리튬이온 전지의 ESS로 사용할 경우 안전의 문제점과 대책

리튬이온 전지

리튬이온 전지는 충전과 방전 과정에서 리튬 이온이 양극과 음극 사이를 이동하며 에너지를 저장하고 방출하는 원리로 작동합니다.

• 충전: 외부에서 전기에너지를 공급하면 리튬 이온이 양극에서 음극으로 이동하며 음극에 저장됩니다.
• 방전: 외부 회로에 전기를 공급하기 위해 음극에 저장된 리튬 이온이 양극으로 이동하며 전기에너지를 방출합니다.

리튬이온 전지의 특징

• 높은 에너지 밀도: 작은 부피에 많은 에너지를 저장할 수 있어 휴대용 기기에 적합합니다.
• 높은 출력: 높은 전력을 빠르게 공급할 수 있어 전기 자동차 등에 활용됩니다.
• 긴 수명: 반복적인 충방전에도 성능 저하가 적습니다.
• 높은 작동 전압: 다른 이차전지에 비해 높은 작동 전압을 가지고 있습니다.
• 경량화: 무게가 가벼워 휴대성이 좋습니다.

리튬이온배터리의 구조 및 원리

• 배터리는 전기화학작용에 의한 산화, 환원반을을 톤해 화학에너지를 전기에너지로 변화시키는 장치이다.
• 이를 위해서는 전기화학 반응이 일어날 수 있도록 배터리의 4개 구성요소인 음극, 양극, 전해질, 분리막이 다음 리튬이온배터리의 일반적 그림과 같이 구성되어 있어야 한다
• 리튬이온배터리는 리튬산화물로 양극을 만들고 탄소화합물로 음극을 만든다. 양극과 음극에서 리튬이온이 이동할 수 있는 매개체 역할을 할 수 있도록 전해액을 넣어주며, 양극과 음극이 직접 접촉되는것을 방지하기 위해 분리막을 설치한다
• 전해질로 액체전해질을 사용할 경우 이를 리튬이온 배터리라 하며, 고분자 전해질을 사용하면 리튬폴리머 배터리라 부른다.

• 리튬이온 배터리의 충방전은 양극, 음극간을 리튬이온이 이동하여 삽입 또는 탈리하여 전자의 주고받음을 행하는 원리에 의한다. 즉 충전시에는 양극활물질인 LiCoO₂(리튬산화코발트)에서 탈리된 리튬이온전자가 각각 전해질과 외부도선을 통하여 음극으로 이동하여 탄소 내에서 다시 결합하게 된다

• 양극활물질의 산화반응에 의해 발생된 전자와 리튬이온이 각각 외부회로와 전해질을 통해 음극으로 이동하여 음극활물직의 비자발적 환원이 일어나게 되며 그 결과 화학에너지로 저장되는 것이다.

• 반대로 방전시에는 자발적인 반응이 진행되며 충전된 두개의 전극활물질의 전위차에 의해 양극활물질이 환원되고 음극활물질이 산화되는반응이 일어난다. 방전 시 음극활물질의 자발적인 산화에 의해 제공된 전자는 회부회로를 통해 이동하면서 기기를 자공시킨 후 양극활물질을 환원시킨다.

• 동시에 음극활물질에서 탈리된 리튬이온은 전해질을 통해서 이동하여 양극활물질로 삽입된다. 다음 리튬이온 배터리의 충,방전과정 그림은 LiCoO₂(리튬산화코발트)을 양극, 탄소를 음극으로 하는리튬이온 배터리의 반응을 나타낸것이다.

• 제조공정에서 실시되는 첫충전에 의해 양극의 LiCoO₂로 부터 리튬이온이 음극의 탄소재로 이동한다

첫충전

그 후의 방전 충전 반응은 음극과 양극사이를 리튬이온이 이동하는 것에 의하여 일어나게 된다

위험성

1)열적위험

• 리튬이온 배터리의 내부소재인 전해질과 전해질첨가제는 약 60[℃]부근에서 분해되기 시작하며, 온도가 더욱 상승하여 약 100[℃]까지 상승하면 리튬이온 배터리의 탄소음극표면에 생성된 SEI막이 분해되면서 내부에서 발열이 시작되며, 이로인해 분리막이 용융되어 배터리의 내부단락이 발생될 수 있다

• 분리막의 융점은 PE의 경우 125[℃], PP는155[℃]정도이다. 내부단락이 발생되면 음극으로부터 양극으로의 급격한 전자의 이동이 일어나면서 전기저항에 의한 줄열이 발생함과 동시에 음극피막 및 음극 피막과 충전된 음극과 전해질의 화학반응에 의해 발열이 발생된다. 이것이 촉매제 역할을 하게 되어 결국 양극제에서의 열에 의한 붕괴가 일어나고 폭발적인 발열반응이 발생한다

2)과충전에 의한 위험

• 과충전은 배터리의 정상적인 작동전압 이상으로 충전되는 현상으로서 충전기 또는 보호회로의 오동작으로 인해 발생되는 경우가 많다. 과충전 상태가 되면 양극의 전위가 상승하고 전위값이 전해질의 분해전위 이상이 되어 발열을 동반한 전해질의 산화 발열반응이 발생된다.

• 또한 과충전시 양극에서 리튬이온이 과도하게 석출되어 배터리내부 전해질의 리튬이온 농도가 증가하게 된다. 양극에서 리튬이온이70[℃]이상 빠져나와 음극에 삽이되지 못한 리튬이 전해질에 녹아 리튬의 농도가 일정수준이상으로 높아지게 되면 포화수준을 넘긴 상태에서 수지상의 석출물이 생성된다. 이러한 수지상의 석출물이 배터리내에서 만들어지게 되면 분리막을 찟고 배터리 내부단락을 발생시키거 된다.

3)과방전에 의한 위험

• 방전이란 음극인 흑연에서 리튬이온이 빠져나가는 현상이며, 과방전은 배터리의 방전제한전압 이하까지 방전되는 현상이다.

• 흑연 속에서 리튬이 모두 빠져나간 후에도 계속방전이 이루어지면 동박이 산화되면서 구리이온이 전해액으로 빠져나오게 된다.

• 전해액에 녹아있는 구리금속이온은 배터리내에서 분리막을 뚫고 내부단락을 발생시킬 수 있다.

4)고전류 방전에 의한 위험

• 방전은 음극에서 리튬이온이 탈리되어 양극으로 삽입되는 화학반응이며, 이러한 화학반응은 그 자체가 자발적인 발열반응이다.

• 방전에 의한 화학반응에 의해 배터리내부에서 열이 발생되면 배터리 내부의 리튬이온이 단위시간당 많은 전하량이 방전되는경우 배터리각 셀의 방열보다 발열이 더욱높아 배터리는 열적 위험에 놓이게 된다

5)물리적 손상으로 인한 위험

• 리튬이온 배터리가 찍힘, 눌림, 꺽임, 과도한압력등의 물리적 손상을 입는 경우 배터리 내부에서 단락이 발생되어 화재로 진행될 수 있다.

• 이러한 물리적 손상의 원인은 생산과정에서 발생할 수도 있지만, 대부분 배터리를 사용하는 과정에서 사용자의 실수로 발생되는 경우가 더욱 많다.

6)제조과정 중 위험

• 리튬이온 배터리의 제조공정은 크게 전극 제조공정, 전지 제조공정 그리고 화성공정으로 이루어져 있다. 화성공정 중 보관하는 과정에서 화재 및 폭발사고가 종종 발생된다.

• 이러한 사고의 원인은 제조공정중 이물질이 배터리 내부로 침투 또는 비정상적인 수지상 석출물 발생으로 인한 내부단락으로 추정된다.

리튬이온 전지의 안전 대책

리튬이온 전지는 높은 에너지 밀도로 인해 화재나 폭발의 위험이 존재합니다. 이러한 위험을 최소화하기 위해 다음과 같은 안전 대책이 필요합니다.

• 배터리 관리 시스템(BMS): 배터리의 온도, 전압, 전류 등을 실시간으로 모니터링하여 이상 발생 시 경고 또는 차단 기능을 수행합니다.
• 안전 설계: 짧은 회로, 과충전, 과방전 등을 방지하기 위한 안전 설계가 필요합니다.
• 외부 충격 방지: 외부 충격으로 인한 내부 단락을 방지하기 위해 충격에 강한 케이스를 사용하고, 내부 구조를 안전하게 설계해야 합니다.
• 온도 관리: 고온 환경에서 배터리 성능이 저하되고 화재 발생 위험이 증가하므로, 적절한 온도 관리 시스템을 구축해야 합니다.
• 화재 안전 설비: 화재 발생 시 신속하게 감지하고 진압할 수 있는 화재 안전 설비를 설치해야 합니다.
• 배기 시설: 화재 발생 시 유독 가스를 배출할 수 있으므로, 충분한 배기 시설을 갖춰야 합니다.
• 정기적인 점검: 배터리의 상태를 정기적으로 점검하고, 이상 징후가 발견될 경우 신속하게 조치해야 합니다.

손실예방대책

1)열적안정

• 리튬이온 배터리는 어떠한 촉발반응에 의해 발열, 발화 및 폭발등의 위험한 상태가 초래될 서 있는데, 이러한 반응은 열과 밀접한 관계가 있다

• 리튬이온 배터리가 고온의 환경에 보관되거나 방치되는 경우 배터리는 내부온도상승에 따른 발열반응으로 화재 및 폭발위험에 놓이게 된다. 따라서 리튬이온배터리는 여름철 차량의 내부, 전기장판의 상부 등 60[℃]이상 고온으로 유지되는 장소에 보관하거나 방치하는 것을 피해야 한다

2)충전 및 방전

• 일반적으로 충전으로 인한위험한 상태가 되는경우에는 충전기 자체의 고장 또는 보호회로의 불량등이 원인인 경우가 대부분으로 사용시 사고를 예측하기 매우 힘들다. 또한 충전중 자리를 비우거나 방치하는 경우가 대부분이기 때문에 리튬이온배터리에서 화재가 발생되는 경우 대형화재로 진행될 수 있다

• 이러한 사고를 방지하기 위하여 리튬이온 배터리를 충방전하는 경우 반드시 자리를 지켜야 한다. 또한 리튬이온배터리를 사용 중 과도하게 방전시키는 경우 배터리의 전해질 내에 녹아내린 금성성분에 의해 내부단락이 발생될 수 있으므로 약 2.5[V]의 방전전압 이하가 되지 않도록 과도한 방전은 피해야 하겠다. 또한 충전 및 방전 중 배터리의 형태가 부풀어 오르는 경우 즉시 충전 및 방전을 중지해야 한다

3)연소확대 방지

• 리튬이온배터리는 화성 공장에서 최장 28일을 포이이션 및 에이징을 목적으로 일정 습도 및 온도에서 보관하여야 하는데, 이 과정에서 화재 및 폭발사고가 종종 발생한다. 제조과정중 생산된 불량배터리는 화재 및 폭발을 일으킬 위험성을 갖고 있기 때문에 생산된 리튬이온배터리는 화성공정중 내화구조로 구획된 장소에 보관하거나 다른 시설물등과 안전거리가 확보된 장소에 별도 보관할 필요가 있다.

• 일반 가정에서 사용하는 리튬이온 배터리는 불연재 용기등에 보관할 필요가 있으며 리튬이온 배터리가 장착된 제품은 가연물이 적은 베란다 등에 보관할 필요가 있다

4)물리적 손상방지

• 리튬이온 배터리가 물리적 손상을 입는 경우 내부단락에 의한 화재 및 폭발위험이 있으므로, 사용자는 리튬이온 배터리에 찍힘, 눌림, 꺽임 등의 물리적 손상을 주지 않도록 주의해야 한다

• 또한 제조과정에서 리튬이온 배터리의 외함이 쉽게 손상되지 않도록 별도의 보호커버 등을 설치할 필요가 있다

전기에너지 장치에 사용 시 고려 사항

리튬이온 전지를 전기에너지 장치에 사용할 때는 다음과 같은 사항을 고려해야 합니다.

• 용량: 장치의 사용 환경과 목적에 맞는 용량의 배터리를 선택해야 합니다.
• 안전성: 화재, 폭발 등의 위험성을 고려하여 안전 기준을 준수해야 합니다.
• 수명: 배터리의 수명을 고려하여 교체 주기를 설정해야 합니다.
• 충방전 효율: 충방전 효율이 높은 배터리를 선택하여 에너지 손실을 줄여야 합니다.
• 환경 조건: 온도, 습도 등 환경 조건에 따른 배터리 성능 변화를 고려해야 합니다.

결론

• 리튬이온 배터리는 현재까지 휴대형 IT기기들을 중심으로 발전되었으며, 향후 전기자동차, 전력저장장치, 국방 및 의료의 용도까지 그활용범위가 매우 광범위하지만, 물리적 손상과 전압 및 온도등의 비정상적인 내부에너지 변화에 따라 양극 음극 그리고 전해질의 각구성요소의 화학반응으로 화재및 폭발의 위험성이 비교적 높은 전지라 할 수 있다.

• 따라서, 제조과정 중 화재발생위험이 큰 화성공정 중에는 생산된 리튬이온 배터리를 별도의 방화구획 된 장소에 보관할 필요가 있으며, 화재가 발생한 리튬이온배터리의 경우 생산과정의 이력을 추척관리할 필요가 있다. 또한 안전장치인 보호회로가 장착된 리튬이온배터리라 하더라도 고온환경에 보관하는 경우 과도하게 충전 및 방전하는 경우 그리고 물리적으로 손상되는 경우 화재 및 폭발위험이 있으므로 사용자는 이러한 위험에 노출되지 않도록 각별히 주의하여 리튬이온 배터리를 사용해야 한다.

신개념에너지

스마트 그리드
마이크로 그리드
전기자동차 전원공급설비
전기자동차 충전방식의 종류
V2G
전력저장장치
ESS의 제어기술
이차전지를 이용한 전기저장장치의 시설
전기설비기술기준 및 판단기준의 ESS의 안전강화
리튬이옹 축전지
리튬이온 전지의 ESS로 사용햘 경우 안전의 문제점과 대책
SMES(초전도 에너지 저장장치)
초고용량 커패시터
이차전지
압축공기 에너지 저장장치(CAES)
분산형 전원
분산형 전원 배전계통 연계기술

●44리튬이온 전지의 동작원리와 특징 및 전기에너지 장치에 사용할 경우 안전대책에 대하여 각각 설명하시오

○41전기저장장치 화재 원인 및 안전강화 대책 발표에 따라 20[]를 초과하는 리튬, 나트륨, 레독스플로우 계열의 이차전지를 이용한 전기저장장치 사용 전 검사시 2019.06.20부터 적용된 추가검사 항목중 공통사항을 설명하시오

2019년 6월 20일부터 시행된 ESS 화재 안전 강화 대책에 따라, 리튬, 나트륨, 레독스플로우 계열의 이차전지를 이용한 20[kWh]를 초과하는 ESS에 대한 추가 검사 항목이 마련되었습니다. 이는 빈번하게 발생하던 ESS 화재 사고를 예방하고 시스템의 안전성을 확보하기 위한 조치

추가 검사 항목의 공통 사항

새롭게 추가된 검사 항목은 크게 시스템 설계 및 제작, 설치 및 시공, 운영 관리 등 세 가지 측면에서 강화되었습니다.

• 시스템 설계 및 제작:
  • 안전 보호 장치: 전기적 충격, 과전류, 과충전 등으로부터 배터리를 보호하기 위한 다양한 안전 보호 장치의 설치 여부를 점검합니다.
  • 온도 관리 시스템: 배터리의 온도를 적정하게 유지하기 위한 냉각 시스템, 온도센서 등의 설치 여부와 작동 상태를 확인합니다.
  • 화재 감지 및 진압 시스템: 화재 발생 시 신속하게 감지하고 진압할 수 있는 시스템의 설치 여부를 점검합니다.
  • 배터리 관리 시스템(BMS): 배터리 상태를 실시간으로 모니터링하고 관리하는 BMS의 기능과 정확성을 평가합니다.
  • 설계 도면 및 시험 성적서: 설계 도면과 시험 성적서가 관련 기준에 적합하게 작성되었는지 확인합니다.
• 설치 및 시공:
  • 설치 기준 준수: 설치 시 관련 법규 및 기술 기준을 준수했는지 확인합니다.
  • 접지 및 절연: 안전을 위한 접지 및 절연 상태를 점검합니다.
  • 배선 및 연결: 배선 연결 상태가 정확하고 안전한지 확인합니다.
  • 방화벽 및 소화 설비: 화재 확산을 방지하기 위한 방화벽 설치 여부와 소화 설비의 작동 상태를 확인합니다.
• 운영 관리:
  • 운영 매뉴얼: 안전한 운영을 위한 매뉴얼이 마련되어 있는지 확인하고, 운영 인력의 교육 여부를 확인합니다.
  • 정기 점검: 정기적인 점검 및 유지보수가 이루어지고 있는지 확인합니다.
  • 사고 기록: 사고 발생 시 신속하게 대응하고 원인을 분석하기 위한 사고 기록 시스템 구축 여부를 확인합니다.
  • 운영 환경: 배터리실의 온도, 습도, 먼지 등 운영 환경이 적절하게 관리되고 있는지 확인합니다.

추가 검사 항목 도입의 중요성

이러한 추가 검사 항목 도입을 통해 ESS 화재 발생 가능성을 획기적으로 줄이고, 시스템의 안전성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 특히, 배터리 관리 시스템의 중요성이 강조되면서, 배터리 상태를 실시간으로 모니터링하고 이상 징후를 조기에 감지하여 화재를 예방하는 것이 가능해졌습니다.