전기차 나트륨 배터리 기술 개발

전기차 배터리 소재의 지각변동

 전기차 시대가 열리고 중요 소재로 떠오른 배터리 소재가 기존 리튬에서 나트륨 · 마그네슘 배터리로 전환 움직임이 시작되었다고 한다.

 전기차 배터리의 핵심 소재인 리튬 가격이 크게 치솟은 가운데 중국 전기차 제조업체들 중심으로 리튬 전지보다 저렴한 나트륨 이온 배터리로 기술 전환을 시도 새로운 전기차 배터리 사용을 테스트하고 있다고 한다.

현재 배터리 소재는?

 현재까지 전기차 시장에서 배터리는 니켈, 카드뮴, 리튬이 들어가는 리튬 이온 배터리의 성능이 경쟁 우위에 있다.

 세계적으로 인정 받고 있는 한국의 배터리 3사가 주력하는 배터리도 양극재 내 니켈 함량을 높인 하이 니켈 계열(NCMA, NCM, NCA) 배터리이다. 니켈 함량이 높아질수록 에너지 밀도 또한 높아져 전기차 주행 거리와 출력도 향상되기 때문이다. 니켈 함량을 높인 고밀도 배터리는 화학적 조성이 안정적이지 않아 자칫 폭발의 위험이 있다는 단점이 있지만 여러 면에서 효율적인 배터리로 인정 받고 있다.

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 리튬 이온 배터리에서 가격이 비싼 코발트 함량을 줄이는 방식으로 가격 경쟁력을 확보, 차세대 기술 · 제품 개발.

삼성SDI

 니켈 함량 88% 이상의 하이 니켈 기술이 적용된 젠5(Gen.5·5세대) 배터리를 올해 하반기부터 양산할 예정.

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 니켈 비중을 약 90%까지 높인 NCM9 배터리를 내년부터 양산, 전고체 배터리 등 차세대 기술 개발도 활발히 진행 중.

 이에 더해 한국의 배터리 제조 회사들은 성능 향상과 안전성을 동시에 확보하기 위해 양극재 구성 변경, 전고체 배터리(배터리 양극과 음극 사이의 액체 전해질을 고체 물질로 대체, 고용량, 안정성 확보), 리튬황 배터리 등 차세대 배터리 기술 개발을 하고 있다.

 전세계적으로 전기차로 전환이 이루어지는 가운데  전기차 배터리의 중요성도 부각되어 전기차 중요 부품인 배터리의 '가격 및 성능 경쟁력'이 중요한 문제로 대두 되고 있다.

리튬에서 나트륨 · 마그네슘 배터리로 전환 움직임

 리튬 이온 배터리보다 저렴하게 생산이 가능한 나트륨 · 마그네슘 이온 배터리 상용화 움직임이 보이고 있다. 관련 업계와 외신에 따르면 중국 전기차 회사를 중심으로 배터리 소재의 전환 움직임이 있다고 한다.

•  "중국 최대 전기차 제조사인 CATL은 자체 개발한 1세대 '나트륨 이온 배터리'를 지난달 29일 공개했다."
•  "23일 블룸버그통신은 중국의 전기차 제조업체 JAC가 리튬 이온 배터리의 대안으로 저렴한 나트륨 이온 배터리의 차량 탑재를 시도하고 있다고 보도했다. 중국 정부의 지원을 받는 JAC는 배터리 기업 '하이나 배터리'에 이 작업을 의뢰했다."
•  "JAC와 폭스바겐의 중국 법인이 소유한 회사가 만든 소형 전기차가 나트륨 이온 배터리를 순수 전기차에 처음으로 장착했다."
•  "전기차 배터리의 핵심 소재인 리튬 가격이 크게 치솟은 가운데 중국 전기차 제조업체들이 리튬 전지보다 저렴한 나트륨 이온 배터리 사용을 테스트하고 있다."
• "전 세계 배터리 점유율 1위인 중국 CATL도 리튬 이온 전지보다 더 저렴한 나트륨과 같은 재료를 사용한 배터리 개발에 자금을 지원 받고 있다."

 리튬과 달리 나트륨 자원이 더 많이 매장되어 있는 까닭에 만약 상용화된다면 리튬 이온 배터리보다 나트륨 이온 배터리가 훨씬 저렴하게 판매 될 수 있다. 다만 에너지 밀도가 낮아 충전 능력이 떨어지는 점이 해결해야 할 과제로 남아 있지만, 관련 업계에서는 기술의 발전으로 충분히 해결할 수 있을 것이라고 한다.

 최근 리튬 가격은 2021년에는 430%나 상승했고, 작년에는 87%나 올랐다. 리튬 가격의 급격한 상승에 대비 나트륨 이온 배터리 기술의 개발이 필요한 상황이다.

나트륨 · 마그네슘 이온 배터리

 최근 저렴하게 생산이 가능한 나트륨 · 마그네슘 이온 배터리 상용화 움직임이 빨라지고 있다. 하지만 아직까지는 배터리 업계 판도를 뒤집기에는 기술적 한계가 분명하다는 지적이 있다.

 나트륨 이온 배터리는 리튬 대신 원자재 가격이 저렴한 나트륨을 사용하기 때문에 비교적 저렴하게 생산 할 수 있는 장점이 있다. 하지만 상대적으로 에너지 밀도가 낮아 효율성은 떨어진다는 지적을 받고 있다.

 나트륨은 리튬보다 1000배 이상 더 많이 매장되어 있다고 알려져 있으며, 판매 가격 또한 리튬의 30분의 1 수준이다. 광물의 자원 한계, 가격 등의 요인을 감안해 보면 향후 나트륨 이온 배터리의 상업화 가능성이 높다고 한다.

 또한 마그네슘은 일부 몇몇 국가에 수급을 의존하는 리튬 · 코발트 등과 달리 값이 싸고 매장량도 풍부하다. 이러한 장점으로 인해 나트륨 배터리와 함께 마그네슘 배터리도 연구 개발이 활발하게 진행 되고 있다.

 리튬에 비해 에너지 밀도가 낮은 나트륨과는 달리 마그네슘은 약 1.9배 높은 용량을 가지고 있다는 장점이 있는 효율적인 소재이다. 유럽 지역을 중심으로 영국 케임브리지 대학과 덴마크, 이스라엘, 독일 대학 · 연구 기관 등은 마그네슘 이온 배터리를 개발하고 있다고 한다.

 반면에 부정적인 시각도 존재한다.

 나트륨은 리튬에 비해 원자가 커 에너지 밀도가 현저히 낮다. LFP(리튬인산철)배터리 보다도 낮은 밀도로 인해 전기차 배터리에는 적합하지 않다는 주장이 있다. 또한 아직까지 나트륨 배터리의 화재 안전성에 대한 의심도 해소되지 않았으며, 과충전시 리튬이나 나트륨이 음극 표면에 석출(액체 속에서 고체가 생김)되는 현상을 해결하지 못하고 있다.

 마그네슘 배터리도 '덴드라이트(배터리 충전 과정에서 금속 음극 표면에 쌓이는 나뭇가지 모양의 결정)' 현상을 극복해야 한다. 덴드라이트 형태가 형성되고 성장하면 배터리 성능이 저하되며, 덴드라이트가 계속 자라나 반대 전극(양극)에 닿으면 화재가 발생하기 때문에 이를 억제하는 기술이 중요하다.

 현재 이러한 문제들에도 나트륨 · 마그네슘 이온 배터리 상용화가 가속화 되고 있으며, 세계 최대 배터리 회사인 중국 CATL이 개발한 나트륨 배터리의 에너지 밀도와 가격이 모두 리튬 이온 배터리의 40% 수준이라고 이야기한다. 상온에서 15분 만에 80% 충전이 가능하고 영하 20도에서도 90% 이상 성능을 발휘한다고 한다.

 전기차 배터리 업계 관계자는 "테슬라가 촉발한 전기차 가격 인하 경쟁이 배터리 업계의 저가 소재 개발 연구를 활발히 하는 측면도 있다. 하지만 안전과 밀접한 배터리 기술은 단기간에 고도화하기 힘든 측면이 있다. 빠른 시간에 안정화하기 어려울 것으로 본다"고 말한다.