에너지
나트륨 및 수소 고체 전지가 리튬에 도전
리튬 이온을 넘어선 전환
전동화가 자동차를 시작으로 트럭, 선박, 그리고 언젠가 비행기까지 모든 형태의 교통수단에 확대되면서, 배터리 저장은 이번 십년의 핵심 기술이 되었습니다.
초기에는 소형 전자기기의 제조 경험과 리튬 자체의 전기적 특성 덕분에 리튬 이온 기술이 주도했습니다.
하지만 리튬 이온 기술에는 몇 가지 주요 문제가 있어 채택을 제한할 수 있습니다:
- 다른 금속에 비해 비용이 높고 희소성이 있어 초고밀도 배터리나 고가 제품에만 적용될 가능성이 있습니다.
- 금속 수지상(덴드라이트)가 형성되어 치명적인 고장 및 배터리 화재를 일으킬 수 있습니다.
- 저온에서 성능이 저하되어 추운 기후나 냉각 저장에 부적합합니다.
이러한 이유로 과학자와 배터리 제조업체는 대체 화학 물질을 탐색하고 있습니다. 그 중 하나가 해수염의 주요 성분이자 매우 풍부하고 저렴한 나트륨을 이용하는 것입니다.
나트륨 이온 배터리는 곧 대량 생산 단계에 접어들고 있으며, CATL (300750.SZ)이 이 분야를 선도하고 있습니다.
“나트륨과 리튬 중 하나를 선택하는 문제가 아니라 두 가지가 모두 필요합니다. 내일의 에너지 저장 솔루션을 생각할 때, 같은 기가팩토리에서 리튬과 나트륨 화학을 기반으로 한 제품을 동시에 생산할 수 있다고 상상해야 합니다.”
그럼에도 불구하고 리튬 이온과 나트륨 이온 배터리는 모두 더 우수한 배터리 기술인 고체 전지로 가는 디딤돌이 될 것으로 예상됩니다.
처음에는 리튬에 초점을 맞췄던 고체 전지 기술이 이제 새로운 방향으로 확장되고 있습니다. 예를 들어, 이전에 나트륨 기반 무음극 고체 전지 가능성을 논의한 바 있습니다.
새로운 연구에 따르면, 메타안정적인 형태의 나트륨 고체 전해질을 이용해 에너지 밀도가 높을 뿐만 아니라 영하의 온도에서도 성능을 유지하는 고체 전지 나트륨 배터리를 만들 수 있다고 밝혀졌습니다.
이 연구는 캘리포니아 대학교, 시카고 대학교, 그리고 대만 과학기술대학의 과학자들이 수행했으며, 저널 Joule1에 “두꺼운 양극을 가진 전고체 배터리를 위한 메타안정성 나트륨 클로소-히드리보레이트”라는 제목으로 발표되었습니다.
고체 전해질의 과제
일반적인 배터리에서는 양극과 음극이 액체 전해질로 구분됩니다. 이 전해질은 유용하지만 무겁고, 결함이 있는 배터리에서 화재의 주요 원인이 됩니다.
따라서 이를 고체 물질 층으로 교체하면 배터리의 밀도가 크게 증가하고 안전성도 향상됩니다. 그러나 충전·방전 시 고체 전해질이 팽창하거나 균열이 생기는 문제를 해결하는 것이 과제였습니다.
나트륨 고체 전해질은 실온에서 이온 전도도가 제한적이라는 추가적인 문제를 가지고 있습니다.
대안으로는 매우 높은 이온 전도도를 가진 나트륨 히드리보레이트와 같은 물질을 사용할 수 있습니다. 하지만 이를 대규모 배터리에서 메타안정 형태로 유지해야 합니다.
“이 메타안정성 나트륨 히드리보레이트 구조는 문헌에 보고된 것보다 최소 한 단계, 전구체 자체보다 세·네 단계 높은 이온 전도도를 보입니다.”
Shirley Meng– 시카고 대학 PME 분자공학 교수
나트륨 고체 전해질 안정화
나트륨 히드리보레이트를 사용해 배터리를 제조하면, 냉각 시 물질이 안정된 구조로 전환되어 NaBH4와 Na2B12H12 분자가 분리되는 경향이 있습니다.
고온에서는 두 결정이 섞인 메타안정 형태가 존재해 나트륨 이온의 이동이 훨씬 빨라져 전기 용량이 강화됩니다.
출처: Joule
빠르게 냉각하면 물질이 메타안정 형태를 유지하면서 결정 구조가 그대로 남아 안정된 형태로 돌아가지 않습니다. 이러한 급냉(퀜칭) 방식은 금속 공학, 특히 강철 및 기타 금속 제조에서 핵심적인 방법으로 활용됩니다.
출처: Joule
확장성을 위한 알려진 기술
화학 구조를 안정화하기 위해 퀜칭(급냉)이 유용하다는 사실은 이미 알려져 있었습니다. 그러나 고체 전해질에 대해서는 아직 입증된 바가 없었습니다.
이러한 관행이 일반적으로 받아들여지고 있기 때문에, 배터리 제조업체가 이 기술을 확대 적용하고 채택하는 데 큰 도움이 될 것입니다.
“이 기술이 이미 확립돼 있기 때문에 향후 규모 확대가 더 용이합니다.
새로운 방식을 제안하거나 프로세스를 변경·정립해야 할 경우, 산업계는 이를 받아들이는 데 더 신중해질 것입니다.
두꺼운 전극 및 저온
대부분의 고체 전지 설계는 초박형 양극을 만들어 접촉 면적을 최대화하고 에너지를 저장하지 못하는 “죽은” 물질을 최소화하려 합니다.
퀜칭은 나트륨 이온이 순환할 수 있는 영구적인 기공을 형성함으로써 이 문제를 해결합니다.
“메타안정 상을 O3형 양극에 염소 기반 고체 전해질을 코팅한 형태와 결합하면, 두껍고 고면적 적재 양극을 만들 수 있어 기존 나트륨 배터리를 뛰어넘는 설계가 됩니다.”
Sam Oh – 싱가포르 A*STAR 소재연구·공학 연구소.
이 설계는 전극을 두껍게 만들수록 배터리 성능이 향상될 수 있다는 흥미로운 가능성을 제시합니다.
“양극이 두꺼울수록 특정 면적당 보유되는 에너지 양, 즉 이론적 에너지 밀도가 향상됩니다.”
Sam Oh – 싱가포르 A*STAR 소재연구·공학 연구소.
양극을 테스트한 결과, 실온은 물론 영하에서도 성능이 유지되는 것으로 나타났으며, 이는 기존 액체 전해질 리튬 이온에 비해 추운 기후에서 큰 장점이 됩니다. 다만 상용 리튬 이온 대비 시스템 수준에서의 전반적인 우수성은 아직 입증되지 않았습니다.
수소를 전하 운반체로
수소를 교통 및 친환경 에너지와 연관 지어 이야기할 때는 일반적으로 이분자 수소(H₂)의 연소 또는 연료전지에서의 산화를 의미합니다.
하지만 미래에는 수소가 배터리의 핵심 구성 요소가 되어 리튬이나 나트륨을 대체할 가능성도 있습니다. 이 경우에는 수소화 이온(H⁻)이 사용됩니다.
수소는 우주에서 가장 풍부한 원소이므로, 전 세계가 완전 전동화와 친환경 에너지·배터리 기반으로 전환하려는 목표에 특히 유용할 수 있습니다.
중국 과학자들은 중국 과학원, 중국 과학기술대학(USTC), 길림대학, 그리고 국가중점촉매연구소에서 Nature2에 “상온에서 충전 가능한 전고체 수소화 이온 배터리”라는 제목의 고체 전해질 수소화 이온 배터리 개념을 발표했습니다.
수소화 이온
배터리는 음전하 운반체를 이용해 양극과 음극 사이에 전자를 전달합니다. 이론적으로 수소화 이온(H⁻)은 리튬이나 나트륨 같은 양이온보다 에너지가 높고, 분극성이 크며, 반응성이 뛰어납니다.
수소는 원자 크기가 가장 작아 무게가 가볍고, 이는 운송용 배터리에서 중요한 장점이 됩니다.
하지만 이러한 장점에도 불구하고, 현재까지 수소화 이온을 사용한 배터리는 존재하지 않습니다. 이는 빠른 이온 이동, 열 안정성, 전극 호환성을 동시에 만족시키는 전해질이 아직 개발되지 않았기 때문입니다.
전도성·안정성 결합
연구팀은 얇은 BaH₂ 껍질이 CeH₃ 코어를 감싸는 새로운 코어‑쉘 복합 수소화 물질 3CeH₃@BaH₂를 합성했습니다. 이 구조는 CeH₃의 높은 수소화 이온 전도성과 BaH₂의 안정성을 동시에 활용합니다.
이 쉘 복합체를 빌딩 블록으로 활용해 연구진은 CeH₂|3CeH₃@BaH₂|NaAlH₄ 전고체 수소화 이온 프로토타입을 만들었습니다. NaAlH₄는 고전적인 수소 저장 물질로, 양극 활성 성분으로 사용되었습니다.
덴드라이트를 영원히 없앨 수 있을까?
높은 에너지 용량 외에도 수소화 이온은 또 다른 큰 장점을 가지고 있습니다: 금속 양이온과 달리 서로 결합해 덴드라이트를 형성하지 않으므로, 다수의 충·방전 사이클 후 발생하는 단락·화재의 근본 원인을 차단합니다.
따라서 안전하고 효율적이며 지속 가능한 에너지 저장 방법이 될 수 있습니다.
하지만 이 기술은 리튬 배터리나 나트륨 배터리보다 훨씬 미성숙 단계에 있으며, 설계 내구성 향상이 필요합니다.
현재 연구진은 실온에서 984 mAh/g의 높은 에너지 밀도를 달성했지만, 20 사이클 후에는 402 mAh/g로 용량이 감소했습니다.
전고체 배터리의 미래
단기적으로는 리튬 이온 기술을 기반으로 한 배터리가 친환경 에너지와 전기차의 기본이 될 가능성이 높습니다.
하지만 중기적으로는 전고체 배터리 혹은 나트륨(및 전고체 나트륨) 배터리가 리튬 이온의 지배력을 대체할 수 있으며, 특히 에너지 밀도가 충분히 높고 가격이 낮아질 경우 그 가능성이 커집니다.
전고체 배터리의 급속 충전 특성은 전기차 전환을 꺼려하는 운전자나 상업용 애플리케이션에 큰 설득력을 제공합니다.
내구성 및 저온 내성 역시 중요한 요소가 될 것이며, 2030년대에는 다양한 배터리 화학이 병행 존재하면서, 추운 기후용 전기차 전용 배터리도 함께 개발될 전망입니다.
다음 기사에서 이 주제들을 더 자세히 확인할 수 있습니다:
스크롤하려면 스와이프 →
| 배터리 유형 | 에너지 밀도 | 사이클 수명 | 비용 | 성숙도 |
|---|---|---|---|---|
| 리튬 이온 | 250–300 Wh/kg | 1,000+ 사이클 | 높음 | 상업화 |
| 나트륨 이온 | 160–200 Wh/kg | 1,000+ 사이클 | 낮음 | 스케일링 (CATL) |
| 고체 전지 (리튬) | 350–500 Wh/kg | >2,000 사이클 (목표) | 높음 (R&D) | 파일럿 (2026–27) |
| 수소화 이온 | 984 mAh/g (프로토타입) | 20 사이클 (현재) | 알 수 없음 | 초기 연구 |
고체 전지 회사
QuantumScape
(QS )
2010년 설립된 캘리포니아 기반 QuantumScape는 고체 전지 분야에서 일찍 진입하고, CATL(300750.SZ), 삼성, LG 에너지 솔루션(373220.KS) 등 대형 배터리 제조업체와는 독립적인 입지를 유지해 온 주목받는 스타트업입니다.
출처: QuantumScape
QuantumScape 배터리의 독특한 특징 중 하나는 발표 당시 혁신적이라고 평가받았던 무음극 설계입니다.
이 설계는 약 15분 급속 충전(10‑80 % @ 45 ºC)을 가능하게 하며, 분리막이 불연성·불연소성을 가지고 있습니다.
출처: QuantumScape
이러한 특성 덕분에 QuantumScape 배터리는 에너지 밀도와 충전 속도 면에서 테슬라(자체 설계 및 CATL 제품 포함)와 같은 선두 기업을 크게 앞서고 있습니다.
출처: QuantumScape
하지만 이러한 눈부신 성과에도 불구하고 생산량 확대에 어려움을 겪으며 현금 소진이 가속화돼 기존 투자자들의 지분 희석과 주가 하락을 초래했습니다.
이는 2024년 PowerCo와의 협약으로 전환되는 듯합니다. PowerCo는 폭스바겐 그룹 배터리 부문으로, QuantumScape 배터리 설계와 대량 생산을 위한 라이선스 계약을 체결했습니다.
비독점 라이선스 계약에 따라 PowerCo는 연간 최대 40 GWh의 전기차 배터리를 제조할 수 있으며, 필요 시 80 GWh까지 확대할 수 있습니다.
QuantumScape 생산 규모 확대는 Cobra, 차세대 전고체 배터리 분리막 장비와 연계됩니다. 이는 세라믹 제조 분야의 획기적인 진보입니다.
전반적으로 Cobra는 2025년 생산 라인에 통합될 예정이며, 첫 번째 완성된 전기차에 QuantumScape 배터리가 적용되는 시점은 2026년으로 예상됩니다.
출처: QuantumScape
이는 설립 16년 만에 유망한 스타트업에서 세계 최대 자동차 제조업체와의 파트너십을 통해 매출을 창출하는 단계로 전환되는 전환점이 될 수 있습니다.
PowerCo와의 관계가 2025년에 더욱 가까워지고 있습니다, 듀카티 오토바이에 적용된 전고체 배터리와 함께, PowerCo는 향후 2년간 1억 3,100만 달러의 신규 자금을 제공할 예정이며, 이는 공동 규모 확대 팀이 특정 마일스톤을 달성할 경우 지급됩니다.
“이번 확대된 계약은 양사 간 전략적·기술적·재정적 정렬이 강화되고 있음을 명확히 보여줍니다.
우리는 QSE‑5가 배터리 산업을 혁신할 플랫폼이라는 공동 신뢰를 반영하고 있습니다.
한편 투자자들은 주가 변동성을 여전히 예상해야 하지만, 제품 개발 터널 끝에 빛이 보이고 있습니다.
(다른 미국 및 해외 배터리 기업에 대한 내용은 우리 기사
“Top 10 Battery Stocks To Invest In”를 확인해 보세요.
참조 연구
1. Jin An Sam Oh, et al. 두꺼운 양극을 가진 전고체 배터리를 위한 메타안정성 나트륨 클로소-히드리보레이트. Joule. 102130. 2025년 9월 16일. https://www.cell.com/joule/abstract/S2542-4351(25)00311-3
2. Jirong Cui, et al. 상온에서 충전 가능한 전고체 수소화 이온 배터리. Nature. 2025년 9월 17일. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09561-3
