튜브형 냉각 방식으로 원형 배터리 발열 해결…상용화 모색

국내 연구진이 원통형 배터리 발열 문제를 냉각채널을 적용한 튜브형 설계로 해결했다. 대형화·충전속도·내구성 등 3가지 성능을 한 번에 향상시키는데도 성공하고 상용화 방법을 모색 중이다.

송주현 한국에너지공과대학교(KENTECH) 에너지공학부 교수는 전화통화에서 "발열 문제를 개선한 급속충전용 튜브형 배터리를 개발했다"며 "셀 중심부에 냉각 채널을 통합해 충전 과정에서 발생하는 열을 효과적으로 배출할 수 있도록 설계됐다. 크기도 57㎜까지 늘릴 수 있어 경제적"이라고 설명했다.

10분 급속충전 조건에서 4680 원통형 셀과 튜브형 셀의 열적 거동 비교표.(그림=한국에너지공대)

효율적인 부분 등을 감안할 때 제작 비용 증가는 없다는 부연 설명이다.

최근 전기차 배터리는 셀의 대형화 추세다. 대형 셀은 소형대비 효율이 좋다. 에너지 밀도를 높이고 생산 단가를 낮출 수 있는 장점이 있다. 특히, 원통형 배터리는 이전의 18650(지름 18㎜, 높이 65㎜) 크기에서 테슬라를 선두로 2170(지름 21㎜, 높이 70㎜), 나아가 4680(지름 46㎜, 높이 80㎜) 크기까지 대형화되고 있다.

그러나 원통형 배터리는 대형화될수록 셀 지름이 커지면서 급속충전 시 발생한 열이 외부로 방출되지 못하고 셀 내부에 누적되는 한계가 있다. 내부 온도가 40~50℃를 넘어서면 소재 열화가 가속화되고 안전성 문제로 이어질 수 있다. 이 때문에 기존 대형 원통형 배터리(4680 이상)는 열 관리 한계로 급속충전 속도를 높이는 데 제약이 따랐으며, 빠른 충전을 위해선 셀 크기를 제한해야 했다.

연구팀은 그동안 사용되지 않던 원통형 배터리의 비어있는 중앙 공간에 쿨링채널을 만들어 냉각수가 순환하도록 설계했다. 열 전달 거리를 기존의 절반 수준으로 줄여, 셀 내부와 외부 양방향에서 열을 효과적으로 배출시킬 수 있게 했다.

연구 결과, 46㎜ 구경 셀 기준 6C(10분) 급속충전 시 기존 원통형 배터리는 최고 온도가 58.1℃까지 상승한 반면, 튜브형 배터리는 44.5℃로 13.6℃, 23.4% 낮추는 획기적인 냉각 효과가 나타났다. 또한 5%에서 95%까지 충전하는 데 걸리는 시간도 기존 12.4분에서 9.6분으로 줄였다.

수명과 내구성 면에서도 성능 개선이 확인됐다. 급속충전 조건에서 내부 열화 반응이 억제되면서, 500사이클 장기 수명 평가 시 용량 유지율이 기존 원통형 배터리 76%보다 15.5%p 높은 91.5%를 기록했다.