켄텍 송주현 교수, 배터리 급속충전 장애물 ‘발열’ 개선책 찾았다

냉각 채널 적용한 ‘튜브형 배터리’ 개발…대형화·충전속도·내구성 향상

한국에너지공과대학교(켄텍) 에너지공학부 송주현 교수 연구팀이 대형 원통형 배터리의 발열 문제를 개선한 급속충전용 배터리를 개발했다.

새롭게 개발한 ‘튜브형 배터리’는 셀 중심부에 냉각 채널을 통합, 충전 과정에서 발생하는 열을 효과적으로 배출할 수 있도록 설계됐다.

최근 전기차 배터리 시장은 셀이 대형화되는 추세다. 대형 셀은 비활성 부품의 부피와 비용 비중을 상대적으로 줄여 에너지 밀도를 높이고 생산 단가를 낮출 수 있어 원통형, 파우치형, 각형 등에 전반적으로 적용되고 있다.

특히 원통형 배터리는 기존의 1865(지름 18㎜, 높이 65㎜) 크기에서 테슬라를 선두로 2170(지름 21㎜, 높이 70㎜), 나아가 4680(지름 46㎜, 높이 80㎜) 크기까지 대형화되며 시장에서 비중이 커지고 있다.

그러나 원통형 배터리는 대형화될수록 셀의 지름이 커지면서 급속충전 시 발생한 열이 외부로 방출되지 못하고 셀 내부에 누적되는 한계를 드러내왔다. 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.

이번에 송주현 교수 연구팀이 개발한 튜브형 배터리는 그동안 사용되지 않던 원통형 배터리의 중앙 공간에 냉각수가 직접 흐르는 채널을 배치했다. 이를 통해 열 전달 거리를 기존의 절반 수준으로 줄여, 셀 내부와 외부 양방향에서 열을 효과적으로 배출시킬 수 있도록 했다.

연구 결과, 46㎜ 구경 셀 기준 6℃ 급속충전 시 기존 원통형 배터리는 최고 온도가 58.1℃까지 상승한 반면, 튜브형 배터리는 44.5℃로 13.6℃나 낮아지는 획기적인 냉각 효과가 나타났다. 또한 5%에서 95%까지 충전하는 데 걸리는 시간도 기존 12.4분에서 9.6분으로 줄었다.

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

경제성 측면에서도 의미 있는 결과가 나왔다. 연구팀은 튜브형 구조가 향상된 냉각 성능 덕분에 성능 저하 없이 셀의 구경을 더욱 대형화할 수 있게 되면서 10분 급속충전 조건 기준 kWh당 약 2.9달러의 생산 원가 절감 효과를 거둘 수 있다고 분석했다.

특히, 기존 원통형 배터리의 대량 생산 공정과 팩 구성 설비를 대부분 그대로 활용할 수 있어 산업 현장 적용 가능성도 높은 것으로 평가됐다.

송주현 교수는 “이번 연구는 지난 30년간 변하지 않았던 배터리 폼팩터를 새롭게 제안함으로써, 대형 원통형 배터리가 가진 물리적 발열 한계를 근본적으로 극복해 낸 사례”라며 “새로 개발된 원통형 배터리가 대형 셀 시대로 진화하는 중요한 전환점이 될 것”이라고 말했다.

이번 연구 결과는 셀프레스(Cell Press)가 발행하는 국제 학술지 ‘디바이스(Device)’에 게재됐다. 본 연구는 과학기술정보통신부 재원으로 연구재단 및 산업기술평가관리원의 지원을 받아 수행됐다.