배터리 산업의 차세대 경쟁은 단순한 성능 향상을 넘어 ‘양산 가능성’에 달려 있다. 특히 휴머노이드 로봇과 피지컬 AI, 미래 모빌리티 시장이 확대되면서 기존 리튬이온 배터리보다 에너지 밀도가 높은 리튬메탈 배터리에 대한 관심도 커지고 있다. 풀스택 미래모빌리티 플랫폼 기업 아이엘이 리튬메탈 배터리 상용화의 핵심 과제로 꼽히는 덴드라이트 문제를 해결하고 대량 생산까지 가능한 원천기술 확보에 나섰다.
아이엘은 차세대 리튬메탈 배터리의 연속 양산을 위한 핵심 원천기술 특허를 출원했다고 밝혔다. 이번 특허는 ‘이온 전도성 및 물리·화학적 안정성이 향상된 이중 기능성 보호층을 포함하는 리튬메탈 음극 및 이의 연속 제조 방법’에 관한 기술이다.
아이엘 리튬메탈 음극 연속 양산 핵심 기술 (자료 제공: 아이엘)
리튬메탈 배터리 상용화의 최대 난제 해결 도전
리튬메탈은 기존 흑연 음극 대비 훨씬 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있는 차세대 배터리 소재로, 전기차는 물론 휴머노이드 로봇, 드론, 차세대 모빌리티 등 장시간 구동과 경량화가 필요한 분야에서 핵심 기술로 주목받고 있다. 하지만 충·방전 과정에서 바늘 모양의 금속 결정체인 ‘리튬 덴드라이트(Dendrite)’가 발생하는 문제가 상용화의 가장 큰 걸림돌로 꼽혀왔다. 덴드라이트가 성장하면 배터리 내부 단락과 화재 위험이 커지고 수명도 급격히 감소한다.
아이엘은 이를 해결하기 위해 이온 전도성과 물리적 안정성을 동시에 확보한 이중 보호층(DPL·Dual Protection Layer) 구조를 개발했다. 해당 구조는 리튬 이온의 이동 경로를 균일하게 유지해 특정 지점에 전류가 집중되는 현상을 줄이고 덴드라이트 발생을 억제하는 역할을 한다.
회사에 따르면 시뮬레이션 결과 DPL 구조를 적용한 리튬메탈 음극은 기존 음극 대비 전류 밀도 편차를 약 93% 개선한 것으로 나타났다. 전류 밀도 편차는 ±45% 수준에서 ±3% 미만으로 감소했다. 이는 배터리 내부에서 발생하는 ‘핫스팟(Hot Spot)’ 현상을 크게 줄여 충·방전 안정성과 수명 향상에 긍정적인 영향을 줄 수 있다는 의미다.
배터리 업계에서는 전류 분포 균일성이 리튬메탈 배터리 상용화 여부를 결정짓는 핵심 요소 가운데 하나로 평가한다.
소재·공정·장비까지 확보한 ‘풀스택 기술’
이번 특허의 또 다른 특징은 소재 기술에 그치지 않고 제조 공정과 장비 기술까지 포함했다는 점이다. 아이엘은 진공 상태를 유지한 채 생산이 가능한 연속 롤투롤(Roll-to-Roll) 공정을 개발했으며, 관련 제조 장비 기술도 함께 확보했다고 설명했다.
리튬메탈 배터리는 소재 성능뿐 아니라 대량 생산 체계 구축이 중요한 만큼, 소재와 생산기술을 동시에 확보한 점이 경쟁력으로 평가된다. 업계에서는 리튬메탈 배터리 분야에서 연구개발 성과가 실제 양산 체계로 연결되지 못하는 경우가 많은 만큼, 양산 공정 확보 여부가 향후 시장 선점의 중요한 변수로 보고 있다.
아이엘은 현재 전고체배터리와 리튬메탈 음극, 3D 집전체 기술 등을 기반으로 차세대 배터리 플랫폼 개발을 추진하고 있다. 최근 급성장하고 있는 휴머노이드 로봇과 피지컬 AI 시스템 분야를 주요 적용 시장으로 보고 있다.
배터리 에너지 밀도 향상은 로봇의 작동시간과 성능을 결정하는 핵심 요소로 꼽힌다.
아이엘 관계자는 “이번 특허는 리튬메탈 음극의 성능 향상과 양산 기술을 동시에 확보한 기술”이라며 “휴머노이드 로봇과 피지컬 AI 시대에 필요한 고에너지밀도 배터리 상용화를 앞당기는 기반이 될 것”이라고 말했다.
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