일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2024.6.6

EV배터리에 ‘충진재’를 채워 열화 억제 및 방화(防火)
세키스이풀러와 미쓰비시케미컬이 제안

세키스이풀러(도쿄)와 미쓰비시케미컬은 전기자동차(EV)의 배터리 팩에 깔려있는 셀의 빈 공간을 수지로 채움으로써 새로운 기능을 부여한 기술을 ‘사람과 차의 테크놀로지전(展) 2024 YOKOHAMA’(5월 22~24일, 파시피코 요코하마)에서 제안했다. 양 사에 따르면, 이미 국내 자동차 업체들이 검토를 진행하고 있다고 한다.

-- 세키스이풀러는 발포 우레탄으로 연소 방지 --
‘국내 자동차 업체들의 원통 셀 채택의 물결에 올라탄다’.

이러한 방침을 내걸고 있는 것은 세키스이화학공업(積水化学工業)과 미국 H.B. Fuller의 조인트 벤처로, 접착제와 실란트를 생산하는 세키스이풀러이다. 세키스이풀러는 이번 사람과 차의 테크놀로지전2024 YOKOHAMA에서 주로 원통 셀을 사용하는 배터리 팩용으로 셀의 빈 공간을 채우는 발포 우레탄 충진재 ‘EV 프로텍트 4006SFR’를 전시했다.

일반적으로 원통 셀은 각형이나 라미네이트형 셀과 비교해 저렴하게 제조할 수 있지만, 과충전 등으로 인해 셀이 팽창했을 때 파열될 위험이 높다. “피해 확대를 막기 위해 원통 셀에서는 난연(難燃)의 발포 재료를 충진하는 케이스가 많다”(세키스이풀러)라고 한다. 과거에 닛케이 크로스테크가 테슬라의 ‘모델 3’를 분해해 조사했을 때, 배터리 팩의 밑면과 측면에 발포 재료가 충진되어 있는 것을 확인했다. 모델 3에는 파나소닉제 원통 셀 ‘2170’이 탑재되어 있었다.

-- 분해해보니 알게 되었다! 테슬라의 파나소닉 배터리, 니켈-리치 양극과 실리콘 음극을 채택 --
각형이나 라미네이트형 셀은 케이스나 파우치가 부풀어 올라 내부 압력을 낮출 수 있기 때문에 파열 가능성이 낮다고 알려져 있다. 또한, 원통형보다 셀 형상의 자유도가 높아 빈 공간을 최소화시켜 배터리 팩에 탑재할 수 있어 부피당 용량도 유리하다. 이러한 이유로 일본 자동차 업체들의 EV는 지금까지 각형이나 라미네이트형 셀을 탑재한 것이 많았다.

하지만, 2023년 6월에 마쓰다가, 올 3월에는 스바루(SUBARU)가 파나소닉에너지(오사카)와 원통 셀 공급에 관한 협업을 발표했다. 세키스이풀러는 이러한 움직임을 보고 국내의 자동차 업체에 충진재 제안을 강화하기 시작했다고 한다.

EV 프로텍트 4006SFR은 UL94 규격의 V0 그레이드의 난연성을 나타내며, 셀이 열폭주로 발화했을 때 우레탄이 탄화(炭化)함으로써 연소를 방지한다. 이 밖에도 충격·진동 흡수와 배터리 팩의 강성을 높이는 효과도 있다. “원통 셀이 주류인 미국에서도 채택 실적이 있다”(세키스이풀러)라고 한다. 2027년경까지 국내 업체로의 도입을 목표로 하고 있다.

-- 미쓰비시케미컬은 축열재로 열화 억제 --
미쓰비시케미컬은 상변화물질(Phase Change Material, PCM)을 이용해 배터리의 열화 억제 및 소비전력 절감을 목표로 하고 있다. 미쓰비시케미컬이 개발 중인 PCM은 올레핀계의 수지에 가교제를 이용해 적당한 경도(중합도)로 조절한 것. 40~50℃에서 유리 형태에서 겔 형태로 상변화한다. 상변화에 따라 흡수(또는 방출)한 열(잠열)을 이용하여 셀의 온도 변화를 완만하게 하는 역할을 한다

PCM은 셀의 온도 상승 및 하강 시에 효과를 발휘한다. 예를 들어 급속 충전 시 등 배터리가 발열했을 때, 열의 일부를 PCM이 흡수해 급격한 온도 상승을 막을 수 있다. 급격한 온도 변화는 배터리를 열화시키기 때문에 PCM으로 열화를 막아 수명 연장을 기대할 수 있다.

한편, 겨울 등 기온이 낮을 때에는 반대로 배터리가 PCM으로부터 열을 흡수한다. 기온이 떨어지면 배터리의 전압이 떨어진다. 그러면 주행 시 대전류를 흘려 보내야 하는 경우가 있으며, 이것도 배터리 열화의 원인이 된다. 그래서 “전날의 배터리의 열을 PCM에 저장해 두고 다음날 아침까지 보온에 활용할 수 있을지 검토 중이다”(미쓰비시케미컬)라고 한다. 저온 시 히터 등으로 배터리를 가열하는 기능을 가진 차종도 많지만, PCM이 온도 조절을 보조하는 역할을 함으로써 전력 소비량을 줄여 항속거리 연장을 기대할 수 있다.

-- 온도로 열전도성이 변화, 2가지 역할을 하는 스페이서 --
미쓰비시케미컬은 각형 셀의 사이에 끼워 사용하는 열 제어 스페이서 ‘THERMINSYNX’도 ‘사람과 차의 테크놀로지전 2024 YOKOHAMA’에서 선보였다. 이 스페이서에는 주로 두 가지 역할이 있다. 하나는 셀이 정상적으로 작동하고 있을 때 셀의 열 이동을 촉진하는 역할이다. 셀은 제조 시의 개체 차이에 따라 작동 시 발열량이 각각 다르다고 한다. 발열하기 쉬운 셀은 열화가 빨라 고장이나 열폭주의 원인이 될 가능성이 높다. 그래서 이 스페이서가 가까이 있는 셀에 열을 전달해 온도를 분산. 국소적으로 온도가 너무 오르는 것을 방지한다.

또 다른 하나는 셀의 열폭주가 일어나 이상 발열·발화했을 때, 열이 더 이상 전달되거나 확산되는 것을 막는 역할이다. “스페이서 내의 수지가 150℃ 정도에서 상변화를 일으켜 부도체(열이 전달되기 어려운 상태)로 바뀜으로써 이 기능이 발현된다”(미쓰비시케미컬)라고 한다. 이 기능의 발동 온도는 고객의 요망에 따라 조절할 수 있다고 한다.

미쓰비시케미컬은 스페이서의 구체적인 재료는 밝히지 않고 있지만, “부직포와 같은 심재에 수지를 함침해 만든다. 면적이나 두께는 요망에 따라 조절할 수 있다”(미쓰비시케미컬)라고 한다. 전시품의 두께는 2mm 정도였다.

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