수소 이온의 형태에 따라 현재의 수소 기반 전지는 크게 두 가지로 구분된다: 양성자 기반의 수소연료전지(Proton-based Fuel Cells)와 수소화물 이온 기반의 전지(Hydride-Ion Batteries)이다.
수소연료전지의 기본 작동 원리
(예: 양성자 교환막 연료전지, 그림 1 참고):
그림 1. 수소연료전지의 작동 원리(양성자 교환막 연료전지, Proton Exchange Membrane Fuel Cell)
· 수소 공급:
수소는 음극(애노드, anode)에 공급된다.
· 음극 반응(산화 반응):
음극 촉매(일반적으로 백금)에서 수소 분자는 두 개의 양성자(H⁺)와 두 개의 전자(e⁻)로 분해된다.
· 화학 반응식:
H₂ → 2H⁺ + 2e⁻
· 이온 이동:
양성자(H⁺)는 전지 중앙의 양성자 교환막(PEM, Proton Exchange Membrane)을 통과하여 양극(캐소드, cathode)으로 이동한다. 이 막은 전자의 통과를 차단한다.
· 전자 이동:
전자(e⁻)는 양성자 교환막을 통과할 수 없기 때문에 외부 회로를 통해 양극으로 이동한다. 이때 직류(DC) 전류가 생성되며, 이는 모터 구동이나 전자기기 전력 공급에 활용될 수 있다.
· 산소 공급:
대기 중의 산소(O₂)는 양극(캐소드)에 공급된다.
· 양극 반응(환원 반응):
양극에서 양성자(H⁺), 전자(e⁻), 산소(O₂)가 결합하여 물(H₂O)을 형성한다.
· 화학 반응식:
O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O
· 부산물 제거:
반응 과정에서 생성된 물과 열은 부산물로 배출된다.
수소화물 이온전지(Hydride-Ion Battery)의 기본 작동 원리
(그림 2 참고):
그림 2. 수소화물 이온전지의 작동 원리
· 방전 시:
양극의 NaAlH₄는 고체 전해질 3CeH₃@BaH₂로 직접 수소화물 이온(H⁻)을 방출하며, 방출된 전자는 외부 회로를 따라 음극으로 이동한다. 음극에서는 CeH₂가 이 수소화물 이온을 흡수하고 전자를 방출한다.
· 충전 시:
음극의 CeH₂는 방전 과정에서 흡수했던 수소화물 이온을 다시 방출하며, 전자는 외부 회로를 따라 음극에서 양극으로 이동한다.
수소화물 이온전지는 양극과 음극 사이의 전자 이동과 함께 수소화물 이온(H⁻)의 이동으로 작동한다. 양성자 기반의 수소연료전지와 달리 양이온과 음이온의 결합 반응이 없으며 부산물이 발생하지 않는다. 또한, 리튬이온전지처럼 리튬이온을 전하 운반체로 사용하는 대신, 수소화물 이온을 사용함으로써 금속 덴드라이트(dendrite) 형성을 근본적으로 방지할 수 있다.
수소화물 이온전지의 주요 과제는 기존의 수소화물 전해질 소재에 있다. 이들은 전극 물질과의 화학적 비호환성, 낮은 수소화물 이온 전도도, 전자 전도 억제의 어려움 등을 가지고 있다. 일부 수소화물 물질이 수소화물 이온을 전달할 수 있더라도, 전자 전도를 충분히 억제하지 못해 전자가 내부 단락을 일으키는 문제가 발생한다.
중국과학원 대련화학물리연구소(DICP)의 첸핑(Chen Ping) 교수, 차오후쥔(Cao Hujun) 교수, 장웨이진(Zhang Weijin) 부연구원 연구팀은 단순한 기계적 볼밀링(ball milling) 공정을 통해 CeH₃의 표면을 BaH₂로 코팅한 ‘코어-쉘 구조(core-shell structure)’ 를 혁신적으로 설계하였다. 결정성이 높은 CeH₃에 비해 CeH₃@BaH₂의 전도도는 3.0×10⁻² S·cm⁻¹에서 3.2×10⁻⁶ S·cm⁻¹로 약 4자릿수 감소하였으며, 이는 그림 3에 나타나 있다.
그림 3. 상온에서의 CeH₃, BM-CeH₃ 및 3CeH₃@BaH₂ 시료의 전자 전도도(σₑ). 삽화는 3CeH₃@BaH₂ 내에서의 H⁻ 및 전자 이동 모식도임.
이러한 향상은 기계적 처리로 유도된 구조적 변형과 계면에서 형성된 특수한 배위 구조(coordination configuration) 에서 비롯된다. 구체적으로, Ba와 Ce는 각각 벌크 상태와는 다른 왜곡된 BaH₅ 및 CeH₆ 배위 구조를 공유하며, 이는 계면에서 전자 밀도가 높은 전자 풍부층(electron-rich interface)을 형성한다. 여기에 BaH₂ 층의 넓은 밴드갭(3.27 eV) 이 결합되어, 이종 접합(heterojunction)을 통한 전자 이동을 효과적으로 차단한다.
BaH₂ 코팅 함량은 전자 전도도와 수소화물 이온 전도율 모두에 큰 영향을 미친다.
BaH₂ 함량이 너무 높으면 전자 전도도와 수소화물 이온 이동률이 모두 감소하며,
반대로 BaH₂ 함량이 부족하면 전자 전도를 충분히 억제하지 못한다.
따라서 최적의 비율로 합성된 3CeH₃@BaH₂ 소재 는 상온에서 가장 우수한 성능을 보인다.
전기화학 임피던스 분광법(EIS) 측정 결과, 이 소재는 10⁻⁴ S·cm⁻¹ 이상의 수소화물 이온 전도도 와 0.99 이상의 이온 전달수(ion transfer number) 를 달성하여 설계 목표를 성공적으로 실현하였으며, 이는 그림 4에 나타나 있다.
그림 4. 20℃에서 다양한 비율의 nCeH₃–BaH₂ 시료의 이온 전도도(σᵢ), 전자 전도도(σₑ) 및 이온 전달수(tᵢ). 3:1 비율의 시료는 높은 이온 전도도와 가장 높은 전달수를 나타낸다.
간단히 말해, 이 소재 설계는 수소화물 이온(H⁻) 이 자유롭게 이동할 수 있는 고속도로를 구축하면서 동시에 전자(e⁻) 의 이동을 차단하는 장벽을 세운 것과 같습니다. 이러한 설계에 기반한 CeH₂|3CeH₃@BaH₂|NaAlH₄ 수소화물 이온 1차 전지의 성공적인 개발은 수소화물 이온 전지 연구에서 중요한 돌파구를 의미한다.
이 수소화물 이온 전지는 고온 환경이 아닌 상온에서도 안정적으로 작동하며, 높은 수소화물 이온 전도도를 유지합니다. 이는 실온 조건에서의 실용적 응용 가능성을 강하게 보여주는 핵심 지표이다.
수소 연료전지(양성자 기반):
현재 전기자동차용 주류 수소 연료전지는 PEMFC(양성자 교환막 연료전지) 입니다.
이 전지는 60℃~80℃ 범위에서 작동하며, 빠른 시동, 높은 출력 밀도, 그리고 소형화된 발전 모듈(Figure 5)을 특징으로 합니다.
또한 카르노 사이클의 한계를 받지 않기 때문에 실제 종합 효율은 50~60% 에 달합니다.
수소는 140 MJ/kg 의 매우 높은 에너지 밀도를 가지며, 4분 이내에 연료 주입이 가능하여 중형 세단이나 SUV가 400km 이상 주행할 수 있습니다.
자동차용 연료전지의 출력은 최대 125kW 에 이릅니다.
그림 5. 수소 연료전지 차량 내부 구조 (혼다 CR-V e:FCEV)
전고체 수소화물 이온 전지는 상온에서 984 mAh/g의 우수한 초기 충·방전 비특정 용량을 나타냅니다. 20회 충·방전 사이클 후에도 402 mAh/g의 용량을 유지하며, 최대 전압은 1.9 V에 도달했습니다. 연구팀은 이 전지를 이용해 LED 램프를 실제로 점등하는 데 성공했으며, 그 모습이 그림 6에 나타나 있다.
그림 6. CeH₂|3CeH₃@BaH₂|NaAlH₄ 직렬 전지의 1.3 mA cm⁻² 전류 조건에서의 방전 곡선 및 노란색 LED 점등 사진
수소 연료전지(양성자 기반) 는 근본적으로 발전 장치의 성격을 지니며, 전력을 이용해 수소 에너지를 생성하고 이를 다시 전기로 변환한다.이 방식은 높은 열효율과 짧은 충전(주입) 시간을 통해 우수한 사용자 경험을 제공한다.배출물은 물(H₂O) 뿐이므로 친환경적이다.기존의 리튬이온전지가 복잡한 제조 및 재활용 공정을 필요로 하는 것과 달리, 수소 연료전지는 지속 가능한 에너지 솔루션으로 주목받고 있다. 현재 BMW iX5를 비롯하여 일부 모델이 양산 단계에 들어섰으며, 현대 넥쏘(Nexo), 토요타 미라이(Mirai), 혼다 CR-V e:FCEV 등이 일반 소비자에게 판매되고 있다.다만 대부분의 수소전기차는 연료전지만으로 구동되지 않으며, 가속력과 고속 주행 성능 향상을 위해 고성능 배터리가 함께 탑재된다. 그럼에도 불구하고, 수소 연료전지는 여전히 수소 저장 및 운송 문제, 안전성 우려, 충전 인프라 부족 등의 과제에 직면해 있다.한편, 리튬 배터리 기술의 급속한 발전—예를 들어 BYD의 메가와트급 초고속 충전 기술이나 화웨이의 액체 냉각 슈퍼 충전 시스템(그림 7)—로 인해, 향후 수소 연료전지의 시장 경쟁력은 기술 혁신의 지속 여부에 따라 달라질 전망이다.
그림 7. BYD 메가와트급 초고속 충전 및 화웨이 액체 냉각 슈퍼 충전 시스템
수소화물 이온 전고체 전지는 이제 개념 단계를 넘어 실험실 연구 단계로 진입했다. 양성자 기반 수소 연료전지와 달리, 수소화물 이온 전지는 반복적인 충전 및 방전이 가능하여 진정한 이차전지(충전식 전지) 로 분류된다. 비록 현재 에너지 밀도가 전통적인 수소 연료전지보다 낮고, 사이클 안정성(수명) 또한 개선이 필요하지만, 리튬이온전지보다 훨씬 높은 에너지 밀도를 가지고 있다.
현재 수소화물 이온 전고체 전지의 시험 장비로는 NEWARE 전고체 금형 및 환경 시험 챔버가 활용되고 있으며, 이 장비는 –70℃에서 150℃까지의 온도 환경을 지원하고, 챔버 용량은 100L에서 최대 1000L까지 다양하게 구성되어 있다(그림 8). 그러나 상용화를 위해서는 여전히 여러 과제가 남아 있다. 특히 제조 비용 절감, 작동 전압 향상, 사이클 수명 연장, 그리고 장기적 안정성 확보가 향후 시장 진입의 핵심 조건으로 꼽힌다.
그림 8. 수소화물 이온 전고체 전지로 전구를 점등한 모습, NEWARE 전고체 전지 금형 및 환경 시험 챔버
[1] Cui J, Zou R, Zhang W 등. 상온에서 충전 가능한 전고체 수소화물 이온 전지 [J]. Nature, 2025: 1–5.
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Seoul: NEWARE
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