(Al)은 전지의 출력에 관한 성능을 향상시키는 역할을 한다.
에너지 저장장치마다 필요로 하는 다양한 배터리 성능들을 충족하기 위해 양극 활물질의 적절한 조합이 매우 중요하다. NCM 배터리의 종류는 NCM111,
NCM523, NCM622, NCM811 등이 있으며 각 숫자는 니켈, 코발트, 망간의 순서대로 조합 비율을 나타낸다. 기존에는 NCM53과 NCM622이
많이 사용되었으나 최근에는 니켈의 비중을 80% 이상 높인 고에너지 배터리의 상용화를 위한 연구가 세계 각지에서 활발하게 진행되고 있다. 최근 조사에
따르면 세계 80개국에서 판매된 전기차 배터리 양극재 사용량 중 NCM811 양극재 사용량은 2020년 1~9월 간 약 17,200 ton이었으며
2021년에는 약 63,000 ton으로 266% 이상 증가하여 시장 점유율 3위에 올라섰다.
리튬 이차전지는 전지의 직경과 높이에 따라ㅈㄹ서도 구분되는데, 처음 두 자리 숫자는 원통형 배터리 직경을, 다음 두 자리 숫자는 높이를 나타낸다.
마지막 숫자는 명확한 유례는 없으나 원통형을 나타내는 숫자로 표시하고 있다. 기존에는 18650 배터리와 21700 배터리가 주류였으나, 최근에는
에너지 밀도를 높여 공간 활용성을 극대화한 46800 배터리의 상용화를 개발하는데 박차를 가하고 있다.
현재 리튬이온 배터리 세계 시장은 한국을 중심으로 한 NCM 배터리와 중국의 LFP 배터리가 주류를 이루고 있다. NCM 배터리는 에너지 밀도가 높다는
장점이 있으며 LFP 배터리는 저렴한 단가와 안정성에 장점이 있다. 삼원계(NCM) 배터리에 집중하는 한국 산업계는 NCM811과 같은 High-Nickel
양극재를 사용하여 에너지 밀도를 높이는데 목표를 두고 상용화를 목표로 하고 있으나, 일정한 기준을 통한 성능 및 안정성 비교에 관한 연구는 현재까지
활발하게 진행되고 있지는 않은 실정이다. 해당 분야에 대한 논문조사 결과 NCM523, NCM622 배터리 셀의 열폭주에 관한 연구가 주축을 이루었다.
최근 14500, 18650, 26650 배터리 셀 크기별 열폭주에 관한 연구가 있었으나 양극제가 LiFePo4였으며, NCM811 배터리 셀의 과방전율에
대한 열폭주 현상에 관한 연구는 셀 크기를 18650에 한정하였고 두 연구 모두 다른 배터리 셀과의 열폭주 비교 및 에너지 밀도에 대한 분석은 수행되지
않았다.
따라서 본 연구에서는 배터리 팩이 탑재되는 공간을 3D 모델링하여 동일 플랫폼에 21700/46800 배터리의 최적 배치를 구성해 보고, 배터리 셀의
크기에 따른 에너지 밀도 증가를 계산해 보고자 한다. 아울러 유체해석 프로그램을 활용하여 크기별 NCM811 배터리 셀의 열폭주 시뮬레이션을 수행하고,
안정성에 대한 데이터를 확보하여 향후 배터리 크기에 따른 리튬 이차전지 분야의 연구개발 방향성을 예측해 보고자 한다.
Fig. 1 Consumption of electric vehicle battery cathode active material
Fig. 2 NCM cathode material composition diagram
Fig. 3 Comparison of cylindrical battery cell size
2. 이론해석(1)
2.1 배터리 셀/팩의 에너지 용량 및 밀도
식(1)을 이용하여 배터리 셀의 에너지 용량(Ccell)을 계산하였다.
식(2)를 이용하여 배터리 셀의 에너지 밀도(Dcell)를 계산하였다.
식(3)을 이용하여 배터리 팩의 에너지 용량(Cpack)을 계산하였다.
식(4)를 이용하여 배터리 팩의 에너지 밀도(Dpack)를 계산하였다.
2.2 $Q$ : 열폭주 발생 시 총 발열량
본 해석에 사용된 리튬이온 배터리의 형상은 Fig. 4에 나타내었으며, 2차원 형상을 설계한 뒤 중심축을 기준으로 3차원 회전하여 배터리의 단위 체적당 열량을 해석하였다. 식(5)를 이용하여 열폭주 시 총 발열량을 계산하였으며 Kim et al.(1), Wang et al.(2), Jiang et al.(3), Wang et al.(4)이 제시한 Table 1의 물성치를 활용하였다.
Fig. 4 Schematic of model geometry
Table 1 Physical and kinetic parameters used for abuse simulations
|
Symbol
|
Description
|
Value
|
|
A$_{sei}$
|
SEI-decomposition frequency factor
|
1.667E15 [1/s]
|
|
A$_{ne }$
|
Negative-solvent frequency factor
|
2.5E13 [1/s]
|
|
A$_{pe,NCM622 }$
|
Positive-solvent frequency factor
|
4.5783E9 [1/s]
|
|
A$_{pe,NCM811 }$
|
Positive-solvent frequency factor
|
4.5783E9 [1/s]
|
|
A$_{e }$
|
Electrolyte decomposition frequency factor
|
5.14E25 [1/s]
|
|
E$_{a,sei }$
|
SEI-decomposition activation energy
|
1.3508E5 [J/mol]
|
|
E$_{a,ne}$
|
Negative-solvent activation energy
|
13508E5 [J/mol]
|
|
E$_{a,pe,NCM622 }$
|
Positive-solvent activation energy
|
98417 [J/mol]
|
|
E$_{a,pe,NCM811 }$
|
Positive-solvent activation energy
|
98417 [J/mol]
|
|
E$_{a,e }$
|
Electrolyte decomposition activation energy
|
2.74E5 [J/mol]
|
|
c$_{sei0 }$
|
Initial value of c$_{ sei}$
|
0.15
|
|
c$_{neg0 }$
|
Initial value of c$_{neg }$
|
0.75
|
|
α$_{0 }$
|
Initial value of α
|
0.04
|
|
c$_{e0 }$
|
Initial value of c$_{e }$
|
1
|
|
m$_{sei }$
|
Reaction order
|
1
|
|
m$_{ne,n }$
|
Reaction order for c$_{neg }$
|
1
|
|
m$_{ pe,p1}$
|
Reaction order for α
|
1
|
|
m$_{pe,p2 }$
|
Reaction order for (1-α)
|
1
|
|
m$_{e }$
|
Reaction order for c$_{ e}$
|
1
|
|
t$_{sei0 }$
|
Initial value of t$_{ sei}$
|
0.033
|
|
H$_{sei }$
|
SEI-decomposition heat release
|
257 [J/g]
|
|
H$_{ne }$
|
Negative-solvent heat release
|
1714 [J/g]
|
|
H$_{ pe,NCM622}$
|
Positive-solvent heat release
|
8.7938E5 [J/kg]
|
|
H$_{pe,NCM811 }$
|
Positive-solvent heat release
|
9,6852E5 [J/kg]
|
|
H$_{ele }$
|
Electrolyte decomposition heat release
|
155 [J/g]
|
|
W$_{c }$
|
Specific carbon content
|
6.104E5 [g/㎥]
|
|
W$_{p }$
|
Specific positive active content
|
1.221E6 [g/㎥]
|
|
W$_{ e}$
|
Specific electrolyte content
|
4.069E5 [g/㎥]
|
|
ρ$_{NCM622 }$
|
Specific volume of LIB
|
2331.3 [kg/m]
|
|
ρ$_{NCM811 }$
|
Specific volume of LIB
|
2438.4 [kg/m]
|
|
C$_{P,NCM622 }$
|
Total heat capacity of LIB
|
1071.9 [J/(kg·K)]
|
|
C$_{P,NCM811 }$
|
Total heat capacity of LIB
|
1071.9 [J/(kg·K)]
|
|
k$_{1,NCM622 }$
|
Thermal conductivity in z direction
|
1.21 [W/(m·K)]
|
|
k$_{ 1,NCM811}$
|
Thermal conductivity in z direction
|
1.15 [W/(m·K)]
|
|
k$_{2,NCM622 }$
|
Thermal conductivity in xy direction
|
20.98 [W/(m·K)]
|
|
k$_{2,NCM811 }$
|
Thermal conductivity in xy direction
|
23.34 [W/(m·K)]
|
2.3 $Q_{sei}$ : SEI층 분해반응 시 발열량
식(6)~식(8)을 이용하여 SEI층이 70℃ 내외에서 발열반응을 통해 분해될 당시 발생하는 발열량을 계산하였다.
2.4 $Q_{n e}$ : 음극과 전해액의 반응 시 발열량
식(9)~식(12)을 이용하여 120℃ 이상 온도에서 전해질과 음극에 삽입된 리튬이 발열반응을 일으킬 당시의 발열량을 계산하였다.
2.5 $Q_{pe}$ : 양극과 전해액의 반응 시 발열량
식(13)~식(15)를 이용하여 산화된 상태의 양극 활물질이 전해질과의 직접 반응 또는 분해 과정에서 발열 반응을 일으켜 산소를 방출하는 당시의 발열량을 계산하였다.
2.6 $Q_{e\le}$ : 전해액의 분해반응 시 발열량
식(16)~식(18)을 이용하여 약 200℃ 이상에서 전해액이 발열반응으로 분해되는 당시의 발열량을 계산하였다.
2.7 $N_{L}$ : 원통형 배터리 표면 대류열전달계수
본 연구에서는 계산의 정확도를 높이기 위해서 배터리 표면에서 온도 차이에 의한 자연대류현상이 발생할 것을 감안하여 Churchill et al.(5)가 제시한 식(19), 식(20)을 이용하였다.
2.8 가정
본 연구에서는 수치해석을 위하여 다음과 같은 가정을 전제하였다.
1) NCM 배터리의 전해액 및 첨가제는 동일하다.
2) 양극재 종류에 상관없이 양극 내 활물질, 바인더, 도전재의 부피비율은 동일하다.
3) 전해액 함량 및 음극 용량은 배터리 셀의 크기에만 영향을 받는다.
4) 배터리 셀 크기와 무관하게 원통형 배터리 심축의 지름은 동일하고, 크기에 비례하여 내부 젤리롤이 감기는 횟수도 증가한다.
5) 분리막 용융 흡열반응, 내부 단락, 분해된 전해액에서 발생하는 가스는 계산에 포함하지 않는다.
6) 열폭주 시뮬레이션 시 실험 조건은 배터리 테스트 국제 규격인 UL1642/Sec17, IEC62133:4.3.5, UL2054/Sec23, IEEE1625
5.6.6,1725 5.6.5를 기반으로 설정한다.
7) 배터리 내부 젤리롤의 열전도도 및 열저항 물성치는 Wang et al.(4)이 제시한 λx,y,x(W·m-1·K-1) 값을 이용한다.
8) NCM811 배터리의 Hpe, ρ값은 NCM111/523/622 데이터를 기반으로 다항식 보외법을 통해 계산하였다.
3. 계산 결과 및 분석
3.1 NCM811/41800 배터리 팩 에너지 밀도
해외에서는 배터리 팩의 에너지 밀도를 높이기 위해 21700 배터리에서 46800 배터리로 교체하는 연구를 다양한 산업군에서 활발하게 진행하고 있다.
본 연구에서는 이에 착안하여 Fig. 5와 같이 동일한 배터리 팩 플랫폼에 21700 배터리와 46800 배터리를 각각 배치하고 에너지 밀도를 비교해 보았다.
현재 46800 배터리의 셀의 세부 사양은 공식적으로 알려진 바 없으나, 전문 기관들의 보도자료(7,8)를 바탕으로 단위 용량 및 에너지 용량, 무게를 각각 25Ah, 92.5 Wh, 85 g으로 추정하였다. 그 결과 에너지 밀도는 1,250 Wh/kg으로
계산하였으며, 이는 21700 배터리 셀 대비 5배 높은 에너지 밀도를 갖출 것이라는 T社의 공식 발표와 일치함을 확인하였다.(9)
Fig. 5 Battery case base plate dimension
Fig. 6 Arrangement of 21700 battery(NCM811) cell on battery case base plate
21700 배터리 팩은 총 4,416개의 21700 배터리 셀이 4개의 모듈로 팩을 구성하여 Fig. 6과 같이 탑재된다. 배터리 팩의 총 에너지 용량은 75,072 Wh이며, 에너지 밀도는 156Wh/kg이다. 46800 배터리 팩은 T社의 공식 발표에
따라 46800 배터리 셀 960개를 24 × 40 배열로 Fig. 7과 같이 배치하였다.(9) 배터리 팩의 총 에너지 용량은 약 88,800 Wh, 에너지 밀도는 약315 Wh/kg으로 계산하였으며 이를 통해 21700 배터리 팩 대비 에너지
용량은 약 18.3%, 에너지 밀도는 약 2배가 높을 것으로 예측하였다.
Fig. 7 Arrangement of 46800 battery cell(NCM811) on the battery case base plate
Table 2 Physical properties(estimate) according to the size of the Li-Ion batteries
|
|
NCM811
|
NCM811
|
|
Cell size(mm)
|
∅21 × 70
|
∅46 × 80
|
|
Battery capacity(Ah)
|
5.0
|
25.0
|
|
Voltage(V)
|
3.7
|
3.7
|
|
Battery cell energy capacity(Wh)
|
17.0
|
92.5
|
|
Battery cell weight(kg)
|
0.068
|
0.085
|
|
Battery cell energy density(Wh/kg)
|
250
|
1,250
|
|
Cell quantity(EA)
|
4,416
|
960
|
|
Battery pack energy capacity(Wh)
|
75,072
|
88,800
|
|
Battery pack weight(kg)
|
480
|
315.0
|
|
Battery pack energy density(Wh/kg)
|
156
|
281.9
|
3.2 NCM811 배터리의 크기에 따른 열폭주 현상 분석
앞서 본 연구에서 Matlab(in-house code)을 통해 수립한 2차원 열폭주 모델의 신빙성을 확보하기 위하여 선행 연구결과와 비교 검증을
수행하였다. Kim et al.(1)은 155℃ 오븐테스트를 통해 수립한 LiCoO2/Graphite 18650 배터리 셀의 3차원 열폭주 모델 검증을 위해 Hatchard et al.(10,11)가 제시한 1차원 열폭주 모델과 비교하여 신빙성을 입증하였다. 이점에 착안을 하여 본 연구에서 개발하는 2D 열폭주 모델 역시 동일한 전제 조건에서
결과를 비교 검증하였다. Fig. 8의 배터리 셀 내부 온도에서 볼 수 있듯이 2차원 열폭주 모델에서는 55분경 약 230℃에 도달하였고 3차원 열폭주 모델에서는 57분경 약 219℃에
도달하여 11℃의 온도 차이가 발생하였으며, 이는 5% 이하의 오차율로 열폭주 모델이 매우 정확함을 검증하였다. 또한 본 수립 모델은 양극활물질 비율
및 크기에 상관없이 동일한 방정식을 적용하여 수치해석을 수행하므로 NCM811 배터리 셀의 열폭주 해석에도 해당 모델을 활용하였다. 동일한 방법으로
배터리 구성요소의 발생 열량 값을 비교하여 Fig. 9에 표시하였다.
열폭주 현상 해석 시 Kim et al.(1)과 Hatchard et al.(10,11)가 제시한 이론적 모델과 Wang et al.(2), Jiang et al.(3), Wang et al.(4)이 실험을 통해 추출한 실측 물성치 및 열전달 계수들을 이용하였다. NCM811 배터리 셀은 비교적 최근에 연구가 시작되어 Hpe, ρ의 실험값을
확보하는데 상당한 어려움이 있어, NCM111/523/622 배터리의 물성 데이터를 기반으로 다항식 보외법을 통해 계산한 값을 이용하였다. 배터리
셀의 주변 온도는 ESS에서 off-gas가 발생하기 시작하는 온도인 150℃에서 -10℃ 간격으로 설정하였고, NCM81 21700/48600 배터리
셀의 내부 온도변화, 열폭주까지 도달하는 시간, 내부 발열량을 2D 모델로 분석하여 Fig. 10~Fig. 15에 표시하였다.
Fig. 8 Cell inner temperature of LCO battery cell at 155℃ oventest
Fig. 9 Heat generation of component reaction of LCO battery cell at 155℃ oventest
Fig. 10 Inner temperature of NCM811 21700 battery cell
Fig. 11 Heat generate rate of NCM811 21700 battery cell
Fig. 12 Thermal runway time of NCM811 21700 battery cell
Fig. 13 Inner temperature of NCM811 46800 battery cell
Fig. 14 Heat generate rate of NCM811 46800 battery cell
Fig. 15 Thermal runway time of NCM811 46800 battery cell
Fig. 10~Fig. 12는 NCM811 배터리 셀의 크기를 21700으로, Fig. 13~Fig. 15는 NCM811 배터리 셀의 크기를 46800으로 고정하고 외부온도 조건을 100℃~150℃까지 변화시키며 셀의 내부 온도, 발열량, 열폭주 시간을
표시하였다. 2D 모델 해석 결과 Fig. 10, Fig. 13에서 볼 수 있듯이 21700/46800 배터리 셀 모두 외부온도가 110℃에서 150℃로 높아짐에 따라 열폭주 온도에 도달하는 시간이 짧아지는 경향성을
확인하였고, 21700 셀에 비해 41700 셀의 내부 온도가 증가하는데 더 많은 시간이 소요됨을 확인할 수 있었는데 이는 셀의 체적이 커짐에 따라
승온에 필요한 열량도 함께 증가하기 때문으로 사료된다. Fig. 11, Fig. 14에서 볼 수 있듯이 21700 배터리 셀이 46800 배터리 셀에 비해 동일 열량을 방출하는데 소요되는 시간이 짧으며, Fig. 12, Fig. 15에서 볼 수 있듯이 열폭주가 시작되는 시점이 빠른점 역시 동일한 이유인 것으로 사료된다.
Table 3 Thermal runaway start time and heat generate of cathode material according to battery cell size
|
Battery cell size
|
Battery surrounding temperature (℃)
|
Start time
at thermal runaway (Sec)
|
Inner temperature
at thermal runaway (℃)
|
Heat generate rate
of Cathode material
at thermal runaway (W)
|
|
21700
|
110
|
4,119.830
|
164.009
|
65.724
|
|
120
|
2,610.280
|
165.949
|
61.994
|
|
130
|
1,915.966
|
167.380
|
59.512
|
|
140
|
1,509.320
|
168.462
|
57.469
|
|
150
|
1,239.582
|
169.342
|
55.768
|
|
46800
|
110
|
5,350.106
|
162.634
|
342.151
|
|
120
|
3,884.422
|
164.820
|
330.882
|
|
130
|
3,039.873
|
166.322
|
320.509
|
|
140
|
2,485.758
|
167.269
|
312.671
|
|
150
|
2,092.287
|
167.867
|
307.480
|
Table 3에서는 체적이 커짐에 따라 열폭주에 도달하는 시간이 증가함을 확인하였고, 이는 외부온도가 낮을수록 뚜렷하게 차이가 났다. 열폭주 시 배터리 셀 내부
온도는 약 164~169℃로 체적에 따른 큰 차이는 없었다. 열폭주 시 배터리 셀 양극재의 발열량은 46800 배터리 셀이 21700 대비 약 5배
이상 높은 것으로 확인하였다. 외부온도가 증가함에 따라 배터리 셀 발열량이 소폭 줄어드는 현상을 보였는데, 이는 외부온도가 높을수록 양극재가 최대
발열량에 도달하기 전에 열폭주 현상이 발생함으로써 내부 구성물질의 순차적인 발열이 일어나지 않았기 때문으로 사료된다.
4. 결 론
본 연구에서는 NCM811 리튬이온 배터리를 21700/46800 두 가지 크기에 따라 에너지 밀도 및 열폭주 현상을 수치해석적으로 분석해 보았다.
46800 배터리 셀은 21700 배터리 셀에 비해 5배 높은 에너지 밀도를 가졌으며, 이를 동일한 배터리 플랫폼에 배치하였을 때 총 에너지 용량은
약 88,800 Wh, 에너지 밀도는 평균 315 Wh/kg으로 21700 배터리 팩 대비 에너지 용량은 약 18.3%, 에너지 밀도는 약 2배가
높아질 것으로 예측된다. 향후 46800 배터리 셀의 무게가 감소하고 모듈 없이 팩을 구성하는 cell to pack 기술의 효율이 향상될 경우 에너지
밀도는 보다 높아질 것으로 사료 된다.
21700/46800 배터리 셀의 열폭주 현상을 2D 모델로 분석한 결과, 외부온도 150℃ 기준 21700 배터리 셀 대비 46800 배터리 셀이
약 853초 늦게 열폭주 현상을 나타내었다. 이를 통해 만약 리튬 이차전지를 활용한 제품에서 화재가 발생할 경우, 배터리 셀 간 최고 온도는 크게
차이 나지 않으나 화재 구역으로부터의 탈출 시간을 확보하는 안정성 측면에서는 46800 배터리 셀이 상대적으로 높음을 알 수 있었다.
배터리 셀의 내부 발열량은 21700 배터리 대비 46800 배터리가 높았다. 이는 21700 배터리 셀의 부피당 표면적의 비가 46800 배터리
셀보다 높아 상대적으로 내부 온도가 외부 온도 대비 급속하게 증가하기 때문이다. 이로 인해 냉각 효과는 상당 부분 감소하고, SEI층의 분해반응 및
음극반응으로 인해 내부 발열량이 높아지며 온도 역시 증가한 것으로 사료 된다.
본 연구를 통해 NCM811 46800 배터리 셀의 에너지 밀도 및 열폭주 초기 모델을 수립하였고, 해당 모델을 활용한 수치해석 결과를 통해 NCM811
리튬이온 배터리의 열폭주 데이터를 확보할 수 있었다. 보다 정확한 수치해석 모델의 수립을 위해서는 NCM811 배터리의 구체적인 화학적 물성치들이
필요한데, 현재까지는 공식적으로 알려진 사례가 적어 변수들의 선정에 대해서 가능한 정확한 결과를 도출해 내고자 다양한 방법으로 추산해 보았다. 향후
NCM811 배터리의 정확한 화학적 물성치가 모두 공개되면, 현재의 2D 모델을 수정 보완하여 보다 다양한 조건에서의 열폭주 현상 해석과 LFP 배터리의
열전파 현상도 연구해 보고자 한다.
후 기
이 논문은 2022학년도 제주대학교 교원성과 지원사업에 의하여 연구되었음
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