리튬 대신 나트륨으로 만든 배터리, 나트륨 배터리가 탑재된 전기차

리튬대신 나트륨배터리

최근 나트륨이온 배터리가 탑재된 전기차가 출시되었다는 뉴스가 나온 적이 있습니다. 소금이 전기차 배터리로 어떻게 만들어지는 것인지? 그래서 나트륨 이온 배터리의 가능성에 대해서 리튬이온 배터리와 비교하여 살펴보도록 하겠습니다.

 

나트륨 이온 배터리가 탑재된 전기차

최근 중국에서 나트륨으로 만든 배터리 그리고 배터리를 탑재한 전기차가 시제품으로 출시되었다는 뉴스가 나온 적이 있습니다. '장화이'라는 자동차 회사 그리고 '하이나'라는 배터리 회사가 만든 제품이 되겠는데요. 이 전기차는 시제품이긴 하지만 시장에서 첫 번째 나트륨 이온 배터리가 탑재된 전기차라고 해서 큰 이슈와 반향을 일으켰습니다.

 

나트륨 이온 배터리의 특성

현재 출시된 리튬이온 배터리와 비교를 했을 때 나트륨 이온 배터리가 탑재된 전기차는 주행 거리가 절반 정도밖에 되지 않습니다. 물론 가격은 좀 쌀 수 있겠지만 아직은 리튬이온 배터리가 탑재된 전기차보다 수명이 많이 떨어진다고 볼 수가 있겠는데요. 올해 안에 중국에 있는 많은 업체가 나트륨 이온 배터리가 탑재된 전기차를 출시하고 상용화를 하겠다. 이런 계획들을 가지고 있습니다. 그래서 지금부터 나트륨 이온 배터리가 무엇인지 특징을 살펴보고 나트륨 이온 배터리가 탑재된 전기차가 출시되었을 때 리튬에 어떤 영향이 있을지 이 부분을 이야기해 보도록 하겠습니다.

 

나트륨배터리 장단점

반응성과 효율

나트륨 이온 배터리의 작동 원리는 리튬 이온 배터리와 거의 유사합니다. 리튬 이온 배터리에 양극재, 음극재 그리고 전해질, 분리막이 있듯이 나트륨 이온 배터리도 마찬가지로 양극재, 음극재, 전해질, 분리막이 있습니다. 다만 차이점이 있다면 리튬 이온 배터리에서 리튬 이온이 양극재와 음극재 사이를 왔다 갔다 하는 역할을 한다면 나트륨 이온 배터리에서는 나트륨 이온이 대신합니다. 하지만 나트륨은 리튬 대비해서 원소 기호에서도 알 수 있듯이 입자가 두 배 이상 크고 입자가 크다 보니까 상당히 무겁습니다. 그래서 나트륨 이온이 양극과 음극 사이를 왔다 갔다 할 때 반응성이 떨어지고 효율이 떨어지는 현상이 있습니다.

 

1970년대부터

나트륨 배터리는 최근에 연구 개발하면서 상용화를 추진한 것은 아닙니다. 이미 1970년대부터 80년대 이때부터 연구 개발이 진행되어 왔는데요. 하지만 리튬이온 배터리가 워낙 수명 특성도 좋고 성능이 월등하기 때문에 7,80 년대에 연구 개발이 되던 나트륨 이온 배터리가 리튬 이온 배터리의 성능에 밀려서 관심을 못 받고 시장에서 잊히는 상황이었습니다.

 

리튬이 최근에 가격이 많이 오르고 리튬의 매장량에 대한 이슈가 생산에 대한 이슈가 되면서 나트륨이 상대적으로 풍부한 매장량과 리튬 대비 10% 수준의 낮은 가격 때문에 관심이 높아지고 있습니다. 리튬 이온 배터리와 나트륨 이온 배터리를 비교해서 말씀을 드리겠습니다.

 

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나트륨 이온 배터리와 4대 소재

나트륨 이온 배터리는 나트륨이 가지고 있는 성질을 양극과 음극에서 잘 받아줘야 하므로 현재 리튬 이온 배터리에서 사용하고 있는 양극 소재, 음극 소재, 기판, 전해질이 모두 바뀌어야 합니다. 그래고 상대적으로 가격이 싼 소재로 바뀔 수는 있습니다. 양극도 나트륨 기반의 양극재가 많이 사용되고 음극도 흑연계에서 과거에 리튬 이온 배터리가 처음 나왔을 때 사용하던 하드카본 계열로 바뀌게 됩니다. 그리고 기판 중에 음극 기판이 현재는 동박이 사용되고 있는데 알루미늄박으로 바뀌게 됩니다. 전해질도 나트륨 계열로 바뀌게 되고요. 4대 소재에 대해서 현재 리튬 이온 배터리가 가지고 있는 소재를 전부 바꿔줘야 하므로 공급망을 전체적으로 바꿔 줘야 합니다. 그래서 공급망 교체에 대한 비용이 들고 시간이 오래 걸릴 수 있습니다.

 

나트륨 이온 배터리의 장점

• 나트륨 이온 배터리의 가장 가장 큰 장점은 원가를 낮춰서 만들 수 있다는 점입니다. 일단 리튬보다 싼 나트륨을 사용하고요. 양극, 음극, 전액질, 분리막도 지금 리튬 이온 배터리에서 사용하는 소재보다 조금 더 싼 소재를 사용해서 만들 수가 있습니다. 그래서 리튬 이온 배터리보다 가격을 약 30~40% 수준으로 싸게 만들 수 있는 게 나트륨 배터리의 최대 장점이 되겠습니다.
• 그리고 리튬은 상대적으로 반응성이 좋은데 나트륨은 앞에서 입자가 크고 무겁다고 언급을 드렸는데요. 그렇다 보니까 반응성이 떨어져서 상대적으로 안정성이 뛰어나다는 장점이 있습니다.
• 리튬 이온 배터리가 온도가 낮을 때 배터리 성능이 떨어지는 단점이 있는데요. 나트륨 이온 배터리는 저온에서 원래 가지고 있는 성능을 잘 낼 수 있는 소재라 저온 특성이 좋다는 장점도 있습니다.

나트륨배터리 밀도

나트륨 이온 배터리의 단점

• 가장 튼 단점은 에너지 밀도가 낮다는 점입니다. 리튬 이온 배터리와 비교를 할 때 나트륨 이온 배터리의 에너지 밀도는 kg당 160w입니다. 그래서 LFP가 가지고 있는 kg당 170w와 거의 유사합니다. 하지만 리튬 이온 배터리 중에 삼원계 NCM이 가지고 있는 에너지 밀도인 kg당 210w에는 한참 못 미치고요. 무엇보다 부피당 에너지 밀도를 봤을 때 나트륨 이온 배터리는 370Wh/L입니다. 그래서 리튬 이온 배터리 중에 삼원계가 가지고 있는 650Wh/L에 많이 못 미칩니다. LFP 리튬 이온 배터리가 가지고 있는 400Wh/L와 비슷한 정도의 수준이기 때문에 NCM, 삼원계 계열의 리튬이온 배터리보다 부피당 에너지 밀도나 무게당 에너지 밀도가 나트륨 이온 배터리는 많이 부족하다는 게 가장 큰 단점이 되겠습니다.
• 그리고 수명도 떨어집니다. 기존의 리튬 이온 배터리가 가지고 있는 수명보다 상당히 빨리 수명이 단축돼서 배터리의 기능이 끝날 수 있는 단점을 가지고 있습니다.

종합적으로 비교해서 말씀을 드리면 가격을 싸게 만들 수 있는 장점이 있고 안정성도 괜찮다는 장점이 있음에도 불구하고 무엇보다 에너지 밀도가 많이 떨어져서 삼원계 배터리에 비해 치명적인 단점을 가지고 있습니다. 여기서 에너지 밀도가 LFP 배터리에 비해 약간 떨어지는 수준이기 때문에 LFP 배터리를 대체할 그런 가능성은 있다고 볼 수 있겠습니다.

 

 

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이처럼 나트륨 이온 배터리는 무게당 에너지 밀도 그리고 부피당 에너지 밀도가 리튬이온 배터리에 비교해서 상당히 좋지 않습니다. 그러니까 나트륨 이온 배터리가 탑재된 전기차는 리튬이온 배터리가 탑재된 전기차보다 주행 거리가 짧을 수밖에 없고 비슷한 거리를 가기 위해서는 더 많은 양의 나트륨 이온 배터리를 탑재해야 합니다. 그렇게 되면 무게가 무거워지겠죠. 이처럼 나트륨 이온 배터리의 장점도 물론 있지만 에너지 밀도가 낮다는 단점이 전기차에서 사용되기에는 굉장히 치명적인 단점이라고 볼 수 있겠습니다. 그래서 나트륨 이온 배터리는 ESS용으로 사용이 되거나 아니면 상대적으로 주행 거리가 좀 짧아도 가격 측면에서 메리트를 가질 수 있는 저가형으로 사용될 가능성이 크다고 볼 수 있겠습니다.

마무리

전고체 배터리나 리튬 황 배터리 같이 진정한 차세대 배터리라고 할 수 있는 배터리와 비교를 했을 때 전고체 배터리나 리튬 황 배터리는 에너지 밀도가 굉장히 좋은데 나트륨 이온 배터리는 에너지 밀도가 낮기 때문에 상대적으로 쓰임새가 다르리라고 판단됩니다.