NCM811 리튬이온 배터리의 크기에 따른 에너지 밀도 및 열폭주 현상에 대한 수치해석적 분석

• Published in: 설비공학 논문집, 34(7) Vol. 34; no. 7; pp. 316 - 326
• Main Authors: 강명보(Myung Bo Gang), 김남진(Nam Jin Kim)
• Format: Journal Article
• Language: Korean
• Published: 대한설비공학회 01.07.2022
• Subjects: 기계공학; Heat generation(발열량); NCM(니켈-코발트-망간); Lithium-ion battery(리튬이온); Thermal runaway(열폭주); Energy density(에너지 밀도)
• ISSN: 1229-6422; 2465-7611
• DOI: 10.6110/KJACR.2022.34.7.316

본 연구에서는 NCM811 리튬이온 배터리를 21700/46800 두 가지 크기에 따라 에너지 밀도 및 열폭주 현상을 수치해석적으로 분석해 보았다. 46800 배터리 셀은 21700 배터리 셀에 비해 5배 높은 에너지 밀도를 가졌으며, 이를 동일한 배터리 플랫폼에 배치하였을 때 총 에너지 용량은 약 88,800 Wh, 에너지 밀도는 평균 315 Wh/kg으로 21700 배터리 팩 대비 에너지 용량은 약 18.3%, 에너지 밀도는 약 2배가 높아질 것으로 예측된다. 향후 46800 배터리 셀의 무게가 감소하고 모듈 없이 팩을 구성하는 cell to pack 기술의 효율이 향상될 경우 에너지 밀도는 보다 높아질 것으로 사료 된다. 21700/46800 배터리 셀의 열폭주 현상을 2D 모델로 분석한 결과, 외부온도 150℃ 기준 21700 배터리 셀 대비 46800 배터리 셀이 약 853초 늦게 열폭주 현상을 나타내었다. 이를 통해 만약 리튬 이차전지를 활용한 제품에서 화재가 발생할 경우, 배터리 셀 간 최고 온도는 크게 차이 나지 않으나 화재 구역으로부터의 탈출 시간을 확보하는 안정성 측면에서는 46800 배터리 셀이 상대적으로 높음을 알 수 있었다. 배터리 셀의 내부 발열량은 21700 배터리 대비 46800 배터리가 높았다. 이는 21700 배터리 셀의 부피당 표면적의 비가 46800 배터리 셀보다 높아 상대적으로 내부 온도가 외부 온도 대비 급속하게 증가하기 때문이다. 이로 인해 냉각 효과는 상당 부분 감소하고, SEI층의 분해반응 및 음극반응으로 인해 내부 발열량이 높아지며 온도 역시 증가한 것으로 사료 된다. 본 연구를 통해 NCM811 46800 배터리 셀의 에너지 밀도 및 열폭주 초기 모델을 수립하였고, 해당 모델을 활용한 수치해석 결과를 통해 NCM811 리튬이온 배터리의 열폭주 데이터를 확보할 수 있었다. 보다 정확한 수치해석 모델의 수립을 위해서는 NCM811 배터리의 구체적인 화학적 물성치들이 필요한데, 현재까지는 공식적으로 알려진 사례가 적어 변수들의 선정에 대해서 가능한 정확한 결과를 도출해 내고자 다양한 방법으로 추산해 보았다. 향후 NCM811 배터리의 정확한 화학적 물성치가 모두 공개되면, 현재의 2D 모델을 수정 보완하여 보다 다양한 조건에서의 열폭주 현상 해석과 LFP 배터리의 열전파 현상도 연구해 보고자 한다. In this study, the energy density and thermal runaway phenomenon of the NCM811 lithium-ion battery according to the 21700/46800 two sizes were analyzed numerically. The 46800 battery cell had a five times higher energy density than the 21700 battery cell, and when placed on the same battery platform, the total energy capacity was approximately 88,800 Wh and the energy density averaged 315 Wh/kg, which is approximately the energy capacity of the 21700 battery pack. 18.3%, the energy density is predicted to be about doubling. If the weight of the 46800 battery cell is reduced and the efficiency of the cell to pack technology that composes the pack without a module is improved, the energy density will be higher. As a result of analyzing the thermal runaway phenomenon of the 21700/46800 battery cells with a 2D model, the 46800 battery cells showed a thermal runaway phenomenon about 853 seconds later compared to the 21700 battery cells at an external temperature of 150℃. Through this, it was found that, if a fire occurs in a product using a lithium secondary battery, the maximum temperature between battery cells does not differ significantly, but 46800 battery cell is relatively high in terms of stability to secure escape time from the fire area. KCI Citation Count: 0