세계 에너지 전환의 중심에는 ‘저장(Storage)’이라는 과제가 있다. 태양광과 풍력은 무한하지만, 해가 지거나 바람이 멎으면 전력이 끊기는 ‘간헐성’이 존재한다. 지금까지는 리튬이온 배터리가 이를 메웠지만, 높은 비용과 자원 제약, 화재 위험성으로 장기 대용량 저장에는 한계가 있었다. 바로 이 틈새에서 등장한 것이 칼륨-나트륨/황(K-Na/S) 배터리다.

2025년, 컬럼비아 대학 연구팀은 'Nature Communications'에 칼륨-나트륨/황 기반 배터리의 실험적 성과를 발표했다. 이 배터리는 리튬이 아닌 칼륨과 나트륨 같은 풍부하고 값싼 원소를 활용하고, 고비용 희소 금속 대신 황을 활용함으로써 '저비용·고효율·안전성'을 동시에 충족할 수 있는 가능성을 열었다.

기존의 나트륨-황(Na-S) 배터리는 300°C 이상 고온에서만 작동해 산업적 활용에 제약이 컸다. 그러나 이번 연구팀은 전해질의 혁신적 설계 덕분에 '약 75°C라는 중온 환경에서도 안정적 작동'을 실현했다.

핵심은 새로운 전해질 조합이다. 연구진은 K-Na 합금 음극과 황 양극 사이에서 전해질이 효율적으로 이온을 전달하도록 최적화했으며, 고온이 아니어도 이온 전도성을 유지할 수 있게 설계했다. 이 덕분에 에너지 효율이 높아지고, 기존 고온형 Na-S 배터리에서 발생하던 부식과 구조적 열화 문제도 크게 줄어들었다.

중온 작동은 단순히 에너지 효율 개선만이 아니다. 시스템 유지 비용과 안전성까지 획기적으로 끌어올린다. 이는 곧, ‘실험실 단계의 가능성’에서 ‘상용화로 가는 현실적 경로’로의 도약을 의미한다.

칼륨과 나트륨은 지각에 풍부하고 저렴하다. 리튬, 코발트, 니켈처럼 공급망이 제한적이지 않으며, 지정학적 리스크에도 덜 취약하다. 여기에 황은 석유화학 산업에서 부산물로 대량 발생하는 값싼 자원이다.

따라서 K-Na/S 배터리는 소재 원가만 놓고 보더라도 리튬이온 배터리 대비 수십 퍼센트 낮출 수 있다. 실험에서는 기존 Na-S 배터리 대비 더 낮은 온도에서 높은 에너지 효율을 기록했으며, 수명 측면에서도 안정적 충방전이 가능함이 입증되었다.

이러한 특성은 재생에너지 장기 저장(Seasonal Storage)에 최적화된 해법으로 연결된다. 예를 들어, 여름철 태양광으로 남는 전력을 K-Na/S 배터리에 저장해두고, 겨울철 난방 수요가 몰리는 시기에 꺼내 쓰는 방식이 가능해진다.

이 기술이 주는 파급력은 단순히 ‘값싼 배터리’ 이상이다.

첫째, '재생에너지 확대의 병목 해소'다. 풍력·태양광 발전소는 낮과 밤, 계절별 편차가 심하다. 이를 안정적으로 공급망에 연결하려면 장기 저장 장치가 필수적이다. K-Na/S 배터리는 리튬 기반 ESS(에너지 저장 시스템)의 비용 장벽을 무너뜨릴 수 있다.

둘째, '지속 가능성의 강화'다. 희소 금속 의존을 줄이고, 풍부한 자원을 활용하는 이 기술은 자원 채굴로 인한 환경 파괴를 크게 줄인다. 황과 같은 부산물을 활용한다는 점도 순환 경제적 가치가 크다.

셋째, '산업 구조 재편'이다. 만약 K-Na/S 배터리가 상용화된다면, 현재 리튬에 집중된 공급망과 기업 구조가 흔들릴 수 있다. 배터리 제조사와 발전사는 새로운 원자재·신규 설비 투자를 통해 경쟁 구도를 재편하게 될 것이다.

그러나 넘어야 할 난관도 분명하다.

첫째, '실증 규모 확대'다. 지금까지는 연구실과 파일럿 단계에서 검증된 수준이다. 수백 kWh\~MWh 규모로 확대했을 때 동일한 성능을 낼 수 있는지 추가 검증이 필요하다.

둘째, '수명과 안정성'이다. 중온 작동이 가능해졌다고 해도 수만 회 충방전이 필요한 장기 ESS 조건에서 얼마나 견딜 수 있을지는 아직 연구가 필요하다.

셋째, '비용 구조'다. 원자재 자체는 저렴하지만, 새로운 전해질 합성 공정과 시스템 설계에서 초기 비용이 발생한다. 또한 배터리 팩과 관리 시스템(BMS)의 최적화도 필수적이다.

넷째, '안전성 및 규제'다. 장주기 저장장치가 상업용으로 쓰이려면 국제 안전 인증과 규제 기준을 통과해야 한다. 이는 단순한 실험적 성과를 넘어 상업적 신뢰성을 확보하는 데 중요한 장벽이다.

이번 연구의 의의는 배터리를 ‘더 싸고 오래 쓰는 장치’ 그 이상으로 재정의한다는 점에 있다. 풍부한 자원과 간단한 화학 구조를 기반으로, 리튬 중심의 패러다임을 넘어서는 '새로운 에너지 저장 생태계'를 열고 있는 것이다.

이는 마치, 값비싼 희귀 약품에 의존하던 의료 체계가 보편적이고 저렴한 대체제를 찾아내 모두에게 혜택을 주는 것과 같다. K-Na/S 배터리는 바로 그런 ‘보급형 솔루션’으로서, 재생에너지 시대를 견인할 수 있는 기술이다.

재생에너지 100% 시대를 향한 여정에서, 가장 큰 장애물은 ‘언제나 쓸 수 있는 전기’였다. K-Na/S 배터리는 이 난제를 풀 실마리를 제시한다. 아직 실험실 단계를 벗어나야 하는 과제가 남았지만, '저비용·고효율·지속가능성'이라는 세 가지 조건을 모두 충족할 잠재력을 보여주었다는 점에서, 이번 연구는 중요한 이정표다.

앞으로 10년, K-Na/S 배터리가 실용화된다면 우리는 계절을 초월해 전기를 저장하고 쓰는 시대, 즉 ‘진정한 재생에너지 사회’를 맞이하게 될 것이다.

Nature Communications, 2025, “Intermediate-temperature K-Na/S battery with stable performance enabled by new electrolyte design", Columbia University Engineering

At the center of the global energy transition lies a critical challenge: 'storage'. Solar and wind power are infinite, yet they suffer from the intermittency of the sun setting and the wind dying down. Until now, lithium-ion batteries have filled this gap, but their high cost, resource constraints, and fire risks limit their use in long-duration, large-scale storage. This is precisely the gap where potassium-sodium/sulfur (K-Na/S) batteries are emerging.

In 2025, a research team at Columbia University published experimental results on K-Na/S batteries in 'Nature Communications'. By using abundant, low-cost elements like potassium and sodium instead of lithium, and sulfur instead of expensive rare metals, this battery demonstrated the possibility of simultaneously achieving 'low cost, high efficiency, and safety'.

Conventional sodium-sulfur (Na-S) batteries only operate at very high temperatures—above 300°C—which posed major industrial limitations. However, thanks to innovative electrolyte design, this research team achieved 'stable operation at around 75°C, an intermediate temperature'.

The core lies in a new electrolyte combination. The researchers optimized the electrolyte to efficiently transfer ions between the K-Na alloy anode and the sulfur cathode, while maintaining ionic conductivity even at lower temperatures. This improved energy efficiency and significantly reduced corrosion and structural degradation that plagued conventional high-temperature Na-S batteries.

Operating at intermediate temperatures is not just about improved efficiency. It also drastically reduces system maintenance costs and enhances safety. In other words, this represents a leap from '“laboratory-stage possibility” to a “realistic pathway toward commercialization.”'

Potassium and sodium are abundant and inexpensive in the Earth’s crust. Unlike lithium, cobalt, and nickel, their supply chains are not restricted, nor are they highly vulnerable to geopolitical risks. In addition, sulfur is an extremely cheap byproduct of the petrochemical industry.

Thus, even in terms of raw material costs alone, K-Na/S batteries can be produced at significantly lower prices than lithium-ion batteries. Experiments showed higher energy efficiency at lower operating temperatures compared to existing Na-S batteries, along with stable charge-discharge cycles.

These characteristics make K-Na/S batteries an ideal solution for 'long-duration renewable energy storage (seasonal storage)'. For instance, surplus electricity from summer solar power could be stored in K-Na/S batteries and released during winter, when heating demand surges.

The impact of this technology goes far beyond simply creating “cheaper batteries.”

First, it 'removes bottlenecks to renewable energy expansion'. Wind and solar power plants suffer from sharp daily and seasonal fluctuations. To integrate them stably into the grid, long-term storage devices are essential. K-Na/S batteries could dismantle the cost barriers of lithium-based ESS (energy storage systems).

Second, it 'strengthens sustainability'. By reducing dependence on scarce metals and using abundant resources, this technology significantly lowers environmental destruction caused by resource mining. The use of sulfur, a byproduct, also brings major value to the circular economy.

Third, it 'reshapes industrial structures'. If K-Na/S batteries are commercialized, today’s lithium-centric supply chains and corporate structures will be disrupted. Battery manufacturers and energy companies will have to invest in new raw materials and facilities, reorganizing the competitive landscape.

Nevertheless, several hurdles remain.

First, 'scaling up demonstrations'. So far, performance has been validated only at the laboratory and pilot scale. Further verification is needed to see if the same results hold at scales of hundreds of kWh to MWh.

Second, 'cycle life and durability'. Even with intermediate-temperature operation, it remains to be seen whether the batteries can withstand the tens of thousands of charge-discharge cycles required for long-duration ESS.

Third, 'cost structure'. While raw materials are cheap, new electrolyte synthesis processes and system designs bring initial costs. Optimizing battery packs and battery management systems (BMS) will also be critical.

Fourth, 'safety and regulation'. For long-duration storage devices to be used commercially, they must pass international safety certifications and regulatory standards. This barrier is as crucial as experimental success, since it secures commercial trust.

The true significance of this research lies in redefining what a battery can be—'not just cheaper and longer-lasting, but a new ecosystem for energy storage' that goes beyond lithium.

It is like discovering an affordable, widely available alternative to expensive rare drugs, giving benefits to everyone. K-Na/S batteries represent precisely such a “mass-access solution,” capable of driving the renewable energy era forward.

On the journey toward a 100% renewable energy era, the biggest obstacle has been the challenge of ensuring “electricity anytime.” K-Na/S batteries offer a clue to solving this riddle. While hurdles remain in moving beyond the laboratory, the technology has already demonstrated its potential to meet the three essential conditions of 'low cost, high efficiency, and sustainability'.

If K-Na/S batteries are commercialized within the next decade, humanity may enter an era where electricity can be stored and used across seasons—a 'truly renewable energy society'.

Nature Communications, 2025, “Intermediate-temperature K-Na/S battery with stable performance enabled by new electrolyte design", Columbia University Engineering