▲ 에너지기술연구원에서 개발한 메탈폼을 적용한 적층식 모듈

한국에너지기술연구원(원장 곽병성) 에너지절약연구실(연구책임자 김강출 책임연구원)은 연구소기업인 ㈜이트라이언을 설립하고 지속적인 연구협력을 통해 우수한 성능의 배터리팩 개발에 성공했다.

에너지연은 보유하고 있는 기술의 사업화 성공을 위해 일회성 기술이전보다 지속적인 연구협력과 지원이 필요함을 인식하고 연구소기업인 ㈜이트라이언을 설립, 연구원의 인프라를 활용해 기술개발을 지원했다.

이번에 개발된 기술은 ‘메탈폼을 적용한 대용량 모듈 적층 기술’로 중형 배터리팩 제작 방식의 단점인 배터리 셀의 냉각, 성능과 수명 저하 문제를 해결하는 기술이다.

전기자동차에 적용되고 있는 대용량(20 kWh급 이상) 배터리팩은 대기업에서 셀, 모듈, 팩을 모두 개발하고 있지만, 마이크로모빌리티 EV(초소형전기자동차, 전기이륜차, 전동휠체어 등)와 소형 에너지저장장치(ESS)에 적용되고 있는 중형(2 ~ 6 kWh급) 배터리팩은 대기업의 배터리 셀을 공급 받은 중소기업에서 배터리 모듈, 팩을 개발해 판매하고 있다.

기존 중형 배터리팩 제작 기술은 배터리 셀을 수평 방향으로 적층하고 니켈 스트립을 셀에 용접해 연결하는 방식이다. 하지만 이 기술은 수평방향, 직렬로 연결하기 때문에 연결 길이가 늘어나서 저항이 증가하고 셀에 흐르는 전류의 편차가 발생해 효율과 수명이 감소한다.

또한 제작 후 전극이 노출되기 때문에 셀을 밀폐해야하고, 이로 인해 셀의 냉각이 어려워 화재의 위험성이 있으며 배터리 셀의 동작 온도 상승 및 배터리 셀의 온도편차로 인해 수명이 줄어드는 등 단점이 존재했다.

연구원은 기존의 단점을 해결하기 위해 우수한 방열 특성의 히트싱크를 적용한 원통형 배터리 셀 35개를 병렬로 연결, 100Ah(암페어아워)급 대용량 모듈을 만들고 이를 적층해 중형 배터리팩을 제작하는데 성공했다.

연구진은 대용량 모듈을 수직방향으로 적층, 직렬로 연결해 길이를 줄임으로써 연결 저항을 최소화했으며, 모듈 사이에 스펀지와 벨크로(찍찍이)와 같은 기능을 하는 메탈폼을 부착해 모듈 사이의 접촉성과 내진동성을 크게 향상시켰다. 이를 통해 배터리팩의 효율과 에너지 사용량, 수명 등이 10% 이상 향상됐다.

또, 히트싱크에 의해 배터리 셀이 개별적으로 보호돼 있어 외부 충격에 의한 파손 위험이 낮아지고, 외부 충돌이 발생한 경우에는 모듈이 분리되어 쇼트(단락)에 의한 화재의 위험성을 크게 감소시킬 수 있다.

이외에도 배터리팩에 부착된 스마트 윈도우를 통해 배터리 셀의 냉각과 보온을 유연하게 조정할 수 있어 효율적인 열 관리로 인한 수명 상승을 기대할 수 있다.

연구책임자인 에너지연 김강출 책임연구원은 “본 기술은 최근 늘어나고 있는 카라반/캠핑카/모터홈, 무시동 에어컨이 장착된 트럭 등의 배터리팩 수요에 적합한 기술”이라며, “이번 성과는 연구원이 개발한 기술이 연구소기업에 이전돼 중소기업 성장과 고용창출 등에 기여할 수 있는 우수 사례가 될 것”이라고 밝혔다.

연구소기업인 ㈜이트라이언은 향후 카라반, 캠핑카, 무시동 에어컨 장착 트럭 등에 적용할 수 있는 배터리팩 제품 개발을 위해 기존 히트싱크 대신에 플라스틱 모듈 홀더를 이용한 기술을 개발하고 사업화를 진행할 계획이다.