파우치형 리튬이온전지의 열폭주 전이 방지에 관한 실험연구

박문우(Moon-Woo Park),최돈묵(Don-Mook Choi) 한국화재소방학회 2021 한국화재소방학회논문지 Vol.35 No.6

본 논문은 파우치형 리튬이온전지에 열적 이상조건을 공급하여 열폭주 전이 특성과 열폭주 전이 방지대책에 대하여 분석하였다. 가로 × 세로 × 높이 각각 1.5 m인 실험챔버에서 파우치형 리튬이온전지의 용량, 수량 및 소화약제적용 유무를 분류하여 실험을 수행하였다. 실험결과 하나의 셀에서 열폭주가 발생하면 일정시간 이후 인접 셀로 열폭주 전이가 발생하였다. 최초 열폭주가 발생한 셀의 표면온도는 200 ℃ 이상에서 나타났고, 인접 셀에 열전달로 인해 열폭주가 전이되었다. 열폭주 발생 시 소화약제를 적용한 경우 냉각효과에 의해 인접 셀로 열폭주 전이를 차단할수 있었으나, 셀 용량이 100 Ah인 셀에서는 화염발생 지속시간이 길어 열폭주는 차단하지 못하였다. 열폭주 전이를방지하기 위해서는 냉각효과가 있는 소화약제 선정이 필요할 것으로 판단되며, 모듈 단위에 적용 시에는 용량 및모듈 구조 등을 고려한 소화시스템 설치가 요구된다. In this study, thermal runaway propagation characteristics and measures to prevent this phenomenon were analyzed byapplying abnormal thermal conditions to pouch-type lithium-ion batteries. Experiments were conducted in a 1.5 m × 1.5m × 1.5 m experimental chamber. During the experiment, pouch-type lithium-ion batteries were grouped according tocapacity, quantity, and the use of fire extinguishing agents. Experiments showed that when thermal runaway occurred ina cell, it propagated to the adjacent cell after a certain period. The surface temperature of the cell where thermal runawayfirst occurred was above 200 ℃, and thermal runaway propagated via heat transfer to the adjacent cell. In the case ofthermal runaway, when a fire extinguishing agent was applied, the propagation of thermal runaway to adjacent cells wasprevented due to a cooling effect. However, at a cell capacity of 100 Ah, flame generation persisted and thermal runawaywas unavoidable. To prevent thermal runaway propagation, it is necessary to select an extinguishing agent that exerts acooling effect. The capacity and structure of the model unit should be considered when installing fire extinguishing systems.

ESS 모듈 열폭주 전이 방지를 위한 하이브리드 시스템 적용에 관한 실험 연구

박문우(Moon-Woo Park),홍성호(Sung-Ho Hong),이흥수(Heung-Su Lee) 한국화재소방학회 2022 한국화재소방학회 학술대회 논문집 Vol.2022 No.춘계

전기저장시설(ESS; Energy storage system)은 친환경 정책에 발맞추어 국내외 태양광 및 풍력 발전소 등에서 사용하고 있다. 발전소에서 생산된 전기를 ESS에 저장하였다가 필요할 때 전력을 공급하여 에너지 사용을 효율화하는 역할을 한다. SNE리서치에서도 ESS의 수요가 지속적으로 증가할 것으로 예측하고 있다. 그러나, 국내외 ESS의 지속적인 화재사고로 그 성장성에 제동이 걸리고 있다. 2017년도 전북 고창에서 시작된 ESS 화재는 원인규명이 명확치 않아 ESS 산업 전반을 둔화시키고 있다. ESS에는 리튬이온전지를 사용하는데 리튬이온전지 열폭주로 인한 화재는 진압하기 매우 어렵다. 리튬이온전지의 전해액은 대부분 유기화합물로 증발 시 가연성의 특징을 보이고, 리튬이온전지 내 양극과 음극 간 단락으로 인하여 불꽃이 발생하면 화재 및 폭발을 동반한다. 리튬이온전지 열폭주 시 셀의 온도 상승 영향은 인접 셀로 지속적으로 전파하면서 모듈 전체를 전소시키는 위험성이 있다. 따라서 ESS 모듈 전체로 열폭주가 전이되지 않도록 하기위해서는 열폭주가 발생한 셀과 인접 셀에 대한 신속한 냉각이 요구된다. ESS 모듈 열폭주 전이 방지를 위해 셀 단위 열폭주 실험 및 소화약제 방출실험을 수행하였다. 또한, 모듈 단위 열폭주 전이 방지를 위해 FK 5-1-12 소화약제 및 강화액 소화약제를 동시에 분사하는 하이브리드 시스템을 적용하여 열폭주 전이 방지 특성을 분석하였다. 실험결과 셀 단위 열폭주 방지 실험에서는 FK 5-1-12 또는 강화액 소화약제를 통해 열폭주 전이를 방지할 수 있었다. 그러나, 하이브리드 시스템을 이용한 모듈 열폭주 전이 방지 실험에서는 초기에 열폭주를 진압하는 특성을 보였으나, 셀에서 발생하는 발열로 인해 인접 셀을 지속적으로 가열하여 열폭주 전이를 방지하지 못하였다. 실험결과를 통하여 열폭주 전이방지를 위해서는 열폭주가 발생한 셀 및 인접셀에 대한 빠른 냉각을 요구하는 것으로 나타났다.

과충전에 의한 파우치형 리튬이온전지의 열폭주 발생 특성에 관한 실험연구

박문우(Moon-Woo Park),장우빈(Woo-Bin Jang),홍성호(Sung-Ho Hong),최돈묵(Don-Mook Choi) 한국화재소방학회 2020 한국화재소방학회논문지 Vol.34 No.6

본 논문은 리튬이온전지의 열폭주 발생 실험을 통하여 열폭주 전조현상 및 특성을 분석한 것이다. 리튬이온전지의 열폭주를 발생시키기 위해 전기적인 이상 조건인 과충전을 적용하였다. 열폭주 발생 실험은 가로 × 세로 × 높이각각 1.5 m인 실험챔버에서 수행하였고, 파우치형 리튬이온전지의 용량과 양극재의 종류 등을 분류하여 실험을 하였다. 실험결과 열폭주 이전 리튬이온전지에서 전압 및 온도에서 반복적인 특성을 보였고, 전압 및 온도 특성을 통하여열폭주를 사전에 감지할 수 있는 것을 알 수 있었다. 또한 리튬이온전지의 셀 표면온도가 약 100 ℃에서 일정기간유지 후 열폭주 현상이 발생하였다. 리튬이온전지의 전압은 열폭주 이전에는 완만하게 상승하였으나 변곡점(Vmax)이후 전압이 하강하는 현상을 보였다. 전압은 일정 시간 하강한 이후에 급격히 상승하였고, 변곡점(Vmax) 이전의 전압 상승률(V/min) 보다 높게 나타났다. This study analyzes thermal runaway (TR) characteristics via experiments conducted on lithium-ion batteries. To generatethe TR of lithium-ion batteries, overcharge was applied as an electrical abuse condition. The TR experiment was conductedin a chamber with the dimensions of 1.5 × 1.5 × 1.5 m by classifying the capacity of a pouch-type lithium-ion batteryand cathode material employed. The experimental results demonstrated that the lithium-ion battery before TR exhibitedrepetitive voltage and temperature characteristics, and that TR could be detected in advance based on these characteristics. TR occurred after the cell surface temperature of the lithium ion battery was maintained at approximately 100 ℃ for acertain duration. The voltage of the lithium-ion battery gradually increased before TR; however, the voltage decreased afterthe inflection point (Vmax) was crossed. Then, the voltage increased sharply after decreasing for a certain duration and washigher than the voltage increase rate (V/min) observed before the inflection point (Vmax) was attained.

설계 불확실성이 고려된 군용 통신 장비의 신뢰성 기반 최적설계

박대응(Dae Woong Park),문우용(Woo Yong Moon) 한국소음진동공학회 2011 한국소음진동공학회 학술대회논문집 Vol.2011 No.10

The military communication equipment is required the high reliability for operating adequate functions under severe conditions. This reliability is the essential element for the quality of the product, for the uncontrolled factors, such as the clearance, damage of the material, the reduction of stiffness, which are the designer is unable to handle. In this paper, the uncertainty for the design was supposed to the probability model for the military communication equipment, and the average of the objective function was minimized for reducing design uncertainty. The reliability-based design optimization which was implemented the limit state function was formulated into the mathematical model, so the reliable optimized structure was implemented than the base-line design.

72.5 Ah NCM계 파우치형 리튬이온배터리의 표면온도 상승률이 열폭주 발생시간에 미치는 영향 분석

이흥수,홍성호,이준혁,박문우,Lee, Heung-Su,Hong, Sung-Ho,Lee, Joon-Hyuk,Park, Moon Woo 한국안전학회 2021 한국안전학회지 Vol.36 No.5

With the convergence of the information and communication technologies, a new age of technological civilization has arrived. This is the age of intelligent revolution, known as the 4th industrial revolution. The 4th industrial revolution is based on technological innovations, such as robots, big data analysis, artificial intelligence, and unmanned transportation facilities. This revolution would interconnect all the people, things, and economy, and hence will lead to the expansion of the industry. A high-density, high-capacity energy technology is required to maintain this interconnection. As a next-generation energy source, lithium-ion batteries are in the spotlight today. However, lithium-ion batteries can cause thermal runaway and fire because of electrical, thermal, and mechanical abuse. In this study, thermal runaway was induced in 72.5 Ah NCM pouch-type lithium-ion batteries because of thermal abuse. The surface of the pouch-type lithium-ion batteries was heated by the hot plate heating method, and the effect of the rate of increase in the surface temperature on the thermal runaway trigger time was analyzed using Minitab 19, a statistical analysis program. The correlation analysis results confirmed that there existed a strong negative relationship between each variable, while the regression analysis demonstrated that the thermal runaway trigger time of lithium-ion batteries can be predicted from the rate of increase in their surface temperature.

가황조건과 피복물질이 배합고무와 강선코드의 접착에 미치는 영향

서곤(Gon Seo),강신영(Shin Young Kaang),박문우(Moon Woo Park),전경수(Gyung Soo Jeon),김해진(Hae Jin Kim),오세철(Sae Chul Oh) 한국고분자학회 1991 폴리머 Vol.15 No.4

리튬이온 전지 외관 유형별 발화 및 열폭주 특성에 관한 실험연구

홍성호(Sung Ho Hong),장우빈(Woo Bin Jang),박문우(Moon Woo Park),오기용(Ki Yong Oh) 한국위험물학회 2020 한국위험물학회지 Vol.8 No.2

This paper presents fire and thermal runway characteristics of lithum ion battery. In order to analyze fire and thermal runway characteristics of lithum the fire experiment is conducted according to shape type such as cylindrical, pouch and square. The fire experiment is conducted to attain the stage thermal runway of lithum ion battery placed on the hot plate with rate of rise temperature of (4 ~ 7) ℃/min. The SOC(state of charge) of lithum ion battery using fire experiment is 100 %. The volume of fire experimental chamber is appximately 3.3 ㎥. The results show that thermal runway of lithum ion battery occurs in order of pouch, cylindrical, and square shape and the batteries are produced a high temperature. So the shape of lithum ion battery and fire hazards are not related.

가황조건과 피복물질이 배합고무와 강선코드의 접착에 미치는 영향

서곤(Gon Seo),강신영(Shin Young Kaang),박문우(Moon Woo Park),김재문(Jai Moon Kim),김민호(Min Ho Kim),문재창(Jae Chang Moon) 한국고분자학회 1991 폴리머 Vol.15 No.3

가족력을 동반한 Stickler 증후군에서 COL2A1 유전자 돌연변이로 조기 진단한 신생아 1례

김호영 ( Ho Young Kim ),최민선 ( Min Seon Choi ),성문우 ( Moon Woo Seong ),박성섭 ( Sung Sup Park ),박상기 ( Sang Kee Park ) 대한주산의학회 2014 Perinatology Vol.25 No.2

Stickler syndrome is a progressive, hereditary disorder of connective tissue caused by mutations in different collagen genes. It is characterized by distinctive ocular, auditory, skeletal and oro-facial abnormalities and associated with long-term respiratory, nutritional, and developmental difficulties. Therefore, early detection and early treatment of Stickler syndrome is very important. We reported a case of Stickler syndrome in a newborn with family history and COL2A1 gene mutation.

ESS용 LIB 모듈 열폭주에 대한 소화약제 성능비교 실험 연구

이흥수(Heung-Su Lee),홍성호(Sung-Ho Hong),박문우(Moon-Woo Park) 한국화재소방학회 2022 한국화재소방학회 학술대회 논문집 Vol.2022 No.춘계

전기저장시설(ESS; Energy storage system)은 전력계통에서 생산된 전기에너지를 저장하여 필요한 시기에 전력을 공급함으로써 에너지 이용 효율을 향상하고 신재생에너지 활용도 제고 및 전력공급 시스템 안전화를 위한 설비이다. ESS는 사용 목적에 따라 다수의 모듈로 구성된 랙을 직⋅병렬 접속 방식으로 연결하여 전기에너지를 저장하게 된다. ESS의 리튬이온배터리 열폭주 화재는 기본적으로 모듈 내 위치하는 단위 셀의 열폭주로 시작하며, 최초 열폭주 셀에서 발생한 열에너지가 주변 셀로 전달되어 사고 셀이 내장된 모듈 전체로 열폭주가 전파된다. 사고 모듈 전체로 열폭주가 전파되기 전에 이를 차단하지 못할 경우에는 주변 모듈 및 랙 전체로 화염을 동반한 열폭주가 전이되어 제어할 수 없는 상태를 초래하게 된다. 따라서 배터리 모듈의 발화특성을 확인하고 이에 적합한 소화약제를 개발하여 자동소화장치에 적용하는 것이 ESS 화재 대응을 위한 기본 단계라고 할 수 있다. 소화약제별 성능 비교를 통해 최적의 소화약제 개발에 필요한 자료를 축적하는 것이 필요하다. 이를 위해 열폭주 화재 진압용 소화약제로서 4가지 약제(FK-5-1-12, 물, 침윤제 및 강화액 소화약제)를 선정하여 화재 진압 성능을 비교하였다. 이들 약제는 냉각효과가 탁월한 약제로 알려진 물질로서, 리튬이온배터리 화재에 적응성이 있는 것으로 알려져 있다. 각각의 소화약제를 동일 에너지 조건의 배터리 모듈에 분사하여 모듈 내부 셀의 연쇄적인 열폭주를 어느 정도 차단할 수 있는지 확인해 보고자 하였다. 모듈의 열폭주를 유도하기 위해 모듈 내부 중앙셀에 필름히터를 설치하고, 풀콘형 노즐을 모듈 좌우측 상부에 2개씩 설치하여 열폭주 화재를 진압하였다. 약제 방출은 10분간 지속하였으며, 방출 종료 후 남아있는 셀의 수량을 파악하는 방식으로 성능평가를 하고자 하였다. 4가지 소화약제의 방출 시험을 통해 리튬이온배터리 모듈 화재에 있어 강화액 소화약제가 다른 소화약제의 성능보다 뛰어남을 확인할 수 있었다.