"비용 대비 효율 극대화" 기계연, 배터리 화재 방지 '냉각기술' 개발

배터리팩을 효과적으로 냉각해 화재 위험을 줄일 냉각기술이 국내에서 개발됐다. 이 기술은 급속 충·방전 조건에서 소량의 비전도성 액체로도 안정적인 냉각 성능을 확보하는 장점을 가졌다.

연구팀이 배터리 충·방전 장치를 조작해 '분사형 액침 냉각기술' 성능을 시험하고 있다. 한국기계연구원

한국기계연구원(기계연)은 탄소중립기계연구소 히트펌프연구센터 김진섭 책임연구원 연구팀이 비전도성 액체를 활용한 '분사형 액침 냉각기술'을 개발했다고 14일 밝혔다.

기존 공랭식, 수냉식 냉각기술은 히트싱크 또는 콜드플레이트를 활용한 간접 냉각으로 구현됐다. 이 같은 방식의 냉각기술은 여름철과 급속 충·방전 환경에서 배터리팩 온도가 높아지는 한계를 보인다.

이 때문에 최근에는 비전도성 액체를 직접 접촉시키는 액침 냉각기술이 주목받는다. 다만 기존에 이 기술은 배터리팩 전체를 액체에 담가야 하는 탓에 액체 사용량에 따라 비용이 커지고, 배터리팩 중량이 무거워지는 문제를 보였다.

분사형 액침 냉각 챔버. 한국기계연구원

이와 달리 연구팀이 개발한 냉각기술은 냉각 성능을 높이면서, 액체 사용량은 기존 대비 10~20% 수준으로 줄여 경량화를 가능케 한다.

배터리팩 상부에 비전도성 액체를 직접 분사하고, 하부에는 부분적으로 액침해 하부가 액체에 부분적으로 잠겨 액체의 대류 현상에 따른 추가 냉각 효과를 높인 덕분이다. 이는 상부의 분사 냉각과 하부의 대류 냉각이 결합돼 냉각 성능을 한 단계 끌어올리는 구조로 구현됐다.

이 기술을 실제 리튬이온 배터리팩의 급속 충·방전 환경에 적용했을 때 배터리팩 온도는 35도 이하를 유지, 우수한 온도 제어 성능을 보였다.

특히 비전도성 액체는 불연성으로 배터리 화재가 발생했을 때 소화 역할을 수행한다. 이는 전기차와 대용량 에너지 저장장치(ESS) 냉각 분야에 분사형 액침 냉각기술을 적용할 가능성을 엿볼 수 있는 대목이다.

연구팀은 향후 인공지능(AI) 기술을 활용해 최적의 냉각 성능을 구현할 신규 비전도성 액체 발굴 연구로 확대할 계획이다.

김 연구원은 "분사형 액침 냉각기술은 소량의 비전도성 액체로도 리튬이온 배터리팩을 냉각해 열 폭주와 화재 발생 위험을 낮춘다"며 "무엇보다 액체 사용량을 최소화해 무게와 비용 부담을 줄인 점은 향후 전기차와 ESS 등 다양한 분야에 적용할 수 있는 근거가 될 것"이라고 말했다.

한편 이번 연구는 기후에너지환경부의 에너지수요관리핵심기술개발사업 '액침 냉각을 이용한 데이터센터 열관리 초고효율화 기술개발 및 실증'으로 수행됐다. 연구 성과는 최근 열공학 분야 국제학술지 'Applied Thermal Engineering'에 게재됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr