라이센스뉴스 = 김진우 기자 | 전기차 시장이 급성장하면서 완성차 업계가 핵심 부품인 배터리의 안전성·효율성을 높이기 위해 연구하고 있다. 특히 꿈의 배터리로 알려진 전고체 배터리는 리튬이온 배터리보다 높은 안정성을 갖춘 것으로 평가받고 있다. 

리튬이온 배터리는 '액체전해질'이 적용됐고, 전고체 배터리는 '고체전해질'이 적용됐다. 따라서 강한 외부 충격에도 화재 위험이 없고, 에너지 밀도를 더 높게 구현할 수 있다.

하지만 전고체 배터리도 단점이 있다. 고체전해질은 액체전해질보다 '이온전도도(전해질 내부 이온의 이동 수준)'가 낮기 때문에 내부 저항이 높아 효율성이 낮고 '덴트라이트(리튬의 음극 표면에 쌓이는 현상)'현상이 발생해 수명이 짧다.

◆기존 전고체 배터리의 단점을 기술로 극복

부품 소재를 전문적으로 개발하는 중소기업 티디엘은 기존 산화물계와 황화물계로 구분된 전고체 배터리의 단점을 해결한 하이브리드형 전고체 배터리를 개발했다.

티디엘은 리튬 표면에 ▲계면제어 ▲덴트라이트제어 ▲공정제어 ▲모노폴라멀티스택공정 등의 다양한 기술을 적용했고, 산화물계와 황화물계를 융합한 소재를 완성했다. 이에 따라 기존의 고온 소결 덴트라이트 문제를 해결한 전고체 배터리를 개발할 수 있었다.

티디엘 관계자는 "우리가 개발한 전고체 배터리는 내부 이온의 저항값을 낮춘 계면저항기술이 접목됐다"며 "기존 전고체 배터리는 양극층·전해질층·음극층 3단계로 구분됐지만 하이브리드형 전고체배터리는 양극층과 전해질층을 분할해 총 5단계로 구분됐다"고 밝혔다.

◆리튬이온 배터리와 달리 낮은 온도에서 성능저하 없어

현재 양산 중인 전기차는 겨울철에 주행거리가 짧아지는 문제가 있다. 이는 기온이 낮을수록 기존 배터리 내부의 액체 전해질의 이온유동성이 떨어지면서 리튬이온 배터리 성능도 저하되기 때문이다. 

반면 티디엘에서 개발한 전고체 배터리는 온도와 관계없이 고체전해질을 유지하기 때문에 온도가 낮은 겨울철에도 이온유동성이 떨어지지 않아 성능 저하가 없다.

티디엘 관계자는 "전고체 배터리는 상온 60도에서 가장 최적화됐다"며, "리튬이온 배터리와 다르게 전지를 모듈화시켜 일정하게 온도를 유지하기 때문에 외부 온도에 영향을 받지 않는다"고 밝혔다. 

◆전고체 배터리 관련 특허 총 41건 보유

티디엘은 하이브리드형 전고체 배터리 관련 기술 특허를 33건 등록했고 8건을 출원했다. 이 중에서 고체전해질 15건, 계면제어기술 16건, 전지구조 7건의 특허가 포함됐다.

티디엘에서 개발한 하이브리드형 전고체 전지는 특허청에서도 인정 받아 지난달 개최된 '2022 대한민국 발명특허대전'에서 대통령상을 수상 받았다. 

티디엘 관계자는 수상 소감에 대해 "전고체 배터리는 개발 연구원들도 성공 여부에 대해 의문을 가졌다"며, "배터리 말고 기존에 하던 연구에 집중하자는 의견도 있었지만 '이것 자체가 우리가 해야 할 일이다'라는 신념으로 밀어 붙여서 좋은 결과를 가져온 것 같다"고 말했다.