나트륨 이온 배터리 배터리 시장의 게임 체인저를 꿈꾸다

‘나트륨 이온 배터리’ 시장이 급성장할 전망이다. 글로벌 배터리 제조기업인 중국의 CATL(닝더스다이)부터 스웨덴의 2차전지 업체 알트리스(Altris)까지 전기차용 나트륨 이온 배터리 시장에 속속 뛰어들며 배터리 시장의 ‘게임 체인저’를 꿈꾸고 있기 때문이다. 나트륨은 소금(염화나트륨)의 주성분이다. 그런데 소금을 어떻게 배터리 소재로 사용하게 됐을까?

리튬전지, 안정적이지만 발화 가능성 우려
배터리는 화학반응으로 전기에너지를 만드는 장치다. 구성 요소로는 크게 음극과 양극, 분리막, 전해질(배터리액) 등 4개로 나눌 수 있다. 전해질 속에 금속판 두 종류가 들어 있는데 그 두 금속판이 전해질과 화학반응을 하면서 전기를 만든다.
금속판의 한쪽은 전자를 받아들이는 양극(+)이고 다른 한쪽은 전자를 내보내는 음극(－)이다. 전해질은 양극과 음극 사이를 오가는 이온의 통로 역할을 하고 분리막은 양극과 음극이 직접 접촉하면 불이 나기 때문에 이를 막아주는 역할을 한다. 배터리는 이렇게 두 금속판이 전해질을 통해 반응하면서 전자를 얻거나 잃는 ‘산화·환원 반응’으로 전기를 만들어낸다.
보통 배터리는 한 번 쓰고 버리는 ‘1차전지’와 충전을 해서 계속 쓸 수 있는 ‘2차전지’로 나뉜다. 납 축전지, 니켈 카드뮴 배터리, 리튬 이온 배터리 등이 2차전지에 속한다. 과거에는 주로 니켈이나 납으로 2차전지를 만들었는데 너무 무거운 게 흠이었다. 때문에 충전으로 운행하는 전기차나 손에 들고 다니는 휴대전화에는 적당하지 않았다.
지금 우리 일상생활에서 가장 많이 쓰이는 2차전지는 리튬을 소재로 한 ‘리튬 이온 배터리’다. 무게가 니켈 배터리의 반밖에 되지 않아 가볍고 같은 무게라면 배터리 용량도 세 배나 크다. 성능이 오래 유지되는 장점도 있다. 전자를 쉽게 내놓는 성질이 있기 때문에 화학에너지를 전기에너지로 바꾸는 에너지 변환 효율도 좋다.
리튬 이온 배터리가 많이 쓰이는 가장 대중적인 제품은 스마트폰이다. 스마트폰을 전원에 연결하면 양극에 있던 리튬 이온(Li+)이 전해질을 통해 전자와 함께 음극으로 향한다. 양극의 리튬 이온과 전자가 음극으로 다 옮겨가면 충전(전력 저장)이 끝난 것이다. 반대로 음극에 있던 리튬 이온이 전해질을 통해 양극으로 가면 전류가 흐르고 전부 양극으로 이동하면 방전(전력 사용) 상태가 된다.
다만 발화 가능성에 대한 우려가 고민거리다. 리튬 이온 배터리는 강한 충격을 받거나 고온에 노출되면 액체인 전해질과의 화학반응으로 불이 날 가능성이 있다. 비행기에서 리튬 이온 보조 배터리를 위탁 수하물로 부칠 수 없는 것도 이런 점을 우려해서다.
서울시에 따르면 2016~2018년 휴대전화나 전동킥보드 등의 리튬 이온 배터리가 폭발한 사고가 100여 건에 달한다. 또 리튬은 아메리카 대륙과 중국, 호주 등 지구촌 일부 지역에서만 나오는 금속이기 때문에 희귀하고 값이 비싸서 공급이 불안정해질 수 있다.
산업계에선 이 때문에 ‘전고체 배터리(solid-state battery)’에 주목하고 있다. 이는 리튬 이온이 오가는 통로인 전해질을 액체가 아닌 고체로 만든 2차전지다. 발화 가능성은 낮지만 고체 전해질은 액체보다 전도성이 낮고 여전히 희귀한 금속인 리튬을 쓴다는 점에서 한계가 있다.

가성비 끝판왕 나트륨 배터리, 2035년 시장 규모 연간 19조 원
그래서 과학계는 최근 값비싼 리튬을 나트륨으로 대체한 ‘나트륨 이온 배터리’에 주목하고 있다. 나트륨 이온은 리튬과 화학적 성질이 비슷해 리튬 이온 배터리를 구성하는 다른 재료와도 호환이 가능하다. 또 가벼운 데다 소금의 주성분이기 때문에 바닷물 등에서 쉽게 구할 수 있어 저렴하다. 추위에도 강해 영하 20℃ 이하에서도 90% 이상 성능을 발휘한다.
생산공정 또한 리튬 이온 배터리와 상당히 비슷하다. 소재는 대부분 바뀌지만 제조기술 자체엔 큰 차이가 없다. 이는 제조사 입장에서 큰 장점이다. 생산라인을 다 바꿀 필요 없이 기술 일부만 교체하면 제조가 가능하기 때문이다.
하지만 리튬 이온 배터리에 비해 에너지 밀도(에너지 변환 효율)가 낮아 저장 용량이 작다는 게 단점으로 꼽힌다. 달리 말하면 비슷한 무게·부피라면 1회 완충 시 나트륨 이온 배터리를 장착한 전기차의 주행거리가 더 짧을 수밖에 없다는 것이다. 전기 생산만큼 중요한 숙제가 바로 ‘저장’이다. 저장 용량을 높이려면 전극을 두껍게 만들어야 하는데 이 경우 전기저항이 커져서 배터리 수명이 짧아진다. 따라서 이를 극복할 기술 개발이 절실하다.
이런 상황에서 2023년 4월 중국의 배터리 기업 CATL이 160Wh/㎏의 에너지 밀도를 가진 나트륨 이온 배터리를 체리자동차에 공급했다. 체리자동차는 이 배터리를 장착한 전기차를 상용화해 세상을 놀라게 했다. 또 CATL은 이보다 월등한 200Wh/㎏의 배터리를 공급할 계획인데 체리자동차는 올해 안에 이를 장착한 새 전기차 ‘아이카(iCar)’를 출시할 예정이다. 올 1월에는 이륜 전동차업체 야디(Yadi)가 나트륨 이온 배터리가 탑재된 전기오토바이를 판매하기 시작했다. 중국이 나트륨 배터리 시장을 주도하고 있는 셈이다.
미국과 유럽에서도 나트륨 배터리에 대한 관심이 크다. 영국의 파라디온(Faradion), 스웨덴의 알트리스, 프랑스의 티아마트(Tiamat), 미국의 나트론(Natron) 등은 나트륨 배터리 양산계획을 발표하고 개발에 몰두 중이다. 이에 비해 국내에서는 정부 차원의 연구개발만 이뤄지고 있고 나트륨 이온 배터리를 제조하겠다고 발표한 기업은 에너지11이 유일하다.
에너지 전문 시장조사업체 SNE리서치에 따르면 리튬 배터리보다 최대 24% 저렴한 가격을 무기로 2035년 연간 19조 원 규모의 나트륨 배터리 시장이 형성될 것이란 전망이다. 이제 우리 기업들도 리튬 이온 배터리 못지않은 저장 용량과 성능, 가벼운 무게를 가진 나트륨 이온 배터리를 상용화해 세계 시장에서 주도적 역할을 하길 기대한다.


김형자
편집장 출신으로 과학을 알기 쉽게 전달하는 과학 칼럼니스트. <구멍으로 발견한 과학> 등 다수의 저서가 있다.

(www.korea.kr)