중앙대, 전기차·ESS 화재 막는 '다기능 열관리 복합소재' 개발

김주헌 교수팀, 단열·열저장·난연 성능 통합한 바이오 기반 신소재 개발

에어로겔 단열성에 상변화 소재 잠열 흡수 결합…누출 및 구조 손상 문제 해결

(왼쪽부터) 김주헌 교수, 김상우 연구원(석사과정). [사진=중앙대]

전기자동차와 대규모 에너지저장장치(ESS)의 잇따른 화재 사고로 안전성에 대한 우려가 커지는 가운데, 국내 연구진이 화재 확산을 효과적으로 차단할 수 있는 새로운 열관리 소재를 개발했다. 열 전달을 막는 기존 단열재의 한계를 넘어 스스로 열을 흡수하고 화재 위험까지 낮춘 획기적인 복합소재로 주목받고 있다.
 
중앙대학교는 화학공학과 겸 지능형에너지산업융합학과 김주헌 교수 연구팀이 바이오 기반의 에어로겔과 상변화 소재를 결합해 '다기능 열관리 복합소재'를 개발하는 데 성공했다고 3일 밝혔다. 이 소재는 단열, 열에너지 저장, 누출 저항성, 구조적 안정성, 난연 성능을 동시에 갖춘 것이 특징이다.
 
전기차와 에너지저장장치(ESS)에 널리 쓰이는 리튬이온 배터리는 충·방전이나 내부 단락이 발생할 경우 과도한 열이 발생할 위험이 있다. 이렇게 발생한 열이 인접한 배터리 셀로 빠르게 전달되면 연쇄적인 온도 상승과 함께 걷잡을 수 없는 화재를 동반하는 '열폭주' 현상으로 이어진다.
 
그동안 산업계에서는 이를 막기 위해 고분자 폼, 세라믹 섬유, 에어로겔 등의 단열재를 활용해 왔다. 하지만 기존 소재들은 열 전달 속도를 늦출 뿐 내부에서 발생한 열 자체를 직접 흡수하지는 못한다는 근본적인 한계가 있었다.
 

반면 고체에서 액체로 상태가 변하며 열(잠열)을 흡수하는 '상변화 소재'는 온도 상승을 완화할 수는 있지만, 액상화 과정에서 누출이 일어나거나 구조가 손상되는 문제가 뒤따랐다.
 
김 교수 연구팀은 이 두 가지 소재의 장점만을 결합해 한계를 돌파했다. 열 전달을 억제하는 에어로겔의 단열 기능과 상변화 소재의 잠열 저장 기능을 하나의 복합소재에 통합한 것이다. 구체적으로는 바이오 기반인 'HEC/LGN 에어로겔'의 단열 특성에 상변화 소재인 '에리트리톨'의 잠열 저장 능력을 더했다. 여기에 '산화아연(ZnO)'을 도입해 구조 보강 및 난연 효과까지 끌어올렸다.
 
이번에 개발된 복합소재는 열의 전파를 늦추는 동시에 발생한 열을 강력하게 흡수하며, 상변화 과정에서 필연적으로 수반되던 누액 현상까지 효과적으로 억제할 수 있게 됐다.
 
중앙대 관계자는 "이번 연구는 고온에서의 누출과 화재 위험을 동시에 줄였다는 점에서 큰 의미가 있다"며 "전기자동차 배터리 모듈과 팩, 대규모 에너지저장장치 등에서 셀 사이의 급격한 열 전달을 지연시키고 온도 상승을 완화하는 핵심 열관리 소재로 폭넓게 활용될 것"이라고 기대감을 드러냈다.
 
한편, 해당 연구 결과는 '다기능성 열 절연을 위한 산화아연 도입 하이드록시에틸 셀룰로오스/리그닌 에어로겔-에폭시/에리트리톨 복합소재'라는 제목으로 화학공학 분야의 세계적 권위지인 '케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal, Impact Factor 12.5)'에 게재됐다.