- 배터리 부피 95% 이상 차지하던 기판 완전 제거…에너지 밀도 최대 750Wh/L 산출 - 독자적 박막·후막 계면 제어 기술…10C 초고속 방전에서도 용량 55% 유지
(사진=아이엘 제공)
피지컬AI 운영 데이터 플랫폼 기업 아이엘이 기존 소형 전고체배터리의 구조적 한계를 극복하고 에너지 밀도와 고속방전 성능을 동시에 높인 차세대 전고체배터리 기술을 개발했다고 밝혔다.
아이엘은 기존 박막형 전고체배터리에서 전체 부피의 95% 이상을 차지하던 기판을 완전히 제거하고, 독자적인 ‘박막-후막 하이브리드 계면 제어 기술’을 적용해 부피당 에너지 밀도를 기존 대비 약 10배 수준으로 높일 수 있는 기술적 성과를 확보했다고 설명했다.
이번 기술의 핵심은 에너지 저장에 직접 기여하지 않으면서 배터리 부피의 대부분을 차지하던 기판을 없애고, 확보된 공간을 에너지 저장에 쓰도록 구조 자체를 재설계한 점이다. 기존 박막 전고체배터리는 약 500㎛ 두께의 실리콘 또는 유리 기판을 기반으로 제작돼 에너지 밀도를 높이는 데 구조적인 제약이 있었다. 회사는 기판을 완전히 제거하는 공정과 박막·후막 하이브리드 구조로 이 한계를 개선했다.
회사가 실제 제작한 전고체배터리 코인셀의 활물질을 기준으로 부피당 에너지 밀도를 산출한 결과, 기존 박막형의 약 50~80Wh/L 대비 500~750Wh/L 수준을 나타냈다. 이 수치는 패키징을 제외하고 기판·활물질·전해질·전극으로 구성되는 부피를 기준으로 계산했으며, 셀 간 제작 편차를 반영해 단일 수치가 아닌 범위로 제시했다.
이번 기술에서 주목할 부분은 에너지 밀도 향상뿐 아니라 고속방전 성능까지 함께 확보했다는 점이다. 일반적으로 전극을 두껍게 만들어 저장 용량을 높이면 이온 이동 거리와 내부 저항이 커져 고속 충·방전 성능이 떨어지는 상충 문제가 생긴다. 아이엘은 정밀 박막 공정의 고출력 특성과 전도성 가교 물질을 적용한 후막 전극의 고용량 특성을 결합하고, 박막과 후막 사이의 계면을 제어하는 독자적인 기술로 이 상충 관계를 개선했다.
아이엘이 공개한 방전 특성 평가 자료에서도 고속방전 성능의 차이가 확인됐다. 0.1C 방전 용량을 기준으로 1C 방전에서 일반 박막 전고체배터리의 용량 유지율은 85%인 반면, 아이엘의 소형 전고체배터리는 92%였다. 방전 속도를 5C로 높이면 일반 박막형은 40%로 떨어지지만 아이엘은 74%를 유지했다. 특히 10C 초고속 방전에서는 일반 박막형이 15%까지 감소한 반면 아이엘은 55%를 유지해 비교군 대비 약 3.7배 높은 용량 유지율을 나타냈다.
이번 성능 평가는 연구실 규모에서 동일한 제조 조건으로 제작한 복수의 전고체배터리 코인셀을 대상으로 진행됐다. 앞선 측정에서 생긴 셀의 열화와 손상이 뒤이은 측정 결과에 영향을 주지 않도록, 동일한 조건으로 만든 셀을 활용해 각 성능을 따로 평가했다.
회사는 이번 기술개발 과정에서 확보한 전자현미경 이미지를 통해 박막과 후막이 결합된 계면 구조도 공개했다. 서로 다른 특성을 지닌 박막과 후막을 하나의 배터리 구조로 결합하면서 계면을 정밀하게 제어하는 것이 기술의 핵심으로, 아이엘은 이를 통해 고용량과 고출력 특성을 동시에 확보할 수 있는 기반을 마련했다고 설명했다.
휴머노이드 로봇은 제한된 내부 공간에 배터리를 탑재해야 하는 동시에 관절과 구동부의 움직임에 필요한 전력을 안정적으로 공급해야 한다. 이에 따라 높은 에너지 밀도와 고출력 특성을 동시에 확보할 수 있는 배터리 기술은 향후 로봇의 구동 효율과 운용 성능을 결정하는 핵심 요소 가운데 하나로 꼽힌다.
아이엘은 이번 전고체배터리 기술개발을 단순한 소형 배터리 사업 확대가 아닌, 차세대 휴머노이드 로봇의 핵심 에너지 기술을 내재화하기 위한 중장기 전략의 일환으로 추진하고 있다. 휴머노이드 운영 데이터와 AI 기술을 중심으로 쌓아 온 피지컬AI 사업 역량을 에너지 기술 영역까지 확장해, 로봇의 구동 효율과 전원 안정성을 높이는 기반을 확보한다는 구상이다.
아이엘 고재환 배터리R＆D센터장은 “이번 기술의 핵심은 단순히 배터리 소재를 개선한 것이 아니라, 기존 박막 전고체배터리의 에너지 밀도를 제약하던 구조적 문제를 해결하고 고용량과 고출력이라는 두 가지 기술적 과제를 동시에 개선했다는 점”이라며 “독자적인 박막-후막 계면 제어 기술을 기반으로 차세대 소형 전고체배터리의 성능과 기술 경쟁력을 지속적으로 고도화해 나가겠다”고 밝혔다.