영하의 추위를 이기는 해법
겨울 날씨는 오랫동안 배터리 구동 기기의 골칫거리였다. 스키 여행 중 스마트폰이 갑자기 꺼지고, 드론은 얼어붙은 하늘에서 추락하며, 전기차 운전자들은 기온이 떨어질수록 주행 가능 거리 추정치가 급감하는 모습을 지켜본다. 이러한 문제는 기존 리튬이온 배터리 화학의 근본적인 한계에서 비롯된다. 추위는 전력 공급에 필수적인 이온의 이동을 늦추고, 혹한에는 사용 가능한 용량을 절반 이하로 떨어뜨린다. 북부 지역 주민들에게 가장 필요할 때 기기가 작동하지 않는 불편은 이제 겨울이면 감수해야 하는 일로 여겨져 왔다. 중국 연구진은 이제 전극 사이로 이온을 실어 나르고 전지 내부의 에너지 전달 통로 역할을 하는 핵심 화학 매질인 전해질을 획기적으로 재설계해 이러한 한계를 극복했다고 밝혔다.
지난달 저명한 학술지 네이처에 발표된 연구에서 난카이대와 상하이우주전원연구소 과학자들은 새로운 하이드로플루오로카본 기반 전해질을 공개했다. 이 전해질을 사용한 리튬 금속 배터리는 실온에서 킬로그램당 700와트시가 넘는 에너지 밀도를 달성하면서 화씨 영하 94도까지 안정적으로 작동한다. 비교하면 기존 리튬이온 배터리는 실온에서 보통 킬로그램당 약 136와트시를 제공하며, 영하에서는 성능이 킬로그램당 68와트시 아래로 떨어진다. 이번 성과는 같은 무게의 배터리에 저장되는 에너지를 두 배 또는 세 배로 늘릴 가능성을 보여준다. 에너지 저장 기술의 오랜 난제인 에너지 밀도와 혹한기 신뢰성을 함께 해결할 수 있다는 의미다. 이번 연구는 전해질 화학에 관한 수십 년간의 통념에 도전하면서 차세대 에너지 저장 기술의 대량 생산 가능성도 제시한다.
분자 배위 방식의 재검토
모든 배터리의 중심에는 양극과 음극 사이에서 전하를 띤 입자가 이동하도록 하는 물질인 전해질이 있다. 기존 리튬 배터리 전해질에는 산소 원자를 포함한 탄산염 용매가 사용된다. 이 용매는 강한 이온-쌍극자 상호작용을 통해 리튬염을 효과적으로 용해한다. 이 산소 배위 화학은 용해된 염을 안정화한다는 장점 덕분에 수십 년간 업계를 지배해 왔지만, 전체 성능을 제한하는 상당한 절충점도 낳는다. 리튬과 산소 사이의 강한 상호작용은 전극 계면에서 전하 이동을 방해하고 저온 성능을 제한해 에너지 밀도와 저온 작동 모두에 병목을 만든다. 또한 이런 물질은 효과적으로 작동하려면 많은 양이 필요해 무게와 부피가 늘어나며, 열 스트레스가 가해지면 전하를 효율적으로 전달하지 못한다.
난카이대 천쥔·자오칭 연구팀과 상하이우주전원연구소 리융 연구원은 산소 기반 리간드가 효과적인 전해질에 필수라는 오랜 가정에 도전했다. 연구진은 1,3-디플루오로프로페인을 핵심 성분으로 활용해 새로운 불소화 탄화수소 용매 분자를 설계하고 합성했다. 이 화합물은 기존의 리튬-산소 상호작용을 더 약한 리튬-불소 결합으로 대체하는 불소 배위 체계를 형성한다. 배위 결합이 약해지면 이온 흐름이 원활해지고 용해 장벽이 낮아져 극한의 열 스트레스에서도 전하가 더 빠르게 이동한다. 동시에 시스템이 작동하는 데 필요한 전해질 양도 줄일 수 있다.
네이처 논문에 공개된 기술 사양은 화학적 전환의 규모를 보여준다. 하이드로플루오로카본 전해질의 점도는 0.95센티푸아즈로 매우 낮고 산화 안정성은 4.9볼트 이상이며, 섭씨 영하 70도에서도 이온 전도도 0.29밀리지멘스/센티미터를 유지한다. 이 특성 덕분에 리튬 금속 파우치형 셀은 충·방전 과정에서 전하 전달 효율을 나타내는 쿨롱 효율이 실온에서 99.7%, 섭씨 영하 70도에서 98%에 이른다. 입체 장애를 고려해 설계한 불소 기반 리간드는 리터당 2몰을 넘는 염 용해를 가능하게 해 불소화 탄화수소의 성능에 관한 기존 가정에도 도전한다.
주행거리 걱정을 잠재우다
전기차 구매를 망설이게 하는 장거리 주행이나 겨울철 성능 문제를 걱정해 본 사람이라면 이 기술이 전기차에 가져올 실질적 효과를 바로 이해할 수 있다. 현재 전기차 배터리는 최적의 조건에서 한 번 충전으로 보통 310~370마일을 주행할 수 있지만, 추운 날씨에는 난방 장치가 전력을 소모하고 화학 반응도 느려져 주행거리가 크게 줄어든다. 상하이우주전원연구소의 리융 연구원은 새 기술이 혹한기 성능을 유지하면서 주행거리를 크게 늘릴 수 있다고 말했다. 관영 매체인 과학기술일보와의 인터뷰에서 리 연구원은 이번 돌파구가 소비자용 제품에 가져올 변화의 가능성을 설명했다.
“같은 무게의 배터리로 실온 에너지 저장 용량을 2~3배 높이면 전기차 주행거리를 500~600킬로미터에서 1,000킬로미터 이상으로 늘릴 수 있습니다”라고 리 연구원은 말했다. 이는 한 번 충전으로 약 620마일을 주행할 수 있다는 뜻으로, 덴버에서 댈러스까지의 거리와 비슷하다. 장거리 이동과 도시 간 통근에서 주행거리 걱정을 사실상 없앨 수 있는 수준이다.
주행거리 자체뿐 아니라 현재 추운 지역의 전기차 보급을 가로막는 계절적 성능 저하도 해결할 수 있다. 기존 배터리는 겨울철에 용량이 크게 줄어들어, 영하의 기온에서는 정격 주행거리의 절반도 채 유지하지 못하는 경우가 있다. 작동을 유지하려면 에너지를 많이 쓰는 난방 시스템도 필요하다. 하이드로플루오로카본 전해질은 화씨 영하 58도에서도 킬로그램당 약 400와트시를 유지해 혹한기에도 차량을 사용할 수 있도록 한다. 추가 전력을 소모하는 배터리 히터나 열 관리 시스템에 의존할 필요도 줄어든다. 실험실 조건에서 확인된 99.7%의 충전 효율은 장기간 사용해도 배터리가 전력을 잘 유지할 가능성을 보여준다.
도로 밖의 활용 분야
자동차 분야가 당장의 대중적 관심을 끌고 있지만, 연구진은 이 기술이 승용차를 넘어 전문 산업과 과학 분야에도 적용될 수 있다고 강조한다. 상하이우주전원연구소는 중국항천과학기술그룹 산하 기관으로, 극심한 온도 환경에서 작동하는 우주선과 인공위성, 행성 탐사선에 즉각 적용할 가능성을 시사한다. 이런 환경에서는 한 번의 궤도 운행이나 지표면 작업 중에도 고온과 극저온 사이를 오가는 온도 변화가 발생할 수 있다. 이 전해질을 적용한 고에너지 배터리는 북극 환경에서 운용하는 정찰 드론의 비행 시간을 늘리고, 극야에도 열 보호 장치 없이 지능형 로봇 시스템이 작동하도록 하며, 기존 배터리가 빠르게 성능을 잃는 남극 연구기지의 과학 장비에 전력을 공급할 수 있다.
가전제품도 저온 성능 개선의 수혜를 볼 수 있다. 현재 스마트폰과 휴대용 기기는 추운 날씨에 배터리 수명이 짧아지는 문제가 있다. 북부 지역 주민과 겨울 스포츠 애호가들은 배터리 잔량이 남아 있는데도 기기가 갑자기 꺼지는 일을 흔히 겪는다. 불소 기반 화학을 적용하면 기존 배터리가 작동을 멈출 정도의 낮은 기온에서도 기기가 정상 기능을 유지할 수 있어, 야외 비상 비콘과 GPS 기기, 통신 장비의 작동 시간이 늘어날 수 있다. 극심한 고온에서 극저온까지 온도 변화가 큰 우주 탐사 임무에서는 달이나 화성 표면 작업에 이 배터리를 활용할 수 있다. 임무 성공에는 열 안정성이 필수적이고, 기존 열 관리 시스템은 감당하기 어려울 만큼 무게를 늘리기 때문이다.
이처럼 폭넓게 활용할 수 있는 것은 전해질의 물리적 구조를 근본적으로 재설계했기 때문이다. 용매의 점도를 낮추고 젖음성을 개선해 전체적으로 필요한 전해질 양을 줄이면 배터리 무게는 감소하고 전 온도 범위에서 성능은 향상된다. 높은 비에너지와 넓은 작동 온도 범위를 동시에 구현하는 것은 현재 상용 배터리로는 여전히 어려운 과제다. 태양광에 노출된 곳과 그늘 사이의 온도 차가 극심하고 매 그램이 중요한 항공우주 분야에서 하이드로플루오로카본 방식이 특히 유용한 이유다.
실험실에서 생산 라인으로
동료 심사를 거친 학술지에 유망한 결과가 발표됐지만, 이 배터리가 소비자가 구매할 수 있는 상용 제품에 적용되려면 상당한 공학적 과제가 남아 있다. 연구팀은 고온 안정성을 확보하기 위해 추가 개발과 최적화가 필요하다고 인정했다. 전해질은 극한의 추위에서 뛰어난 성능을 보이지만, 사막의 고온 환경이나 상당한 열이 발생하는 급속 충전 중 화씨 212도 이상에서 성능과 안전성을 유지하는 부분은 개선이 필요하다. 저온 성능의 장점을 훼손하지 않으면서 하이드로플루오로카본 화합물의 끓는점을 높이는 것이 연구진이 넘어야 할 다음 기술적 장벽이다.
상용화 일정은 통상적인 배터리 개발 주기에 비해 빠듯하다. 업계 관계자들에 따르면 상하이우주전원연구소를 포함한 중국 제조업체들은 2026년 말까지 양산 역량을 갖추는 것을 목표로 삼고 있다. 이는 세계 배터리 생산과 청정에너지 기술에서 우위를 지키려는 중국의 광범위한 전략을 반영한 야심 찬 일정이다. 중국은 현재 전 세계 리튬이온 배터리 생산능력의 약 60%를 차지하며, 차세대 기술을 선점하기 위해 기초 연구에도 대규모 투자를 이어가고 있다. 이번 개발은 고정형 전력망 저장에 사용할 수 있도록 12만 회 충전을 달성한 두부 염수 기반 수계 배터리 등 중국의 최근 혁신과도 맞닿아 있다. 이는 다양한 화학 체계와 활용 분야 전반에서 에너지 저장 기술을 발전시키려는 종합적인 접근을 보여준다.
학계와 산업계의 협력은 상용화 전략의 핵심으로 보인다. 중국과학원 원사이자 난카이대 부총장인 천쥔은 최근 기술 이전 과정에 관해 언급하며 이론적 발견보다 실용화를 중시해야 한다고 강조했다.
“우리가 언제까지나 상아탑에 머물러 있을 수는 없습니다. 우리의 목표는 산업 현장의 실제 문제를 해결하는 것입니다”라고 천 교수는 말했다. 연구팀은 이미 자동차 제조업체들과 협력 관계를 맺고 실험실의 연구 결과를 실제 도로 환경을 견딜 수 있는 구동계 부품에 적용하는 작업을 시작했다.
난카이대 화학대학의 옌전화 교수는 이번 기술이 리튬 금속 배터리와 관련해 오래전부터 제기돼 온 안전성과 비용 문제를 함께 해결한다고 말했다. 자체 개발한 복합 전해질은 본질적인 안전성을 높이고 수명도 크게 개선한다. 이로써 현재의 리튬이온 배터리 구조보다 이론적 장점이 큰데도 상용화를 가로막아 온 리튬 금속 배터리의 높은 위험성이라는 평판을 해소할 수 있을 것으로 기대된다.
글로벌 배터리 경쟁
이번 돌파구는 에너지 전환의 경제적 승자를 좌우할 배터리 기술 주도권을 둘러싼 국제 경쟁이 격화되는 가운데 나왔다. 일부 국가는 자국 제조 역량을 보호하기 위해 규제 장벽과 무역 제한에 집중해 왔지만, 중국은 국가 지원 연구소와 긴밀한 산학 협력을 통해 기초 연구와 신속한 상용화에 힘을 쏟아 왔다. 하이드로플루오로카본 전해질은 기존 화학 체계에서 근본적으로 벗어난 기술이다. 중국 제조업체들이 기존 성능을 조금씩 개선하는 데 그치지 않고 현 세대 기술을 뛰어넘을 가능성을 제시한다. 국가 지원을 받는 주요 항공우주 연구기관인 상하이우주전원연구소가 참여했다는 점은 이 혁신을 확대하기 위해 상당한 정부 지원이 이뤄질 것임을 보여준다.
이번 혁신은 첨단 소재 과학에서 학술 연구와 대량 생산 사이에 여전히 큰 간극이 있음을 드러낸다. 배터리 연구자들은 네이처 논문이 나온 뒤 공장 생산 라인에 이르기까지 수년간의 공학적 과제와 생산 규모 확대의 어려움, 공급망 구축, 비용 최적화가 남아 있다고 입을 모은다. 그러나 국가 지원을 받는 항공우주·자동차 관련 기관이 참여하면서 시범 생산 라인과 시험 시설 구축을 비롯해 이러한 장벽을 넘는 데 상당한 자원이 투입될 것으로 보인다. 개발에 성공하면 특히 겨울이 혹독해 현재 배터리 기술이 어려움을 겪고 소비자들의 전기차 구매를 꺼리게 하는 시장에서 전기차 경쟁 구도를 바꿀 수 있다.
전기차 전환을 고려하는 소비자에게 이번 개발은 2027~2028년까지 기다릴 경우 점진적 개선을 넘어 주행거리와 신뢰성이 실질적으로 크게 향상된 차세대 차량을 만날 수 있음을 시사한다. 600마일 주행 능력과 혹한기 내구성을 함께 갖추면 일반 소비자들이 전기차 구매를 망설이는 가장 흔한 두 가지 이유를 해결할 수 있다. 중국의 자동차 신에너지 배터리 기술 기업인 중국자동차신에너지배터리기술의 뤼톈쥔 총경리는 중국 업계에서 개발 중인 관련 첨단 배터리에 대해 현재 소비자용 기술보다 약 50% 향상된 성능이라고 설명했다. 이는 해당 배터리가 국내외에서 선도적 수준에 올랐으며, 장거리 주행에서 전기차가 내연기관 차량보다 실질적으로 우수해질 가능성을 보여준다.
핵심 내용
- 중국 연구진이 하이드로플루오로카본 기반 전해질을 개발해 리튬 금속 배터리의 에너지 밀도를 킬로그램당 700와트시 이상으로 높였다. 이는 기존 리튬이온 배터리의 두 배가 넘는다.
- 이 기술은 화씨 영하 94도까지 작동하며 화씨 영하 58도에서도 킬로그램당 약 400와트시를 유지한다.
- 이 배터리를 탑재한 전기차는 한 번 충전으로 620마일이 넘는 거리를 주행할 수 있다. 현재 전기차의 평균 주행거리는 310~370마일이다.
- 이번 기술은 기존 산소 배위 화학을 불소 기반 리간드로 대체했으며, 1,3-디플루오로프로페인을 핵심 용매 성분으로 사용한다.
- 난카이대와 상하이우주전원연구소 연구팀은 2026년 2월 25일 학술지 네이처에 연구 결과를 발표했다.
- 고온 안정성은 여전히 한계로 남아 있으며, 모든 기후에서 사용할 수 있는 기술을 구현하려면 추가 연구가 필요하다.
- 양산은 2026년 말이 목표이며, 전기차부터 항공우주, 드론, 로봇, 심우주 탐사까지 활용 분야가 확장될 전망이다.
