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NASA, 달 남극 영하 170도 극초저온 견디는 차세대 전고체 배터리 ‘SPEARS’ 공개

NASA 랭글리 연구소 연구진이 열진공 시험을 마친 SPEARS 시제품 고체 전해질 배터리를 검사하는 모습

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2026년 10월 14일, 미국 항공우주국(NASA)은 달 남극의 극심한 기온 변화 속에서도 파손되지 않고 안정적인 전력을 공급할 수 있는 차세대 전고체 배터리 개발 프로젝트 ‘SPEARS(Solid Power for Extreme Environment Adaptability and Resilience in Space)’의 최신 연구 및 테스트 성과를 공식 발표했다. 이번 연구는 아르테미스(Artemis) 계획을 통해 달 표면에 지속 가능한 인간 거주지를 구축하려는 NASA의 핵심 기술 확보 작업의 일환이다.

기존 리튬이온 배터리는 액체 전해질을 사용하여 영하의 기온에서 액체가 굳거나 우주 진공 환경에서 증발하는 치명적인 한계를 지닌다. 반면 SPEARS 기술은 세라믹이나 고분자(폴리머) 기반의 고체 전해질을 적용해 환경 변화에 대한 저항성을 크게 향상시켰다. 이번 발표는 우주 탐사선과 로버, 우주비행사 장비의 중량을 대폭 줄일 수 있는 기술적 기반이 마련되었음을 보여준다.

달 남극의 극초저온을 견디는 전고체 배터리 ‘SPEARS’ 프로젝트

NASA 글렌 연구소가 주도하고 랭글리 연구소 및 에임스 연구소가 협력하는 SPEARS 프로젝트는 달 남극의 극심한 추위 속에서 탐사 장비가 전원을 잃지 않도록 설계되었다. 달 남극의 영하 200도(섭씨)에 달하는 밤 기온은 기존 배터리의 세라믹 격리막이나 내부 구조를 파괴하며 젤·액체 전해질을 완전히 얼려버린다.

SPEARS 핵심 연구진은 액체 전해질을 완전히 배제한 고체 전해질 구조를 채택함으로써 이 문제를 해결하고자 했다. 고체 전해질은 극저온 상태에서도 얼어붙어 팽창하거나 용기가 깨지는 물리적 손상이 발생하지 않는다. 또한 우주 공간의 고온(섭씨 100도 이상)에 노출되더라도 내부 물질이 증발하거나 열화될 위험이 적어 안전성이 높다.

연구진은 양극과 음극 소재의 화학적 조성을 자유롭게 변경할 수 있는 유연한 설계를 적용했다. 작은 무선 이어폰부터 드릴, 대형 로버 및 비상 전원 팩에 이르기까지 용도와 목적에 따라 전력 밀도나 수명을 맞춤형으로 최적화할 수 있는 것이 주요 특징이다.

열진공 시험으로 입증된 영하 80도 작동과 영하 170도 생존력

NASA 랭글리 연구소에서 실시된 최근 열진공(TVAC) 환경 실증 시험에서 SPEARS 시제품 코인셀 배터리는 주목할 만한 성과를 거두었다. 시험 결과 해당 배터리 셀은 영상 80도부터 영하 60도까지 안정적인 전력 출력을 유지했으며, 성능이 일부 제한되는 영하 80도의 극저온 환경에서도 실제 작동이 가능한 것으로 확인되었다.

특히 영하 170도까지 떨어진 극초저온 상태에 배터리를 노출시킨 뒤 다시 온도를 올려 재가동하는 내구성 평가에서도 배터리가 내부적·물리적 손상 없이 정상 복구되는 결과를 얻었다. 고체 전해질의 특성상 영하 170도 자체에서 직접 전력을 방전하지는 못하지만, 손상 없이 견딘 후 소형 히터로 최소한의 동작 온도까지 가열하기만 하면 즉시 전력을 다시 공급할 수 있다.

이러한 특성은 우주선과 로버에 탑재되는 무겁고 복잡한 단열 및 보온 시스템의 무게를 크게 줄여준다. 배터리를 항시 따뜻하게 유지할 필요 없이 필요할 때만 가열해 사용하면 되므로, 전체 탐사 장비의 하중을 절감하고 탑재체 효율을 극대화할 수 있다.

달 탐사를 넘어 겨울철 전기차·소비재 시장으로 이어질 기술적 파급

이번 우주용 전고체 배터리 기술은 지구상의 산업 및 일상생활에도 즉각적인 이점을 제공할 가능성이 높다. 겨울철 한파 시 전기차 배터리의 주행 거리가 급격히 감소하거나, 스마트폰 및 드론의 전원이 갑자기 꺼지는 현상 역시 액체 전해질의 화학 반응 저하 및 동결 현상에서 비롯되기 때문이다.

SPEARS 프로젝트를 통해 검증된 내한성 고체 전해질 조성 기술이 상용화될 경우, 극한지 탐사 장비, 북극권 공업용 드론, 겨울철 전기차 배터리의 안전성과 효율성을 비약적으로 향상시킬 수 있다. 아울러 액체 전해질의 발화·폭발 위험성을 제거할 수 있다는 점에서 차세대 배터리 시장의 판도를 바꿀 핵심 열쇠로 꼽힌다.

한국과 일본을 비롯한 글로벌 배터리 및 완성차 제조업체들도 전고체 배터리 상용화를 적극 추진하고 있는 만큼, NASA의 독자적인 극저온 고체 전해질 연구 성과는 향후 우주-지상 양용 기술(Dual-use Technology) 이전 및 민간 기술 협력 분야에서 중요한 이정표가 될 전망이다.

상용화 단계와 향후 해결해야 할 과제

현재 SPEARS 프로젝트는 NASA의 기초 연구 및 기술 개발 단계를 거치고 있으며, 선단 전자회로 개발과 우주 환경 테스트용 기판 제작은 NASA 에임스 연구소가 담당하고 있다. 향후 기술 성숙도가 높아지면 민간 우주 기업 및 상업용 배터리 제조업체와의 기술 이전 및 공동 연구가 진행될 예정이다.

다만 극저온 상태에서의 이온 전도도를 지금보다 더욱 높이고, 수백 회 이상의 충·방전 주기 동안 인터페이스 저하를 방지하는 대량 양산 기술을 확립하는 과제가 남아 있다. 우주 환경에서 오랜 기간 복사선과 열 충격을 이겨내야 하는 만큼 장기 실증 데이터의 확보도 지속적으로 이뤄져야 한다.

한편 NASA는 2026년 10월 14일 달 탐사 가속화 계획을 논의하기 위한 브리핑 일정을 발표하는 등 아르테미스 미션의 구체적 로드맵을 차질 없이 수행하겠다는 의지를 밝혔다. 극저온을 극복하는 배터리 기술의 발전은 인류가 달을 넘어 화성으로 나아가는 데 중요한 기술적 토대가 될 것으로 예상된다.

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