A Numerical Study on the Feasibility of Thermal Runaway Prevention using Two-Phase Immersion Cooling

리튬이온배터리(LiB)는 탄소 중립 달성을 위해 가장 대중적으로 채택된 재생 에너지원이다. 그러나, 리튬이온배터리는 다양한 오용(abuse)으로 인해 열폭주 발생으로 이어져 심각한 화재 폭발 사고가 발생할 수 있다. 배터리 열 관리 시스템 중 액침냉각 시스템은 배터리 열 관리와 배터리 화재 예방 및 완화를 위한 유망한 기술로 열폭주 발생과 전파를 억제하기에 탁월한 시스템이다. 이 연구에서는 2상 액침냉각 시스템을 적용하여 냉매의 현열과 잠열에 의한 열폭주 방지 가능성을 판단하고 열폭주 억제를 위해 필요한 냉매의 유효부피를 도출하였다. 먼저 18650 NCA 배터리에 대해 열적 오용이 발생했을 때 열폭주 프로파일을 구현하고 배터리 부피의 2배인 33 mL의 냉매로 열폭주 제어 가능성을 판단한다. 다음으로, 2상 액침냉각 시스템을 구성하는 냉매량에 따른 냉매의 증발량과 배터리 온도상승률을 비교하여 열폭주 방지 효과를 분석하고 안정적인 2상 액침냉각 시스템의 구동과 열폭주 예방을 위한 냉매 유효 부피 가이드를 제시한다. 연구 결과, HFE7200을 냉매로 사용하는 2상 액침냉각 시스템은 냉매의 온도가 끓는점에 도달해 증발이 발생하면 약 109.782 kJ/kg의 잠열을 활용해 배터리의 온도 상승을 급격하게 억제하였다. 또한 시스템을 구성하는 냉매량이 많을수록 증발률이 감소하고 온도상승이 지연되어 배터리의 열적 위험을 감소시킬 수 있었다. 그리고, 냉매량을 50% 이상 유지하며 안정적인 시스템을 구동하기 위해서는 48.13mL 이상의 유효부피가 필요함을 그래프를 통해 제시하였다. 이러한 연구 결과는 열폭주를 방지하기 위해 필요한 냉매 유효 부피를 제시하고 배터리 안전관리 방안을 향상시킬 수 있는 시사점을 제시한다.