나트륨 이온 배터리란 무엇인가? | 가성비의 끝판왕
'게임체인저'를 꿈꾸는 나트륨 이온 배터리는
해외 2차 전지 제조사들이 나트륨 이온 배터리에 대한 개발에 열을 올리고 있다. 한 기사에 따르면 현재 나트륨 이온 배터리의 기술 개발 속도가 심상치 않다는 것이다. 2차 전지의 대표적인 배터리는 바로 리튬 이온 배터리이다. 하지만 리튬 소재는 구하기 어렵고, 가격이 만만치 않다.
2차 전지 시장에서 리튬 이온 배터리를 대체하기 위해 개발 중인 전지가 바로 나트륨 이온 배터리이다. 특히, 나트륨은 가격이 저렴하고 구하기 쉽기 때문에 가성비의 끝판왕이라 할 수 있다. 그 나트륨 이온 배터리가 다시금 시장에서 주목을 받기 시작했다. 국내 주식 시장에서 나트륨 이온 배터리와 관련된 종목에 대해 알아보기 전에 나트륨 이온 배터리가 무엇인, 기초 상식에 대해 알아둘 필요가 있다.
나트륨 이온 배터리란?
나트륨 이온 배터리는 기존 2차 전지 생태계에서 리튬 이온 배터리를 대체하기 위한 배터리로 2차 전지의 4대 요소 중 양극재를 나트륨으로 사용한 배터리이다. 나트륨 이온 배터리 정식 명칭은 소듐 이온 배터리(SIB, Sodium Ion Battery)이다.
나트륨 이온 배터리는 1970년대부터 연구개발을 진행했다. 하지만 에너지밀 등 성능 면에서 리튬 이온 배터리보다 부족하여 상용화되지 못한 채 연구개발 단계에 머물러 있었다.
나트륨 이온 배터리의 장단점
✍ 나트륨 이온 배터리의 장점
배터리 시장에서 나트륨 이온 배터리가 주목받고 있는 이유는 나트륨이 리튬과 비슷한 화학적 성질을 갖고 있으면서, 가격이 매우 싸다는 것이다. 탄산나트륨의 가격은 탄산리튬 가격의 76분의 1 수준인 t당 1,700위안( 약 31만 원)
다음으로 지구의 지각에 매장되어 있는 리튬보다 나트륨의 매장량이 훨씬 많다는 것이다. 나트륨은 지구상에서 6번째로 많은 원소이다. 그리고, 특정 국가에서만 구할 수 있는 리튬보다는 육지나 바다 등 비교적 골고루 분포되어 있다.
그 외에도 추위에 강하다는 장점이 있다. 영하 20도 이하의 온도에서도 90% 이상의 에너지효율을 보여준다.
나트륨의 장점 정리하면 다음과 같다.
| 구 분 | 나트륨 이온 배터리 | 리튬 이온 배터리 |
| 원자재 가격 | 탄산나트륨 : 1톤(t)당 약 31만 원 | 탄산 리튬 : 1톤(t)당 약 2,400만 원 |
| 매장량 | 지각의 2.7% | 지각의 0.0065% |
| 매장지역 | 육지, 바다 어디서든 쉽게 구할 수 있다. | 호주, 칠레 등 일부 국가에 집중 |
✍ 나트륨 이온 배터리의 단점
나트륨 이온 배터리는 리튬 이온 배터리보다 용량이 작은데 비해 이온 크가기 커 충ㆍ방전 시, 이온의 소통이 원활하지 못하다는 큰 단점이 있다. 이러한 단점 때문에 배터리 용량을 소형화하는데 오랫동안 실패해 왔다.
또한, 나트륨 이온 배터리는 리튬 이온 배터리보다 에너지 밀도가 낮다는 것이다. 최근 기술의 개발로 인해 그 차이가 많이 좁혀졌지만, 과거에는 에너지 밀도의 차이가 컸다.
최근 노스볼트가 자체 개발한 나트륨 이온 배터리의 에너지밀도는 160Wh/kg이다. 리튬인산철(LFP) 배터리의 에너지 밀도가 180~200Wh/kg인 것을 감안하면 매우 근접한 수치이다. 하지만 국내 배터리 3사의 주력 배터리인 3원계 배터리와 비교하였을 때 아직은 에너지 밀도가 낮다. 3원계 배터리의 에너지 밀도는 240~300Wh/kg이다.
폐배터리 재활용 측면에서 리튬 이온 배터리와 비교하였을 때 간단한 공정을 가지게 되나, 회수 금속의 가치가 낮아 수익성이 매우 떨어진다.
나트륨 이온 배터리의 4대 소재 비교
나트륨 이온 배터리에서는 리튬을 포함한 대부분의 소재가 바뀐다. 나트륨이 가지고 있는 성질을 양극과 음극에서 잘 받아줘야 하기 때문에 양극소재, 음극소재, 기판, 전해질 모두 바꿔야 한다.
나트륨 이온 배터리는 나트륨 자체가 더 저렴한 장점도 있지만 또 다른 장점이 있다. 나트륨 이온 배터리는 음극에 동박(구리) 대신 알루미늄박을 쓸 수 있다. 알루미늄 가격은 구리의 4분의 1밖에 되지 않기 때문에 가격 경쟁력은 더 올라간다.
이 때문에 나트륨 이온 배터리가 상용화되고 대량생산이 이루어진다면, 리튬인산철 배터리(LFP)보다 원자재 비용을 30~40% 낮출 수 있다.
하지만 나트륨 이온 배터리는 낮은 에너지 밀도로 인해 일반 전기차용 배터리보다는 초저가 전기차, 이륜차 ESS 등의 용도로 국한될 가능성이 높다는 게 주류 의견이다. 만약 나트륨 이온 배터리의 에너지 밀도를 향상한다면 나트륨 이온 배터리는 배터리 업계의 '게임 체인저'가 될 것이다.
나트륨 이온 배터리 기술개발 동향
✍ 중국의 CATL
중국의 CATL은 나트륨 이온 배터리의 글로벌 선두주자이다.
CATL은 2021년 7월 29일 온라인 기자 간담회를 통해 1세대 나트륨 이온 배터리를 출시 한 바 있다. 1세대 나트륨 이온 배터리의 에너지 밀도는 160Wh/kg이며 2세대 나트륨 이온 배터리의 에너지 밀도는 200Wh/kg을 목표로 하고 있다.
한편, CATL의 나트륨 이온 배터리의 제조 용량은 2023년에만 연간 약 140 GWh에 달한다. 테슬라 스탠더드 모델(51 KWh) 기준으로 했을 때 약 275만 대의 전기차를 생산할 수 있는 용량이다.
✍ 중국의 BYD, 하이나 배터리
BYD는 2024년 나트륨 이온 배터리 양산을 목표로 중국에 첫 나트륨 이온 배터리 공장 건설 계획을 확정했다.
또한, BYD는 자체 계획으로 2023년 연말부터 자체 전기차 브랜드에 나트륨 이온 배터리를 일부 탑재해 선보일 것으로 예상이 되고 있다.
✍ 스웨덴의 노스볼트
노스볼트는 스웨덴의 전기차 배터리 스타트업 회사이다. 노스볼트는 2023년 11월 21일 나트륨 이온 배터리의 실용화에 성공했다고 밝혔다. 노스볼트의 나트륨 이온 배터리의 에너지 밀도는 160Wh/kg이다. 중국의 CATL이 2021년에 개발한 1세대 나트륨 이온 배터리와 동일한 에너지 밀도이다.
결론
전 세계 배터리 업체들이 나트륨 이온 배터리의 상용화에 박차를 가하고 있다.
아직은 나트륨 이온 배터리의 성능은 기존 3원계 배터리와 비교하였을 때 떨어지는 것이 사실이다. 하지만 만약 나트륨 이온 배터리가 3원계 배터리와 비슷한 수준까지 에너지 밀도를 보인다면, 배터리 시장의 '게임체인저'가 될 것이다.
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