하나의 EV 배터리 셀이 열폭주에 들어가면 열이 인접한 셀로 확산되어 국지적인 고장을 모듈 수준의 화재로 바꿀 수 있습니다.
가장 효과적인 수동 솔루션은 인접한 셀이나 기타 중요한 열 전달 경로 사이에 검증된 에어로겔 절연 패드를 배치하는 것입니다. 에어로젤은 상대적으로 얇은 두께로 높은 내열성을 제공하므로 소형, 에너지 밀도가 높은 EV 배터리 모듈에 적합합니다.
단열 성능과 관련된 다공성 구조를 보여주는 실리카 에어로겔 샘플. 이미지 출처: NASA 과학[1].
효과적인 셀 간 열 장벽이 없으면 고장난 파우치나 각형 셀의 열이 열 폭주 전파를 유발할 만큼 빠르게 인접한 셀에 도달할 수 있습니다.
인접한 셀 사이에 에어로겔 패드를 설치하면 열 저항이 증가하고 전도성 열 전달이 느려집니다. 이를 통해 모듈은 구조적 격리, 환기, 냉각, 전기 보호 및 배터리 관리 전략을 통해 이벤트를 제어할 수 있는 더 많은 시간을 확보할 수 있습니다.
니켈이 풍부한 리튬 이온 배터리 모듈에 대한 동료 검토를 거친 2023년 연구에서는 의 열전도도를 측정했습니다 . 0.020W/(m·K) 실온에서 테스트된 실리카 에어로겔 시트에 대해 약 연구진은 충분한 에어로겔 층이 특정 파우치 셀 모듈 구성에서 열 폭주 전파를 억제할 수 있음을 발견했습니다.[2]
에어로젤은 배터리 엔지니어들이 항상 밀리미터 단위로 싸우기 때문에 가치가 있습니다. 두꺼운 기존 장벽은 사용 가능한 팩 부피를 줄일 수 있는 반면, 얇은 고성능 열 장벽은 이웃 셀을 폭주 사건에 직접 노출시키지 않고 에너지 밀도를 보존하는 데 도움이 될 수 있습니다.
단열재가 열을 몇 초 동안만 지연시키지만 인접 셀을 임계 온도 미만으로 유지할 수 없는 경우 열 폭주는 전체 모듈을 통해 계속될 수 있습니다.
올바른 목표는 단순히 에어로겔을 사용하는 것이 아니라 실제 셀 화학, 충전 상태, 압축 및 모듈 형상에 대해 충분히 검증된 열 저항을 사용하는 것입니다. 에어로젤은 완전한 열 전파 제어 시스템의 일부로 취급되어야 합니다.
2025년 에너지 저장 저널(Journal of Energy Storage ) 연구에서는 3원계 파우치 셀 사이에 느껴지는 기계적으로 강화된 실리카 에어로겔을 테스트했습니다. 해당 테스트 구성에서 2mm 에어로젤 펠트는 열폭주 전달을 성공적으로 방지한 반면, 1mm 샘플은 전파를 지연시켰지만 테스트 조건에서는 이를 방지하지 못했습니다.[3]
그렇다고 아닙니다 . 모든 EV 배터리에 2mm 패드가 필요하다는 의미는 이는 엔지니어가 일반 차트에서만 에어로겔 두께를 선택해서는 안 되는 이유를 보여줍니다. 열폭주 동안 각 셀은 매우 다른 양의 열을 방출할 수 있습니다.
UL Solutions는 셀, 모듈 및 팩 수준에서 EV 배터리 열 전파를 평가하고 특히 전파 방지 장벽 및 절연 재료의 효율성을 고려합니다. 이러한 테스트 접근 방식은 중요한 엔지니어링 원칙을 반영합니다. 즉, 재료 데이터만으로는 배터리 팩 안전성을 입증할 수 없습니다.[4]
열 전도성과 가격만 보고 에어로겔 패드를 구매하면 압축 실패, 열 보호 부족, 치수 불안정 또는 후기 단계 배터리 검증 실패가 발생할 수 있습니다.
올바른 해결책은 두께, 열 저항, 압축 동작, 유전체 성능, 치수 공차, 내구성 및 통합 요구 사항을 함께 지정하는 것입니다. 최종 패드는 실온뿐만 아니라 실제 배터리 모듈 조건에서 검증되어야 합니다.
설계 요구 사항 |
엔지니어가 확인해야 할 사항 |
주요 리스크 |
|---|---|---|
열 성능 |
예상 온도 및 압축 하에서의 열 저항 |
인접한 셀이 너무 빨리 가열됩니다. |
패드 두께 |
모듈 수준 열 전파 성능 |
보호하기에는 너무 얇거나 팩 공간에 비해 너무 두껍습니다. |
압축 동작 |
세포 부종, 압축 영구 변형, 피로 및 치수 회복 |
셀 압력 또는 열 성능 변경 |
전기 절연 |
필요한 경우 절연 강도 및 절연 저항 |
누출 또는 단락 경로 |
차량 내구성 |
진동, 습도, 열 순환, 유체, 마모 및 입자 배출 |
차량 수명 중 성능 저하 |
SAE J2464는 셀, 모듈 및 팩 수준에서 전기 및 하이브리드 자동차 충전식 에너지 저장 시스템에 대한 남용 테스트 지침을 제공합니다. 이는 재료 사양에만 의존하기보다는 정상 작동 범위를 벗어난 조건에서 배터리 시스템 동작을 평가할 필요성을 강화합니다.[5]
에어로젤은 또한 통풍구 설계, 냉각, 퓨즈, 전류 차단, BMS 모니터링, 구조적 보호 또는 고전압 절연을 대체할 수 없습니다. 열 폭주는 셀 표면, 모선, 냉각판, 모듈 프레임, 고온 가스, 화염 및 전기 전도체를 통해 에너지를 전달할 수 있습니다.
EV 배터리 모듈용 에어로겔 절연 패드 샘플이 필요합니까?
예비 재료 및 구조 검토를 위해 셀 화학, 셀 크기, 사용 가능한 간격, 타겟 두께, 압축 요구 사항, 모듈 도면, 열 폭주 검증 타겟 및 연간 볼륨을 보내십시오.
모듈 테스트 없이 일반 에어로겔 사양을 사용하면 안전에 대한 잘못된 인식이 생기고 열 전파 테스트 후 비용이 많이 드는 재설계가 발생할 수 있습니다.
이러한 답변을 엔지니어링 출발점으로 사용한 다음 실제 배터리 모듈의 최종 절연 구조를 검증하십시오.
에어로겔 패드는 셀 사이의 열 저항을 증가시켜 고장난 셀에서 열 전달을 늦추고 셀 간 열 폭주 전파 위험을 줄이는 데 도움이 됩니다.
아니요. 에어로겔은 모든 세포 손상을 예방할 수는 없습니다. 적절하게 설계된 장벽은 검증된 모듈에서 전파를 중지하거나 지연하는 데 도움이 될 수 있지만 배터리 안전은 여전히 냉각, 환기, 전기 보호, 구조, 센서 및 제어 전략에 따라 달라집니다.
보편적인 두께는 없습니다. 올바른 값은 셀 화학, 에너지, 충전 상태, 간격, 압축, 폭주 심각도, 사용 가능한 패키지 공간 및 필요한 전파 테스트에 따라 달라집니다.
모든 응용 프로그램에 적용되는 것은 아닙니다. 에어로젤은 제한된 공간에서 높은 내열성을 제공하는 반면, 운모는 강력한 전기 절연성과 구조적 안정성을 제공할 수 있습니다. 일부 EV 배터리 설계는 여러 재료를 결합하여 열 및 유전체 보호를 모두 달성합니다.
완전한 재료 구성에 따라 그럴 수 있습니다. 엔지니어는 모든 에어로젤 패드가 동일한 전기 절연성을 제공한다고 가정하기보다는 실제 절연 강도, 표면층, 가장자리 상태, 두께, 습기 노출 및 작동 전압을 확인해야 합니다.
15년간의 자동차 와이어 하네스 및 EV 전기 통합 경험을 바탕으로 에어로겔 패드를 배터리 셀, 버스바, 고전압 하니스, 온도 센서, 냉각 플레이트, 커넥터, 퓨즈 시스템 및 인클로저와 함께 평가할 것을 권장합니다. 열 폭주는 하나의 경로만 따르지 않으므로 가장 안전한 배터리 모듈은 완전한 전기, 열 및 기계 시스템으로 검증된 모듈입니다.
에어로겔 절연 패드 샘플, 배터리 열 장벽 검토, 프로토타입 평가 또는 맞춤형 EV 절연 프로젝트의 경우 재료 사양을 동결하기 전에 모듈 도면 및 기술 요구 사항을 제공하십시오.
[2]공정 안전 및 환경 보호 — 실리카 에어로젤 시트를 사용하여 열 폭주 전파 억제
[3]Journal of Energy Storage — 열폭주 전파를 억제하기 위한 기계적으로 강화된 실리카 에어로겔
[4]UL 솔루션 — EV 배터리 남용, 화재 및 열 전파 테스트
[5]SAE International — SAE J2464 RESS 안전 및 남용 테스트
