[비욘드포스트 이봉진 기자] 중앙대학교 연구진이 전기자동차(EV)와 대규모 에너지저장장치(ESS)의 배터리 화재 발생률을 낮출 수 있는 다기능 열관리 복합소재를 개발했다. 기존 단열재의 한계를 극복하고 셀 간 연쇄 발화를 차단할 수 있는 새로운 기술적 대안으로 평가받는다.
(왼쪽부터) 김주헌 교수, 김상우 연구원(석사과정) / (사진제공=중앙대)
중앙대는 화학공학과 김주헌 교수(지능형에너지산업융합학과 겸임) 연구팀이 바이오 기반 에어로겔과 상변화 소재(PCM)를 결합해 단열, 열에너지 저장, 구조적 안정성, 난연 성능을 동시에 갖춘 열관리 신소재를 구현했다고 3일 밝혔다.
전기차와 ESS에 널리 쓰이는 리튬이온 배터리는 과충전이나 내부 단락 시 과도한 열이 발생한다. 이 열이 인접한 배터리 셀로 번질 경우 연쇄적인 온도 상승과 함께 걷잡을 수 없는 화재로 이어지는 '열폭주' 현상이 발생한다.
산업계는 이를 막기 위해 고분자 폼이나 세라믹 섬유 등의 단열재를 사용해 왔으나, 이는 열전달 속도를 늦출 뿐 내부 열을 직접 흡수하지 못하는 한계가 있었다. 고체에서 액체로 변하며 열(잠열)을 흡수하는 상변화 소재 역시 온도 상승을 완화할 수는 있지만, 액상화 과정에서 소재가 흘러내려 구조가 파괴되는 문제가 지적돼 왔다.
연구팀은 산화아연(ZnO)을 도입한 바이오 기반 에어로겔 구조에 열 흡수 능력이 뛰어난 상변화 소재인 '에리트리톨'을 융합하는 방식으로 두 소재의 단점을 상쇄했다. 개발된 복합소재는 열 전파를 지연시키면서도 발생한 열을 효과적으로 가두며, 상변화 과정에서 필연적으로 발생하는 누액 현상까지 억제한다.
다기능 열관리 복합소재의 제조 원리와 주요 성능. (사진제공=중앙대)
김 교수 연구팀은 "이번 연구는 단순히 열의 전달을 막는 방식을 넘어, 열을 직접 흡수·저장하면서도 고온에서의 누출 및 화재 위험을 획기적으로 줄였다는 데 의의가 있다"고 설명했다.
해당 복합소재는 향후 전기차 배터리 모듈 및 팩, 대규모 ESS 등에서 배터리 셀 사이의 급격한 온도 상승을 제어하는 핵심 열관리 소재로 활용될 전망이다.
한편, 이번 연구 결과는 '다기능성 열 절연을 위한 산화아연 도입 하이드록시에틸 셀룰로오스/리그닌 에어로겔–에폭시/에리트리톨 복합소재'라는 제목으로 화학공학 분야 권위지인 '케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal, 피인용지수 12.5)'에 게재됐다.
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