추운 환경에서도 작동하는 수소 배터리

한때 단순한 전원 공급원으로 여겨졌던 배터리는 오늘날 전 세계 청정 에너지 전환의 핵심에 서서 우리 미래를 형성하는 가장 빠르게 성장하는 기술 중 하나가 되었습니다.

배터리 종류 중에서 리튬 이온 배터리는 휴대폰부터 전기차(EV)에 이르기까지 모든 것을 구동하는 선호되는 선택입니다.

리튬 이온 배터리는 1990년대 초에 상업적으로 처음 등장했으며, 하지만 지난 10년간 수요가 기하급수적으로 증가하여 2010년 0.5 기가와트시(GWh)에서 10년 후 약 526 GWh에 이르렀습니다.

약 리튬 이온 배터리 비용이 90% 감소했으며, 2010년 약 $1,400/kWh에서 2023년 $140/kWh로 떨어졌고, 에너지 밀도와 사이클 수명의 향상과 결합되어 전기차와 에너지 저장 분야에서의 지배력을 강화했습니다.

하지만 리튬 이온과 같은 충전식 배터리의 큰 문제는 추운 환경을 싫어한다는 점입니다.

왜 배터리는 추위에 실패하고(엔지니어는 어떻게 해결하는가)

배터리는 추운 조건에서 성능이 저하됩니다. 이는 영하의 온도에서 내부 전기화학 반응이 느려지기 때문입니다.

대부분의 배터리는 세 가지 주요 부품을 가지고 있습니다:

• 전극
• 전해질
• 분리막

배터리에는 두 개의 전극이 있으며, 두 전극 모두 전도성 물질로 만들어집니다. 양극이라고 불리는 전극은 배터리의 양극(플러스) 쪽에 연결되며, 방전 시 전류가 배터리를 떠나는 곳입니다. 반면 음극이라고 불리는 전극은 배터리의 음극(마이너스) 쪽에 연결되어 방전 시 전류가 배터리로 들어가는 곳입니다. 

이 두 전극은 분리막을 사용해 서로 분리되어 단락을 방지합니다. 전극 사이에는 전해질이라는 액체가 존재하며, 전해질은 전하를 띤 입자(이온)를 포함하고 있습니다. 전극을 구성하는 물질과 결합함으로써 전해질은 화학 반응을 일으켜 배터리가 전류를 생성하도록 합니다.

리튬 이온 배터리의 경우, 전해질은 일반적으로 전극 사이에서 전하를 운반하는 입자(이온)를 전달하는 리튬 염 용액입니다. 하지만 추운 환경에서는 이온의 움직임이 느려져 전극과 제대로 작용하지 못해 배터리의 전류 생성 능력이 감소합니다. 

게다가 전극에 리튬이 과다하게 침착되면 단락이 발생하고 화재 위험이 있습니다.

따라서 추운 날씨는 배터리 수명에 큰 영향을 미칩니다. 배터리의 효율과 사용 가능한 용량이 현저히 감소합니다. 지난해 AAA 설문조사에 따르면 겨울철 주행 거리 감소와 충전 속도 저하에 대한 우려가 전기차 시장의 모멘텀 감소에 기여하고 있다는 결과가 나왔습니다.

이 문제를 해결하기 위해 전 세계 기업들은 새로운 배터리 화학 물질을 개발하고 있습니다. 

예를 들어, 중국 배터리 대기업 CATL은 섭씨 -40도까지 방전이 가능한 2세대 나트륨 이온 배터리를 발표했으며, 에너지 밀도 200 Wh/kg를 초과하는 것을 목표로 안전성을 강화했습니다. 

나트륨 이온 배터리는 리튬 이온 배터리보다 안전하고 추위에 더 강하다고 하지만, 에너지 밀도가 낮고 생산 비용이 높습니다.

한편, 미시간 대학교 엔지니어들은 EV 배터리의 고주행 거리와 저온에서의 급속 충전을 가능하게 하는 수정 제조 공정을 개발했습니다¹했습니다.

팀은 음극에 50 µm 길이의 경로를 만들고, 리튬 보레이트‑탄산염으로 만든 유리질 물질을 20 nm 두께로 코팅해 배터리 전극에 리튬 플라팅이 형성되는 것을 방지했습니다. 이러한 수정이 적용된 리튬 이온 EV 배터리는 섭씨 -10 °C(14 °F)에서 500% 더 빠르게 충전되며, 그런 저온에서도 100회 급속 충전 후에도 용량의 97%를 유지합니다.

“우리는 에너지 밀도를 희생하지 않으면서 저온에서 극한 급속 충전을 동시에 달성할 수 있는 경로를 처음으로 제시했습니다.”

– 공동 저자 Neil Dasgupta, 미시간 대학교 기계공학 및 재료과학 부교수

다른 연구팀들은 전해질 조성을 최적화하고 음극 재료를 수정하며, 특수 배터리 기술을 개발하고, 내장 히터가 포함된 두꺼운 단열재를 적용하고, 온도 제어 스마트 충전²을 제안하며, 배터리 온도를 조절하는 예측 제어 알고리즘³을 제시하는 등 다양한 해결책을 모색하고 있습니다.

이러한 재료, 전해질 및 기타 기술의 지속적인 발전과 동시에, 과학자들은 수소 기반 배터리와 같은 대체 에너지 저장 시스템도 연구하고 있습니다.

수소 배터리: 작동 원리와 중요성

수소는 연료전지에서 사용될 때 물만을 배출하는 청정 에너지 원입니다. 이는 다른 에너지원에서 생성된 전력을 저장하고 전달할 수 있는 에너지 운반체입니다.

가장 풍부한 원소인 수소는 천연 가스, 바이오매스, 원자력뿐 아니라 풍력·태양광 등 재생 가능 에너지에서도 생산될 수 있습니다.

이 무색·무취·고인화성 가스는 물과 모든 유기 화합물의 핵심 구성 요소이기도 합니다.
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수소는 실제로 태양의 핵심 구성 요소입니다. 핵융합 과정에서 에너지로 전환됩니다. 거대한 압력과 열 하에서 수소 원자는 헬륨으로 융합하면서 막대한 에너지를 방출합니다. 이 에너지는 태양 내부를 통과해 외부로 방출되어 빛과 열이 됩니다. 

지구에서는 수소가 매력적인 연료 옵션이며, 리튬 이온 배터리보다 더 긴 배터리 수명을 제공합니다. 

수소 배터리 저장 시스템과 리튬 이온 배터리의 기술·재무 성능을 평가하기 위해 뉴사우스웨일스 대학교(UNSW) 연구진은 두 개의 상용 시스템인 LAVO와 Tesla Powerwall 2를 분석⁴했습니다. 그 결과 LAVO가 더 많은 에너지 손실을 보였습니다. 

하지만 수소 배터리는 용량 감소가 적고 에너지 밀도가 리튬 이온 배터리보다 높아 더 오래 에너지를 저장할 수 있었습니다. 또한 리튬 이온 배터리보다 18% 더 많은 충·방전 사이클을 견디며 “장기간 에너지 저장이 필요한 원격 응용 분야에 적합”하다고 평가되었습니다.

중국 과학기술대학(USTC) 연구팀은 보다 안전하고 지속 가능한 배터리 시스템을 위한 새로운 화학 배터리 시스템을 개발⁵했습니다.

현재 수소 기반 배터리는 양극으로 H₂를 사용해 전압 범위와 에너지 저장 용량이 제한되는데, USTC 팀은 이를 음극으로 활용하는 방안을 제시했습니다. 팀은 리튬 음극, 고체 전해질, 백금 코팅 가스 확산층을 포함한 프로토타입을 개발했습니다.

팀은 이 Li‑H 구성에서 이론적인 특정 에너지를 최대 2,825 Wh/kg, 약 3 V 방전 전압, 99.7% 라운드‑트립 효율을 보고했으며, 이는 실제 팩 수준 측정이 아니라 이론값임을 강조했습니다.

비용 효율성을 높이기 위해 팀은 음극이 없는 Li‑H 배터리를 구축했습니다. 여기서는 충전 시 리튬 염으로부터 리튬 침착이 이루어집니다. 개선된 버전은 효율적인 리튬 플라팅·스트리핑을 가능하게 하며, 낮은 수소 농도에서도 안정적으로 작동해 고압 수소 저장에 대한 의존도를 낮춥니다.

일반적인 니켈‑수소 배터리와 비교했을 때, Li‑H 시스템은 향상된 에너지 밀도와 효율성을 제공해 향후 Li‑H 배터리 기술 응용 분야를 탐구할 수 있는 기반을 마련합니다.

수소가 청정 에너지 저장에 많은 장점을 제공하지만, 저장 자체가 쉽지 않은 과제입니다. 실제로 수소 저장은 큰 도전 과제 중 하나입니다.

저온 수소 저장을 가능하게 하는 Ba–Ca–Na 수소화물 전해질

수소를 저장하려면 극저온(−252.8 °C)이나 고압(350~700 bar)이 필요하거나 둘 다 필요합니다. 고압 가스 탱크와 관련된 안전 위험을 피하기 위해 고체 상태로 저장하는 것이 바람직하지만, 저온에서는 재료 한계에 직면합니다.

이를 해결하기 위해 도쿄 과학연구소(Science Tokyo) 연구진은 수소 저장을 위한 수소화물 이온 매개 전기화학 방식을 탐구했으며, 바륨, 칼슘, 나트륨 수소화물 시스템에서 유망한 수소화물 이온 전도 고체 전해질을 발견했습니다⁶.

다양한 크기의 이온을 결합하면 초이온 전도성이 향상된다는 보고가 있었으며, 연구진은 이를 바탕으로 BaH₂‑CaH₂‑NaH를 결합했습니다.

이 결과 얻어진 고체 전해질, anti‑α‑AgI‑type Ba₀.₅Ca₀.₃₅Na₀.₁₅H₁.₈₅는 뛰어난 전기화학적 안정성과 수소화물 이온(H⁻) 전도성을 가집니다. 

전기화학적 안정성이 여러 금속‑수소화물 전극과의 유연한 결합을 가능하게 한다는 점이 놀랍습니다. 따라서 이 전해질은 티타늄 수소화물, 마그네슘 수소화물(MgH₂) 등 다양한 금속‑수소 전극과 잘 작동해 저온에서 고용량·가역적인 수소 저장을 실현합니다.

초기 실험에서 연구진은 전해질을 TiH₂(티타늄 디하이드라이드, 티타늄과 수소의 화합물)와 티타늄 기준 전극 사이에 배치하고, 아세틸렌 블랙 및 몰리브덴 전류 수집체와 함께 사용했습니다.

이를 통해 연구진은 전해질의 안정 전위 창을 확인했으며, 이는 지금까지 보고된 것 중 가장 넓은 값이었습니다.

연구진은 전해질의 체심 입방(bcc) 구조 덕분에 높은 H⁻ 전도성이 보고되었다고 밝혔습니다. 이 구조는 포장 밀도가 낮아 “이온 이동을 위한 개방 경로”를 제공합니다. 프레임워크 내 고분극성 양이온도 높은 이온 전도성에 기여합니다.

그 후, 연구진은 MgH₂를 사용해 전해질의 수소 저장 능력을 테스트했습니다.

MgH₂는 높은 용량과 저비용으로 수소 저장 연구에 많이 활용되는 화합물입니다. 이 물질을 배터리와 유사한 시스템에 통합해 충·방전 시 수소를 저장·방출할 수 있지만, 부작용 반응, 낮은 수소 흡착·탈착 가역성, 300 °C 이상의 고온 필요성 등으로 활용이 제한되었습니다.

하지만 연구진은 Mg‑H₂ 셀을 수소 저장 장치로 작동시켜 90 °C에서 2,030 mAh/g의 용량을 달성했습니다.

300–400 °C에서 ~90 °C로: 실용적인 저온 수소 배터리

Science Tokyo 연구진이 개발한 새로운 수소 배터리는 기존 방법의 낮은 용량·고온 한계를 극복했습니다. 기존 고체 상태 수소 저장 방식이 필요로 했던 300‑400 °C(572‑752 °F) 대신, 이 배터리는 90 °C(194 °F)에서 작동합니다.

배터리는 고체 전해질을 통해 수소화물 이온을 이동시켜 마그네슘 수소화물(MgH₂)이 완전한 용량으로 반복적으로 수소를 저장·방출하도록 합니다.

이 개발을 통해 연구진은 실용적인 수소 연료 저장 방식을 제공하며, 수소 구동 차량 및 청정 에너지 시스템의 길을 열었습니다.

“우리는 Mg‑H₂ 배터리를 안전하고 효율적인 수소 에너지 저장 장치로 구현했으며, 높은 용량, 저온 작동, 가역적인 수소 흡착·방출을 달성했습니다.”

– 조교수 Naoki Matsui

고체 상태 구성 요소를 갖춘 수소 배터리는 이미 존재하지만, 높은 작동 온도가 요구되었습니다. 그러나 새로운 수소 배터리는 MgH₂ 음극의 이론적 저장 용량과 실온에서 높은 이온 전도성을 달성합니다. 이는 Ba₀.₅Ca₀.₃₅Na₀.₁₅H₁.₈₅ 고체 전해질 덕분입니다.

바륨(Ba), 칼슘(Ca), 나트륨 수소화물(NaH)로 구성된 이 전해질은 수소화물 이온(H⁻)을 효율적으로 이동시킵니다.

이 전해질은 anti‑α‑AgI‑type 결정 구조를 가지고 있어 초이온 전도성을 보입니다. 이 구조에서 Ba, Ca, Na는 체심 위치를 차지하고, 수소화물 이온은 면공유 옥타헤드와 사면체 자리를 통해 자유롭게 이동합니다. 

이 새로운 배터리는 리튬 이온 배터리와 유사하게 작동하지만, 전해질을 통해 양전하 이온이 이동하는 대신, 음전하를 띤 수소화물 이온이 이동합니다.

배터리는 MgH₂를 음극으로, 수소 가스(H₂)를 양극으로 사용합니다. 

충전 시 MgH₂ 음극에서 수소화물 이온이 방출되어 새로운 전해질을 통해 양극으로 이동하고, 그곳에서 산화되어 수소 가스로 방출됩니다.

방전 시에는 양극의 수소 가스가 환원되어 수소화물 이온으로 변환되고, 전해질을 통해 음극으로 이동해 Mg와 반응해 MgH₂를 형성합니다. 이 산화‑환원 반응으로 음극은 전자를 잃고, 전자는 외부 회로를 통해 양극으로 흐르며 전력을 공급합니다.

이러한 과정은 고체 전지에 H₂를 저장하고 필요 시 물의 끓는점 바로 아래 온도에서도 방출할 수 있게 합니다.

이 셀을 사용해 연구진은 MgH₂의 이론적 저장 용량을 반복 사이클에서 완전히 달성했습니다. 2,030 mAh/g 용량은 리튬 이온 배터리의 154 ~ 203 mAh/g보다 훨씬 높습니다.

“우리의 수소 저장 배터리 특성은 기존 열 방식이나 액체 전해질로는 달성할 수 없었던 것으로, 효율적인 수소 저장 시스템의 기반을 제공합니다.”

– 연구 책임자이자 교토 대학 화학연구소 부교수인 Hiroshi Hirose

이 배터리가 일상 제품에 바로 적용되지는 않지만, 기존보다 훨씬 낮은 온도에서 수소 에너지 저장을 가능하게 하는 획기적인 진전이며, 더 효율적이고 쉬운 수소 저장을 위한 길을 열었습니다. 

이는 무거운 리튬 이온 배터리를 대체할 수 있으며, 리튬 이온 배터리는 시간이 지남에 따라 열화되고 효율이 감소하는 전기차에 특히 유리합니다.

또한 고압 시스템, 극저온, 혹은 고온이 필요 없는 수소 저장을 가능하게 함으로써, 이 새로운 배터리 설계는 수소를 친환경 전력원으로 활용하고 녹색 에너지 전환을 가속화하는 데 기여할 수 있습니다.

연구진은 이제 더 높은 이온 전도성을 가진 고체 전해질과 전극 재료를 개발하고, 작동 온도를 낮추며 에너지 효율을 개선하는 장치 설계에 착수할 계획입니다.

수소 배터리 기술에 투자하기

Bloom Energy Corporation (BE )은 고체 산화물 연료전지(SOFC) 설계·제조에 종사하고 있습니다. 이 연료전지 시스템은 반도체 제조, 데이터 센터, 대형 유틸리티 등 다양한 분야에 현장 전력을 공급합니다. 전 세계 1,200개 이상의 설치 현장에서 총 1.5 GW 전력을 제공했습니다. 

이 회사는 두 가지 제품을 보유하고 있습니다: 수소 생산용 Bloom Electrolyzer와 전력 생산용 Bloom Energy Server.

Bloom은 올해 엄청난 상승세를 보이고 있습니다. 연초 대비 391% 상승했으며, BE 주가는 이번 달 사상 최고가인 $125.75를 기록했습니다. 현재 EPS(TTM)는 0.11, P/E(TTM)는 1,013.28입니다.

재무 측면에서 Bloom은 2025년 2분기에 매출 $401.2 million을 기록했으며, 전년 동기 대비 19.5% 증가했습니다. 총 이익률은 26.7%, 비GAAP 총 이익률은 28.2%이며, 영업 손실은 $3.5 million이었습니다.

“AI 성장 속도가 급격히 빨라지는 현시점에 현장 전력의 필요성은 그 어느 때보다 명확합니다. Bloom 제품은 디지털 혁명을 위해 특화된 솔루션입니다.”

– 설립자 겸 CEO KR Sridhar

Oracle과 협력해 AI 데이터 센터에 현장 전력을 공급한 뒤, Bloom Energy는 이제 Brookfield (NYSE: BAM)와 파트너십을 맺어 연료전지 기술을 배치하기 위해 최대 50억 달러를 투자할 예정이며, 두 기업은 “AI 대규모 전력 공급을 위한 새로운 청사진을 만들고 있다”고 밝혔습니다.

Latest Bloom Energy Corporation (BE) Stock News and Developments

Conclusion

높은 에너지 효율, 높은 에너지 밀도, 긴 사이클 수명을 갖춘 리튬 이온 배터리는 전기차와 에너지 저장 분야에서 인기 있는 선택이 되었습니다. 그러나 추운 날씨는 배터리 용량과 효율을 크게 감소시키는 큰 도전 과제입니다. 

전 세계 과학자와 기업이 차세대 배터리 설계를 진전시키면서, 수소는 에너지 운반체이자 미래 연료로서 주목받고 있습니다.

고체 전해질을 갖춘 새로운 수소 배터리는 기존 모델보다 네 배 낮은 온도에서도 수소를 저장·방출할 수 있는 이정표를 세웠으며, 안정적인 작동과 이론적 최대 용량을 구현함으로써 EV용 고밀도·장수명 배터리 개발에 큰 기여를 할 수 있습니다.

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References:

1. Cho, T. H., Chen, Y., Liao, D. W., Kazyak, E., Penley, D., Jangid, M. K., & Dasgupta, N. P. (2025). 극저온에서 6C 급속 충전을 가능하게 하는 인터페이스 엔지니어링 및 3D 구조를 통한 Li‑ion 배터리 구현. Joule, 9(5), 101881. https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.101881
2. Ruan, G., & Dahleh, M. A. (2025). 추운 기후에서 전기차를 위한 온도 제어 스마트 충전. arXiv. https://doi.org/10.48550/arXiv.2501.01105
3. Lu, Z., Tu, H., Fang, H., Wang, Y., & Mou, S. (2024). 극한 환경에서 Li‑ion 배터리의 급속 충전 및 능동 열 관리 통합 최적화. arXiv. https://doi.org/10.48550/arXiv.2404.04358
4. Hassan, M. U., Bremner, S., Menictas, C., & Kay, M. (2024). 옥상 태양광 PV 시스템에서 수소 및 리튬 이온 배터리 평가. Journal of Energy Storage, 86(Part A), 111182. https://doi.org/10.1016/j.est.2024.111182
5. Liu, Z., Ma, Y., Khan, N. A., Jiang, T., Zhu, Z., Li, K., Zhang, K., Liu, S., Xie, Z., Yuan, Y., Wang, M., Zheng, X., Sun, J., Wang, W., Meng, Y., Xu, Y., Chuai, M., Yang, J., & Chen, W. (2025). 재충전 가능한 리튬‑수소 가스 배터리. Angewandte Chemie International Edition, 64(7), e202419663. https://doi.org/10.1002/anie.202419663
6. Hirose, T., Matsui, N., Itoh, T., Hinuma, Y., Ikeda, K., Gotoh, K., Jiang, G., Suzuki, K., Hirayama, M., & Kanno, R. (2025). H⁻ 전도 고체 전해질을 이용한 고용량·가역 수소 저장. Science, 389(6766), 1252–1255. https://doi.org/10.1126/science.adw1996