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NASA, 달 남극 극음지 견디는 차세대 초저온 전고체 배터리 공개

NASA 랭글리 연구소에서 열진공 시험을 마친 SPEARS 초저온 배터리 시제품을 들어 올려 보이는 연구진

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미국 항공우주국(NASA)이 영하 200도 이하로 떨어지는 달 남극의 가혹한 야간 환경에서도 파손되지 않고 작동할 수 있는 차세대 전고체 배터리 기술을 전격 공개했습니다. 2026년 10월 14일 공식 발표된 이번 연구 성과는 아르테미스(Artemis) 계획을 통한 지속 가능한 달 기지 건설과 탐사 로버의 야간 생존 능력을 결정짓는 핵심 기술로 평가받고 있습니다.

기존 리튬이온 배터리의 한계와 SPEARS 프로젝트의 등장

스마트폰이나 전기차, 우주 탐사선에 범용적으로 쓰이는 기존 리튬이온 배터리는 액체 전해질에 의존하는 구조적 한계를 지니고 있습니다. 영하의 극초저온 환경에 노출되면 내부 액체 전해질이 동결되어 배터리가 영구적으로 손상되거나 방전되며, 반대로 섭씨 100도가 넘는 고온이나 진공 상태에서는 액체가 증발하거나 화재 위험이 급증합니다. 특히 달 남극의 극음지 크레이터는 밤 기온이 영하 200도(섭씨 -200℃ / 화씨 -328℉)까지 떨어지기 때문에 traditional 한 배터리 pack으로는 탐사 장비의 생존을 장담할 수 없었습니다.

이 문제를 해결하기 위해 NASA 글렌 연구소(Glenn Research Center) 주도하에 ‘우주 극단 환경 적응성 및 복원력을 위한 고체 전력(SPEARS, Solid Power for Extreme Environment Adaptability and Resilience in Space)’ 프로젝트가 시작되었습니다. SPEARS 연구진은 액체 전해질을 고체 세라믹 및 고분자(폴리머) 소재로 대체하여 극저온 동결과 고온 증발 문제를 동시에 해결하는 전고체 배터리 셀을 개발했습니다.

열진공 시험 실증: 영하 170도 극한 추위 견디며 성능 입증

NASA 랭글리 연구소(Langley Research Center)에서 진행된 최근 열진공(TVAC) 실증 시험에서 SPEARS 시제품 코인 셀은 섭씨 80도 고온부터 영하 60도 극저온까지 안정적인 출력을 유지했으며, 영하 80도 환경에서도 약간의 성능 감소만으로 정상 작동함을 세계 최초로 입증했습니다.

특히 연구진은 배터리 셀을 섭씨 100도에서 영하 170도(화씨 -274℉)에 이르는 극단적인 열충격에 노출시킨 후에도 내부 구조나 화학적 특성에 아무런 물리적 손상이 발생하지 않음을 확인했습니다. 전고체 특성상 영하 170도 자체에서는 내부 이온 이동이 멈추지만, 소재가 파열되거나 얼어붙지 않으므로 소형 히터를 통해 작동 온도까지만 살짝 데워주면 즉시 전력을 다시 공급할 수 있습니다. 이는 거대한 열관리 장치나 무거운 단열재를 줄여 우주선의 무게를 획기적으로 절감할 수 있음을 의미합니다.

우주 기술의 지상 이전: 전기차 및 상용 배터리 산업에 전해질 혁신 파장

SPEARS 프로젝트의 기술적 파급력은 우주 탐사에만 국한되지 않습니다. 극저온 환경에서 배터리 효율이 급격히 떨어지는 현상은 현재 지상 전기차(EV) 및 스마트기기 시장이 안고 있는 최대 숙제 중 하나입니다. 겨울철 한파 시 전기차 주행거리가 20~30% 이상 감소하거나 방전되는 문제는 한국과 일본, 북미, 유럽 등 전 세계 소비자가 공통으로 겪는 불편 요소입니다.

NASA 연구진이 개발 중인 양극 및 음극 맞춤형 고체 전해질 구조는 향후 차세대 상용 전고체 배터리 양산 기술로 이전될 가능성이 높습니다. 혹한기 지역에서의 전기차 안정성 확보는 물론, 극지방 조사 장비, 고고도 드론, 항공용 배터리 등 글로벌 에너지·모빌리티 산업 전반의 비용 절감과 안전성 향상에 기여할 것으로 기대됩니다.

향후 과제와 미지의 영역

현재 SPEARS 기술은 실증 단계의 초기 성과를 거둔 상태이며, 우주 공간에서의 실제 하드웨어 검증을 위해 NASA 에임스 연구소(Ames Research Center)가 비행용 회로 기판 및 전력 제어 장치를 개발하고 있습니다.

다만 실제 달 표면의 다중 충전·방전 수명 주기(Cycle Life) 테스트와 고방사선 환경에서의 장기 내구성 데이터는 아직 확보되어야 할 미지의 영역입니다. 연구진은 기술 성숙도를 높인 후 민간 우주 기업들과의 협력을 통해 상용화를 추진할 계획입니다.

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