켄텍, 급속충전 발열 잡는 ‘튜브형 배터리’ 개발

송주현 한국에너지공대 교수

6C 급속충전 조건에서 4680 원통형 셀과 튜브형 셀의 열적 거동 비교

전기차 급속충전의 최대 걸림돌로 꼽혀온 배터리 발열 문제를 해결할 수 있는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

한국에너지공과대학교(KENTECH·켄텍)에 따르면 송주현 교수 연구팀이 셀 중심부에 냉각 채널을 적용한 ‘튜브형 배터리(Tubular Form Factor Battery)’를 개발해 충전 속도와 내구성을 높이고 생산 원가까지 낮출 수 있는 가능성을 제시했다고 30일 밝혔다.

최근 전기차 배터리 시장은 에너지 밀도와 생산 효율을 높이기 위해 원통형 배터리의 대형화가 빠르게 진행되고 있다.

하지만 셀의 지름이 커질수록 급속충전 과정에서 발생한 열이 내부에 축적되면서 충전 속도와 안전성 확보에 한계가 있다는 문제가 꾸준히 제기돼 왔다.

연구팀은 기존 원통형 배터리의 중앙 공간에 냉각수가 흐르는 채널을 적용한 새로운 구조를 구현했다.

이를 통해 셀 내부와 외부에서 동시에 열을 배출할 수 있도록 설계해 열 전달 거리를 기존의 절반 수준으로 줄이고 냉각 효율을 크게 높였다.

실험 결과 46㎜ 원통형 셀을 6C 급속충전했을 때 기존 배터리의 최고 온도는 58.1도까지 상승한 반면 튜브형 배터리는 44.5도를 기록해 약 13.6도 낮은 온도를 유지했다. 배터리 잔량 5%에서 95%까지 충전하는 시간도 기존 12.4분에서 9.6분으로 약 23% 단축됐다.

내구성도 향상됐다.

급속충전 조건에서 500회 충·방전 시험을 진행한 결과 용량 유지율은 기존 원통형 배터리의 76%보다 15.5%포인트 높은 91.5%를 기록했다.

연구팀은 향상된 냉각 성능을 바탕으로 셀의 대형화를 확대할 수 있어 10분 급속충전 기준 kWh당 약 2.9달러의 생산 원가 절감 효과도 기대된다고 설명했다.

특히 기존 원통형 배터리 생산 공정과 배터리 팩 설비를 대부분 그대로 활용할 수 있어 산업 현장 적용 가능성도 높을 것으로 연구팀은 내다봤다.

송주현 교수는 “이번 연구는 지난 30년간 유지돼 온 원통형 배터리 구조를 새롭게 제안한 것으로, 대형 원통형 배터리의 물리적 발열 한계를 근본적으로 극복한 사례다”며 “전기차용 대형 배터리의 급속충전 기술과 상용화를 앞당기는 중요한 전환점이 될 것으로 기대한다”고 말했다.

한편, 이번 연구 결과는 셀프레스(Cell Press)가 발행하는 국제학술지 ‘Device’에 게재됐으며, 과학기술정보통신부와 한국연구재단, 한국산업기술평가관리원(KEIT)의 지원을 받아 수행됐다.