고온 에너지 저장의 새로운 시대
중국 과학자들이 극한 환경용 전력 시스템의 작동 수명과 효율을 높일 수 있는 열전지 기술에서 중요한 진전을 이뤘다. 중국과학원 공정공학연구소 연구팀은 수십 년 동안 열전지 성능을 제한해 온 화학적 열화 과정인 지속적인 “셔틀 효과”를 효과적으로 억제하는 새로운 양극 소재를 개발했다. 2026년 1월 4일 학술지 Advanced Science에 발표된 이번 성과는 이 분야에서 가장 해결하기 어려웠던 기술 과제 가운데 하나를 해결하는 동시에 사상 최고 수준의 에너지 밀도를 입증했다.
목차
왕쑹 교수와 주융핑 교수가 이끈 이번 연구는 전이금속 불화물 양극, 특히 공유결합 유기 골격체(COF)에서 유래한 특수 탄소 껍질로 감싼 이불화코발트(CoF2)에 초점을 맞췄다. 이 혁신적인 “플럼 푸딩@셸” 구조는 필요한 리튬 이온의 이동은 허용하면서 용량 감소를 일으키는 더 큰 분자 복합체는 차단하는 선택적 이온 통로를 만든다. 그 결과 양극은 섭씨 500도에서 2.5볼트를 넘는 방전 평탄 전압과 킬로그램당 882와트시의 비에너지를 달성했다. 이는 현재까지 보고된 고전압 열전지 양극 가운데 가장 높은 수치로, 전통적으로 군사·항공우주 분야에 집중됐던 이 특수 전력 기술의 새로운 응용 가능성을 열 수 있다.
열전지와 고유한 과제 이해하기
열전지는 일반적인 리튬이온 시스템을 파괴할 만한 조건에서도 작동하도록 설계된 독특한 전기화학 전지다. 실온에서 작동하는 일반 배터리와 달리 열전지는 섭씨 350~550도까지 가열될 때만 이온 전도성을 띠는 용융염 전해질을 사용한다. 이처럼 극고온이 필요해 소비자 전자제품이나 일반 전기차에는 적합하지 않지만, 열 스트레스 상황에서도 신뢰성이 반드시 필요한 분야에서는 매우 중요하다.
열전지는 미사일과 유도탄을 비롯한 군사 장비, 우주선과 항공기 비상 전력 장치 등 항공우주 시스템, 심정 굴착 장비, 일부 산업 공정에 사용된다. 이 장치들은 성능 저하 없이 수년간 비활성 상태로 보관할 수 있고, 작동 온도로 가열되면 즉시 활성화돼 우주의 진공부터 시추공의 압착될 듯한 깊이에 이르는 환경에서 고출력 에너지를 공급한다. 열전지는 사실상 일회용 전력원으로 작동하며 재충전 가능성보다 절대적인 신뢰성을 우선한다. 따라서 고장이 용납되지 않는 임무 핵심 시스템에 필수적이다.
그러나 고온 용융염 환경은 고유한 화학적 과제를 만든다. 기존 열전지 양극 소재는 작동 중 전해질에 용해돼 이동하는 문제를 겪는다. 활성 물질 입자가 원래 있어야 할 위치에서 사실상 떠밀려 나가면서 사용 가능한 용량이 감소하고, 성능을 떨어뜨리는 불필요한 부반응이 발생한다. 셔틀 효과라고 불리는 이 현상은 활성 물질 손실과 장기적인 구조 손상을 일으켜 열전지의 에너지 밀도와 작동 수명을 오랫동안 제한해 왔다. 지금까지 엔지니어들은 배터리 기능에 필요한 이온 전도성을 유지하면서 이러한 용해를 막는 데 어려움을 겪었다.
셔틀 효과: 분자 이동 문제
중국 연구진의 성과가 중요한 이유를 이해하려면 전이금속 불화물 양극에서 셔틀 효과를 일으키는 구체적인 화학 반응을 알아야 한다. 배터리가 작동하는 동안 CoF2는 전해질 속 염화리튬(LiCl)과 음이온 교환을 일으켜 사염화코발트 복합체(CoCl4 2-)를 형성한다. 이 복합체가 배터리 성능을 저하시키는 활성 물질 이동의 주된 원인이다. 건설 현장에서 벽돌이 떠내려가는 것처럼 용해된 복합체는 전해질을 통해 이동해 되돌릴 수 없는 용량 손실과 시간에 따른 충전 효율 저하를 일으킨다.
이 문제를 해결하기 위한 기존 시도에는 다양한 황 전극을 추가하거나 배터리 구조 안에 여러 종류의 장벽을 만드는 방법이 포함됐다. 일부 접근법은 용해를 부분적으로 억제하는 성과를 보였지만, 높은 성능과 장기 안정성을 모두 확보하는 종합적인 해결책은 제시하지 못했다. 핵심 과제는 선택적으로 투과하는 장벽을 만드는 것이다. 더 큰 CoCl4 2- 복합체는 차단하면서 작은 Li+ 이온은 전극 사이를 자유롭게 이동하도록 해야 한다. 기존의 고체 장벽은 모든 것을 차단해 배터리 작동을 사실상 멈추게 하거나, 셔틀 효과를 막기에는 구멍이 너무 컸다.
연구팀은 이 문제를 해결하려면 나노미터 수준에서 정밀하게 제어해야 한다는 점을 파악했다. 유익한 리튬 이온과 해로운 코발트 복합체의 크기 차이는 선택적 차단의 가능성을 제공했지만, 이 차이를 활용할 만큼 균일한 기공 크기를 지닌 소재를 제조하기는 여전히 어려웠다. 해결책은 예상 밖의 소재군인 공유결합 유기 골격체에서 나왔다. 이는 구조가 명확하게 규정된 결정성 다공성 소재로, 서브나노미터 수준의 정밀도로 설계할 수 있다.
COF 껍질 해법: 원자 수준의 정밀한 설계
이번 성과의 핵심은 COF 유래 탄소 소재를 사용해 CoF2 입자 주위에 특수 껍질을 만드는 것이다. 공유결합 유기 골격체는 기공 크기가 균일하고 고도로 정렬된 구조를 지닌 결정성 다공성 물질이다. 연구진은 COF 전구체를 제어된 열처리로 탄소 코팅층으로 변환해 너비가 0.54나노미터에 불과한 균일한 서브나노미터 통로를 갖춘 껍질을 만들었다. 이 크기가 핵심이었다. 더 큰 CoCl4 2- 복합체는 막으면서 Li+ 이온은 빠르게 이동할 수 있을 만큼 충분히 컸다.
그 결과 만들어진 구조는 다공성 탄소 껍질 안에 활성 CoF2 입자가 들어 있는 플럼 푸딩을 닮았다. 연구진은 이를 “크기 선별 구속 메커니즘”이라고 부른다. 열역학 분석과 실험 검증 결과, 맞춤 설계된 통로는 문제가 되는 코발트 복합체의 확산을 효과적으로 차단하면서 리튬 이온의 통과는 허용해 이온 전도성을 저해하지 않고 셔틀 효과를 억제하는 것으로 확인됐다.
이번 연구 결과는 정밀한 계면 설계를 통해 차세대 고에너지 밀도 열전지를 설계할 수 있는 메커니즘적 토대를 제공합니다.
논문의 교신저자인 왕쑹 교수는 이번 접근법이 점진적인 개선 이상의 의미가 있다고 강조했다. CoF2@CSC700-24 양극(여기서 CSC는 700도에서 24시간 처리한 COF 유래 껍질 탄소를 뜻함)은 이 분야의 새로운 기준이 되는 실험 결과를 냈다. 섭씨 500도에서 제곱센티미터당 100밀리암페어의 조건으로 양극은 2.5볼트가 넘는 방전 평탄 전압을 유지하고, 그램당 365밀리암페어시의 비정전용량과 킬로그램당 882와트시의 비에너지 밀도를 달성했다. 이는 기존 열전지 기술보다 상당히 향상된 수치다.
항공우주·국방 및 그 밖의 분야에 미칠 영향
이번 양극 설계로 가능해진 성능 개선은 열전지 응용 분야를 기존의 일회용 군사·항공우주 시스템 너머로 넓힐 수 있다. 현재 열전지는 특정 임무에 한 번 활성화해 사용하는 사실상 일회용 전력원이다. 셔틀 효과 억제는 작동 수명을 늘리고 신뢰성을 높일 가능성을 보여 주며, 극한 환경에서 지속적으로 전력을 공급해야 하는 응용 분야나 재사용 가능한 열전지 시스템을 가능하게 할 수도 있다.
단기적으로는 군사 분야가 여전히 주요 시장이다. 열전지는 이미 유도미사일과 어뢰, 전투기 비상 시스템에 선호되는 전력원으로 쓰이고 있다. 에너지 밀도가 높아지면 임무 수행 시간을 늘리거나 같은 출력을 내면서 배터리 무게를 줄일 수 있다. 이는 무게 1그램도 항속거리와 기동성에 영향을 주는 항공우주 공학에서 중요한 요소다. 지표면 아래 수 킬로미터 지점에서 고온·고압을 견뎌야 하는 심정 굴착 작업도 더 견고한 열전지의 직접적인 수혜 분야다.
더 장기적으로는 셔틀 효과를 해결함으로써 극한 기후에서의 전력망 규모 에너지 저장, 산업 시설의 비상 전력 시스템, 기존 리튬이온 배터리가 제 성능을 내기 어려운 북극이나 사막 환경의 특수 전기차 응용 분야에 열전지를 활용할 가능성도 이론적으로 생긴다. 작동 온도가 높아 열전지가 소비자용 스마트폰에 전력을 공급할 가능성은 작지만, 혹독한 조건에서 즉각적인 고출력 공급이 필요한 차세대 에너지 시스템에는 역할을 할 수 있다.
중국의 종합적인 배터리 연구 생태계
이번 열전지 성과는 중국 내 여러 기관에서 배터리 연구가 활발히 진행되는 더 넓은 맥락에서 나왔다. 기존 리튬이온 기술을 넘어서는 여러 경로를 동시에 탐색하는 연구가 이어지고 있어, 다각적인 혁신을 통해 차세대 에너지 저장 시장을 주도하려는 전략이 엿보인다.
최근에는 전고체 배터리 분야에서도 상당한 진전이 발표됐다. 중국과학원 연구진이 개발한 자가 치유 계면은 배터리 층 사이의 접촉을 유지하는 데 필요한 높은 외부 압력을 없앤다. 이 기술은 이동한 요오드화물 이온이 적응형 계면층을 형성하도록 해 킬로그램당 500와트시가 넘는 에너지 밀도를 갖춘 전고체 배터리를 가능하게 할 수 있다. 한편 톈진대는 현재 테슬라 배터리팩의 두 배에 이르는 에너지 밀도를 지닌 리튬 금속 배터리를 개발했고, 상하이교통대는 킬로와트시당 약 5.03달러의 추정 비용으로 킬로그램당 1,198와트시를 달성한 무음극 나트륨-황 배터리를 공개했다.
다른 연구 분야로는 리튬이온 배터리보다 수명이 네 배 길고 5분 충전을 내세우는 그래핀 기반 배터리와 기존 리튬 시스템보다 빠르게 충전되는 하드카본 음극 기반 나트륨이온 대체 기술이 있다. 중국 정부는 2024년 시작된 전고체 배터리 개발을 위한 60억 위안 규모 특별 프로젝트와 공업정보화부의 중간 평가 등 상당한 자금 지원 사업을 통해 이러한 연구를 뒷받침해 왔다.
이러한 다각적 접근은 하나의 배터리 화학 체계가 모든 응용 분야에 적합하지 않다는 인식을 반영한다. 열전지는 극한 환경이라는 특정 틈새를 채우고, 전고체 시스템은 더 안전한 전기차를 약속하며, 나트륨이온 배터리는 경제적인 전력망 저장을 제공하고, 리튬 금속 배터리는 에너지 밀도의 한계를 넓힌다. 중국 연구기관들은 이 분야들을 동시에 발전시켜 앞으로 수십 년간 주도권을 잡을 배터리 기술이 무엇이든 공급할 수 있는 입지를 다지고 있다.
실험실에서 실제 적용까지
유망한 결과에도 불구하고 열전지 기술이 널리 보급되기까지는 여러 과제가 남아 있다. 이번 연구는 실험실 규모에서 개념을 입증했지만, 0.54나노미터 통로의 정밀한 균일성을 유지하면서 COF 유래 탄소 껍질의 생산을 확대하는 데는 제조상의 어려움이 따른다. 용융염 전해질과 높은 작동 온도 때문에 열전지는 특수한 취급이 필요하며, 운영상의 요구가 이러한 복잡성을 정당화하는 응용 분야로 사용이 제한된다.
셔틀 효과 억제로 장기 충·방전 안정성이 개선됐지만 추가 검증이 필요하다. 현재 연구는 해당 메커니즘의 효과를 입증했으나, 항공우주·국방용 열전지는 일반적으로 수천 차례의 잠재적 작동 주기와 수년간의 저장 기간을 견디는 신뢰성이 입증돼야 한다. 반복적인 열 순환과 장시간 고온 작동에도 COF 껍질이 구조적 온전성과 선택적 투과성을 유지하는지 추가 시험으로 확인해야 한다.
용융염 전해질의 부식성도 배터리 하우징과 밀봉재의 소재 적합성 문제를 일으킨다. 이번 양극 성과가 주요 열화 경로 하나를 해결했지만, 완전한 배터리 시스템을 구현하려면 그에 못지않게 견고한 음극 및 전해질 관리 기술과 이 성과를 통합해야 한다. 연구팀은 다음 단계로 새로운 양극 설계를 중심으로 전지 전체 구조를 최적화하는 데 집중할 가능성이 크다.
핵심 요약
- 중국 연구진은 유해한 코발트 복합체는 차단하고 리튬 이온은 통과시키는 서브나노미터 통로가 있는 공유결합 유기 골격체(COF) 유래 탄소 껍질을 개발해 열전지의 “셔틀 효과”를 해결했다.
- 새 양극은 섭씨 500도에서 방전 전압 2.5V, 용량 365mAh/g, 에너지 밀도 882Wh/kg이라는 기록적인 성능을 달성했다. 이는 고전압 열전지 양극으로 보고된 최고 수치다.
- 열전지는 섭씨 350~550도에서 용융염 전해질을 사용해 작동하며, 기존 배터리가 작동하기 어려운 군사·항공우주·심정 굴착 분야에 필수적이다.
- 이번 성과는 열전지의 활용 범위를 일회용 군사 장비에서 극한 환경의 에너지 저장을 위한 장수명 시스템으로 넓힐 수 있다.
- 이번 연구는 전고체·리튬 금속·나트륨이온·그래핀 배터리 기술의 병행 발전을 포함하는 중국의 광범위한 배터리 혁신 전략의 일부다.
