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추상
무인 항공기(UAV)에 사용되는 리튬 기반 배터리의 팽창은 작동 신뢰성과 안전성에 직접적인 영향을 미치는 중요한 열화 현상이다. 본 논문은 팽창 현상을 유발하는 물리화학적 메커니즘에 대해 확장적이고 체계적인 검토를 제공하며, 운용 중 및 보관 중 발생하는 팽창 행동을 구분하고, 관련 위험을 평가하며, 근거 기반의 예방 전략을 제안한다. 전기화학 이론과 UAV 특화 사용 패턴을 통합함으로써, 본 연구는 드론의 보다 안전한 운용을 지원하고 향후 배터리 관리 시스템(BMS) 개선 방향을 제시하는 것을 목표로 한다.
1. 소개
리튬이온(Li-ion) 및 리튬폴리머(LiPo) 배터리는 높은 에너지 밀도, 경량 구조 및 안정적인 방전 특성 덕분에 UAV의 주요 전원으로 자리 잡았다. 항공 매핑, 정밀 농업, 긴급 대응, 산업용 점검 등 UAV 응용 분야가 확대됨에 따라 탑재된 전원 시스템의 신뢰성은 점점 더 중요해지고 있다.
장점에도 불구하고 리튬 기반 배터리는 열 스트레스, 기계적 충격, 부적절한 충전 또는 부적합한 보관 조건에 노출될 경우 성능 저하가 발생하기 쉽다. 다양한 열화 모드 중에서 셀 포치나 외함의 비정상적인 팽창으로 나타나는 배터리 팽창(battery swelling)은 주요 안전 문제로 부각되고 있다. 팽창은 배터리 성능을 저하시킬 뿐만 아니라 화재, 파열 및 유독 가스 방출 위험을 증가시킨다.
이 논문은 UAV 운용 환경에 맞춘 팽창 메커니즘, 기여 요인 및 예방 조치에 대한 상세한 분석을 제공함으로써 기존 연구를 확장한다.
2. 배터리 팽창 현상의 분류
2.1 고부하 작동 중의 일시적 팽창
요구가 높은 비행 미션 동안 UAV 배터리는 높은 방전 전류로 인해 급격한 온도 상승을 겪을 수 있다. 급속 가속, 강풍 속 호버링 또는 무거운 페이로드 운반과 같은 활동은 내부 저항 열을 크게 증가시킨다.
셀 온도가 권장 운영 한계(일반적으로 40–45°C 이상)를 초과하면 부수 반응이 발생하기 시작한다. 이러한 반응에는 전해질 용매의 부분 분해와 고체 전해질 계면(SEI)의 불안정화가 포함된다. 그 결과 생성되는 기체 부산물—흔히 CO₂, H₂ 및 저분자량 탄화수소—는 밀폐된 배터리 외함 내부에 축적된다.
이러한 형태의 팽창은 일반적으로 되돌릴 수 있습니다. 배터리가 식으면 내부 압력이 감소하고 케이스가 원래 형태로 돌아갈 수 있습니다. 그러나 고온에 반복적으로 노출되면 SEI 분해가 가속화되고, 내부 저항이 증가하며 장기적인 열화가 촉진됩니다. 시간이 지남에 따라 열 스트레스가 지속되면 일시적인 팽창이 비가역적 팽창으로 진행될 수 있습니다.
2.2 저장 중 비가역적 팽창
저장 중 발생하는 팽창은 일반적으로 더 심각하며 영구적인 내부 손상을 나타냅니다. 온도 변화에 의해 주로 발생하는 운용 중 팽창과 달리, 저장 관련 팽창은 전기화학적 불안정성과 장기 열화와 주로 연관됩니다.
2.2.1 사이클 유발 노화
리튬 기반 배터리는 충전-방전 사이클마다 구조적 및 화학적 변화를 겪는다. 수백 번의 사이클 동안 SEI층이 두꺼워지고, 활성 물질이 분리되며, 전극의 다공성이 감소한다. 이러한 변화는 내부 저항을 증가시키고 가스 생성 반응을 촉진한다.
배터리가 유용 수명의 종료에 가까워질수록 약간의 과충전이나 온도의 미세한 변동과 같은 사소한 스트레스 요인조차 팽창을 유발할 수 있다.
2.2.2 부적절한 보관 조건
보관과 관련된 여러 요인이 팽창 위험을 크게 증가시킨다:
● 심각한 방전(셀당 <3.0V)은 음극 전류 수집체로부터 구리 용출을 일으켜 내부 단락을 유발할 수 있다.
● 기계적 손상은 세퍼레이터를 손상시켜 전극 간 직접 접촉을 가능하게 한다.
● 습기 침투는 전해질 성분과 반응하여 열과 가스를 발생시킨다.
● 극단적인 충전 상태(SOC)에서의 보관은 전해질 산화와 SEI 불안정성을 가속화한다.
● 고온 저장(30°C)은 반응 속도와 가스 생성을 증가시킵니다.
이러한 요인들은 돌이킬 수 없는 팽창 현상에 종합적으로 기여하며, 일반적으로 용량 감소 및 전압 불안정과 함께 발생합니다.
3. 팽창의 물리화학적 메커니즘
3.1 전해질 분해
유기 탄산염 기반 전해질은 열에 민감합니다. 고온 또는 과전압 조건에 노출될 경우, 이들은 기체 부산물로 분해됩니다. 이러한 분해는 팽창을 유발하는 주요 원인 중 하나입니다.
3.2 리튬 도금 및 덴드라이트 형성
낮은 온도나 높은 전압에서 충전하면 금속 리튬이 음극 표면에 침착될 수 있습니다. 리튬 도금은 용량을 감소시키고 내부 저항을 증가시킵니다. 더 중요한 점은 금속 리튬이 매우 반응성이 높아 전해질 용매와 기체 생성 반응을 일으킬 수 있다는 것입니다.
3.3 SEI층의 불안정성
SEI층은 음극-전해질 계면을 안정화하는 데 필수적입니다. 그러나 열 스트레스, 과충전 또는 기계적 변형으로 인해 SEI층에 균열이 생길 수 있습니다. 반복적인 SEI층 붕괴는 전해질 소모와 가스 발생을 유발하며, 이는 배터리 팽창의 원인이 됩니다.
3.4 세퍼레이터 열화
세퍼레이터는 전극 간 직접 접촉을 방지하는 다공성 고분자 막입니다. 기계적 충격, 과열 또는 제조 결함으로 인해 세퍼레이터가 약화될 수 있습니다. 한 번 손상되면 내부 단락이 발생하여 급격한 발열과 가스 발생을 초래할 수 있습니다.
4. 팽창된 배터리의 식별 및 평가
사고를 예방하기 위해 팽창의 조기 탐지는 매우 중요합니다. 주요 징후로는 다음이 포함됩니다:
● 배터리 외장의 눈에 띄는 변형 또는 팽창
● UAV에 배터리를 삽입하거나 제거할 때 어려움
● 달콤하거나 자극적인 화학 냄새
● 비행 시간 감소 또는 불안정한 전압 출력
● 충전 또는 방전 중 온도 상승
팽창된 배터리는 즉시 사용을 중단해야 합니다. 내부 압력을 방출하기 위해 배터리를 천공하거나 압축하려는 시도는 극도로 위험하며 발화를 유발할 수 있습니다.
5. 팽창과 관련된 안전 위험
5.1 화재 및 열 폭주
내부 단락 회로 또는 발열 반응이 열 폭주를 유발할 수 있으며, 이는 스스로 가속되는 과정으로 화재로 이어질 수 있습니다.
5.2 기계적 파열
지나친 내부 압력으로 인해 배터리 외함이 파열되어 뜨거운 가스와 가연성 전해액이 방출될 수 있습니다.
5.3 유독 가스 배출
전해액 분해 생성물에는 호흡기 위해를 초래할 수 있는 유해한 유기 증기가 포함될 수 있습니다.
5.4 UAV 구조 손상
팽창된 배터리는 UAV의 배터리 실을 변형시키거나 커넥터를 손상시키고, 냉각 시스템 작동을 방해할 수 있습니다.
6. 예방 전략
6.1 충전 관리
● 제조사에서 승인한 충전기를 사용하고, 명시적으로 지원되지 않는 한 고속 충전은 피하십시오.
● 배터리를 충전 중일 때 방치하지 마십시오.
● 완전히 충전되면 즉시 충전을 중단하고 주기적으로 셀 전압을 밸런싱하십시오.
● 비행 직후 바로 충전하지 말고, 충분한 냉각 시간을 확보하십시오.
6.2 열 관리
● 배터리는 서늘하고 건조한 환경에 보관하십시오.
● UAV를 장시간 직사광선에 노출시키지 마십시오.
● 운반 시 내화물 또는 단열 재질의 용기를 사용하십시오.
6.3 저장 최적화
● 장기 보관 시 충전 상태를 40~60%로 유지하십시오.
● 완전 방전을 방지하기 위해 1~3개월마다 재충전하십시오.
● 열 전파를 방지하기 위해 배터리는 개별적으로 보관하십시오.
6.4 기계적 보호
● 배터리를 떨어뜨리거나 압축하지 마십시오.
● 습기와 진동으로부터 보호하십시오.
● 마모나 변형 징후가 있는지 정기적으로 점검하십시오.
6.5 운용 모니터링
● 비행 제어 시스템을 통해 사이클 수와 성능 지표를 추적하십시오.
● 비정상적인 전압 동작이나 용량 감소를 보이는 배터리는 교체하십시오.
● 개선된 배터리 관리 알고리즘의 혜택을 받기 위해 펌웨어를 최신 상태로 유지하십시오.
7. 결론
드론 시스템에서의 배터리 팽창은 열 스트레스, 전기화학적 열화, 기계적 손상 및 부적절한 보관 방법과 같은 다인자적 현상에 의해 발생합니다. 작동 중 일시적으로 발생하는 팽창은 되돌릴 수 있는 경우가 있지만, 보관 중 관찰되는 팽창은 일반적으로 돌이킬 수 없는 내부 고장을 의미합니다.
과학적으로 입증된 충전, 보관 및 모니터링 방법을 채택함으로써 사용자는 배터리 팽창 발생률을 크게 줄이고 드론의 안전성을 향상시킬 수 있습니다. 배터리 화학 및 관리 시스템의 발전이 신뢰성을 계속해서 향상시킬 것이지만, 팽창 관련 위험을 예방하기 위한 사용자의 인식이 여전히 중요한 요소입니다.
