리튬이온 배터리는 작동 시 에너지의 10% 미만만 열로 변환되지만, 이 열을 효과적으로 제어하지 않으면 배터리 노화가 가속화되고 극단적인 경우 열 폭주 및 화재가 발생할 수도 있습니다. 대조적으로, 인간의 "비효율적인" 전기화학 시스템은 매일 수백 잔의 차를 끓일 수 있을 만큼 충분한 열을 생성하지만 여전히 안정적인 체온을 유지할 수 있습니다. 핵심은 피부와 땀에 의한 열 발산 메커니즘에 있습니다.이에 영감을 받아 홍콩 시립대학교 연구팀은 최근 배터리가 포유류 피부처럼 땀을 흘리고 식힐 수 있는 '피부와 유사한 적응형 나노복합체 냉각 필름'을 개발했습니다.

수년 동안 휴대폰에서 전기 자동차에 이르기까지 거의 모든 리튬 배터리 시스템에는 팬, 방열판, 액체 냉각 회로 및 상변화 물질을 포함한 열 관리 시스템이 장착되어 셀 온도를 안전한 범위 내로 유지했습니다. 이러한 솔루션은 성숙하고 효과적이지만 구조가 복잡하고 공간을 차지하며 추가 전력 소비가 필요한 경우가 많습니다. 연구팀은 자연이 이미 효율적이고 우아한 해결책을 제공했다고 믿습니다. 포유류 피부는 "땀 + 증발"을 통해 매우 효율적인 체온 조절을 달성합니다. 이 메커니즘을 설계해 배터리에 이식할 수 있다면 성능, 안전성, 시스템 단순성 등이 동시에 향상될 것으로 기대된다.

보도에 따르면 이 새로운 냉각 필름은 배터리 표면을 '피부'처럼 덮고 있다고 한다. 염화리튬(LiCl), 산화그래핀(GO), 활성탄소섬유(ACF) 등 기능성 소재로 구성되며 다공성 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 멤브레인으로 캡슐화되고 구리 프레임으로 지지된다. 각 구성 요소에는 명확한 업무 구분이 있습니다. LiCl은 온도가 낮을 ​​때 공기 중 수분을 흡수하고 저장할 수 있는 흡습성이 높은 염입니다. 산화그래핀은 효율적인 열전도 네트워크를 형성하여 배터리에서 발생하는 열을 멤브레인 내로 빠르게 확산시킵니다. 활성 탄소 섬유의 다공성 구조는 증발 면적을 크게 증가시킵니다. 구리 프레임은 열을 고르게 분산시키고 국부적인 포화를 방지합니다. PTFE 외부 멤브레인은 수증기가 자유롭게 통과하도록 허용하면서 용액 누출을 방지합니다.

배터리가 가열되면 멤브레인에 저장된 수분이 열을 흡수하고 빠르게 증발하여 배터리 표면에서 열을 빼앗아가는데, 이 과정을 '탈착 냉각'이라고 합니다. 배터리가 냉각되면 멤브레인은 주변 공기로부터 물을 자발적으로 재흡수하여 "수분 재고"를 복원하고 다음 작업을 준비합니다. 연구팀은 이러한 적응형 수분 흡수 및 방출 특성을 통해 냉각 필름이 다양한 작업 조건에서 자동으로 자체 상태를 조정하고 외부 제어 시스템 없이도 지속적인 순환을 달성할 수 있다고 지적했습니다.

실험 데이터에 따르면 적응형 냉각 필름은 개념 증명 테스트에서 평균 냉각 전력 802.5W·m⁻²를 달성했으며, 2.7kW·m⁻²의 높은 열유속 밀도에서 온도를 섭씨 34.3도(화씨 약 61.7도) 낮췄습니다. 공칭 3.7V/12Ah의 상용 리튬이온 배터리에 대해 고속 충방전 테스트를 실시한 결과, 이 냉각 필름을 사용하면 배터리 사이클 수명이 118배에서 233배로 거의 2배 연장됐다. 연구진은 고성능 배터리의 실제 작동 조건에 가까운 강한 열부하 조건에서도 이 소재가 여전히 섭씨 30도 이상의 냉각을 달성할 수 있어 성능 저하와 안전 위험을 크게 억제할 수 있다고 지적했습니다.

냉각 기능 외에도 나노복합체 필름은 난연성도 뛰어나 일반적으로 연소를 유발하는 조건에서 열 폭주 확산을 효과적으로 방지합니다. 테스트에서 멤브레인은 1,000시간 이상의 가혹한 사이클 사용 후에도 안정적인 열 관리 성능을 유지하여 우수한 내구성과 반복성을 보여주었습니다. 더 중요한 것은 전체 시스템이 수동적으로 냉각되며 추가 전원 공급 장치가 필요하지 않다는 점입니다. 배터리 온도가 떨어지면 필름의 LiCl이 공기 중 수분을 자동으로 재흡수하여 다음 방열을 "충전"합니다.

"우리의 목표는 실제 배터리 작동 중 신뢰성과 안전성을 고려하면서 외부 에너지 입력 없이 강력한 냉각 기능을 제공하는 수동적이고 컴팩트하며 저비용의 실용적인 열 관리 솔루션을 개발하는 것입니다." 프로젝트 리더인 Sui Zengguang 박사는 말했습니다. 단순한 구조와 컴팩트한 사이즈로 인해 디자인 확장성이 뛰어나며 필요에 따라 크기를 확대하거나 축소할 수 있습니다. 휴대용 전자기기부터 대형 전기차 배터리팩까지 모든 분야에 적용될 것으로 예상된다.

그러나 연구팀은 또한 이 기술이 현재 열부하가 간헐적으로 또는 주기적으로 변하는 시나리오에 더 적합하다는 점을 상기시켰습니다. 지속적으로 높은 열 흐름 밀도 조건에서는 재료가 냉각되고 수분을 재흡수하는 데 시간이 필요하기 때문에 냉각 용량이 제한됩니다. 즉, 이는 지속적인 극한 열 환경에 대한 일률적인 답변이 아니라 "간헐적인 고전력 작업"에 적합한 수동 냉각 솔루션입니다.

아직은 상대적으로 초기 단계이고 완전한 산업화에 앞서 추가 연구, 개발, 검증이 필요하지만 연구자들은 그 전망에 대해 상당히 낙관하고 있습니다. 그들은 이 기술이 가볍고 콤팩트하며 추가 전원 공급 장치가 필요하지 않지만 "의미 있는 냉각 용량"이 필요한 모든 시나리오, 특히 휴머노이드 로봇 및 드론과 같이 무게 및 포장 제약에 극도로 민감한 분야에서 매우 매력적이라고 ​​믿습니다. 관련 연구논문은 'ACS Nano' 저널에 게재되었으며, 보다 자세한 기술적인 내용도 기사를 통해 공개하고 있습니다.