기계연, 분사형 액침냉각으로 35도 이하 유지
전기차·ESS 적용 기대…AI 기반 냉각액 연구 확대

국내 연구진이 적은 양의 비전도성 액체만으로 리튬이온 배터리팩을 효과적으로 냉각하고 화재 위험까지 낮출 수 있는 '분사형 액침냉각 기술'을 개발했습니다.

한국기계연구원 김진섭 책임연구원 연구팀이 배터리팩 상부에는 비전도성 액체를 직접 분사하고, 하부는 액체에 부분적으로 잠기도록 설계한 새로운 액침냉각 기술을 개발했습니다.

기존 공랭식과 수냉식은 히트싱크나 냉각판을 통해 간접적으로 열을 식히는 방식이어서 급속 충방전이나 고온 환경에서는 냉각 성능에 한계가 있었습니다.

이를 보완하기 위해 배터리를 비전도성 액체에 담그는 액침냉각 기술이 주목받고 있지만, 기존 방식은 배터리팩 전체를 액체에 담가야 해 냉각액 사용량과 무게, 비용이 증가하는 문제가 있었습니다.

연구팀이 개발한 기술은 상부 분사 냉각과 하부 대류 냉각을 결합한 방식으로, 기존 액침냉각 대비 10~20% 수준의 적은 양의 냉각액만으로도 높은 냉각 성능을 구현했습니다.

실험에서는 급속 충방전에 해당하는 높은 충방전률(4C-rate) 조건에서도 배터리셀 최고 온도를 35도 이하로 안정적으로 유지했습니다.

또 기존 완전 액침냉각 방식보다 비전도성 액체 사용량을 약 85% 줄이면서도 냉각 성능은 오히려 향상된 것으로 나타났습니다.

비전도성 액체는 전기가 통하지 않을 뿐 아니라 불연성 특성을 갖춰 배터리 화재가 발생할 경우 소화 기능도 함께 수행할 수 있다는 장점이 있습니다.

연구팀은 액체 사용량을 크게 줄여 무게와 비용 부담을 낮춘 만큼 전기차는 물론 대용량 에너지저장장치(ESS) 냉각 기술에도 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대했습니다.

연구팀은 다양한 비전도성 액체의 열물성을 분석해 최적의 냉각 조건을 규명했으며, 앞으로는 AI를 활용해 냉각 성능을 더욱 높일 수 있는 신규 냉각액 개발 연구도 추진할 계획입니다.

김진섭 책임연구원은 "분사형 액침냉각 기술은 적은 양의 비전도성 액체만으로도 배터리팩의 열폭주와 화재 위험을 효과적으로 줄일 수 있다"며 "액체 사용량을 최소화해 무게와 비용을 줄인 만큼 전기차와 ESS 등 다양한 분야로 적용이 확대될 것으로 기대한다"고 말했습니다.

이번 연구 결과는 열공학 분야 국제학술지 'Applied Thermal Engineering'에 게재됐습니다.