무음극 나트륨 전고체 배터리: 설계 원리와 상용화 과제

배터리를 만드는 다양한 방법

배터리 제조사들은 전기차와 대규모 에너지 저장 시장을 겨냥해 성능, 비용, 안전성을 개선하고 있습니다.

리튬이온 배터리 외에도 다양한 화학계와 구조가 연구됩니다. 비용과 화재 위험, 원재료 공급 문제는 구성에 따라 다르며, 모든 리튬이온 배터리가 같은 희소금속을 사용하는 것은 아닙니다.

출처: Research Gate

나트륨이온 배터리는 리튬 대신 나트륨을 사용합니다. 일반적으로 일부 리튬이온 배터리보다 에너지 밀도가 낮지만, 실제 성능은 재료와 설계에 따라 달라집니다.

전고체 배터리는 액체 대신 고체 전해질을 사용합니다. 전해질 자체가 사라지는 것은 아닙니다. 에너지 밀도와 충전 성능을 개선할 가능성이 있지만, 모든 설계에서 보장되지는 않습니다.

또 다른 접근은 초기 음극 활물질을 넣지 않는 무음극 구조입니다. 양극을 제거하는 구조가 아니며, 충전 과정에서 금속 음극이 형성됩니다.

연구진은 이런 접근을 결합해 무음극 나트륨 전고체 배터리를 실험실에서 시연했습니다.

무음극 나트륨 전고체 배터리

Nature Energy에 발표된 논문의 제목은 “Design principles for enabling an anode-free sodium all-solid-state battery“입니다. 캘리포니아대학교 샌디에이고와 시카고대학교 등의 연구진이 참여했으며, 나트륨과 고체 전해질, 무음극 구조를 결합했습니다.

나트륨 배터리

나트륨은 지각과 바닷물에 풍부하게 존재합니다. 풍부한 원료는 공급망 측면의 장점이 될 수 있지만, 배터리용 고순도 소재의 제조 비용까지 사라지는 것은 아닙니다.

리튬 공급망에는 다음과 같은 과제가 있습니다.

• 가격 변동이 배터리와 전기차의 비용에 영향을 줄 수 있습니다.
• 채굴과 정제는 물 사용, 폐기물 등 환경 부담을 수반할 수 있습니다.
• 생산과 정제의 지리적 집중은 공급망 위험을 높일 수 있습니다.

나트륨의 풍부함은 장점이지만 가격 변동이나 공급 부족이 절대로 없다고 보장할 수는 없습니다.

나트륨이온 배터리의 에너지 밀도는 일반적으로 일부 리튬이온 배터리보다 낮아, 가격과 중량·부피의 균형을 고려한 적용이 필요합니다.

무음극 배터리

일반적인 충전식 배터리에서는 충전 중 음극 쪽에 이온이 저장되고, 방전 중에는 양극 쪽으로 이동합니다.

무음극 구조에서는 처음에 별도의 음극 활물질이 없으며, 충전할 때 집전체에 금속 나트륨이 석출되어 음극을 형성합니다.

초기 활물질을 줄이면 중량과 부피, 비용을 줄일 가능성이 있습니다. 전압과 에너지 밀도는 전체 전지의 재료와 설계에 따라 달라집니다.

출처: 시카고대학교

액체 전해질을 사용하는 무음극 구조에서는 불균일한 금속 석출과 계면 부반응으로 활성 나트륨이 손실될 수 있습니다. 단순히 집전체에 금속이 쌓인다는 사실 자체가 문제는 아닙니다.

전고체 배터리

전고체 배터리는 고에너지 밀도와 안전성 개선을 목표로 연구되는 여러 기술 중 하나입니다. 에너지 저장의 최종 형태로 확정된 것은 아닙니다.

고체 전해질의 적용은 액체 전해질 관련 문제를 줄일 수 있지만, 그 자체로 경량화나 초고속 충전·방전을 보장하지는 않습니다.

충·방전 중 금속의 석출과 제거, 부피 변화에도 안정적인 계면 접촉을 유지하는 일이 중요합니다.

고체 전해질에서도 덴드라이트와 내부 단락의 위험이 생길 수 있습니다. 고체라는 이유만으로 위험이 사라지지는 않습니다.

무음극 나트륨 전고체 구조의 계면

고체 전해질과 집전체 사이의 접촉이 불충분하면 균일한 금속 석출과 제거가 어려워질 수 있습니다.

연구진은 알루미늄 분말을 압축한 집전체를 사용해 계면 접촉을 개선했습니다. 분말의 재배열과 변형을 활용한 것이며, 알루미늄을 녹여 액체 집전체로 만든 것은 아닙니다.

출처: 시카고대학교

관찰된 장점과 남은 과제

알루미늄은 여기서 전해질이 아니라 전자를 전달하는 집전체입니다. 안정적인 고체 전해질과 적층 압력을 함께 적용해 조밀한 나트륨 석출을 유도했습니다.

안정적인 계면과 가역적인 석출·제거는 전기적으로 고립되어 사용할 수 없게 되는 나트륨을 줄이는 데 도움이 됩니다.

기사에서 언급한 200–400 Wh/kg은 설계에 따른 이론적 에너지 밀도 범위입니다. 상용 배터리 팩에서 이미 측정된 성능으로 해석해서는 안 됩니다.

출처: 시카고대학교

실험실의 가능성을 실제 제품의 성능과 비용으로 연결하려면 전극 재료, 압력 조건, 생산 공정 등을 함께 검증해야 합니다. 나트륨과 알루미늄을 사용한다고 해서 모든 구성에서 니켈과 코발트까지 자동으로 대체되는 것은 아닙니다.

조합의 힘

나트륨, 무음극, 전고체 구조는 각각 장점과 과제가 있는 연구·개발 분야입니다. 상용화 수준도 기술과 제품별로 다릅니다.

여러 배터리 기술의 발전은 다음 글에서도 다룹니다. “에너지 저장의 미래: 대규모 저장용 배터리 기술“과 “모빌리티의 미래: 배터리 기술“.

서로 다른 설계 요소를 결합하면 기존 방식의 한계를 줄일 수 있는지 시험할 수 있습니다.

장점이 서로 보완될 가능성은 있지만, 새로운 계면이나 제조상의 문제도 생길 수 있습니다.

이번 연구는 집전체와 고체 전해질, 압력 조건을 함께 조절해 안정적인 나트륨 석출과 반복 충·방전을 시연했습니다. 모든 덴드라이트 문제가 일반적으로 해결됐다는 뜻은 아닙니다.

알루미늄 분말만 사용한 모든 무음극 전지가 반드시 낮은 에너지 밀도를 갖는 것은 아닙니다.

고체 전해질과 알루미늄 집전체의 경제성도 나트륨 사용 여부 하나만으로 결정되지 않습니다.

나트륨 배터리의 적합성은 요구되는 에너지 밀도, 가격, 중량과 부피에 따라 달라집니다.

이 연구는 설계 요소를 결합해 성능을 개선할 수 있다는 사례입니다. 상용화 가능성을 판단하려면 수명, 안전성, 생산성과 비용을 추가로 평가해야 합니다.

나트륨 배터리 기업

1. CATL

CATL은 대규모 배터리 제조사입니다. 2023년 세계 전기차 탑재 배터리 시장 점유율은 약 36.8%였으며, 세계의 모든 배터리 생산량의 절반 이상이라는 뜻은 아닙니다.

회사는 서로 다른 제품과 시험 조건에 관해 다음과 같은 기술과 목표를 발표했습니다.

• 대규모 에너지 저장용 배터리의 12,000회 사이클 수명과 18,000회 장기 개발 목표. 실제 수명은 사용 및 시험 조건에 따라 달라집니다.
• Shenxing LFP, 즉 리튬인산철 배터리의 약 700km 주행거리와 10분 충전으로 400km 주행에 필요한 에너지 확보라는 발표. 실제 수치는 차량과 충전 조건에 따라 달라집니다.
• 최대 500 Wh/kg의 에너지 밀도를 제시한 응축형 배터리 기술. 여객기 적용 가능성은 연구 과제이며 인증된 상용 항공기 성능은 아닙니다.
• 1세대 나트륨이온 배터리의 160 Wh/kg과 후속 200 Wh/kg 개발 목표. 수치 발표만으로 대량생산 수준이 입증되는 것은 아닙니다.

출처: CATL

CATL은 2024년 4월 베이징에서 TENER 저장 시스템을 공개하며 다음과 같이 설명했습니다. “초기 5년 동안 성능 저하가 없도록 설계된 양산 가능 에너지 저장 시스템“. 이는 회사의 성능 주장으로, 공개 시점에 이미 5년간 상용 운전한 기록이라는 뜻은 아닙니다.

회사는 20피트 컨테이너에 6.25 MWh의 저장 용량을 제시했습니다. 안전성과 열폭주 억제 관련 설명도 제조사의 발표이며, 모든 사용 조건에서 사고가 불가능하다는 보장은 아닙니다.

CATL은 중국의 배터리 재활용 설비에 약 32억 5천만 유로를 투자하는 계획도 발표했습니다. 회사가 제시한 공정별 금속 회수율은 니켈·코발트·망간 99.6%, 리튬 91%입니다. 이는 사용 후 배터리 전체의 수거율과 다릅니다.

CATL은 Tesla (TSLA ) 등 여러 자동차 제조사에 배터리를 공급합니다. 규모와 연구 역량이 모든 기술에서의 우위나 수익성을 보장하지는 않습니다.

2. BYD

BYD는 중국의 대형 자동차·배터리 제조사로, 전기차와 플러그인 하이브리드 시장의 주요 기업입니다.

회사는 배터리 제조사로 출발해 자동차 사업을 확장했습니다. 판매 순위에는 국가, 시점, 차종의 구분이 필요하므로 모든 나열 국가에서 최대 전기차 판매사라고 단정할 수는 없습니다.

BYD는 중국의 자동차 수출 확대에 기여했으며, 해외 생산도 추진했습니다. 예를 들어 헝가리의 공장 건설 계획이 있습니다.

중국에서 낮은 가격으로 출시된 Seagull은 나트륨 배터리가 아니라 Blade형 LFP 배터리를 사용합니다. 수출 가격에는 세금, 사양과 기타 비용이 영향을 줍니다.

출처: User3204 – 직접 제작, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=142412738

BYD는 LFP 배터리 시장에서도 주요 기업입니다. 기사에 나온 BYD 41.1%, CATL 33.9%는 특정 중국 LFP 집계를 가리키며, 전 세계 모든 배터리의 일반적인 점유율이 아닙니다. 시점을 명시하지 않은 채 현재 순위로 사용할 수 없습니다.

관세와 기타 통상 규정은 BYD의 해외 확장을 제약할 수 있습니다. 조건은 국가와 시기에 따라 달라집니다.

남미, 아프리카, 중동, 동남아시아 등에도 기회가 있을 수 있지만, 여러 시장에는 자국 자동차 산업과 산업정책, 무역 장벽이 존재합니다.

큰 인구가 곧 같은 수의 구매력 있는 자동차 고객을 뜻하지는 않습니다. 소득, 정책, 충전 시설과 경쟁이 판매에 영향을 줍니다.

현지 생산이 일부 장벽을 줄일 수는 있지만 모든 비용과 규제를 없애지는 않습니다. 헝가리, 튀르키예, 멕시코의 계획이나 검토는 각각 다른 단계이며, EU나 미국 시장 접근을 보장하지 않습니다.