배터리 열폭주(Thermal runaway)에 대한 간단한 이해

ESS(Energy Saving System)이든, EV(Electric Vehicle)이든 배터리를 사용하는 분야라면, 필드의 엔지니어라면

 

'열폭주(Thermal runaway)'에 대해 신경을 쓸 수밖에 없습니다.

 

리튬배터리의 화재는 일반 화재와는 달리 진압조차 할 수 없으며, 인명피해로 이어질 가능성이 높기 때문입니다.

 

이런 열폭주는 도대체 어떤 메커니즘으로 일어나는 것일까요??

 

 

 

일단 배터리 셀의 관점에서 보면

 

배터리의 열관리가 안되서 일정 온도 이상 유지가 될 시 셀의 전해질이 기체화 되어 셀 내부 압력이 증가하게 됩니다.

 

이때 발생하는 가연성 전해줄밀질이 기화되고 분출될 뿐만아니라, 내부압력의 증가로 인해 분리막에도 소손이 갈 확률이 올라가게 됩니다.

 

여기서 내부쇼트 혹은 가연성 기체물질에 의해 착화되고, 이는 인접배터리셀들의 가열로 이어지며 화재가 확산되어 결국은 배터리팩 전체가 화재가 일어나게 됩니다.

 

이렇게 화재가 일어나면, 리튬이온은 물과 반응을 잘하는지라 물을 뿌리게 되면 불이 더욱 커지므로

 

리튬 전극들 자체가 다 소진될때까지 기다릴 수 밖에 없습니다.

 

 

 

열폭주의 외부원인으로는 3가지로 들 수 있습니다.

 

1. BSA 시스템 불량

2. 설치작업자 부주의

3. BMS결함 혹은 보호장치 누락

 

① BSA 시스템 불량

BSA 시스템 불량으로 인한 결로나 누수현상이 발생하여 배터리 셀을 냉각시켜야 하는 냉각수가 제대로 돌지 않는다던가, 냉각수에의해 셀들이 쇼트되는 경우입니다.

 

② 설치작업자 부주의

배터리 공정과정에서도 간혹 발생하는데, 배터리 자체가 물리적 충격에 의해 내부분리막이 소손되어, 필드에 나가 충/방전 사이클을 반복하는 경우, 내부쇼트로 열이 발생하게 되는 케이스입니다.

 

③ BMS결함 혹은 보호장치 누락

배터리의 팩단위 EV혹은 ESS에서 발생할 수 있을법한 문제인데 배터리를 제어하는 BMS가 제대로 동작하지못해 과충전/과방전을 막지 못하여, 제어 실패로 셀이 가열되어 화재가 생기는 경우입니다.

보통, 이런 경우는 faile safe mode를 통해 조기 진단(diagnosis)을 하고, 고전압배터리의 메인플러그를 끊어버립니다.

 

 

 

보호장치 누락은 비슷한 맥락인데, 시동을 걸고 메인 릴레이가 붙고(ON) 바로 전류를 흘려주게 되면, surge current라고 해서 순간적으로 큰 전류가 흘렀다가 (마치 화학의 활성화에너지처럼) 점차 전류가 안정화됩니다.

 

이 때의 surge current를 막아주기위한 적절한 저항이나 보호회로가 없다면 배터리셀이 순간적으로 과전류유입이되어 내부쇼트가 나버리는 경우도 있습니다.

 

 

 

 

이외에도 여러가지 원인들이 있을 수 있는데, 그건 특수한 경우에 의한 것들이고 메인 요인들만 딱 정리해보면

 

1. 내부분리막쇼트

2. 온도제어 실패

3. 과충/방전

 

정도라고 볼 수 있을 것 같습니다.

 

배터리 셀 단품으로만 보면 이런 문제들이 많이 생길 수 있기에, 배터리를 '시스템'단위로 보는 시스템엔지니어가 엄청나게 귀하며, 이를 제어하기위한 BMS엔지니어도 미국기준으로 몸값이 엄청나게 높은 편입니다.

 

(SW엔지니어임과 동시에 배터리의 화학/물적 특성을 모두 이해하고 있어야하는 하이브리드형 엔지니어기때문)

 

 

※ 조금 더 엔지니어링적으로 자세하게 알고싶으신분은 하기 링크 참조부탁드립니다.

열폭주 관련하여 논문 정리한 글입니다.

 

https://limitsinx.tistory.com/238

[Power Sources-2014] Thermal runaway features of large format prismatic lithium ion battery using extended volume accelerating r