Simulations of the battery oven test, as one of the safety regulations, have been conducted for large-scale lithium-ion batteries for EV applications. A three-dimensional model is developed and compared with a lumped model. The lumped model simulates the battery temperature well under normal discharge conditions, but becomes inaccurate when the thermal runaway occurs. The effect of battery scale on thermal runaway is investigated. It is found that the smaller batteries can dissipate heat more efficiently than the larger batteries, and the possibility of experiencing thermal runaway is lower. The radiative heat transfer is found to be a significant means of battery heat dissipation. The internal temperature distribution during the thermal runaway is plotted and investigated. Propagation of local hot spot and strong internal temperature gradient are observed. It is concluded that the large-scale batteries are vulnerable to the oven test, and other means of heat dissipation, such as heat sinks may be needed to pass the oven test.
리튬이온전지는 상업화되기 위하여 일련의 공인된 전지 안전 규정 시험을 통과하여야 한다. 이 중 전지를 고온의 오븐에 방치하는 전지 오븐 시험은 중요 안전성 시험들 중 하나이다. 리튬이온전지가 일정 이상의 고온 상황에 놓이게 되면, 그 구성 물질들 간의 발열반응이 고온에 의해 촉진되어 전지의 온도를 상승시키고, 이에 의해 발열반응이 더욱 촉진되어 전지는 열폭주에 이르게 된다.
본 연구에서는 C++ 코드를 이용한 전지 모델 개발 및 수치해석을 통하여, 오븐 시험에 대한 가상 실험을 전기차에 사용되는 대형의 리튬이온전지에 대하여 수행하였다. 모두 4종류의 발열반응이 고려되었다.
(1) SEI(Solid Electrolyte Interface)층 자체분해 반응
(2) 음극 - 전해질 간 반응
(3) 전해질 자체분해 반응
(4) 양극 - 전해질 간 반응
오븐 내에서 전지의 온도가 올라감에 따라 위 반응들이 활성화되는데, 열폭주가 일어날 때에 매우 빠른 속도로 반응이 일어나게 된다. 이 때 전지 내부의 반응물질이 거의 소진되며, 약 30초 만에 전지 중심부의 온도를 섭씨 150도에서 550도까지 400도 가량 끌어올린다.
본 연구에서 개발된 리튬이온전지 3차원 해석모델과 단일온도 집중형 모델 (lumped model) 간의 비교가 이루어졌다. 집중형 모델은 평상시의 방전조건 하에서는 전지 온도를 잘 예측할 수 있는 것으로 밝혀졌으나, 열폭주가 일어날 때에는 부정확해지는 것이 확인되었다.
전지의 크기와 복사열전달이 전지 열폭주 현상에 주는 영향을 분석하기에 앞서, 전지의 안전성을 측정하기 위한 정량적 기준이 필요하게 되었고, 이에 안전온도라는 개념을 도입하였다. 안전온도는 전지의 열폭주가 일어나지 않는 오븐의 허용 온도 범위 중 가장 높은 값을 말한다. 즉, 전지가 안전하게 유지될 수 있는 최대 허용 온도이며, 안전온도가 높을수록 전지는 열폭주 현상으로부터 더 안전하다.
전지 크기가 열폭주에 끼치는 영향에 대한 분석 결과, 소형의 전지가 열을 더 효율적으로 방출하기 때문에 대형 전지에 비하여 열폭주가 일어날 가능성이 낮음을 확인하였다. 본 연구에서 모델링한 $19.08cm\times10cm\times10cm$의 크기를 갖는 전지의 안전온도가 $121.6\degC$인 데 반해, 크기가 그 1/5인 소형 전지의 경우 안전온도는 $144.0\degC$가 되어 전지 안전성이 크게 개선된다.
전지의 표면 방사율이 0.8일 때 복사열전달은 열폭주 시 전지의 전체 열 방출량의 80% 이상을 차지하며, 따라서 표면 방사율이 높은 라벨을 전지에 부착하는 것이 전지 안전성을 크게 개선시키는 것을 확인하였다.
이 외에도 열폭주가 일어날 때 전지 내부의 온도 분포에 대한 분석이 이루어졌다. 국소적 고온 영역의 발생 및 전지 외곽에서 내부로의 열폭주 영역의 확산 현상이 관찰되었다. 또한 전지 내부에서 단위 전지에 수직한 방향으로 극심한 온도 기울기가 관찰되었는데, 이것은 얇은 막의 구조로 이루어진 전지의 열전도도가 비등방성이기 때문에 나타나는 현상이다.
본 연구에서 모델링한 대형 리튬이온전지의 안전온도 $121.6\degC$는 표준 안전규정에 의한 오븐 온도인 $150\degC$에 훨씬 못 미치는 수치이다. 결론적으로, 대형 리튬이온전지는 오븐 시험에 매우 취약하며, 안전 규정을 통과하기 위해서는 히트싱크 등의 추가적 열 방출 수단이 필요하다.
