나트륨-공기 연료전지가 배터리 비행을 현실에 가깝게 만든다

MIT와 공동 연구기관의 연구진이 장래의 전기 항공기에 활용할 수 있는 실험용 나트륨–공기 연료전지를 개발했다. 학술지 Joule에 발표된 연구는 실험실 시제품을 다루며, 이 전지로 비행한 항공기를 보여준 것은 아니다. 높은 질량당 에너지는 유망하지만 안전성, 대형화, 금속 나트륨 생산을 포함한 전체 시스템 검증이 필요하다.

전기 항공기의 에너지 저장 과제

항공기에서는 에너지 저장장치의 무게가 항속거리와 적재량을 제한한다. 리튬이온전지는 소형 전기 항공기에 쓰일 수 있지만, 더 긴 지역 노선에는 질량당 에너지가 부족할 수 있다. 금속–공기 전지는 주변 공기에서 산소를 받아 쓰므로 원리상 더 많은 에너지를 제공할 수 있다. 다만 충전식 금속–공기 전지에서는 고체 방전 생성물이 쌓여 반복 사용을 어렵게 하는 경우가 많다.

나트륨–공기 연료전지의 작동 방식

연구팀의 장치는 액체 상태의 금속 나트륨을 소모성 연료로 사용하고 반대편에 습기를 포함한 공기를 공급한다. 고체 세라믹 전해질은 나트륨 이온을 전달하며, 전자는 외부 회로를 지나 전기를 공급한다. 나트륨이 소모되면 보충하고 반응 생성물을 제거해야 한다. 따라서 일반적인 밀폐형 충전지처럼 플러그만 꽂아 재충전하는 방식과 다르다.

연구진은 H자형 장치를 포함해 두 가지 실험실 시제품을 만들었다. 공기 중 수분은 방전 생성물을 액체 형태로 배출하는 데 중요한 역할을 했다. 다른 금속–공기 전지에서 문제가 되는 고체 침전물의 축적을 줄일 수 있는 이유다.

출처: Joule

시험에서 확인된 성능

논문은 전류 밀도 80 mA/cm²에서 전지 스택 수준의 계산상 질량당 에너지 1,200 Wh/kg을 제시했다. 두께 최대 2.3 cm의 나트륨층을 소모하며 연속 작동하는 것도 보였다. 이 수치는 현재의 많은 리튬이온 배터리 팩보다 높지만, 연료 공급·냉각·안전 장비를 모두 포함한 인증 항공기 시스템을 측정한 값은 아니다. 실제 비행 성능은 아직 입증되지 않았다.

반응 생성물과 환경 효과

방전 생성물 가운데 수산화나트륨은 CO₂와 반응해 탄산나트륨을 만들고, 이후 탄산수소나트륨으로 바뀔 수 있다. 이는 CO₂를 결합할 수 있는 화학적 경로이지만 미래 항공기의 순배출량이 음수가 된다는 증거는 아니다. 금속 나트륨을 다시 생산할 때 필요한 에너지와 생성물 처리까지 포함한 전 과정 평가가 필요하다. 금속 나트륨은 물과 격렬하게 반응하므로 안전한 보관과 연료 보급 역시 핵심 과제다.

가능한 활용 분야

연구진은 항공기, 선박 등 무게가 중요한 운송수단을 검토하고 있다. 다음 단계는 더 큰 실증 장치를 제작하는 것으로, 드론에서 먼저 시험할 가능성이 있다. 상업용 여객기 도입 일정은 확인된 바 없다. 내구성, 비용, 연료 공급망 및 인증을 더 큰 규모에서 검증해야 한다.

투자 관련 맥락

Enovix Corp.는 실리콘 구조의 리튬이온전지라는 별도의 기술을 개발한다. 이 회사는 에너지 저장 산업의 사례로 언급할 뿐이다. MIT의 나트륨–공기 전지는 Enovix 제품이 아니며 이번 연구가 회사에 직접적인 상업적 이익을 보장하지도 않는다.

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참고 연구

Sugano, K. 외 (2025), “Sodium-air fuel cell for high energy density and low-cost electric power”, Joule. doi:10.1016/j.joule.2025.101962.