극한의 온도에서도 전기자동차와 스마트폰을 안전하게 사용할 수 있는 배터리 온도조절 기술이 개발됐다.

기존 리튬 이온 배터리는 한 겨울 추위를 견디지 못해 스마트 폰이 자동으로 꺼지는 현상이 일반적이었다 . 리튬 이온 배터리의 최적의 안전 성능 범위는 일반적으로 섭씨 20 ~ 40도다.

미국 버클리대(UC Berkeley) 크리스 뎀즈(Chris Dames) 교수는 Nature Energy 에 게재한 연구에서 이 문제를 해결할 수 있다고 전했다.

연구진은 추운 온도에서 배터리의 사용 가능한 에너지가 급격히 감소한다고 설명했다. 섭씨 영하 20도에서 일반적인 상업용 리튬 이온 배터리 셀은 상온 용량의 20 % 만 제공 할 수 있다.

고온은 또한 사용 중 자체 에너지 손실을 초래, 배터리에 문제를 일으킬 수 있다. 배터리 수명은 일반적으로 초과 섭씨 13도마다 반으로 줄어든다.

연구실  박사후 연구원 맹롱 하오(Menglong Hao)는 “과열은 뉴스에서 들었던 전기 자동차와 전자제품 배터리 고장을 유발, 발열(thermal runaway)로 인한 화재로 이어질 수 있다”고 말한다.

상충하는 온도 문제를 관리하는 것은 하나의 난제였다. 배터리를 원하는 온도로 유지하는 현재의 방법은 에너지를 소비하며 휴대용 어플리케이션에 포함하기에는 너무 비싸거나 부피가 크다. UC 버클리 연구진이 개발한 새로운 열 조절기는 여분의 에너지를 소비하지 않는 수동 시스템을 통해 배터리를 안정된 온도로 유지한다.

뎀즈는 “적극적인 난방 및 냉각방식의 비용과 에너지를 사용하면 50마일을 더 운전하며 배터리를 안전하게 유지하는 데 드는 비용도 절감 할 수 있다”고 말했다.

패시브 시스템은 저온에서 특성이 부드럽고 유연하지만, 고온에서 원래의 형태로 다시 경화되는 형상 기억 합금을 사용한다. 시판 중인 이러한 물질은 의료용 임플란트에 일상적으로 사용된다.

연질에서 경질로의 전이 온도는 금속의 혼합에 따라 다르다. 이번 연구에서 연구자들은 섭씨 35도에서 전환한 니켈 및 티타늄 합금 와이어를 선택했다. 임계 값 이하에서는 전선이 부드러워졌지만 섭씨 35도 이상에서는 전선이 강하게 수축했다.

연구자들은 전선을 리튬 이온 배터리 팩에 부착해 배터리 방열판과 밀착되도록 배터리를 견고하게 잡아 당겨 고온에서 작동하도록했다. 섭씨 35도 이하의 온도에서는 이완된 합금 전선이 스위치를 ‘꺼짐’ 위치로 조정하는 압축 스프링을 사용해 배터리 팩을 방열판에서 들어 올릴 수 있다.

이과정에서 발생하는 에어 갭은 단열재를 통해 자체 폐열의 소산 속도를 늦춤으로써 배터리를 따뜻하게 유지시키는 데 도움을 주었다.

최적의 온도 범위 내에서 리튬 이온 배터리를 수동적으로 유지하도록 설계된 열 조절기의 회로도 및 사진. 고온에서, 형상 기억 합금으로 제조 된 와이어는 과도한 열이 방출되도록 배터리를 히트 싱크에 가깝게 유지한다. 온도가 낮을수록 전선이 느슨해지고 에어 갭이 생겨 배터리가 열을 유지할 수 있다. credit : Menglong Hao, UC Berkeley.

연구자들은 진공 상태와 실제 조건에서 열 조절기를 테스트하여 시스템이 고온 상태와 저온 상태 사이에서 쉽게 이동할 수 있는지 확인했다.

추운 대기 온도가 섭씨 영하 20도에서 열 조절기가 배터리 자체 발열을 유지함으로써 배터리 온도를 섭씨 20도까지 올릴 수 있었다.

동시에 섭씨 45도의 높은 주변 온도에서 열 조절기는 일정한 방열을 통해 온도 상승을 약 6도로 제한해 배터리가 과열되지 않도록 했다.

하오는 “이 모든 것은 센서, 로직 또는 전력 소비없이 수동적으로 수행됐다”며 “또 다른 이점은 장치에 활용하는 형상 기억 합금 전선은 비용이 배터리 총 비용의 1 %에 불과해 비용 효율적인 시스템”이라고 말했다.

카네기멜론대(Carnegie Mellon University) 요나단 멜런(Jonathan Malen)과 벤케트 비스베나단(Venkat Viswanathan) 교수는 Nature Energy 논평에서 UC Berkeley에서 개발된 온도 스위치는 변동하는 온도에 민감한 배터리 이외에도 연료 전지, 센서 및 레이저 등 기술을 향상시킬 수 있다고 밝혔다.

버클리 연구진은 열 조절기 시스템이 재생 가능 기술의 보급 확대에 중요한 영향을 미칠 수 있다고 말했다. 리튬 이온 배터리는 전기 자동차 및 무인기부터 노트북 및 스마트 폰에 이르기까지 다양한 소비재 제품에 사용된다. 배터리는 또한 재생 가능한 에너지 저장 장치에 전력을 공급함으로써 변동하는 태양 및 풍력 발전에 대비해 전력망을 안정화시키는 데 중요한 역할을 한다.

*출처 : UC Berkeley