배터리는 왜 황에서 전자 하나를 더 쓰려 할까

#1. 한 문장 결론

황을 더 많이 넣는 대신, 같은 황이 충전과 방전에서 주고받는 전자의 수를 늘려 저장 에너지를 높이려는 연구다. 다만 재료와 전극의 성과를 완성 배터리팩의 성능으로 읽어서는 안 된다.

휴대전화가 지금과 같은 크기인데 충전을 덜 자주 해도 된다면 어떨까. 이런 개선을 위해서는 배터리를 크게 만드는 것 말고도, 같은 무게의 재료에서 더 많은 에너지를 꺼내는 방법이 필요하다. 오늘의 연구는 그 가능성을 황의 화학반응에서 찾는다.

맨 위의 원 논문 Figure 1은 결과의 종류부터 구별해 읽어야 한다. a·b는 이론적인 에너지와 황 화합물의 비교이며, c는 반응 경로의 개념도다. 도표 속 색이나 별을 상용 배터리의 성능 인증으로 읽지 않는다.[1]

2026년 9월 10일 Nature Energy에 게재된 「Lithium–disulfur dichloride batteries」가 다루는 것은 황과 염소로 이루어진 물질 S₂Cl₂를 활용하는 리튬 배터리다. 이름을 먼저 외울 필요는 없다. 전압과 용량을 함께 높이기 위해 반응의 범위를 넓혔다는 질문을 따라가면 된다.[1][2]

연구 단계: 실험실 배터리 연구다. 양산 제품이나 전기차 주행시험 결과가 아니다. 이 글은 공개 연구정보와 연구기관 설명을 바탕으로 한 해설이며, 논문 본문·보충자료의 전체 실험 조건은 대조하지 못했다.

#2. 왜 이 문제가 어려운가

#배터리 안에는 ‘전기 알갱이’가 쌓이는 것이 아니다

충전은 전기를 빈 상자에 담는 일이 아니다. 외부에서 공급한 에너지로 배터리 재료의 화학적 상태를 바꾸고, 사용할 때 그 변화가 반대로 진행되도록 해 전기를 얻는다. 충전해서 저장한 에너지의 일부는 열 등의 손실로 빠지므로, 새로운 반응을 쓴다고 에너지가 저절로 만들어지는 것도 아니다.[3]

작동을 이해하려면 반응이 일어나는 곳과 움직이는 입자를 구별하면 된다. 전극(electrode)은 전하를 주고받는 반응이 일어나는 부분이다. 전자(electron)는 바깥 전선을 통해 이동한다. 이온(ion)은 전하를 띤 원자나 분자이고, 내부의 전해질(electrolyte)을 통해 이동한다. 전해질은 두 전극 사이의 이온 이동을 가능하게 하는 물질이다.[3]

방전 중에는 전자가 외부 회로를 지나며 휴대전화나 전동기를 작동시키고, 내부에서는 이온 이동이 전하 균형을 맞춘다. 바깥길과 안쪽길이 함께 작동해야 한다. 전자를 밖으로 보내는 일과 내부에서 이온을 움직이는 일이 어긋나면, 재료가 좋아도 원하는 성능을 얻기 어렵다.

이 글에서 양극(positive electrode)은 방전할 때 외부 회로에서 온 전자를 받아들이는 쪽이며, 황의 반응을 살피는 부분이다. 반대편에는 전자를 내보내는 음극(negative electrode)이 있다. 두 전극이 외부 회로를 거치지 않고 직접 전기적으로 이어지는 단락(short circuit)은 정상 작동과 다르다. 전자는 정해진 바깥길로, 이온은 안쪽길로 움직이도록 구성해야 한다.[3]

#용량이 큰 것과 에너지가 많은 것은 다르다

배터리 사양에서 자주 보는 mAh는 전하 용량(capacity)의 단위다. 1,000mAh는 1Ah이다. 단순한 조건에서 1Ah는 1A의 전류를 한 시간 동안 공급하는 양에 해당한다. 실제로 꺼낼 수 있는 양은 전류와 온도, 방전을 멈추는 기준 등에 따라 달라진다.[4]

그런데 같은 양의 전하라도 얼마나 큰 에너지를 전달하는지는 전압(voltage)에 달려 있다. 전압은 전하 한 단위가 두 지점 사이를 이동할 때의 에너지 차이와 연결된다. 물로 비유하면 용량은 흘려보낼 물의 양, 전압은 물을 떨어뜨리는 높이 차이에 가깝다. 물의 양만 많고 높이 차이가 작다면 얻는 에너지는 기대보다 작을 수 있다.

이 관계를 배터리의 평균 전압으로 간단히 쓰면 다음과 같다.

E는 에너지, 평균을 뜻하는 막대가 붙은 V는 평균 작동전압, Q는 전하 용량이다. V와 Ah를 곱하면 Wh가 된다. 가상의 배터리 두 개가 모두 2Ah라고 하자. 평균 전압이 각각 2V와 3V라면 에너지는 약 4Wh와 6Wh다. 용량 숫자는 같은데 에너지는 다르다. 이 숫자는 설명용 예시이지 이번 논문의 측정값이 아니다.

실제 방전 중에는 전압이 일정하지 않다. 따라서 엄밀하게는 꺼낸 전하의 각 구간에 전압을 곱해 모두 더한다. 전압–용량 그래프에서 곡선 아래 면적이 에너지에 대응한다고 생각하면 쉽다. 높은 전압을 아주 잠깐 보인 것과, 방전 전반에서 높은 전압을 유지한 것도 구별해야 한다.

#그래서 황의 장점만으로는 부족하다

리튬–황 배터리(lithium–sulfur battery)는 황의 반응을 이용해 전하를 저장하는 배터리 계열이다. 황이 풍부하고 저렴하다는 점은 장점이지만, 기존 방식은 낮은 작동전압과 반응 중간물질의 이동 때문에 어려움을 겪는다. 좋은 재료를 많이 넣는 것만으로 해결되지 않는 문제다.[2]

이번 글의 질문은 이제 간단해진다. 황에서 주고받는 전하를 늘리면서, 그 전하를 더 높은 평균 전압에서 사용할 수는 없을까? 단, 충전과 방전으로 여러 번 되돌아와야 한다.

#3. 기존 방식은 무엇이 부족했나

#황은 충방전할 때 다른 물질로 바뀐다

화학식은 재료의 조합표라고 생각하면 된다. S는 황, Li는 리튬, Cl은 염소를 나타낸다. 아래에 붙은 작은 숫자는 원자의 개수다. Li₂S는 리튬 두 개와 황 하나의 비율을 나타내며, 황화리튬이라고 부른다. S₂Cl₂는 황 두 개와 염소 두 개로 이루어진 다른 물질이다. 숫자의 위치가 다르면 같은 물질이 아니다.

일반적인 리튬–황 반응에서는 원소 상태의 황과 황화리튬 사이의 변화를 이용한다. 원소 황은 흔히 S₈ 형태로 표현하지만, 전자 수를 셀 때는 황 원자 한 개를 기준으로 생각할 수 있다. 아래 설명에서도 여덟 개가 묶인 분자 전체와 황 원자 한 개를 혼동하지 않는 것이 중요하다.[5]

이 과정은 두 물질 사이를 순간이동하듯 한 번에 오가는 것이 아니다. 중간에 여러 황 함유 물질이 생길 수 있다. 그중 다황화물(polysulfide)은 여러 황이 연결된 물질군이다. 일부가 전해질에 녹아 두 전극 사이를 오가면, 필요한 위치에서 반응해야 할 재료가 다른 곳에서 원치 않는 반응을 일으킬 수 있다.[2]

이런 왕복 이동을 셔틀 효과(shuttle effect)라고 부른다. 이름은 어렵지만, 일을 해야 하는 재료가 작업장 밖을 돌아다니며 손실을 만드는 문제라고 이해하면 된다. 쓰지 않고 놓아두어도 저장량이 줄어드는 자가방전(self-discharge)과도 연결될 수 있다. 전자가 외부 기기를 거쳐 유용하게 일을 하는 것과, 내부에서 원치 않는 반응으로 소모되는 것은 다르다.[2]

#길을 정비하는 것과 목적지를 바꾸는 것

황이 새어나가지 않게 붙잡고, 전하가 잘 이동하도록 돕는 개선은 중요하다. 그러나 그 개선과 ‘어떤 화학적 상태까지 왕복할 것인가’를 바꾸는 것은 다른 질문이다. 같은 경로를 효율적으로 이용하는 것과, 사용할 수 있는 경로 자체를 넓히는 차이라고 볼 수 있다.

이번 연구의 특징은 황이 원소 상태에 이르는 기존 범위에서 한 단계 더 나아가, S₂Cl₂에 해당하는 상태까지 활용했다는 데 있다. 같은 학술지의 해설도 황의 +1 산화상태에 접근했다는 점을 짚는다. 그렇다면 +1이나 −2라는 숫자는 대체 무엇일까?[5]

#4. 새 방법을 3단계로 설명

#1단계: 황이 주고받을 수 있는 전자 수의 범위를 넓힌다

산화(oxidation)는 전자를 내놓는 변화, 환원(reduction)은 전자를 받는 변화로 이해할 수 있다. 둘을 함께 말하는 것이 산화·환원 반응(redox reaction)이다. 여기서 산화라는 단어에 반드시 산소가 등장해야 하는 것은 아니다.

이를 계산하기 위한 장부가 산화수(oxidation state)다. 화학 결합의 전자를 정해진 규칙에 따라 나누어 셌을 때 원자에 부여하는 형식적인 숫자다. 실제 분자 속 원자가 그 숫자만큼의 독립된 전하를 그대로 갖고 있다는 뜻은 아니다. 원자의 종류를 바꾸는 숫자도 아니다. 황은 어떤 산화수에서도 여전히 황이다.[6]

이 글에서 필요한 계산은 세 가지뿐이다. 원소 상태의 황은 산화수 0이다. Li₂S에서는 리튬을 각각 +1로 계산하므로 황은 −2다. S₂Cl₂에서는 염소가 각각 −1이고 분자 전체가 중성이므로, 황 두 개의 산화수 합은 +2다. 따라서 황 하나는 +1이 된다.

기존 범위인 0과 −2의 차이는 2다. 새 범위인 +1과 −2의 차이는 3이다. 그래서 황 원자 하나를 기준으로 2전자 반응을 3전자 반응으로 넓힌다고 표현한다. 전자 세 개를 새로 만들어 낸다는 말이 아니다. 충전할 때 더 넓은 화학적 변화를 준비하고, 방전할 때 그 변화를 거꾸로 이용한다는 의미다.

산화수 계산만으로 이런 배터리가 실제로 작동한다고 증명할 수는 없다. 장부상 가능한 거래라고 현실에서 언제나 성사되는 것은 아니기 때문이다. 새로운 상태가 형성되는지, 원치 않는 다른 반응에 빠지지 않는지, 다시 돌아올 수 있는지는 실험으로 보여줘야 한다.

#2단계: 그 반응이 가능한 전해질 환경을 만든다

연구진이 제시한 핵심 환경은 반응에 이용할 수 있는 염화이온이 풍부한 이온성 액체 전해질이다. 염화이온은 Cl⁻로 표시하는 음전하를 가진 이온이다. 기체 염소를 뜻하는 Cl₂와 같은 표현이 아니며, 평범한 소금물을 배터리에 넣는다는 설명도 아니다.[1]

이온성 액체(ionic liquid)는 이온들로 이루어지면서 사용 온도에서 액체인 염 계열의 물질이다. 전해질이라는 말이 ‘배터리 속 물’을 뜻하지 않는다는 점부터 구별해야 한다. 물질의 조합과 이온들이 놓인 환경에 따라 가능한 반응과 안정성이 달라진다.[7]

여기서 전해질은 단순한 운반 통로에 그치지 않는다. 황을 염소와 결합한 상태까지 변화시키는 데 필요한 환경을 제공한다. 이를 돕는 매개 역할(mediation)은 택배 상자를 움직이는 일만이 아니라 배송 가능한 목적지를 바꾸는 일에 비유할 수 있다. 다만 구체적인 분자 배열과 단계별 반응 경로는 원문 실험·계산 결과와 대조해야 한다.

또 염화물 성분이 반응에 관여한다면 무게 계산에서도 공짜로 취급할 수 없다. ‘황 원자 하나당 더 많은 전자를 쓴다’는 장점과 ‘이를 위해 전체 시스템에 무엇을 더 넣어야 하나’라는 비용을 함께 보아야 한다.

#3단계: 생성물을 붙잡고, 되돌아오는 반응을 확인한다

새 물질이 한 번 생겼다고 충전식 배터리가 완성되는 것은 아니다. 가역성(reversibility)은 충전과 방전에서 반응을 되돌릴 수 있는 성질이다. 반응한 재료가 다른 곳으로 사라지거나 되돌릴 수 없는 물질이 되어 버리면, 처음 한 번의 좋은 결과가 오래 유지되기 어렵다.

메릴랜드대 연구 설명은 높은 산화상태를 안정화하고 생성물이 양극 근처에 머물도록 하여, 전압과 용량을 높이는 동시에 셔틀과 자가방전을 줄였다고 설명한다. 이는 연구진의 성과 설명이며 독립 연구팀의 재현 보고와는 구분한다.[2]

따라서 핵심은 ‘전자 하나를 더 센다’에서 끝나지 않는다. 더 넓은 반응 범위, 그 반응을 가능하게 하는 환경, 재료를 잃지 않고 왕복시키는 제어가 함께 필요하다.

#5. 핵심 실험과 수치

공개된 논문 정보가 제시하는 대표값은 다음과 같다. 표의 숫자는 논문 보고값이며, 실제 제품 전체의 사양표가 아니다. 특히 평균 전압의 비교 조건은 25°C와 0.2C로 제시돼 있다.[1]

#0.2C는 온도가 아니다

25°C의 C는 섭씨 온도이지만, 0.2C의 C는 충방전율(C-rate)이다. 기준 용량에 대해 어느 정도 전류로 충방전하는지 나타낸다. 기준 용량이 1Ah인 가상 셀에서 0.2C는 0.2A에 해당한다. 이상적으로 기준 용량 전부를 쓰는 데 다섯 시간이 걸리는 크기의 전류다.[4]

그렇다고 이 실험의 충전 시간이 반드시 다섯 시간이었다고 결론 낼 수는 없다. 연구가 어떤 용량을 기준으로 C-rate를 정의했는지, 종료 전압과 충전 방식이 무엇인지 봐야 한다. 온도와 전류 조건이 다른 결과를 숫자만 보고 서로 우열 비교해서도 안 된다.

#이론상 50%인데 왜 보고값은 58%인가

같은 수의 황 원자에서 참여 전자가 2개에서 3개로 늘면, 전자 수의 비는 3÷2=1.5다. 이론적인 전하량의 확대는 50%다. 이는 산화수 차이에서 얻는 계산이다. 논문이 보고한 58% 증가는 실제 비교에서 얻은 값으로, 그 계산과 동일한 종류의 숫자가 아니다.

실험에서는 이론적으로 가능한 반응을 얼마나 활용했는지와 비교 조건이 함께 작용할 수 있다. 그러나 이번 공개자료만으로 8%포인트 차이의 원인을 특정하지는 않는다. 58%를 전자 수 증가만의 효과라고 단정하지 않는 것이 정확하다.

#1,700Wh/kg에서 가장 중요한 것은 kg이다

비에너지(specific energy)는 저장 에너지를 기준 질량으로 나눈 값이다. ‘질량 기준 에너지 밀도’라고도 부른다. 부피로 나누는 Wh/L와는 다른 지표다.[4]

가상의 장치가 100Wh를 저장한다고 하자. 계산에 넣은 재료가 0.1kg이면 1,000Wh/kg이다. 외장과 다른 부품을 포함해 0.5kg으로 계산하면 200Wh/kg이 된다. 저장한 에너지가 줄어든 것이 아니라, 저울에 올린 범위가 달라진 것이다. 이번 연구의 실제 무게를 재구성한 예시는 아니다.

활물질(active material)은 저장 반응을 담당하는 재료다. 전극에는 그 밖에도 전기 전도나 형태 유지 등을 위한 성분이 들어갈 수 있고, 완성 셀에는 다른 전극과 전해질·분리막·포장 등이 필요하다. 팩에는 연결과 관리·보호 구조가 더해진다. 따라서 전극 수치로 차량 주행거리를 바로 계산할 수 없다.

이 글에서는 1,700Wh/kg의 분모에 어떤 전극 성분과 반응 참여 물질을 포함했는지까지 확인하지 못했다. 확실히 구분할 수 있는 것은 전극 수준의 보고값이지 팩 수준의 검증값은 아니라는 점이다.

#6. 논문의 한계와 반대 증거

#높은 값 하나보다 같은 조건에서 오래 유지되는지가 중요하다

100사이클을 넘겼다는 것은 새로운 반응의 반복 가능성을 보여주는 자료다. 하지만 100회째 처음 용량의 얼마가 남았는지, 전압은 어떻게 변했는지, 여러 셀에서 결과가 얼마나 달랐는지는 다른 질문이다. 반복 횟수만으로 수명이나 신뢰성을 확정할 수 없다.[4]

또 충전해서 넣은 전하 중 얼마나 돌아오는지와, 넣은 에너지 중 얼마나 돌아오는지는 구별해야 한다. 방전 전압보다 충전 전압이 높다면 같은 전하량이 돌아와도 에너지 손실이 있을 수 있다. 높은 방전 에너지와 높은 에너지 효율은 서로 관련되지만 같은 성능표가 아니다.

황 로딩(sulfur loading)은 보통 전극 면적당 넣은 황의 양을 말한다. 이를 높이는 것은 실용성을 판단할 한 조건이다. 그러나 두껍게 만든 전극에서도 내부까지 반응이 잘 진행되는지 별도로 확인해야 한다. 아주 적은 양을 좋은 조건에서 작동시킨 결과가 곧 많은 양의 재료에서도 그대로 유지되는 것은 아니다.

적은 전해질 조건(lean electrolyte)은 필요한 황의 양에 비해 전해질을 줄여 시험하는 것을 뜻한다. 전해질이 많으면 전체 질량 부담이 커질 수 있지만, 줄였을 때 이온 이동과 반응이 유지되는지는 실험 문제다. 염화물 성분이 중요한 이번 반응에서는 성능과 물질 투입량을 함께 보아야 한다.

#안전성·제조성은 별도의 성적표다

전압과 용량의 개선은 충격·과충전·누액·고온에 대한 안전성 시험을 대신하지 않는다. 이온성 액체라는 이름만으로 무독성이나 불연성을 단정하지도 않는다. 구체적인 조성, 재료끼리의 반응, 포장과 보호 구조에 대한 평가가 필요하다.

현재 열람한 공개자료만으로 대형 셀의 수율, 제조비, 장기간 보관 후 성능, 실용 조건의 전체 질량당 에너지는 확정할 수 없다. 이는 논문이 해당 시험을 모두 하지 않았다는 비판이 아니라 이 글에서 확인한 증거의 범위다. 다른 연구팀이 반증했다는 자료를 확보한 것도 아니므로, 미확인과 반증을 섞지 않는다.

#7. 실제로 무엇이 달라질 수 있나

이 연구의 학문적 의미는 익숙한 원소에서도 사용할 수 있는 화학적 상태의 범위를 다시 설계할 수 있다는 데 있다. 재료를 더 넣거나 표면을 개선하는 방식과 달리, 전하를 저장하는 반응 자체를 넓히는 방향이다. 전극과 전해질을 따로가 아니라 한 쌍으로 보아야 하는 이유도 드러난다.[5]

이 원리가 더 큰 셀과 엄격한 사용 조건에서도 유지된다면, 무게가 중요한 이동형 장치의 저장 기술에 기여할 가능성이 있다. 다만 가능성이 있다는 말과 특정 제품에 채택됐다는 말은 다르다. 출시일이나 차량 적용 계획은 확인되지 않았다.

모든 용도에서 같은 배터리가 유리한 것도 아니다. 휴대 기기에는 무게와 부피가, 오래 반복 사용하는 설비에는 수명과 비용이 더 크게 작용할 수 있다. 최고 에너지 수치 하나로 모든 시장의 승자를 고르기보다, 어떤 조건에서 장점이 살아남는지를 보아야 한다.

#8. 다음에 확인할 트리거

다음 자료에서는 최고값보다 무엇을 저울에 올렸는지, 어떤 전류와 온도에서 측정했는지, 얼마나 오래 성능을 유지했는지를 먼저 확인할 것이다. 그 뒤 높은 황 로딩과 적은 전해질 조건을 동시에 만족하는지, 여러 셀과 독립 연구팀에서 재현되는지 살핀다.

본문과 보충자료를 확보하면 전극 수준 비에너지의 정확한 질량식, 58% 증가의 대조군, 사이클별 잔존 용량을 우선 대조해야 한다. 실제 반응을 식별한 분석자료와 데이터 공개 상태도 확인 대상이다. 지금은 그 결과를 이미 검증한 것처럼 채우지 않는다.

오늘 기억할 문장은 이것이다. 배터리를 오래 쓰려면 전하를 많이 주고받는 것만으로 부족하다. 충분한 전압에서 그 일을 하고, 필요한 부품의 무게를 감당하며, 같은 일을 여러 번 되풀이해야 한다. 황의 3전자 반응은 그 조건들을 함께 개선하려는 새로운 연구 방향이다.

#9. 출처

[1] Nan Zhang 외. Lithium–disulfur dichloride batteries. Nature Energy, 2026-09-10. DOI: 10.1038/s41560-026-02120-8. 이번 열람에서는 출판사 공개 초록과 Figure 1 원본·캡션을 직접 확보해 대조했다. 본문·보충자료 접근 실패로 원자료 전체 재분석은 하지 않았다.

[2] University of Maryland, Maryland Energy Innovation Institute. University of Maryland Researchers Develop Three Materials Strategies for Higher-Energy Lithium Batteries, 2026-09-10. 세 연구 중 리튬–황 관련 부분만 근거로 사용했다. 연구기관의 자체 성과 설명이다.

[3] U.S. Department of Energy. DOE Explains…Batteries. 전자·이온 이동과 화학적 에너지 저장의 기초 설명. 열람: 2026-09-12.

[4] MIT Electric Vehicle Team. A Guide to Understanding Battery Specifications, 2008-12, 3쪽. 단위·용량·충방전율·비에너지의 정의에만 사용했다. 현재 상용 제품 성능 비교에는 사용하지 않았다.

[5] Marco Ricci, Tao Wang, Remo Proietti Zaccaria. Halogen-assisted sulfur oxidation, Nature Energy News & Views, 2026-09-10. 공개 요약과 반응 개념 그림만 확인했다. 독립 재현 실험 논문이 아니다.

[6] IUPAC Gold Book. Oxidation state, O04365. 산화수의 형식적 정의. 이번 열람은 IUPAC의 검색 색인 정의를 사용했으며 개별 페이지 접근은 실패했다.

[7] P. Sippel 외. Importance of glassy fragility for energy applications of ionic liquids. Scientific Reports 5, 13922 (2015), DOI: 10.1038/srep13922. 저자 공개 원고 arXiv:1502.06851의 초록과 출판 연결정보를 확인했다. 이온성 액체의 기초 의미에만 사용하며, 2026년 배터리의 성능 근거로 사용하지 않았다.