[글로벌 배터리 대전 (32)] 중국, 수소 이온 고체 배터리 개발에 성공

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[글로벌 배터리 대전 (32)] 중국, 수소 이온 고체 배터리 개발에 성공

최봉 산업경제 전문기자

입력 : 2026.04.06 00:30

ㅣ 수정 : 2026.04.06 00:30

[기사요약]

기존 대비 최대 6배 용량 수소 이온 배터리 개발

덴드라이트 차단은 물론 저렴한 소재 활용

상용화 아직 멀지만, 배터리 전략의 치밀성 과시

21세기 4차 산업혁명 시대에 ‘산업의 쌀’인 반도체와 더불어 배터리는 가장 중요한 품목이다. 단순히 스마트 폰의 전력원을 넘어서 탄소중립을 위한 ESS(에너지저장장치)의 핵심일 뿐만 아니라 향후 UAM(Urban Air Mobility) 등 미래 모빌리티 방향을 이끌 중핵으로 부상하고 있다. 현재 글로벌 배터리 대전에서 선두는 중국의 CATL이다. 한편 기술적으로 앞서 있는 우리나라의 LG에너지솔루션, 삼성SDI 및 SK온 등의 추격을 받고 있어 글로벌 경쟁구도는 중국의 CATL, BYD 등과 우리나라 3사로 압축된다. 그러나 차세대 전고체 배터리 기술에서 앞서 있는 글로벌 3위 파나소닉 등 일본 기업도 배제할 수 없다. CATL을 필두로 국내 3사를 포함하여 세계 주요 기업들이 벌이고 있는 글로벌 배터리 대전의 양상을 살펴보고 우리 기업들의 대응 방향을 모색해 본다.

<편집자 주>

중국 연구진이 수소 음이온 고체 배터리 개발에 성공해 그 성과가 2025년 9월 「네이처」지에 실렸다. 이미지는 수소 음이온 고체 배터리가 작동하는 원리를 모사한 그림 [출처=Tech Xplore]

[뉴스투데이=곽대종 산업연구원 명예 KIET Fellow] 최근 중국의 배터리 분야 성과가 매우 주목되는 가운데 지난해 9월 중순에는 수소 이온 고체 배터리의 개발에 성공한 사실이 세계 최고 권위의 과학저널 중 하나인 「네이처」에 실렸다.

2025년 9월 17일, 중국과학원(CAS) 산하 대련화학물리연구소(DICP)의 천핑(陳平) 교수 연구팀이 세계 최초의 상온 충·방전 가능한 수소 음이온 전고체 배터리를 개발했다는 연구 결과를 「네이처」에 발표했다.

• 중국 연구진, 수소 이온 고체 배터리 개발

수소 음이온(H⁻)은 낮은 질량과 높은 산화환원 전위로 인해 차세대 전기화학 소자의 전하 운반체(charge carrier)로 오래전부터 주목받아 왔지만, 빠른 이온 전도성, 열적 안정성 및 전극 호환성을 동시에 충족하는 전해질이 존재하지 않아 실용화가 가로막혀 있었다.

연구팀이 이 난제를 돌파한 핵심 열쇠는 ‘코어-셸(core-shell)’ 구조의 복합 수소화물 전해질이다. 연구팀은 이종접합(heterojunction) 설계 개념에서 영감을 얻어 삼수소화세륨(CeH₃) 코어를 수소화바륨(BaH₂) 껍질이 감싸는 3CeH₃@BaH₂ 소재를 합성했다.

이 구조는 CeH₃의 높은 수소 음이온 전도성과 BaH₂의 견고한 구조적 안정성을 시너지로 결합해, 이전에는 단일 소재로는 달성할 수 없었던 상온에서의 빠른 이온 전도를 가능케 했다. 연구팀에 따르면 이 소재는 상온에서 빠른 H⁻ 전도를 보이며, 60℃ 이상에서는 슈퍼이온 전도체로 작동한다.

중국 연구진이 개발에 성공한 수소 음이온 고체 배터리는 이종접합된 소재에서 음이온이 방출되어 양극으로 들어가는 원리로 전류가 흐른다. [출처=NEWARE]

연구팀은 이 전해질을 바탕으로 이수소화세륨(CeH₂)을 음극, 알루민산나트륨(NaAlH₄)을 양극으로 사용한 CeH₂|3CeH₃@BaH₂|NaAlH₄ 구조의 전고체 시제품 배터리를 제작했다. NaAlH₄는 에너지 응용 분야에서 널리 쓰이는 수소 저장 소재다.

시험 결과 양극은 상온에서 초기 방전 비용량 984mAh/g을 기록했으며, 20회 충·방전 사이클 후에도 402mAh/g를 유지했다. 연구진은 일부 기존 리튬이온 배터리의 용량 대비 최대 6배에 달하는 수치라고 주장한다.

• 1.9V 전압으로 황색 LED 전구 점등에 성공

다층 적층 구조로 결합한 전압은 1.9V에 달했으며, 이를 통해 황색LED 전구를 점등하는 데 성공했다. “배터리가 전기 기기를 구동할 수 있다”는 실용 가능성을 시연한 것이다.

천핑 교수는 화학공학뉴스 「C&EN」와의 인터뷰에서 이 배터리의 독특한 특징 하나를 강조했다. 수소를 전하 운반체로 사용함으로써 리튬이온 배터리와 나트륨이온 배터리의 고질적인 문제인 금속 수지상 결정(덴드라이트) 형성에서 원천적으로 자유롭다는 점이다.

덴드라이트는 배터리 단락과 폭발 사고의 주요 원인으로서 이를 구조적으로 차단했다는 것은 안전성 측면에서 획기적인 진전이다.

소재 측면의 경제성도 주목할 대목이다. 세륨과 바륨은 리튬에 비해 상대적으로 풍부하고 가격이 안정적인 소재다.

연구자들은 이러한 수소화물 기반 소재들이 다양한 배터리 설계에 활용될 수 있는 특성을 가지고 있어, 에너지 저장, 수소 저장, 모바일용 전원 및 특수 에너지 응용 분야 등에서 광범위한 잠재력을 지닌다고 설명했다.

한편 이 연구는 지난해 「Innovation Materials」 저널에도 후속 리뷰 논문이 실리며 학계의 높은 관심을 받고 있다.

중국 연구진이 개발한 수소 음이온 고체 배터리에 연결된 LED 등이 점등에 성공했다. [출처=중국 대련화학물리연구소]

• 사이클 성능 저하, 이온전도성의 온도 의존성, 제조 공정 현실화 등 아직 해결해야 할 과제 많아..

수소 음이온 배터리가 미래 에너지 저장 혁명의 주역이 될 수 있을까. 과학계와 산업계의 기대는 크지만, 상용화까지의 여정에는 넘어야 할 기술적 장벽이 적지 않다.

먼저

사이클 성능 저하 문제

다. 현재 시제품은 20회 충·방전 사이클 후 비용량이 초기 984mAh/g에서 402mAh/g로 급락한다. 수천 회에 달하는 사이클 내구성을 갖춰야 하는 상용 전기차 배터리의 요구치와 비교하면 여전히 갈 길이 멀다.

두 번째 도전은

이온 전도성의 온도 의존성

이다. 3CeH₃@BaH₂ 전해질은 상온에서도 작동하지만, 슈퍼이온 전도 상태는 60℃ 이상에서 구현된다. 전기차 배터리는 영하 30℃에서 영상 60℃에 이르는 극한 환경에서 안정적으로 작동해야 한다.

연구팀은 이 문제를 해결하기 위한 추가 최적화 연구가 필요하다는 점을 인정하고 있다. 또한, CeH₂ 음극, NaAlH₄ 양극, 복합 전해질의 계면 안정성을 수천 회 반복 사용 환경에서 장기 검증하는 것도 핵심 과제다.

세 번째는

제조 공정의 현실화 문제

다. 현재 시제품은 아르곤 가스가 채워진 글로브박스 안에서 수작업으로 조립된다.

수분과 산소에 극도로 민감한 수소화물 소재를 대량 생산 환경에서 안정적으로 다루는 것은 전혀 다른 차원의 도전이다. 생산 비용, 소재 수급 안정성, 기존 제조 시스템과의 통합 가능성도 풀어야 할 숙제다.

중국 연구진이 개발에 성공한 수소 음이온 고체 배터리는 아직 상용화까지는 갈 길이 멀지만, 중국의 배터리 관련 기술력을 과시한 것으로 평가된다. [출처=ASF]

이 같은 과제에도 불구하고, 이 연구가 지닌 의미는 과소평가할 수 없다. 수십 년간 이론 개념에 머물렀던 수소 음이온 배터리가 처음으로 실험적 구현에 성공했다는 사실 자체가 새로운 연구 지평을 열었다.

특히 중국이 전고체 배터리 양산 직전 단계에 도달한 상황에서 한 단계 더 높은 차세대 기술 로드맵을 제시했다는 점은, 중국의 배터리 기술 전략이 얼마나 장기적이고 입체적으로 설계되어 있는지를 보여준다.

◀ 곽대종(Daejong Gwak) ▶

한국외국어대학교 경제학박사 / 산업연구원 명예 KIET Fellow / (전) 산업연구원 연구위원 / (전) 한국자동차산업협회 환경·기술분과 위원 / (전) 국가과학기술위원회 평가위원 / (전) 산자부 연구개발사업 평가위원 / (전) 규제개혁위원회 전문위원