한국에너지공과대학교(KENTECH)은 송주현 에너지공학부 교수팀이 대형 원통형 배터리의 발열 문제를 개선한 급속충전용 배터리를 개발했다고 30일 밝혔다.
새롭게 개발한 '튜브형 배터리'는 셀 중심부에 냉각 채널을 통합해 충전 과정에서 발생하는 열을 효과적으로 배출할 수 있도록 설계됐다.
최근 전기차 배터리 시장의 가장 큰 흐름은 셀의 대형화 추세다. 대형 셀은 비활성 부품의 부피와 비용 비중을 상대적으로 줄여 에너지 밀도를 높이고 생산 단가를 낮출 수 있어 원통형, 파우치형, 각형 등 모든 배터리 폼팩터 전반으로 확대 적용되고 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 대형화되며 시장에서 큰 비중을 차지하고 있다.
하지만 원통형 배터리는 대형화될수록 셀의 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. 기존 대형 원통형 배터리(4680 이상)는 열 관리 한계로 급속충전 속도를 높이는 데 제약이 따랐으며 빠른 충전을 위해선 셀 크기를 제한해야 했다.
연구팀이 새로 개발한 튜브형 배터리는 그동안 사용되지 않던 원통형 배터리의 중앙 공간에 냉각수가 직접 흐르는 채널을 배치한 구조다. 열 전달 거리를 기존의 절반 수준으로 줄여, 셀 내부와 외부 양방향에서 열을 효과적으로 배출시킬 수 있게 했다.
실험 연구 결과 46㎜ 구경 셀 기준 6C 급속충전 시 기존 원통형 배터리는 최고 온도가 58.1℃까지 상승한 반면, 튜브형 배터리는 44.5℃로 13.6℃나 낮추는 획기적인 냉각 효과가 나타났다. 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.
경제성 측면에서도 의미 있는 결과가 나왔다. 연구팀은 튜브형 구조가 향상된 냉각 성능 덕분에 성능 저하 없이 셀의 구경을 더욱 대형화할 수 있어 10분 급속충전 조건 기준 kWh당 약 2.9달러의 생산 원가 절감 효과를 거둘 수 있다고 분석했다. 기존 원통형 배터리의 대량 생산 공정과 팩 구성 설비를 대부분 그대로 활용할 수 있어 산업 현장 적용 가능성도 높은 것으로 평가했다.
송주현 교수는 “이번 연구는 지난 30년간 변하지 않았던 배터리 폼팩터를 새롭게 제안함으로써 대형 원통형 배터리가 가진 물리적 발열 한계를 근본적으로 극복해 낸 사례”라며 “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. 연구는 과학기술정보통신부 재원 지원을 받아 수행했다.
전남광주=김한식 기자 hskim@etnews.com
