리튬 이온 및 리튬 폴리머 배터리는 체적 에너지 저장 밀도가 높아 전자담배, 스마트폰, 전기자전거, 드론, 보조배터리 등과 같은 다양한 전자기기에 사용되며 심지어 골프카트 및 전기자동차에도 사용되고 있다. 그러나 최근 리튬 배터리를 사용하는 다양한 전자기기에서 충전 중 배터리 폭발현상이 빈번히 발생하고 있으며 폭발로 인하여 화재 및 신체 위해가 발생하고 있어 그 심각성이 대두되고 있다. 이를 위해 본 논문에서는 이러한 리튬 배터리의 작동 원리를 알아보고, 재현실험을 통하여 폭발 원인을 검증해 보았으며 이를 통하여 화재감식 기법 개발과 안전대책을 수립하기 위한 연구를 진행하였다.
리튬 이온 및 리튬 폴리머 배터리는 체적 에너지 저장 밀도가 높아 전자담배, 스마트폰, 전기자전거, 드론, 보조배터리 등과 같은 다양한 전자기기에 사용되며 심지어 골프카트 및 전기자동차에도 사용되고 있다. 그러나 최근 리튬 배터리를 사용하는 다양한 전자기기에서 충전 중 배터리 폭발현상이 빈번히 발생하고 있으며 폭발로 인하여 화재 및 신체 위해가 발생하고 있어 그 심각성이 대두되고 있다. 이를 위해 본 논문에서는 이러한 리튬 배터리의 작동 원리를 알아보고, 재현실험을 통하여 폭발 원인을 검증해 보았으며 이를 통하여 화재감식 기법 개발과 안전대책을 수립하기 위한 연구를 진행하였다.
Because Li-ion battery and Li-Polymer battery have high-energy storage density, they are used for various electronic devices such as electronic cigarette, electronic bicycle, drone, second battery, even golf cart and electronic car. Recently, however, battery explosion is sometimes occurring on elec...
Because Li-ion battery and Li-Polymer battery have high-energy storage density, they are used for various electronic devices such as electronic cigarette, electronic bicycle, drone, second battery, even golf cart and electronic car. Recently, however, battery explosion is sometimes occurring on electronic devices using Li-ion battery and is becoming serious as bodily harm is breaking out due to explosion. For this, this paper described the Li-ion Battery's operating principles and verified the cause of explosion by overload tests caused by the high-energy storage density. According to the these experiments, we conducted a study to develope scanning techniques of fire and safety measures.
Because Li-ion battery and Li-Polymer battery have high-energy storage density, they are used for various electronic devices such as electronic cigarette, electronic bicycle, drone, second battery, even golf cart and electronic car. Recently, however, battery explosion is sometimes occurring on electronic devices using Li-ion battery and is becoming serious as bodily harm is breaking out due to explosion. For this, this paper described the Li-ion Battery's operating principles and verified the cause of explosion by overload tests caused by the high-energy storage density. According to the these experiments, we conducted a study to develope scanning techniques of fire and safety measures.
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문제 정의
아울러 추정한 사실이 실증 연구를 통해 확인될 경우 리튬 배터리의 안전성의 문제를 재조명하고, 향후 리튬 배터리를 사용하는 모든 스마트 기기의 안전성에 대한 문제 제기 및 이에 따른 전기 안전 규격의 강화 등을 관계 기관에 촉구하고자 한다. 따라서 본 논문에서의 실험은 과 충전과 쇼트에 대해 보호회로의 유무에 따라 과 충전과 쇼트 시 폭발이 발생하는지를 규명해 내고자 한다.
따라서 본 논문은 본 연구자가 근무해 온 직무 분야 즉, 화재 원인 조사에 대한 그 간의 추정 자료 즉, 전자담배[3,4] 뿐 아니라 RC헬기, 전기자전거, 드론, 호버 보드 심지어 갤럭시 노트7까지 다양한 전자기기에서 리튬 배터리가 폭발하여 화재가 발생할 수 있다는 추정 상황이 빈번하게 발생하여, 이 추정에 대한 실증연구를 수행하고자 한다. 특히 2016년 충북에서는 골프카트 리튬이온 배터리, 드론 리튬 폴리머 배터리, 전기자전거 리튬이온 배터리 등에서의 폭발화재 등 유난히 리튬배터리로 추정되는 폭발화재가 많이 발생[5-8]하여, 이에 대한 실제 화재 원인 규명하는 것이 중요한 사항이다.
실험 상황은 보호회로 유무에 따른 리튬이온 배터리 폭발화재 안전성을 실험하는 것으로 리튬배터리가 충전 중 폭발이 일어나는 것은 불량 보호회로를 사용하거나 불량보호회로가 아예 없는 관계로 배터리가 과 부하 되어 폭발하는 것으로 추정되고 있다. 따라서 실제 화재가 발생했던 사례를 재현해보고 보호회로 유무에 따른 리튬이온배터리의 안전성을 검증하였다.
본 장에서는 드론 등에 사용되는 리튬폴리머배터리에 대한 재현 실험 및 그 결과에 대해 기술하고자 한다.
그러나 밀수 등과 같이 비정상적인 방법으로 수입된 일부 배터리의 경우 보호회로가 없거나 불량 보호회로를 사용함으로서 폭발화재의 위험 가능성을 가지게 된다. 본 장에서는 실제 충북에서 화재가 발생했던 RC헬기, 드론, 전자담배 중 리튬이온 배터리에 해당하는 RC헬기와 전자담배를 중심으로 보호회로 유무에 따른 리튬이온 배터리의 안전성을 검증해 보았다. 실험을 위한 준비기자재로는 리튬이온 전지(3.
본 절에서는 전자 담배 리튬이온 배터리에 대한 폭발 재현실험을 행하고자 한다. 폭발 재현 실험은 보호회로가 없는 경우에 대해 과 충전 상태와 쇼트 상태로 나누어 실험을 행하고자 한다.
아울러 이에 비해 보호회로가 있을 때의 과 충전 상태와 쇼트 상태에 대한 실험을 통해 보호회로 유무에 대한 비교. 분석을 행하고자 한다.
이에 본 논문에서는 충북도내에서 발생했던 배터리 폭발화재 자료와 전국에서 일어난 배터리 관련 폭발화재 자료를 수집함과 동시에 화재의 원인으로 추정되는 리튬배터리에 대해 과 충전과 쇼트 시 실제 폭발이 발생 할 수 있는지에 대한 실증 연구를 수행하고자 한다. 아울러 추정한 사실이 실증 연구를 통해 확인될 경우 리튬 배터리의 안전성의 문제를 재조명하고, 향후 리튬 배터리를 사용하는 모든 스마트 기기의 안전성에 대한 문제 제기 및 이에 따른 전기 안전 규격의 강화 등을 관계 기관에 촉구하고자 한다. 따라서 본 논문에서의 실험은 과 충전과 쇼트에 대해 보호회로의 유무에 따라 과 충전과 쇼트 시 폭발이 발생하는지를 규명해 내고자 한다.
특히 RC무선헬기(드론), 호버 보드, 전자담배 폭발화재 등은 인명 피해 뿐 아니라 새로운 유형의 화재까지 발생시키고 있는 상황이다. 이를 위해 본 논문에서는 그 간 본 연구진들이 화재 감식을 행할 시 그 원인 즉, 리튬 배터리에서 폭발이 발생하여 화재가 난 것에 대한 추정을 실제 리튬배터리가 폭발 할 수 있는지에 대한 실험을 수행하여 그 간 화재 원인에 대한 추정 결과가 실제 원인인 지 아닌지를 규명해 보는 연구를 수행하고자 한다.
이에 본 논문에서는 충북도내에서 발생했던 배터리 폭발화재 자료와 전국에서 일어난 배터리 관련 폭발화재 자료를 수집함과 동시에 화재의 원인으로 추정되는 리튬배터리에 대해 과 충전과 쇼트 시 실제 폭발이 발생 할 수 있는지에 대한 실증 연구를 수행하고자 한다. 아울러 추정한 사실이 실증 연구를 통해 확인될 경우 리튬 배터리의 안전성의 문제를 재조명하고, 향후 리튬 배터리를 사용하는 모든 스마트 기기의 안전성에 대한 문제 제기 및 이에 따른 전기 안전 규격의 강화 등을 관계 기관에 촉구하고자 한다.
그 간 전자 기기에 있어 그 화재 원인에 대한 추정연구는 2015년부터 2016년까지 2년간 수행되었다. 즉, 2015년 초기 본 연구를 시작한 동기는 밀수 등과 같이 비정상적인 경로로 수입되어 판매되는 일부 전자담배용 리튬 배터리가 보호회로가 없거나 불량으로 인해[1] 화재 및 인명 피해가 발생할 수 있다는 추정자료를 근간으로 추정 원인이 맞는 것 인지에 대한 실증 자료를 확보하기 위함이다. 또한 전자담배를 예로 들면 전기안전에 대한 관련 법규 자체가 전자담배용 리튬배터리는 에너지 밀도가 기준 용량이하인 관계로 안전성이 검증되지 않고 판매되는 실정도 본 논문의 연구 동기에 해당한다.
제안 방법
폭발 재현 실험은 보호회로가 없는 경우에 대해 과 충전 상태와 쇼트 상태로 나누어 실험을 행하고자 한다. 아울러 이에 비해 보호회로가 있을 때의 과 충전 상태와 쇼트 상태에 대한 실험을 통해 보호회로 유무에 대한 비교. 분석을 행하고자 한다.
본 절에서는 전자 담배 리튬이온 배터리에 대한 폭발 재현실험을 행하고자 한다. 폭발 재현 실험은 보호회로가 없는 경우에 대해 과 충전 상태와 쇼트 상태로 나누어 실험을 행하고자 한다. 아울러 이에 비해 보호회로가 있을 때의 과 충전 상태와 쇼트 상태에 대한 실험을 통해 보호회로 유무에 대한 비교.
대상 데이터
그 간 전자 기기에 있어 그 화재 원인에 대한 추정연구는 2015년부터 2016년까지 2년간 수행되었다. 즉, 2015년 초기 본 연구를 시작한 동기는 밀수 등과 같이 비정상적인 경로로 수입되어 판매되는 일부 전자담배용 리튬 배터리가 보호회로가 없거나 불량으로 인해[1] 화재 및 인명 피해가 발생할 수 있다는 추정자료를 근간으로 추정 원인이 맞는 것 인지에 대한 실증 자료를 확보하기 위함이다.
본 장에서는 실제 충북에서 화재가 발생했던 RC헬기, 드론, 전자담배 중 리튬이온 배터리에 해당하는 RC헬기와 전자담배를 중심으로 보호회로 유무에 따른 리튬이온 배터리의 안전성을 검증해 보았다. 실험을 위한 준비기자재로는 리튬이온 전지(3.7V 700mAh) 18개, 직류전원장치(0~15V, 0~5A), 디지털 카메라2, 디지털 캠코더2의 장비로 실험을 행하였다. 실험 상황은 보호회로 유무에 따른 리튬이온 배터리 폭발화재 안전성을 실험하는 것으로 리튬배터리가 충전 중 폭발이 일어나는 것은 불량 보호회로를 사용하거나 불량보호회로가 아예 없는 관계로 배터리가 과 부하 되어 폭발하는 것으로 추정되고 있다.
성능/효과
이에 비해 보호회로가 있는 경우 배터리 +-극을 쇼트 후 168시간이 경과 하였지만 보호회로에 의해 이상 과전류의 흐름이 차단됨으로서 어떠한 이상 징후도 발생하지 않았다. 다시 말해 과전압, 과전류이든 쇼트상황이 발생되어도 보호회로만 있다면 배터리에 과부하(overload)를 주는 비정상적 전기적 흐름을 차단함으로서 폭발 발생 가능성이 원천적으로 차단됨을 확인할 수 있었다.
리튬폴리머 배터리에 대해 보호회로가 없거나 불량인 상황을 가정하여 보호회로를 제거한 후 15V 5A부터 5V 2A까지 다양한 충전 전압을 공급하는 과 충전실험을 진행한 결과 15V 5A ~ 11V 1.5A의 과 충전전압의 경우 폭발화재가 발생하였다. 그러나 LTE스마트폰을 충전하는 전압인 5V 2A에서는 배터리가 부풀어 오르는 스웰링(가스가 차는 모습) 현상은 발생하였으나 폭발까지 이어지지는 않았다.
아래 그림 8에 보호회로가 있는 리튬폴리머 배터리에 대한 과 충전 및 쇼트 실험 결과를 나타내었다. 실험 결과에서 알 수 있듯이 보호회로가 있는 경우 168시간이 경과해도 폭발이 발생하지 않음을 확인할 수 있었다.
아래 그림 2에 RC무선헬기 보호회로가 없는 리튬이온 배터리 폭발 재현실험을 나타내었다. 실험은 15V, 5A의 과 충전을 가했으며 10분 후 폭발이 발생했고, 폭발 발생 후 6분 만에 Lab이 완전 연소가 되었다. 즉, RC무선헬기에 사용되는 리튬이온 배터리는 보호회로가 없을 시 과 충전 상태가 되면 배터리가 폭발함을 알 수 있었다.
그러나 실험을 수행 해 본 결과 11V이상의 충전전압의 경우리튬이온 배터리나 리튬 폴리머 배터리나 동일하게 폭발화재가 발생하였다. 이에 비해 5V 2A이하의 충전전압의 경우 리튬이온 배터리의 경우 시간의 차이는 있었지만 폭발 현상이 발생하였으며, 리튬폴리머 배터리의 경우 168시간이 경과한 시점까지 배터리가 부풀어 오르는 스웰링 현상은 발생하였으나 폭발은 발생하지 않아 리튬이온전지에 비하여 상대적으로 안전한 것으로 나타났다. 그러나 여기서 주목해야 할 점은 리튬폴리머 배터리가 부풀어 오르는 스웰링 현상 즉, 가스가 차서 부풀어 오르는 현상 역시 안전한 것은 아니며 언제라도 폭발할 수 있는 개연성이 여전히 존재함을 확인 할 수 있었다.
실험은 15V, 5A의 과 충전을 가했으며 10분 후 폭발이 발생했고, 폭발 발생 후 6분 만에 Lab이 완전 연소가 되었다. 즉, RC무선헬기에 사용되는 리튬이온 배터리는 보호회로가 없을 시 과 충전 상태가 되면 배터리가 폭발함을 알 수 있었다.
후속연구
폭발 화재 현장 감식 시 화재감식 시 리튬이온 및 리튬폴리머 배터리의 경우 폭발 후 잔해물이 폭열로 인해 산산조각 나고 파괴되어 보호회로 장착 유무를 확인하기란 매우 난해한 작업이다. 따라서 리튬이온 및 리튬 폴리머 배터리를 부품으로 사용하는 제품 설명서에서 전기용품안전인증을 받은 제품인지 그리고 상기제품을 충전하는 직류전원공급장치(충전기)가 전기 용품안전인증을 받은 제품인지를 확인해야만 한다. 만일 제품설명서상 전기용품 안전인증 사항이 기술되어 있지 않다면 이러한 리튬이온 및 리튬폴리머 배터리를 사용하는 제품은 배터리의 안전성이 국가에 의해 검증되지 않은 제품일 가능성이 있으며 따라서 이러한 제품의 보호회로의 성능은 신뢰 할 수 없다.
일반적으로 리튬이온 및 리튬폴리머 배터리를 사용하는 제품은 5V 1A로 충전을 하는데 비해 최근 LTE스마트폰의 경우 쾌속충전을 위하여 5V 2A의 직류전원 공급장치(충전기)를 패키지로 하여 판매한다. 상기 충전기는 기존의 5V 1A충전기의 포트와도 호환이 되기 때문에 사용자의 부주의로 5V 1A충전기로 충전해야 함에도 5V 2A충전기로 충전 할 수 있으며 이러한 경우 리튬이온 및 폴리머 배터리에 과부하가 발생하여 폭발화재의 원인이 될 수 있으며, 고의로 배터리 외부충격을 준 것은 아닌지 여부 및 여름 고열의 자동차에 리튬배터리를 방치한건 아닌지에 대한 여부 더 나아가 사용자의 사용부주의 사항까지도 폭발 화재 원인 조사 시 조사가 행해야 할 것으로 여겨진다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
2차전지 중 가장 광범위하게 사용되는 것은?
그런데 이러한 스마트 기기들을 운용하는데 필수적인 요소 중 하나는 바로 이들 기기를 사용할 수 있도록 해주는 전기에너지원이다. 이를 위해 가장 많이 사용하고 있는 것이 바로 2차전지이며, 이러한 2차전지중 단위면적당 저장량이 높고 가장 효율적인 소재로서 리튬이온 및 리튬폴리머 배터리(이하 리튬 배터리로 지칭)가 가장 광범위하게 사용된다. 그러나 리튬 배터리는 사용의 편리성과 효율성을 제공해 주는 대신 이와 더불어 반드시 고도의 안전성을 갖추어야만 한다.
스마트 기기들을 사용할 수 있게 하는 전기에너지원으로 가장 많이 쓰이는것은?
그런데 이러한 스마트 기기들을 운용하는데 필수적인 요소 중 하나는 바로 이들 기기를 사용할 수 있도록 해주는 전기에너지원이다. 이를 위해 가장 많이 사용하고 있는 것이 바로 2차전지이며, 이러한 2차전지중 단위면적당 저장량이 높고 가장 효율적인 소재로서 리튬이온 및 리튬폴리머 배터리(이하 리튬 배터리로 지칭)가 가장 광범위하게 사용된다. 그러나 리튬 배터리는 사용의 편리성과 효율성을 제공해 주는 대신 이와 더불어 반드시 고도의 안전성을 갖추어야만 한다.
리튬 이온 전지와 비교하였을 때, 리튬 폴리머 배터리가 가지는 장점은 무엇인가?
일반적으로 리튬이온 배터리는 체적에너지 밀도가 높고 충전의 효율성이 대단히 높아 2차전지중 가장 널리 사용되기 있지만, 역으로 에너지 밀도가 높은 관계로 과 충전, 과 방전, 과전류, 쇼트 시 배터리를 보호 할 수 있는 안전성이 보장된 보호회로가 반드시 있지 않으면 폭발의 위험성이 존재하게 된다. 이에 비해 리튬 폴리머 배터리는 폴리머 전해질을 사용하는 전지로서 리튬이온전지보다 얇고 폭발 위험이 적은 충전지이다. 리튬 이온 전지보다 더 안정적이며, 가볍고, 다양한 형상으로 제작할 수 있는 이유로 상대적으로 가격이 더 고가이지만, 점차 그 사용이 늘어나는 추세이다. 아울러 폭발 위험성, 전해질의 누액 현상, 자연 방전, 메모리 효과가 거의 없어 편리하다는 장점도 있다. 리튬폴리머 전지는 리튬이온전지에 비해 상대적으로 폭발 위험성이 적은 편이지만 리튬이온전지와 마찬가지로 과 충전, 과 방전, 과전류, 쇼트 시 리튬폴리머 배터리를 보호하는 기능을 가진 보호회로가 반드시 있어야만 한다.
Korea Agency of Technology and Standards Notification, Korea electric appliance safety standards K62133, Since Apr. 2016.
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Jeungpyoung Fire Station Fire site investigation, Drone Li-Polymer battery explosive fire in 2016, 2016.
Jecheon Fire Station Fire site investigation, Electronic bicycle Li-ion battery explosive fire in 2016, 2016.
Chungju Fire Station Fire site investigation, Golf cart Li-ion battery explosive fire in 2016, 2016.
Cheongju West Fire Station Fire site investigation Radio control helicopter Li-ion battery explosive fire in 2016, 2016.
Skgh1003, Types and Functions of Lithium Battery Protection Circuit, Retrived Dec., 11, 2013 from http://m.blog.naver.com/skgh1003/20201048324
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