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1. 리튬이온전지

전지란 전기에너지를 화학에너지의 형태로 저장하여 필요 시 전기에너지로 변환하는 기기이다. 스마트폰, 스마트워치와 같은 휴대용 기기의 보편적 보급, 사물인터넷 기술 구현을 위한 원격센서 개발, 태양열과 풍력과 같은 친환경 신재생에너지원의 가변성을 제어하기 위한 에너지저장장치 도입, 기존 내연기관 자동차의 배기가스로 유발되는 환경오염을 제거하기 위한 전기자동차의 부상 등으로 최근 충방전이 가능한 이차전지가 많은 주목을 받고 있으며, 이차전지 시장의 지속적인 성장이 예측된다[1].

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1. 리튬이온전지

전지란 전기에너지를 화학에너지의 형태로 저장하여 필요 시 전기에너지로 변환하는 기기이다. 스마트폰, 스마트워치와 같은 휴대용 기기의 보편적 보급, 사물인터넷 기술 구현을 위한 원격센서 개발, 태양열과 풍력과 같은 친환경 신재생에너지원의 가변성을 제어하기 위한 에너지저장장치 도입, 기존 내연기관 자동차의 배기가스로 유발되는 환경오염을 제거하기 위한 전기자동차의 부상 등으로 최근 충방전이 가능한 이차전지가 많은 주목을 받고 있으며, 이차전지 시장의 지속적인 성장이 예측된다[1].

이차전지는 지난 120년 동안 점진적으로 성장하였다. 1900년 초반 개발된 납축전지는 자동차의 시동 및 비상전원을 위해 사용되었으며, 자동차 시장의 성장과 함께 지속적으로 발전하였다. 니켈카드뮴(Ni-Cd)전지는 1948년에 발명되었으며, 다양한 전자기기에 도입되어 이동성을 획기적으로 개선하였다. 니켈카드뮴전지의 에너지 용량을 개선한 니켈수소전지(Ni-MH)는 1990년에 개발되어 당시 새롭게 개발되던 노트북 등과 같은 전자기기에 채용되었다. 그러나 니켈계 전지의 성장이 한계에 도달하면서 1990년대 중후반부터는 리튬이온(Li-ion)전지의 상업적 도입이 시작되었고 현재는 대부분의 전자기기를 위한 원격 전원으로 리튬이온전지가 사용되고 있다. 또한 리튬이온전지의 한계를 뛰어넘는 차세대 전지(리튬-황 전지, 리튬-공기 전지, 전고체전지 등)들이 산업계 및 학계에서 활발히 연구 중이다[2].

리튬이온전지는 양극(anode), 음극(cathode), 분리막(separator), 전해질(electrolyte)로 구성되며, 리튬 이온이 양극과 음극을 교차적으로 이동하며 충전과 방전이 진행된다. 그림 1에서는 리튬이온전지의 개념도를 보였다. 양극은 리튬산화물로 구성된 활물질과 리튬산화물의 전도성을 높여주는 도전체, 리튬산화물과 도전체가 잘 결합하도록 만드는 바인더로 구성된다. 양극 활물질 내 리튬은 전해질에 녹아 리튬 이온으로 변화하여 전자를 생성하는 역할을 한다. 따라서 리튬이온전지의 용량은 양극 내 물질에 의해 결정된다. 음극은 양극으로부터 생성된 리튬 이온을 방전 과정에서 흡수하고 충전 과정에서 방출하여 외부회로를 통해 전자가 흐르도록 한다. 음극 활물질에는 흑연이 주로 사용된다. 전해액은 양극과 음극 사이에서 리튬 이온의 이동을 위한 매개체 역할을 한다. 분리막은 양극과 음극을 물리적으로 분리시키고, 전자가 전지 내부로 직접 흐르지 않도록 하며, 미세한 구멍을 통해 이온이 투과할 수 있도록 한다.



그림 1. 리튬이온전지의 개념도



표 1은 이차전지 종류별 특성이다. 리튬이온전지는 납축전지와 니켈계 전지와 비교하여 에너지 및 출력 밀도가 높기 때문에 소형화와 경량화에 유리하며, 높은 전압으로 인하여 단일 셀 만으로도 소형 전자 장비를 구동할 수 있다. 또한 자가방전율이 낮으며 메모리 효과가 없다.



표 1. 이차전지 종류별 특성[3]



이차전지
비에너지 [Wh/kg]
비출력

[Kw/kg]
전압[V]
수명주기
자가방전율[%]


Lead-acid
25~40
150~250
2
200~700
5


Nickel-cadmium
45~80
200
1.2
500~2000
20


Nickel-metal hydride
60~120
200
1.2
500~1000
30


Nickel-iron
50
100
1.2
2000
20~40


Lithium-ion
110~180
300
3.6
> 1000
10







리튬이온전지는 제조 형상에 따라 원통형, 각형, 파우치형(pouch)으로 구분할 수 있다(그림 2). 오랜 개발 역사를 지닌 원통형 구조는 생산 비용이 낮지만, 에너지량이 제한적이고 잦은 충방전 시에는 전지의 성능 저하가 높은 단점이 있다. 사각형 알루미늄 캔에 전지를 담은 형태로 제작되는 각형은 뛰어난 내구성을 가진다. 그러나 알루미늄 캔 사용으로 무거우며 열방출에 어려움이 있어 냉각을 위한 비용이 높다. 비교적 최근에 개발된 파우치형은 전지 구성물을 알루미늄포일에 두른 형태로 제작된다. 파우치형은 얇은 두께로 단위부피당 효율이 높으며 다양한 형상으로 제작이 가능하다. 그러나 제작 비용이 다른 두 가지 형상에 비해 높다.



그림 2. 제조 형상에 따른 리튬이온전지 분류



2. 리튬이온전지의 열관리 필요성

리튬이온전지의 성능 및 안전성은 온도에 상당한 영향을 받는다. 리튬이온전지의 저온 작동 시에는 전극활물질의 활성도와 리튬 이온의 확산계수가 낮아짐으로써 전지의 성능이 급격하게 저하하며, 극한 상황에서는 전해질의 동결로 인하여 가동이 불가능해질 수 있다. 또한 리튬 플레이팅(plating)으로 인해 충전용량이 상당히 저하할 수 있고, 덴드라이트(dendrite)의 성장으로 분리막이 관통되면 내부회로의 단락(short circuit)이 발생할 수 있다. 실제 저온에서의 영향을 평가한 실험에서는 외부온도가 상온에서 -20ºC로 변화할 때, 동일한 방전 조건에서 에너지가 27% 정도 감소함을 보였다[4]. 리튬이온전지가 고온에 노출 시 저온에서와 유사하게 용량 감소(capacity fade)와 전력 손실이 발생한다. Sony 18650 셀을 이용하여 상온에서부터 55ºC까지 온도를 변화하며 충방전 사이클에 따른 용량 변화를 분석한 실험에서는 500회 충방전 시 상온에서 22.5%, 55ºC에서는 70.56% 용량 감소를 보고하였다[5]. 또한 고온 환경에서 전지 사용 시 연쇄 발열 반응으로 인해 발생하는 열폭주(thermal runaway) 현상은 발화 및 폭발과 같은 심각한 사고를 유발할 수 있다. 각형 리튬이온전지를 이용한 열폭주 거동 실험에서는 최대 온도가 870ºC에 도달하는 것으로 보고되었다. 상기와 같이 온도에 따른 성능 감소와 심각한 사고를 예방하기 위해서는 리튬이온전지가 적절한 온도 범위 내에서 반드시 가동 및 보관되어야 하고, 이를 위해 적절한 열관리 기기 또는 시스템이 필요하다. 리튬이온전지의 사용 가능 온도는 0~60ºC이지만, 최적의 성능을 위해서는 15~40ºC 사이에서의 가동이 권장되며, 많은 연구들이 전지 충전 및 방전 과정에서 이 온도 범위에 전지가 위치할 수 있도록 노력하고 있다.



3. 리튬이온전지의 열관리 기술

리튬이온전지팩에서 열관리 시스템은 필수 구성요소이기 때문에, 산업계 및 학계에서 높은 관심을 가지고 활발한 기술개발이 진행되고 있다. 이 전지 열관리 시스템은 크게 공기를 기반으로 하는 공랭식 방법, 공기보다 더 열적 특성이 우수한 액체를 이용한 수랭식 방법, 잠열에너지를 활용하여 열전달을 강화하는 상변화 냉각으로 구분할 수 있다.



3.1. 공랭식 방법

공랭식 방법은 모바일기기, 전기자동차, 중대형 에너지저장장치 등과 같은 리튬이온전지가 적용되는 다양한 분야에서 보편적으로 사용된다. 이 냉각 방식은 팬 또는 송풍기와 같은 공급장치의 유무에 따라 자연대류 방법과 강제대류 방법으로 구분할 수 있다. 외부 공급장치를 이용하여 전지 주변으로 유동을 발생시키는 강제대류 방법은 공기의 밀도 차를 이용한 부력을 통해 공기가 순환하는 자연대류 방법에 비해 높은 열전달이 가능하기 때문에 대부분의 응용 분야에서 선호한다. 다만, 공간적 제한이 있어 외부기기 도입이 불가능한 경우(특히, 모바일기기)에는 자연대류 방법이 적용된다. 강제공랭식 방법은 리튬이온 열관리 기술과 비교하여 구조가 단순하다. 이로 인해 시스템 구성에 드는 비용이 적고 유지보수 측면에서도 매우 용이하다. 강제공랭식 방법에 영향을 주는 인자로는 공기 유속, 유로 구성, 전지 배열들과 같은 다양한 요소들이 있으며, 많은 연구자들이 전산유체역학 해석과 실험을 통해 이들 설계 변수에 대한 영향을 평가 및 분석하고 있다. 또한 공기의 낮은 열적 특성을 개선하기 위해 미량의 액적을 토출할 수 있는 분무 장치와 결합한 하이브리드 개념이 지속적으로 도출되고 있다.



3.2. 수랭식 방법

수랭식 방법은 중대형 응용 분야에서 공기의 낮은 비열로 인한 공랭식 방법의 불충분한 냉각 용량을 해결할 수 있는 방안이다. 특히, 주행거리 및 성능이 온도와 매우 밀접한 관련이 있는 전기자동차는 수랭식 방법을 선호한다. 수랭식 방법은 작동 유체와 전지의 접촉 여부에 따라 접촉식 방법과 비접촉식 방법으로 구분된다. 접촉식 방법으로 전지를 냉각하기 위해서는 작동 유체로 인한 회로 단락이 발생하지 않도록 절연 유체가 사용되어야 하며, 이는 냉각액의 선택폭을 제한한다. 접촉식 방법을 위한 냉각액으로는 실리콘 기반의 오일 또는 미네랄오일 등이 현재 연구되고 있다. 비접촉식 방법은 냉각판(cold plate), 냉각관(cold tube), 냉각덮개(cold jacket) 등을 사용하여 작동 유체와 전지가 분리되며, 이로 인해 작동 유체 선정에 있어 자유도가 높다. 그러나 분리 유로에서 전지로 누출이 발생할 경우에는 심각한 손상 또는 사고로 이어질 수 있기 때문에 분리 유로에서 완벽한 봉인이 필수적이다.



3.3. 상변화 냉각

유체의 운동과 관련된 현열(sensible)에너지를 이용하는 공랭식 및 수랭식 방법과는 달리, 상변화 냉각에서는 유체 상과 관련된 잠열(latent)에너지를 이용한다. 상변화 냉각에서는 팬 또는 펌프와 같은 유체의 공급장치가 없기 때문에 외부기기 구동으로 인한 에너지 소모가 발생하지 않으며 단순한 시스템 구성도 가능하다. 또한 열전달 과정에서 유체의 온도 변화가 없기 때문에, 전지 내 고른 온도 분포를 형성할 수 있다. 상변화 냉각에는 고체 물질의 액화를 이용하는 방법과 히트파이프와 같이 기화를 이용하는 기술이 포함된다. 액화를 이용한 냉각에서는 적합한 고체 상변화 물질을 선정하는 것이 무엇보다 중요하기 때문에, 열관리 온도에 맞춘 적합한 녹는점, 높은 잠열 및 열용량, 무독성, 비가열성, 경제성 등과 같은 요건을 만족시켜야 한다. 리튬이온전지를 위한 상변화 물질의 녹는점은 일반적으로 30~50ºC 범위에 있어야 하며, 이를 만족하는 다양한 파라핀 왁스들이 연구되고 있다. 그러나 아직 기초적 연구 단계로 많은 개선이 필요하다. 히트파이프는 생성된 열이 증발기 내 액체로 전달되어 기화를 통해 열이 제거되고 기화된 액체는 유로를 따라 응축기에서 다시 액화되며, 중력 또는 모세관력에 의해 증발기로 이동하여 피동 상태에서 연속적인 열 제거가 가능하도록 한 기술이다. 히트파이프는 증발 시 열전달계수가 높으므로 단위체적당 높은 열 제거율이 가능하여 컴퓨터, 스마트폰 등에 성공적으로 사용되고 있다. 그러나 중대형으로 규모를 확장하기 위해서는 제작 기술 개선과 재조 비용 절감이 필요하다.



4. 결론

본 보고서에서는 리튬이온전지에 대한 기본적인 설명과 함께 리튬이온전지의 열관리 필요성과 이를 위한 기술을 요약하였다. 사물인터넷, 전기자동차, 에너지저장장치와 같은 분야에서 원격 전원이 중요해지고 있는 만큼, 충방전이 가능한 이차전지는 향후 지속적 시장 확대가 예상되며, 리튬이온전지가 현재의 공고한 지위를 계속 유지하기 위해서는 성능과 안전성 측면에서 신뢰도를 높이는 것이 중요하다. 열관리 기술은 리튬이온전지를 위한 최적의 구동 환경을 만들어 성능 감소를 예방하며, 전지의 충방전 과정에서 발생하는 열을 효과적으로 제거하여 열폭주와 같은 심각한 위해가 발생하지 않도록 한다. 현재 리튬이온전지를 위한 열관리 시스템은 크게 공랭식 방법, 수랭식 방법, 상변화 냉각으로 분류할 수 있다. 공랭식 및 수랭식 방법은 다양한 상용화 기술에 적용되고 있는 만큼 기술 성숙도가 높기 때문에, 응용 분야에 맞춘 최적화 설계에 집중하고 있다. 그러나 각 기술이 분명한 강점과 단점이 있기 때문에 이를 상쇄할 수 있는 아이디어(미스트 냉각)를 지속적으로 도출하는 것이 중요하다. 상변화 냉각은 비교적 최신 기술로서 아직은 기초적 연구 단계에 있다. 특히, 고체 상변화 물질의 경우 낮은 열전도도 개선이 중요하며 이를 위해 높은 열전도 물질을 첨가하는 연구가 수행되고 있다. 향후 리튬이온전지 열관리 분야에서 지속적 기술 개선을 통해 온도와 온도 편차를 더 좁은 범위에서 제어하여 최적의 조건에서 구동하는 리튬이온전지를 기대하며 본 보고서를 마무리한다.







References

1. 신우철, 김운호, & 김달중, 2차전지(Overweight) 새로운 바람, IBK투자증권 산업분석 보고서, 2018.06.14.

2. 최정덕, & 하일곤, 개발 경쟁 가속되는 차세대 2차전지, LG경제연구원 보고서, 2017.01.16.

3. Liu, H., Wei, Z., He, W., & Zhao, J., Thermal issue about Li-ion batteries and recent progress in battery management systems: A review. Energy Convers. Manag., 150, 304-330, 2017.

4. Jaguemont, J., Boulon, L., Dube, Y., & Poudrier, D., Low temperature discharge cycle tests for a lithium ion cell. 2014 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference (VPPC)

5. Ramadass, P., Haran, B., White, R., & Popov, B. N., Capacity fade of Sony 18,650 cells cycled at elevated temperatures: Part 1. Cycling performance. J. Power Sources 112, 606-613, 2002.