2화. 차세대 배터리의 상세 특징과 동향

○ 리튬이온 배터리의 주요 원료인 리튬 대신 가격이 저렴하고 풍부한 나트륨을 사용해 원가를 크게 낮추고 안정성을 높인 배터리

• 리튬이온 배터리는 양극재로 리튬과 코발트, 니켈, 망간, 알루미늄 등을 사용하는데 모두 고가의 희귀 금속이기 때문에 원가가 높음
  
  
• 나트륨은 매우 풍부하고 해상과 육상에서 손쉽게 구할 수 있으며 리튬의 2~3%에 불과할 정도로 가격이 저렴
  - 원소 비율을 보면 리튬은 지구상에 0.005%, 나트륨은 2.6% 정도 존재
  - 나트륨이온 배터리는 리튬이온 배터리보다 가격이 40~50% 저렴할 전망
  
  
• 나트륨은 리튬에 비해 반응성이 약해 배터리 안정성이 높으며, 겨울철 등 저온 환경에서 성능 저하 현상이 없다는 장점을 보유. 중국 업체들은 충전 시간도 단축된다고 주장 
  - 나트륨 배터리를 개발 중인 중국 배터리업체들에 따르면, 15분 만에 80% 충전이 가능하고, 영하 20도에서도 90% 이상의 성능이 발휘된다고 하나 아직 검증되지 않음

○ 그러나 나트륨 특성상 에너지 밀도가 매우 낮다는 심각한 단점도 존재

• 나트륨은 리튬에 비해 원자 크기가 2.4배 커서 단위 중량당 저장할 수 있는 에너지 용량이 작고 반응성도 약함 
  - 리튬(원자번호 3)이 배터리에 사용되는 이유는 지구상에 존재하는 금속 중 부피가 가장 작고 가벼우며 반응성이 강한 물질로서 이온화와 에너지 밀도 향상이 용이하기 때문
  
  
• 나트륨이온 배터리의 에너지 밀도는 현재 주력인 삼원계 리튬이온 배터리의 40~50%에 불과. 향후 기술이 진화하더라도 물질의 특성상 에너지 밀도 향상이 용이하지 않음
  - 사실 나트륨이온 배터리는 1970년대부터 연구되어 왔는데, 에너지 밀도가 낮아 자동차용으로 양산되지 못했으나 최근 제반 배터리 기술이 전반적으로 향상되면서 양산을 꿈꾸고 있는 것

○ 나트륨이온 배터리는 일반 자동차용보다는 초저가 자동차, 이륜차, ESS 등의 용도로 국한될 가능성이 높음. 중국 최대 배터리업체인 CATL(닝더스다이)은 올해 안에 나트륨이온 배터리 양산에 들어갈 계획이라고 밝힘

• 리튬이온 배터리도 내연기관 자동차에 비해 짧은 주행거리가 단점으로 지적됨. 이런 분위기에 비추어볼 때 나트륨이온 배터리는 일반적인 자동차 용도로 사용하기에는 한계가 있음
  - 현재 삼원계 리튬이온 배터리를 탑재한 중형 전기차의 주행거리는 최대 500~600km인 반면 같은 사양의 나트륨이온 배터리를 탑재한 전기차의 주행거리는 최대 250~300km 이하에 불과할 전망
  
  - 일부 중국 업체들이 나트륨이온 배터리의 밀도를 리튬인산철 수준으로 개발했다는 최근의 홍보들은 실체 확인이 잘 안되고 있어 검증이 필요. 과거 사례에 비추어보면 원가와 기술 문제 등으로 양산 적용에 한참 시간이 걸리거나 실제 양산이 안된 경우 많았음
  
  
• 따라서 나트륨이온 배터리는 초저가 자동차, 이륜차, ESS 등의 용도로 국한될 가능성이 높으며, 고밀도 배터리에 주력하는 한국과 일본 업체들은 큰 관심을 보이지 않음
  
  
• 일반 자동차 분야에서는 한국과 일본의 주력 제품인 삼원계(NCM, NCA) 리튬이온 배터리보다는 가격이 저렴한 리튬인산철(LFP) 배터리가 저가 시장을 일부 잠식할 전망
  
  
• CATL은 올해 안에 나트륨이온 배터리 양산에 들어갈 계획이며, 이렇게 생산된 제품은 중국 일부 경차에 탑재될 것으로 알려짐. 전기차 시장 판매량 1위인 비야디(BYD) 등도 나트륨이온배터리 양산을 추진 중
  
  
• 한국과 일본 업체들은 나트륨이온 배터리를 크게 주목하지 않으며 차세대 배터리로 인정하지 않는 분위기

○ 리튬이온 배터리의 전해액을 고체로 바꿔 에너지 밀도를 높이고 화재 및 폭발 위험을 줄인 배터리

• 리튬이온 배터리는 리튬이온이 전해액을 통해 음극과 양극 사이를 오가면서 전기를 충ㆍ방전하는 원리로 작동
  
  
• 반면 전고체 배터리는 양극과 음극 사이에서 이온을 전달해 전류를 흐르게 하는 물질인 ‘전해질’을 액체에서 고체로 바꿔 부피를 줄임으로써 에너지 밀도를 높이고, 누액으로 인한 화재 및 폭발 위험을 줄일 수 있음

○ 전고체 배터리는 긴 주행거리, 짧은 충전 시간, 낮은 저온 환경에서 성능 저하 등 장점이 많음

• 이론 상 리튬이온 배터리 대비 에너지 밀도가 2배 이상 향상 가능하며 이에 따라 주행거리도 2배 이상 늘어날 수 있음
  
  
• 물질과 구조 특성상 충전 시간도 크게 단축될 수 있으며, 시간이 지날수록 충전량이 저감되는 노후화 현상도 완화될 수 있음
  
  
• 고체 전해질 특성상 리튬이온 배터리의 단점인 겨울철 등 저온 환경에서 성능 저하 현상도 크게 개선될 수 있음

○ 전고체 배터리는 장점이 많지만 상용화를 위해서는 해결 과제가 적지 않음. 향후 다양한 연구를 통해 점진적으로 개선될 것으로 보이며 업계에서는 대부분 2030년 이후 본격 상용화 예상

• 리튬이온이 흐르는 것이 아니고 고체 격자 사이에서 이동하기 때문에 이온 전도도가 떨어짐. 고체 전해질을 균일하게 분포시키는 것 등도 생산 과정의 난제
  - 이는 흙 속을 지나는 것이 물속을 지나가는 것보다 어려운 원리와 같음. 고체 전해질은 분말 형태가 일반적
  - 이온 전해도가 떨어지면 배터리 출력이 감소함
  
  
• 이 문제를 극복하기 위해 고체 전해질 소재 연구가 활발하게 진행 중이나 양산까지 해결해야 할 과제가 많으며 업계에서는 2030년 이후나 가능할 것이라는 의견이 많음
  
  
• 현재 연구 중인 고체 전해질은 크게 황화물, 산화물, 고분자(폴리머)로 나누어짐. 이 중 상용화에 가장 근접한 물질은 황화물이라는 평가. 다만 이 역시 물과 반응하면 황화수소(유독가스)가 발생하기 때문에 높은 내수분성이 필요. 이를 개선하기 위해 코팅 등 다양한 방법을 연구 중
  
  
• 어려움이 많지만 다양한 해결책이 시도되고 있어 결국 극복 가능할 것이라는 전망이 지배적

○ 액체와 고체의 중간 형태인 반고체 전해질의 상용화도 연구개발 중

• 완전 고체 전해질에 앞서 액체와 고체의 중간 형태인 유기용매 젤을 상용화하는 방안도 시도되고 있음
  
  
• 다수의 배터리업체들과 자동차업체들은 반고체 전해질과 금속 음극재를 사용해 기존 리튬이온 배터리보다 에너지 밀도가 2배 가량 높은 차세대 배터리를 연구개발 중

○ 국내에서 전고체 배터리 상용화에 가장 앞선 곳은 삼성SDI로, 이미 샘플 생산에 들어갔으며 2027년 양산을 목표로 한다고 밝히고 있음

• 전고체 배터리는 토요타 등 일본 업체들이 가장 먼저 시도해 적극적이며 경쟁력이 높다는 평가지만, 한국 업체들도 높은 기술력을 보유하고 있어 양국 간 격차가 크지 않다는 것이 업계의 중론
  
  
• 삼성SDI는 황화물계 전고체 배터리를 채택하여 연구개발을 진행 중. 올해 하반기 샘플 생산 라인을 구축해 자동차 고객사를 대상으로 납품을 시작하며 본격 실증 테스트에 돌입하고, 2027년 양산한다는 계획이라고 밝힘
  
  
• LG에너지솔루션과 SK온도 활발히 연구 중
  

○ 리튬과 황이 만나 황화리튬(리튬폴리설파이드)이 되는 과정에서 발생하는 에너지를 저장하는 배터리로, 이론상 리튬이온 배터리보다 에너지 밀도가 2~5배 높음

• 리튬황 배터리는 음극재로 리튬을, 양극재로 황을 사용. 가볍고 이론적으로 기본 용량이 높은 황을 사용해 리튬이온 배터리보다 이론 상 에너지 밀도가 2~5배 높음
  - 황은 단위 중량당 저장할 수 있는 에너지 용량이 크고 가벼우며 지구상에서 17번째로 풍부한 원소로, 자연계에서 쉽게 얻을 수 있으며 저렴할 뿐 아니라 친환경적임

○ 높은 경쟁력에도 불구하고 리튬황 배터리의 상용화를 위해서는 해결해야 할 문제가 많음

• 배터리 사용 시 내부 황 전극의 팽창과 수축으로 인한 부피 변화가 심하고 리튬 전극이 오염되는 문제 발생
  
  
• 방전 과정에서 형성된 다황화물 이온이 리튬과 반응하여 리튬황으로 변하면서 전해액에 녹아들어 배터리 열화로 이어지는 셔틀 효과도 심각(리튬 부식과 방전 야기)

○ 새로운 소재를 적용하여 이러한 문제를 해결해 나가고 있으며, 업계에서는 2030년 이후 상용화 기대

• 국내에서는 LG에너지 솔루션이 가장 적극적이며 2027년 양산을 목표로 박차를 가하고 있음. 업계에서는 2030년 이후 상용화 기대

○ 양극재로 공기를 사용해 에너지 밀도를 이론 상 10배까지 향상 가능한 꿈의 배터리

•  대기 중의 산소를 연료로 사용해 부피와 중량, 원가를 크게 줄일 수 있음

○ 그러나 현재는 방전 시 생성되는 고체 리튬산화물이 충전 과정에서 원활히 분해되지 않아 전지효율수명 특성이 떨어지는 단점이 있음

○ 리튬산화물의 생성과 분해를 도와주는 촉매 개발이 상용화의 관건이며, 현재 연구 초기 단계로 상용화에는 매우 오랜 시간이 걸릴 전망