일본, 더 안전하고 효율적인 저장 위한 90℃ 수소 배터리 개발

90℃ 수소 배터리가 지금 중요한 이유

일본 연구진이 약 90℃(194℉)에서 수소를 저장하고 방출하는 수소 배터리를 공개했다. 이는 수소화마그네슘을 기반으로 한 고체 수소 저장 시스템에 일반적으로 필요한 300~400℃보다 훨씬 낮은 작동 온도다. 이번 성과는 수소 에너지 시스템에서 가장 까다로운 과제인 효율적이고 가역적인 안전 저장 문제를 해결한다. 다카하시 히로세 박사가 이끄는 도쿄과학대 연구팀은 도쿄과학대 전고체전지연구센터의 마쓰이 나오키 조교수, 간노 료지 석좌교수와 함께 연구를 진행했으며, 성과는 2025년 9월 18일자 학술지 사이언스에 발표됐다.

수소는 사용 단계에서 이산화탄소를 배출하지 않고 시간과 장소를 넘어 에너지를 전달할 수 있다. 하지만 저장은 오랫동안 해결하기 어려운 과제였다. 압축 가스를 담는 탱크는 무겁고 비싸며, 액체 수소는 영하 253℃에 가까운 극저온이 필요하다. 물의 끓는점 부근에서 작동하는 실용적인 고체 저장 시스템이 나온다면 차량과 산업 시설, 재생에너지 저장 설계에 큰 변화를 가져올 수 있다. 이번 전지는 수소 저장 매체로 수소화마그네슘을 사용하고 수소화물 이온을 전달하는 특수 고체 전해질을 적용해, 실제 장비에서 구현 가능한 온도에서 완전한 용량의 충·방전을 가능하게 한다.

연구진이 만든 장치

이 장치는 수소를 능동적인 전하 운반체로 다루는 전기화학 전지다. MgH2로 표기하는 수소화마그네슘은 수소를 저장하는 양극으로 작동한다. 수소 기체는 음극을 이룬다. 두 전극 사이에는 새롭게 설계한 고체 전해질이 있으며, 이 전해질은 실온에서도 수소화물 이온을 빠르게 전달한다. 전해질 조성은 Ba0.5Ca0.35Na0.15H1.85이며, 초이온 전도 특성으로 알려진 안티 알파 AgI형 결정 구조를 갖는다. 이 구조 덕분에 수소화물 이온은 고체 내부를 자유롭게 이동할 수 있다.

전지의 충전과 방전 방식

충전 중에는 양극의 MgH2에서 수소화물 이온이 방출된다. 이 이온들은 고체 전해질을 통과해 수소 전극으로 이동하고, 그곳에서 산화돼 수소 기체를 형성한다. 방전 중에는 음극의 수소 기체가 환원돼 수소화물 이온이 된다. 이 이온들은 전해질을 거쳐 양극 쪽으로 돌아가 마그네슘과 반응해 MgH2를 다시 형성한다. 이 과정은 완전히 가역적이므로, 극한의 열을 가하지 않고도 약 90℃에서 같은 물질로 수소를 반복해 저장하고 방출할 수 있다.

전기화학 관점에서 이 전지는 전자만 관여하는 일반적인 구조 대신 수소가 직접 참여하는 방식을 취한다. 충전과 방전 때 가하는 전압과 전류가 수소화물 이온의 이동을 이끈다. 이 제어 방식은 여러 열 저장 방식에 필요한 강제 가열을 대체해 에너지 손실을 줄이고 시스템 설계를 단순화한다.

수소 저장이 어려운 이유

압축 수소 탱크는 보통 350~700bar에 이르는 압력으로 작동한다. 압축에 필요한 에너지는 순효율을 낮추고, 차량 등 이동형 용도에서는 탱크가 무게와 비용을 더한다. 액체 수소는 대형 탱크 문제를 피할 수 있지만 다른 난제가 따른다. 수소를 액화하려면 21K 아래로 냉각해야 하며, 이를 위해 에너지 소모가 큰 극저온 장비가 필요하다. 특히 주변 온도가 높거나 사용 속도가 느릴 때는 기화 손실도 지속적인 문제다.

고체 물질은 또 다른 대안이다. 낮은 압력에서 수소를 작은 부피에 저장할 수 있다. 그러나 연구가 많이 이뤄진 수소화물 가운데 상당수는 수소를 방출하려면 매우 높은 온도로 가열해야 한다. 이 과정에서 열을 공급하면 시스템이 복잡해지고 왕복 효율이 떨어진다. 액체 전해질을 사용하는 저온 전기화학 방식은 리튬 또는 나트륨 배터리용으로 설계된 액체에서 수소화물 이온이 잘 이동하지 않아 어려움을 겪어 왔다. 그 결과 실제 고체가 이론상 저장할 수 있는 양에 비해 용량이 훨씬 낮았다. 일본 연구팀은 수소화물 이온을 빠르게 이동시키도록 설계된 고체를 사용해 이 수송 병목을 해결했다.

새 고체 전해질의 구조

전해질은 안티 알파 AgI형 구조를 가진 수소화물 이온 전도체다. 이 구조에서는 바륨, 칼슘, 나트륨이 이온 이동 통로와 자리를 이루도록 배치된다. 수소화물 이온은 사면체 자리와 팔면체 자리 사이를 거의 저항 없이 이동할 수 있어 실온에서도 높은 이온 전도도를 보인다. 이러한 빠른 이동 덕분에 수소화마그네슘 전지가 90℃에서 작동할 수 있다.

이 소재는 높은 이동 속도뿐 아니라 전기화학적 안정성도 보인다. 고체 전해질은 액체 시스템에서 발생할 수 있는 혼합 문제와 부반응을 막는다. 고체 분리막은 수소화물 이온은 통과시키면서 수소 전극과 수소화마그네슘을 분리한다. 이 구조는 반복 가능한 충·방전을 뒷받침하고 누출이나 휘발성에 따른 안전 위험을 줄인다. 바륨, 칼슘, 나트륨의 비율을 조정해 조성을 바꿀 수 있어 전도도와 안정성, 제조성을 개선하는 연구 방향도 열려 있다.

성능과 수치의 의미

시제품은 수소화마그네슘의 이론상 최대 저장 용량인 약 2,030밀리암페어시/그램을 달성했다. 이는 중량 기준 수소 함량 7.6%에 해당한다. 이 수치는 실용적인 수소 저장 매체가 달성하기 어려운 높은 기준이다. 90℃에 가까운 온도에서 작동하는 전지로 이 수준에 도달한 것은 높은 용량과 현실적인 엔지니어링 조건을 결합했다는 점에서 중요한 진전이다.

핵심은 전해질이 실온에서 수소화물 이온을 빠르게 이동시킨다는 점이다. 따라서 전지는 에너지를 낭비하지 않으면서 수소화마그네슘의 반응 속도를 유지하는 데 필요한 만큼만 가열하면 된다. 100℃ 미만의 작동 온도에서는 수백℃가 필요한 시스템에 비해 히터와 단열재, 밀봉 부품, 안전 조치를 단순화할 수 있다. 작동 온도가 낮으면 열 통합도 쉬워진다. 연료전지 스택이나 엔진에서 나오는 폐열을 활용해 저장 전지를 작동 온도 범위에 유지할 수 있다.

실제 사용에서는 가역성이 중요하다. 연구팀은 저온에서 최대 용량으로 수소를 반복 저장하고 방출하는 데 성공했다고 보고했다. 이는 기존의 열 방식이나 액체 전해질 방식으로 달성하지 못했던 성과다. 높은 에너지 밀도와 낮은 작동 온도, 반복 가능한 충·방전을 결합함으로써 이 기술은 실험실의 흥미로운 아이디어를 넘어 차량이나 고정형 저장 장비에 적용 가능한 플랫폼으로 나아가고 있다.

차량부터 전력망 저장까지 가능한 활용 분야

도로 위에서 수소연료전지차는 작고 안전하며 가볍고 효율적인 저장 장치를 필요로 한다. 물의 끓는점 부근에서 작동하는 고체 저장 시스템은 고압 탱크의 부담을 일부 덜 수 있다. 수소 배터리 모듈은 현장에서 생산한 수소를 흡수해 충전하고, 필요할 때 기체를 방출해 연료전지 스택에 공급할 수 있다. 가역적인 고체 구조는 복잡한 극저온 또는 초고압 시스템의 필요성을 줄여 자동차와 트럭, 버스의 비용을 낮추고 공간 활용도를 높일 수 있다.

전력 부문에서도 수소 배터리는 출력이 변동하는 에너지원과 잘 맞는다. 태양광이나 풍력 발전량이 풍부할 때 전력으로 수전해 장치를 가동해 수소를 생산할 수 있다. 수소 배터리는 저압에서 기체를 흡수해 저장했다가 전력 수요가 최고조에 달하거나 재생에너지 발전량이 낮을 때 연료전지나 터빈에 공급할 수 있다. 이 방식은 대규모 탱크 시설을 설치하기 어려운 마이크로그리드와 독립형 시스템, 원격 시설에 적합하다.

산업계는 안정적이고 유연한 수소 공급을 필요로 한다. 제철과 암모니아 생산, 정유 공정은 공정을 안정적으로 유지하기 위해 일정한 공급량이 필요하다. 모듈형 고체 저장 설비는 공급과 출력의 단기 변동을 흡수하는 완충 장치가 될 수 있다. 저온 작동과 고체 구조는 극저온 저장에 비해 공장 내부 설치를 단순화하고 인허가 부담을 줄일 수 있다.

공학적 과제와 규모 확대

전지를 90℃ 부근에서 유지하는 것은 300℃에서 작동시키는 것보다 쉽지만, 여전히 열 관리가 필요하다. 설계 단계에서 추운 기후에 대비한 히터와 단열재, 제어 로직을 갖추는 한편 더운 환경에서는 과열을 방지해야 한다. 급속 충전과 방전 때 발생하는 온도 변화도 세심하게 관리해 소재의 균열이나 열화를 막아야 한다.

소재와 제조 공정도 중요하다. 전해질은 산소와 수분에 민감한 다성분 수소화물이다. 정확한 화학량론과 입자 크기, 순도를 갖춘 분말을 만들고 결함 없는 치밀한 분리막으로 성형하려면 환경 제어와 품질 관리가 필요하다. 수소화마그네슘은 물과 산소에 반응하므로 팩 설계에서 공기와 수분을 차단해야 한다. 수소화물은 충·방전 중 부피가 팽창하고 수축하므로 기계적 내구성도 검증해야 한다. 개발자들은 저항을 낮게 유지하고 수명을 늘리기 위해 코팅과 결합재, 스택 압력 제어를 연구할 예정이다.

시스템 통합에는 일반적인 수소 안전 문제가 따른다. 가스 관리 장치는 누출을 막고 안전하게 배출할 수 있어야 한다. 센서와 밸브, 조절기는 고체 저장 스택과 연동해 전체 시스템이 관련 규정과 표준을 충족하도록 해야 한다. 차량 적용 여부는 크기와 무게, 비용에 달려 있다. 고정형 용도에서는 수전해 장치부터 연료전지, 전력변환 장치에 이르는 부대 설비를 대안보다 높은 왕복 효율을 달성할 수 있도록 설계해야 한다. 장기 성능과 유지보수 요건을 확인하려면 규모를 단계적으로 키운 실증 사업이 필수적이다.

다른 저장 방식과 비교

압축 가스 시스템은 구조가 단순하지만 압축에 따른 에너지 손실이 있고 튼튼하면서도 무거운 탱크가 필요하다. 액체 수소는 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있지만 극저온 장비가 필요하며 기화 손실을 막기 위한 세심한 취급이 요구된다. 수소 배터리는 이 상충 관계를 바꾼다. 적정 수준의 열과 전기를 이용해 수소화물 이온을 이동시키고, 높은 용량의 고체에 수소를 저장한다. 극저온 장비와 초고압 용기가 필요하지 않아 안전성 검토를 단순화하고 보조 에너지 소비를 줄일 수 있다.

알라네이트나 보로하이드라이드 같은 복합 수소화물 등 다른 고체 저장 소재는 촉매가 필요한 경우가 많고, 반응 속도가 느린 데다 작동 온도도 여전히 높다. 수소화마그네슘은 가볍고 풍부하다. 이를 빠른 수소화물 이온 전도체와 결합하면 속도 제한 단계가 달라진다. 전해질이 이온 수송을 맡고, 적정 수준의 열이 수소 방출과 흡수 반응을 돕는다. 이러한 역할 분담으로 접근 가능한 온도에서 최대 용량을 구현할 수 있다.

앞으로 주목할 점

독립적인 재현 연구와 소형 실험실 전지를 넘어선 규모 확대가 다음 단계의 주요 목표다. 대형 전지와 스택에서도 같은 용량과 가역성을 보이고 수백~수천 회의 충·방전 동안 안정적으로 작동하는지 확인해야 한다. 산업계는 급속 충·방전 때의 출력 성능과 시동·정지 반복에 대한 반응, 가혹 조건에서의 안전성을 면밀히 지켜볼 전망이다.

상용화 경로는 협력 관계에 좌우되는 경우가 많다. 자동차 제조사와 에너지 개발업체, 산업용 가스 공급업체는 저장 수소 1kg당 비용과 충·방전을 포함한 시스템 에너지 효율, 유지보수 요건을 살펴볼 것이다. 전해질과 팩 하드웨어의 제조 방식이 표준화되고 충·방전 수명이 입증된다면, 수전해 장치와 수소 배터리 모듈, 연료전지를 실제 환경에서 결합하는 실증 사업으로 이어질 수 있다.

핵심 내용

• 일본 연구진이 약 90℃에서 작동하는 수소 배터리를 발표했다. 기존 수소화마그네슘 시스템에 필요했던 300~400℃보다 훨씬 낮은 온도다.
• 이 전지는 양극에 수소화마그네슘, 음극에 수소 기체를 사용하고 수소화물 이온을 빠르게 전달하는 고체 전해질을 적용했다.
• Ba0.5Ca0.35Na0.15H1.85 조성의 전해질은 실온에서 높은 이온 전도도를 구현하는 안티 알파 AgI형 구조를 갖는다.
• 시험에서 수소화마그네슘의 이론상 최대 용량인 약 2,030mAh/g을 달성했다. 이는 중량 기준 수소 함량 7.6%에 해당한다.
• 100℃ 미만의 작동 온도는 고온 시스템보다 에너지 손실을 줄이고 열 관리와 밀봉, 안전 조치를 단순화한다.
• 가역적인 충·방전 방식으로 기존 열 방식에 필요한 극한의 열 없이 수소를 반복해 저장하고 방출할 수 있다.
• 차량용 저장 모듈과 수전해 장치를 연계한 전력망 규모 에너지 저장, 산업용 완충 장치 등이 활용 분야로 꼽힌다.
• 주요 과제로는 열 관리와 공기·수분 차단, 충·방전 수명, 제조성, 시스템 통합 등이 있다.
• 연구는 도쿄과학대의 다카하시 히로세 박사가 이끌었으며, 마쓰이 나오키 조교수와 간노 료지 석좌교수가 참여했다.
• 연구 결과는 2025년 9월 18일 사이언스에 발표됐으며, 앞으로 재현과 규모 확대 시험이 진행될 예정이다.