리튬 배터리 열폭주에서 가스 감지
리튬 이온 전지는 최고의 에너지 밀도, 낮은 자체 방전율, 긴 수명, 경량 및 환경 친화적인 특성을 가지며 전기 자동차에서 에너지 저장 스테이션에 이르기까지 많은 소비재 및 에너지 저장 장치에 널리 사용됩니다. 하지만 배터리의 자연발화와 폭발은 여전히 업계에서는 피할 수 없는 화두다. 열폭주(Thermal runaway)는 리튬이온 배터리의 안전성 향상을 위한 연구의 주요 대상이다.
열폭주란 다양한 원인에 의해 발생하는 연쇄반응 현상을 말하며, 방출되는 다량의 열과 유해가스로 인해 배터리에 불이 붙어 폭발하게 됩니다. 열폭주(Thermal ranaway)는 일반적으로 기계적 남용, 전기적 남용, 열적 남용의 세 가지 종류의 남용으로 인해 발생합니다.
기계적 남용- 전지에 충돌, 압출, 침술 등의 외력이 가해지면 리튬전지의 내부 격막(SEI 필름-고체전해질계면)이 파열되어 양극과 음극이 연결되어 있는 부분이 노출되어 방전이 발생하게 됩니다. 내부 단락.
전기 남용- 배터리는 내부 및 외부 단락, 과충전, 방전이 발생할 수 있습니다. 리튬 배터리에 내부 단락이 발생하면 많은 양의 열이 방출되고 더 높은 온도 조건에서 화학 반응이 시작되며 이러한 반응은 열을 추가로 방출하며 이는 배터리를 지속적으로 가열하는 것과 같습니다.
열 남용- 배터리의 외부 발열을 말하며, 배터리 내부의 열이 어느 정도 축적되면 열폭주가 발생합니다.
실제로 이 세 가지 사건은 연결되어 연쇄적으로 발생합니다.
열폭주에 대해 더 잘 알아보기 위해 리튬 배터리 내부 구조를 살펴보겠습니다.
리튬 배터리는 양극, 음극, 전해질로 구성됩니다. 리튬 배터리 내부에는 양극과 음극이 분리되어 있으며 두 전극의 직접적인 반응은 없으며 주로 전극 자체와 각 전해질 사이의 화학 반응이 있습니다.
양극과 전해질의 반응 - 전이금속산화물을 기반으로 양극재를 개발하였습니다. 양극의 열분해는 열 폭주에 필수적인 요소인 다량의 산소를 방출합니다. 산소의 존재로 인해 이산화탄소 CO2가 대량으로 생성되며 동시에 C2H5F 연기가 발생합니다.
음극과 전해질의 반응 - 음극 표면에는 SEI 필름(고체전해질계면)이 형성되어 있는데, 이는 전지의 최초 충방전 시 생성되며, 음극과 전해질 사이의 직접적인 반응을 방지하는 데 중요한 역할을 합니다. SEI가 분해되면 음극은 전해질에 직접 노출되어 전해질과 반응합니다.
전해질에서의 반응- 전극과 전해질 사이의 반응 외에도 전해질 자체도 분해됩니다.
리튬 배터리 내부의 다양한 화학 반응으로 인해 다양한 고체 생성물과 가스가 생성되고 많은 열이 방출됩니다. 열 폭주가 발생하면 반응물의 완전 연소만이 종료될 수 있습니다. 배터리는 밀폐된 케이스에 고에너지 물질을 담고 있어 진화가 진행 중인 열폭주를 당분간 막을 수는 없다.
리튬이온 배터리의 열폭주 초기에는 배터리 온도, 방전 전압, 방전 전류 등 특성 식별 매개변수의 변화가 느리기 때문에 최신 BMS(배터리 관리 시스템)를 통해 배터리 고장을 조기에 발견할 수 없습니다. 그리고 이때 배터리 내부의 전기화학 반응으로 인해 다량의 기체 물질이 생성됩니다.
따라서 가스 감지 센서를 사용하여 리튬 이온 배터리의 열 폭주에 대한 조기 경고를 구현하는 것이 이론적으로 가능합니다. 리튬 배터리의 내부 화학 반응을 통해 가열 과정에서 O2, CO2, C2H4, C4H10, POF3, C2H5F, PF5, H2 등 다양한 가스가 방출되는 것으로 나타났습니다.
그러나 리튬 배터리는 정상 작동 중에 온도가 상승할 때 생성되는 가스와는 다른 CO, C2H4 및 C4H10과 같은 일부 가스를 생성합니다. 가스 함량, 가스 변화율 및 가스 유형과 같은 중요한 차이에 따라 포괄적인 모니터링을 통해 리튬 배터리 열 폭주에 대한 보다 정확한 조기 경고를 달성할 수 있습니다. 실제 적용에서는 대상 센서를 선택하고 판단을 위해 해당 임계값을 설정해야 합니다.
현재 일부 회사에서는 화재 예방과 결합된 가스 감지 방향으로 관련 제품을 만들었습니다. 열 폭주 감지용 Winsen 센서는 리튬 배터리, 전기 자동차, 에너지 저장 배터리 팩 및 스테이션에 널리 사용되며 이산화탄소 CO2, 일산화탄소 CO, 수소 H2, 연기, 온도 등의 변화를 적시에 감지하고 모니터링합니다.
