중앙대학교 화학공학과·지능형에너지산업융합학과 김주헌 교수 연구팀(김상우 석사과정 참여)이 리튬이온 배터리의 열폭주를 늦추는 동시에 발생한 열을 직접 흡수하는 복합소재를 개발했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘Chemical Engineering Journal’(피인용지수 12.5)에 게재됐다.
리튬이온 배터리는 내부 단락 등으로 한 셀에서 과도한 열이 발생하면 그 열이 인접 셀로 빠르게 전달되며 연쇄 반응을 일으킨다. 이 현상이 열폭주이며, 전기차와 ESS 화재의 주요 원인 중 하나로 꼽힌다.
기존 소재의 한계
지금까지는 고분자 폼이나 세라믹 섬유, 에어로겔 같은 단열재로 열 전달 속도를 늦추는 방식이 주로 쓰였다. 문제는 이런 단열재가 열이 셀 밖으로 퍼지는 것을 늦출 뿐, 내부에서 발생한 열 자체를 흡수하지는 못한다는 점이다. 상변화 소재(PCM)는 열 흡수 능력이 높아 대안으로 주목받았지만, 고체에서 액체로 상이 바뀌는 과정에서 누액이 생기거나 구조가 손상되는 문제가 있었다.
단열·흡열·난연을 한 소재에
연구팀이 개발한 소재는 산화아연(ZnO)을 도입한 하이드록시에틸 셀룰로오스/리그닌(HEC/LGN) 에어로겔에 에폭시·에리트리톨을 결합한 복합소재다. 바이오 기반 에어로겔이 단열 기능을 맡고, 에리트리톨이 고체에서 액체로 바뀌며 잠열을 흡수해 온도 상승을 늦춘다. 여기에 산화아연이 구조를 안정시키고 난연 성능을 더해, 상변화 소재의 고질적 문제였던 누액과 구조 손상을 억제했다. 김주헌 교수는 이번 소재가 “열을 직접 흡수·저장하면서도 고온에서의 누출 및 화재 위험을 획기적으로 줄였다"고 설명했다. 단열, 열 저장, 난연 기능을 한 소재 안에 통합했다는 점이 기존 단일 기능 소재들과 다르다.
아직 남은 질문들
다만 공개된 자료에는 온도 저감 폭이나 열 흡수량 같은 정량적 실험 수치, 상용화 일정은 포함되지 않았다. 연구팀은 전기차 배터리 모듈·팩과 대규모 ESS에서 셀 간 급격한 열전달을 늦추는 용도로 활용 가능성을 검토 중이라고 밝혔는데, 실제 배터리 팩 규모에서 양산 가능한 형태로 제작할 수 있는지, 단가는 기존 단열재 대비 어느 수준인지는 후속 연구를 통해 확인해야 할 부분이다. 사용후 배터리처럼 이미 열화가 진행된 셀에도 같은 방식이 유효한지도 지켜볼 지점이다. ARC Current는 이 소재가 실제 배터리 팩 설계에 적용되는 사례가 나오는지 계속 확인할 예정이다.
참고: [이뉴스투데이] “중앙대 김주헌 교수팀, 배터리 열폭주 막는 차세대 열관리 복합소재 개발” (http://www.enewstoday.co.kr/news/articleView.html?idxno=2455333)
참고: [비욘드포스트] “‘단열·열저장’ 동시에…중앙대 연구팀, 바이오 기반 ‘열관리 복합소재’ 개발” (http://www.beyondpost.co.kr/view.php?ud=20260803122936246592e75d13a3_30)
논문: Kim, S. et al., “Zinc oxide-integrated hydroxyethyl cellulose/lignin aerogel–epoxy/erythritol composite for multifunctional thermal insulation,” Chemical Engineering Journal, 2026.