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▲ 기계연 김진섭 책임연구원 연구팀이 분사형 액침냉각 챔버를 작동하고 있다.

국내 연구진이 적은 양의 비전도성 액체만으로 리튬이온 배터리팩을 효과적으로 냉각하고 화재 위험을 낮출 수 있는 냉각 기술을 개발했다. 기존 완전 액침냉각 방식보다 냉각액 사용량을 약 85% 줄이면서도 급속 충방전 환경에서 안정적인 온도 제어 성능을 입증해 전기차와 에너지저장장치(ESS) 적용이 기대된다.

한국기계연구원(KIMM, 원장 류석현)은 탄소중립기계연구소 히트펌프연구센터 김진섭 책임연구원 연구팀이 비전도성 액체를 활용한 ‘분사형 액침냉각 기술’을 개발했다고 14일 밝혔다.

이번 기술은 비전도성 액체를 배터리팩 상부에 직접 분사하고 하부는 액체에 부분적으로 잠기도록 설계한 것이 특징이다. 액체가 배터리셀과 직접 접촉해 열을 빠르게 제거하는 동시에 상부 분사 냉각과 하부 대류 냉각이 결합돼 높은 냉각 성능을 구현한다.

기존 공랭식과 수냉식은 히트싱크나 콜드플레이트를 이용하는 간접 냉각 방식으로, 급속 충전이나 고온 환경에서는 배터리팩 온도 상승을 효과적으로 제어하는 데 한계가 있었다. 이를 보완하기 위해 배터리팩 전체를 냉각액에 담그는 완전 액침냉각 기술이 주목받았지만, 많은 양의 냉각액 사용으로 비용과 중량이 증가하는 문제가 있었다.

연구팀은 분사형 액침냉각 방식을 통해 이러한 한계를 극복했다. 기존 액침냉각 대비 냉각액 사용량을 10~20% 수준으로 줄이면서도 냉각 성능은 오히려 향상시켜 열적 안정성과 경량화를 동시에 확보했다.

실제 리튬이온 배터리팩을 대상으로 한 성능 평가에서는 급속 충방전에 해당하는 4C-rate 조건에서도 배터리셀 최고 온도를 35℃ 이하로 안정적으로 유지하는 데 성공했다. 또한 사용된 비전도성 액체는 불연성을 지녀 냉각뿐 아니라 배터리 화재 발생 시 소화 기능도 수행할 수 있는 것으로 확인됐다.

연구팀은 이번 기술이 전기차는 물론 데이터센터와 대용량 ESS 등 배터리 안전성이 중요한 다양한 분야에 활용될 것으로 기대하고 있다. 앞으로는 다양한 비전도성 액체의 열물성을 분석하고, AI를 활용해 냉각 성능을 극대화할 수 있는 신규 냉각액 개발 연구도 추진할 계획이다.

김진섭 기계연 책임연구원은 “분사형 액침냉각 기술은 적은 양의 비전도성 액체만으로도 리튬이온 배터리팩을 효과적으로 냉각해 열폭주와 화재 발생 위험을 낮출 수 있는 기술”이라며 “액체 사용량을 최소화해 무게와 비용 부담을 줄인 만큼 전기차와 ESS 등 다양한 분야로 적용이 확대될 것으로 기대된다”고 말했다.

한편, 이번 연구는 산업통상자원부의 에너지수요관리핵심기술개발사업인 ‘액침냉각을 이용한 데이터센터 열관리 초고효율화 기술 개발 및 실증’의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 성과는 열공학 분야 국제학술지 Applied Thermal Engineering(Vol. 282, 2026)에 게재됐다.

출처 : 신소재경제(https://www.amenews.kr/)