최근 중국과학원 다롄 화학물리 연구소(이하 "DICP") 연구팀은 수소 가스와 금속을 전극으로 사용하여 세계 최초의 기체-고체 수소화 이온 시제품 전지(이하 "기체-고체 전지")를 성공적으로 구축함으로써 중대한 기술적 돌파구를 마련했다. 이 전지는 "수소-전력 동시 저장" 모드를 채택하여 수소 충전과 방전, 전력 충전과 수소 방출이 모두 가능하며, 상온 상압 조건에서 효율적인 수소 저장을 위한 실용적인 시제품 검증을 제공하며, 수소 에너지 활용 분야의 오랜 핵심 과제를 해결했다.
보고에 따르면, 수소화 이온은 수소의 "전자가 풍부한" 상태이다. 전하 운반체로서 높은 반응성과 높은 에너지라는 주목할 만한 특성을 지니며, 차세대 전고체 전지 개발을 위한 주요 경로 중 하나로 간주된다. 그러나 수소화 이온은 자연 조건에서 극도로 불안정하여 과학자들이 전기화학적 에너지 저장에 직접 적용하기 어렵게 만드는 특성을 가지며, 관련 기술 발전을 제약하는 병목 현상을 이루고 있다.
이 기술적 병목 현상을 극복하기 위해 DICP 연구팀은 마그네슘 금속과 수소 가스를 각각 음극 및 양극 활물질로 사용하는 시스템을 혁신적으로 설계하여, 넓은 온도 범위에서 작동 가능한 세계 최초의 기체-고체 수소화 이온 전지 조립에 성공했다. 이 전지의 핵심 장점은 수소화 이온이 전지에 높은 에너지를 제공하는 동시에 전기화학적 수소 저장과의 기발한 통합을 달성한다는 점이다. 방전 시, 수소 가스는 음극에서 수소화 이온으로 환원되고, 금속은 양극에서 산화되어 양이온이 되어 금속 수소화물을 형성한다. 충전 시, 두 전극은 각각 수소 분자를 방출하고 금속을 재생성하여, 충방전과 수소 저장/방출의 동시적 상승 효과를 진정으로 실현한다.
실험 데이터에 따르면, 기체-고체 전지는 뛰어난 성능을 보여준다. 수소 충전 상태에서 초기 방전 용량은 1,526 mAh/g에 달하며, 0.3 V의 전압이 인가되면 상온에서 약 6.0 wt%의 수소(전극 내 MgH₂ 기준으로 계산)가 방출될 수 있다. 60회 사이클 후에도 용량 유지율은 70%를 초과하며, 전지는 -20°C에서 90°C에 이르는 넓은 온도 범위에서 안정적으로 작동할 수 있다. 또한, 연구팀은 단일 전지 10개를 직렬로 연결하여 출력 전압 2.4V를 초과하는 배터리 팩을 구성했으며, LED 전구를 성공적으로 점등시켜 기체-고체 하이드라이드 이온 프로토타입 배터리의 공식 데뷔를 알렸다. 에너지 효율 분석 결과, 이 “수소-전기 공동 저장” 시스템의 에너지 이용 효율은 93.9%에 달해 기존의 열적 수소 저장 방식에 비해 1/3 향상된 것으로 나타났다.
이 독창적인 성과는 수소 에너지 활용 분야에서 반세기 넘게 지속되어 온 수소 저장 난제를 해결하기 위한 완전히 새로운 기술 경로를 제시한다는 점에서 큰 의미가 있다. 이 기술은 고압(700 atm)이나 극저온(-253°C)과 같은 기존 수소 저장에 필요했던 극한 조건을 완전히 제거하며, 새로운 유형의 수소 저장 기술을 탄생시켜 수소 에너지 산업의 대규모 발전을 가로막는 주요 장애물을 제거할 것으로 기대된다.
앞으로 DICP 연구팀은 핵심 기술 돌파에 계속 집중할 것이라고 밝혔다. 더 높은 성능의 하이드라이드 이온 전도체와 전극 소재에 대한 연구개발을 집중하고, 배터리 전반의 성능을 지속적으로 향상시키며, 독자적인 핵심 기술을 개발하여 하이드라이드 이온 배터리의 실용화를 가속화하고, 글로벌 수소 에너지 산업의 고품질 발전에 새로운 동력을 주입할 계획이다.
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