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    CATL표 ‘나트륨 배터리’ 무엇이 다를까

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    전기차 배터리의 대세는 뭐니뭐니해도 리튬 배터리다. 리튬 배터리의 영향력은 전기차에만 국한되지 않는다. 스마트폰, 노트북, 스마트워치에도 탑재된다. 눈에 보이지 않아도 늘 우리 가까이 있는 배터리다. 하지만 차세대 배터리에 대한 관심은 꾸준하다. 리튬 배터리와 천년만년 함께할 수는 없다. 더 나은 기술이 등장하면 언제든 세대교체의 대상이 될 운명이다. ‘꿈의 배터리’ 불리는 전고체 배터리가 자주 언급되는 것도 그런 이유에서다.

    최근에는 나트륨이온 배터리가 주목받고 있다. 지난달 CATL이 온라인 출시 행사 테크존(Tech Zone)에서 자체 개발한 1세대 나트륨이온 배터리를 공개하면서 관심은 높아진 상황이다.

    (출처:yahoo)

    차세대 배터리 공개한 CATL

    중국의 CATL은 글로벌 시장을 선도하는 세계 최대 전기차 배터리 제조업체다. 세계 전기차 배터리 시장 점유율 30%에 달하며 1위 자리를 쉽게 내주지 않고 있다. 한국 LG에너지솔루션과 일본 파나소닉과 함께 3강 구도를 형성했다. 지난 5월 LG에너지솔루션에 글로벌 전기차 배터리 점유율 1위 자리를 내어주면서 엎치락뒤치락하며 치열한 순위 다툼 중이다.

    CATL을 향한 기대감으로 인해 주가가 급등해 중국 본토에 상장된 기업 중 세 번째로 큰 기업으로 우뚝 섰다.

    전기차 보급 확대가 기업의 성장에 도움이 됐다는 분석이다. 현재 전기차 시장을 주도하는 테슬라와는 2020년부터 2년간 공급 계약을 맺었으며 지난 6월에는 2025년까지 기존 관계를 유지하기로 합의했다. 테슬라뿐만이 아니라 유수의 완성차업체 폭스바겐, BMW, 다임러와 중국 전기차 스타트업 3인방인 니오, 샤오펑, 리샹 등 유명 자동차 기업들을 고객으로 두고 있다.

    CATL이 새로운 것을 꺼내면 경쟁업체는 자연스럽게 긴장할 수밖에 없다. 최근 야심 차게 내놓은 나트륨이온 배터리도 그냥 지나치기란 쉽지 않다.

    리튬이온 배터리와 나트륨이온 배터리

    나트륨이온 배터리를 설명하기 전에 먼저 리튬 배터리에 대해 알아봐야 한다. 충전해서 다시 사용하는 전지를 2차 전지라고 한다. 2차 전지에는 니켈카드뮴 배터리, 니켈수소 배터리 그리고 리튬이온 배터리 등 종류가 다양하다. 그중에서도 리튬이온 배터리가 널리 사용되는 이유는 같은 공간에 더 많은 에너지를 저장하기 때문이다.

    리튬이온 배터리는 양극재, 음극재, 분리막, 전해질 총 4개로 구성된다. 리튬이온은 전해질을 통해 양극재와 음극재 사이를 이동하면서 전기적인 흐름을 만들어낸다. 분리막은 양극재와 음극재의 접촉을 차단하고 리튬이온만 통과시키는 역할을 한다.

    이중 리튬의 공급원인 양극재가 가장 큰 비중을 차지한다. 양극재는 여러 성분을 조합해 만들어지는데 리튬, 니켈, 코발트, 망간 등이 사용된다. 사용되는 성분과 조합에 따라 특성이 달라진다.

    나트륨이온 배터리는 기본적으로 리튬이온 배터리와 원리와 비슷하다. 다른 점이라면 나트륨이온이 이동한다는 것이다.

    (출처:CATL)

    나트륨이온 배터리가 리튬이온 배터리보다 나은 점

    많은 사랑을 받는 리튬이온 배터리도 완벽하진 않다. 특히, 리튬이온 배터리에 사용되는 소재가 비싸다는 단점이 있다.

    리튬이온 배터리나 리튬인산철 배터리에 들어가는 리튬은 매장 지역이 한정적이다. 가격 흐름은 안정적이지 않고 비싸다. 전 세계적으로 배터리 수요가 크게 늘면서 찾는 곳은 많아졌고 수급은 더욱더 불안정해졌다.

    과학자들은 리튬을 대체할 다른 물질을 찾기 시작했다. 그러다 리튬과 화학적인 성질이 비슷한 나트륨과 칼륨을 발견해냈다. 그런데 칼륨은 화학 반응성이 높아 화재 위험성이 있다. 칼륨이온이 이동하는 양극용 재료 확보가 쉽지 않다는 점도 연구에 제약이 된다.

    그래서 더 많이 연구돼온 것이 나트륨이온 배터리다. 나트륨 이온 배터리는 여러 부분에서 리튬이온 배터리에 비해 강한 면모를 지닌다. 나트륨이온 배터리의 핵심 소재인 나트륨의 매장량은 풍부하다. 나트륨 매장량은 리튬보다 1천배 이상 풍부하다고 알려졌다. 자원이 풍부한 덕분에 가격도 저렴하다. 리튬 1개 살 돈이면 나트륨 30개를 구입할 수 있다.

    리튬이온 배터리는 저온 상태에서 전원 공급과 에너지 저장 효율이 떨어진다. 반면, 나트륨이온 배터리는 그보다 나은 성능을 보여준다. CATL은 나트륨이온 배터리가 영하 20도에서도 에너지 밀도가 90% 밑으로 떨어지지 않는다고 설명했다. 충전 시간도 단축되는데 15분이면 배터리 80%를 충전할 수 있다고 덧붙였다.

    (출처:CATL)

    나트륨이온 배터리가 극복해야 할 것

    여러 장점에도 나트륨이온 배터리가 널리 사용되지 못하는 이유가 있다. 주로 지목되는 것은 ‘에너지 밀도’다. 오래전부터 나트륨이온 배터리 연구가 있었는데도 불구하고 그때도 그랬고 지금도 해결하지 못한 것이 에너지 밀도다.

    나트륨이온 배터리의 에너지 밀도는 리튬이온 배터리 업계 표준 에너지 밀도보다도 현저히 낮은 수준이다. 나트륨이온 배터리의 에너지밀도는 리튬 배터리의 3분의 1에도 못 미친다.

    CATL은 현재 나트륨이온 배터리의 에너지 밀도가 160Wh/kg 수준이라고 밝혔다. 160Wh/kg은 1kg에 160와트시(Wh) 전기 에너지를 모을 수 있다는 것을 의미한다. 회사는 리튬인산철 배터리 수준에 해당하는 200Wh/kg으로 끌어올리겠다고 밝혔다. 2023년까지 나트륨이온 배터리를 생산하고 공급망을 구축하겠다는 계획도 전했다. 리튬이온 배터리 생산에 사용되는 장비와 공정이 나트륨이온 배터리 생산과도 호환되는 것을 고려하면 생산 라인을 신속하게 구축하는 일은 어렵지 않다는 것이 CATL의 입장이다.

    (출처:Tesla)

    경쟁 기업의 반응…나트륨이온 배터리의 앞날은

    CATL의 새로운 전략에 다른 기업들은 그다지 위협적이지 않다는 반응이다. 앞서 소개한 나트륨이온 배터리의 한계와도 관련이 깊다. 장기적으로 보면 경쟁력 있는 배터리인 것은 분명하나 당장 힘을 발휘할 여지는 적다는 결론에 이른 것으로 보인다.

    경쟁사인 LG에너지솔루션 측은 CATL이 공개한 나트륨이온 배터리가 에너지 밀도에서 리튬이온 배터리와의 현격한 차이를 보인다고 지적했다. 또한, 충전 시간을 줄여주고 저온에서도 강한 특성에 나타내는 리튬이온 배터리는 이미 구현되고 있다고 설명했다.

    에너지 밀도를 해결하지 못하면 나트륨이온 배터리의 등장은 늦어질 것으로 보인다. 에너지 밀도 경쟁력을 끌어올리는 것이 관건이다. 나트륨이온 배터리 에너지 밀도 200Wh/kg라는 현실적인 목표 달성도 더 먼 목적지를 향하는 가운데 만나는 첫 번째 단계에 해당한다.

    CATL은 이번 테크존 행사에서 다른 대안도 제시했다. 리튬이온 배터리와 나트륨이온 배터리의 단점을 고려해 둘을 통합한 AB 배터리 팩 솔루션도 함께 공개했다. 취약한 부분을 서로 보완해주는 효과를 기대할 수 있다. 부족한 에너지 밀도는 리튬이온 배터리가, 낮은 온도에서 성능이 낮아지는 문제는 나트륨이온 배터리가 보완해준다.

    나트륨이온 배터리 생산 계획을 성공적으로 이행하는 것은 CATL 입장에서도 긍정적인 일이다. 차세대 배터리를 공개하는 것 자체에도 의미를 부여될 수 있다. 이슈를 선점하고 배터리 선두 기업이라는 이미지까지 챙기는 효과를 기대할 수 있다.

    테크플러스 에디터 나유권

    tech-plus@naver.com

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