리튬은 비켜라: 알루미늄과 황 배터리가 에너지 혁명을 일으키다

2024년 1월, Nature Communications 연구에서 85°C에서 작동하는 알루미늄-황 배터리가 용융 클로로알루미네이트 전해질을 사용하여 1C에서 1,400회 사이클 후에도 85.4%의 용량을 유지했다고 보고했습니다.
스탠포드의 2015년 알루미늄 이온 배터리 프로토타입은 알루미늄 음극과 흑연 양극을 사용하여 초고속 충전(약 1분)과 약 2V에서 7,500회 이상의 사이클을 가능하게 했습니다.
2014년 Phinergy는 알루미늄-공기 배터리를 사용해 약 1,100마일을 주행할 수 있는 자동차를 시연했습니다.
알루미늄-공기 배터리는 리튬이온 배터리보다 무게당 약 3배의 에너지 밀도를 제공합니다.
2023년 1월 Argonne 국립연구소는 셔틀 효과를 거의 제거하고 700회 이상의 사이클을 가능하게 하는 레독스 활성 중간층을 적용한 Li–S 전지를 시연했습니다.
리튬-황 전지는 실험실에서 약 400–500 Wh/kg의 에너지 밀도를 보여주었으며, NASA의 SABERS 프로젝트는 전기 항공을 위해 약 500 Wh/kg을 목표로 하고 있습니다.
2022년 8월 MIT의 Donald Sadoway는 알루미늄 음극과 황 양극을 사용하고, 저비용·안전한 작동을 위해 용융염 전해질을 적용한 알루미늄-황 배터리를 발표했습니다.
2024년 10월 Lyten은 네바다에 세계 최초의 Li–S 배터리 기가팩토리를 건설할 계획을 발표했으며, 2027년까지 연간 10GWh 생산을 목표로 하고 있습니다.
2025년 3월 Theion은 결정성 황 Li–S 전지를 대량생산하기 위해 1,500만 유로를 조달했으며, Li-ion 대비 3배의 에너지 밀도, 1/3의 비용, 1/3의 CO₂ 배출을 주장하며, 코인셀에서 대형 파우치셀로 확장할 계획입니다.
2023년 Phinergy와 인도석유공사는 인도 최초의 알루미늄-공기 자동차를 선보이며 시장 내 상용화 가능성을 시사했습니다.

일반 알루미늄 호일과 황 가루로 만든 배터리가 오늘날 비용의 일부로 가정부터 전기차까지 모든 것을 구동하는 모습을 상상해보세요. 알루미늄 및 황 기반 배터리는 기존 리튬이온 전지의 유망한 대안으로 부상하고 있으며, 더 저렴하고, 더 안전하며, 더 지속 가능한 에너지 저장의 매력적인 가능성을 제공합니다. 이 보고서에서는 이러한 알루미늄 및 황 배터리가 무엇인지, 어떻게 작동하는지, 개발 중인 다양한 유형(알루미늄과황의 흥미로운 조합 포함), 장점과 과제, 혁신을 이끄는 주요 기업, 그리고 2024~2025년의 최근 혁신이 청정 에너지와 전기차를 어떻게 변화시킬 수 있는지 살펴봅니다.(모든 출처는 신뢰성을 위해 인용되었습니다.)

알루미늄 및 황 배터리란?

알루미늄 배터리와 황 배터리는 오늘날 리튬이온 배터리의 한계를 극복하기 위해 고안된 차세대 충전식 배터리 기술의 두 가지 큰 범주를 나타냅니다. 간단히 말해, 이들은 리튬 기반 화학에만 의존하는 대신 전기화학 반응에 알루미늄 또는 황(또는 둘 다)을 사용합니다. 모든 배터리와 마찬가지로 이들 역시 양극(양전극), 음극(음전극), 그리고 충·방전 시 이온을 전달하는 전해질의 세 가지 주요 부품으로 구성됩니다. 핵심 차이는 화학 반응에 있습니다. 알루미늄 배터리에서는 금속 알루미늄이 종종 음극 역할(일부 설계에서는 전하 운반 이온도 제공) 을 하며, 황 배터리에서는 황이 일반적으로 금속 음극(리튬 또는 나트륨 등)에서 이온을 받아들이는 양극 물질로 사용됩니다.

왜 알루미늄이나 황을 탐구할까? 두 원소 모두 리튬이온 전지에 사용되는 리튬과 코발트에 비해 매우 풍부하고 저렴하다. 알루미늄은 지각에서 가장 풍부한 금속이며, 매우 높은 이론적 저장 용량을 가지고 있다(각 Al 원자는 3개의 전자를 방출할 수 있어, 그 충전 용량이 그램당 2.98Ah에 달하는데, 이는 엄청난 수치다) nature.com. 황은 가장 저렴한 비금속 원소 중 하나(종종 석유 정제의 부산물)이며, 원자당 두 개의 리튬 이온과 결합할 수 있어 매우 높은 에너지 저장 가능성을 제공한다 nature.com, anl.gov. 원칙적으로, 알루미늄이나 황을 사용하는 배터리는 동일한 무게에서 더 많은 에너지를 저장할 수 있고, 오늘날의 리튬이온 배터리 팩보다 훨씬 저렴할 수 있다. 아르곤 국립연구소의 연구자들은 다음과 같이 설명한다. “황은 매우 풍부하고 비용 효율적이며, 기존의 이온 기반 배터리보다 더 많은 에너지를 저장할 수 있다.” anl.gov 마찬가지로, 알루미늄은 저렴하고 널리 구할 수 있으며, 무게와 부피 모두에서 높은 밀도로 전하를 저장한다nature.com.

또 다른 큰 동기는 안전성과 지속 가능성이다. 리튬이온 배터리는 가연성 유기 액체 전해질을 사용하며, 종종 희귀 금속(코발트, 니켈, 리튬 등)을 필요로 해 공급망 및 윤리적 문제를 야기한다. 반면, 많은 알루미늄 및 황 배터리 설계는 비가연성 전해질(이온성 액체나 용융염 등)을 사용할 수 있고, 분쟁 광물을 피할 수 있다. 예를 들어, 최근의 리튬-황 배터리 설계는 “니켈, 코발트, 망간, 흑연과 같은 광산에서 채굴된 광물이 필요 없는, 풍부하게 구할 수 있는 지역 소재만을 사용한다”고 배터리 스타트업 Lyten은 설명한다 lyten.com. MIT의 Donald Sadoway 교수(저명한 배터리 혁신가)는 명시적으로 “저렴하고 지구에 풍부한” 재료를 찾아 “리튬이온보다 훨씬 나은” 무언가를 발명하려고 했으며, 최신 배터리 화학에서 양극에 알루미늄, 음극에 황을 선택했다 news.mit.edu.

요약하면, 알루미늄 및 황 배터리는 더 저렴하고, 더 안전하며, 더 윤리적인 배터리를 만들기 위한 시도이며, 풍부하고(글로벌 공급난 없음), 저렴하며, 본질적으로 고용량인 원소를 사용한다. 이제 이러한 배터리가 실제로 어떻게 작동하는지와 개발 중인 다양한 유형을 살펴보자.

어떻게 작동할까? (배터리 기초를 쉽게 설명)

알루미늄 기반 배터리는 일반적으로 알루미늄 금속을 음극으로 사용합니다. 배터리가 방전될 때, 알루미늄 금속은 전자를 내놓고(전류를 생성) 알루미늄 이온(Al³⁺)을 방출하는데, 이 이온들은 전해질을 통해 양극으로 이동합니다. 배터리 종류에 따라, 이 알루미늄 이온들은 양극 물질에 삽입(삽입 반응)되거나 반응합니다. 예를 들어, 알루미늄-이온 배터리에서는 Al³⁺ 이온이 층상 양극(흑연이나 금속 산화물 등)으로 이동했다가 충전 시 다시 빠져나옵니다 news.stanford.edu. 알루미늄-황 배터리에서는 알루미늄 이온이 방전 시 양극의 황과 반응하여 알루미늄-황 화합물을 만들고, 충전 시 다시 알루미늄 금속으로 돌아갑니다 nature.com. 그리고 알루미늄-공기 배터리에서는 알루미늄 금속이 특수 양극에서 공기 중 산소와 반응하여 알루미늄 산화물 또는 수산화물을 생성하며, 이 반응이 알루미늄 음극이 소모될 때까지 전기를 방출합니다.

황 기반 배터리는 보통 황 양극과 금속 음극(가장 흔한 것은 리튬, 하지만 나트륨, 마그네슘, 알루미늄도 사용 가능)이 짝을 이룹니다. 리튬-황(Li-S)을 예로 들면, 방전 시 음극의 리튬 금속 원자가 전자를 내놓고 리튬 이온(Li⁺)이 되어 전해질을 통해 황 양극으로 이동합니다. 그곳의 황(S₈ 분자)은 리튬 이온을 받아들여 리튬 황화물(Li₂S)로 변환됩니다. 즉, 황이 리튬 이온과 전자를 흡수해 새로운 화합물을 만들며, 화학 결합에 에너지를 저장합니다. 충전 시에는 이 과정이 반대로 진행되어 리튬 이온이 황에서 빠져나와 음극으로 돌아가고, 황이 재생됩니다. 각 황 원자가 두 개의 리튬 원자와 결합할 수 있고, S₈ 고리가 다양한 리튬 폴리설파이드 분자로 분해될 수 있기 때문에, Li-S 배터리는 이론적으로 무게당 3~5배 더 많은 에너지를 저장할 수 있습니다. 나트륨-황(Na-S) 배터리도 유사하게 나트륨 이온이 작용하며, 보통 나트륨 폴리설파이드 또는 나트륨 황화물을 형성합니다.

이 모든 배터리에서, 이온이 전해질을 통해 앞뒤로 이동하고, 전자는 외부 회로를 통해 흐릅니다. 이것이 배터리가 충전 및 방전되는 방식입니다. 전해질은 이온이 이동할 수 있게 해주지만, 전자는 반드시 회로를 통해 흐르게 하여(기기를 작동시킴) 분리합니다. 중요한 점은, 이러한 새로운 화학 시스템 중 일부는 작동을 위해 특수 전해질이 필요하다는 것입니다. 알루미늄-이온 배터리는 이온성 액체 또는 용융염 전해질에 의존하는 경우가 많은데, Al³⁺ 이온이 일반 용매와 강하게 상호작용하기 때문입니다. 실제로, 초기의 충전식 알루미늄 배터리는 연구자들이 알루미늄 이온이 흑연 양극에 효율적으로 드나들 수 있게 해주는 상온 이온성 액체(클로로알루미네이트 염 기반)을 발견하면서 비로소 실현 가능해졌습니다 news.stanford.edu. 마찬가지로, 리튬-황 배터리도 황이 전해질로 새어나오는 문제 등을 막기 위해 종종 개량된 액체 전해질이나 고체 전해질을 사용합니다.

간단히 요약하자면: 알루미늄 배터리는 알루미늄 금속이 원자당 여러 개의 전자를 방출(금속 원자당 매우 높은 전하량)하고, 호스트 양극 또는 산소/황과 결합을 형성함으로써 에너지를 생성합니다. 반면, 황 배터리는 가볍고 풍부한 원소(황)가 금속 이온과 전자를 에너지 밀도가 높은 화합물로 포획함으로써 에너지를 생성합니다. 두 설계 모두 현재 배터리의 단일 리튬 이온 이동을 넘어, 충전당 더 강력한 성능을 낼 수 있는 가능성을 보여줍니다. 다음으로, 개발 중인 이러한 배터리의 구체적인 종류를 살펴보겠습니다.

알루미늄 기반 배터리의 종류

연구자들은 알루미늄을 다양한 방식으로 활용하는 여러 종류의 배터리를 탐구하고 있습니다:

충전식 알루미늄 이온 배터리(Al-Ion): 이 배터리는 양극으로 알루미늄 금속을 사용하고, 일반적으로 흑연성 음극과 특수 이온성 액체 전해질을 사용합니다. 2015년 스탠퍼드 대학교에서 나온 유명한 초기 사례에서는, 과학자들이 알루미늄 양극과 흑연 음극, 이온성 액체를 사용한 알루미늄 이온 배터리 프로토타입을 선보였습니다. 이 배터리는 초고속 충전(작은 셀은 약 1분 만에 충전 가능!)과 매우 긴 수명(용량 손실 없이 7,500회 이상 충·방전 가능)을 보여주었습니다 news.stanford.edu. 스탠퍼드 셀은 또한 매우 안전하여, 연구진이 파우치 셀에 구멍을 뚫어도 리튬 셀과 달리 불이 붙지 않았습니다 news.stanford.edu. 하지만 전압이 낮았는데(약 2볼트, 일반 리튬 이온 셀의 절반 수준) news.stanford.edu, 실용적인 전압을 얻으려면 더 많은 셀을 직렬로 연결해야 했습니다. 핵심 매력: Al-Ion 배터리는 빠른 충전, 긴 수명, 향상된 안전성(화재 위험이 있는 부품 없음), 저렴한 소재(알루미늄과 탄소) 사용을 약속합니다 news.stanford.edu. 현재 연구는 전압과 용량을 높이기 위해 더 나은 음극과 전해질을 찾아 에너지 밀도를 높이는 데 집중하고 있습니다 news.stanford.edu. 전 세계 여러 연구팀(스탠퍼드부터 중국 대학까지 news.mit.edu)이 알루미늄 이온 기술을 발전시키고 있습니다. 예를 들어, 연구자들은 알루미늄 이온을 더 효과적으로 저장하기 위해 다양한 음극 소재(금속 황화물까지 포함하여 nature.com)를 조사하고 있습니다 nature.com.
알루미늄-공기 배터리: 알루미늄-공기 배터리는 1차 전지(전기로 재충전할 수 없지만, 기계적으로 “연료 보충”이 가능할 수 있음)로, 알루미늄 금속이 공기 중 산소와 반응하여 전기를 생성합니다. 이 전지는 놀라울 정도로 높은 에너지 밀도를 가지는데, 그 이유는 양극이 단순히 주변 공기이기 때문에 배터리가 매우 가볍기 때문입니다. 실제로 알루미늄-공기 팩은 시스템 수준에서 리튬이온 배터리보다 약 3배 더 높은 중량당 에너지를 가질 수 있습니다 evreporter.com. 단점은 알루미늄 음극이 산화되어 수산화알루미늄 또는 산화알루미늄이 되면 셀이 “소모”되어 계속 사용하려면 새로운 알루미늄이 필요하다는 점입니다. 이 때문에 알루미늄-공기 배터리는 연료전지나 주행거리 연장기와 더 비슷합니다: 충전하는 대신 새 알루미늄 판을 교체(사용한 것은 재활용)하는 방식입니다. 이스라엘의 Phinergy와 같은 기업들은 수년간 알루미늄-공기 시스템을 선도해왔습니다. 인도 석유공사와 협력하여, 전기차와 고정형 백업 유닛에 알루미늄-공기 배터리를 시범 적용하고 있습니다. 2023년에는 인도에서 알루미늄-공기 셀로 500km 이상 주행한 소형 전기차를 시연했습니다. 이 차량은 알루미늄 “연료 보충”이 필요할 때까지 주행했습니다evreporter.com. Phinergy의 CEO David Mayer는 알루미늄-공기 기술이 “안전하고, 인화성이 없으며,” 무거운 충전 인프라가 필요 없고, (알루미늄 교체로) “몇 분 만에” 재충전이 가능하다고 언급합니다. 이는 몇 시간씩 걸리는 충전과는 다릅니다 evreporter.com. 단점은 알루미늄 판을 대량 생산하고 재활용할 전체 공급망을 구축해야 한다는 점입니다. 그럼에도 불구하고 이 기술은 이미 틈새 시장에서 상용화되었습니다: 예를 들어, Phinergy의 알루미늄-공기 유닛은 이스라엘과 유럽의 통신탑 백업 전원(디젤 발전기 대체)으로 사용되고 있습니다 evreporter.com. 알루미늄-공기 배터리는 휴대폰의 충전식 배터리를 직접 대체하지는 못하겠지만, EV의 주행거리 연장기 또는 장기 저장용으로 활용되어, 주기적으로 교체하는 대용량 에너지 저장원 역할을 할 수 있습니다.
알루미늄-황 배터리: 흥미롭게도, 일부 연구자들은 알루미늄을 그리고 황을 하나의 배터리에서 결합하고 있습니다. 알루미늄을 음극으로, 황을 양극으로 사용하며, 전해질로는 용융염 또는 이온성 액체를 사용합니다. 이 하이브리드 접근법은 두 원소의 장점을 모두 활용하려는 시도입니다: 알루미늄의 높은 음극 용량과 황의 높은 양극 용량, 모두 믿을 수 없을 만큼 저렴한 재료로. 2022년 8월, MIT의 도널드 새도웨이(Donald Sadoway)가 이끄는 팀은 저렴한 비용과 성능으로 즉시 주목받은 새로운 알루미늄-황 배터리 설계를 공개했습니다. 이 배터리는 용융 클로로-알루미네이트 염을 전해질로 사용하며, 염을 액체 상태로 유지하기 위해 적당한 온도(약 110°C, 뜨거운 커피 한 잔과 비슷한 온도)에서 작동합니다 news.mit.edu. 가열된 전해질은 영리한 선택이었습니다. 불연성이고 저렴할 뿐만 아니라, 덴드라이트 형성도 방지했습니다. 덴드라이트는 배터리를 단락시킬 수 있는 성가신 금속 돌기입니다. 새도웨이는 선택한 염이 “이런 폭주하는 덴드라이트를 사실상 퇴출시켰고, 매우 빠른 충전도 가능하게 했다”고 밝혔습니다 news.mit.edu. 그의 알루미늄-황 프로토타입 셀은 단락 없이 1분 이내에 충전할 수 있었고, 수백 회의 사이클 동안 작동했으며 셀당 추정 비용은 동급 리튬이온 셀의 6분의 1 수준이었습니다 news.mit.edu. 이는 엄청난 비용 절감으로, 외부 분석가들에 의해 확인되었습니다. 이 배터리의 재료비는 리튬이온 대비 85% 낮을 수 있습니다고 사이언스 매거진이 보도했습니다 news.mit.edu. 이러한 셀의 비전은 고정형 저장장치(예: 야간 사용을 위한 태양광 에너지 저장)와, 어쩌면 전기차(EV) 급속 충전 지원에 사용하는 것입니다. 새도웨이의 설계는 Avanti라는 스타트업에서 상용화 중이며, 가까운 미래에 셀을 대형화하고 스트레스 테스트를 진행할 계획입니다 news.mit.edu. 한편, 다른 연구팀들도 알루미늄-황 개념을 더 발전시키고 있습니다. 2024년 1월, 중국 연구진은 85°C(물의 끓는점 바로 아래, 유지가 더 쉬움)에서 작동하는 충전식 Al-S 배터리를 발표했으며, 수명도 뛰어났습니다 – 1,400회 이상 사이클에서 용량 손실이 15%에 불과했고, 그 온도에서 급속 충전도 가능했습니다 nature.com. 작동 온도를 100°C 이하로 낮추면 단순 온수 가열로도 배터리 유지가 가능해져, 이는 열 관리가 “크게 단순화”되고 더 넓은 응용 가능성을 열어줍니다 nature.com. 결론: 알루미늄-황 배터리는 그리드 저장장치와 어쩌면 특정차량에서는, 지구상에 풍부한 알루미늄(가장 풍부한 금속)과 황(가장 저렴한 비금속)을 사용하는 초저가, 내화성 배터리를 제공함으로써 news.mit.edu.

황 기반 배터리의 종류

여러 배터리 기술이 다양한 음극과 결합된 황 양극을 활용합니다:

리튬-황(Li-S) 배터리: 리튬-황은 매우 높은 에너지 잠재력 때문에 가장 많이 연구된 “포스트 리튬” 화학 중 하나입니다. Li-S 전지는 이론적으로 리튬-이온 전지보다 무게당 최대 5배의 에너지를 저장할 수 있는데, 이는 황이 매우 가볍고 각 황 원자가 여러 리튬 원자와 결합할 수 있기 때문입니다. 실제로 Li-S 배터리는 이미 실험실에서 약 400–500 Wh/kg(리튬-이온의 약 2배)의 에너지 밀도를 보여주었습니다 businessaviation.aero, apricum-group.com. 또한 매우 저렴하고 친환경적이라는 점도 매력적입니다. 황은 거의 비용이 들지 않고 풍부하며, Li-S 전지에는 코발트나 니켈이 들어가지 않습니다. 하지만 Li-S의 아킬레스건은 수명과 안정성이었습니다. 기존 Li-S 프로토타입은 “폴리설파이드 셔틀” 현상에 시달렸습니다. 중간 황 화합물(폴리설파이드)이 충방전 중 전해질에 녹아 리튬 음극으로 이동해 자기방전, 부식, 급격한 용량 저하를 일으켰습니다 anl.gov. 또한 “호흡”(부피 변화)도 심하게 겪는데, 황이 충방전 시 크게 팽창·수축해 전지 구조를 손상시킬 수 있습니다 reuters.com. 이런 문제로 초기 Li-S 배터리는 수십 회만에 수명이 다했습니다. 좋은 소식은 최근의 돌파구로 이러한 문제들이 해결되고 있다는 점입니다. 연구진은 폴리설파이드를 가두고 수명을 연장하는 나노 구조의 탄소 양극과 전해질 첨가제를 개발했습니다 nature.com. 2023년 1월, 아르곤 국립연구소는 특수 다공성 “레독스 활성” 중간층을 적용해 셔틀 문제를 거의 제거하고, 배터리가 700회 이상 충·방전하면서도 높은 용량을 유지할 수 있는 Li-S 전지를 시연했습니다 anl.gov. “이전 [황] 배터리는 셔틀을 억제했지만 에너지를 희생했습니다. 우리의 층은 저장 용량을 추가하면서 그리고 셔틀을 억제합니다.”라고 아르곤 화학자 Guiliang Xu가 설명했습니다 anl.gov. 이는 Li-S 배터리가 고에너지이면서도 장수명으로 제작될 수 있음을 시사합니다. 실제로 기업들은 상용화를 위해 경쟁 중입니다: Lyten이라는 캘리포니아 스타트업은 독자적인 3D 그래핀 소재로 보강된 리튬-황 전지를 개발해 2024–2025년 드론, 항공우주, 국방 등 틈새 시장을 목표로 하고 있습니다 <a href=”httlyten.com. Lyten은 자사의 Li-S 배터리가 현재의 리튬이온 배터리보다 40% 더 가볍고 (그리고 인산철 배터리보다 60% 더 가볍다) 니켈, 코발트 및 기타 고가의 소재를 제거함으로써 대량 생산 시 더 저렴하다고 주장합니다 lyten.com. 또 다른 회사인 Theion(독일)은 결정질 황 양극을 개발 중이며, 최근 리튬이온 대비 3배의 에너지 밀도와 1/3의 비용, 그리고 잠재적으로 1/3의 생산 배출량을 가진 Li-S 셀을 보고했습니다 reuters.com. Theion의 CEO Ulrich Ehmes는, 자사의 배터리가 안정된 형태의 황과 사전 팽창 설계를 사용하여 부식 문제를 피함으로써, 개발이 순조롭게 진행된다면 “10년이 끝나기 전”에 전기차에 적용될 수 있다고 밝혔습니다 reuters.com. 요약하면, 리튬-황 배터리는 실험실에서 시장으로의 전환을 앞두고 있으며, 초경량, 고에너지 팩을 필요로 하는(전기 항공기, 장거리 전기차, 우주 등) 분야에 혁신을 약속하고 있습니다.
나트륨-황(Na-S) 배터리: 나트륨과 황은 언뜻 보기에는 어울리지 않는 조합처럼 보일 수 있습니다(나트륨은 매우 반응성이 높고, 초기 Na-S 배터리는 고온인 300°C에서 작동했습니다). 하지만 이 화학 조성은 그리드 저장 분야에서 오랜 역사를 가지고 있습니다. 고온 Na-S 배터리는 수십 년 동안 대규모 에너지 저장에 사용되어 왔으며(특히 일본의 NGK가 유명함), 용융된 나트륨과 황이 고체 세라믹 전해질로 분리되어 있어, 고정형 저장에 적합한 효율성과 수명을 제공합니다. 그러나 약 300°C의 고온을 유지해야 한다는 점이 더 넓은 보급을 제한했습니다. 최근에는 상온 나트륨-황 배터리에 대한 기대가 커지고 있는데, 이는 대규모 저장에 저비용, 안전한 대안을 제공할 수 있습니다. 2022년 말, 시드니 대학교 연구팀이 새로운 상온 Na-S 설계를 이용해 “리튬이온보다 4배 용량이 큰 저비용 배터리”를 발표했습니다 sydney.edu.au. 다공성 탄소 전극과 간단한 열처리(열분해)를 통해 더 반응성이 높은 형태의 황을 만들어, 상온에서 매우 높은 용량과 초장수명을 달성하여 Na-S의 기존 “느린” 성능을 극복했습니다 sydney.edu.au. 수석 연구원 Shenlong Zhao 박사는 이 나트륨-황 배터리가 “비용을 획기적으로 줄이면서 4배의 저장 용량을 제공할 잠재력이 있습니다. 이는 재생에너지 개발에 있어 중요한 돌파구입니다…”라고 밝혔습니다 sydney.edu.au. 실제로 나트륨과 황은 리튬보다 훨씬 풍부하고 저렴하기 때문에, 성공적인 Na-S 배터리는 그리드 에너지 저장에 큰 도움이 될 수 있습니다. 즉, 최소한의 비용으로 풍력/태양광 발전소용 대형 배터리를 가능하게 합니다. Na-S 셀은 소형 전기차(EV)에는 적합하지 않지만(나트륨이 더 무겁고, 현재 셀 크기가 더 큼), 청정 에너지 인프라의 중요한 부분이 될 수 있으며, 태양이 비치지 않거나 바람이 불지 않을 때 안전하고 저렴한 저장을 제공할 수 있습니다 sydney.edu.au. 전 세계(중국, 호주, 유럽)에서 상온 Na-S 배터리의 상용화를 위한 연구가 계속되고 있습니다.
기타 황 기반 배터리: Li-S와 Na-S를 넘어, 연구자들은 마그네슘 또는 칼슘과 같은 다른 금속과 황 양극을 조합하거나, 심지어 앞서 언급한 것처럼 황과 알루미늄을 결합하는 실험도 진행해 왔습니다. 이러한 다가 금속–황 배터리(금속 이온이 두 개 이상의 전하를 가지는 경우, 예: Al³⁺ 또는 Mg²⁺)는 알루미늄 또는 황 단독과 마찬가지로 풍부함과 높은 용량이라는 이유로 매력적이지만, 화학적으로 더 까다로운 문제에 직면해 있으며 대부분 초기 연구 단계에 있습니다 advanced.onlinelibrary.wiley.com. 예를 들어, 마그네슘-황 전지는 전해질 호환성과 느린 반응 속도 문제로 어려움을 겪고 있습니다. 고체 상태 황 배터리는 또 다른 최첨단 변형입니다. 고체 전해질(종종 황화물 또는 고분자)을 사용함으로써, 과학자들은 더 안전하고(가연성 액체 없음) 폴리설파이드 셔틀을 완전히 억제하는 Li-S 전지를 만들고자 합니다 onlinelibrary.wiley.com, businessaviation.aero. NASA는 황-셀레늄 양극과 새로운 고체 전해질을 사용하는 고체 상태 리튬-황 배터리(SABERS 프로젝트)를 적극적으로 개발 중이며, 전기 항공에 적합한 약 500 Wh/kg의 에너지 밀도에 도달했습니다 businessaviation.aero. 가볍고, 풍부하며, 강력한 황의 매력은 황을 많은 미래 지향적 배터리 개념의 중심에 놓이게 했습니다.

알루미늄 및 황 배터리 유형의 전반적인 현황을 살펴보았으니, 이제 이러한 기술이 기존 리튬이온과 어떻게 비교되는지, 그리고 어떤 고유한 이점을 제공하는지 알아볼 수 있습니다.

리튬이온 대비 주요 이점 및 장점

알루미늄 기반과 황 기반 배터리는 개발이 성공적으로 계속된다면 비용, 지속 가능성, 성능 면에서 상당한 이점을 약속합니다. 주요 이점은 다음과 같습니다:

🌎 풍부하고 저렴한 소재: 알루미늄과 황은 전 세계적으로 저렴하고 풍부합니다. 알루미늄은 지각에서 가장 풍부한 금속이며, 황은 정제 과정의 일반적인 부산물입니다. 이는 원자재 비용이 크게 낮아질 수 있음을 의미합니다. Science의 한 보고서에 따르면, 알루미늄-황 배터리의 원자재는 리튬이온 배터리보다 85% 저렴할 수 있습니다 news.mit.edu. Theion(황 배터리 스타트업) 역시 자사의 셀이 리튬이온 셀의 3분의 1 가격에 불과할 것이라고 주장합니다 reuters.com. Sadoway의 말에 따르면, 이 배터리들은 “윤리적으로 조달되고, 저렴하며, [그리고] 효과적”이라고 합니다 news.mit.edu – 문제 있는 채굴과 연관된 값비싼 금속을 피할 수 있습니다. 풍부한 자원을 사용하면 공급 병목 현상도 줄어듭니다. 알루미늄과 황 배터리가 보급된다면 리튬이나 코발트 부족 문제에 직면하지 않을 것입니다.
🔥 향상된 안전성(비가연성): 차세대 알루미늄/황 배터리의 상당수는 훨씬 더 안전하도록 설계되고 있습니다. 인화성 유기 전해질 대신, 무기질 용융염 또는 고체 전해질을 사용하여 점화되지 않도록 할 수 있습니다 news.mit.edu. 스탠포드와 MIT에서 시연한 알루미늄 이온 및 알루미늄-황 셀은 “드릴로 뚫어도 불이 붙지 않는다”거나 고온에서도 작동할 수 있습니다 news.stanford.edu, news.mit.edu. 마찬가지로, 고체 또는 젤 전해질과 결합된 황 양극은 기존 리튬이온보다 열폭주에 더 잘 견딜 수 있습니다. Phinergy의 알루미늄-공기 시스템은 본질적으로 비가연성이며, 작동 시 “안전하고, 불이 붙지 않는다”고 합니다 evreporter.com. 안전성이 높아지면 사용자 보호뿐 아니라 운송 및 제조도 간소화됩니다(배터리 팩에 값비싼 냉각이나 소방 장치가 필요 없음).
⚡ 높은 에너지 밀도 & 경량: 두 화학 방식 모두 오늘날의 배터리보다 무게당 더 높은 에너지 저장 가능성을 제공합니다. 예를 들어, 리튬-황 배터리는 프로토타입에서 약 500 Wh/kg를 달성했으며 businessaviation.aero – 이는 최고의 리튬이온 배터리의 약 두 배로, 훨씬 더 가벼운 배터리 팩을 가능하게 합니다. Lyten은 자사의 Li-S 셀이 동일한 에너지 기준으로 리튬이온보다 최대 40% 더 가볍다고 보고합니다 lyten.com. Theion은 리튬이온 대비 3배 에너지 밀도를 목표로 하고 있습니다 reuters.com. 전기차와 항공기에서는, 이는 동일한 배터리 무게로 더 긴 주행거리 또는 더 높은 적재량으로 이어질 수 있습니다. 알루미늄-공기 배터리는 에너지 밀도 면에서 매우 뛰어나며(몇 년 전 알루미늄-공기 “탱크” 한 번으로 1,100마일 EV 주행 기록을 세웠음), 다만 재충전이 필요합니다. 이론상 에너지는 Li-S보다 낮지만, 알루미늄-이온 배터리도 전력 밀도에서 뛰어날 수 있습니다 – 스탠포드의 셀은 1분 만에 완전 충전이 가능했습니다 news.stanford.edu, 즉 주유만큼 빠른 충전이 가능한 배터리를 암시합니다. 요약하면, 이 기술들은 훨씬 더 많은 에너지(장시간 사용용) 또는 훨씬 더 빠른 방전/충전 속도, 혹은 둘 다를 제공할 수 있습니다.
🔋 긴 사이클 수명 잠재력: 제대로 설계된다면, 알루미늄 및 황 배터리는 리튬이온만큼 오래 또는 더 오래 사용할 수 있습니다. 알루미늄 금속 음극은 리튬과 같은 종류의 덴드라이트를 형성하지 않습니다(특히 적절한 전해질 사용 시) news.mit.edu, 그래서 매우 내구성이 높을 수 있습니다. 스탠포드의 Al-ion 셀은 7,500회 이상의 사이클을 견뎠습니다(리튬이온보다 한 단계 더 많음) news.stanford.edu. 황 배터리는 역사적으로 사이클 수명이 짧았으나, 새로운 설계(인터레이어, 고체 상태 등)로 수백~수천 회의 사이클에서도 손실이 거의 없습니다 anl.gov, nature.com. 고정형 저장장치에서는 10년 이상 매일 안정적으로 충방전할 수 있는 배터리가 매우 중요하며, 이러한 화학 방식 개발자들은 안정성에 집중하고 있습니다.
♻️ 환경 및 윤리적 이점: 이 배터리들은 쉽게 구할 수 있는 재료를 사용하기 때문에, 코발트, 니켈, 리튬과 같은 희귀 금속의 채굴 및 가공과 관련된 환경 피해를 피할 수 있습니다. 또한 배터리의 내재된 탄소 발자국도 줄어듭니다. Theion은 자사의 황 배터리 셀이 리튬이온 셀에 비해 생산 시 CO₂ 배출량이 3분의 1에 불과할 것으로 추정합니다 reuters.com. 황은 종종 산업 폐기물(수백만 톤이 재고로 쌓여 있음)이기 때문에, 이를 배터리에 사용하는 것은 본질적으로 산업 폐기물을 재활용하는 것입니다. 알루미늄 역시 재활용성이 매우 높아, 기존의 글로벌 재활용 인프라를 활용해 사용된 배터리에서 알루미늄을 쉽게 회수할 수 있습니다. 윤리적으로도, 황과 알루미늄을 사용하면 코발트 채굴에서 발생하는 아동 노동 및 인권 문제를 피할 수 있습니다. 이러한 모든 요소로 인해 차세대 배터리는 전 생애주기에서 더 지속 가능하고 사회적으로 책임 있는 선택이 될 수 있습니다.
💡 초고속 충전 및 고출력: 일부 알루미늄/황 배터리 설계는 초고속 충전 능력을 보여주고 있습니다. 실험실 테스트에서 60초 만에 충전이 가능하다는 점을 언급한 바 있습니다 news.stanford.edu. 또한, 실험실의 알루미늄-황 셀은 매우 높은 충전 속도(예: 높은 온도에서 1C 이상으로 충전하면서도 우수한 유지력)로 작동했습니다 nature.com. 알루미늄-공기 배터리는 알루미늄을 교체함으로써 즉시 “재충전”할 수 있습니다. 이러한 특징들은 전기차와 전자기기의 가장 큰 소비자 불만 중 하나인 긴 충전 시간을 해소할 수 있으며, 필요할 때 높은 출력도 제공합니다(예를 들어, 알루미늄 배터리를 사용하는 전동공구나 전기차가 전압 강하 없이 강력한 출력을 내는 모습).

이러한 이점이 모든 변종에 똑같이 적용되는 것은 아니라는 점에 유의해야 합니다(예: 알루미늄-공기는 에너지는 뛰어나지만 전기적으로 재충전이 불가능하고, 알루미늄-이온은 충전이 빠르지만 전압이 낮으며, 리튬-황은 매우 가볍지만 현재는 수명이 중간 정도임). 하지만 전반적인 가능성은 알루미늄과 황 배터리가 희귀 자원에 대한 의존도와 비용을 획기적으로 낮추면서도 안전성, 에너지, 출력 등 핵심 영역에서 동등하거나 더 나은 성능을 제공할 수 있다는 점입니다.

과제와 기술적 난관

알루미늄과 황 배터리가 그렇게 좋다면, 왜 아직 널리 쓰이지 않을까요? 사실 이 기술들은 연구자와 엔지니어들이 아직 극복해야 할 중요한 도전 과제에 직면해 있습니다:

폴리설파이드 셔틀 및 양극 열화(황 관련 문제): 리튬-황 및 기타 황 양극 배터리에서는 악명 높은 폴리설파이드 셔틀 문제가 큰 장애물로 작용해 왔습니다. 배터리가 충·방전되는 동안, 황은 중간 단계로 전환되며 전해질에 용해되어 음극으로 이동할 수 있는데, 이로 인해 자기 방전, 활성 물질 손실, 심지어 음극과의 손상 반응이 발생할 수 있습니다 anl.gov. 이로 인해 용량이 빠르게 감소합니다. 또한, 황 양극은 리튬 설파이드로 전환되고 다시 돌아오는 과정에서 크게 팽창 및 수축하는 경향이 있습니다(최대 약 80% 부피 변화) reuters.com. 이러한 “호흡” 현상은 시간이 지남에 따라 양극을 분쇄하거나 집전체에서 분리시킬 수 있습니다. 보호층 추가 anl.gov, 나노 구조의 탄소 호스트 사용, 고체 전해질 등 새로운 전략으로 이러한 문제들이 완화되었지만, 실제 환경에서 수백 회의 사이클을 견딜 수 있는 황 배터리를 구현하는 것은 여전히 주요 과제입니다.
덴드라이트 및 도금 문제(금속 음극): 알루미늄 금속 음극은 다른 금속 음극과 마찬가지로 충전 시 덴드라이트(얇고 전도성인 필라멘트)를 형성할 수 있으며, 이는 셀의 단락 위험을 초래합니다. 실제로 알루미늄 배터리가 오랫동안 실패한 주요 원인 중 하나는 알루미늄의 도금/스트리핑을 안정적으로 반복할 수 없었기 때문입니다. 종종 “이끼” 형태의 침전물이 생기거나 표면 산화물 형성으로 비활성화되곤 했습니다. 이온성 액체 및 용융염 전해질은 이 문제를 상당 부분 “길들이는” 데 기여했습니다(한 연구팀은 그들의 용융염 Al 배터리가 “덴드라이트 단락으로 셀을 잃은 적이 없다”고 빠른 충전 테스트에서 보고함 news.mit.edu). 그러나 보다 일반적인 전해질을 사용할 경우, 덴드라이트 또는 알루미늄 산화피막과의 부반응이 문제가 될 수 있습니다. 마찬가지로, 황 배터리에서 음극으로 리튬 금속을 사용할 경우(리튬-황 설계에서 흔함), 리튬 덴드라이트 및 안전 문제가 발생할 수 있으며, 특히 액체 전해질을 사용할 때 더욱 그렇습니다. 연구자들은 종종 리튬-황 배터리에 보호막이나 고체 상태 설계를 적용해 리튬 덴드라이트를 방지합니다.
낮은 동작 전압과 에너지 효율(알루미늄 이온): 알루미늄 이온 배터리, 특히 삽입형(예: 흑연 양극)을 사용하는 경우는 일반적으로 리튬 이온보다 셀 전압이 낮습니다. 스탠포드의 유명한 알루미늄 이온 셀은 약 2.0볼트를 생성했습니다 news.stanford.edu, 반면 리튬 이온 셀은 명목상 약 3.7V입니다. 이는 부분적으로 Al³⁺ 삽입의 화학 반응과 전해질의 제약 때문입니다. 전압이 낮다는 것은 원하는 배터리 팩 전압에 도달하려면 직렬로 더 많은 셀(복잡성 및 일부 에너지 손실 추가)이 필요하다는 의미입니다. 또한 다가 이온(예: Al³⁺)이 고체 내에서 느린 운동성을 보인다는 문제도 있습니다. +3 전하를 가진 이온을 이동시키는 것은 Li⁺와 같은 +1 이온보다 더 어렵기 때문에, 온도를 높이거나 특수 전해질을 사용하지 않는 한 고출력을 달성하기 어렵습니다 nature.com. 일부 알루미늄 배터리는 고온(60~100°C)에서만 잘 작동하는데, 이는 소비자 전자제품 사용에 복잡함을 더할 수 있습니다(누구도 휴대폰에 항상 뜨거운 배터리를 원하지 않으니까요!). 좋은 소식은, 특정 염을 첨가하거나 새로운 혼합물을 사용하는 등 전해질 혁신을 통해 저온에서도 알루미늄 이온의 전도도가 개선되고 있다는 점입니다 nature.com.
온도 요구사항: 앞서 언급했듯, 여러 알루미늄 및 나트륨 기반 설계는 용융염 전해질을 사용하며, 이를 따뜻하게 유지해야 합니다. 예를 들어, MIT의 알루미늄-황 배터리는 약 110°C에서 최적으로 작동합니다 news.mit.edu, 개선된 변형조차 85°C에서 작동합니다 nature.com. 이는 산업 기준으로는 매우 뜨겁지 않지만, 배터리 팩에 단열재와 적절한 온도 유지를 위한 소형 히터가 필요함을 의미합니다. 이는 (냉장고 크기의 배터리에 열 관리가 가능한) 고정형 저장장치에는 괜찮지만, 휴대용 기기나 전기차에는 도전 과제가 됩니다. 단, 열이 자체적으로 유지될 수 있다면(사도웨이의 셀은 실제로 충·방전 중 자체 발열로 온도를 유지함 news.mit.edu) 예외입니다. 고온 작동은 또한 견고한 밀봉과 안전 대책이 필요합니다(하지만 장점은 화재 위험이 없다는 점). 연구자들은 작동 온도를 낮추고, 알루미늄 및 나트륨 기반 시스템 모두에 대해 상온 화학 반응도 탐구 중입니다 nature.com.
충전 인프라와 “재급유”(알루미늄-공기): 알루미늄-공기(및 유사한 금속-공기 시스템)만의 독특한 문제는, 충전기에 꽂아 충전할 수 없다는 점입니다. 알루미늄 음극이 소모되면 교체하거나 재활용해야 합니다. 이를 위해서는 알루미늄 판이나 카트리지를 교환하고, 사용된 것을 수거하며, 알루미늄을 재활용(아마도 전기로 구동되는 제련 과정을 통해, 사실상 알루미늄을 “재충전”하는 것)하는 전체 인프라를 구축해야 합니다. Indian Oil과 Phinergy는 이 생태계 구축에 적극적으로 참여하고 있습니다 evreporter.com, 하지만 이는 주유소나 충전소와는 다른 패러다임입니다. 광범위한 지원이 없다면, 알루미늄-공기는 틈새 시장에 머물 수 있습니다. 추가로, 알루미늄-공기의 부산물(수산화알루미늄)도 처리해야 하는데 – 이는 새로운 알루미늄이나 다른 제품으로 재활용될 수 있습니다.
제조 대규모화 및 통합: 리튬이온 기술은 30년의 선점 효과와 대규모 제조, 최적화된 공급망, 숙련된 인력을 갖추고 있습니다. 새로운 배터리 화학은 실험실 또는 파일럿 규모에서 기가팩토리 규모로 전환하는 난관에 직면합니다. 알루미늄 및 황 배터리는 새로운 제조 공정(예: 수분에 민감한 이온성 액체 또는 고체 전해질 취급, Theion의 적층 전극과 같은 새로운 셀 설계)이 필요할 수 있습니다. 결함 없이 저비용으로 대규모화하는 것은 결코 쉽지 않습니다. 또한 통합 문제도 있습니다 – 이러한 새로운 배터리가 기존 기기나 차량에 바로 적용될 수 있는지, 아니면 새로운 설계가 필요한지 여부입니다. 서로 다른 전압 특성, 폼팩터, 작동 조건 등으로 인해 배터리 관리 시스템부터 자동차 섀시 설계까지 모든 것을 재설계해야 할 수도 있습니다. 이러한 전환 비용과 불확실성은 도입을 늦출 수 있습니다.
현재 상태(기술 준비도): 2024년과 2025년에 큰 돌파구가 있었지만(다음에서 강조할 예정), 많은 알루미늄 및 황 배터리 기술은 아직 프로토타입 또는 초기 상용 단계에 머물러 있습니다. 아직 리튬이온처럼 대규모로 보급된 사례는 없습니다. 예를 들어, 리튬-황 전지는 수명이 짧아도 감내하거나 보완할 수 있는 드론, 위성 등 제한된 시장에 이제 막 진입하고 있습니다. 알루미늄-황 및 알루미늄-이온은 시연 및 대규모화 단계에 있으며, 아직 대형 전기차나 전력망에 완전히 적용된 사례는 없습니다. 이는 실제 사용에서 예기치 못한 문제가 발생할 위험이 여전히 있음을 의미합니다(리튬이온이 초기에 열폭주 사고를 겪었던 것처럼). 이러한 기술이 기존만큼 신뢰성을 갖추려면 시간, 투자, 그리고 몇 차례의 반복이 필요할 것입니다. 회의적인 시각을 덧붙이자면: 리튬이온도 매년 발전하고 있습니다 – 리튬인산철(LFP), 리튬-메탈 고체전지 등 새로운 화학이 등장하고 있으므로, 알루미늄과 황 배터리는 단순히 작동하는 것뿐만 아니라, 발전하는 기존 기술과 경쟁해야 합니다.

요약하자면, 알루미늄 및 황 배터리는 엄청난 가능성을 지니고 있지만, 동시에 고유한 난관도 안고 있습니다. 연구자들은 더 많은 연구가 필요하다는 점을 솔직하게 밝히고 있습니다. 한 연구팀은 2022년에, 진전에도 불구하고 “Al–S 배터리는 역사적으로 낮은 속도 성능과 순환 안정성 문제를 겪어왔다”고 썼으며, 전해질과 전극에서 지속적인 혁신이 필요하다고 했습니다 nature.com. 이러한 도전 과제를 극복하는 것이 바로 현재 많은 연구실과 스타트업들이 집중하고 있는 부분입니다.

누가 선두에 있나? 개발을 이끄는 주요 주체들

이 흥미로운 분야에는 학계 연구실, 스타트업, 그리고 대기업이 혁신을 주도하고 있습니다. 다음은 주목할 만한 주요 주체들과 그들이 하고 있는 일입니다:

매사추세츠 공과대학교(MIT) & Avanti: MIT는 혁신적인 배터리 연구의 중심지였습니다. MIT의 Donald Sadoway 교수 연구팀이 알루미늄-황 배터리 개념을 주도했습니다. 2022년 Nature에 획기적인 결과를 발표한 후, Sadoway는 이 기술을 상용화하기 위해 Avanti를 공동 설립했습니다 news.mit.edu. Avanti의 목표는 알루미늄-황 전지를 대규모 정지형 저장장치 등으로 양산하는 것입니다. Sadoway는 또한 액체 금속 배터리(칼슘, 안티몬 등 다른 화학 조성 사용)를 상용화하는 회사인 Ambri의 공동 창업자로도 유명합니다. Ambri는 그리드 규모 저장장치를 목표로 하며, 2024년에 시스템을 배치할 것으로 보도되었습니다 youtube.com. Ambri와 Avanti를 통해 Sadoway의 혁신은 대형 유틸리티 배터리부터 건물이나 전기차 충전소용 소형 배터리까지 아우를 수 있습니다 news.mit.edu. MIT의 영향력은 여기서 그치지 않습니다. 연구진들은 리튬-황 프로젝트도 진행 중이며, MIT는 종종 국립 연구소 및 기업들과 첨단 배터리 기술 분야에서 협력하고 있습니다.
스탠포드 대학교 & SLAC: 스탠포드는 알루미늄 이온 배터리 분야에서 초기부터 주목을 받았습니다(2015년의 고속 충전 Al-ion 프로토타입 news.stanford.edu). 홍지에 다이 교수 주도의 이 연구는 간단한 흑연 양극이 충전 가능한 알루미늄 배터리를 가능하게 한다는 것을 보여주었습니다. 스탠포드는 계속해서 배터리 연구를 진행하고 있습니다. 예를 들어, SLAC(스탠포드 선형 가속기 연구소)는 금속 황화물과 같은 알루미늄 배터리용 새로운 양극을 연구했으며 nature.com, 사이클 성능 향상을 위한 계면 화학도 조사했습니다. 스탠포드의 2015년 발견은 아직 상업 제품으로 이어지지는 않았지만, 실현 가능성을 입증했고 이후 많은 연구에서 인용되었습니다. 또한 스탠포드의 개방적 연구가 산업 채택으로 이어지는 정신을 강조했습니다(일부 스탠포드 배터리 연구 출신들은 스타트업에 합류하거나 베이 에어리어의 배터리 스타트업 신에서 직접 창업하기도 했습니다).
그래핀 매뉴팩처링 그룹(GMG) & 퀸즐랜드 대학교: 호주에서는 GMG(퀸즐랜드 대학교와 협력)가 그래핀 알루미늄 이온 배터리를 개발하고 있습니다. 이들은 동전형 셀 프로토타입에서 매우 빠른 충전 속도와 긴 수명 등 인상적인 성능을 보고했으며, 알루미늄 이온 구조에서 양극 소재로 그래핀(탄소의 한 형태)을 사용했습니다 batteriesnews.com. GMG는 이 기술을 소비자 전자제품이나 전기차에 적합한 파우치 셀로 확장하는 것을 목표로 하고 있으며, 2022년 말 기준 개발 프로그램과 파일럿 생산 라인을 진행 중이었습니다 graphenemg.com. 이들의 접근 방식은 나노 소재(그래핀)와 알루미늄 이온과 같은 새로운 화학 조합의 시너지를 강조합니다.
Phinergy와 인도 석유공사(IOC): Phinergy는 10년 넘게 알루미늄-공기 배터리 분야를 선도해온 이스라엘 스타트업입니다. 이들은 2014년에 알루미늄-공기 배터리로 1,100마일을 주행한 데모 차량을 선보였으며, 이후 백업 전원 및 전기차 주행거리 연장용 실제품 개발에 집중해왔습니다. Phinergy는 인도 석유공사(Indian Oil Corporation)와 합작 투자 회사(IOC Phinergy)를 설립하여 알루미늄-공기 기술을 인도 시장에 도입하고 있습니다. 이는 석유 대체재를 찾고 자국의 알루미늄 산업을 활용하려는 인도에 매우 큰 잠재력을 지닙니다. 2023년 초, IOC Phinergy는 인도 최초의 알루미늄-공기 차량을 선보였고, 판 제조 및 재활용 인프라를 구축 중이었습니다 alcircle.com. 알루미늄-공기 배터리가 수입 리튬 의존도를 줄일 수 있기 때문에 인도 정부도 관심을 보이고 있습니다. Phinergy의 기술은 이미 통신탑 백업 전원(디젤 발전기를 배출가스 없는 알루미늄-공기 시스템으로 대체)에 상업적으로 사용되고 있으며 evreporter.com, Mahindra와 같은 자동차 제조사와 협력하여 차량 통합(예: 알루미늄-공기 배터리로 주행거리를 연장한 전기 릭샤 및 버스의 테스트 차량)도 진행 중입니다 evreporter.com. Phinergy의 진전은 알루미늄 기반 배터리를 실험실에서 실제 현장 적용으로 옮긴 최초 사례 중 하나이기 때문에 매우 중요합니다.
Lyten: Lyten은 캘리포니아 산호세에 본사를 둔 실리콘밸리 스타트업으로, 수년간 스텔스 모드로 자체 3D 그래핀 소재로 강화된 리튬-황 배터리를 개발해 왔습니다. 최근 Lyten은 큰 소식과 함께 모습을 드러냈습니다. 2024년 10월, Lyten은 네바다에 세계 최초의 리튬-황 배터리 기가팩토리를 10억 달러 이상의 투자로 건설할 계획을 발표했습니다 lyten.com l. 이 시설은 2027년까지 연간 10GWh의 Li-S 배터리를 생산할 예정입니다 lyten.com. 이 대담한 행보는 그들의 기술이 대량 생산에 가까워졌다는 자신감을 보여줍니다. Lyten의 초기 목표 시장은 승용 전기차가 아니라 2024~2025년 마이크로모빌리티, 항공우주, 드론, 국방입니다 lyten.com. 이 분야에서는 Li-S의 높은 에너지 밀도가 결정적인 이점을 제공하며, 다소 낮은 사이클 수명도 허용될 수 있습니다. 회사는 배터리의 경량성과 분쟁 광물 미사용을 강조하며, 실제로 이들의 셀은 리튬 금속 음극과 황-탄소 복합 양극을 사용해 니켈, 코발트 등을 피합니다 lyten.com. Lyten의 CEO Dan Cook은 “리튬-황은 배터리 기술의 도약으로, 풍부하게 구할 수 있는 지역 소재로 만들어진 고에너지 밀도, 경량 배터리를 제공합니다”라고 말했습니다 lyten.com. 이들은 2023년부터 파일럿 배터리 셀을 자체 생산해 생산 공정을 테스트하고 개선해 왔습니다 lyten.com. 만약 Lyten의 기가팩토리가 성공한다면, 이는 게임 체인저가 될 수 있습니다. 대규모로 상업용 Li-S 배터리가 처음 생산되어, 차세대 전기 항공기나 장거리 전기 세미트럭 등 무게가 중요한 분야에 사용될 수 있습니다.
Theion: Theion은 독일 베를린에 기반을 둔 스타트업으로, 리튬-황 배터리에 변화를 주고 있습니다. 이들은 결정질 황과 특수 전극을 사용해 안정성을 높입니다. 2025년 3월, Theion은 배터리 셀의 대량 생산을 위해 시리즈 A 투자 라운드에서 1,500만 유로를 유치했습니다 reuters.com. Theion은 자사의 셀이 리튬이온 대비 에너지 밀도를 3배로 높이고, 비용은 1/3로 줄일 수 있다고 주장합니다. 이는 앞서 언급한 내용입니다 reuters.com. 이들은 양극을 미리 팽창시켜 황의 팽창을 수용하고, 황을 전해질과 덜 반응하는 결정질 형태로 유지함으로써 주요 문제를 해결했다고 전해집니다 reuters.com. CEO 울리히 에메스는 이 기술이 전기차, “플라잉 택시,” 또는 에너지 저장에 활용될 수 있으며, 2020년대 후반에는 자동차에 적용될 수 있다고 밝혔습니다 reuters.com. Theion의 접근법은 희귀 소재에 의존하지 않는다는 점에서 주목받고 있습니다. 이들은 자사 배터리가 “숨을 덜 쉬고” 기존 리튬-황 배터리처럼 부식되지 않는다고 강조합니다. 이번 투자는 더 큰 파우치 셀 개발과 코인 셀 프로토타입을 넘어서는 데 도움이 될 것입니다 reuters.com. 독일의 황 배터리에 대한 관심은 유럽의 자국산, 지속가능한 배터리 기술 추진과도 맞닿아 있습니다.
아르곤 국립연구소 & 미국 에너지부: 공공 연구 분야에서 아르곤(및 오크리지, 퍼시픽노스웨스트 등 미국 에너지부 산하 연구소)은 황 배터리 연구에 적극적입니다. 우리는 아르곤의 리튬-황 셀용 인터레이어 설계 성과에 대해 논의한 바 있습니다 anl.gov. 이들은 NASA와 협력해 항공용 고체 황 배터리도 연구 중입니다. 에너지부 차량기술국은 리튬-황, 마그네슘-황, 심지어 리튬-공기, 알루미늄-공기 등 차세대 화학 기술의 전략적 중요성을 인식하고 여러 프로젝트에 자금을 지원해왔습니다. 국립연구소는 종종 대학(예: 아르곤은 일리노이대 등과 황 인터레이어 연구팀을 구성)과 협력하며, 스타트업이 활용할 수 있는 연구 결과를 공유합니다. 예를 들어, 폴리설파이드 거동에 대한 이해와 첨단 분석(아르곤의 첨단 광자원을 활용한 배터리 X선 분석 anl.gov 등)의 상당 부분이 이들 연구소에서 나왔습니다.
기타 주목할 만한 사례: Monash University(호주)와 같은 대학들은 2020년에 스마트폰을 5일 동안 사용할 수 있고, 새로운 바인더와 전극 설계를 통해 뛰어난 안정성을 보인 Li-S 배터리로 주목을 받았습니다 advancedsciencenews.com. Monash는 이후 전기 항공 분야를 목표로 빠른 충전이 가능한 Li-S 배터리 개발에도 착수했습니다 monash.edu. 영국에서는 현재는 폐업한 Oxis Energy가 Li-S 분야의 선구자였으며, 2021년 폐업 전까지 400 Wh/kg에 근접한 Li-S 셀을 개발했고, 항공기 제조사들과 협력하고 있었습니다. Oxis의 지적 재산권은 다른 기관에 인수되어 새로운 프로젝트에 활용되고 있을 가능성이 있습니다. 중국 학계와 산업계도 매우 활발하게 움직이고 있으며, 중국과학원, 우한이공대(사도웨이의 Al-S 논문 공동 저자 news.mit.edu), CATL과 같은 기업들이 황과 알루미늄 전지 화학을 연구 중이지만, 세부 내용은 종종 비공개입니다. 2020년 테슬라 배터리 데이에서도 황에 대한 관심이 암시되었는데(일론 머스크가 테슬라가 “리튬 및 황”을 연구 중이라고 농담했으나, 구체적인 설명은 없었고 장기 프로젝트일 가능성이 있습니다). 마지막으로, NASA와 Boeing도 항공기용 Li-S를 연구 중입니다. NASA의 SABERS 프로젝트는 500 Wh/kg에 도달한 다층 황 배터리를 개발했으며, 이는 전기 항공기나 첨단 드론을 가능하게 할 수 있습니다 businessaviation.aero.

명확한 것은 글로벌 생태계의 혁신가들이 알루미늄 및 황 배터리의 발전을 이끌고 있다는 점입니다. 신생 스타트업부터 전통 있는 국립 연구소까지 다양합니다. 앞으로 몇 년(2025~2030년) 동안 이들 노력의 일부가 실제 제품과 파일럿 배치 형태로 결실을 맺을 가능성이 높습니다.

돌파구 및 최근 혁신(2024~2025)

2024년부터 2025년까지는 알루미늄 및 황 배터리 개발에 있어 특히 흥미로운 시기로, 여러 주목할 만한 돌파구가 있었습니다:

2024년 1월 – 85 °C에서의 알루미늄-황 배터리 (Nature Communications): 연구진은 알루미늄–황 배터리의 새로운 형태를 선보였으며, 이 배터리는 85 °C에서 4원계 용융염 전해질을 사용하여 작동합니다. 해당 연구는 Nature Communications nature.com에 게재되었습니다. 이 배터리는 급속 충전 능력과 놀라운 수명을 보여주었는데, 1C 충전 속도에서 1,400회 사이클 후에도 용량의 85.4%를 유지했습니다 nature.com. 특히 85 °C는 기존 용융염 배터리가 필요로 했던 110–180 °C보다 크게 개선된 수치입니다 nature.com. 연구팀은 녹는점이 낮은 특수 염(알칼리 클로로알루미네이트) 혼합물을 조제하여 이를 달성했으며, 이로 인해 알루미늄 이온의 빠른 이동도 가능해졌습니다 nature.com. 또한 질소 도핑 다공성 탄소 양극을 사용하여 황 반응이 빠르게 진행되도록 했습니다 nature.com. 이 결과는 실용적이고 저렴한 그리드 배터리로 나아가는 중요한 진전으로, 단순한 가열(저자들이 언급했듯이 심지어 온수만으로도 nature.com)로 작동할 수 있고, 성능 저하 없이 빠른 충전이 가능함을 시사합니다. 이는 MIT의 Al-S 배터리 개념을 보다 사용자 친화적이고 이동성 있게 만드는 데 한 걸음 더 다가간 것입니다.
2024년 10월 – Lyten, Li-S 기가팩토리 발표: Lyten이 네바다에 리튬-황 배터리 기가팩토리를 발표한 것은 2024년 말 업계의 주요 헤드라인이었다 lyten.com. 이 공장은 세계 최초의 Li-S 셀 전용 기가팩토리로, 2027년까지 연간 10GWh 생산을 목표로 하고 있다 lyten.com. 더욱 주목할 만한 점은 Lyten이 자사의 Li-S 배터리가 이미 2024년과 2025년에 일부 시장에 진입하고 있다고 밝힌 것이다. 구체적으로, 마이크로모빌리티(전기 자전거, 스쿠터), 항공우주(아마도 위성 또는 고고도 드론), 드론, 방위산업 분야의 고객들이 이 배터리를 사용하고 있다 lyten.com. 이는 Lyten이 실험실 프로토타입에서 파일럿 생산 및 실제 현장 사용 단계로 진입했음을 시사한다. 대규모 공장 건설 결정은 기술의 확장성과 수요 실현에 대한 자신감을 보여준다. 또한 이는 배터리 업계와 투자자들에게 리튬-황이 본격 상용화에 가까워졌다는 강력한 신호다. 이로 인해 곧 “Li-S 배터리 탑재”를 내세우는 제품이, 적어도 고급 또는 특수 분야에서 등장할 수 있을 것이다.
2025년 3월 – Theion, 자금 조달 및 3배 에너지 주장: 2025년 3월, 로이터는 Theion이 황 배터리의 대량 생산을 위해 1,500만 유로를 조달했다고 보도했습니다. 이 배터리는 “더 많은 에너지를 저장하면서도 기존 리튬이온 배터리보다 훨씬 저렴하다”고 밝혔습니다. reuters.com Theion은 일부 기술 전략을 공개하며, 자사 셀이 리튬이온 대비 3배의 에너지 밀도를 가지며, 비용과 CO₂ 배출량은 1/3이라고 밝혔습니다(앞서 언급됨) reuters.com. Theion은 결정질 황을 사용해 빠른 부식을 방지하고, 음극 구조를 미리 팽창시켜 팽창 문제를 해결한다고 설명했습니다 reuters.com. 이번 자금 조달은 동전형 셀에서 더 큰 파우치 셀(전기차나 항공기에 적합)로 전환하는 데 도움이 될 예정입니다 reuters.com. 이 발전은 한 곳이 아니라 여러 스타트업(Lyten, Theion 등)이 이정표를 달성하고 투자를 유치함으로써, 최소한 한 곳 이상이 상업적으로 성공할 가능성을 높이고 있음을 상기시켜줍니다. 이는 리튬이온 초기 시절, 여러 기업과 국가가 경쟁하던 때를 떠올리게 합니다. 이번에는 미국과 유럽 기업들이 동시에 황 배터리를 밀고 있습니다.
2023 – 2024 – 황 순환 수명 퍼즐 해결하기: 2023년 내내 그리고 2024년에도 여러 연구 그룹이 황 배터리의 수명 연장에 대한 진전을 발표했습니다. 한 가지 하이라이트는 Argonne이 주도한 연구(2022년 8월 Nature Communications에 게재)로, 레독스 활성 중간층이 Li-S 배터리의 안정성을 극적으로 향상시킬 수 있음을 보여주었습니다 anl.gov. 2023년 초, 이들은 이 접근법이 수백 번의 사이클 동안 높은 용량을 유지하는 셀을 제공한다고 보고했습니다 anl.gov, 일상적인 사용에 적합한 Li-S의 실현 가능성에 한 걸음 더 다가갔습니다. 2024년 중반에는 또 다른 팀이 특수 황화철 음극을 사용하여 잘라도 고장이 나지 않는 접이식, 유연한 Li-S 배터리를 보고했습니다 acs.org – Li-S를 사용하는 웨어러블 또는 플렉서블 전자기기를 위한 새로운 해결책입니다. 이러한 점진적 혁신은 중요합니다. 이들은 다황화물 관리, 기계적 스트레스 등과 같은 세부적인 문제를 하나씩 해결합니다. 각 개선은 Li-S 셀이 상업용 전자기기와 차량의 엄격한 요구를 충족하는 데 한 걸음 더 다가가게 합니다.
2024 – 알루미늄 배터리 연구개발 급증: 알루미늄 분야에서도 2024년 말 흥미로운 연구가 있었습니다. 과학자들은 더 높은 용량과 충전 저장 메커니즘에 대한 더 나은 이해를 위해 코발트 황화물과 같은 알루미늄 이온 배터리용 양극 재료를 탐구했습니다 nature.com. “다가 이온” 배터리(Al, Mg, Zn 포함)에 대한 연구도 늘고 있는데, 이들은 종종 도전과 돌파구를 공유합니다 – 예를 들어, 한 시스템에 도움이 되는 전해질 개선이 때로는 다른 시스템에도 적용될 수 있습니다 advanced.onlinelibrary.wiley.com. 인도와 같은 국가들도 Phinergy의 알루미늄-공기뿐만 아니라 인도 환경에 적합한 충전식 알루미늄 배터리를 만들기 위한 학술 연구에도 투자하고 있습니다(정부가 국가 에너지 저장 미션 하에 프로젝트를 지원). 아직 전 세계적으로 큰 주목을 받지는 못했지만, 이들은 전 세계적으로 알루미늄 배터리를 둘러싼 모멘텀을 형성하는 데 기여하고 있습니다.
정책 및 시장 신호: 획기적인 이야기는 단지 기술적인 것만이 아닙니다. 2024~2025년에는 이러한 신형 배터리를 뒷받침하는 강력한 시장 신호가 나타나고 있습니다. 미국 정부의 인플레이션 감축법(IRA) 및 기타 정책들은 국내 배터리 공급망을 장려하고 있습니다. 이는 유황(미국은 석유 정제에서 많은 유황을 생산함)과 알루미늄처럼 현지에서 조달 가능한 소재로 생산할 수 있는 배터리 화학에 이점을 줍니다. 네바다에 위치한 Lyten의 기가팩토리와 미 국방부가 군인이나 위성을 위한 경량 리튬-황(Li-S) 배터리에 관심을 보이는 것도 이러한 인센티브의 결과입니다 lyten.com. 유럽에서는 지속가능성에 대한 추진이 코발트와 니켈이 없는 배터리를 매우 매력적으로 만들고 있어, Theion 등 프로젝트에 대한 EU 자금 지원이 이루어지고 있습니다. 리튬이온 배터리 제조가 지배적인 중국에서도 “차세대” 배터리를 위한 국가 지원 프로그램이 있었으며(예를 들어, CATL이 2023/24년경 고정형 저장장치용 나트륨이온 + 황 하이브리드 배터리 출시를 준비 중인 것으로 알려짐), 이러한 모든 트렌드는 알루미늄 및 황 배터리의 시대가 무르익었음을 보여줍니다. 전 세계가 해법을 찾고 있고, 기술이 그 수요를 따라잡고 있습니다.

본질적으로, 지난 2년간 알루미늄 및 황 배터리는 실험실의 틈새 호기심에서 에너지 저장의 미래를 위한 진지한 경쟁자로 변모했습니다. 한 과학자의 말처럼, “우리는 이 기술이 일상생활에 등장하는 데 한 걸음 더 다가섰다.” anl.gov 이러한 단계별 진전이 바로 지금 일어나고 있으며, 다음 단계는 이러한 혁신의 상용화 확대와 대규모 확장이 될 것입니다.

잠재적 응용 분야 및 청정 에너지와 전기차에 미치는 영향

알루미늄 및 황 배터리의 부상은 다양한 분야에 영향을 미칠 수 있습니다. 가장 유망한 응용 분야와 그 의미는 다음과 같습니다:

🏠 재생 에너지 저장(전력망 및 가정용): 아마도 단기적으로 가장 큰 영향은 청정 에너지를 위한 고정식 에너지 저장에서 나타날 것입니다. 재생 가능 에너지(태양광, 풍력)의 가장 큰 과제 중 하나는 간헐성입니다. 태양과 바람은 24시간 내내 이용할 수 없기 때문에, 생산하지 않을 때를 대비해 에너지를 저장할 수 있는 대규모이면서도 경제적인 배터리가 필요합니다. 리튬이온 배터리는 전력망 저장에 사용되기 시작했지만, 여전히 비교적 비싸고 수입 자재에 의존하고 있습니다. 알루미늄-황 및 나트륨-황 배터리는 매우 저렴한 부품을 사용하여 1킬로와트시 저장 비용을 획기적으로 낮출 수 있습니다. MIT의 새도웨이는 자신의 Al-S 배터리로 가정 및 이웃 규모를 특별히 겨냥했습니다. 즉, “단일 가정이나 소규모~중규모 사업체에 전력을 공급하는 데 필요한 크기”(수십 kWh 수준)입니다 news.mit.edu. 이러한 배터리를 사용하면, 옥상 태양광을 설치한 주택 소유자는 낮에 생산한 에너지를 밤에 저렴하게 저장해 사용할 수 있고, 소규모 사업체는 디젤 발전기 없이도 백업 전력을 확보할 수 있습니다. 더 큰 규모에서는 전력 회사가 알루미늄 기반 또는 나트륨-황 배터리의 대규모 뱅크를 설치해 재생 에너지 생산의 변동성을 완화할 수 있습니다. 시드니 대학교 연구팀은 저비용 Na-S 배터리가 저렴한 저장 솔루션을 제공함으로써 “탈탄소 경제로의 전환 비용을 크게 줄일 수 있다”고 언급했습니다 sydney.edu.au. 양수식 수력 저장에 적합한 지형이 없는 지역에서는 이러한 전기화학적 솔루션이 핵심입니다. 또한, 이 신형 배터리는 불연성(지역사회 안전에 중요)이고 풍부한 자재를 사용하므로, 많은 지역에서 현지 생산 및 설치가 가능해 에너지 안보를 강화할 수 있습니다. 전반적으로, 널리 보급된 알루미늄/황 고정식 배터리는 재생 에너지 보급률 증가, 출력 제한(저장 부족으로 인한 태양광/풍력 낭비) 감소, 그리고 청정하고 즉시 공급 가능한 전력으로 전력망 안정화에 기여할 것입니다.
🚗 전기차(EV): 더 가볍고 에너지 밀도가 높은 배터리는 전기차는 물론 전기 항공 분야에서도 성배와 같습니다. 리튬-황(Li-S) 배터리는 이 분야에서 특히 매력적입니다. Li-S 팩은 EV의 주행 거리를 극적으로 연장할 수 있으며, 무게를 추가하지 않고도 가능하거나, 반대로 동일한 주행 거리를 훨씬 가벼운 배터리로 달성하여 효율성을 높일 수 있습니다. 예를 들어, 현재 EV가 300마일 주행을 위해 600kg의 리튬이온 배터리가 필요하다면, 에너지 밀도가 2배인 Li-S 배터리는 약 300kg으로 이를 달성할 수 있어 차량 무게를 크게 줄일 수 있습니다. 이는 가속, 핸들링을 개선하고 마일당 소비 에너지를 줄여줍니다. 또한 전기 트럭과 버스의 적재 중량을 확보해 더 실용적으로 만들 수 있습니다. Oxis Energy(폐업 전)와 Sion Power 같은 기업들은 항공우주 및 자동차 파트너들과 함께 장거리 항공기 및 EV용 Li-S 프로토타입 팩을 개발했습니다. 실제로 Sion Power의 초기 Li-S 셀은 고고도 의사위성(무인 태양광 비행기)에 전력을 공급해 2010년대 비행 지속 시간 기록을 경신했습니다. 최근에는 NASA와 에어버스가 실용적인 전기 여객기를 위해 필요한 500 Wh/kg을 달성할 수 있는 거의 유일한 방법으로 Li-S를 검토하고 있습니다 businessaviation.aero – 이들의 SABERS 프로젝트 성공은 황 배터리를 사용하는 지역 전기 항공기의 등장을 예고합니다. 전기 플라잉 택시와 드론 역시 큰 혜택을 볼 수 있습니다; Theion은 명시적으로 플라잉 모빌리티를 목표로 언급했습니다 reuters.com. Li-S 외에도 알루미늄-공기 배터리 역시 EV에서 역할을 할 수 있습니다: 장거리 주행 시 활성화하는 주행거리 확장 모듈로 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 일상 출퇴근용 소형 리튬이온 배터리와, 1,000km 장거리 여행 시에만 알루미늄을 교체해 사용하는 알루미늄-공기 “보조 배터리”가 있는 EV를 상상해보세요. 이러한 하이브리드 배터리 구조는 Indian Oil/Phinergy 등 여러 프로젝트에서 검토되고 있습니다. 주류 EV가 하루아침에 완전히 새로운 화학식으로 전환되지는 않겠지만 – 안전성, 수명, 급속 충전이 입증되어야 하므로 – 2020년대 후반에는 고급 모델이나 특수 목적 차량에 차세대 배터리가 탑재될 가능성이 있습니다. 만약 그렇게 된다면, EV 성능이 새로운 차원(500마일 이상 주행, 매우 빠른 충전, 더 가벼운 차량)으로 도약하고, 핵심 광물 의존도를 줄여 자원 병목 없이 대규모 EV 보급을 가능하게 할 수 있습니다.
📱 휴대용 전자기기 및 웨어러블: 미래의 스마트폰이나 노트북 역시 황 또는 알루미늄 배터리의 혜택을 볼 수 있습니다. 다만, 이러한 용도는 긴 사이클 수명과 낮은 자기방전율을 요구합니다(이 부분에서 현재는 리튬이온이 뛰어남). 리튬-황 배터리를 사용하면 휴대폰을 며칠씩 충전 없이 사용할 수 있습니다 – 모나시 대학의 5일간 지속되는 Li-S 배터리 스마트폰 컨셉을 떠올려 보세요 advancedsciencenews.com. 무게 절감은 휴대폰에서는 덜 중요하지만, 에너지 밀도는 매우 중요합니다. 한 가지 과제는, 소비자 전자기기는 수백 번의 충전 사이클과 수년간의 수명을 기대한다는 점입니다; Li-S는 이를 충족하려면 더 많은 개선이 필요합니다. 그럼에도 불구하고, 특정 틈새 기기나 웨어러블 기기에서 폼팩터(형태)상의 이점이 있다면 채택될 수 있습니다. 특히 스탠포드 대학의 유연한 디자인처럼 알루미늄 배터리는 접거나 말 수 있는 기기를 가능하게 할 수 있습니다. 예를 들어, 유연한 알루미늄 이온 배터리는 스마트워치의 스트랩이나 스마트 의류에 통합될 수 있습니다. 또한, Al-ion은 매우 안전하게 만들 수 있기 때문에(화재 위험 없음), 부피가 큰 보호 케이스 없이도 기기에 내장할 수 있고, 더 창의적인 산업 디자인도 가능할 수 있습니다. 이는 아직은 추측에 불과하지만, 제조 기술이 발전함에 따라 소비자 전자기기는 중요한 시장이 될 수 있습니다(실제로 1990년대 리튬이온 배터리의 초기 성장도 이 시장에서 시작되었습니다).
⚡ 초고속 충전 인프라: 덜 눈에 띄지만 중요한 또 다른 응용 분야는 이러한 신형 배터리를 사용해 전기차의 초고속 충전을 가능하게 하고 전력망을 안정화하는 것입니다. 사도웨이 교수의 지적처럼, 많은 전기차가 동시에 충전하려고 하면(예: 고속도로 휴게소에서 여러 대가 한꺼번에 충전), 전력 수요가 전력망이 쉽게 공급할 수 있는 수준을 초과하게 됩니다 news.mit.edu. 송전선을 업그레이드하는 대신, 충전소에 배터리 버퍼를 설치하는 것이 더 현명합니다 – 이 배터리는 전력망에서 천천히 충전되고, 필요할 때 차량에 빠르게 전력을 공급합니다. 이러한 버퍼 배터리에는 비용과 안전성이 가장 중요하며, 무게는 덜 중요합니다. 따라서 알루미늄-황 또는 나트륨-황 배터리가 이상적인 후보가 됩니다. 이들은 현장에 설치되어 저렴하게 에너지를 저장하고, 화재 위험이 없으며, 빠르게 전력을 방출할 수 있습니다. 사도웨이 교수는 특히 Al-S 시스템이 “여러 대의 초고속 충전기 설치를 위해 값비싼 신규 송전선 설치의 필요성을 없앨 수 있다”고 언급했습니다 news.mit.edu. 본질적으로, 이러한 배터리는 전력망의 충격 흡수 장치 역할을 하여, 잉여 에너지를 흡수하고 필요할 때 방출할 수 있습니다. 이는 전기차 충전 수요 급증이나 재생에너지 출력 변동을 조절하는 데 모두 유용합니다.
🏭 산업 및 상업용 백업: 통신 타워가 알루미늄-공기 배터리를 백업 전원으로 사용하는 것처럼, 다른 산업 및 상업 시설들도 알루미늄 또는 황 배터리를 사용하여 신뢰성을 확보하고 디젤 발전기 의존도를 줄일 수 있습니다. 예를 들어 데이터 센터는 안전하고, 대기 수명이 길며, 대규모로 비용 효율적인 배터리를 원합니다. 현재 UPS(무정전 전원 공급 장치)에 사용되는 리튬이온 또는 납축전지 대신 나트륨-황 배터리실이 들어서는 모습을 상상할 수 있습니다. 외딴 지역이나 오프그리드 현장에서는 자주 교체할 필요가 없는 저렴한 배터리가 매우 가치 있습니다(유지보수 방문 감소). 알루미늄-황 배터리는 kWh당 매우 저렴할 것으로 예상되어, 농촌이나 섬 지역 커뮤니티에서 태양광/풍력과 결합해 24시간 전력을 저렴하게 제공하는 마이크로그리드를 가능하게 할 수 있습니다.
🚀 항공우주 및 국방: 이러한 배터리의 높은 성능은 자연스럽게 항공우주 및 국방 분야에 매력적입니다. 앞서 언급했듯, 위성 및 고고도 드론(유사 위성)은 가볍고 저온에서 성능이 좋은 Li-S를 성공적으로 사용해왔습니다(우주 배터리는 종종 차갑게 작동함). 미군은 군인들이 많은 무게의 리튬이온 팩을 들고 다니는 부담을 줄이기 위해 더 가벼운 배터리에 관심이 있습니다. 황 배터리는 그 무게를 획기적으로 줄일 수 있습니다. 또한 황 배터리는 산소 방출 화합물이 없기 때문에(열폭주 시 O₂를 방출할 수 있는 리튬이온과 달리), 잠수함이나 우주선처럼 밀폐된 환경에서 더 안전할 수 있습니다. 알루미늄-공기 배터리는 알루미늄으로 연료 보충이 가능한 장기 운용 무인 잠수함의 수중 전원으로 사용될 수 있습니다. 국방 분야는 종종 첨단 기술의 초기 수용자 역할을 하며, 이후 민간으로 확산되기 때문에, 알루미늄 및 황 배터리 기술에 대한 이들의 투자는 개발을 가속화할 수 있습니다. 실제로, Lyten이 2024~25년에 우주, 드론, 국방 시장과의 초기 협력을 통해 국방 계약이 기술을 lyten.com에서 더 넓은 소비자 사용 전에 입증하는 데 도움이 되고 있음을 시사합니다.

이 모든 응용 분야에서, 가장 큰 영향은 청정 에너지 전환을 더 빠르고 더 멀리 추진할 수 있다는 점입니다. 배터리 비용을 대폭 낮추고 리튬이온 공급망의 제약에서 벗어남으로써, 알루미늄 및 황 배터리는 더 많은 사람들이 전기차를 이용할 수 있게 하고(운송 탈탄소화에 필수), 재생에너지를 더 신뢰할 수 있고 널리 사용할 수 있게 하며(전력 탈탄소화에 필수), 심지어 전기 비행과 같은 새로운 가능성도 열 수 있습니다. 또한 사용 시 환경적 이점도 있습니다. 예를 들어, 디젤 백업 발전기를 알루미늄-공기 또는 나트륨-황 배터리로 대체하면 지역 대기 오염과 CO₂ 배출이 줄어듭니다. 만약 이 기술이 약속을 지킨다면, 세계는 더 저렴한 전기차, 더 탄탄한 청정 전력망, 희귀 금속 채굴 감소를 보게 될 것입니다. 이는 경제와 환경 모두에 긍정적인 선순환을 가져올 수 있습니다.

경제적 및 환경적 영향

경제적 관점에서 알루미늄 및 황 배터리는 에너지 저장 비용을 낮추고 공급망을 다각화함으로써 가장 긍정적인 방식으로 판도를 바꿀 수 있습니다. 배터리는 전기차(EV)나 재생에너지 시스템 비용의 상당 부분을 차지하므로, 더 저렴한 배터리는 더 저렴한 제품과 더 빠른 보급을 의미합니다. 분석가들은 알루미늄과 황 같은 소재가 리튬, 니켈, 코발트에 비해 극히 일부의 비용만 든다고 지적해왔습니다. 예를 들어, 한 추정치에 따르면 알루미늄-황 전지의 소재 비용은 동등한 리튬이온 전지의 약 15%에 불과합니다 news.mit.edu. 이러한 절감 효과가 제조로 이어진다면, 배터리 가격(킬로와트시당)이 현재의 리튬이온 가격 하락 곡선보다 훨씬 더 낮아질 수 있습니다. 저렴한 저장장치는 경제 성장을 촉진할 수 있는데, 이는 새로운 비즈니스 모델(예: 더 많은 태양광 발전소, 지역 사회 저장 프로젝트 등)을 가능하게 하고, 소비자의 에너지 비용을 낮추기 때문입니다(매일 오후 태양광으로 가정용 배터리를 충전하고, 전력망의 피크 요금을 한 번도 내지 않는다고 상상해보세요).

또한 지정학적 측면도 있습니다. 현재 리튬이온 배터리 생산은 특정 국가에 집중되어 있으며(중국이 셀 제조를 주도하고, DRC와 같은 국가들이 핵심 광물을 공급), 반면 알루미늄은 전 세계적으로 제련되고(재활용도 지역 공급원이 됨), 황은 어디에나 있습니다. 리튬 자원이 없는 많은 국가들도 실제로 강력한 알루미늄 산업을 보유하고 있습니다(예: 인도, IOC Phinergy 사례 참조). 따라서 알루미늄 기반 배터리는 더 많은 국가들이 수입 리튬이나 코발트에 의존하지 않고 자국 내 배터리 산업을 구축할 수 있게 해줄 수 있습니다. 이러한 다각화는 글로벌 공급망 위험을 줄이고, 전기 모빌리티 및 재생에너지로의 전환을 공급 부족이나 정치적 불안정에 더 강하게 만들 수 있습니다. 네바다에 계획된 Lyten 공장이 그 예시로, 미국산 황을 사용하고 배터리를 국내에서 조립함으로써 lyten.com 배터리 공급망의 국내 회귀 및 지역 일자리 창출 정책과 부합합니다(이 한 공장에서 완전 가동 시 1,000개의 일자리가 창출될 것으로 예상됨 lyten.com).

환경 측면에서도 이 배터리들은 여러 가지 이점을 제공합니다:

더 낮은 탄소 발자국: 배터리 제조는 에너지가 많이 들지만, 황과 알루미늄 배터리는 덜 복잡한 공정으로 만들 수 있습니다. 코발트와 니켈 정제는 특히 탄소 배출이 많습니다. 이를 배제함으로써 제조업체는 배터리 1kWh당 CO₂ 배출량을 줄일 수 있습니다. Theion은 자사의 황 배터리가 리튬이온 대비 탄소 발자국을 2/3 줄였다고 주장했습니다 reuters.com. 또한 황은 폐기물 부산물로 얻을 수 있어(추가 탄소 비용이 사실상 0), 알루미늄 재활용은 1차 알루미늄 생산 에너지의 약 5%만 사용하므로, 배터리에 재활용 알루미늄을 사용하면 내재 에너지가 크게 줄어듭니다.
재활용 및 수명 종료: 알루미늄은 이미 가장 많이 재활용되는 소재 중 하나입니다(알루미늄 캔을 생각해 보세요). 고철 알루미늄을 녹여서 재사용하는 인프라가 이미 존재합니다. 알루미늄-금속 배터리가 보편화된다면, 사용이 끝난 알루미늄 음극이 일상적으로 수거되어 높은 효율로 재활용되는 모습을 상상할 수 있습니다 – 배터리 금속의 순환 경제가 실현되는 것이죠. 배터리 맥락에서의 황은(특히 화합물로 결합되어 있다면) 셀에서 직접 재활용하는 것이 더 까다로울 수 있지만, 황은 저렴하고 무독성이기 때문에 매립지에 버려진다 해도 예전 배터리의 납이나 카드뮴만큼 큰 환경적 위험은 아닙니다. 연구자들은 황을 회수하거나 배터리에서 나온 폐황을 유용한 화학물질(예: 비료에 사용되는 황)로 전환하는 방법을 찾을 수도 있습니다. 이러한 배터리에는 중금속이 없기 때문에, 덜 유독한 전자 폐기물이 부적절하게 폐기되더라도 발생하며, 이상적으로는 재활용 시설에서의 취급도 더 쉬워집니다.
채굴 영향 감소: 리튬, 코발트, 니켈의 채굴은 상당한 환경적·사회적 영향을 미칩니다 – 리튬 염수 추출 시의 물 사용, 니켈 광산 주변의 서식지 파괴와 오염, 일부 코발트 채굴 현장의 아동 노동 문제 등이 있습니다. 이러한 소재의 필요성을 줄이거나 없앰으로써, 알루미늄 및 황 배터리는 이러한 부담을 완화할 수 있습니다. 알루미늄 역시 영향이 없는 것은 아니지만(보크사이트 채굴과 알루미늄 제련에는 적니 폐기물과 높은 전력 사용 등 자체적인 문제가 있음), 많은 국가에서 이러한 공정은 잘 규제되고 있고, 기술도 발전하고 있습니다(예: 배출을 줄이기 위한 알루미늄 제련용 불활성 음극). 그리고 재활용 알루미늄을 사용하면 신규 채굴의 필요성이 크게 줄어듭니다. 황의 사용은 대부분 기존 부산물을 재활용하는 것이므로 – 오히려(막대한 황 재고 문제를) 해결할 수 있습니다.
안전 및 건강: 리튬이온 배터리의 화재는 우려 사항이었습니다. 리튬이온이 연소될 때 유독 가스를 방출하고, 진화하기 어려운 화재를 일으킬 수 있기 때문입니다(일부 전기차 화재 사례에서 볼 수 있듯이). 불연성 배터리는 화재 사고를 줄여 사회적으로 안전성을 높입니다. 또한 운송 및 폐차장에서의 배터리 취급도 더 안전해집니다. 예를 들어, 리튬이온 팩이 장착된 폐차된 전기차는 손상 시 화재 위험이 있지만, 알루미늄-황 팩이 장착된 전기차는 해체 시 훨씬 더 안전할 수 있습니다. 소비자 기기에서도 마찬가지로 – 폭발하거나 불이 붙는 기기가 줄어드는 것(악명 높은 휴대폰 배터리 화재를 생각해 보세요)은 공중 보건과 배터리 기술에 대한 신뢰에 도움이 됩니다.
청정 백업 전력: 현재 디젤 발전기에 의존하는 백업 또는 원격 전력(섬, 비상 대피소, 통신탑 등) 지역에서 이를 알루미늄-공기 또는 나트륨-황 배터리로 대체하면 디젤 연소가 사라져 온실가스 배출, 미세먼지 오염, 소음이 모두 없어집니다. 이는 직접적인 환경 및 삶의 질 개선입니다. 예를 들어, 인도의 통신탑이 알루미늄-공기 배터리로 작동하면 현지 배출이 전혀 없지만, 디젤 발전기는 대기 오염과 탄소 배출에 기여합니다.

결국, 알루미늄과 황 배터리는 에너지 저장의 민주화 – 즉, 우리가 필요한 모든 곳에 배터리를 배치해 청정 에너지 미래를 실현할 수 있을 만큼 저렴하고 환경적으로 무해하게 만들 잠재력이 있습니다. 만능 해결책은 아니겠지만(여러 종류의 배터리 기술이 병용될 가능성이 높음), 이들이 시장에 진입하면 비용을 낮추고 모든 배터리 제조업체가 지속가능성을 개선하도록 압박할 수 있습니다.

물론, 이러한 배터리의 경제적 성공이 보장된 것은 아닙니다. 저렴하게 대량 생산할 수 있고 신뢰성 있게 작동해야 합니다. 하지만 최근의 투자와 시제품 성공 사례는 매우 고무적입니다. 만약 성공한다면, 그 보상은 저렴한 전기차나 더 나은 전자기기뿐만 아니라, 우리가 사용하는 배터리로 인한 환경적 피해를 의미 있게 줄이고 전 세계 탈탄소화 노력에 힘을 보태는 것입니다.

결론: 흔한 원소로 충전된 밝은 미래

한때 이변의 기술로 여겨졌던 알루미늄 및 황 배터리가 상업적 현실로 빠르게 다가오고 있습니다. 이 배터리들은 단순하고 풍부한 재료로 복잡한 에너지 문제를 해결하자는 매력적인 아이디어를 보여줍니다. 지난 몇 년간 화학 및 재료과학의 발전으로 이 아이디어는 실현에 훨씬 가까워졌습니다. 이제 우리는 몇 분 만에 고속 충전이 가능하고 수천 번의 충방전을 견디는 알루미늄-황 전지 시제품 nature.com, 10년 전에는 상상만 했던 에너지 밀도에 도달한 리튬-황 배터리 reuters.com, 실제 현장에서 청정 전력을 공급하는 알루미늄-공기 시스템 evreporter.com까지 보유하게 되었습니다.

희귀 금속과 값비싼 수입품에 대한 의존에서 벗어나, Al과 S처럼 “지하실 특가” 원소로 만든 배터리로 전환하는 것은, 실리콘이 전자산업을 변화시켰던 것처럼 배터리 산업을 재편할 수 있습니다. 즉, 대규모 확장과 비용 절감을 가능하게 합니다. Sadoway는 이 새로운 배터리들이 “배터리가 갖추어야 할 모든 것을 갖췄다. 저렴한 전극, 우수한 안전성, 고속 충전, 유연성, 긴 수명”이라고 농담처럼 말했습니다 news.stanford.edu. 아직 해결해야 할 문제들이 남아 있지만, 방향은 분명합니다.

앞으로 몇 년 안에 시범 도입 소식을 듣게 될 것입니다(아마도 MIT의 알루미늄-황 전지를 사용하는 캘리포니아의 태양광 발전소, 혹은 Lyten의 Li-S 팩으로 신기록을 세우는 드론 등). 생산이 확대되면 비용은 더 떨어질 것이고, 수명이나 작동 온도 등 남은 기술적 과제도 전 세계적으로 진행 중인 집중 연구로 해결될 가능성이 높습니다.

일반 대중에게는 그 영향이 미묘하지만 중요한 방식으로 다가올 수 있습니다. 더 저렴하고 더 멀리 가는 전기차, 주말 내내 충전이 유지되는 스마트폰, 정전 시에도 배터리로 불을 밝히는 동네, 그리고 이 모든 것이 알루미늄 호일과 비료(황)만큼 흔한 재료로 이루어진다는 사실. 전 세계의 배터리 수요는 계속 증가하고 있으며, 알루미늄과 황 기술은 우리가 그 수요를 지속가능하게 충족할 수 있도록 보장합니다.

이 배터리 개발에 참여한 한 과학자는 낙관적으로 다음과 같이 말했습니다. “이 결과는 … [배터리] 개발에 엄청난 영향을 미칩니다. 우리는 이 기술이 일상생활에 적용되는 데 한 걸음 더 다가섰습니다.” anl.gov 실제로, 우리의 삶이 지구상에서 가장 평범한 두 원소인 알루미늄과 황에 의해 구동되는 미래가 이제 눈앞에 다가왔습니다. 에너지 저장의 혁명이 진행 중이며, 이는 흔한 화학, 혁신적인 공학, 그리고 더 깨끗하고 저렴한 에너지 미래를 향한 절박한 추진력 위에 세워지고 있습니다.

출처: 이 보고서의 정보와 인용문은 최근의 신뢰할 수 있는 자료, 동료 평가를 거친 연구, 대학 보도자료, 업계 뉴스, 그리고 로이터 통신 보도를 바탕으로 작성되었습니다. 주요 참고 문헌에는 알루미늄-황 배터리에 관한 MIT News news.mit.edu, 리튬-황 분야에서의 Argonne National Lab의 혁신 anl.gov, Theion과 Lyten의 개발에 대한 로이터 보도 reuters.com, lyten.com, 그리고 업계 리더와의 인터뷰(예: 알루미늄-공기 배터리의 장점에 대한 Phinergy CEO의 인터뷰 evreporter.com) 등이 있습니다. 본문 전반에 걸친 이와 같은 인용문들은 제기된 주장에 대한 상세한 근거를 제공합니다.