PCM을 이용한 자동차 배터리 열관리 기술 개발

휴대용 전자기기, 배터리를 사용하는 구동공구 및 전기자동차 등은 배터리를 효과적으로 작동하기 위해 전력 및 에너지 밀도 등의 요구 사항을 만족하여야 하며 이를 위해 배터리 시스템의 열관리에 대한 요구는 지속적으로 증가하고 있다. 특히 온도는 배터리 성능과 수명에 영향을 미치는 가장 중요한 요소 중 하나로 효과적이고, 간단하며 저가의 열 문제를 해결 할 경우 배터리 모듈, 하이브리드 전기자동차(HEV)와의 PHEV의 시장 진입에 큰 도움이 될 것으로 보인다. 특히 대용량의 전력 및 리튬 이온 배터리 팩의 셀 밀도 증가는 과부하에 따른 높은 온도를 발생한다. 배터리의 적정 운전 온도보다 높은 60 ℃ 이상 발열되는 것을 제어할 필요가 있다.
배터리는 열에너지의 저장 손실을 최소화해 에너지 효율을 증가시키고 시스템의 비용 효율성을 개선하며 환경에 미치는 영향을 줄여 에너지 절약에 도움이 되는 잠재력을 가지고 있기 때문에 현재, 배터리 시스템 관련 기술 개발이 활발히 이루어지고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 배터리에 대한 다양한 열 관리 시스템의 연구가 진행 중이며 특히 리튬 이온 배터리에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 열제어 관련 연구 중 재료의 상 변화 속에 흡수된 열을 저장하는 잠열 저장 재료를 사용하는 것도 열에너지 기술 가운데 가장 효과적인 방법 중 하나이다. 이는 물질의 상변화 나타나는 잠열을 이용해 열의 저장이 가능하기 때문에 고밀도로 에너지를 저장할 수 있고, 일정한 온도에서의 축·방열이 가능하다. 또한 상변화 물질(PCM)을 이용한 배터리 열 관리는 작동 온도 영역에서 열 발생의 완충제와 같은 역할이 가능함으로 배터리의 수명 감소의 원인인 높은 온도 발생을 예방할 수 있어 PCM 관련 기술은 기존 자동차 배터리 열 관리 기술을 개선할 수 있을 것으로 기대된다.
이에 본지에서는 화학소재정보은행에서 공개한 PCM을 이용한 자동차 배터리 열관리 기술 개발에 대해 소개해보고자 한다.

 

자료. 자동차부품연구원 오미혜, 윤여성 연구원

 

 

1. Phase Change Material(PCM) 개요

 

PCM(Phase Change Material)이란 어느 일정 온도에서 고체와 액체의 상이 바뀌는 것과 같이 하나의 상태에서 다른 상태로 변하는 일정의 물리학적 과정을 이용하여 열을 축적하거나 저장한 열을 방출하는 상변화 과정으로 많은 양의 열에너지를 축적하거나 방출하는 물질이다. 즉 특정 온도에서 온도의 변화 없이 고체에서 액체, 액체에서 기체로, 또는 그 반대 방향으로 상이 변하면서 많은 열을 흡수 또는 방출할 수 있는 잠열재, 축열재 또는 열 조절 기능을 하는 물질을 의미한다. 물질이 상태변화를 할 때 출입하는 열(예 : 수증기의 응결열, 증발열, 용해열)은 상태변화(고체 → 액체, 액체 → 기체)가 일어나는 동안 가열하여도 온도가 변하지 않으며, 그 대신에 이것은 상태가 완전히 변화될 때까지 일정하게 머문다. 이렇게 상태가 변하는 동안 물질에 가해진 모든 열을 잠열 또는 숨겨진 열이라고 한다. 온도, 열이 변화하는 대신에 물질의 상태가 달라지며 물질을 가열하지 않고 차게 해도 비슷한 현상이 일어난다.
일반적으로 PCM은 파라핀과 같이 고온에서는 액체가 되었다가 저온에서는 고체가 되어, 상이 변할 때마다 열기를 저장했다가 방출한다. 따라서 체온이나 외부 기온이 상승하면 과잉 열기가 PCM에 저장되었다가, 체온이나 기온이 다시 하강하면 PCM에 저장된 에너지가 방출되면서 일정한 온도 범위에서 벗어나지 않게 된다. PCM의 상 변화 온도와 시간은 미리 설정되기 때문에 원하는 온도 환경을 조성할 수 있다. 따라서 계절에 따라 상대적으로 시원하게 또는 따뜻하게 해줄 수 있으며, 사용되는 부위와 용도에 맞게 다양하게 만들어진다.
즉 PCM은 자체적으로 주위의 열을 저장하였다가 필요할 때 방출하는 온도 조절 기능 물질이다. 결정질 고체는 일정 온도에 도달하면 녹기 시작하고 고체가 전부 녹을 때까지는 온도가 그 이상 올라가지 않게 된다. 이것은 고체를 가열하면 어느 온도 점에서 분자의 열 운동 에너지가 분자간의 결합에너지를 웃돌고 고체 내의 규칙적인 분자 배열이 무너지기 때문이다. 이러한 물질의 특성을 이용하는 상전이 물질(PCM)은 외부 온도 변화에 따른 상 변화에 따라 흡열과 방열을 반복적으로 나타내는 물질로, 잠열을 저장하는 것은 일반적으로 물질 보다 50∼100배 이상 높은 저장 밀도를 가지고 있으며, 상변화 물질은 폐열의 온도보다 약간 높은 온도에서 열에너지를 생성할 수 있기 때문에 온도 저하와 열 회수에 용이하다. 또한 상변화 물질의 용융 및 응고 과정을 오랫동안 반복할 수 있기 때문에 건축, 우주 항공 분야 등에서 열 전달 매체나 열 조절 시스템에 응용되어 왔다. 즉 잠열을 흡수 또는 방출하는 높은 열 저장 능력을 지닌 물질로써 사용 분야 및 목적에 적합하게 변환 가능하므로 에너지를 효율적이고 합리적으로 이용할 수 있는 물질이다.

 

 

 

 

PCM은 다양한 형태의 미활용/폐에너지를 상변화 물질의 잠열을 이용해 고농도로 저장하여 사용 분야, 시기 및 목적에 적합하게 변환하여 이용한다. 응용 분야는 자동차·우주 항공, 첨단무기, 전자·계측·통신기기(TEM)의 Heat Sink, 핵융합로 냉각, 생물·생화학 물질의 보관·운반 및 물리치료 의학기기 등의 첨단산업 분야와 태양열을 이용한 열에너지 변환, 축적, 이용 등의 자연에너지 이용 분야, Heat Pump, Heat Pipe, Heat Recovery 시스템과 연계한 에너지 분야, 심야 전력을 이용한 축열(보일러, 온수기, 온풍기 등), 축냉(빙축열 냉방, 저온 PCM 축냉식 냉장 및 냉동 등) 및 각종 산업분야에서의 Cooling, Heating Process 등의 에너지 이용 분야, 레저용 선박, 수산업, 주방용품, 특수 의복 등의 생활산업 분야 및 농/수/축산물의 생산/저장/유통 등의 식량산업 분야 등 다방면에서 적용되고 있다.
현재 PCM을 이용한 기술은 미국과 유럽 등 선진국에서 개발 활용하고 있으며 이들이 시장의 대부분을 점유하고 있다. 국내에는 에너지 관련 기관 및 연구단체에서 기술을 연구 중이고 일부 중소기업에서 상품을 상용화하여 시장 진출을 모색하고 있는 형편이다.

 

 

 

(1) 상변화 물질의 조건

 

PCM을 활용하기 위해 고려해야 할 사항을 살펴보면, 열역학적 성질로는 작동하고자하는 요구 운전 온도 범위 내의 녹는점을 보유해야 하고, 단위체적당 높은 융해 잠열을 보유하고 있어야 하며, 주어진 양의 에너지 저장 요구 체적을 줄일 수 있어야 한다. 또한 축열 성능을 확보하기 위해 높은 비열이 필요하며, 고체상태 및 액체상태에서의 높은 열전도도를 확보함으로써 축열 시스템에서 에너지 흡수 및 방출이 가능해야 한다. 그리고 상변화 시 체적 변화가 작아야 하며 운전 온도에서 발생할 수 있는 증기압 발생, 저장성 등이 작아야 한다.
액체상태의 초과 냉각을 피하기 위해서는 높은 핵 형성 비율을 함유해야 하고, 결정 성장이 높아야 하며, 축열 시스템으로부터 열 재생에 대한 요구가 만족해야 하는 동역학적 특성을 갖추어야 한다.
가역적인 응결/융해 사이클을 보유해야 하며, 반복적인 응결과 융해 사이클 후에도 품질의 저하가 발행 하지 않아야 한다. 또한 건축, 자동차, 우주 항공 등 외부 노출에 대한 비부식성 물질이어야 하며, 인체에 무해해야 하고, 폭발성이나 인화성에 안정성을 확보해야 하는 화학적 성질도 함께 검토되어야 한다.

 

(2) 상변화 물질의 종류 및 특징

 

상변화 물질의 종류는 크게 3가지 형태로 유기계 상변화 물질(Organic PCM), 무기계 상변화 물질(Inorganic PCM), 공융 혼합물 상변화 물질(Eutectics PCM)로 나뉠 수 있으며 유기계 상변화 물질은 파라핀계(Paraffin)와 비파라핀계(Fatty Acids), 무기계 상변화 물질은 Salt Hydrate, Metallics, 공융 혼합물 상변화 물질은 Organic-Organic, Inorganic-Organic, Inorganic-Inorganic로 구별한다.

 

 

- 유기계 상변화 물질
유기계 상변화 물질은 대체로 밀도가 낮고 잠열량이 낮으며(20~32℃ 융해점 및 융해잠열), 무기계 상변화 물질에 비하여 부식성이 작고 부피 팽창이 작은 특징이 있다.

 

 

 

- 무기계 상변화 물질
무기계 상변화 물질은 수화물 계통의 물질이 대부분이며 단위 체적당 높은 잠열을 나타내고 있다(통상적으로 20~32℃ 범위). 유기계 상변화 물질에 비해 가격면에서 저렴하며 비인화성이나 부식이나 과냉각으로 인해 상변화 성질에 영향을 받을 수 있다.

 

 

 

- 공융 혼합물 상변화 물질
공융 혼합물은 최저 온도에서 융해하는 둘 이상의 성분의 혼합물로써 무기-무기, 무기-유기, 유기-유기 성분들로 구성되어 있다.
각 성분은 유사하게 융해 및 응결되며 결정화 시 혼합물의 구성이 결정을 형성하며, 일반적으로 건설에 많이 사용되고, 잠열 축열에 있어 접근이 용이할 뿐 아니라 가격이 저렴한 특징이 있다.

 

 

 

 

(3) 상변화 물질의 기술

 

현재 일반적인 PCM 제조 기술은 PCM을 미세한 입자로 만들어 직접 운반 유체 속에 분산시켜 이용하거나, 어떤 물질을 보호하고 방출 속도를 제어하기 위해 고분자 물질로 캡슐화 하는 기술을 기본 개념으로 하고 있으며 직경이 수~수십μm 크기를 가진 초미세 입자로 존재하며 상변화 물질을 특정 공간에서 유지 시키는 Microcapsule화이다.
마이크로캡슐은 연속적인 고분자 코팅으로 이루어진 피막 안에 활성을 지닌 기능성 물질을 함유하는 미세한 입자로, 계면중합이나 In-situ 중합, 상 분리에 의한 Coacervation Method, 스프레이 드라이법(Spray Dry Method) 방법 등에 의해 제조된다.
PCM 마이크로캡슐을 섬유 조직 내에 적용해 섬유의 열적 성능을 증진시키는 기술은 1980년대 초 미항공우주국에 의해 개발되기 시작해, 현재 미국에서는 Outlast와 ComforTemp 라는 상표명으로 장갑이나 자켓 등의 제품이 생산되고 있다.
마이크로캡슐화 방법은 직물에 부착된 마이크로캡슐이 상전이로 인해 축열방열성을 나타내기는 했지만 마이크로캡슐의 열내구성이 떨어진다는 문제가 있다. 그러므로 상전이 물질을 여러 분야에 적용하기 위해서는 PCM의 상전이가 일어나며 내구성이 있고 직물의 물리적 특성 저하를 최소화할 수 있는 방법의 개발이 필요하다.

 

 

PCM은 여러 가지 장점 때문에 업계에서는 에너지 절감하는 부품으로 적용 사례가 늘어나고 있다. 이러한 장점에도 불구하고 상변화 물질(PCM)을 열에너지 저장물질로 이용할 때 상변화 온도 부근에서 상변화를 나타내는 물질만 이용이 가능하며 낮은 전도성으로 인해 열전이 속도의 저하가 일어나는 등의 문제점을 나타낸다고 알려져 있다. 이러한 단점을 극복하기 위한 방법으로 상변화 물질에 다양한 열전도성 첨가제를 첨가해 열전도도를 높이는 방법과 각 상변이 온도 영역에서 안정적으로 사용이 가능한 물질에 관한 연구가 진행되고 있으며, 해결 방법으로 열전도성이 높은 물질을 첨가제로 사용해 방열효과를 높이는 방법들이 연구하고 있다.
첨가제로는 Expanded graphite(EG), Nickel, Carbon Nanotube(CNT), Expanded Perlite(EP), Diatomearth(DE), Gamma-alumina(GA), Carbon Fiber(CF), Active Carbon(AC), Graphene Oxide(GO) 등이 있다. 그 중 Expanded Graphite(팽창 흑연)는 다공성 구조를 나타내 다양한 원자, 분자 그리고 이온 등이 흑연의 층간에 삽입될 수 있어 층상 화합물을 생성하며 빠른 열처리에 의해 쉽게 제조할 수 있어 많은 연구가 진행되고 있다.

 

2. PCM을 이용한 자동차용 Li-Ion 배터리 열관리

 

하이브리드 자동차(PHEVs)에서 배터리팩은 연료 절감을 위한 중요한 성분이다. 배터리는 차량 중 가장 비싼 부품의 하나이며 배터리 성능은 차량의 수명과 직결되기 때문에 차량 성능과 연비를 최고조로 유지할 수 있도록 배터리에 영향을 미치는 요소를 최소화해야 한다.
배터리 성능과 수명에 영향을 미치는 가장 중요한 요인 중 하나는 온도이다. 만일 고온에서 전지를 조작할 경우 부작용을 가져올 수 있으며, 일부 배터리는 고온에서 높은 발열로 인해 Thermal Runaway가 발생하게 된다. 이는 잠재적으로 화재나 폭발로 이어지기 때문에 고온 조건에서의 손상을 방지하기 위한 열 제어 관리 시스템이 필요하다.

 

 

 

Thermal Runaway 발생 과정은 ① Heating Starts ② Protective Layer Breaks Down ③ Electrolyte Breaks Down Into Flammable Gases ④ Separator Melts, Possibly Causing a Short Circuit ⑤ Cathode Breaks Down, Generating Oxygen 순으로 발생하며 열 제어는 전지 구성 부품 전체를 고려해야 한다.

 

 

 

고온 조건에서의 배터리 손상을 방지하기 위해 차량용 배터리 시스템은 일반적으로 공기 또는 액체 냉각의 형태로 대류를 이용한 방법 등 다양한 방법들을 사용하고 있으며 최근 배터리 모듈자체에서부터 열을 제어하려는 연구가 진행되고 있다.

 

 

 

열 제어 시스템의 설계를 복잡하게 하고 비용을 높여 온도를 제어할 수도 있으나 간단하면서 저가의 열관리 방법인 배터리팩과 하이브리드 PHEVs 등으로 관리 비용을 절감시킨다면 시장 진입을 가속화 시킬 수 있을 것이다.

 

(1) Li-Ion Battery의 Thermal Degradation Mechanisms

 

리튬 이온 전지 또는 단일 셀은 고분자 막에 의해 분리 된 2개의 전극 양극 및 음극으로 구성 되어 있고 전극 사이의 전해질은 고체, 액체 또는 폴리머로 구성되어 있으며 열화는 전해질/전극 계면에서의 상호작용에 의해 발생한다.

 

 

(2) PCM을 이용한 Li-Ion Battery의 Thermal Management

 

상변화 물질을 사용한 리튬 이온 배터리의 온도 제어는 기존 시스템에서 냉각 시스템의 일부를 제거하고 사용 가능한 전력을 향상시키는 역할을 한다. PCM을 이용한 열 제어는 배터리팩의 온도 관리를 최적으로 유지할 수 있으며, 또한 Battery와 PCM을 일체화할 수 있는 장점이 있다. 이는 PCM이 지니고 있는 높은 잠열로 배터리에서 발생하는 다량의 열을 제거할 수 있는 것으로 배터리의 방전 시 발생된 열을 전지 모듈의 셀 사이에 일체화되어 있는 PCM에 의해 흡수되게 하는 것이다. 즉 PCM 자체가 전지에 의해 발생한 열을 흡수하는 히트 싱크 역할을 하는 것이다.

 

 

모듈의 온도가 PCM의 융점을 넘어서면 PCM은 용융을 시작하면서 높은 잠열로 열을 제어하기 때문에 매니폴드, 팬, 펌프 등 기존 냉각 시스템의 필요성이 낮아지게 된다.

 

Li-Ion Battery에 사용되는 PCM은 기존의 소재보다 열 제거 속도 및 더 높은 열전도율을 갖는 흑연에 PCM을 함침시켜 제조함으로써 열 제어 능력을 향상시킬 수 있다.

 

 

 

 

3. 결론

 

PCM은 전지의 열 응력을 감소하고 반면 방전 시간 증가의 효과를 나타내고 있다.
PCM을 이용한 열 관리는 PCM이 없는 동등한 모듈에 비해 리튬 이온 전지 모듈의 사이클 수명을 향상시킨다.
PHEV 리튬 이온 배터리 시스템은 납 축전지에서 차지하는 부피 및 충전 시간을 대폭 단축시켜주며, 공냉 시스템에 PCM을 결합해 고출력의 전지를 갖는 전지 시스템에서 더 유용하다.
PCM은 차량 용도에서 일부 최고 온도를 제한하는 장점을 제공하지만, 전체적인 전지의 열 관리 솔루션은 아직 대류 냉각에 의존하고 있으며, 높은 온도 상승을 막기 위해 배터리 출력을 제한해야 한다는 문제점이 있다. 상변화 물질을 이용한 리튬 이온 배터리 팩의 온도 제어는 최적 온도를 유지할 수 있으며 배터리 운전시 발생하는 높은 열을 제거함으로써 추가적인 냉각 시스템없이도 일정한 전력 공급을 유지시킬 것으로 기대된다.

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - PCM을 이용한 자동차 배터리 열관리 기술 개발