나트륨 배터리는 차세대 배터리로 주목 받고 있습니다. 리튬 자원은 한정적이지만, 나트륨은 지구 상에 풍부하여 재료의 원가를 낮출 수 있기 때문입니다. 이것은 전고체(Solid-state) 배터리가 액체 대신 고체 전해질을 사용하여 기능적 문제에 초점을 맞춘 것과는 다른 이유입니다.
리튬 이온 배터리 시장
환경 문제가 대두되면서, 태양광 발전과 전기차의 사용이 늘어나고 있습니다.
이 때문에 두 분야에 필수적인 에너지 저장 장치의 시장이 점점 커지고 있고, 사람들의 관심을 모으고 있습니다.
특히, 배터리는 LG에너지솔루션이 세계 2위의 점유율을 가지고 있고, 삼성 SDI와 SK온(SK 이노베이션 배터리 부분 자회사)도 투자를 늘리며, 한국의 중요 산업이 되었습니다.
전기차등 배터리의 사용이 늘면서, 리튬이온 배터리 시장은 연평균 16.2%의 성장을 보이고 있습니다.(Marketsandmarkets, Lithium Ion Battery, 2019 참조). 리튬이온 배터리 시장 규모는 2018년 약 40조 원에서 2024년 110조 원에 달할 것으로 예상됩니다.
이는, 전기차 뿐만 아니라 전력 저장을 위한 대용량 배터리가 사용되면서 나오는 당연한 결과입니다.
그렇다면, 빠르게 늘어가는 배터리 사용만큼 리튬은 충분히 있을까요?
리튬 자원은 충분하지 않을 수 있다.
사실 이 질문에 대한 대답은 쉽지 않은 것으로 보입니다.
리튬의 매장 추정 량은, 30 ~ 95 백만 톤 (Mt)인데, 자원 부족의 시점을 예측하는 것은 전기차의 수와 배터리의 재활용 정책 등이 변수가 되기 때문입니다. (How long will the lithium supply last?, Photovoltaic Magazine, 2020. 9 참조)
하지만, 여러 상황들을 고려해 봐도, 대체적으로 21세기 중반에 자원 부족이 시작된다고 보고 있습니다. 최악의 시나리오로, 만약, 리튬 자원이 추가로 발견되지 않고 재활용 또한 잘 되지 않는다면, 2040년 이전부터 리튬 이온 배터리 생산이 어려울 것으로 예상됩니다.
리튬 채굴과 관련해 다른 문제도 있습니다.
리튬의 매장 량이 너무 한 지역에 편중되어 있다는 것입니다.
아르헨티나, 볼리비아, 칠레, 남미 세 나라가 전 세계 리튬 매장량의 80퍼센트를 차지합니다. (India Joins Global Battery Race Eying Reserves in South America's Lithium Triangle, The Rio Times, 2021. 1 참조)
우리는 이미 중국의 희토류 자원무기화 사건에서 중요 자원을 다른 나라에 너무 의존해서는 안 된다는 것을 배웠는데요.
장기적인 관점에서 산업을 안정적으로 발전시키려면 리튬에만 너무 의존해서는 안 될 것입니다.
이러한 문제 의식들은 리튬 대신 다른 자원을 이용한 배터리의 연구를 이끌어 내고 있습니다.
나트륨 이온 배터리 (Sodium-ion battery)
나트륨 혹은 소듐은 원소 기호 Na로 주기율표에서 리튬 아래에 있는 원소입니다.
여기서, 이름에 대해 간략히 설명하면, Na는 나트륨 Natrium 또는 소듐 Sodium으로 불립니다. 영미권에서는 Natrium이 통용되지 않기 때문에, 관련 영문 자료를 찾는 다면 Sodium으로 찾을 것을 권장합니다.
앞서 언급한 바와 같이, 나트륨은 바다에서 쉽게 구할 수 있는 풍부한 자원입니다.
이것이 나트륨 이온 배터리를 연구하는 가장 중요한 이유입니다.
사실 전기차가 비싼 것은 배터리가 비싸기 때문이고, 이 때문에 내연기관차들을 확 밀어내지 못하고 있는 것인데, 경제성만큼 배터리에서 중요한 이유가 있을까요?
이 하나로 나트륨 이온 배터리를 연구하는 이유는 충분합니다.
단점 및 해결해야 할 문제
주기율 표에서 리튬은 원자 번호 3번 그리고 나트륨은 11번입니다.
예상하겠지만 나트륨이 리튬보다 크고 무겁습니다.
이것이 단점과 문제 원인이 됩니다.
먼저, 나트륨은 리튬에 비해 에너지 밀도가 낮습니다.
그래서 같은 무게라면 나트륨 이온 배터리가 용량이 더 적어요.
무게에 제약이 없는 곳에서는 나트륨 이온 배터리의 활용성이 높겠지만, 전기차에 사용하기 위해서는 에너지 밀도를 30% 정도는 높여야 합니다.
더 큰 문제는 리튬 이온 배터리에서 사용하는 소재를 나트륨 배터리에서는 사용할 수 없다는 것입니다.
리튬 이온 배터리의 작동 원리를 보면, 리튬 이온이 흑연의 층 구조 사이를 왔다 갔다 하면서 충방전이 되는데, 부피가 더 큰 나트륨은 그것이 쉽지 않습니다. (아래 그림)
이 때문에 리튬에서 흑연 음극을 사용할 경우 그램당 380 mAh정도의 용량이 나트륨에서는 10분의 1보다 적은 35 mAh로 줄어듭니다. (Nat. Comm. 5, 4033 (2014) 참조)
따라서 나트륨에 맞는 소재들을 개발하는 연구들이 진행되고 있습니다.
CATL 나트륨 이온 배터리 공개
2021년 7월 세계 1위 배터리 업체 CATL(중국)이 온라인 출시 행사에서 1세대 나트륨 이온 배터리를 공개했습니다. (출처: ‘반값 배터리’ 가격 전쟁… CATL, 나트륨으로 승부수, 조선 비즈, 2021.7.30 기사)
이는 주요 전기차 배터리 제조사 중 처음입니다.
에너지밀도는 킬로그램당 160 Wh로 250 Wh가 넘는 리튬이온 배터리에 비해 60% 수준입니다. 하지만 CATL은 2023년까지 에너지 밀도를 현재 리튬인산철 배터리와 비슷한 킬로그램당 200 Wh까지 올린다는 계획을 밝혔습니다.
아직은 성능 면에서 리튬 이온 배터리에 미치지 못해 전기차 시장에서 큰 위협이 되지 못한다는 의견이 있습니다. 당분간은 저가형 전기차나 오토바이 등에 주로 사용될 것으로 예상되는데요. 하지만 국내 제조사들이 안이한 대처를 한다면 리튬인산철 배터리와 마찬가지로 중국 업체들을 뒤따라 가야 하는 상황이 올 수도 있습니다.
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