리튬 배터리 열 폭주에서 가스 감지

0 Comments

리튬 이온 전지는 에너지 밀도가 가장 높고 자체 방전율이 낮으며 수명이 길고 무게가 가벼우며 환경 친화적인 특징을 가지고 있으며 전기 자동차에서 에너지 저장 스테이션에 이르기까지 많은 소비자 제품과 에너지 저장 장치에 널리 사용됩니다. 하지만 배터리의 자연 발화와 폭발에 대한 사람들의 공포도 업계에서 여전히 피할 수 없는 화두다. 열폭주는 리튬이온 배터리의 안전성 향상 연구의 주요 대상이다.

열폭주는 다양한 원인에 의해 발생하는 연쇄반응 현상을 말하며 방출되는 다량의 열과 유해가스로 인해 배터리에 불이 붙고 폭발하게 됩니다. 열 폭주는 일반적으로 기계적 남용, 전기적 남용 및 열 남용의 세 가지 남용으로 인해 발생합니다.

기계적 남용 – 배터리가 충돌, 압출, 침술 등의 외력에 노출되어 리튬 배터리의 내부 다이어프램(SEI 필름 – 고체 전해질 계면)이 파열되어 음극과 연결될 양극이 노출되고, 내부 단락을 일으킵니다.

전기적 남용 – 배터리가 내부 및 외부 단락, 과충전, 방전될 수 있습니다. 리튬 배터리에 내부 단락이 발생하면 많은 양의 열이 방출되고 고온 조건에서 화학 반응이 시작되며 이러한 반응은 열을 더 방출하여 배터리를 지속적으로 가열하는 것과 같습니다.

열 남용 – 배터리의 외부 가열을 말하며 배터리 내부의 열이 어느 정도 축적되면 열폭주가 발생합니다.

실질적으로 이 세 가지 경우는 연결되어 연쇄적으로 일어난다.

열 폭주에 대해 더 잘 알아보기 위해 리튬 배터리 내부 구조를 살펴보겠습니다.

리튬 배터리는 양극, 음극 및 전해질로 구성됩니다. 리튬 배터리 내부에는 양극과 음극 사이에 분리가 있으며 두 전극의 직접적인 반응, 주로 전극 자체와 각 전해질 사이의 화학 반응이 없습니다.

양극과 전해질 사이의 반응 – 양극 물질은 전이 금속 산화물을 기반으로 개발되었습니다. 양극의 열분해는 열 폭주에 필수적인 요소인 많은 양의 산소를 방출합니다. 이산화탄소 CO2는 산소의 존재로 인해 대량으로 생성되며 동시에 C2H5F 연기가 발생합니다.

음극과 전해액의 반응 – 음극의 표면에는 SEI(Solid Electrolyte Interface) 필름이 형성되어 있으며, 이는 전지의 첫 충방전 시 생성되는 SEI 필름으로 음극과 전해액의 직접적인 반응을 방지하는 데 중요한 역할을 합니다. 전해질. SEI가 분해되면 음극은 전해질에 직접 노출되어 전해질과 반응합니다.

전해질에서의 반응 – 전극과 전해질 사이의 반응 외에도 전해질 자체도 분해됩니다.

리튬 배터리 내부의 다양한 화학 반응은 다양한 고체 제품과 가스를 생성하고 많은 열을 방출합니다. 일단 열 폭주가 발생하면 반응물의 완전 연소만이 종료될 수 있습니다. 배터리는 밀폐된 케이스에 고에너지 물질이 들어 있어 진화가 당분간 계속되는 열폭주를 막을 수 없다.

리튬 이온 배터리의 열 폭주 초기 단계에서는 배터리 온도, 방전 전압 및 방전 전류와 같은 특성 식별 매개변수의 느린 변화로 인해 최신 BMS(배터리 관리 시스템)를 통해 배터리 고장을 조기에 감지할 수 없습니다. 그리고 이때 배터리 내부의 전기화학 반응으로 인해 다량의 기체 물질이 생성됩니다.

따라서 이론적으로 가스 감지 센서를 사용하여 리튬 이온 배터리의 열폭주 조기 경보를 구현하는 것이 가능합니다. 리튬 배터리의 내부 화학 반응에서 가열 과정에서 O2, CO2, C2H4, C4H10, POF3, C2H5F, PF5, H2 등 다양한 가스가 방출되는 것으로 나타났습니다.

그러나 리튬 배터리는 정상 작동 중에 온도가 상승할 때 생성되는 가스와 다른 CO, C2H4 및 C4H10과 같은 일부 가스도 생성합니다. 가스 함량, 가스 변화율 및 가스 유형 종합 모니터링과 같은 중요한 차이점에 따라 리튬 배터리 열 폭주에 대한 보다 정확한 조기 경고를 달성할 수 있습니다. 실제 응용 분야에서는 대상 센서를 선택하고 판단을 위해 해당 임계값을 설정해야 합니다.

현재 일부 업체에서는 화재 방지와 결합된 가스 감지 방향으로 관련 제품을 만들고 있습니다. 열 폭주 감지용 Winsen 센서는 리튬 배터리, 전기 자동차, 에너지 저장 배터리 팩 및 스테이션에 널리 사용되며 이산화탄소 CO2, 일산화탄소 CO, 수소 H2, 연기, 온도 등의 변화를 적시에 감지하고 모니터링합니다.