KR20230004032A - 배터리 셀의 폭발력 정량화 툴 및 폭발력 측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 배터리 셀의 폭발력 정량화 툴은, 배터리 셀에 연결되어 배터리 셀을 발화시키는 배터리 셀 발화장치; 및 상기 배터리 셀이 수용되고, 일측면에 배터리 셀 발화에 의한 화염이 외부로 표출될 수 있는 개구가 형성되는 폭발력 측정용 외함을 포함한다.
본 발명의 배터리 셀의 폭발력 측정방법은, 배터리 셀 발화장치에 배터리 셀을 연결 설치하는 단계; 상기 배터리 셀 발화장치로 배터리 셀을 발화시키되, 상기 발화에 의한 화염을 상기 배터리 셀의 일측으로만 발산되도록 유도하는 단계; 상기 배터리 셀의 일측으로 발산되는 화염의 분출시간을 측정하는 단계; 및 상기 배터리 셀이 화염을 통하여 방출한 에너지를 상기 분출시간으로 나누어 시간당 방출되는 배터리 셀의 에너지인 파워를 계산하고 상기 파워에 의하여 배터리 셀의 폭발력을 정량평가하는 단계를 포함한다.

Description

배터리 셀의 폭발력 정량화 툴 및 폭발력 측정방법{EXPLOSIVE FORCE QUANTIFICATION TOOL OF BATTERY CELLS AND EXPLOSIVE FORCE MEASURING METHOD OF BATTERY CELLS}

본 발명은 배터리 셀의 폭발력 정량화 툴에 관한 것이다. 보다 상세하게는 배터리 셀 발화시의 화염을 일측면으로 유도하여 화염에 의한 배터리 셀의 폭발력을 보다 정확하게 측정할 수 있는 폭발력 정량화 툴에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 상기 배터리 셀의 폭발력 정량화 툴을 이용하여 폭발력을 정량 평가할 수 있는 배터리 셀의 폭발력 측정방법에 관한 것이다.

최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원으로서도 주목받고 있다.

그 중에서도, 리튬 이차전지는 에너지 밀도와 작동전압이 높고 보존과 수명 특성이 우수하다는 점에서, 각종 모바일 기기는 물론 다양한 전자 제품들의 에너지원으로 널리 사용되고 있다.

이러한 이차전지는 작동 전압이 높고 에너지 밀도가 높다는 등의 장점이 있지만, 유기 전해액을 사용하기 때문에, 리튬 이차전지가 과충전되면 과전류 및 과열을 유발하여 심한 경우 폭발이나 발화에 의한 화재가 발생할 수 있다.

또한, 복수의 배터리 셀들이 적층된 배터리 셀 모듈의 경우, 어느 하나의 배터리 셀이 폭발하거나 발화하면 정상적으로 작동하는 다른 배터리 셀로 화염이 전파되어 복수의 배터리 셀들이 연쇄적으로 폭발하므로, 배터리 모듈이 장착된 장치에 손상이 발생할 수 있고 사용자가 안전사고의 위험에 노출될 수 있다.

도 1은 배터리 셀의 내유소(耐類燒)시험의 일종인 3P 전파(PROPAGATION) 시험 장치(10)의 개략도이다.

배터리 모듈이나 배터리 팩은 1개의 배터리 셀이 내부단락 등에 의해 파괴, 연소되면, 서로 이웃하는 배터리 셀에도 영향을 미쳐, 마찬가지로 파괴, 연소한다고 하는 과제가 있다. 이를 배터리 모듈이나 배터리 팩의 유소성(類燒性)이라 한다. 또한, 하나의 셀의 발화시 인접하는 셀로 화염이 전파될 때 어느 정도 이를 저지할 수 있는지 등 그 화염 전파 지연성능을 평가하는 시험이 내유소 시험이다.

도 1의 시험 장치는, 복수개로 적층된 셀(1)들을 가열부재(13)로 가열하여 배터리 셀의 열 폭주(thermal runaway) 현상을 일으켰을 때, 화염의 전파력이 어느 정도되는지 등을 평가하는 3P 전파 시험장치의 일례를 도시한 것이다. 이러한 장치에 의해서 배터리 모듈을 모사하여 모듈 내의 배터리 셀들의 내유소성을 평가할 수 있다.

도 1의 시험장치에는 카트리지 타입의 모듈을 모사하여 배터리 셀(1) 3개를 적층하고, 상기 배터리 셀 사이에는 알루미늄 냉각판(ACP) 및 화염전파 방지부재(2)를 설치한다. 또한, 모듈 내에서의 셀의 가압구조를 상정하여 적층된 배터리 셀(1)의 상부와 하부에 소정 두께의 알루미늄판(11)을 볼트(12)로 체결하여 배터리 셀(1)을 가압한다. 최하단의 배터리 셀과 알루미늄판 사이에 가열부재(13)(히팅 패드)를 설치하고, 이 가열부재(13)를 발열시켜 배터리 셀(1)에 열 폭주를 일으킨다.

그런데, 이러한 시험장치(10)로는, 배터리 셀들의 내유소성은 평가할 수 있지만, 배터리 모듈에서의 배터리 셀들의 폭발력을 측정하거나 정량 평가하는 것은 곤란하였다.

도 2는 도 1의 시험장치(10)에서 화염이 발생하는 태양을 나타내는 개략도이다.

도시된 바와 같이, 종래의 3P 전파 시험장치(10)에서는 열 폭주시 화염이 배터리 셀들의 4방향으로 분산되어 순차적으로 분출되기 때문에, 그 폭발력을 정량화하는데 한계가 있었다. 또한, 화염 분출 태양이 비슷하거나 배터리 셀(1)의 폭발력이 비슷할 경우 이를 비교하기 어렵다는 단점이 있다.

뿐만 아니라 열 폭주가 일어나는 배터리 모듈의 내부는 클로즈드 시스템에 가까우며, 연소시 내부 가스 발생에 의해 산소가 없는 무산소환경이 된다. 그러나, 상기한 종래 시험장치(10)는 4면이 개방되어 무산소환경에서 시험을 행할 수 없다.

이로 인하여, 배터리 셀 단위, 혹은 배터리 모듈 단위에서의 시험시 배터리 셀의 폭발력을 정확하게 측정할 수 없다는 한계가 있었다.

이상에서는 3P 전파 시험에서의 배터리 셀 발화와 관련하여 폭발력 측정을 서술하였지만, 예컨대 충방전기에 의한 과충전 등에 의한 다른 발화 메커니즘에 의하여 배터리 셀을 발화시키는 경우에도, 상기 도 2와 같이 화염이 분산되는 문제가 있어 역시 폭발력을 정확하게 측정할 수 없다는 문제가 있다.

따라서, 배터리 셀 또는 배터리 모듈 구조에 있어서, 배터리 셀의 폭발력을 측정하여 이를 정확하게 정량 평가할 수 있는 기술의 개발이 요망된다 하겠다.

대한민국 공개특허공보 제10-2020-0046633호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 만들어진 것으로서, 배터리 셀의 발화시 발생하는 폭발력을 정량 평가할 수 있는 배터리 셀의 폭발력 정량화 툴을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 배터리 셀의 폭발력을 정량 평가할 수 있는 배터리 셀의 폭발력 측정방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한, 본 발명의 배터리 셀의 폭발력 정량화 툴은, 배터리 셀에 연결되어 배터리 셀을 발화시키는 배터리 셀 발화장치; 및 상기 배터리 셀이 수용되고, 일측면에 배터리 셀 발화에 의한 화염이 외부로 표출될 수 있는 개구가 형성되는 폭발력 측정용 외함을 포함한다.

하나의 예로서, 상기 배터리 셀 발화장치는, 가열부재와, 상기 가열부재 상에 배터리 셀을 장착하기 위한 장착부재를 포함하고, 상기 가열부재와 장착부재는 상기 폭발력 측정용 외함 내에 설치될 수 있다.

구체적인 예로서, 상기 배터리 셀 발화장치는 상기 가열부재와 연결되어 상기 가열부재를 제어하는 컨트롤러를 더 포함하고, 상기 컨트롤러는 상기 폭발력 측정용 외함의 외부에 설치될 수 있다.

하나의 예로서, 상기 배터리 셀 발화장치는, 3P 전파(propagation)시험장치일 수 있다.

구체적인 예로서, 상기 개구에 메쉬가 설치될 수 있다.

하나의 예로서, 상기 외함은 내부에 배터리 셀 수용공간을 가지고, 하부면이 개방되며, 하부면 외의 다른 측면 중 일측면에 개구가 형성된 것일 수 있다.

다른 예로서, 상기 외함은 상부면이 개방된 외함 본체와, 상기 외함의 상부면을 덮어 밀폐하는 커버를 포함하고, 상기 외함 본체의 일측면에 개구가 형성되는 것일 수 있다.

하나의 예로서, 상기 배터리 셀 발화장치는 상기 배터리 셀과 전기적으로 연결되어 과충전에 의하여 배터리 셀을 발화시키는 충방전기를 포함하고, 상기 충방전기는 상기 폭발력 측정용 외함의 외부에 설치될 수 있다.

다른 예로서, 상기 배터리 셀 발화장치는 상기 배터리 셀을 가열하는 가열부재를 더 포함하고, 상기 배터리 셀은 상기 충방전기에 의한 과충전과 상기 가열부재에 의한 가열에 의하여 발화될 수 있다.

본 발명의 일측면으로서의 배터리 셀의 폭발력 측정방법은, 배터리 셀 발화장치에 배터리 셀을 연결 설치하는 단계; 상기 배터리 셀 발화장치로 배터리 셀을 발화시키되, 상기 발화에 의한 화염을 상기 배터리 셀의 일측으로만 발산되도록 유도하는 단계; 상기 배터리 셀의 일측으로 발산되는 화염의 분출시간을 측정하는 단계; 및 상기 배터리 셀이 화염을 통하여 방출한 에너지를 상기 분출시간으로 나누어 시간당 방출되는 배터리 셀의 에너지인 파워를 계산하고 상기 파워에 의하여 배터리 셀의 폭발력을 정량평가하는 단계를 포함한다.

하나의 예로서, 상기 배터리 셀 발화장치는, 가열, 과충전, 외부 충격(impact) 및 못 관통 중 적어도 하나의 방법에 의하여 배터리 셀을 발화시키는 것일 수 있다.

하나의 예로서, 상기 배터리 셀은 일측면에 개구가 형성된 챔버 내에 설치되고, 상기 개구를 통하여 화염이 발산될 수 있다.

구체적으로 상기 챔버는 일측면에 개구가 형성된 박스형의 외함으로 형성되는 것일 수 있다.

바람직하게는, 상기 개구에 메쉬가 설치될 수 있다.

또한, 상기 배터리 셀은 챔버 내에 복수개 설치될 수 있다.

하나의 예로서, 상기 배터리 셀이 화염을 통하여 방출한 에너지는, 상기 배터리 셀의 화학적 에너지와 전기적 에너지의 합으로 계산될 수 있다.

본 발명에 따르면 배터리 셀 발화시 화염을 일측면으로 유도하고 발화 환경을 주위가 밀폐된 환경에서 행할 수 있으므로, 배터리 셀 내지 배터리 모듈의 폭발력을 정확하게 측정할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 종래에는 평가하기 곤란하였던 배터리 셀의 폭발력을 정량화하여 평가할 수 있다.

도 1은 배터리 셀의 내유소실험의 일종인 3P 전파 시험장치의 개략도이다.
도 2는 도 1의 시험장치에서 화염이 발생하는 태양을 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예의 배터리 셀의 폭발력 정량화 툴을 나타내는 개략도이다.
도 4 내지 도 6은, 본 발명의 배터리 셀 폭발력 정량화 툴에 적용되는 폭발력 측정용 외함의 구조들을 나타내는 개략도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예의 배터리 셀 폭발력 정량화 툴을 나타내는 개략도이다.
도 8은 본 발명의 배터리 셀 폭발력 측정방법에 따라 측정된 배터리 셀들의 폭발력을 정량화하여 나타낸 그래프이다.

이하, 첨부한 도면과 여러 실시예에 의하여 본 발명의 세부 구성을 상세하게 설명한다. 이하에서 설명되는 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적으로 나타낸 것이며, 또한 첨부된 도면은 발명의 이해를 돕기 위하여 실제 축척대로 도시된 것이 아니며 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 명세서에서 사용되는 '결합' 또는 '연결'이라는 용어는, 하나의 부재와 다른 부재가 직접 결합되거나, 직접 연결되는 경우 뿐만 아니라, 하나의 부재가 이음부재를 통해 다른 부재에 간접적으로 결합되거나, 간접적으로 연결되는 경우도 포함한다.

본 발명의 배터리 셀의 폭발력 정량화 툴은, 배터리 셀에 연결되어 배터리 셀을 발화시키는 배터리 셀 발화장치; 및 상기 배터리 셀이 수용되고, 일측면에 배터리 셀 발화에 의한 화염이 외부로 표출될 수 있는 개구가 형성되는 폭발력 측정용 외함을 포함한다.

본 발명은 배터리 셀의 폭발력을 정량화하기 위한 장치이므로, 배터리 셀이 폭발할 수 있는 환경을 조성해야 한다. 배터리 셀은 과열되어 발화하는 경우에 폭발하는데, 실제 배터리 셀의 과열은 여러 가지 원인에 의해서 발생할 수 있다. 에컨대 배터리 셀을 통해 한계 이상의 과전류가 흐르면 주울열에 의해 셀이 발열을 하므로 셀 내부 온도가 급속하게 상승한다. 온도의 급속한 상승은 전해액의 분해 반응을 야기하여 열폭주 현상(thermal runaway)을 일으킴으로써 결국에는 배터리 셀의 폭발로까지 이어지게 된다. 상기 과전류는 뾰족한 금속 물체가 셀을 관통하거나 양극과 음극 사이에 개재된 분리막의 수축에 의해 양극과 음극 사이의 절연이 파괴되거나 외부에 연결된 충전 회로나 부하의 이상으로 인해 돌입전류(rush current)가 배터리 셀에 인가되는 등의 경우에도 발생한다.

본 발명은 배터리 셀 또는 이러한 배터리 셀이 복수개 구비된 배터리 모듈이나 배터리 팩의 폭발력을 측정하기 위한 것이므로, 배터리 셀을 발화시키는 발화장치를 구비하고 있다. 배터리 셀의 발화를 위해서, 배터리 셀을 가열하거나, 과충전하거나, 외부에서 중량물(예컨대, 소정 무게의 추)로 충격을 가하거나 혹은 날카로운 못으로 배터리를 찔러 관통시키는 것 등의 방법을 적용할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.

도 3은 본 발명의 일 실시예의 배터리 셀의 폭발력 정량화 툴(100)를 나타내는 개략도이다.

본 실시예에서는 배터리 셀(1) 발화를 위해서 가열부재(13)를 포함하는 배터리 셀 발화장치(10)를 채용하고 있다. 즉, 도 3의 배터리 셀 발화장치(10)는 배터리 셀의 내유소 시험의 일종인 3P 전파(PROPAGATION) 시험장치를 채용하고 있다.

3P 전파 시험장치(10)에서는, 배터리 모듈의 구조를 모사하여 복수개의 배터리 셀(1)(통상 3개)을 적층하고, 모듈 내의 셀의 가압구조를 상정하여 적층된 배터리 셀(1)의 상부와 하부에 소정 두께의 알루미늄판(11)을 볼트(12)로 체결하여 배터리 셀을 가압하고 있다. 또한, 배터리 셀의 가열을 위한 가열부재로서 최하단의 배터리 셀(1)과 알루미늄판(11) 사이에 가열부재(13)(히팅 패드)를 설치하고, 이 가열부재를 발열시켜 배터리 셀(1)에 열 폭주를 일으킨다. 필요에 따라, 상기 배터리 셀(1) 사이에 알루미늄 냉각판(ACP) 및 화염전파 방지부재(2)를 설치한다(도 2 참조).

3P 전파 시험장치(10)는 본 발명의 폭발력 정량화 툴(100)를 위해 적용할 수 있는 배터리 셀 발화장치(10)의 일례이고 다른 형태의 발화장치도 적용할 수 있다. 즉, 예컨대 배터리 셀(1)을 발화시킬 수 있는 적절한 가열부재와, 상기 가열부재 상에 배터리 셀을 장착하기 위한 장착부재를 구비한 다른 형태의 발화장치도 가능하다. 도 3에서는 3P 전파 시험장치의 히팅 패드(13)가 가열부재에 해당되고, 배터리 셀의 상하부에 설치되는 알루미늄판(11) 및 볼트(12)가 장착부재가 된다.

3P 전파 시험장치는 배터리 모듈의 내유소 시험을 위한 것이므로, 복수개의 배터리 셀을 설치하였지만, 본 발명의 폭발력 측정을 위해서 하나의 배터리 셀도 적용할 수 있음은 물론이다.

배터리 셀 발화장치(10)는 가열부재(13)를 소정의 승온속도로 가열하여 배터리 셀을 가열할 수 있다. 가열부재(13)의 발열 개시 및 승온속도 조절을 위하여 상기 가열부재를 제어하는 컨트롤러(14)가 구비될 수 있다. 또한, 상기 가열부재, 예컨대 히팅 패드에 내장된 열선을 가열하기 위하여 소정의 전원(도시하지 않음)이 설치될 수 있다. 상기 전원은 컨트롤러(14)에 함께 구비될 수 있다. 도 3의 가열부재(13)(히팅 패드)를 분당 5~7℃의 온도로 상승시키기 위하여 상기 가열부재(13)와 연결되는 컨트롤러(14)가 설치될 수 있다. 상기 컨트롤러(14)는 배터리 셀 폭발로부터 보호할 수 있도록 후술하는 폭발력 측정용 외함(20)의 외부에 설치하는 것이 바람직하다.

본 발명의 폭발력 정량화 툴(100)은 상기 배터리 셀(1)이 수용되고, 일측면에 배터리 셀 발화에 의한 화염이 외부로 표출될 수 있는 개구(H)가 형성되는 폭발력 측정용 외함(20)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

도 2에 도시한 바와 같이, 외함이 없는 구조에서 배터리 셀을 발화시키면 폭발 화염이 사방으로 분출되어 그 폭발력을 정확하게 측정하기 곤란하다. 또한, 배터리 셀 주위가 개방된 오픈시스템(open system)이므로 무산소환경에 가까운 배터리 모듈의 클로즈드 시스템(closed system)과 상이하다.

본 발명의 폭발력 정량화 툴(100)은, 배터리 셀의 발화에 의한 화염을 배터리 셀(1)의 일측으로만 발산되도록 유도하기 위하여, 일측면에 개구(H)가 형성되는 폭발력 측정용 외함(20)을 구비하고 있다. 또한, 외함(20) 내에 배터리 셀(1)이 수용됨으로써, 클로즈드 시스템을 구현하고 있다. 일측면에만 개구(H)를 가진 외함(20) 내에 3P 전파 시험장치와 같은 배터리 셀 발화장치(10)에 배터리 셀을 장착하여 수용하여 발화시키면, 도 3과 같이 상기 개구(H)로만 화염이 발산된다. 따라서, 상기 화염을 관측 내지 측정하는 것으로 보다 정확하게 배터리 셀의 폭발력을 측정할 수 있다. 또한, 상기 개구(H) 외에는 다른 면이 모두 폐쇄되어 있으므로, 클로즈드 시스템에 가까운 환경을 구현하고 있다. 개구(H)가 형성되어 외부와 연통되어 있어 완전한 클로즈드 시스템은 아니지만, 실제 배터리 셀 폭발시에는 전해액 연소에 의하여 내부 가스가 급속히 발생하고 이 내부 가스가 외함(20) 내의 산소를 상기 개구(H)를 통하여 밀어내므로, 상기 외함(20) 내부는 무산소 환경 또는 무산소 환경과 거의 유사한 분위기를 조성할 수 있다.

한편, 배터리 셀(1) 폭발시에는 화염과 함께 스파크가 같이 발생한다. 통상 산소가 있는 환경에서는 화염이 발생하고, 무산소 환경에서의 연소시에는 스파크가 발생한다고 볼 수 있다. 하지만, 상기 폭발력 측정용 외함의 개구(H)를 통해서는 육안으로 식별할 수 있는 화염과 식별하기 곤란한 스파크가 동시에 표출되고, 이를 명확하게 구분하기 어려운 경우도 있다. 따라서, 본 명세서에서 언급되는 '화염'에는 순수한 화염뿐만 아니라, 스파크, 또는 스파크가 동시에 포함된 화염의 개념도 포함하는 것으로 한다.

도 3에서는 3P 전파 시험장치를 채용하고 있으므로, 볼트(12) 등에 의하여 배터리 셀(1)을 가열부재(13)에 장착하여 외함(20) 내에 상기 시험장치(10)를 수용하지만, 외함(20) 내에 가열부재 자체를 직접 장착하는 것도 가능하다. 이 경우에는 외함(20) 내에 장착된 가열부재에 배터리 셀(들)을 장착하기 위한 별도의 장착부재(예컨대, 볼트나 너트 등의 체결부재: 도시하지 않음)가 필요할 수 있다. 또한, 가열부재를 발열시키기 위하여 가열부재와 전선에 의하여 연결되는 전원 혹은 전원을 구비한 컨트롤러가 더 구비될 수 있다. 즉, 도 3의 3P 전파 시험장치 외에, 가열부재와 가열부재 상에 배터리 셀을 장착하기 위한 장착부재를 구비한 다른 형태의 배터리 셀 발화장치도 적용 가능하다. 상술한 바와 같이, 상기 가열부재는 외함과 별도로 구비되어 외함 내로 수용되는 것도 가능하며, 외함에 직접 설치되는 것도 가능하다.

상기 폭발력 측정용 외함(20)은 금속판과 같이 배터리 셀의 폭발력 및 화염에 견딜 수 있는 재질로 제조할 수 있다. 예컨대, 알루미늄판, 스틸판 등을 적용할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 필요에 따라, 텅스텐, 티타늄, 아연, 몰리브덴, 크롬 등 다른 금속원소를 포함한 합금재질의 금속판을 적용할 수 있다. 외함의 형상은 배터리 모듈의 형상을 모사하여 박스형태로 할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.

외함(20)에 형성되는 개구(H)의 크기나 형상도 특별히 한정되지 않는다. 다만, 시험에 적용되는 배터리 셀(1)의 크기나 폭발력 등을 감안하여 일정 배터리 셀에 적용되는 개구의 크기나 형상을 미리 설정하여 두면, 동일한 배터리 셀에 대한 반복시험시 시험조건을 표준화할 수 있다. 상기 개구(H)는 도 3과 같이 장방형 외에도 필요에 따라, 마름모형, 원형, 타원형 등 다른 모양으로 형성할 수 있다.

도 4 내지 도 6은, 본 발명의 배터리 셀 폭발력 정량화 툴(100)에 적용되는 폭발력 측정용 외함(20)의 구조들을 나타내는 개략도이다.

도 4의 외함(20)은 하부면이 개방된 박스 형태의 모양을 가진다. 즉 도 4의 외함은 상부판(21), 좌우측판(22,23) 및 전후측판(24,25)을 구비하고 하부면이 개방된 장방형의 박스 모양을 가진다. 박스 내부에는 배터리 셀 수용공간이 형성되며, 외함(20) 하부면의 개방부(O)를 통하여 배터리 셀(1)이나 가열부재 등을 수용할 수 있다. 또한, 하부면 외의 다른 측면 중 일측면, 본 실시예에서는 전측판(24)에 개구(H)가 형성된다. 도 4와 같이 상부판(21)이 아닌 4측면 중 하나에 개구(H)를 형성할 수도 있으며, 시험 목적에 따라 상부판(21)에 개구를 형성하는 것도 가능하다.

도 5는 도 4의 외함(20)의 개구(H)에 메쉬(M)가 설치된 형태이다.

도 4와 같이, 외함(20)에 개구(H)만 형성한 상태에서는 발화에 의한 화염을 일측면으로 유도하여 분출시킬 수 있지만, 화염이 상기 개구(H)를 통하여 발산되어 나가버리므로, 화염에 의한 분진양 등을 측정할 수 없다. 폭발력에 의한 파워는 화염 분출시간과도 관련이 있지만, 상기 분진량 등을 측정하여 파워를 추정할 수도 있다. 혹은 메쉬(M)의 파손 정도를 감안하여 파워를 추정하는 것도 가능하다. 개구(H)에 메쉬(M)를 설치하면 폭발시 메쉬(M)에 묻은 분진량을 측정할 수 있고, 또한 메쉬의 파손 정도를 육안으로 관찰할 수 있다. 따라서, 개구에 메쉬(M)를 설치하면, 배터리 셀의 폭발력 측정시 측정데이터와 상기 분진량 등을 대조하여 측정데이터를 검증할 수 있다. 이러한 면에서, 폭발력 측정용 외함(120)의 개구(H)에 메쉬(M)를 설치하는 것이 바람직하다.

상기 메쉬(M)는 불연재인 것이 바람직하다. 구체적으로, 구리, 알루미늄, 주철, 모넬(Ni+Cu), 스테인레스강 및 스틸 중 어느 하나의 재질을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 메쉬의 그물눈 형상도 마름모 형상뿐 아니라 정사각형, 직사각형 형상의 것도 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 메쉬 눈의 크기는 이른바 '메시'로 표현된다. 메시란 체의 구멍이나 입자의 크기를 나타내는 단위를 말하며, 1인치 사각형 안에 들어있는 그물눈의 수라고 할 수 있다. 본 발명에서 사용되는 메시의 크기는 측정 목적에 따라 상이하다. 메쉬를 통해 표출되는 화염을 측정하기 위한 것이라면, 지나치게 작은 그물눈의 것을 사용할 필요는 없다. 이 경우에는 예컨대 2 메시~30메시 정도의 그물눈을 사용할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 화염 표출보다는 외함 내의 스파크를 주로 측정하기 위한 것이라면, 보다 작은 메시를 채용할 수 있다. 예컨대, 40 메시 이상의 그물눈을 채용할 수 있다. 상기 메쉬는 상기 개구 둘레의 금속판에 용접 혹은 기타 체결부재에 의하여 외함 개구에 설치할 수 있다.

도 6은 폭발력 측정용 외함의 다른 구조를 나타내고 있다. 본 실시예에서는, 외함(30)의 하부면이 개방되어 있지 않은 점에서 도 4 및 도 5의 외함과 구별된다.

본 실시예에서는, 외함(30)이 상부면이 개방된 외함 본체(31)와 외함의 상부면을 덮어 밀폐하는 커버(32)로 구성된다. 따라서, 배터리 셀이 상기 외함 본체(31)의 상부면을 통하여 외함(30) 내에 설치될 수 있다. 개구(H)는 상기 외함 본체(31)의 일측면(전측면(31a))에 형성되며, 상기 외함 본체의 개구(H)에 메쉬(M)가 설치된다. 배터리 셀(1)을 외함 본체 내에 설치한 후 상기 커버(32)를 체결부재(도시하지 않음)에 의하여 외함 본체(31)에 단단히 체결하면, 외함(30)의 밀폐구조를 유지할 수 있고, 배터리 셀 폭발 시에도 외함(30)의 강성이 유지되어 안정적인 실험을 행할 수 있다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예의 배터리 셀 폭발력 정량화 툴을 나타내는 개략도이다.

상술한 바와 같이, 배터리 셀의 발화는 가열, 과충전, 외부 충격 또는 못 관통 등 다양한 방법에 의해서 행할 수 있다.

도 7의 배터리 셀 폭발력 정량화 툴(200)은, 배터리 셀 발화를 위해서 과충전을 행할 수 있는 충방전기(41)를 구비하고 있다. 즉, 폭발력 측정용 외함 내에 설치된 배터리 셀(1)과 충방전기(41)를 전기적으로 연결하고, 상기 배터리 셀을 설정 전압 이상으로 과충전하여 배터리 셀을 발화시킨다. 따라서, 이 경우는 상기 충방전기(41)가 배터리 셀 발화장치를 구성한다. 충방전기의 보호를 위하여 상기 충방전기(41)는 폭발력 측정용 외함(20)의 외부에 설치한다. 필요에 따라, 배터리 셀의 신속한 발화를 위하여, 과충전과 함께 가열 방식을 병용할 수 있다. 이를 위하여, 본 실시예에서는 가열부재(43)가 더 구비된다. 상기 가열부재(43)는 상기 외함(20) 내에 설치되고 상기 가열부재(43) 상에 배터리 셀(1)이 장착된다. 이 경우는 상기 충방전기(41)와 가열부재(43)가 함께 배터리 셀 발화장치를 구성할 수 있다. 가열부재(43)의 제어를 위하여 제어부(42)가 외함 외부에서 상기 가열부재(43)와 연결 설치될 수 있다. 상기 제어부(43)는 상기 가열부재(43) 및 충방전기(41)를 통합 제어하는 것일 수 있다.

본 실시예에서도, 상술한 형태의 폭발력 측정 외함(20)을 적용할 수 있다. 본 실시예에 의하여, 충방전기에 의한 과충전과 가열부재에 의한 가열에 의하여 외함 내에 설치된 배터리 셀을 보다 신속하게, 또한 원하는 발화조건(과전류조건, 가열온도 조건)에 따라 발화시킬 수 있다.

이상, 가열이나 과충전방식에 의한 배터리 셀 발화장치를 포함하는 배터리 셀의 폭발력 정량화 툴에 관하여 설명하였다. 하지만, 상술한 바와 같이, 상기 가열 및/또는 과충전과 별도로 또는 이와 함께, 외부에서 중량물(예컨대, 소정 무게의 추)로 충격을 가하여 배터리 셀을 발화시키거나 혹은 날카로운 못으로 배터리를 찔러 관통하여 발화시키는 등의 장치도 적용 가능하다. 충격이나 못 관통을 위해서 필요한 부재를 상기 폭발력 측정용 외함 내에 설치할 수 있다. 다만, 상기 필요한 부재 등은 당해 기술분야에서 공지된 것이므로, 그에 관한 구체적인 설명은 생략한다. 중요한 것은, 배터리 셀의 폭발력을 일면으로 유도하여 발산시킬 수 있는 폭발력 측정용 외함을 이용하여 배터리 셀의 폭발력 정량화 툴을 구현하는 것이다.

본 발명의 일측면으로서의 배터리 셀의 폭발력 측정방법은, 배터리 셀 발화장치에 배터리 셀을 연결 설치하는 단계(S10); 상기 배터리 셀 발화장치로 배터리 셀을 발화시키되, 상기 발화에 의한 화염을 상기 배터리 셀의 일측으로만 발산되도록 유도하는 단계(S20); 상기 배터리 셀의 일측으로 발산되는 화염의 분출시간을 측정하는 단계(S30); 및 상기 배터리 셀이 화염을 통하여 방출한 에너지를 상기 분출시간으로 나누어 시간당 방출되는 배터리 셀의 에너지인 파워를 계산하고 상기 파워에 의하여 배터리 셀의 폭발력을 정량평가하는 단계(S40)를 포함한다.

상술한 바와 같이, 종래에는 배터리 셀의 폭발력 측정시 폭발에 의한 화염이 사방으로 퍼지고 오픈 시스템이어서 폭발력을 정확하게 측정할 수 없었다.

폭발력을 측정하기 위해서는, 폭발력 측정조건이 일정해야 한다. 이를 위해서, 폭발력에 의한 화염을 일측으로 발산되도록 할 필요가 있다. 화염이 일측으로 발산되는 일정한 조건 하에서 화염의 분출시간을 정량 측정할 수 있다. 화염의 분출시간은 폭발력 정량평가를 위하여 중요한 인자이다. 예컨대, 배터리 셀이 가진 에너지가 동일한 경우, 매우 짧은 시간에 연소한다는 것은 초당 방출되는 에너지가 커서 폭발력이 크다는 것을 의미하며, 천천히 연소하는 경우에 반대로 폭발력이 작다는 것을 의미한다. 따라서, 배터리 셀의 화염 분출시간을 측정하여 그 배터리 셀의 에너지와 대비하면 당해 배터리 셀의 폭발력을 측정할 수 있다. 예컨대, 동일한 조성의 양극재를 구비한 배터리 셀이라 하더라도 상기 화염 분출시간에 의하여 그 폭발력이 다르게 측정할 수 있다. 그러나, 종래에는 상술한 바와 같이, 폭발력 측정조건이 실제 배터리 모듈 내부를 모사한 환경(클로즈드 시스템, 무산소환경)이 아니었고, 화염도 여러 면에서 분출하여 일정한 조건에서 화염분출을 측정할 수가 없었다. 따라서, 다른 조성의 양극재를 구비한 배터리 셀은 물론, 동일 내지 유사한 조성을 가지는 배터리 셀의 폭발력을 측정 내지 정량평가할 수 없었다.

본 발명의 배터리 셀의 폭발력 측정방법은, 상기의 기술적과제를 해결하기 위하여, 폭발력 측정 환경을 특정하여 화염의 분출시간을 정량 측정할 수 있도록 한 점에 특징이 있다.

배터리 셀의 폭발력 측정을 위한 첫번째 단계로서, 먼저 배터리 셀 발화장치에 배터리 셀을 연결 설치한다(S10단계). 이 경우, 상기 배터리 셀 발화장치는, 상술한 바와 같이, 가열, 과충전, 외부 충격 및 못 관통 중 적어도 하나의 방법에 의하여 배터리 셀을 발화시키는 것일 수 있다. 즉, 도 3의 3P 전파 시험장치(10)와 같이, 히팅 패드를 가열부재(13)로 채용하여 3개로 적층된 배터리 셀(1)들을 최하부의 히팅 패드로 소정의 승온속도로 가열하여 배터리 셀에 순차적으로 열폭주를 일으켜 화염을 발생시킬 수 있다. 혹은 도 7과 같이 배터리 셀에 전기적으로 연결된 충방전기(41) 및/또는 배터리 셀을 가열하는 가열부재(43)를 설치하여 과충전 혹은 과충전과 가열을 병행하여 배터리 셀을 발화시킬 수 있다. 그 외에 상술한 외부 충격 및 못 관통과 같은 방법을 단독으로 혹은 상기 가열 또는 과충전과 병행함으로써, 상기 배터리 셀을 발화시킬 수 있다.

다음에 상술한 배터리 셀 발화장치로 배터리 셀을 발화시키되, 상기 발화에 의한 화염을 상기 배터리 셀의 일측으로만 발산되도록 유도한다(S20). 이를 위하여, 상기 배터리 셀을 일측면에 개구가 형성된 챔버 내에 설치하고 이 개구를 통하여 화염이 발산되도록 할 수 있다. 즉, 가열부재나 충방전기에 의하여 배터리 셀을 개구가 형성된 챔버 내에서 발화시키면 그 발화에 의한 화염이 상기 개구를 통해서만 분출되므로, 화염 측정조건이 특정될 수 있다. 상기 챔버는 일측면에 개구가 형성된 박스형의 상기 외함(20,30)이 될 수 있다. 즉, 도 4 내지 도 6에 도시된 폭발력 측정용 외함(20,30)을, 폭발력 측정을 위한 챔버로 적용할 수 있다. 이러한 외함(20,30)은 배터리 셀을 외부와 차단하는 클로즈드 시스템으로 할 수 있으며, 상기 개구(H)를 통해서만 화염이 분출되므로 배터리 셀의 일측으로만 화염이 분출되게 유도할 수 있다.

이 경우, 상기 개구(H)에 메쉬(M)를 설치하면, 화염(스파크)에 의한 분진이나 잔여물질이 상기 메쉬에 부착되므로, 이러한 분진이나 잔여물질양을 측정하여 배터리 셀의 폭발력을 추정할 수 있다.

한편, 배터리 셀은 상기 챔버(외함) 내에 1개 설치할 수도 있지만, 복수개 설치할 수 있다. 복수개의 배터리 셀을 외함에 설치하면, 복수개의 배터리 셀이 설치된 배터리 모듈 내지 배터리 팩에서의 폭발 거동을 모사하여 실험할 수 있다. 에컨대, 배터리 모듈의 내유소 실험인 3P 전파시험장치와 같이 3개의 배터리 셀을 적층하여 이를 발화시키면, 배터리 셀 간의 화염전파 여부, 시간를 측정하여 배터리 모듈 내의 유소성을 판단할 수 있을 뿐 아니라, 배터리 모듈의 폭발력도 정량 평가할 수 있다.

다음으로, 상기 배터리 셀의 일측으로 발산되는 화염의 분출시간을 측정한다(S30단계).

상술한 바와 같이, 동일한 활물질 조성 또는 동일한 에너지를 가진 배터리 셀이라 하더라도 화염 분출시간에 따라 그 폭발력이 다르게 평가될 수 있다. 본 발명에서는 이러한 화염의 분출시간을 화염이 일측으로 발산되는 조건 하에서 측정하므로, 배터리 셀에 따라 그 분출시간을 보다 객관화하여 측정할 수 있다. 즉, 각 배터리 셀을 동일한 화염분출조건에서 그 분출시간을 측정하므로, 화염의 폭발력을 보다 정확하게 측정할 수 있는 것이다. 예컨대, 상기 개구(H) 혹은 메쉬(M)가 부착된 개구(H)를 통하여 화염이 분출될 때 3P 전파 시험의 경우 배터리 셀이 3개 구비되어 순차적으로 3회 발화하여 화염이 발생하므로, 이 화염 분출시간을 모두 더하여 당해 배터리 셀(모듈)의 화염 분출시간을 측정한다. 화염 분출시간은 시험자가 육안으로 화염 분출상황을 보면서 직접 측정할 수도 있다. 혹은, 예컨대 카메라와 같은 촬영수단으로 외함 및 화염을 촬영하고 카메라에 기록된 시간으로 화염 분출시간을 파악할 수도 있다. 배터리 셀이 열 폭주시에는 전압이 강하하므로, 배터리 셀의 전압 강하시간으로 화염 분출시간을 추정할 수 있다. 필요에 따라, 카메라 등에 기록된 화염 분출시간과 배터리 셀의 전압 강하시간을 대비하여 보다 정확한 화염 분출시간을 결정할 수 있다.

마지막으로 상기 배터리 셀이 화염을 통하여 방출한 에너지를 상기 분출시간으로 나누어 시간당 방출되는 배터리 셀의 에너지인 파워를 계산하고 상기 파워에 의하여 배터리 셀의 폭발력을 정량평가한다(S40).

상기 배터리 셀이 화염을 통하여 방출한 에너지는, 상기 배터리 셀의 전기적 에너지와 화학적 에너지의 합으로 계산될 수 있다. 배터리 셀의 에너지는 배터리 셀이 소정 SOC로 충전되었을 때의 전기적 에너지(Wh로 표현됨)와, 배터리 셀에 포함된 양극재(양극활물질)의 발열량으로 표현되는 양극재 반응에너지, 음극재의 반응에너지, 그리고 전해액의 연소에너지와 같은 화학적 에너지로 정의할 수 있다.

상기 전기적 에너지는 배터리 셀의 용량과 전압에 따라 해당 배터리의 종류에 따라 미리 설정된 값이다. 즉, 배터리 셀의 정격용량 및 작동전압에 따라 해당 배터리 셀의 전기적 에너지는 미리 설정되어 있다. 또한, 배터리 셀의 전기적 에너지는 충방전에 따른 SOC 용량(%)에 따라 달라진다. 따라서, 폭발력 측정시 측정되는 배터리 셀들의 SOC를 달리하여 SOC에 따른 폭발력 내지 폭발력 변화를 측정할 수 있다.

배터리 셀의 화학적 에너지 역시 SOC에 따라 가변된다. 예컨대 SOC를 100%로 만충전한 경우, 배터리 셀의 전기적 에너지 뿐만 아니라 화학적 에너지도 최대로 된다. 상기 화학적 에너지는, 양극재의 반응에너지, 음극재의 반응에너지, 전해액의 연소에너지로 구분된다. 예를 들어, 3P 전파 시험에서는 배터리 셀을 200℃ 이상의 온도로 가열하여 열폭주시킨다. 이 경우, 상기 음극재는 SEI 막이 분해되는 등 100℃의 온도에서 미리 소모되어 버린다. 즉, 열폭주에 의한 화염 발생 전에 상기 음극재의 반응에너지는 손실되므로, 3P 전파 시험 시의 화염을 통하여 방출된 에너지에는 상기 음극재의 반응에너지는 포함되지 않는다. 화염은 양극재 반응 등에 의하여 외함 내에서 발생한 스파크가 전해액이 증발한 가스와 반응하여 발생하거나, 혹은 외함 외부의 산소와 상기 스파크가 반응하여 발생한다. 따라서, 3P 전파 시험 시의 화염을 통하여 방출된 화학적 에너지에는 상기 양극재 반응 에너지, 전해액의 연소에너지가 포함된다.

구체적으로, 상기 배터리 셀 폭발력 정량화 툴 및 측정방법에 의한 배터리 셀의 발화 내지 화염발생과정을 검토한다. 예컨대 상기 도 3의 3P 전파 시험장치의 배터리 발화장치(10)를 구비한 폭발력 정량화 툴(100)로 폭발력을 측정하는 경우를 상정한다. 3P 전파 시험장치의 히팅패드로 배터리 셀을 분당 소정 승온속도로 가열하면 대략 120~130℃ 정도에 배터리 셀(예컨대 파우치형 배터리 셀) 내부의 전해액이 가스화되어 배터리 셀에 구비된 가스 포켓 등으로부터 가스 벤팅이 시작된다. 이후 온도가 더욱 상승하여 180~200℃ 정도가 되면 기화되지 않은 나머지 전해액도 순식간에 기화하여 외함 밖으로 배출되며, 이 때 배터리 셀들과 외함 사이 대기는 상기 가스에 의하여 밀려나오므로 무산소 환경 내지 이에 매우 근사한 환경이 된다. 이후 수초간 연기가 발생하면서 수백도까지 온도가 상승하여 화염 내지 스파크가 발생한다.

상기 양극재의 반응에너지는 배터리 셀이 보유한 양극 활물질의 양(g)에 g당 양극 활물질의 발열량의 곱으로 표현할 수 있다. 상기 발열량은 양극 활물질을 시차주사열량분석법(DSC: Differential Scanning Calorimetry)에 의하여 측정한 g당 주울열로 계산할 수 있다. 상기 전해액의 연소에너지는 연소액의 양(g)과 연소액 조성에 따라 결정되는 발열량의 곱으로 표현할 수 있다.

이상과 같은 배터리 셀의 에너지(화학적 에너지 및 전기적 에너지)는 화염 발생시 그 화염을 통하여 외부로 분출되며, 이 경우 배터리 셀의 전압은 급격히 저하된다. 상기 에너지는 소정의 화염 분출시간 동안 외부로 화염을 통하여 발산되고, 화염(스파크) 소멸시 모두 소모되는 것으로 간주한다. 화염되고 남은 잔여 물질의 에너지는 무시할 수 있을 정도이므로, 상술한 폭발력 측정에서는 배제하여 계산한다.

S40단계에서는, 상기 배터리 셀의 방출 에너지를 분출시간으로 나누어 배터리 셀의 파워(power)를 계산한다. 배터리 셀이 보유한 에너지 혹은 배터리 셀이 화염을 통하여 방출한 에너지가 크면 통상 폭발력도 크다고 추정할 수 있다. 하지만, 동일한 조성의 활물질을 가진 배터리 셀, 동일한 보유 에너지의 배터리 셀도 실제로는 그 화염 분출시간이 상이한 경우가 많다. 상술한 바와 같이, 동일한 방출에너지 총량을 가지는 배터리 셀이라도 초당 방출되는 에너지가 크다면 폭발력이 크고 그 에너지가 작다면 폭발력이 작다고 할 수 있다. 따라서, 배터리 셀의 방출 에너지만으로는 배터리 셀의 폭발력을 정확하게 표현하거나 정량평가하는데 한계가 있다. 본 발명의 배터리 셀 폭발력 측정방법은, 배터리 셀의 방출 에너지를 화염 분출시간으로 나누어 파워를 계산하여 이 파워에 의하여 배터리 셀의 폭발력을 정량평가한 것에 기술적의미가 있다. 즉, 본 발명의 측정방법은 배터리 셀의 발화시 화염을 일측으로만 발산되도록 유도하여 그 분출시간을 특정하여 측정하고, 동시에 배터리 셀이 방출하는 에너지를 상기 화염 분출시간으로 나누어 파워를 추출하고 이 파워에 의하여 폭발력을 평가함으로써, 양극재의 조성이 상이한 배터리 셀은 물론, 양극재의 조성이 동일한 배터리 셀도 그 폭발력을 구분하여 평가할 수 있다는 장점이 있다.

이하에서는 본 발명의 배터리 셀 폭발력 정량화 툴 및 측정방법에 따른 실시예를 설명한다.

실시예

도 3의 3P 전파 시험장치(10)를 배터리 셀 발화장치로 하고, 상기 3P 전파 시험장치를 일측면에 메쉬(M)를 구비한 개구(H)가 형성된 폭발력 측정용 외함(20) 내에 설치하였다.

실험을 위하여 카트리지 타입의 모듈을 모사하여 사내에서 제작한 세로 35cm, 가로 10cm, 두께 1.6cm의 파우치형 배터리 셀(1) 3개를 사용하였다. 상기 배터리 셀 내에는 분리막-음극-분리막-양극-분리막의 스택용 단위셀을 40개 적층한 스택형 전극 조립체를 내장하였다. 상기 배터리 셀을 최하부로부터 1번 셀(Cell#1), 2번 셀(Cell#2), 3번 셀(Cell#3)의 순서로 적층하고, 모듈 내에서의 배터리 셀의 가압구조를 상정하여 적층된 배터리 셀(1)의 상부와 하부에 소정 두께의 알루미늄판(11)을 볼트(12)로 체결하여 배터리 셀(1)을 가압한다. 또한, 상하부의 알루미늄판(11)과 배터리 셀 사이, 적층된 배터리 셀의 사이에 알루미늄 냉각판(ACP)을 설치하였다. 최하단의 배터리 셀(1)과 알루미늄판(11) 사이에 히팅 패드(13)(㈜핫코우사 제조 실리콘 히터 SBH2012)를 설치하고, 이 히팅 패드(13)를 발열시켜 분당 7도의 승온속도로 배터리 셀(1)을 200℃ 이상의 온도까지 가열하여 열 폭주를 일으킨다. 배터리 셀 간에 급속하게 화염이 전파되는 것을 방지하기 위하여, 상기 배터리 셀 사이에 운모 시트(2)를 설치하였다. 상기 운모 시트로서는 0.2mm 운모 시트를 2장 겹친 것을 사용하였다, 온도측정을 위하여 각 배터리 셀(1) 사이에 서모 커플(미도시)을 설치하였다.

폭발력 측정용 외함(20)으로서는 알루미늄판을 용접하여 제작한 박스 형상의 외함을 사용하였다. 가로, 세로 및 높이 치수가 40×15×15cm인 외함의 정면에 가로 20cm, 폭 10cm의 개구를 형성하고, 상기 개구에 스테인레스제의 메쉬(20메시)를 부착하여 상기 개구로부터의 화염 분출시간을 측정하였다.

실시예로서 니켈 함량이 상이한 NCM(니켈-코발트-망간)계 양극재를 포함하는 배터리 셀(모델 A,B,C,D,E)을 3P 전파 시험에 적용하였다. 모델 A로부터 모델 E로 갈수록 니켈 함량이 증가하며, 모델 B,C와 모델 D,E는 양극재 조성이 동일하다. 특히, 모델 D,E는 니켈 함량을 60% 이상 포함하는 하이니켈 모델이다.

모델 A~E에 포함되는 전해액은 에틸렌 카보네이트(EC) 및 에틸메틸 카보네이트(EMC)를 30:70의 부피비로 혼합한 용매에 1M의 LiPF₆가 용해된 것이다. 계산의 편의를 위하여, 모델 A~E의 배터리 셀에 포함되는 전해액은 모두 동일한 조성으로 하였고, 주액되는 전해액의 양도 210±5g의 범위 내로서 거의 차이가 없다. 따라서, 모델 A~E가 방출하는 전해액의 연소에너지는 거의 동일하므로, 모델 간의 폭발력 비교를 위한 배터리 셀의 방출에너지 계산에서는 상기 전해액의 연소에너지는 상수로서 간주하여 제외하였다. 이에 의하여, 폭발력에 큰 영향을 미치는 양극재, 특히 니켈 함량에 따른 폭발력의 차이를 정량 비교할 수 있다. 물론, 모델별로 전해액의 조성, 함량이 상이한 경우는 해당 전해액의 연소에너지도 화염을 통하여 방출한 에너지에 포함시켜 계산하여야 할 것이다.

모델 A~E를 SOC 100%로 충전한 경우의 전기적 에너지와, DSC 분석에 의하여 측정한 양극재의 화학적에너지를 나타내면 하기 표 1과 같다.

Model	Electrical Energy (Wh)	1Cell당 양극활물질양(g)	양극재 DSC 결과	양극재 화학적에너지(Wh)	Cell 방출에너지 (Wh)
모델 A	233	424	400J/g	47	280
모델 B	236	415	500J/g	58	294
모델 C	266	479		67	333
모델 D	247	456	910J/g	115	362
모델 E	260	480		121	381

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 1개의 배터리 셀이 방출한 에너지는 모델 A에서 E로 갈수록 점진적으로 커지므로, 각 배터리 셀의 폭발력도 일응 모델 A에서 모델 E로 갈수록 커질 것으로 추정된다.

그러나, 상기 각 모델의 배터리 셀을 3개씩 적층하여 3P 전파시험장치로 발화시키고, 상기 외함의 일측면에 형성되며 메쉬가 부착된 개구로 배출된 화염의 분출시간(셀 연소시간)을 측정한 다음, 상기 배터리 셀의 방출 에너지를 상기 분출시간으로 나누어 파워를 계산한 결과는 표 1의 결과와 상이하다.

표 2는 모델 A~E 각각에 대한 3개의 배터리 셀(3P Cell)의 방출 에너지의 합계를, 상기 3개의 배터리 셀의 각 연소시간(화염 분출시간)을 합산한 셀 연소시간으로 나누어 파워(kw)를 계산한 결과를 나타낸 것이다.

Model	Cell방출에너지 (Wh)	3P Cell 방출 Energy 합계(Wh)	Cell 연소시간(화염분출시간) (sec)	Power(kw)
모델 A	280	840	70	43.2
모델 B	294	882	65	48.8
모델 C	333	999	82	43.9
모델 D	362	1086	66	59.2
모델 E	381	1143	76	54.1

표 2에서 명확한 바와 같이, 양극재 조성이 동일한 모델 B,C의 경우 3P 셀 방출 에너지의 합계는 모델 C가 더 크지만 셀 연소시간으로 나누었을 때의 파워는 모델 B가 더 크다. 이는 모델 B의 초당 방출되는 에너지, 즉 폭발력이 더 크다는 것을 의미한다.

또한, 양극재 조성이 동일한 모델 D,E의 경우에도 3P 셀 방출 에너지의 합계는 모델 E가 더 크지만 셀 연소시간으로 나누었을 때의 파워는 모델 D가 더 크며, 이는 모델 D의 폭발력이 더 크다는 것을 의미한다.

도 8은 본 발명의 배터리 셀 폭발력 측정방법에 따라 측정된 배터리 셀들의 폭발력을 정량화하여 나타낸 그래프이다. 도 8은, 상기 모델 A~E에 대하여 각 모델별 방출 에너지와 파워를 대비하여 나타낸 그래프이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 하이니켈 모델이 로우니켈 모델에 비하여 방출 에너지 및 파워가 더 큰 것을 알 수 있다. 또한, 동일한 양극재 조성의 모델(B,C와 D,E)의 경우에도 배터리 셀의 폭발력(파워)을 정량적으로 차등을 두어 평가할 수 있다. 상기 표 1,2 및 도 8의 결과로부터 셀의 방출 에너지만으로 당해 배터리 셀의 폭발력을 정확하게 파악할 수 없으며, 화염 분출시간을 고려하였을 때, 보다 정확하게 배터리 셀의 폭발력을 측정 내지 정량평가할 수 있다는 것을 알 수 있다.

이상, 도면과 실시예 등을 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하였다. 그러나, 본 명세서에 기재된 도면 또는 실시예 등에 기재된 구성은 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

1: 배터리 셀
2: 운모 시트
10: 배터리 셀 발화장치(3P 전파 시험장치)
11: 알루미늄판
12: 볼트
13: 가열부재(히팅패드)
ACP: 알루미늄 냉각판
14: 컨트롤러
20: 폭발력 측정용 외함
21: 상부판
22,23: 좌우측판
24,25: 전후측판
O: 개방부
H: 개구
M: 메쉬
30: 폭발력 측정용 외함
31: 외함 본체
31a: 전측면
32: 커
40: 배터리 셀 발화장치
41: 충방전기
42: 제어부
43: 가열부재
100, 200: 폭발력 정량화 툴

Claims (16)

1. 배터리 셀에 연결되어 배터리 셀을 발화시키는 배터리 셀 발화장치; 및
   상기 배터리 셀이 수용되고, 일측면에 배터리 셀 발화에 의한 화염이 외부로 표출될 수 있는 개구가 형성되는 폭발력 측정용 외함을 포함하는 배터리 셀의 폭발력 정량화 툴.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 배터리 셀 발화장치는, 가열부재와, 상기 가열부재 상에 배터리 셀을 장착하기 위한 장착부재를 포함하고,
   상기 가열부재와 장착부재는 상기 폭발력 측정용 외함 내에 설치되는 배터리 셀의 폭발력 정량화 툴.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 배터리 셀 발화장치는 상기 가열부재와 연결되어 상기 가열부재를 제어하는 컨트롤러를 더 포함하고,
   상기 컨트롤러는 상기 폭발력 측정용 외함의 외부에 설치되는 배터리 셀의 폭발력 정량화 툴.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 배터리 셀 발화장치는, 3P 전파(propagation)시험장치인 배터리 셀의 폭발력 정량화 툴.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 개구에 메쉬가 설치되는 배터리 셀의 폭발력 정량화 툴.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 외함은 내부에 배터리 셀 수용공간을 가지고, 하부면이 개방되며, 하부면 외의 다른 측면 중 일측면에 개구가 형성되는 배터리 셀의 폭발력 정량화 툴.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 외함은 상부면이 개방된 외함 본체와, 상기 외함의 상부면을 덮어 밀폐하는 커버를 포함하고, 상기 외함 본체의 일측면에 개구가 형성되는 배터리 셀의 폭발력 정량화 툴.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 배터리 셀 발화장치는 상기 배터리 셀과 전기적으로 연결되어 과충전에 의하여 배터리 셀을 발화시키는 충방전기를 포함하고,
   상기 충방전기는 상기 폭발력 측정용 외함의 외부에 설치되는 배터리 셀의 폭발력 정량화 툴.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 배터리 셀 발화장치는 상기 배터리 셀을 가열하는 가열부재를 더 포함하고,
   상기 배터리 셀은 상기 충방전기에 의한 과충전과 상기 가열부재에 의한 가열에 의하여 발화되는 배터리 셀의 폭발력 정량화 툴.
   
10. 배터리 셀 발화장치에 배터리 셀을 연결 설치하는 단계(S10);
    상기 배터리 셀 발화장치로 배터리 셀을 발화시키되, 상기 발화에 의한 화염을 상기 배터리 셀의 일측으로만 발산되도록 유도하는 단계(S20);
    상기 배터리 셀의 일측으로 발산되는 화염의 분출시간을 측정하는 단계(S30); 및
    상기 배터리 셀이 화염을 통하여 방출한 에너지를 상기 분출시간으로 나누어 시간당 방출되는 배터리 셀의 에너지인 파워를 계산하고 상기 파워에 의하여 배터리 셀의 폭발력을 정량평가하는 단계(S30)를 포함하는 배터리 셀의 폭발력 측정방법.
    
11. 제10항에 있어서,
    상기 배터리 셀 발화장치는, 가열, 과충전, 외부 충격(impact) 및 못 관통 중 적어도 하나의 방법에 의하여 배터리 셀을 발화시키는 것인 배터리 셀의 폭발력 측정방법.
    
12. 제10항에 있어서,
    상기 배터리 셀은 일측면에 개구가 형성된 챔버 내에 설치되고, 상기 개구를 통하여 화염이 발산되는 배터리 셀의 폭발력 측정방법.
    
13. 제11항에 있어서,
    상기 챔버는 일측면에 개구가 형성된 박스형의 외함으로 형성되는 배터리 셀의 폭발력 측정방법.
    
14. 제12항에 있어서,
    상기 개구에 메쉬가 설치되는 배터리 셀의 폭발력 측정방법.
    
15. 제12항에 있어서,
    상기 배터리 셀은 챔버 내에 복수개 설치되는 배터리 셀의 폭발력 측정방법.
    
16. 제10항에 있어서,
    상기 배터리 셀이 화염을 통하여 방출한 에너지는, 상기 배터리 셀의 전기적 에너지와 화학적 에너지의 합인 배터리 셀의 폭발력 측정방법.

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