리튬 이온 배터리의 열폭주 제어 방법

1. 전해질의 난연제

전해질 난연제는 배터리의 열폭주 위험을 줄이는 매우 효과적인 방법이지만, 이러한 난연제는 리튬이온 배터리의 전기화학적 성능에 심각한 영향을 미치는 경우가 많아 실제 사용이 어렵다. 이 문제를 해결하기 위해 캘리포니아 대학교 샌디에고 YuQiao 팀[1]은 캡슐 포장 방법을 사용하여 마이크로 캡슐 내부에 저장된 난연성 DbA(디벤질 아민)를 전해질에 분산시켜 평상시에는 리튬 이온 배터리의 성능에 영향을 미치지 않지만 압출 등의 외력에 의해 셀이 파괴되는 경우 캡슐에 들어있는 난연제가 방출되어 배터리를 중독시키고 고장을 유발하여 경고를 보냅니다. 열 폭주에. 2018년 YuQiao 팀[2]은 위의 기술을 다시 활용하여 에틸렌 글리콜과 에틸렌디아민을 난연제로 사용하고 이를 캡슐화하여 리튬 이온 배터리에 삽입하여 리튬 이온 배터리의 최대 온도를 70% 저하시켰습니다. 핀 핀 테스트를 통해 리튬 이온 배터리의 열 제어 위험을 크게 줄입니다.

위에서 언급한 방법은 자멸적 방법으로, 난연제를 사용하면 리튬이온 배터리 전체가 파괴된다는 의미입니다. 그러나 일본 도쿄 대학의 AtsuoYamada 팀은 리튬 이온 배터리의 성능에 영향을 미치지 않는 난연성 전해질을 개발했습니다. 이 전해액에는 고농도의 NaN(SO2F)2(NaFSA) 또는 LiN(SO2F)2(LiFSA)을 리튬염으로 사용하고, 일반적인 난연제 트리메틸포스페이트(TMP)를 전해액에 첨가하여 열안정성을 대폭 향상시켰다. 리튬 이온 배터리의. 또한, 난연제 첨가는 리튬이온 배터리의 사이클 성능에 영향을 미치지 않았습니다. 전해질은 1000사이클(1200C/5사이클, 95% 용량 유지) 이상 사용할 수 있습니다.

첨가제를 통한 리튬 이온 배터리의 난연성 특성은 리튬 이온 배터리에 통제할 수 없는 열이 발생하도록 경고하는 방법 중 하나입니다. 일부 사람들은 바닥을 제거하고 통제할 수 없는 열 발생을 완전히 제거하려는 목적을 달성하기 위해 뿌리에서 외부 힘으로 인해 리튬 이온 배터리의 단락 발생을 경고하는 새로운 방법을 찾습니다. 사용 중인 전력 리튬 이온 배터리의 폭력적인 충격 가능성을 고려하여 미국 Oak Ridge 국립 연구소의 GabrielM.Veith는 전단 농축 특성을 갖는 전해질을 설계했습니다[4]. 이 전해질은 비뉴턴 유체의 특성을 활용합니다. 정상 상태에서 전해질은 액체입니다. 그러나 갑작스러운 충격에 직면하면 고체 상태를 나타내고 극도로 강해지며 방탄 효과까지 얻을 수 있습니다. 전원 리튬이온 배터리 충돌 시 배터리 단락으로 인한 열폭주 위험을 근원적으로 경고합니다.

2. 배터리 구조

다음으로 배터리 셀 수준의 열폭주에 브레이크를 걸 수 있는 방법을 살펴보자. 현재 리튬이온전지의 구조설계에는 열폭주 문제가 고려되고 있다. 예를 들어, 일반적으로 18650 배터리의 상단 덮개에는 압력 릴리프 밸브가 있어 열 폭주 시 배터리 내부의 과도한 압력을 적시에 해제할 수 있습니다. 둘째, 배터리 커버에는 정온도 계수 소재 PTC가 있습니다. 열 폭주 온도가 상승하면 PTC 소재의 저항이 크게 증가하여 전류를 줄이고 발열을 줄입니다. 또한, 단일 배터리 구조 설계 시 양극과 음극 사이의 단락 방지 설계도 고려해야 하며 오작동, 금속 잔류물 및 기타 요인으로 인해 배터리 단락이 발생하여 안전 사고가 발생할 수 있습니다.

배터리의 두 번째 디자인에서는 고온에서 3층 복합재의 자동 폐쇄 공극과 같은 보다 안전한 다이어프램을 사용해야 하지만 최근에는 배터리 에너지 밀도가 향상됨에 따라 얇은 다이어프램을 사용하는 경향이 있습니다. 3층 복합 다이어프램은 점차 쓸모가 없어지고 다이어프램의 세라믹 코팅, 다이어프램 지지 목적의 세라믹 코팅으로 대체되고 고온에서 다이어프램의 수축을 줄이며 리튬 이온 배터리의 열 안정성을 향상시키고 위험을 줄입니다. 리튬이온 배터리의 열폭주.

3. 배터리 팩 열 안전 설계

사용 시 리튬 이온 배터리는 직렬 및 병렬 연결을 통해 수십, 수백 또는 수천 개의 배터리로 구성되는 경우가 많습니다. 예를 들어, Tesla ModelS의 배터리 팩은 7,000개 이상의 18650 배터리로 구성됩니다. 배터리 중 하나가 열 제어 능력을 상실하면 배터리 팩에 퍼져 심각한 결과를 초래할 수 있습니다. 예를 들어, 2013년 1월 미국 보스턴에서 일본 기업의 보잉 787 리튬이온 배터리에 화재가 발생했습니다. 미국 교통안전위원회 조사에 따르면 배터리 팩에 들어 있던 75Ah 각형 리튬이온 배터리가 인접한 배터리의 열폭주를 일으켰다. 사고 이후 보잉은 통제되지 않은 열 확산을 방지하기 위해 모든 배터리 팩에 새로운 조치를 취할 것을 요구했습니다.

올셀테크놀로지는 리튬이온 배터리 내부로 열폭주가 확산되는 것을 방지하기 위해 상변화 물질을 기반으로 한 리튬이온 배터리용 열폭주 절연재 PCC를 개발했다[5]. 모노머 리튬 이온 배터리 사이에 충전된 PCC 소재는 리튬 이온 배터리 팩이 정상적으로 작동하는 경우 리튬 이온의 열 폭주 시 열에 있는 배터리 팩이 PCC 소재를 통해 배터리 팩 외부로 빠르게 전달될 수 있습니다. 배터리의 PCC 소재는 내부 파라핀 왁스를 녹여 많은 열을 흡수하여 배터리 온도가 더욱 상승하는 것을 방지하므로 배터리 팩 내부에서 제어할 수 없는 열이 확산되는 것을 방지합니다. 핀프릭 테스트에서 PCC 소재를 사용하지 않은 18650 배터리 팩 4줄과 10줄로 구성된 배터리 팩에서 배터리 1개의 열폭주로 인해 결국 배터리 팩 내 20개의 배터리에 열폭주가 발생한 반면, 1개의 배터리 열폭주가 발생했습니다. PCC 소재로 제작된 배터리팩의 배터리는 다른 배터리팩의 열폭주를 유발하지 않습니다.