추운 환경에서도 작동하는 수소 배터리

한때 단순한 전력원으로 여겨졌던 배터리는 오늘날 중요한 위치를 차지하고 있습니다. 세계 청정에너지 전환의 중심 우리의 미래를 형성하는 가장 빠르게 성장하는 기술 중 하나로서 말입니다.

배터리 종류 중에서 리튬 이온 배터리는 휴대전화부터 전기 자동차(EV)에 이르기까지 모든 것에 전력을 공급하는 데 가장 선호되는 선택입니다.

리튬 이온 배터리는 1990년대 초에 처음으로 상용화되었습니다.하지만 수요 이들 부문의 에너지 소비량은 지난 10년 동안 기하급수적으로 증가하여 2010년 0.5기가와트시(GWh)에서 10년 후 약 526GWh로 늘어났습니다.

초기 리튬 이온 배터리 비용 90% 감소2010년 kWh당 약 1,400달러였던 가격이 2023년 kWh당 140달러로 하락한 데다 에너지 밀도와 수명 주기 측면에서도 발전이 이루어지면서 전기 자동차 및 에너지 저장 분야에서 태양광 발전의 지배력이 더욱 강화되었습니다.

하지만 리튬 이온 전지와 같은 충전식 배터리의 큰 문제점은 추위에 약하다는 것입니다.

배터리가 추운 날씨에 제대로 작동하지 않는 이유 (그리고 엔지니어들이 해결하는 방법)

배터리는 추운 환경에서 성능이 저하됩니다. 이 이는 영하의 온도에서 내부 전기화학 반응 속도가 느려지기 때문입니다.

대부분의 배터리는 크게 세 부분으로 구성됩니다.

• 전극
• 전해질
• 분리 기호

배터리에는 두 개의 전극이 있으며, 둘 다 만든 전도성 물질로 이루어져 있습니다. 음극이라고 하는 하나의 전극은 배터리의 양극에 연결됩니다. 그리고 이건 방전 시 전류가 배터리에서 빠져나가는 전극이 양극입니다. 다른 전극은 음극이라고 하며, 방전 시 전류가 배터리로 들어가는 음극에 연결됩니다. 

두 유지된다 구분 단락을 방지하기 위해 분리기를 사용합니다. 이 전극들 사이에는 전기적으로 대전된 입자, 즉 이온을 포함하는 액체 전해질이 있습니다. 전해질은 전극을 구성하는 물질과 결합하여 화학 반응을 일으켜 배터리가 전류를 생성할 수 있도록 합니다.

In 리튬 이온 배터리의 경우일반적으로 전해액은 배터리 전극 사이에서 전하를 운반하는 입자(이온)를 이동시키는 리튬염 용액입니다. 하지만 온도가 낮아지면 이온의 이동 속도가 느려져 전극과 제대로 상호작용하지 못하게 되므로, 배터리가 방전되기 전에 생성할 수 있는 전류량이 줄어듭니다. 

또한, 전극에 리튬이 과도하게 침착되면 단락이 발생하여 화재로 이어질 수 있습니다.

따라서 추운 날씨는 배터리 수명에 심각한 영향을 미칩니다. 배터리의 효율성과 사용 가능한 용량 모두에 영향을 줍니다. 감소된다 상당히. 작년 AAA 설문조사에 따르면. 보여 겨울철 주행거리 감소와 충전 속도 저하에 대한 우려가 전기차 보급 둔화에 영향을 미치고 있다는 분석이 나왔습니다.

이 문제를 극복하기 위해 전 세계 기업들은 새롭고 더 나은 배터리 화학 기술 개발에 힘쓰고 있습니다. 

예를 들어, 중국 배터리 대기업 CATL 이 회사는 영하 40도까지 방전이 가능하고 안전 조치가 강화된 2세대 나트륨 이온 배터리를 발표했으며, 에너지 밀도는 킬로그램당 200와트시를 넘어서는 것을 목표로 합니다. 

나트륨 이온 배터리는 리튬 이온 배터리보다 안전하고 저온에 강하다고 알려져 있지만, 에너지 밀도가 낮고 생산 비용이 더 높습니다.

한편, 미시간 대학교 엔지니어들은 수정된 제조 공정을 개발했습니다.¹ 전기차 배터리가 추운 날씨에도 장거리 주행과 고속 충전을 가능하게 하기 위함입니다.

연구팀은 양극에 50마이크로미터 크기의 통로를 만들고, 리튬 붕산염-탄산염으로 구성된 20나노미터 두께의 유리질 소재 코팅을 적용하여 배터리 전극에 리튬이 석출되는 것을 방지했습니다. 이러한 방식으로 제작된 리튬 이온 전기차 배터리는 영하 10°C(14°F)에서 500% 더 빠르게 충전할 수 있으며, 이러한 저온에서 100회 고속 충전 후에도 용량의 97%를 유지합니다.

"우리는 처음으로 리튬 이온 배터리의 에너지 밀도를 희생하지 않고 저온에서 초고속 충전을 동시에 달성할 수 있는 방법을 제시했습니다."

– 공동 저자 닐 다스굽타, 미시간 대학교 기계공학 및 재료과학 공학 부교수

기타 전해질 조성 최적화 및 양극 재료 수정, 건물 특수 배터리 기술두꺼운 단열재와 내장형 히터를 통합하여 제안합니다. 온도 제어 스마트 충전²글렌데일 예측 제어 알고리즘을 제시합니다³ 배터리 온도를 조절하는 등의 해결책이 있습니다.

추운 날씨에 배터리가 직면하는 문제를 해결하기 위해 재료, 전해질 및 기타 기술 분야에서 지속적인 발전이 이루어지고 있는 가운데, 과학자들은 수소 기반 배터리와 같은 대체 에너지 저장 시스템도 연구하고 있습니다.

수소 배터리: 작동 원리와 중요성

수소는 연료 전지에서 사용될 때 물만 생성하는 청정 에너지원입니다. 또한 다른 에너지원에서 생성된 에너지를 저장하고 전달할 수 있는 에너지 운반체입니다.

우주에서 가장 풍부한 화학 원소인 수소는 천연가스, 바이오매스, 원자력뿐만 아니라 풍력 및 태양열과 같은 재생 가능한 에너지원에서도 생산될 수 있습니다.

이 무색, 무취의 인화성이 매우 높은 기체는 물과 모든 유기 화합물의 주요 구성 요소이기도 합니다.
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수소는 실제로 태양의 핵심 구성 요소입니다. 변환됩니다 태양은 핵융합 과정을 통해 중심부에서 에너지를 생성합니다. 엄청난 압력과 열 속에서 수소 원자가 융합하여 헬륨을 형성하고, 이 과정에서 막대한 양의 에너지가 방출됩니다. 이 에너지는 태양의 여러 층을 통해 바깥쪽으로 이동하여 빛과 열의 형태로 우주 공간으로 방출됩니다. 

지구상에서, 수소는 매력적인 연료 옵션입니다. 또한 리튬 이온 배터리에 비해 배터리 수명이 더 깁니다. 

뉴사우스웨일스대학교(UNSW) 연구진은 수소 배터리 저장 시스템과 리튬 이온 배터리의 기술적 및 재정적 성능을 평가하기 위해 연구를 진행했습니다. 평가⁴ 시중에 판매되는 두 가지 시스템인 LAVO와 테슬라 파워월 2를 비교한 결과, LAVO에서 에너지 손실이 더 큰 것으로 나타났습니다. 

하지만 수소 배터리는 발견되었다 리튬 이온 배터리보다 용량 저하가 적고 에너지 밀도가 높아 더 오랫동안 더 많은 에너지를 저장할 수 있습니다. 리튬 이온 배터리보다 충방전 사이클을 18% 더 오래 견딜 수 있어 "장시간 에너지 저장이 필요한 원격 애플리케이션에 적합합니다."

중국과학기술대학교(USTC)의 별도 연구 결과 새로운 화학 배터리 시스템을 개발했습니다.⁵ 배터리 구동 시스템의 더욱 안전하고 지속 가능한 미래를 위해.

현재 수소 기반 배터리는 H2를 음극으로 사용하기 때문에 전압 범위와 에너지 저장 용량에 한계가 있지만, USTC 연구팀은 H2를 음극으로 활용하는 방안을 제안했습니다. 연구팀은 리튬 음극, 고체 전해질, 그리고 백금 코팅 가스 확산층을 수소 음극으로 사용하는 시제품을 개발했습니다.

연구팀은 리튬-수소 배터리 구성에서 이론적으로 최대 2,825 Wh/kg의 비에너지, 약 3V의 방전 전압, 그리고 99.7%의 왕복 효율을 달성했다고 보고했습니다. 이는 상당한 잠재력을 시사하지만, 2,825 Wh/kg이라는 수치는 실제 배터리 팩 수준에서 측정된 값은 아닙니다.

비용 효율성을 높이기 위해 연구팀은 음극이 없는 리튬-수소 배터리를 제작했습니다. 여기서는 리튬 증착이 진행됩니다. 출처는 다음과 같습니다. 충전 중 리튬염으로부터 수소를 추출합니다. 개선된 버전은 효율적인 리튬 도금 및 탈착을 가능하게 하며 낮은 수소 농도에서도 안정적으로 작동하여 고압 수소 저장에 대한 의존도를 줄입니다.

일반 니켈-수소 배터리와 비교했을 때, 리튬-수소 시스템은 향상된 에너지 밀도와 효율성을 제공하여 향후 리튬-수소 배터리 기술 응용 분야에 대한 연구를 가능하게 합니다.

청정에너지 저장 수단으로서 수소는 많은 장점을 가지고 있지만, 저장하는 것 자체는 쉽지 않습니다. 실제로 저장 문제는 수소 활용에 있어 가장 큰 과제 중 하나입니다.

저온 수소 저장의 가능성을 열어주는 바륨-칼슘-나트륨 수소화물 전해질

수소를 저장하려면 극저온(-252.8°C) 또는 고압(350~700bar), 혹은 이 둘 모두가 필요합니다. 고체 상태로 저장하면 고압 가스 탱크와 관련된 안전 위험을 피할 수 있지만, 저온 환경에서는 재료적 한계에 부딪힙니다.

이 문제를 해결하기 위해 도쿄과학연구소(Science Tokyo)의 연구진은 수소화 이온 매개 전기화학적 수소 저장법을 연구했고, 그 결과 다음과 같은 성과를 거두었습니다. 유망한 수소화 이온 전도성 고체 전해질을 발견하다⁶ 바륨, 칼슘 및 나트륨 수소화물 시스템에서 유래합니다.

크기가 다른 이온들을 결합하면 초이온 전도성을 나타낸다는 보고가 있었고, 연구진은 바로 이 점을 추구하기 위해 연구를 진행했습니다. 결합하게 되었습니다 이온 구성: BaH2-CaH2-NaH.

그 결과 얻어진 고체 전해질인 anti–α-AgI–형 Ba0.5Ca0.35Na0.15H1.85는 탁월한 전기화학적 안정성과 수소화 이온(H–) 전도도를 지닌다. 

그 전기화학적 안정성 덕분에 다양한 금속 수소화물 전극과 유연하게 결합할 수 있다는 점이 주목할 만합니다. 따라서 이 전해질은 티타늄 수소화물 및 마그네슘 수소화물(MgH2)과 같은 여러 금속 수소 전극과 잘 작동하여 저온에서 고용량, 가역적 수소 저장을 가능하게 합니다.

초기 실험에서 연구진은 전해질이 존재하는 시스템에서 전해질의 성능을 테스트했습니다. 놓다 TiH2(이수소이티타늄) 사이에 is 티타늄과 수소의 화합물) 및 티타늄 기준 전극, 만큼 잘 아세틸렌 블랙과 몰리브덴 전류 집전체. 

이 이를 통해 연구원들은 고체 전해질의 안정적인 전위 범위를 찾을 수 있었는데, 이것이 최적의 조건입니다. 적 보도했다.

높은 H– 전도도 또한보고되었습니다 연구진에 따르면 이는 전해질의 체심 입방(bcc) 구조 때문이었습니다. 이 구조는 충진 밀도가 낮아 "이온 수송을 위한 열린 경로"를 제공합니다. 또한 골격 내의 높은 극성을 띠는 양이온도 높은 이온 전도도의 원인이었습니다.

그런 다음 연구진은 전해질의 수소 저장 능력을 테스트하기 위해 MgH2를 사용하여 전지를 제작했습니다.

MgH2는 높은 저장 용량과 저렴한 비용 때문에 수소 저장 물질로 연구되고 있는 화학 화합물입니다. 이 재료는 통합될 수 있습니다. 수소를 저장하고 충전 및 방전 중에 방출하는 배터리와 유사한 시스템으로 변환하는 것입니다. 그러나 그 사용에는 한계가 있습니다. 제한되어 있다 바람직하지 않은 부반응, 불량한 수소 흡수 및 탈착 역전, 그리고 300°C 이상의 고온이 필요하다는 점 때문에 한계가 있다.

하지만 연구진은 Mg-H2 전지를 수소 저장 장치로 작동시키는 데 성공했으며, 90°C에서 2,030mAh/g의 용량을 보여주었습니다.

300~400°C에서 약 90°C까지: 실용적인 저온 수소 배터리

도쿄과학원 연구진이 개발한 새로운 수소 배터리는 기존 방식의 낮은 용량과 높은 작동 온도라는 한계를 극복했습니다. 기존 방식은 300~400°C(572~752°F)의 고온에서 작동해야 했습니다. 필요하다 현재의 고체 수소 저장 방식에서 이 배터리는 90°C(194°F)에서 작동합니다.

이 배터리는 수소화 이온이 고체 전해질을 통해 이동하는 방식으로 작동하며, 이를 통해 수소화마그네슘(MgH2)은 수소를 반복적으로 저장하고 방출하여 최대 용량을 유지할 수 있습니다.

이번 개발을 통해 연구진은 수소 연료를 저장하는 실용적인 방법을 제시하며, 수소 연료 차량과 청정 에너지 시스템의 발전을 위한 길을 열었습니다.

"우리는 Mg-H2 배터리가 안전하고 효율적인 수소 에너지 저장 장치로서 고용량, 저온 작동, 가역적인 수소 가스 흡수 및 방출을 구현함을 입증했습니다."

- 마쓰이 나오키 조교수

고체 전해질을 사용하는 수소 배터리는 이미 존재하지만, 높은 작동 온도가 필요합니다. 그러나 새로운 수소 배터리는 고체 전해질인 Ba0.5Ca0.35Na0.15H1.85 덕분에 상온에서 MgH2 양극의 이론적 저장 용량을 최대한 활용하고 높은 이온 전도도를 달성할 수 있습니다.

바륨(Ba), 칼슘(Ca), 수소화나트륨(NaH)으로 구성된 이 전해질은 수소화 이온(H–)을 이동시킬 수 있습니다. 효율적으로.

이 물질은 초이온 전도성으로 알려진 결정 구조(안티-α-AgI형)를 가지고 있습니다. 이 구조에서 Ba, Ca, Na는 체심 위치를 차지하고, 수소화 이온은 면 공유 팔면체 및 사면체 위치를 통해 자유롭게 이동할 수 있습니다. 

이 새로운 배터리는 리튬 이온 배터리와 유사하게 작동하지만, 전해질을 통해 양전하를 띤 이온을 이동시키는 대신 음전하를 띠고 결정 구조를 통과할 수 있는 수소화 이온을 사용합니다.

이 배터리는 양극으로 수소화마그네슘(MgH2)을, 음극으로 수소 가스(H2)를 사용합니다. 

충전 과정에서 MgH2 양극은 수소화 이온을 방출하고, 이 이온은 새로운 전해질을 통해 음극으로 이동하여 산화되면서 수소 가스를 방출합니다.

방전 시에는 과정이 역전됩니다. 밸리 음극에서의 수소 가스 줄어들었다 수소화 이온으로, 화학 반응을 통해 전해질을 거쳐 양극으로 이동한 후, Mg와 반응하여 MgH2를 형성합니다. 산화환원 반응(레독스 반응)으로 인해 음전하를 띤 양극은 전자를 잃고, 이 전자는 외부 회로를 통해 양전하를 띤 음극으로 흘러가 연결된 시스템에 전력을 공급합니다.

이 고체 전지가 저장할 수 있도록 합니다 만큼 잘 물의 끓는점 바로 아래 온도에서 필요할 때 수소를 방출합니다.

연구진은 이 전지를 사용하여 반복적인 사이클을 통해 MgH2의 이론적 저장 용량을 완전히 확보했습니다. 그램당 2,030mAh의 용량은 리튬 이온 배터리보다 훨씬 높습니다. 사이 154 그램당 203mAh.

"저희 수소 저장 배터리의 이러한 특성은 기존의 열 방식이나 액체 전해질로는 달성할 수 없었던 것으로, 에너지 운반체로 사용하기에 적합한 효율적인 수소 저장 시스템의 기반을 제공합니다."

- 이번 연구의 주저자이자 부교수인 히로세 다카시 in 교토대학교 화학연구소(ICR)

이 배터리는 아직 일상생활용품에 바로 사용할 수 있는 상태는 아니지만, 하는 수소 에너지를 기존보다 훨씬 낮은 온도에서 저장하는 기술의 획기적인 발전, 포장 보다 효율적이고 간편한 수소 저장 방식. 

이 수소 배터리가 대체될 수 있습니다. 전에, 무겁고 성능이 저하되는 리튬 이온 배터리 얼굴이 줄어들었다 전기차의 시간 경과에 따른 효율성.

더욱이, 이 새로운 배터리 설계는 고압 시스템, 극한의 냉각 또는 높은 작동 온도 없이 수소를 저장할 수 있도록 함으로써 수소를 친환경 에너지원으로 활용하는 것을 지원하고 친환경 에너지로의 전환을 가속화할 수 있습니다.

연구진은 이제 이온 전도도가 더 높은 고체 전해질 및 전극 재료를 개발할 계획입니다. 또한 작동 온도를 낮추고 에너지 효율을 향상시킨 장치 설계에도 힘쓸 것입니다.

수소 배터리 기술에 투자하기

블룸에너지 코퍼레이션 (BE ) 이 회사는 고체산화물 연료전지(SOFC)의 설계 및 제조에 주력하고 있습니다. 이 회사의 연료전지 시스템은 반도체 제조, 데이터 센터, 대규모 공공시설 및 기타 분야에 현장 전력 생산을 제공합니다. 전 세계적으로 1,200개 이상의 설치 사례를 통해 총 1.5GW의 발전 용량을 공급해 왔습니다. 

이 회사는 수소 생산용 블룸 전해조와 전기 생산용 블룸 에너지 서버, 이렇게 두 가지 제품을 보유하고 있습니다.

Bloom의 시장 실적을 살펴보면, 올해 들어 엄청난 상승세를 보였습니다. 연초 대비 391% 상승한 BE 주가는 이번 달에 사상 최고가인 125.75달러를 기록했습니다. 현재 주당순이익(EPS, 최근 12개월 기준)은 0.11달러, 주가수익비율(PER, 최근 12개월 기준)은 1,013.28배입니다.

블룸의 재무 상태를 살펴보면, 2025년 2분기 매출은 4억 120만 달러로 전년 동기 대비 19.5% 증가했습니다. 매출총이익률은 26.7%, 비GAAP 기준 매출총이익률은 28.2%였으며, 영업손실은 350만 달러였습니다.

"인공지능(AI)의 급속한 성장으로 현장 전력 공급의 필요성이 점점 더 명확해짐에 따라 Bloom 제품에 대한 시장 수요는 그 어느 때보다 높아졌습니다. 다른 대안들과 달리 Bloom 제품은 디지털 혁명을 위해 특별히 설계되었습니다."

– 창립자 겸 CEO KR Sridhar

오라클과 협력하여 AI 데이터 센터에 현장 전력을 공급한 블룸 에너지(Bloom Energy)는 이제 다음과 파트너십을 맺었습니다. 브룩 필드 (뉴욕증권거래소: BAM)은 연료전지 기술 도입을 위해 최대 5억 달러를 투자할 예정입니다. 두 회사는 함께 "대규모 AI 구동을 위한 새로운 청사진을 만들고 있습니다."

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맺음말

리튬 이온 배터리는 높은 에너지 효율, 높은 에너지 밀도, 그리고 긴 수명 덕분에 전기 자동차뿐 아니라 에너지 저장 장치에도 널리 사용되고 있습니다. 하지만 추운 날씨는 이러한 배터리에 큰 어려움을 초래하며, 용량과 효율 저하를 야기합니다. 

전 세계 과학자들과 기업들이 차세대 배터리 설계를 발전시키면서 수소는 미래의 에너지 운반체이자 연료로서 주목받고 있습니다.

고체 전해질을 사용하는 새로운 수소 배터리는 기존 모델보다 4배 낮은 극저온에서도 수소를 저장하고 방출할 수 있다는 점에서 획기적인 발전을 이루었습니다. 안정적인 작동과 최대 이론 용량 구현을 가능하게 하는 이 혁신은 전기차용으로 더욱 밀도가 높고 수명이 긴 배터리를 개발하는 데 기여하여 극한 기후 조건에서의 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다.

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참조 :

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2. 루안, G., & 달레, 매사추세츠(2025). 추운 기후에서 전기차를 위한 온도 조절 스마트 충전 시스템. arXiv. https://doi.org/10.48550/arXiv.2501.01105
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5. Liu, Z., Ma, Y., Khan, NA, Jiang, T., Zhu, Z., Li, K., Zhang, K., Liu, S., Xie, Z., Yuan, Y., Wang, M., Zheng, X., Sun, J., Wang, W., Meng, Y., Xu, Y., Chuai, M., Yang, J., & Chen, W. (2025). 충전식 리튬-수소 가스 배터리. Angewandte Chemie International Edition, 64(7), e202419663. https://doi.org/10.1002/anie.202419663
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