기술과 솔루션
급속 충전에도 안정적으로, 배터리 화재 막는 냉각기술 개발 기계연, 리튬이온 배터리팩을 직접 액체 냉각하는 ‘분사형 액침냉각 기술’ 세계 최초 개발
- 비전도성 액체 직접 분사를 통해 급속 충‧방전 조건에서도 배터리셀 적정 온도로 제어 확인
- 완전 액침냉각 방식 대비 액체 사용량 85% 감축… 무게 중요한 전기차 등 활용성 높아
적은 양의 비전도성 액체만으로 리튬이온 배터리팩을 효과적으로 냉각하고 화재 위험을 줄일 수 있는 ‘분사형 액침냉각 기술 개발’에 성공했다. 실제 배터리팩의 급속 충‧방전 조건에서 안정적인 냉각 성능을 확인했으며, 기존 완전 액침냉각 방식 대비 액체 사용량을 약 85% 절감했다.
한국기계연구원(원장 류석현, 이하 기계연) 탄소중립기계연구소 히트펌프연구센터 김진섭 책임연구원 연구팀은 리튬이온 배터리팩의 열폭주와 화재 위험을 줄이기 위해 비전도성 액체를 활용한 ‘분사형 액침냉각 기술’을 개발했다. 비전도성 액체를 배터리팩 상부에 직접 분사하고 하부를 부분적으로 액침시키는 방식으로, 실제 리튬이온 배터리팩의 급속 충‧방전 환경에서 우수한 온도 제어 성능을 검증했다.
기계연 김진섭 책임연구원이 배터리 충‧방전 장치를 조작하고 있다.
기계연 연구팀이 개발한 기술은 비전도성 액체가 배터리셀과 직접 접촉해 열을 빠르게 제거하는 방식이다. 배터리팩 상부에는 액체를 직접 분사하고, 하부는 액체에 부분적으로 잠겨 있어 액체의 대류 현상에 의한 추가 냉각 효과를 얻을 수 있다. 상부 분사 냉각과 하부 대류 냉각이 결합되어 높은 냉각 성능을 구현했으며, 급속 충‧방전 조건에서도 배터리팩 온도를 35℃이하로, 안정적으로 유지할 수 있었다.
기존 공랭식 및 수냉식 냉각기술은 히트싱크나 콜드 플레이트 등을 활용한 간접 냉각 방식으로, 여름철이나 급속 충‧방전 환경에서는 배터리팩 온도가 상승하는 한계가 있었다. 이를 보완하기 위해 비전도성 액체를 직접 접촉시키는 액침냉각 기술이 주목받고 있으나, 기존 방식은 배터리팩 전체를 액체에 담가야 해 액체 사용량 증가에 따른 비용과 중량 문제가 있었다. 이번에 개발한 분사형 액침냉각 기술은 기존 액침냉각 대비 액체 사용량을 10~20% 수준으로 줄이면서도 냉각 성능은 향상시켜 배터리팩의 열적 안정성과 경량화를 동시에 확보했다.
[ 연구 성과 관련 자료 ]
< 9S7P 리튬이온 배터리팩 구조 >
배터리팩 ‘분사형 액침냉각 기술’ 구성과 우수성
리튬이온 배터리팩의 수명과 안전성은 온도와 밀접하게 연관되어 있어, 적정 온도(15~35℃)를 벗어나게 되면 수명과 출력이 저하될 뿐만 아니라 온도가 더욱 상승할 경우 열폭주로 인한 화재 발생으로까지 연결될 수 있다. 리튬이온 배터리팩의 열적 안정성을 향상시키기 위해 한국기계연구원은 전기가 통하지 않는 비전도성 유체를 배터리셀 표면에 직접 분사하는 ‘분사형 액침냉각 기술’을 개발하였다.
< 완전 액침냉각(Case I)과 분사형 액침냉각(Case II, III, IV) 비교 >
분사형 액침냉각은 기존의 완전 액침냉각이 배터리팩을 비전도성 유체에 완전히 담그는 것과 달리 배터리팩의 일부(10~50%)만 비전도성 유체에 담기고, 비전도성 유체는 펌프를 통해 순환하여 배터리팩 상단으로 분사되는 구조이다. 비전도성 유체의 순환량은 펌프를 통해 분당 2~4L로 조절되고, 배터리팩의 충‧방전율(C-rate)은 배터리 충‧방전 장치를 통해 1C에서 4C까지 정밀하게 제어된다. 4C-rate는 15분 만에 배터리팩 충‧방전을 완료할 수 있는 급속 충‧방전 조건이다. 실험 결과, 분사형 액침냉각 기술은 4C의 충‧방전 조건에서도 배터리팩의 표면 온도를 34℃ 이하로 유지하는 것이 확인되었다.
< 리튬이온 배터리팩 및 분사 노즐 사진 >
기계연 연구팀은 분사형 액침냉각 기술을 적용해 급속 충‧방전에 해당하는 높은 충‧방전률(4C-rate) 조건에서도 배터리셀 최고 온도를 35℃ 이하로 유지하는 데 성공했다. 또한 비전도성 액체 사용량을 크게 줄여 무게와 비용 부담을 낮춤으로써 전기차뿐 아니라 대용량 에너지 저장 장치(ESS) 냉각 분야에도 적용 가능성을 높였다. 특히 비전도성 액체는 높은 냉각 성능과 함께 불연성을 갖고 있어 배터리 화재 발생 시 소화 역할도 수행할 수 있다.
< 분사형 액침냉각 기술 실험 장치 개략도 >
이러한 성능 향상의 원인은, 분사 냉각이 배터리 표면에 직접 충돌(impingement)하면서 국부적인 열전달을 크게 향상시키고, 하부에서는 대류 열전달 향상을 통해 기존 방식에서 냉각이 어려웠던 하부 영역(셀 하단부)의 열을 효과적으로 제거했기 때문이다. 또한 분사형 액침냉각은 액체 사용량을 크게 줄일 수 있다는 장점도 확인하였다. 기존 완전 액침냉각에서는 약 2.34L의 비전도성 유체가 필요했으나, 분사형 액침냉각(0.1H)에서는 약 0.36L만 필요하여 비전도성 유체 사용량과 질량을 약 85%까지 절감할 수 있었다. 이는 전기차 적용 시 시스템 경량화와 비용 절감 측면에서 매우 중요한 의미를 가진다.
종합하면, ‘분사형 액침냉각 기술’은 기존 액침냉각 대비 더 적은 비전도성 유체로도 우수한 열관리 성능을 제공할 수 있음을 실험적으로 입증하였다. 특히 고출력·고발열 전기차 배터리의 열폭주 방지와 경량화 측면에서 매우 유망한 냉각기술이라고 할 수 있다.
최근 리튬이온 배터리 화재와 열폭주 안전성 문제가 중요해지면서, 이번 기술은 전기차와 데이터센터 ESS 등 다양한 분야의 배터리 안전성 향상에 활용될 것으로 기대된다. 연구팀은 다양한 비전도성 액체를 대상으로 냉각 성능을 극대화할 수 있는 열물성 특성을 규명했으며, 향후 AI 기술을 활용해 최적의 냉각 성능을 구현할 수 있는 신규 비전도성 액체 발굴 연구로 확대할 계획이다.
