November 24, 2021

원통형 배터리의 열 폭주

Introduction       리튬이온 배터리는 휴대폰뿐만 아니라 전기차에도 널리 사용됩니다. 매일 사용하기에 매우 편리하지만 항상 안전 문제가 있습니다. 바로 열 폭주입니다. 열 폭주는 배터리 화학 반응이 에너지를 방출, 온도를 더욱 높여
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Introduction

리튬이온 배터리는 휴대폰뿐만 아니라 전기차에도 널리 사용됩니다. 매일 사용하기에 매우 편리하지만 항상 안전 문제가 있습니다. 바로 열 폭주입니다. 열 폭주는 배터리 화학 반응이 에너지를 방출, 온도를 더욱 높여 잠재적으로 파괴적인 결과를 초래할 때 발생합니다. 과충전 또는 고온 환경 조건의 경우 안타깝게도 리튬 이온 배터리의 특성상 열 폭주의 위험이 높습니다. 연구원과 엔지니어는 이러한 배터리의 수명과 자산을 보호하기 위해 열 폭주 동작에 대해 항상 주시하고 있습니다.

배터리 시스템에서 열폭주를 방지하는 것이 중요하며, 열폭주에 대한 시뮬레이션 기능은 잠재적 재해를 예측하는 데 점점 더 중요해지고 있습니다.

Solution

Dassault Systèmes 팀은 Abaqus를 사용해서 유저 서브루틴(user subtourine)으로 열 폭주를 시뮬레이션 했습니다. 열폭주 모델은 SEI 및 전해질 분해를 고려한 Arrhenius 유형 공식을 유저 서브루틴의 장점을 활용하여, 성공적으로 모델링될 수 있습니다.

실제로 열폭주에 대한 배터리의 재료 특성은 테스트 결과로 보정해야 합니다. 하나의 원통형 셀의 경우 그림은 열 폭주 동안 온도가 어떻게 변화하는지 보여줍니다.

Abaqus는 2D 모델과 3D 모델에서 열폭주를 성공적으로 시뮬레이션할 수 있습니다. 아래 그림은 2D 및 3D 모델에서 시간이 왼쪽에서 오른쪽으로 표시될 때 열폭주가 어떻게 발생하는지 보여줍니다.

전기 자동차의 열 폭주는 매우 위험할 수 있지만 엔지니어는 이러한 차량을 승객에게 더 안전하게 만들고 열 폭주의 영향을 줄이거나 최소한 감속하여 화재나 폭발이 발생하기 전에 승객이 탈출할 수 있도록 하는 방법을 개발하고 있습니다. 물론 열 폭주가 전혀 발생하지 않도록 하는 것이 전반적으로 더 좋을 것입니다. Abaqus를 사용한 시뮬레이션은 열 폭주로 이어지는 조건을 예측할 수 있으므로 엔지니어는 이 잠재적으로 재앙적인 사건에 저항할 수 있는 배터리를 더 잘 설계할 수 있습니다.

*M.N. Richard and J.R. Dahn, “Accelerating rate calorimetry study  on the thermal stability of lithium intercalated graphite in electrolyte I. Experimental,” ,” J. of the electrochemical society, 146 (6) 2068-2077, 1999
*M.N. Richard and J.R. Dahn, “Accelerating rate calorimetry study  on the thermal stability of lithium intercalated graphite in electrolyte II. Modeling the results and predicting differential scanning calorimeter curves,” J. of the electrochemical society, 146 (6) 2078-2084, 1999

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