리튬이온배터리 화재확산에 관한 시뮬레이션 연구 = A Study on Fire Spread of Lithium-Ion Batteries Using FDS

국문 초록 (Abstract)

최근 고에너지 밀도를 가지는 리튬이온 배터리의 사용이 증가함에 따라 배터리 화재 발생 건수 또한 지속적으로 증가하는 추세이다. 특히 배터리 생산 공정에서의 보관·적재, 전기차 폐배터리의 집적 보관, 개인형 이동수단(전기자전거, 전동 킥보드 등)에 사용되는 배터리의 창고 적재 환경에서는 단일 배터리에서 화재가 발생할 경우 폭발적인 화염과 함께 인접 배터리로 열폭주가 연쇄적으로 전파되어 대규모 화재 사고로 확대될 위험성이 크다. 따라서 화재 위험성이 높고 화재 진압이 어려운 배터리를 창고에 적재·보관할 경우 화재 확산을 방지하기 위한 적절한 안전 설계 기준의 마련이 요구된다. 그러나 배터리 보관 환경에서 화재 확산 특성을 정량적으로 분석한 연구는 제한적인 실정이다.
이에 본 연구에서는 Fire Dynamics Simulator(FDS)를 활용하여 배터리가 수납된 보관 박스 단위의 화재 발생 거동을 수치적으로 모사하고, 이격거리 및 적재 형태에 따른 화재 확산 특성을 분석하였다. 먼저 단일 배터리 박스 화재 모델을 검증한 후, 바닥 면에 두 개의 배터리 박스를 수평 배치하여 이격거리에 따른 화재 확산 여부를 분석하였다. 이후 이를 확장하여 3×3 배열의 총 9개 배터리 박스가 3단 랙(Rack)에 적재된 조건에서 수직 및 수평 방향의 화재 확산 거동을 종합적으로 검토하였다. 화재 확산 여부는 인접 배터리 박스의 벽면 온도가 배터리 열폭주 개시 온도에 도달하는 시점을 기준으로 판단하였다.
분석 결과, 자유 공간에서의 수평 이격거리의 증가에 따라 화재 확산 소요 시간이 증가하였다. 이격거리 1.5 m 이상부터 배터리 수평 화재 확산이 발생하지 않았으며 이를 통해 적정 이격거리를 통한 배터리 화재 확산 지연 및 방지를 할 수 있음을 확인하였다. 소형 랙에서의 배터리 보관 박스 화재 확산의 경우 수직 화재 확산이 빠르게 발생하고 이후 수평 화재 확산이 연속적으로 진행되는 전형적인 랙 구조의 화재 확산 거동이 나타났다. 수직 이격거리는 고정하고 수평 이격거리를 증가시킴에 따라 화재 확산 속도가 감소하는 경향을 보였으며 랙 구조상 높은 열방출률의 수직 화염 및 받침판의 영향으로 자유 공간에 비해 더 큰 이격거리에서 수평 화재 확산이 발생하였으며 최대 2.5 m 이격거리에서 완전하게 수평 화재 확산이 차단됨을 확인하였다. 그러나 이격거리가 과도하게 증가할 경우 적재 가능한 배터리 박스 수가 감소하여 보관 효율성이 저하되므로 이격거리를 최소화하면서도 화재 확산을 억제하기 위해 수평 배터리 보관 박스 사이에 열 차단 칸막이를 적용하였다. 그 결과, 0.5 m 이격 조건에서 수직 화재 확산은 이루어졌으나 수평 화재 확산은 발생하지 않음을 확인하였다.
본 연구에서는 배터리 보관 환경에서 배터리 이격거리에 따른 화재 확산 특성을 규명하고 열 차단 칸막이가 화재 확산 방지에 효과가 있음을 확인하였다. 이를 통해 배터리 보관 랙의 화재 확산 지연 및 방지를 위해 이격거리 및 열 차단막이 필수 설계 요소임을 제시하였다. 본 연구 결과를 기반하여 향후 배터리 종류 및 상태에 따른 화재 특성과 이격거리 및 차단막 설치에 따른 화재 확산 특성을 정량화하고 상관성을 도출하여 배터리 보관 시설의 화재 안전 설계 가이드를 도출할 예정이다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 및 필요성 1
• 1.2 선행 연구 검토 및 연구 목적 4
• 제2장 이론적 고찰 12
• 2.1 리튬이온배터리 개요 12
• 2.1.1 리튬이온배터리의 구성요소 12
• 2.1.2 리튬이온배터리의 충·방전 메커니즘 14
• 2.1.3 리튬이온배터리의 형태 15
• 2.2 리튬이온 배터리의 열폭주 16
• 2.2.1 열폭주 요인 16
• 2.2.2 열폭주 진행 과정 16
• 2.2.3 열폭주 제어가 어려운 이유 18
• 2.3 화재 시뮬레이션(FDS) 19
• 2.3.1 화재 시뮬레이션(FDS) 개요 19
• 제3장 연구 방법 21
• 3.1 수치해석 방법 21
• 3.1.1 해석 도메인 구성 21
• 3.1.2 배터리 박스 모델링 21
• 3.1.3 HRR 구성 및 적용 22
• 3.2 수평 화재 확산 모델링 23
• 3.3 랙(RACK) 모델링 24
• 3.4 랙 열 차단 칸막이 모델링 25
• 제4장 연구 결과 27
• 4.1 단일 배터리 박스 검증 27
• 4.1.1 격자 민감도 분석 27
• 4.2 수평 화재 확산 해석 결과 29
• 4.2.1 0.5 m 이격 조건 29
• 4.2.2 1.0 m 이격 조건 31
• 4.2.3 1.2 m 이격 조건 32
• 4.2.4 1.4 m 이격 조건 34
• 4.2.5 1.5 m 이격 조건 36
• 4.2.6 수평 배치 조건에서 이격거리에 따른 화재 확산 특성 37
• 4.3 랙(RACK) 화재 확산 결과 39
• 4.3.1 0.5 m 이격 조건 39
• 4.3.2 1.0 m 이격 조건 41
• 4.3.3 1.5 m 이격 조건 43
• 4.3.4 1.7 m 이격 조건 46
• 4.3.5 2.0 m 이격 조건 49
• 4.3.6 2.5 m 이격 조건 51
• 4.3.7 이격거리 변화에 따른 화재 확산 속도 변화 52
• 4.4 열 차단 칸막이 설치에 따른 화재 확산 결과 54
• 제5장 결 론 57
• 참고문헌 59
• ABSTRACT 63