리튬 이온 배터리를 대체할 차세대 기술이 잇따라 등장하는 가운데, 기존 한계를 뛰어넘는 칼슘 이온 배터리가 개발돼 주목받고 있다.

IT매체 폰아레나는 칼슘 이온 배터리가 중요한 기술적 이정표를 달성했다고 최근 보도했다.

그 동안 배터리 산업은 수십 년간 양극과 전해질에 리튬을 활용해왔다. 리튬 이온 배터리는 높은 에너지 밀도와 비교적 빠른 충전 속도, 안정적인 수명을 갖춘 것이 장점이다. 하지만 리튬은 공기와 격렬히 반응하는 특성으로 인해 손상 시 발화나 폭발 위험이 존재하며, 정상 작동을 위해 좁은 온도 및 전압 범위를 요구하는 한계가 있다. 에너지 밀도 역시 일정 수준 이상 향상되기 어려운 점이 지적돼 왔다. 

현재는 음극에 실리콘을 첨가하는 방식으로 저장 용량을 개선하고 있지만, 이는 기술적 한계를 늦추는 수준에 그친다. 또한 리튬은 희귀 자원으로, 채굴 과정에서 정치·지정학적 리스크가 발생한다는 문제도 안고 있다.

이에 비해 칼슘 이온 배터리는 지구 지각에서 다섯 번째로 풍부한 원소인 칼슘을 활용한다. 칼슘 금속은 높은 전도성과 약 980도의 높은 녹는 점을 지녀 소재 안정성이 뛰어나며, 무독성으로 환경 친화적인 장점도 갖는다.

이론적으로 에너지 밀도 역시 리튬 이온 배터리를 능가한다. 현재 상용 최고 수준인 실리콘-탄소 기반 리튬 이온 배터리의 약 2800Wh/L 대비, 칼슘 이온 배터리는 약 3202Wh/L에 달하는 것으로 알려졌다.

다만 기술적 과제도 존재한다. 칼슘 기반 전해질은 충•방전 과정에서 전극이 용해되는 문제가 있어 배터리 수명을 저하시키는 요인으로 작용한다.

홍콩과학기술대학교 김윤섭 교수가 이끄는 연구진은 이온 전달 효율을 높이고 마모를 줄인 ‘준고체 칼슘 전해질’을 개발하는 데 성공했다. 해당 전해질은 이온 이동 효율을 개선하는 동시에 배터리 열화를 억제해, 저전류 조건에서 리튬 이온 배터리와 유사한 수준의 에너지 밀도를 구현한 것으로 확인됐다.

특히 이번 연구에서는 배터리 용량의 74%를 유지하면서 1000회 충•방전 주기를 달성했다. 이는 일부 리튬 이온 배터리보다 우수한 수준이다. 또한 전압을 3.6V까지 높일 경우 에너지 밀도는 약 1800Wh/L 수준까지 증가하는 것으로 확인됐다.

다만 스마트폰 등 소형 전자기기에 적용하기까지는 시간이 필요할 전망이다. 칼슘 이온은 리튬 이온보다 크기가 커 이동 속도가 느려 충전 속도가 상대적으로 느리며, 관련 채굴·정제 및 생산 인프라 역시 아직 충분히 구축되지 않은 상태다. 이에 따라 상용화까지는 수년이 소요될 것으로 예상된다.​​