전고체 배터리, '휴머노이드' 심장 되기 위한 숙제 3가지
에너지 밀도, 고출력 등 강점을 지닌 전고체 배터리 시험대로 휴머노이드가 주목받고 있지만, 풀어야 할 기술적 과제도 산적한 것으로 나타났다. 하윤철 한국전기연구원 차세대전지연구센터 책임연구원은 28일 FKI타워에서 열린 '피지컬AI를 위한 전고체 배터리 개발 기술과 상용화 전략' 세미나에서 휴머노이드에 필요한 배터리 조건과 전고체 배터리 기술 현황을 이같이 공유했다. 사람처럼 걷고, 뛰는 등 복합적이거나 민첩한 동작을 수행하는 휴머노이드 특성상 배터리는 고출력이 필수 조건으로 꼽힌다. 특히 가슴, 배 등에 위치한 배터리가 비교적 멀리 위치한 손끝 관절에 대해서도 동일하게 에너지 고출력을 지원하는지도 관건이다. 하 책임은 “전기차가 급가속하는 것보다 훨씬 높은 수준의 고출력이 필요하고, 로봇이 서서 자세를 잡고 있는 것만으로도 꽤 많은 전력이 소모된다”며 “모든 관절이 체계적으로 구동되게 하는 것도 숙제”라고 짚었다. 배터리 안전성도 핵심이다. 특히 도로 등 주로 외부 환경에 있는 전기차와 달리, 휴머노이드는 향후 실내 환경에 투입될 점을 고려하면 화재 등 사고를 더욱 철저히 사전 방지할 수 있어야 한다. 내구성도 현 수준보다 강화될 필요가 있다. 전기차나 에너지저장장치(ESS) 배터리의 경우 일반적인 사용 과정에서 큰 충격을 받을 가능성이 적은 반면, 휴머노이드는 넘어지거나, 달리는 상황에서 내부에 충격과 진동이 강하게 전달되기 때문이다. 그 외 휴머노이드가 고위험 환경에서 인력 대체 수단으로 사용될 가능성도 있는 만큼, 저·고온 환경에서의 성능도 보장돼야 할 것으로 전망된다. 배터리 탑재 구조와 교체 주기도 중요 변수다. 하 책임은 “로봇 가슴이나 배 외에 팔이나 다리 등 여러 부위에 배터리를 장착하는 방안이 논의되고 있다“며 “이 경우 모든 배터리를 교체하는 방식으로 갈지도 변수이고 배터리 배치 방식에 따른 무게 설계도 고민해야 한다”고 지적했다. 일반적으로 리튬이온 배터리의 에너지 용량과 출력 성능이 반비례하는 반면, 전고체 배터리는 이를 모두 갖추면서도 안전성을 크게 강화할 수 있을 것으로 기대된다. 전고체 배터리가 초기에 휴머노이드 시장에서 각광을 받는 이유다. 하 책임은 기술과 시장 특성이 부합하지만, 기술적 난제도 상당하다고 분석했다. 높은 제조 난이도가 먼저 지목됐다. 하 책임은 “배터리의 에너지 용량과 출력을 동시에 잡을 방법으로 건식 공정이 고안됐지만, 양산 수준의 생산성이 나오지 않아 R&D 단계에 머물러 있다”며 “전고체 배터리 소재 중 황화물계 고체 전해질의 경우 수분에 매우 빠르게 반응하는 등 다루기가 굉장히 어려워 산학 연구 단에선 드라이룸에서 사용되지만, 산업용 양산 조건을 맞추기 쉽지 않다”고 분석했다. 전고체 배터리 특성상 성능을 유지하려면 고압 장치가 필요하지만, 로봇의 경우 적재 공간이 충분치 않은 점도 난제로 꼽혔다. 전극 계면의 저항이 큰 점도 전고체 배터리 양산이 아직까지 이뤄지지 않은 원인으로 지적했다. 이는 에너지 출력을 저하시킨다. 반면 휴머노이드용 전고체 배터리의 경우, 주요 기술 난제로 꼽히는 '덴드라이트' 문제는 완화할 수 있을 것으로 기대했다. 데드라이트는 배터리 충전 시 리튬이 음극 표면에 불균형적으로 쌓이는 현상으로, 배터리 수명과 안전성을 떨어뜨린다. 하 책임은 “에너지 밀도에 가장 유리한 무음극 전고체 배터리로 가정할 경우, 무음극은 덴드라이트 이슈가 있는데 저속 충전을 하면 이 문제를 해결할 수 있다”며 “전기차는 급속 충전이 중요한 요소이지만 로봇은 충전하는 동안 다른 기기와 교대하는 등 급속 충전이 필수는 아니고, 보다 고온 환경이 필요한 점도 덴드라이트 완화에 기여한다”고 분석했다. 전극 계면 저항 문제를 극복할 방안으로 반고체 배터리가 유용할 수 있다고도 봤다. 하 책임은 “팩토리얼에너지, 퀀텀스케이프 등 전고체를 표방하는 기업들이 사실상 부분적으로 액체전해질을 사용하는 반고체 배터리를 개발 중”이라며 “계면 만드는 데 한계가 있는 만큼 약간의 트릭을 써 전지 성능을 향상하는 게 나을 수 있다”고 평가했다. 전고체 배터리는 대규모 양산이 이뤄지지 않고, 고가의 소재를 사용하고 있어 현 리튬이온배터리 대비 고가에 판매될 것으로 전망된다. 그럼에도 로봇 시장의 잠재력을 감안하면, 수요가 있을 것으로 전망했다. 하 책임은 "현재는 로봇 가격에서 배터리가 차지하는 비중이 10분의 1도 되지 않는다"며 "전기차에서 배터리 가격이 3분의 1 수준인 점을 감안하면, 차세대 배터리가 다품종 소량 생산을 필요로 하는 시장에 진입할 가능성이 크다"고 봤다.
