Lithium-ion Batteries

Air control Engineering Co., Ltd.

Description​

열폭주는 비정상적인 온도 상승에 따른 연쇄화학반응에 의한 Heat-Temperature-Reaction(HTR) Loop로 인해 발생​

  1. 1 과충전이나 내부 단락 및 비정상적 발열 또는 외부충격 및 손상 등에 따른 내부 온도 상승​​
  2. 2 100~130℃ 부근에서 음극 SEI(Solid Electrolyte Interface) 분해​​
  3. 3 00~200℃ 온도 영역에서 음극과 전해액의 화학반응(intercalation) 발생 및 분리막(PE, PP) 분해 또는 변형에 의한 ​ 양극과 음극의 대규모 단락으로 추가 발열, 온도 200℃ 부근 도달 ​90~220℃ 영역에서 주요 Carbonate 계열 용제류 분해 발생​​
  4. 4 ~210℃ 부근까지 양극재 분해 및 산소의 유리​​
  5. 5 220~230℃ 부근에서 연쇄적인 온도 상승에 의한 전해액 유기용제성분의 본격적인 분해와 양극재의 분해에 따른 내부 ​산소공급으로 용제류의 산화 증폭​​
  6. 6 250~300℃에 도달하면, 용제류의 폭발적 연소 발생​​
  7. 7 260℃ 부근에서는 바인더로 사용된 PVDF가 열분해 되기 시작하며, HF 또는 H2를 생성​

전해질의 핵심 성분인 LiPF6는 수분이 있을 경우, 70℃ 이상이면 가수분해되어 HF를 생성 LiPF6 + H2O → LiF + 2HF + POF3

Composition of emissions ​under Thermal Runaway​​

  1. 1 발생하는 주요 인화성 gas 종류는 Carbon mono-Oxide, Methane, Ethylene, Ethane & Hydrogen Cyanide 등 5종​
  2. 2 주요 gas 성분 : Carbon mono-Oxide (CO), Carbon de-Oxide (CO2), Methane (CH4), Ethylene (C2H4), Ethane (C2H6), FluoroEthane (C2H5F), ​Hydrogen (H2) & Hydrogen Fluoride (HF)​
  3. 3 GC분석을 통해, LFP와 NCA cell 들을 조사한 결과 CO2가 CO, CH4 C2H4 등에 비해 대량으로 발생함​​

발생오염물의 특성 및 제거 메커니즘 ​​

불소화합물

LiPF6 → PF5 분리 : 200~240℃​

PF5 잔여시간 매우 짧음​

가수분해 & 화학반응​ LiPF6 → LiF + PF5
PF5 + H2O → POF3 + 2HF
LiPF6 +.H2O → LiF + POF3 + 2HF

  • HF Production Rate by LIB​

  • Soot Data​

    화재실험시 발생하는 Soot(검댕)의 크기는 대부분 0.1~0.4 ㎛ 범위임

  • Fume Data​

    금속 Fume 크기는 대부분 0.22~1.25 ㎛ 범위임​

입자상 물질(Fume, Soot 등)의 제거에 적합한 집진설비 선정​

  • Fume, Soot는 0.1~1 ㎛의 범위로 Inertia(관성충돌)과 Interception(차단)의 메커니즘 방지시설이 ​효과적임​
  • Fume, Soot는 퇴적시 Sticky 하며, 미세하여 필터섬유내 침투하므로 표면여과 집진 방식 적용
  • Nano Filter 적용 및 Air Pulse Jet 탈리 방식 적용

나노 필터​​

울트라 나노 필터의 특징

일반적인 PE필터에 비해 울트라 나노 필터는 10억분의 1미터인 초 미세 나노 섬유 코팅으로, 20배 이상 작고 촘촘하게 기공을 만들었습니다.

섬유 틈 사이에 입자가 박혀 분진을 제거하는 침투처리방식(Depth Filtration)이 아닌 표면처리방식(Surface Filtration)을 사용하여 에어펄싱 시 분진이 쉽게 탈리 되어 일반 필터 보다 필터 교체시기가 깁니다.

울트라 나노 필터​​

울트라 나노 필터, PE 여과포 시험성적서 주요내용

구분 폴리에스터 여과포 울트라 나노 필터
시험조건 의뢰시료명 500g 500g coating
시험방법 VDI 3929 part2
공기유량 3.0m3(m2・min)
시험분진 ISO 12103-1A2fine test dust
분진농도 5g/m3
에어펄스젯이 시작되는 필터의 차압수치 12.0 mbar (=122.365863 mmH2O)
에어펄스젯의 압력 2.5bar
시험결과 에어펄싱 평균주기 00:28 01:12(길수록 좋다)
투과된분진량 3.71mg/m^38 0.51mg/m^38(적을수록 좋다)

울트라 나노 필터, PE 여과포 시험성적서 주요내용

구분 PE 필터(코오롱 L227) 수입 나노 필터 울트라 나노 필터
입자크기 0.3~0.5㎛입자 0.3~1㎛입자 0.3~0.5㎛입자
제거율 86.2% 제거 85~95% 제거 99.1% 제거

경제성

대기오염방지시설 선정​

연구시설개요 및 풍량선정​​

화재실험시설에서 발생하는 유독 연소가스는 연소가스 후처리 장치로 보내져서 모든 ​후드에서 발생한 연소가스를 한꺼번에 처리함.​

풍량 결정 ​ - 적게 산정시 실제 실험시 오염물&연기가 원할히 배출되지 않으며​
- 과다 설계시 투자비 및 운영비가 상승함​
- 현재 5~15회/hr의 환기횟수로 설계하여 화재실험실 운영 중, 배터리 화재실험은 열폭주 특성을 고려하여 풍량 선정이 필요.

집진설비 선정시 고려사항​​​

집진설비의 선정 및 설계를 위해서는 무엇보다도 화재실험을 통해 어떠한 물질이 얼마만큼 발생될지 ​예측하여야 하고, 현재 건설 중인 화재실험동의 특성에 맞는 조건을 충족시켜야 함.
이로부터 선정할 수 있는 집진방식을 선정할 수 있다. ​
항목 내용
실험시 배출 물질 분진, 유해가스(산성,HF, HCl, SOx, NOx 등), VOC
집진시설의 조건
  • 고효율의 분진 및 유해가스 제거 능력
  • 경제적이며 유지보수가 편리한 설비
  • 2차 오염물의 발생량 최소화
  • 악취 등 민원의 발생 해결

배출허용기준 및 발생예상농도

오염물질​ 배출허용기준​(ppm) 배출예상농도​(실험실 test 기준)​ 비고
SO2​ 200 -
NOx​ 150 -
먼지​ 30 200~4000 mg/sm3​
일산화탄소​ 200 8000~65000
불소화합물​ 2 10~20
탄화수소(THC)​ 200 3000~80000
HCN​ 4 37~170

대기오염방지시설의 선정​

집진설비의 선정은 유해가스의 종류가 단일 물질이 아니고 복합물질이 배출되는 경우 ​
최적설비의 선정은 설계 경험, 연소가스의 배출특성 등에 따라서 적합한 설비를 조합하여 선정.
발생오염물​ 가장 효과적으로 처리할 수 있는 설비​ 설비의 선정​ 비고
분진​ 여과식집진기 ( Bag Filter )​ 여과식집진기​
+
흡착탑
+
Scrubber 으로 구성
THC외​ 활성탄흡착탑 ( AC Tower )​
가스상물질​ Scrubber ( Packed Tower )​​

Process Flow Diagram for Vent Gas

화재시험동 CFD​​

화재실험동은 높은 층고와 넓은 공간으로 이루어져 있어 화재시험을 실시할 때 고려해야 할 여러 가지 요소들이 있습니다. 이러한 동에서는 공간의 층고가 30m로 높고, 길이와 폭이 넓어 공간환경을 정확히 이해하고 공조방식을 결정할 때 기류 특성과 공간 온도 분포를 충분히 고려해야 합니다. 또한, 화재시험 시 발생하는 가스 및 매연은 뜨겁고 부력이 강하기 때문에 층고를 높게 유지하는 것이 중요합니다. 따라서, 이러한 환경 요소들을 고려하여 에어컨트롤엔지니어링은 전산유체시뮬레이션(CFD)을 사용하여 적합한 화재시험환경을 제안합니다.