12만 번 충전하는 '물 배터리' 나왔다…리튬이온 대체할까

중국 과학자들이 화재 위험이 없으면서 12만 회 이상 충·방전이 가능한 무독성 수성 배터리를 개발했다고 과학 전문 매체 인터레스팅엔지니어링이 최근 보도했다. 해당 연구 결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'에 발표됐다. 보도에 따르면, 홍콩 시립대학교와 중국 남방과학기술대학교 연구진은 두부 절임물에서 착안한 새로운 친환경 수성 배터리를 개발했다. 연구진은 논문을 통해 "기존 물 배터리 시스템과 비교했을 때, 저희 시스템은 중성 조건에서 탁월한 장기 사이클 안정성과 환경 친화성을 제공한다"고 주장했다. 이번 배터리는 중성이면서 무독성 전해질을 사용한 유기 전극 기반 구조를 채택했다. 연구팀에 따르면 이 두부 절임물 기반 배터리는 12만 회 이상의 충전 사이클을 견딜 수 있으며, 해수에 가까운 수준의 안전성을 갖췄다. 연구진은 “이 같은 성능은 기술의 잠재력과 실제 적용 가능성을 동시에 보여준다”고 설명했다. 이 배터리는 산성도 아니고 가연성도 없어 안전성이 높다. 해당 매체는 대량 생산이 가능할 경우, 리튬이온 배터리 등 기존 배터리 기술을 대체할 수 있는 혁신적 대안이 될 수 있다고 평가했다. 리튬이온 배터리에 비해 화재 위험, 유해 물질 없어 현재 널리 사용되는 리튬이온 배터리는 손상될 경우 높은 가연성과 함께 '열폭주' 현상을 일으킬 수 있다. 또한 폐기 과정에서 환경에 부담을 줄 수 있으며, 통상 1000~3000회 충·방전 이후부터 성능이 저하된다. 리튬이온 배터리는 소형 전자제품은 물론 전기자동차(EV)에도 광범위하게 사용되고 있는데, 특히 전기차의 경우 배터리 가연성으로 인해 수년간 다수의 화재 사고가 발생해왔다. 반면 물 기반 배터리는 본질적으로 불연성이며, 유해 물질을 거의 포함하지 않는다. 이 때문에 폐기가 상대적으로 쉽고 안전하며, 희귀하지 않은 저렴한 소재를 활용할 수 있다. 다만 전통적으로 물 배터리는 전압 한계로 인해 물이 분해되면서 성능이 제한되는 문제가 있었다. 이로 인해 충분한 사용 수명을 확보하는 데 어려움을 겪어왔다. 그러나 12만 회 이상의 충•방전 사이클을 구현한 이번 기술은 이러한 한계를 크게 뛰어넘는 성과로 평가된다. 참고로 스마트폰 배터리는 일반적으로 약 800회 충•방전 이후부터 성능 저하가 시작된다. 전기차 배터리는 1500~3000회, 우수한 LFP(리튬인산철) 기반 전력망용 배터리는 약 6000~1만 회 수준의 수명을 보인다. 확장성은 한계 배터리가 10만 이상의 충·방전 주기를 갖췄다면, 최소 10년 정도는 지속될 수 있다. 이는 태양광·풍력 발전의 출력 변동을 조절하는 전력망 안정화 분야에서 큰 가치를 지닌다. 이번 배터리 역시 해당 응용 분야를 주요 목표로 한 것으로 보인다. 이론적으로는 휴대전화 등 소형 기기에도 적용 가능하지만, 에너지 밀도가 상대적으로 낮아 장기적으로는 적합하지 않을 수 있다. 다만, 배터리 분야에서는 학계에서 혁신 기술이 꾸준히 등장하지만, 실제 상용화로 이어지는 사례는 드문 편이다. 관건은 대량 생산 가능 여부와 충분한 에너지 밀도 확보, 그리고 가격 경쟁력이다. 무엇보다 실험실을 벗어난 환경에서도 안정적으로 작동하는지 입증해야 한다는 점도 중요하다. 이러한 조건이 충족된다면, 이번 물 배터리는 재생에너지 전력망 안정화는 물론 농촌 지역 전력 공급 사업에서도 핵심 역할을 할 수 있을 것으로 전망된다. 이 밖에도 데이터센터 및 군사 시설의 백업 전원 시스템 등 다양한 분야로의 확장 가능성도 제기되고 있다고 해당 매체는 전했다.