[논문]고온 및 단락전류에 따른 리튬배터리의 폭발 및 화재 위험성에 관한 연구

심상보; 이춘하; 김시국

doi:10.7731/kifse.2016.30.2.114

고온 및 단락전류에 따른 리튬배터리의 폭발 및 화재 위험성에 관한 연구
Study on the Explosion and Fire Risks of Lithium Batteries Due to High Temperature and Short Circuit Current 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.30 no.2, 2016년, pp.114 - 122

심상보 (한국소방안전협회) , 이춘하 (호서대학교 소방방재학과) , 김시국 (호서대학교 소방방재학과)

초록
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본 논문은 리튬배터리의 고온 및 단락전류에 따른 폭발 및 화재 위험성을 분석하기 위한 연구이다. 이에 대표적인 리튬배터리 종류인 리튬폴리머배터리 및 리튬이온배터리를 실험시료로 선정하였다. 고온에 따른 폭발위험성 측정결과 리튬폴리머배터리의 경우 평균 $170^{\circ}C$, 리튬이온배터리의 경우 평균 $187^{\circ}C$에서 폭발이 일어났다. 단락전류에 따른 온도상승측정결과 보호회로가 정상작동 할 경우 과전류를 제한하여 온도상승이 거의 없었지만, 보호회로가 고장 났을 경우 리튬폴리머배터리의 경우 평균 $115.7^{\circ}C$ 및 리튬이온배터리 경우 평균 $80.5^{\circ}C$까지 상승하여 화재 및 화상 위험성이 높게 나타나는 것으로 측정되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study is to analyze the explosion and fire risks due to high temperature and short circuit current of Lithium batteries. This study selected the typical types of Li-polymer batteries and Li-ion batteries as the test samples. The result of explosion risk assessment due to the high temperature showed that, while a Li-polymer battery had $170^{\circ}C$ explosion on average, a Li-ion battery had $187^{\circ}C$ explosion. The measurement result of temperature increase due to short circuit current revealed that, in case that protection circuit module (PCM) was normally working, there was little of temperature increase due to over-current limitation. However, in case that PCM was out of order, the temperature of a Li-polymer battery increased up to an average of $115.7^{\circ}C$ and the temperature of a Li-ion battery increased up to an average of $80.5^{\circ}C$, which showed the higher risks of fire and burn.

주제어

표/그림 (12)

그림 Figure 1. Photograph of experiment samples (lithium battery).
표 Table 1. Specification of Experiment Samples (Lithium Batteries)
그림 Figure 2. Experiment of explosion hazard measurement due to high temperature.
그림 Figure 3. Experiment of temperature rise measurement due to short circuit current.
그림 Figure 4. Experiment results of explosion hazard measurement due to high temperature (Li-polymer).
그림 Figure 5. Photograph of experiment results of Li-polymer.
그림 Figure 6. Experiment results of explosion hazard measurement due to high temperature (Li-ion).
그림 Figure 7. Photograph of experiment results of Li-ion.
그림 Figure 8. Experiment results of temperature rise measurement due to short circuit current (Li-polymer).
그림 Figure 9. Experiment results of temperature rise measurement due to short circuit current (Li-ion).
그림 Figure 10. Experiment results of temperature rise measurement due to short circuit current (with PCM).
표 Table 2. Reduction Rate of Maximum Short Circuit Current

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문은 고온 및 단락전류에 따른 리튬배터리의 폭발 및 화재 위험성을 분석하고자 대표적인 리튬배터리의 종류인 리튬폴리머배터리 및 리튬이온배터리를 각각 용량별로 실험시료로 선정하였고, 고온에 따른 폭발위험성 측정 및 단락전류 인가 시 보호회로의 정상작동 여부에 따른 온도상승측정 실험을 실시하여 리튬배터리의 화재위험성을 분석하고자 한다.
본 논문은 리튬배터리의 고온 및 단락전류에 따른 폭발 및 화재 위험성을 측정해 본 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
본 실험은 사용상 부주의 및 기기고장 등에 의해 기기 내부단락이 발생된 상태를 가정하였고, 완충전된 리튬배터리의 내부용량에서 발생되는 단락전류에 따른 위험성을 분석하기 위해 다음과 같이 실험을 진행하였다. Figure 3은 단락전류에 따른 온도상승측정 실험의 구성도를 나타낸 것으로 실험시료인 리튬배터리를 이용하여 단락회로를 구성하고 600 s 동안 단락전류를 인가하였다.
본 실험은 사용상 부주의로 인해 고온의 복사열을 방출하는 전열기 및 전기기기, 전기장판 및 온돌바닥의 이불속, 고온의 밀폐환경 등에 리튬배터리가 장시간 노출될 경우 위험성을 분석하기 위해 다음과 같이 실험을 진행하였다. UL 1642 (standard for lithium batteries)⁽¹⁴⁾ 및 KS C 8541의 리튬배터리 가열시험기준에 의하면 초기온도 20 ± 5 °C 에서 5±2 °C/min 속도로 130 °C까지 가열한 후 130 °C에서 60분간 유지하였을 때 발화 및 폭발이 없다고 규정하고 있다.

제안 방법

, Japan)를 이용하여 초기온도 20 ±5 °C에서 5±2 °C/m 속도로 가열하여 실험시료인 리튬 배터리가 폭발할 때까지 측정하였다. Figure 1은 고온에 따른 리튬배터리의 폭발위험성 측정실험의 구성도 및 사진을 나타낸 것으로 항온기 내부에 피실험체인 리튬배터리를 위치하고, K-type 열전대를 리튬배터리 하부(TC1)와 실험 중 배터리의 팽창을 고려하여 바닥으로부터 3 cm 상부(TC2)에 설치한 후, 데이터수집장치(MV 100, Yokogawa Co., Japan)를 이용하여 리튬배터리의 온도변화를 측정하였다.
, Germany)를 이용하여 관찰하였다. 또한, 사용상 부주의 및 충격 등에 의해 보호회로(PCM) 부품이 소손된 이상상태를 가정하여 보호회로의 정상작동 여부에 따른 단락전류 및 온도상승을 추가적으로 확인하였다.
Figure 3은 단락전류에 따른 온도상승측정 실험의 구성도를 나타낸 것으로 실험시료인 리튬배터리를 이용하여 단락회로를 구성하고 600 s 동안 단락전류를 인가하였다. 이때, 전류 프로브(CP150, Lecory Co., USA)와 오실로스코프(Wave surfer 64Xs-A, Lecroy Co., USA)를 사용하여 리튬배터리 용량별 단락전류의 크기를 측정하였고, 단락전류 인가에 따른 리튬배터리의 온도상승을 열화상카메라(testo 890, Testo Co., Germany)를 이용하여 관찰하였다. 또한, 사용상 부주의 및 충격 등에 의해 보호회로(PCM) 부품이 소손된 이상상태를 가정하여 보호회로의 정상작동 여부에 따른 단락전류 및 온도상승을 추가적으로 확인하였다.
하지만 본 연구에서는 고온 환경에 노출 시 온도에 따른 리튬배터리의 폭발위험성을 확인하고자 항온기(MC6, INTEC Co., Japan)를 이용하여 초기온도 20 ±5 °C에서 5±2 °C/m 속도로 가열하여 실험시료인 리튬 배터리가 폭발할 때까지 측정하였다.

대상 데이터

Figure 1은 실험에 사용된 리튬배터리로써 현재 휴대폰, 노트북, 태블릿PC, 무선조정(remote control; RC) 장난감 등의 전원으로 가장 많이 사용되고 있는 리튬폴리머(Lipolymer)배터리(3종류)와 리튬이온(Li-ion)배터리(3종류)를 각각 용량별로 10개씩 시료로 선정하였다. Figure 1에서 보는 바와 같이 외형상 리튬폴리머배터리의 경우 얇은 알루미늄 필름으로 마감된 팩타입 구조이며, 리튬이온배터리의 경우 알루미늄의 금속으로 마감된 단단한 캔타입 구조로 되어있다⁽⁶⁾.
모든 실험은 10회 실시 후 폭발특성이 뚜렷하게 나타나는 실험결과들을 대상으로 분석하였고, 고온에 따른 폭발 위험성 측정의 경우 사전실험을 통해 보호회로 정상작동 여부에 따라 차이가 나타나지 않는 것이 확인되어 보호회로가 장착되지 않은 리튬배터리만을 대상으로 실험을 실시하였다. 즉, 보호회로의 경우 과충전, 과전류 등 전기적 이상특성에 대해서는 보호역할을 하지만, 고온에 노출된 배터리 내부자체의 활성화에너지 반응을 막을 수 없기 때문인 것으로 생각된다.
또한, 리튬배터리 보호회로(PCM)의 정상작동 여부에 따른 폭발 및 화재 위험성을 측정하고자, 보호회로가 소손 되지 않은 정상상태의 시료번호에 “-P”로 표기하였다. 실험 전 모든 시료는 KS C 8541(리튬2차 전지통칙)⁽¹¹⁾과 KS CIEC 61960(휴대기기용 리튬2차전지)⁽¹²⁾ 기준에 의거하여 완충전시켜 실험에 사용하였다.

성능/효과

1. 고온에 따른 폭발위험성측정 실험결과 리튬폴리머배터리의 경우 연한 팩타입의 구조로 약 130 °C에서 부풀음 현상이 나타났으며, 폭발이 발생하기 전 접합강도가 가장 취약한 부위에서 전해액의 방출되면서 평균 170 °C에서 폭발이 일어났고, 이와 동시에 급격한 내부온도상승으로 배터리의 적열과 함께 화염에 노출되는 것으로 나타났다.
2. 단락전류에 따른 온도상승측정 실험결과 보호회로의 정상작동 여부에 따라 단락전류 및 온도상승에 차이가 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 본 실험조건 하에서는 보호회로가 이상상태인 리튬폴리머배터리의 경우 최고온도가 평균 115.
대부분의 시료에서 단락전류에 의한 온도상승으로 내부온도 약 110 °C를 기점으로 배터리 부풀음 현상이 발생하였고, 접합강도가 가장 약한 부분이 터지면 전해액이 방출되는 현상을 관찰할 수 있었다.
6 A까지 상승하였지만, 즉시 보호회로의 정상작동에 의해 과전류가 차단되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, B1-P 시료의 경우 순간단락전류가 최대 19.1 A, B2-P 시료의 경우 순간단락전류가 최대 34.5 A, B3-P 시료의 경우 순간단락전류가 최대 34.8 A까지 상승하였지만, 즉시 보호회로의 정상작동에 의해 순간적인 과전류 차단되는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 보호회로가 이상 상태인 리튬이온배터리의 경우 최고온도가 평균 80.5 °C까지 상승하였고, 단락전류는 최대 68.1 A(용량 3,000 mAh) 까지 측정되었다.
반면, 리튬이온배터리의 경우 리튬폴리머배터리보다 고온인 평균 187 °C에서 폭발이 일어났으며, 단단한 캔타입의 구조로 되어 있어 내부폭발압력이 상대적으로 크게 나타나면서 불꽃을 방출하며 설치지점을 강하게 이탈하는 것으로 나타났다.
본 실험조건 하에서는 보호회로가 이상상태인 리튬폴리머배터리의 경우 최고온도가 평균 115.7 °C까지 상승하였고, 단락전류는 최대 70.6 A (용량 1,000 mAh)까지 측정되었다.
4 °C의 온도에서 폭발이 일어났다. 실험결과 리튬폴리머배터리의 경우 용량 증가에 따라 배터리 하부지 점(TC1)의 폭발온도가 약간 증가하는 특성이 있었으나, 전반적인 폭발온도는 용량에 관계없이 비슷하게 나타났다. 또한, 폭발시간의 차이는 배터리 용량에 따른 표면적(크기) 차이 및 그에 따른 열팽창률차이 등으로 볼 수 있지만, 폭발온도가 유사한 점으로 보아 항온기 내부의 온도상승률에 의한 차이도 영향을 미친 것으로 생각된다.
실험결과 보호회로가 이상상태인 리튬이온배터리의 경우 용량에 따라 최대단락전류 및 최고온도가 상승되는 특성이 나타났지만, 캔타입 구조상 리튬폴리머와 같은 외형적인 변화는 관찰되지 않았다. 또한, 최고온도가 평균 80.
실험결과 보호회로가 이상상태인 리튬폴리머배터리의 경우 단락전류에 의해 평균 115.7 °C까지 온도가 상승하였고, 용량에 따라 최대단락전류가 증가되는 특성이 나타났다.
실험결과 보호회로의 정상작동 여부에 따라 Table 2에서 보는 바와 같이 순간 최대단락전류가 평균 48.0% 정도 감소되는 것으로 측정되었고, 보호회로의 정상작동으로 인해 순간적으로 흐르는 과전류 및 과전류의 발생시간을 지속적으로 제한하기 때문에 전기화재의 기본 메커니즘인 줄열에 의한 온도상승을 방지하여 리튬배터리 자체의 온도상승이 나타나지 않았다. 이로 인해 열화상카메라를 통한 육안(주변이미지와 구분 안 됨) 관찰이 어려워 열화상 이미지는 본 논문에서 제외하였다.

후속연구

끝으로 사용상의 부주의 및 이상상태에 따른 리튬배터리의 폭발 및 화재 위험성을 최소화하기 위해서는 추가적으로 보호회로 및 안전장치 강화가 더욱 필요할 것으로 생각되며, 본 논문의 결과는 향후 리튬배터리의 화재위험성 분석 시 기초자료로 활용되고자 한다.
즉, 사용상 부주의 등에 의해 고온의 복사열을 방출하는 전열기 및 전기기기, 고온의 밀폐환경 등에 리튬배터리가 장시간 고온에 노출 시 최악의 조건에서 폭발가능성이 나타날 수 있으며, 리튬배터리의 안전장치인 보호회로 부품 손상에 등에 의한 고장 시 단락전류를 차단할 수 없기 때문에 과방전에 의한 온도상승으로 화재 및 화상의 위험성이 나타날 수 있다. 이와 더불어 폭발성가스가 존재하는 지역에서의 휴대기기 사용 있어서 리튬배터리의 보호회로 고장 시 단락전류에 의한 온도상승에 의한 발화가능성도 배제할 수 없기 때문에 배터리 사용제품에 각별한 주의가 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	초기 리튬배터리에 사용된 금속리튬의 특징은?	이에 따라 전원장치로 사용되는 리튬배 터리의 안전성 확보는 사용자에게 있어서 가장 기본적인 안전대책이지만, 리튬배터리 관련 폭발 및 화재 사고가 발생되어 언론을 통해 지속적으로 보도되고 있다. 초기 리튬배터리는 금속리튬을 사용하였는데 리튬의 경우 가장 가벼운 금속원소로 화학적 반응이 상대적으로 크게 나타나며, 공기 중에 노출 시 수분과 반응하여 발열을 하게 되는 특징이 있다. 이로 인한 안전성을 높이기 위해 리튬 이온을 사용하는 전지를 개발하였고, 현재 사용되고 있는 대부분의 리튬배터리가 이해 해당된다.
	본 논문에서 지금까지 리튬배터리 사고원인으로 인증 받지 않은 저가형 중국산 리튬 배터리 사용을 문제로 지적한 이유는?	최근 발생된 보조배터리 폭발사고, 전자 담배 배터리 폭발사고, 노트북 배터리 폭발사고, 스마트폰 배터리 폭발 및 화재사고, 스마트폰 배터리 부풀음 사고로 인한 무상교체 등 국내 · 외적으로 리튬배터리 위험 성에 대한 문제가 대두되고 있지만, 지금까지 리튬배터리 사고원인의 대부분은 인증 받지 않은 저가형 중국산 리튬 배터리의 사용으로 인한 문제로 지적하고 있다. 즉, 인증 받은 제품의 경우 과충전, 과방전 등의 사고를 방지할 수있는 보호회로(protection circuit module; PCM)를 내장 하고 있기 때문에 자체 안전성을 확보하고 있기 때문인 것으로 생각된다. 그러나 인증 받은 리튬배터리 제품도 사용상 부주의 및 사고 등에 의해 보호회로의 고장이 발생할 경우 과충전 및 과방전에 의한 폭발 및 화재 위험성이 나타날 수 있지만, 현재까지 리튬배터리의 위험성에 비해 다각적인 방면에서의 세부적인 연구는 미비한 편이다.
	기존 리튬배터리의 위험성에 대한 연구의 한계는 무엇인가?	그러나 인증 받은 리튬배터리 제품도 사용상 부주의 및 사고 등에 의해 보호회로의 고장이 발생할 경우 과충전 및 과방전에 의한 폭발 및 화재 위험성이 나타날 수 있지만, 현재까지 리튬배터리의 위험성에 비해 다각적인 방면에서의 세부적인 연구는 미비한 편이다. 기존 리튬배터리의 위험성에 대한 대부분의 연구들은 송곳과 같은 물리적 충격에 의한 내부단락에 따른 폭발및 화재 위험성에 대한 연구가 대부분이었다 (7-9) . 또한 단락전류 인가 시 보호회로 유 · 무에 따른 온도상승으로 인한 열적특성만 관찰하였을 뿐 (10) 보호회로의 정상작동 여부에 따른 단락전류의 세부적인 연구가 미비하였고, 고온환경 노출 시 폭발위험성에 대한 연구는 거의 이루어지지 않았다.

참고문헌 (13)

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KS C 8541, "Lithium Secondary Cells and Batteries; General" (2003).
KS C IEC 61960, "Secondary Cells and Batteries Containing Alkaline or Other Non-acid Electrolytes-Secondary Lithium Cells and Batteries for Portable Applications" (2008).
UL 1642, "Standard for Lithium Batteries" (2012).

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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