철(鐵)이 리튬을 이길 수 있을까?

리튬이온 배터리 없이는 전기차도, 태양광 발전소도 반쪽짜리다. 그런데 그 리튬보다 80배 이상 저렴한 소재로 만든 배터리가 등장한다면?

중국과학원(CAS) 금속연구소 연구팀이 '전철(全鐵) 플로우 배터리(All-Iron Flow Battery)' 기술에서 의미 있는 진전을 이뤘다고 발표했다. 핵심은 단순하다. 지구상에서 가장 흔한 금속 중 하나인 철(Fe)을 전해질로 활용해, 기존 리튬이온 배터리의 두 가지 고질적 약점—높은 비용과 짧은 수명—을 동시에 공략하겠다는 것이다.

플로우 배터리, 무엇이 다른가

일반인에게 '배터리'라고 하면 스마트폰 안에 들어 있는 고체형 셀을 떠올린다. 하지만 플로우 배터리는 구조 자체가 다르다. 에너지를 액체 전해질에 저장하고, 이 액체를 펌프로 순환시키면서 전기를 생산한다. 마치 발전소처럼 '탱크'에 연료를 채우는 방식이다.

이 구조의 장점은 명확하다. 용량을 늘리고 싶으면 탱크를 키우면 된다. 수명도 길다. 리튬이온 배터리가 수백~수천 번의 충방전 후 성능이 급격히 저하되는 반면, 플로우 배터리는 이론적으로 수만 번의 사이클을 견딜 수 있다. 그러나 지금까지 상용화된 플로우 배터리의 대표 주자인 바나듐(Vanadium) 방식은 바나듐 자체가 희귀하고 비싸다는 한계를 안고 있었다.

중국과학원 연구팀이 주목한 것은 바로 이 지점이다. 철은 바나듐은 물론 리튬과 비교해도 압도적으로 저렴하고, 공급망 리스크가 낮다. 연구팀은 철 기반 전해질의 안정성과 에너지 밀도를 끌어올리는 데 성공했다고 밝혔으며, 이를 통해 장기 에너지 저장 시스템(Long-Duration Energy Storage, LDES)으로서의 가능성을 열었다고 주장한다.

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왜 지금, 왜 중국인가

이 발표의 타이밍은 우연이 아니다. 전 세계 전력망은 지금 심각한 딜레마에 빠져 있다. 태양광과 풍력 발전 비용은 지난 10년간 90% 가까이 떨어졌다. 문제는 해가 지면 태양광이 멈추고, 바람이 잦아들면 풍력이 선다는 것이다. 재생에너지의 '간헐성'을 해결하려면 대규모 에너지 저장 장치(ESS)가 필수인데, 현재 ESS 시장은 리튬이온 배터리가 장악하고 있다. 그리고 리튬 공급망의 상당 부분은 이미 중국이 통제하고 있다.

역설적이게도, 리튬 공급망을 쥔 중국이 이제 리튬을 대체할 기술까지 선점하려 한다. 이는 단순한 기술 경쟁을 넘어, 차세대 에너지 인프라의 표준을 누가 쥐느냐의 싸움이다. 미국과 유럽이 리튬이온 배터리 공급망 다변화에 수십조 원을 쏟아붓는 사이, 중국은 게임의 규칙 자체를 바꾸는 연구에 투자하고 있는 셈이다.

한국 배터리 산업, 어떻게 봐야 하나

LG에너지솔루션, 삼성SDI, SK온. 이른바 'K-배터리' 3사는 글로벌 리튬이온 배터리 시장에서 중국 CATL과 치열하게 경쟁 중이다. 이들 기업의 핵심 경쟁력은 리튬이온 배터리의 에너지 밀도와 안전성이다.

전철 플로우 배터리가 상용화된다면, K-배터리에 대한 영향은 분야에 따라 갈린다. 전기차용 배터리는 에너지 밀도와 소형화가 핵심이라 플로우 배터리가 단기간에 침투하기 어렵다. 그러나 ESS 시장—태양광·풍력 발전소 옆에 설치하는 대형 저장 장치—은 다르다. 이 시장에서는 에너지 밀도보다 비용과 수명이 훨씬 중요하다. 국내 ESS 시장에서 K-배터리가 점유하는 영역이 잠식될 가능성을 배제할 수 없다.

물론 냉정하게 봐야 할 부분도 있다. 연구실 수준의 '돌파구'와 상용화 사이에는 긴 골짜기가 있다. 에너지 밀도가 여전히 리튬이온 대비 낮고, 대규모 제조 공정의 검증도 남아 있다. 국내 연구기관들도 철 기반 플로우 배터리 연구를 진행 중이며, 정부의 LDES 지원 정책과 맞물려 기회가 될 수도 있다.