100배 강력한 독일 전고체 배터리 상온 구동 연구 박차

기존 리튬 이온 배터리의 한계를 뛰어넘는 '꿈의 배터리'로 불리는 전고체 배터리 기술 개발이 독일에서 급물살을 타고 있다고 과학기술 전문매체 인터레스팅 엔지니어링이 19일(현지시각) 보도했다.

보도에 따르면 상온에서도 작동하며 현재 흑연 양극보다 100배 강력한 성능을 낼 수 있는 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있어, 미래 모바일 기기, 전기차, 전력망의 에너지 저장 방식에 혁명적인 변화가 기대된다.


현재 우리가 사용하는 대부분의 전자제품과 전기차에 탑재된 리튬 이온 배터리는 안전 문제, 제한된 에너지 저장 용량, 그리고 희소 광물 의존성 등 여러 한계에 직면해 있다. 특히 배터리 내부의 액체 전해질은 화재 및 폭발 위험을 내포하고 있어 안정성 확보가 중요한 과제였다.

이에 과학자들은 액체 전해질을 고체 전해질로 대체하는 전고체 배터리를 대안으로 주목하고 있다. 전고체 배터리는 에너지 밀도를 최대 40%까지 높일 수 있고, 더 저렴하고 지속 가능한 소재를 사용할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 고체 음극과 고체 전해질 간의 안정적인 접촉 유지, 그리고 계면에서의 공극이나 접촉 손실로 인한 배터리 고장 가능성 등 고유한 기술적 난제가 존재했다.

이러한 난제 해결에 독일 연방재료연구시험연구소(BAM) 연구진이 나섰다. 이들은 나트륨 초이온 전도체(NASICON)를 기반으로 한 새로운 고체 전해질을 개발해 전고체 배터리의 상용화에 한 발 더 다가섰다.

이 신소재 고체 전해질은 실온에서도 높은 이온 전도도를 보이며, 기존 리튬 이온 배터리보다 훨씬 지속 가능한 솔루션으로 평가받는다. 특히 칼륨과 함께 사용할 경우 화학적으로도 매우 안정적이다.

인터레스팅 엔지니어링에 따르면 베를린 훔볼트 대학의 배터리 소재 전문가이자 BAM의 객원 연구원인 구스타프 그레이버는 "액체 알칼리 금속 양극은 기존 흑연 양극보다 100배 더 강력하다는 것을 연구 결과가 보여줬다"고 밝혔다. 다만, 현재 이 기술은 섭씨 250도에서만 작동한다는 점이 한계로 지적된다. 그레이버 연구원은 "우리의 목표는 이 기술의 장점을 실온에서 구현하는 것이다"고 강조했다.


연구진은 칼륨을 액체 알칼리 금속 양극의 녹는점을 낮추는 첨가제로 활용해 극한의 열 없이도 뛰어난 성능을 발휘할 수 있도록 실험 중이다. 하지만 대부분의 기존 고체 전해질이 칼륨에 노출되면 분해되는 문제가 있어, 이를 극복하는 것이 관건이다.

현재 나시콘(NASICON) 소재는 희귀하고 값비싼 원소인 하프늄으로 안정화되어 있다. BAM 연구팀은 하프늄을 대체할 수 있으면서도 효과와 안정성이 동일한 지속 가능하고 널리 이용 가능한 대체 도펀트(특정 물질의 물리적 또는 화학적 특성을 개선하거나 변화시키기 위해 소량 첨가하는 물질)를 찾고 있다.

만약 이들의 연구가 성공한다면, 더 안전하고, 더 저렴하며, 훨씬 더 효율적인 나트륨 기반 전고체 배터리의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다. 이는 모바일 기기, 전기 자동차, 그리고 전력망을 위한 새로운 종류의 에너지 저장 시스템을 개발하는 데 중요한 이정표가 될 것이다. 연구진은 가장 유망한 후보 물질들을 나트륨 배터리에서 직접 테스트하고 있다.

그레이버 연구원은 "우리 연구 프로젝트는 더욱 지속 가능하고, 저렴하며, 효율적인 고성능 배터리를 향한 결정적인 발걸음"이라며, "나트륨 전고체 전지는 충전 시간을 획기적으로 단축하고 이동식 및 고정형 에너지 저장 시스템의 성능을 크게 향상시킬 수 있어 탈탄소화에 중요한 기여가 될 것입니다"라고 밝혀 미래 에너지 시장에 대한 기대감을 높였다.


이태준 글로벌이코노믹 기자 tjlee@g-enews.com