자기장 영상 기술로 리튬이온 배터리의 화재 유발 원인 실시간 조기 진단

대구경북과학기술원과 중앙대가 공동 연구로 배터리의 화재 위험을 실시간으로 조기 진단할 수 있는 자기장 영상 기술을 개발했다. 전기차 배터리는 화재가 발생하면 연쇄 반응으로 불길이 거센 단점이 있다. 배터리를 분해하지 않고도 화재 피해를 막을 기술이 나왔다.

전기차와 에너지 저장장치의 배터리 수요 증가

2023년 10월 30일 대구경북과학기술원(DGIST)의 에너지공학과와 중앙대 에너지시스템 공학부가 공동 연구로 자기장 이미지로 리튬이온 배터리 내부를 진단하는 시스템을 개발했다고 밝혔다.

전기차와 에너지 저장장치(ESS)의 수요가 크게 증가하면서 배터리 성능도 빠르게 높아지고 있다. 그러나 배터리 성능이 높아지면서 사고 위험성도 커지고 있다.

리튬이온 배터리의 에너지 용량을 높이거나 고속 충전을 하는 과정에서 배터리 내부에서 결함이 발생할 수 있어서 화재와 폭발로 이어진다. 배터리의 결함은 생산 과정이나 사용 과정에서 과충전과 충격을 비롯한 다양한 이유로 발생한다.

리튬이온 배터리는 전기차, 데이타 센터, 스마트폰, 전동 퀵보드, 전동 휠체어 등에 사용된다. 배터리가 과열되어 불이나면 주변의 도시 가스 시설까지 폭발할 위험이 있다.

배터리 내부를 진단하는 방법이 없어 사고 위험을 조기에 진단하는 것이 어려웠다. 진단 기술로 X선과 자기공명영상 MRI 을 이용한 연구가 진행되고 있으나 상용화하기에는 비용과 해상도 문제가 걸림돌이다. 이를 한국 연구팀이 자기장 영상 시스템으로 해결했다.

공동 연구팀의 이용민 교수와 문장혁 교수는 배터리에서 결함이 발생하면 전류가 비정상적으로 흐를 수 있다는 점에 착안했다. 그래서 자기장 이미지 기술을 활용해서 실시간으로 배터리 내부의 이상 전류를 감지하는 기술을 개발했다.

연구팀은 배터리가 충전 방전될 때 흐르는 전류가 만드는 자기장의 세기와 분포를 영상으로 측정하는 방식을 이용했다. 이렇게 해서 수십 초 안에 배터리 내부의 전류 분포를 확인가능하게 했다.

인위적으로 결함이 발생하게 만든 결함 모사 배터리로 실험을 했더니 감지가 되었고 정상 배터리와 내부 전류 분포를 확인해 대조했더니 결함 종류에 따른 차이까지 구별할 수 있었다.

배터리를 분해하지 않고도 내부의 전류를 측정해 결함의 종류와 위치를 추적할 수 있게 되었다. 이홍경 교수는 다양한 결함이 모사된 배터리와 시중에 나온 상용화된 배터리 제품들로 검증을 통해 기술 완성도를 높여갈 계획이라고 말했다.

연구결과는 국제 학술지 스몰 메소드(Small Method)에 2023년 9월 15일 게재되었다. DOI: https://doi.org/10.1002/smtd.202300748