“리튬 시대 끝낼까”... 中, 세계 최초 ‘수소 음이온’ 고체 배터리 공개

전 세계가 리튬 이온 배터리를 넘어설 차세대 에너지 저장 기술 확보에 사활을 걸고 있는 가운데, 중국이 세계 최초로 실온에서 작동하는 수소 기반의 고체 배터리(Hydride-ion Battery) 프로토타입을 공개하며 에너지 패권 경쟁에 승부수를 던졌다.

중국과학원 산하 다롄화학물리연구소(DICP) 연구팀은 수소 음이온을 전하 운반체로 사용하는 고체 배터리를 제작해 LED 램프를 밝히는 데 성공했으며, 이 연구 결과는 세계적인 학술지 '네이처(Nature)'에 게재되었다.

28일(현지시각) 스페인 언론 에코티시아스(ECOticias.com) 보도에 따르면, 이번 성과는 이론적 모델에 머물던 수소 배터리가 실제 하드웨어로 구현된 첫 사례로 평가받는다.


현재 스마트폰과 전기차에 널리 쓰이는 리튬 이온 배터리는 액체 전해질을 사용해 화재 위험이 크고 에너지 밀도 향상에 한계가 있다. 중국 연구진이 개발한 수소 음이온 배터리는 이러한 단점을 획기적으로 개선했다.
수소 원자에 전자가 하나 더 붙은 수소 음이온은 리튬보다 가벼우면서도 전자 밀도가 높아, 동일한 부피에 더 많은 에너지를 담을 수 있다.

전극과 전해질을 모두 고체로 유지해 액체 누출로 인한 화재나 폭발 위험을 원천 차단했다.

리튬 배터리의 고질적 문제인 덴드라이트(금속 결정) 형성을 억제해 내부 단락 사고를 방지함으로써 안전성을 획기적으로 높였다.


그동안 수소 음이온 배터리는 실온에서 이온 전도성이 급격히 떨어지는 문제가 상용화의 가장 큰 걸림돌이었다. 핑첸(Ping Chen) 교수가 이끄는 연구팀은 이를 혁신적인 재료 공학으로 해결했다.
전도성이 높은 세륨 트리하이드라이드 코어에 안정성이 뛰어난 바륨 하이드라이드 박막을 입힌 '핵-심 구조'의 전해질을 개발했다.

이 구조는 실온에서도 수소 음이온이 빠르게 이동할 수 있게 하며, 60도 이상의 고온에서도 화학적 안정성을 유지한다.

연구팀은 이 배터리를 적층해 1.9V 전압을 구현했으며, 실험실에서 노란색 LED 램프를 직접 점등해 실제 전자기기 구동 능력을 입증했다.


이번 프로토타입은 초기 방전 용량이 984mAh/g에 달했으나, 20회 충·방전 후에는 402mAh/g으로 줄어드는 등 성능 저하 문제가 여전히 남아 있다.

연구진은 "이번 성과는 수소 음이온 배터리가 개념 단계를 넘어 실험 검증 단계로 도약했음을 의미한다"며, 향후 수천 번의 사이클을 견딜 수 있는 내구성을 확보하고 대형 배터리 팩으로 확장하는 연구에 집중할 계획이라고 밝혔다.

전문가들은 이 기술이 리튬을 즉각 대체하기보다는 대규모 에너지 저장 장치(ESS)나 특수 전원 분야에서 리튬 배터리를 보완하는 역할을 먼저 시작할 것으로 내다보고 있다.


중국의 수소 배터리 돌파구는 'K-배터리'에도 강력한 경쟁이자 새로운 기회다.

국내 기업들이 주력하는 황화물계·산화물계 전고체 배터리 외에도 수소 기반 고체 배터리 등 원천 기술에 대한 기초 연구 투자를 병행해야 할 것이다.

리튬이나 코발트 등 매장량이 적은 금속 의존도를 낮추기 위해 수소와 같이 풍부한 자원을 활용한 배터리 화학 조성 개발이 시급하다.

한국이 강점을 가진 수소 연료전지 기술과 이번 수소 음이온 배터리 기술을 결합해 수소 저장과 전력 저장을 동시에 해결하는 하이브리드 인프라 시장을 선점할 필요가 있다.


신경원 글로벌이코노믹 기자 shincm@g-enews.com