[논문]ESS (에너지 저장장치) 배터리 화재사례를 통한 감식기법 및 연소 확산방지에 관한 연구

이정일

doi:10.15683/kosdi.2020.06.30.383

ESS (에너지 저장장치) 배터리 화재사례를 통한 감식기법 및 연소 확산방지에 관한 연구
A Study on the Identification Technique and Prevention of Combustion Diffusion through ESS (Energy Storage System) Battery Fire Case 원문보기

한국재난정보학회논문집 = Journal of the Society of Disaster Information, v.16 no.2 = no.48, 2020년, pp.383 - 391

이정일 (Fire Education & Training Division)

초록
AI-Helper

연구목적 : 에너지 저장실의 외부 화염에 의한 내부자기 점화 및 점화를 식별하고, 과열로 인한 점화와 외부 열원에 의한 점화의 차이를 분석하는 것이다. 연구방법 : 분리막 녹는점 측정, 배터리 외부 수열 실험, 배터리 과충전 실험, 과충전과 외부수열에 의한 연소 시 전극 판 비교분석, 과충전 연소 특징, 외부수열 화재 연소특징, 3.4(전극판 비교)/ 3.5(과충전)/ 3.6(외부수열) 분석 실험을 하였다. 연구결과: 화재 발생 시까지 센서의 위치에 따른 온도 차이가 극심했음으로 기존처럼 한 모듈 당 온도 센서 두 개로는 측정값이 부족해 온도제어를 통한 화재를 사전에 방지할 수 없다고 판단한다. 결론: 단락이 점화원으로 작용하여 혼합가스에 착화돼 가스폭발이 발생하고, 폭발 압력에 의해 전극이 잘게 파손되며, 가루형태의 리튬산화물이 불꽃반응에 의해 폭죽과 유사한 불꽃이 분출되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Purpose: To identify internal self ignition and ignition caused by external flames in energy storage rooms, and to analyze the difference between ignition due to overheating and ignition caused by external heat sources. Method: membrane melting point measurement, battery external hydrothermal experiment, battery overcharge experiment, comparative analysis of electrode plate during combustion by overcharge and external heat, overcharge combustion characteristics, external hydrothermal fire combustion characteristics, 3.4 (electrode plate comparison) / 3.5 (overcharge) /3.6 (external sequence) analysis experiment. Result: Since the temperature difference was very different depending on the position of the sensor until the fire occurred, it is judged that two temperature sensors per module are not enough to prevent the fire through temperature control in advance. Conclusion: The short circuit acts as an ignition source and ignites the mixed gas, causing a gas explosion. The electrode breaks finely due to the explosion pressure, and the powder-like lithium oxide is sparked like a firecracker by the flame reaction.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Short battery (class W) ~ correlations of the Battery System (MW Class)
표 Table 1. Nationwide ESS installations (2019)
그림 Fig. 2. Complete combustion of ESS room
표 Table 2. ESS fire occurrence status
그림 Fig. 3. Melting point of lithium-ion polymer battery separator
표 Table 3. The number of fires continues to increase [Unit: case]
그림 Fig. 4. Experimental results of lithium polymer battery heating test.
표 Table 4. Melting point of lithium-ion polymer battery separator
그림 Fig. 5. Final state and thermal waveform of lithium polymer battery heating test
그림 Fig. 6. Experimental results of lithium polymer battery overcharging test.
그림 Fig. 7. Camcoder front view and Thermal images
그림 Fig. 8. Final state and graph of lithium polymer battery overcharging test

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

둘째, 열 차단 소재 차이에 따른 배터리 발열 방지 실험은 셀 단위 화재 방지 실험으로 배터리가 일정한 온도에 노출되어도 열을 차단시켜 배터리의 발열(스웰링, 벤트)을 막아 화재를 방지하는데 목적이 있다. 이번 실험을 통해 확인한 것은 셀을 보호하는 카트리지(중심부 알루미늄 판, 둘레플라스틱)는 열 방출은 우수하나 열전도율이 높아 외부에서 열을 가하자 열 차단소재를 넣지 않는 경우보다 스웰링 현상이 일찍 나타났으며, 카트리지(알루미늄 판)와 셀 사이에 방열시트를 넣고 열을 가해보니 열 차단 효과가 있어 스웰링 현상이 지연되었으나 이후 카트리지에 부착된 방열시트에 열이 축적되면서 방열시트에서 연기가 발생하는 한계가 있었다(화재 미발생).
본 연구는 ESS에 사용되는 리튬이온 폴리머 배터리가 내부조건 및 주위환경에 의해 폭발 및 화재가 발생될 수 있는 가능성과 예방에 대한 실험적 논문으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다.
본 연구는 최근 발생한 태양광 발전소 ESS실 전소 사례를 통해 ESS실의 화재원인을 밝혀낼 수 있는 감식기법에 대하여 연구함으로써 조사 착안점을 정리하고 더 나아가 ESS실에 화재가 발생했을 경우 연소 확대를 지연 혹은 차단시켜 인명피해와 재산피해를 줄일 수 있는 방법에 대하여 연구하고자 한다.

제안 방법

이를 통해 배터리에 과충전이 가해졌을 때의 온도 변화와 폭발 전압, 폭발 전·후의 현상과 폭발 후 전극판의 소손상태를 분석한다. 또한 오실로스코프(Wave surfer 64Xs-A, Lecroy Co., USA)를 이용하여 폭발 시 전류변화를 측정한다.
리튬이온 폴리머 배터리의 알루미늄 외피를 제거하고 분리막을 분리하여 밀봉 후 비열 및 열용량측정기(DifferentialScanning Calorimetry)에 넣고 시료를 가열해서 녹인 후 냉각한 다음 다시 가열해서 녹였을 때 녹기 시작하는 점을 분석하는방법으로 녹는점을 측정한다.
배터리 근처에 화염이나 열원이 있는 상황을 발열 히터 필름들을 통해 외부 수열을 가하는 방식으로 재연 실험을 한다. 배터리에 열을 가하는 방식은 전압에 따라 열을 높여줄 수 있는 발열히터 필름을 배터리에 부착하는 방법으로 수행한다.
이를 통해 배터리에 과충전이 가해졌을 때의 온도 변화와 폭발 전압, 폭발 전·후의 현상과 폭발 후 전극판의 소손상태를 분석한다.
이를 통해 배터리의 폭발 온도와 폭발 전·후의 현상과 연소 잔해물의 특징을 분석한다.

성능/효과

Fig. 8(a)를 보면, 배터리 안 48 개의 전극이 부수어짐 없이 온전히 연소되었던 외부 수열로 인한 배터리 화재와는 달리 과충전으로 인한 배터리 화재는 전극이 모두 파괴되었다는 것을 알 수 있는데, 이 때문에 화재 시 파편이 많이 날렸던 것으로 확인된다. 폭발 자체도 과충전으로 인한 폭발의 위력이 외부 수열로 인한 폭발보다 훨씬 더 컸다.
그러나 배터리의 시간당 온도 변화율은 방열 시트가 가장 우수하다는 결과가도출되었다. 같은 방법으로 실리콘판(1T)을 넣고 실험해 보니 열 차단효과가 방열 시트에 비해서는 낮지만 우수하였고 연기도 발생되지 않고 스웰링 현상도 가장 오래 지연되었다.
5°C이상으로 나타났다. 과충전으로 인한 배터리의 화염은 외부 수열로 인한 배터리 화염과 달리 불티가 많이 날리는 것을 볼 수 있었다.
두번째 가열 후 연이어 두번째 가열시 비열(물질1 g을 1°C 올리는데 드는 열)의 차이가 100 J/g이상 큰 것으로 보아 열이 축적되어 안정화되지 않는 배터리 분리막은 작은열로도 다시 녹는점에 도달할 수 있다는 것을 알 수 있었다.
실험 결과 화재 발생 시까지 센서의 위치에 따른 온도 차이가 극심했음으로 기존처럼 한 모듈 당 온도 센서 두 개로는 측정값이 부족해 온도제어를 통한 화재를 사전에 방지할 수 없다고 판단한다.
둘째, 열 차단 소재 차이에 따른 배터리 발열 방지 실험은 셀 단위 화재 방지 실험으로 배터리가 일정한 온도에 노출되어도 열을 차단시켜 배터리의 발열(스웰링, 벤트)을 막아 화재를 방지하는데 목적이 있다. 이번 실험을 통해 확인한 것은 셀을 보호하는 카트리지(중심부 알루미늄 판, 둘레플라스틱)는 열 방출은 우수하나 열전도율이 높아 외부에서 열을 가하자 열 차단소재를 넣지 않는 경우보다 스웰링 현상이 일찍 나타났으며, 카트리지(알루미늄 판)와 셀 사이에 방열시트를 넣고 열을 가해보니 열 차단 효과가 있어 스웰링 현상이 지연되었으나 이후 카트리지에 부착된 방열시트에 열이 축적되면서 방열시트에서 연기가 발생하는 한계가 있었다(화재 미발생). 그러나 배터리의 시간당 온도 변화율은 방열 시트가 가장 우수하다는 결과가도출되었다.
첫째, 과충전 및 외부수열에 의해 배터리의 온도가 상승하게 되는데 현상에 있어서 차이가 존재한다. 과충전의 경우 벤트구간에서 혼합가스가 외부로 분출될 때 처음에는 조금씩 나오다가 폭발 직전에 가서야 양이 많아진다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ESS이란?	Table 1의ESS (에너지 저장장치)는 생산된 전기를 저장 장치(배터리 등)에 저장했다가 전력이 필요할 때 공급하여 전력 사용 효율을 향상시키는 시스템으로, 2018년 1,253개소에서 2019년 12월 기준 전국 ESS 설치 현황은 총 1,954개소이며, 2020년 6월 현재 2,055개소로 전국적으로 설치가 늘어나고 있는 추세이다.
	EMS란?	PCS는 발전원에서 전력을 입력받아 배터리에 저장하거나 계통으로 방출하기 위하여 전기의 특성을 변환한다. EMS는 배터리의 상태 모니터링과, PCS의 상태를 모니터링 및 제어를 하며, 컨트롤센터 등에서 ESS를 모니터링하고 제어하기 위한 운영시스템이다.
	ESS 관련 화재발생이 계속 증가추세인 이유는?	Table 3은 최근 5년간 ESS 관련 화재발생 현황으로 화재발생은 계속 증가추세이다. 원인으로 첫째. ESS설치 증가이다. 산업부의 2차 전지 신산업 정책과 풍력·태양력 등 에너지 정책이 맞물려 ESS설치가 폭발적으로 증가하고 있는데 풍력·태양력 발전기의 간헐적 전력 생산 약점을 보완하기 위해 ESS활용 장려(실제 정부에서 태양광·풍력 발전과 ESS연계 설치 시 최고수준의 보조금 지급)하고 있으며, 둘째. 설계 감리 부실이다. 일부 언론에서 국내 공기업 중 ESS발주 시 설계 감리 등에 대한 전문업체 발주가 전무(全無)한 사실 등의 부실 지적한바 있다. 셋째. 시스템적 특성이다. 태양광발전과 ESS의 경우 일반적인 부하 특성과 다르게 고장이나 화재가 발생한 경우에도 전기를 계속 생산하거나 계속 전기 공급이 이루어져 사고 가능성높다.

참고문헌 (8)

Park, K.M. (2018). A Study on the Fire Risk of ESS through Fire Status and Field Investigation.
Jung, C.D. (2018). A Study on the fire pattern of Lithium-ion . polymer Battery
Lee, H.S. (2015). Explosion and Fire Risk of Mobile Phone Batteries, Hoseo University.
Shin, S.k. (2018). A Study on Actual Survey and Establishment of Related Standards for Responding to ESS Fire.
Lee, B.J. (2017). A study on Explosion and Fire Risk of Lithium-Ion and Lithium-Polymer Battery.
Choi, S.D. (2010). Lithium-Ion Polymer Battery Technology for Electric Vehicle Application.
Kim, K.W. (2018). Analysis of Heat Heneration Characteristics by Indentation of a Lithium-Ion Battery Cell Using Coupled Mechanical-Electrical-Thermal Simulation, Konkuk University Graduate School.
http://www.firedata.go.kr

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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