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냉각채널로 발열 잡고 10분 급속충전 구현한 '튜브형' 배터리

한국에너지공대 한국에너지공대 연구팀이 원통형 배터리의 활용되지 않는 공간에 냉각수 통로를 배치해 기존 배터리보다 열 배출 효과를 높여 성능 저하를 억제하는 데 성공했다. ChatGPT 생성이미지 대형 원통형 배터리의 중심부에 냉각수가 흐르는 통로를 넣어 급속충전 과정에서 발생하는 열을 효과적으로 배출하는 새로운 배터리 형태가 개발됐다. 배터리 셀의 크기를 키우면서도 빠른 충전 속도와 긴 수명을 유지하는 기술로 활용될 것으로 기대된다. 한국에너지공대는 송주현 에너지공학부 교수팀이 셀 중심부에 냉각 채널을 통합한 '튜브형 배터리'를 개발했다고 30일 밝혔다. 연구결과는 국제학술지 '디바이스'에 지난달 1일 게재됐다. 최근 전기차 업계에서는 배터리 '셀'의 대형화 경쟁이 이어지고 있다. 배터리의 기본 단위인 셀이 커지면 비활성 부품이 차지하는 비중을 줄여 에너지 밀도를 높이고 생산 단가를 낮출 수 있다. 원통형 배터리는 지름이 커질수록 급속 충전 시 발생한 열이 외부로 방출되기 어렵다. 내부 온도가 40~50도를 넘어서면 배터리 소재의 열화가 빨라지고 안전성 문제가 발생할 수 있어 급속 충전 속도를 높이는 데 한계가 있다. 연구팀은 기존 원통형 배터리에서 활용되지 않던 셀 중앙 공간에 냉각수가 흐르는 통로를 배치한 튜브형 배터리를 개발했다. 배터리 바깥쪽에서만 열을 식히는 기존 방식과 달리 안쪽과 바깥쪽 양방향으로 열을 식히는 구조다. 열이 이동해야 하는 거리도 기존의 절반 수준으로 줄였다. 연구팀이 개발한 튜브형 배터리는 충전 과정에서 내부 온도가 낮게 유지되며 배터리 소재 열화 반응이 억제된 것으로 분석됐다. 한국에너지공대 제공 지름 46mm 셀을 6C 조건으로 급속충전한 결과 연구팀이 개발한 튜브형 배터리는 최고 온도가 44.5도로 기존 원통형 배터리보다 13.6도 낮았다. 1C는 이론상 배터리를 1시간에 완전히 충전하는 속도다. 같은 조건에서 기존 원통형 배터리의 최고 온도는 58.1도까지 상승했다. 배터리를 5%서 95%로 충전하는 데 걸리는 데 걸린 시간은 9.6분이었다. 배터리 수명도 개선됐다. 급속충전을 500회 반복한 뒤 사용량 유지율은 기존 원통형 배터리(76%)보다 높은 91.5%로 측정됐다. 충전 과정에서 내부 온도가 낮게 유지되며 배터리 소재 열화 반응이 억제된 것으로 분석됐다. 연구팀은 냉각 성능이 개선되면 성능 저하 없이 배터리 셀의 지름을 더 키울 수 있어 생산 비용이 줄어들 것으로 전망했다. 10분 급속충전 조건 기준으로 배터리 용량 1킬로와트시(kWh)당 약 2.9달러(약 4170원)의 생산비 절감 효과가 있을 것으로 계산됐다. 기존 원통형 배터리 생산 공정과 배터리 팩 조립 설비도 대부분 활용할 수 있어 산업 현장 적용 가능성이 높다고 평가된다. 송주현 교수는 "배터리 형태는 지난 30년간 크게 변하지 않았다"며 "새로운 형태를 제안해 대형 원통형 배터리의 물리적인 발열 한계를 극복했다"고 말했다. 이어 "원통형 배터리가 대형 셀 시대로 진화하는 중요한 전환점이 될 것"이라고 덧붙였다. <참고 자료> doi.org/10.1016/j.device.2026.101242 송주현 교수. 한국에너지공대 제공