소개글
"이차함수와 배터리"에 대한 내용입니다.
목차
1. 배경 및 연구목적
1.1. 리튬이온 배터리의 중요성 및 현황
1.2. 배터리 화재 문제와 안전성의 필요성
1.3. 연구의 목적 및 목표
2. 리튬이온 배터리 열폭주 현상 분석
2.1. 열폭주 메커니즘 이론 분석
2.2. 열폭주 시뮬레이션 및 모델링
2.3. 실험을 통한 열폭주 분석
3. 열폭주 예방 및 소화 기술 개발
3.1. 과충전 및 과방전 방지 기술
3.2. 열 발생 억제 및 방출 기술
3.3. 리튬이온 배터리 화재 소화 기술
4. 실험 및 성능 평가
4.1. 실험 Setup 및 절차
4.2. 열폭주 예방 및 소화 기술의 성능 평가
4.3. 실험 결과 분석 및 고찰
5. 결론 및 향후 연구방향
5.1. 연구 결과 요약
5.2. 기대효과 및 활용방안
5.3. 향후 연구과제
6. 참고 문헌
본문내용
1. 배경 및 연구목적
1.1. 리튬이온 배터리의 중요성 및 현황
4차산업혁명 시대의 도래와 신재생 에너지의 보급 확대 정책에 따라 국내외에서 에너지 저장 장치(ESS)의 사용이 대폭 증가하고 있다. 지구 온난화 등에 대한 대책으로 태양광, 풍력 등의 신재생 에너지로의 전환이 국가적 사업으로 추진되면서, 에너지를 미리 저장했다가 필요한 시간대에 사용하는 ESS의 보급이 가파르게 증가하고 있다. IFC 보고서에 따르면 ESS 시장은 매년 40% 이상 고도성장할 것으로 전망된다. 현재 ESS의 전력 저장원으로는 리튬이온배터리가 가장 널리 활용되고 있다. 에너지 전문 시장조사업체인 Bloomberg NEF는 ESS 누적 설치 용량이 2020년 말 기준 17GW에서 2030년 358GW로 늘어날 것으로 전망하고 있다. 이처럼 ESS는 그린 뉴딜과 디지털 뉴딜을 연계하는 핵심 산업이자, 향후 탄소중립과 RE100 달성을 위해서도 지속적으로 개발해야 할 기술이다.
1.2. 배터리 화재 문제와 안전성의 필요성
리튬이온 배터리는 높은 에너지 밀도와 출력 특성으로 널리 사용되고 있으나, 화재 발생 위험이 있다. 특히 전력 저장장치(ESS)에 사용되는 리튬이온 배터리는 내부 단락, 충전/방전 과정의 열 발생, 과충전 등으로 인해 화재가 발생할 수 있다. ESS 화재는 높은 에너지 밀도로 인해 폭발로 이어질 수 있어 인명 및 재산 피해가 크다.
ESS 보급이 확대되고 있는 현재, 배터리 화재에 대한 안전성 확보가 매우 중요하다. 배터리 화재로 인한 사고 예방과 화재 발생 시 신속한 대응을 위해 배터리 화재 메커니즘에 대한 이해와 화재 예방 및 진압 기술 개발이 필요하다. 이를 통해 ESS의 안전성을 높이고 국민의 생명과 재산을 보호할 수 있다.
1.3. 연구의 목적 및 목표
리튬이온배터리의 열 폭주 현상을 다양한 조건 아래에서 실험을 통해 비교 분석하고, 리튬이온배터리의 화재방지 수단과 화재 시 소화기 효과를 검증하는 것이 본 연구의 목적이다. 이를 통해 열 폭주 현상을 비교하여 상대적으로 더 안전한 배터리를 확인하고, ESS 화재 안전성 향상과 더불어 국민 신뢰성 향상에 기여하고자 한다. 또한 점증하는 ESS 배터리 화재를 초기에 진압할 수 있는 화재진압설비를 공급함으로써 국가 공공시설과 국민의 재산 및 생명을 보호하는 것이 본 연구의 목표이다.
2. 리튬이온 배터리 열폭주 현상 분석
2.1. 열폭주 메커니즘 이론 분석
리튬이온배터리의 열 발생은 지수함수적으로 증가하는 반면 열의 방출은 선형적으로 증가한다. 아레니우스 법칙을 따라 지수함수로 나타나는 발열 반응에 의한 열의 발생은 직선 1, 2, 3으로 표현되는 열의 방출과 비교하여 검토할 수 있다. 냉각온도에 따라 분류하면 냉각온도가 충분히 낮은 1은 충분한 냉각이 가능하지만 3은 충분한 냉각이 불가능하며, 2는 발열 반응에 의한 열의 발생(곡선 4)과 열 손실(직선 1, 2, 3)이 만나는 임계점을 가진다. 이러한 열폭주 메커니즘은 배터리 내부 반응에 의해 발생하는 열이 외부로 충분히 방출되지 못하면 결국 연쇄 반응으로 이어져 폭발을 유발하게 된다. 즉, 배터리 내부에서 발생한 열이 외부로 신속하게 방출되지 못하면 배터리는 열폭주 상태에 이르게 되는 것이다.
2.2. 열폭주 시뮬레이션 및 모델링
유한부피법 및 유한요소법을 사용한 시뮬레이션을 통해 리튬이온배터리의 열 폭주 현상을 모사할 수 있다. 최근 연구에서는 유한부피법이나 유한요소법이 충방전 중의 온도분포를 모사하기 위해 사용되고 있다. 유한부피법은 대수방정식 형태에 편미분식을 평가하는 것으로 리튬이온전지의 열적 거동을 평가하는데 활용된다. 이를 통해 원통형 전지 내부의 온도 분포를 추정하고, 오븐노출 평가 환경을 모사할 수 있어 국지적 핫스팟의 확산 과정을 이해할 수 있다. 시뮬레이션 결과, 155℃ 오븐 노출 평가 시 64분 후 열 폭주를 일으키게 되는 것을 확인할 수 있었다.
한편 유한요소법은 편미분이나 적분방정식의 해답을 근사값을 찾아가는 수치적인 접근방법으로, 155℃의 오븐노출 평가 시 60분 만에 열 폭주에 이르는 결과를 보여주었다. 이러한 전산모사 모델은 방전 중의 열적 거동을 설명할 수 있으며, 줄열과 엔트로피 변화에 따른 열발생을 고려한 에너지 보존 문제를 풀어낼 수 있다. 빠른 속도의 방전 시에는 줄열이 주요 원인이며, 느린 속도의 방전 시에는 엔트로피 변화가 주된 열 발생 요인이라고 확인된다....
참고 자료
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전기차 배터리 화재 실험 KBS 뉴스
https://www.skenews.kr/news/articleView.html?idxno=36530
https://www.etoday.co.kr/news/view/1848115
https://lyrchoi.tistory.com/entry/2차전지-배터리-세계시장-수요전망
https://m.khan.co.kr/economy/auto/article/202304032141005
김경수. 리튬이온 배터리의 열폭주에 의한 화재 및 폭발(전문가 보고서). 동경공업대학교, 2012, 2p
