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[IT뉴스]스마트폰·전기차 충전 스트레스…‘충전 없는 배터리’ 가능할까

온카뱅크관리자

2026-09-19 18:07:26

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 <img alt="'빨리 충전'에서 '충전 없이'까지. 게티이미지뱅크" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202609/19/dongascience/20260919180209204ctml.jpg" data-org-width="680" dmcf-mid="q8aPnoMVJR" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img1.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202609/19/dongascience/20260919180209204ctml.jpg" width="658">
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 '빨리 충전'에서 '충전 없이'까지. 게티이미지뱅크
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 스마트폰 배터리가 얼마 남지 않아 충전기를 찾거나 전기차로 장거리 이동을 앞두고 충전소와 충전 시간을 확인하는 일은 이제 익숙한 풍경이다. 배터리를 사용하는 기기가 늘면서 얼마나 빨리 충전하고, 한 번 충전한 배터리를 얼마나 오래 사용할 수 있는지는 일상에서 체감하는 기술의 성능이 됐다.
 과학자들은 급속충전 과정에서 발생하는 열을 효과적으로 식히고, 충·방전을 반복할수록 배터리 성능이 떨어지는 원인을 찾아 수명을 늘리는 연구를 이어가고 있다. 한편에서는 외부 충전 없이 장기간 전력을 생산하는 전지도 개발되고 있다. ‘더 빨리, 더 오래’ 쓰는 배터리에서 ‘충전하지 않는 배터리’까지 배터리 기술은 어디까지 왔을까.
 ● 배터리 속에 ‘냉각수 길’…10분 만에 충전
 전기차 배터리는 셀의 크기를 키우면 에너지 밀도를 높이고 생산 단가를 낮출 수 있지만 급속충전 때 발생하는 열을 제어하기 어려워진다. 원통형 배터리는 지름이 커질수록 내부에서 발생한 열이 외부로 빠져나가기 어렵고, 높은 온도는 배터리 소재의 열화와 안전성 문제로 이어질 수 있다.
 한국에너지공대는 송주현 에너지공학부 교수팀이 셀 중심부에 냉각 채널을 통합한 ‘튜브형 배터리’를 개발했다고 지난 7월 30일 밝혔다. 연구팀은 기존 원통형 배터리에서 활용되지 않던 셀 중앙 공간에 냉각수가 흐르는 통로를 만들어 배터리 안팎에서 동시에 열을 식히도록 했다.
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 <img alt="연구팀이 개발한 튜브형 배터리는 충전 과정에서 내부 온도가 낮게 유지되며 배터리 소재 열화 반응이 억제된 것으로 분석됐다. 한국에너지공대 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202609/19/dongascience/20260919180210415uamh.jpg" data-org-width="680" dmcf-mid="b49cIhDgdx" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img4.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202609/19/dongascience/20260919180210415uamh.jpg" width="658">
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 연구팀이 개발한 튜브형 배터리는 충전 과정에서 내부 온도가 낮게 유지되며 배터리 소재 열화 반응이 억제된 것으로 분석됐다. 한국에너지공대 제공
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 지름 46mm 셀을 6C 조건으로 급속충전한 결과 튜브형 배터리의 최고 온도는 44.5도로, 기존 원통형 배터리의 58.1도보다 13.6도 낮았다. 배터리를 5%에서 95%까지 충전하는 데는 9.6분이 걸렸다. 급속충전을 500회 반복한 뒤 용량 유지율도 기존 배터리의 76%보다 높은 91.5%였다.
 연구팀은 냉각 성능을 개선하면 성능 저하 없이 배터리 셀의 크기를 키우고 생산 비용도 줄일 수 있을 것으로 전망했다.
 ● 충전 끝났는데 리튬은 계속 움직였다
 빠른 충전만큼 중요한 것은 배터리를 얼마나 오래 사용할 수 있느냐다. 최근 국내 연구진은 충전이 끝난 뒤에도 배터리 내부에서 계속되는 리튬 이온의 움직임이 배터리 열화를 촉진할 수 있다는 사실을 확인했다.
 한국연구재단은 김민규 인하대 교수팀이 리튬이온배터리 전극 내부의 입자 간 충전상태 불균형으로 발생하는 리튬 이온 이동이 배터리 열화를 촉진한다는 사실을 규명했다고 지난 8월 14일 밝혔다.
 연구팀은 크기가 다른 두 종류의 양극 입자를 여러 비율로 섞은 복합전극을 만들어 반응을 추적했다. 그 결과 외부 충전을 중단한 뒤에도 리튬 이온이 자발적으로 이동하는 현상이 나타났다. 두 입자군의 혼합 비율이 불균형하면 충전 상태를 맞추기 위한 내부전류가 일부 입자에 집중됐다. 이 과정에서 특정 입자의 표면 피막이 두꺼워지고 정상적인 층상 결정구조가 전기화학적으로 불활성인 ‘암염상 구조’로 변형됐다. 이는 리튬 이온의 이동을 방해하고 전극 저항을 높여 배터리 열화를 일으켰다.
 김 교수는 고용량·장수명 배터리를 개발하려면 우수한 소재뿐 아니라 전극을 구성하는 입자들이 균일하고 동기화된 방식으로 반응하도록 설계하는 것이 중요하다고 설명했다.
 ● 아예 충전하지 않는 배터리도 가능할까
 충전 속도를 높이고 수명을 늘리는 것과는 다른 방향의 연구도 있다. 외부에서 전기를 공급하는 대신 방사성 동위원소에서 나오는 에너지를 전기로 바꿔 장기간 사용하는 ‘베타전지’다.
 대구경북과학기술원(DGIST)은 인수일 에너지공학과 교수팀이 페로브스카이트를 활용해 베타전지의 에너지 변환 효율을 높였다고 2026년 1월 7일에 밝혔다. 베타전지는 방사성 동위원소가 붕괴하면서 방출하는 베타선을 전기에너지로 변환해 외부 충전 없이 장기간 작동할 수 있다.
 연구팀은 방사성 동위원소인 탄소(C)-14 나노입자를 베타선 방출원으로 사용하고 방사선 흡수체로 페로브스카이트를 적용했다. 여기에 첨가제와 새로운 공정을 적용해 페로브스카이트의 결정 성장을 촉진하고 결함을 제어했다.
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 <img alt="페로브스카이트 기반 베타전지의 작동 원리. 방사성 동위원소인 탄소(C)-14(위쪽 검은 점)에서 방출된 베타선이 아래쪽 페로브스카이트 결정 구조에 충돌하면서 전자가 발생해 전기에너지로 변환된다. DGIST 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202609/19/dongascience/20260919180211814qspj.jpg" data-org-width="651" dmcf-mid="KlSKQMV7RQ" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img4.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202609/19/dongascience/20260919180211814qspj.jpg" width="658">
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 페로브스카이트 기반 베타전지의 작동 원리. 방사성 동위원소인 탄소(C)-14(위쪽 검은 점)에서 방출된 베타선이 아래쪽 페로브스카이트 결정 구조에 충돌하면서 전자가 발생해 전기에너지로 변환된다. DGIST 제공
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 개발된 베타전지의 에너지 변환 효율은 10.79%로 직전 최고 기록인 1.82%보다 약 6배 높았다. 15시간 연속 구동 시험에서도 성능 저하 없이 안정적인 전력 출력을 유지했다. 연구팀은 인체 삽입형 의료기기와 우주 탐사 장비 등 배터리 교체가 어려운 분야에서 활용될 것으로 기대했다.
 ● ‘빨리 충전’에서 ‘충전 없이’까지
 세 연구가 해결하려는 문제와 활용처는 서로 다르다. 튜브형 배터리는 급속충전 때 발생하는 열을 줄이는 데 초점을 맞추고, 리튬 이온 이동 연구는 배터리 열화의 원인을 밝혀 수명을 늘릴 단서를 찾는다. 베타전지는 외부 충전 자체가 어려운 환경에서 장기간 전력을 공급하는 새로운 방법을 제시한다.
  
 현재 베타전지를 스마트폰이나 전기차의 리튬이온배터리를 곧바로 대체할 기술로 보기는 어렵다. 하지만 더 빨리 충전하고, 더 오래 사용하며, 필요한 곳에서는 충전 자체를 하지 않는 것까지 배터리를 둘러싼 연구의 방향은 다양해지고 있다. 매일 반복하는 ‘충전 스트레스’를 줄이기 위한 기술도 서로 다른 연구를 통해 조금씩 진화하고 있다.
 ※참고자료 doi.org/10.1016/j.device.2026.101242 doi.org/10.1002/aenm.71377
 [남상희 에디터 bingbong@donga.com]
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