[쿠키과학] ‘전기차 화재 위험 낮춘 냉각기술’… 기계연, 세계 첫 ‘분사형 액침냉각’ 개발

한국기계연구원(이하 기계연)이 급속 충전 중 리튬이온 배터리팩 온도를 35℃ 이하로 유지하면서 냉각액 사용량은 기존보다 약 85% 줄인 냉각 기술을 개발했다.

이 기술은 배터리 열폭주와 화재 위험을 낮추면서도 시스템 무게와 비용까지 줄일 수 있어 전기차와 에너지저장장치(ESS) 안전성을 높일 기술로 기대받고 있다.

기계연 탄소중립기계연구소 히트펌프연구센터 김진섭 박사팀은 비전도성 액체를 배터리팩에 직접 분사하는 세계 최초 ‘분사형 액침냉각 기술‘을 개발했다.

리튬이온 배터리는 온도가 높아질수록 성능과 수명이 떨어지고, 일정 온도를 넘으면 내부 반응이 급격히 커지는 열폭주가 발생해 화재로 이어질 수 있다.

때문에 일반적으로 15~35℃를 유지해야 안전성과 성능이 최적화된다.

기존 공랭식과 수냉식은 배터리 외부의 히트싱크나 냉각판을 통해 열을 간접적으로 빼내는 방식이다.

하지만 여름철이나 급속 충전처럼 열이 많이 발생하는 환경에서는 냉각 성능에 한계가 있었다.

이를 보완하기 위해 배터리를 비전도성 액체에 담그는 액침냉각 기술이 등장했지만, 배터리팩 전체를 액체에 담가야 해 많은 냉각액이 필요하고 무게와 비용이 증가하는 문제가 있었다.

연구팀은 이런 한계를 해결하기 위해 배터리팩 상부에는 비전도성 액체를 직접 분사하고 하부만 일부 액체에 담그는 새로운 냉각 구조를 개발했다.

비전도성 액체는 전기가 통하지 않아 배터리에 직접 닿아도 합선이 발생하지 않는다.

분사된 액체가 배터리셀 표면의 열을 빠르게 흡수하고, 하부에 모인 액체는 자연스럽게 순환하며 추가로 열을 제거한다.

연구팀은 분사 냉각과 하부 대류 냉각을 결합해 적은 양의 액체만으로 높은 냉각 성능을 구현했다.

9직렬 7병렬(9S7P) 구조 리튬이온 배터리팩을 이용해 15분 만에 급속으로 충·방전을 마치는 4C-rate 조건에서 실험한 결과 배터리팩 최고 온도는 35℃ 이하, 표면 온도는 34℃ 이하를 유지했다.

또 기존 완전 액침냉각 방식은 2.3리터 비전도성 액체가 필요했지만, 새 기술은 약 0.36L만 사용해 냉각액 사용량과 질량을 85% 줄여 냉각 성능을 유지하면서 경량화와 비용 절감 효과를 함께 확보했다.

비전도성 액체는 냉각 기능과 함께 불연성 특성을 가져 화재가 발생하면 소화 역할도 수행할 수 있다.

이 기술은 전기차뿐 아니라 ESS, 데이터센터 배터리 냉각에도 활용할 수 있을 전망이다.

아울러 연구팀은 다양한 비전도성 액체의 열전달 특성을 분석해 냉각 성능을 더욱 높이고, 향후 인공지능(AI)을 활용해 최적의 냉각 성능을 내는 새로운 비전도성 액체를 발굴할 계획이다.

김 박사는 "분사형 액침냉각 기술은 적은 양의 비전도성 액체만으로도 리튬이온 배터리팩을 효과적으로 냉각해 열폭주와 화재 위험을 낮출 수 있는 기술"이라며 "액체 사용량을 크게 줄인 만큼 전기차와 에너지저장장치 등 다양한 분야에 활용할 수 있다"고 말했다.

한편, 이번 연구결과는 국제학술지 ‘Applied Thermal Engineering’에 게재됐다.
(논문명: A novel spray-based immersion cooling for Li-ion batteries: An experimental comparison with flow immersion)

이재형 기자 jh@kukinews.com