에너지
더 많은 에너지, 더 적은 이산화탄소 – 새로운 배터리 기술의 다각적 지속 가능성 접근법
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배터리와 탄소 포집? 둘 다 가능하지 않을까요?
그린 에너지와 전기화 추진은 주로 기후 변화 맥락에서 탄소 배출을 줄여야 한다는 필요성에 의해 동기가 부여됩니다. 그러나 태양광과 풍력은 본질적으로 간헐적입니다.
따라서 그린 에너지가 전력망에 더 많이 공급될수록, 피크 생산 시 에너지를 저장하고 나중에 전력망에 재분배하기 위해 유틸리티 규모 배터리가 더 많이 필요합니다. 유틸리티 규모 배터리는 전기차와는 매우 다른 화학 물질을 사용할 가능성이 높으며, 동일한 제약 조건에 얽매여 있지 않기 때문입니다:
- 고밀도나 경량화가 필요 없으며, 유틸리티 배터리는 발전소나 전용 부지에 지상에 보관될 수 있습니다.
- 총 비용(건설 + 운영)에 대한 극도의 민감성이 요구됩니다.
- 규모 확대를 위해 저렴하고 풍부한 소재를 사용해야 하며, 코발트, 플래티넘, 팔라듐 등과 같은 금속(가능하면 리튬조차도) 사용을 포기해야 합니다.
- 용량 저하가 없는 매우 긴 수명이 필요하며, 이상적으로는 수십 년에 걸쳐야 합니다.
우리는 이전에 “에너지 저장의 미래 – 유틸리티 규모 배터리 기술” 기사에서 이와 같은 응용을 위해 개발 중인 대부분의 가능한 화학 물질을 나열하며 깊이 탐구했습니다.
이 모든 배터리는 그린 에너지를 보다 경제적으로 실현하고 널리 채택하도록 만들어 탄소 배출을 감소시키는 역할을 합니다. 그러나 현재까지는 배출을 직접 줄이거나 탄소를 포집하는 데 직접 기여하지 못했습니다.
심지어 이른바 CO2 배터리도 전기가 방전될 때 다시 CO2를 배출합니다.
이는 획기적인 새로운 배터리 설계 덕분에 바뀔 수 있습니다. 이 설계는 에너지를 저장할 뿐만 아니라 수소를 생산하고 탄소를 지속적으로 포집할 수 있습니다.
탄소 포집 배터리
탄소 포집은 일반적으로 배출되는 CO2를 다시 유용한 제품으로 전환하는 개념입니다. 이와 관련된 다양한 탄소 포집 기술에 대해서는 Energy Tracker의 이 기사를 참고하세요.
출처: EnergyTracker
지금까지 이러한 과정은 산업 공정 위에 추가되는 형태였으며, 탄소 포집 외에 실용적인 제품을 만들지 못해 추가 비용만 발생했습니다. 그 자체로는 유용하지 않았습니다.
우리는 “투자할 상위 5개 탄소 포집 주식” 기사에서 탄소 포집의 현재 상황을 보다 자세히 논의했습니다.
오크리지 국립 연구소의 연구원들은 탄소 포집을 녹색 에너지 전력망 및 연계 배터리의 필수 요소로 만들 수 있는 방법을 발견했을 가능성이 있습니다. 그들은 이 결과를 “수성 Na–CO2 배터리 비활성화 원인 및 장기 에너지 저장을 위한 완화 방안”이라는 제목으로 Journal of Power Sources에 발표했습니다.
이전 개념 업그레이드
탄소 포집 배터리는 기존 금속‑CO2 배터리를 업그레이드한 형태로, 금속(M)을 산화시키면서 CO2를 순환시킵니다. 여기서 금속은 나트륨(Na), 리튬(Li) 또는 마그네슘(Mg)일 수 있습니다: CO2 ↔ MxCO3.
금속‑CO2 배터리의 반복적인 문제는 M2CO3(s) (M = Li 또는 Na), Al2(C2O4)3(s) 또는 MgCO3(s)와 같은 고체 방전 생성물이 전극 표면에 침착되어 다공성 전극 구조를 막히게 하는 것입니다.
이러한 막힘은 배터리 용량을 급격히 감소시켜 성능에 부정적인 영향을 미칩니다.
이 문제를 해결하기 위해 연구진은 저비용이며 풍부한 소재인 나트륨과 알루미늄을 각각 이용한 두 가지 잠재적 배터리를 개발했습니다.
Na‑CO2 배터리는 대부분의 산업용 촉매보다 훨씬 저렴한 철‑니켈 촉매를 사용합니다.
이전 설계와 달리, 새로운 CO2 배터리는 가스 형태의 CO2를 방출하지 않고, 탄산염 부산물이 액체 전해질에 용해됩니다.
이 탄산염은 배터리 내부에 보관하거나 축적되어 고체 형태로 침전될 때 수집할 수 있습니다. 제약 또는 시멘트 산업에서 이를 활용할 수 있습니다.
배출되는 유일한 가스는 산소와 수소이며, 이는 기후 변화에 기여하지 않을 뿐만 아니라 에너지 또는 연료 생산을 위해 포집될 수도 있습니다.
공학적 과제 극복
이 아이디어는 너무 인상적이라 아직 구현되지 않은 것이 놀라울 수 있습니다.
그 이유는 실제 구현 과정에서 몇 가지 기술적 문제를 극복해야 했기 때문입니다.
첫째, 전극은 습식 및 건식 챔버로 구분되어야 하며, 그 사이에 고체 이온 전도체가 삽입됩니다. 이 전도체는 전자 이동을 늦춰 배터리 효율을 감소시켰습니다.
둘째, 이 유형의 Na‑CO2 배터리는 전극에 필름이 침착되는 기존 CO2 배터리 문제에 면역이 아닙니다. 그러나 연구진은 매우 정밀한 현미경과 X‑ray 장비를 사용해 충전·방전 펄스가 불균형하게 발생하면 필름 축적을 방지한다는 것을 발견했습니다.
“우리는 비활성화된 셀을 재활성화할 수 있다는 것을 처음으로 보고합니다.
그리고 비활성화와 활성화의 원인을 찾았습니다. 배터리를 대칭적으로 너무 오래 충·방전하면 어느 단계에서든 죽게 됩니다. 우리가 설정한 프로토콜을 사용하면 고장 가능성이 매우 낮아집니다.”
Ruhul Amin – 프로젝트 수석 연구원
아마도 더 인상적인 점은, 이 배터리들이 저장된 에너지를 이용해 CO2를 포집할 수 있다는 것입니다. 이는 재생 에너지 생산이 급증할 때가 아니라, 에너지 생산이 낮을 때도 포집이 가능해 유연성을 높입니다. 또한 풍력이 약하거나 햇빛이 없는 상황에서 화석 연료에 의존하는 피크 전력 발전소의 탄소를 포집하는 완벽한 매치가 될 수 있습니다.
상업 설계로 이동
CO2 배터리가 재활성화될 수 있다는 개념 증명이 이루어진 후, 팀은 실용적인 유틸리티 규모 배터리의 요구 사항에 맞게 성능을 향상시키는 작업을 진행했습니다.
이를 위해 Na‑CO2 프로토타입과 동일한 원리를 적용한 Al‑CO2 배터리를 개발했습니다.
프로토타입은 특히 다음과 같은 놀라운 결과를 달성했습니다:
- 용량 손실 없이 600시간(25일) 연속 작동.
- 10시간 이상 사용할 수 있는 전력을 저장.
다음은?
전해질로 해수를 사용하면 배터리 속도와 수소·산소 생산이 크게 개선되고, 물 속 염소 원자를 이용해 표백제를 만들 수 있습니다. 따라서 이 배터리는 초기 예상보다 더 유용한 부산물을 생산할 가능성이 있습니다.
다음 과제는 알루미늄‑CO2 배터리 설계를 실제 유틸리티 규모 배치에 맞게 확대하는 것입니다.
또 다른 진행 중인 작업은 나트륨‑CO2 배터리로 돌아가 매우 얇고 조밀하며 기계적으로 안정적인 세라믹 막을 개발해 배터리 챔버를 분리함으로써 상업 경쟁력을 확보하는 것입니다.
배터리 기업
이전 한계 때문에 CO2 배터리 기업은 거의 없습니다. 그러나 새로운 기술을 빠르게 도입해 온 혁신적인 배터리 기업들은 필요에 따라 새로운 화학 물질을 개발할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.
1. BYD Company Limited (BYDDF)
BYD는 2022년에 1,860,000대의 차량을 판매하고 2022년에 200억 유로의 매출을 기록했으며, 중국에서 가장 큰 민간 기업 중 하나입니다.
이 회사는 2000년에 Motorola에 리튬이온 배터리를 최초로 공급한 업체로 시작했으며, 2003년에 자동차 사업에 진출했습니다. 오늘날 버스, 열차, 반도체 및 배터리 에너지 저장 분야에서도 활발히 활동하고 있습니다.
출처: Byd Company
그 규모 덕분에 “BYD가 LG를 제치고 세계 2위 전기차 배터리 공급업체가 되다” 라는 헤드라인이 나왔습니다.
전기차 시장을 넘어, BYD는 Tesla (TSLA ) 와 마찬가지로 방대한 배터리 공급을 다른 시장에도 활용하려 하고 있습니다. 특히 Battery-Box를 주거용으로 출시했으며, 코발트가 없는 리튬인산철(LFP) 화학을 사용합니다. 또한 New Energy 패키지를 제공해 태양광과 저장 솔루션을 결합했습니다.
Battery-Box와 New Energy를 결합한 BYD Energy Storage System (ESS) 는 14 GWh 이상의 저장 용량을 출하했습니다.
BYD는 광물 배터리 셀부터 배터리 팩까지 전체 공급망을 자체 보유하고 있습니다. 이를 통해 폐배터리를 고정 저장소로 활용하거나 새로운 2022년 설립된 자회사를 통해 전면적인 배터리 재활용 솔루션을 구축했습니다.
BYD는 현재 해외 진출을 확대하고 있으며, 특히 유럽에서시장 점유율을 네 배로 확대하고, 헝가리에서 연간 150,000대 생산 능력을 300,000대로 늘릴 계획을 추진하고 있습니다. 이는 현지 제조업체와 Tesla에 가격 압박을 가할 수 있으며, 현재 가격대는 연료 자동차와 비슷합니다.
미국 시장 확대는 보다 신중하게 진행되고 있습니다. 미국‑중국 갈등이 고조되면서 2024년 봄에 중국산 자동차에 100% 관세가 부과되었습니다.
출처: BYD
남미, 아시아 및 유럽에서 강력한 성장 전망과 중국이라는 전기차 주요 시장에서의 지배적인 위치를 고려할 때, BYD의 주식은 Tesla에 비해 덜 알려졌지만 평가 배수가 낮은 매력적인 대안이 될 수 있습니다.
2. Contemporary Amperex Technology Co., Limited (300750.SZ)
중국 CATL은 배터리 생산량 기준으로 세계에서 가장 큰 배터리 기업입니다. 2022년에는 전 세계 배터리 생산량의 거의 절반을 차지했습니다.
또한 저비용 “고밀도” 배터리를 필요로 하는 저가 전기차용으로, 가장 진보된 리튬인산철 배터리를 보유하고 있어 비용 절감 솔루션이 될 수 있습니다.
CATL의 배터리 화학 전문성은 다른 옵션에도 확장됩니다. 특히 2021년에 발표된 160 Wh/kg 나트륨이온 배터리가 눈에 띕니다. 풍부하고 저렴한 나트륨을 사용해 리튬을 대체함으로써 최근 몇 년간 가격 변동이 심하고 높은 리튬 가격에 대한 대안을 제공합니다. 리튬이 여전히 필요한 응용 분야를 위해 CATL은 볼리비아에서 리튬 생산에 14억 달러를 투자하고 있습니다.
하지만 배터리 성능 면에서 CATL은 가장 앞선 위치에 있습니다. 먼저 5분 만에 80% 충전이 가능한 330 Wh/kg 초고내구성 “백만 마일” 배터리를 발표했으며, 이는 상용화를 앞두고 있습니다. 이 배터리는 향후 Tesla에 적용될 가능성이 있으며, 고성능 전기차의 새로운 표준이 될 것입니다.
또한 최근에는 500 Wh/kg “압축형” 배터리를 기록하며 장거리 전기차와 항공기에 충분히 공급할 수 있는 밀도를 달성했습니다. 추운 날씨에서도 배터리 성능을 50% 향상시킬 수 있는 방법을 찾았다고 주장하지만, 이는 여전히 기술의 약점이며 추운 국가의 전기차에 문제로 남아 있습니다.
Tesla와 BYD 같은 전기차 선두 기업이나 토요타와 같은 야심찬 신규 진입자들은 자체 배터리 기술을 독자적인 경쟁력으로 개발하려 할 것입니다. 그러나 독일, 미국, 일본 자동차 제조업체를 포함한 나머지 자동차 산업은 첨단 배터리 경쟁에서 뒤처지지 않기 위해 파트너를 찾고 있습니다. 여기에는 Ford, Nio, BAIC, Volvo & BMW, Honda, 그리고 Mercedes Benz가 포함됩니다.
CATL은 배터리 제조 규모의 경제를 가장 크게 활용할 수 있는 생산량을 보유하고 있습니다. 대규모 판매량은 직접적인 과학 전문성과 대규모 R&D 예산으로 이어져 더 많은 돌파구를 가능하게 합니다. 자동차 제조업체가 아니기 때문에 BYD와 Tesla와 같은 직접 경쟁자보다 산업 전반에 더 좋은 파트너가 될 수 있습니다.
현재는 주로 전기차에 집중하고 있지만, 중국의 재생 에너지 생산이 증가하고 기술이 성숙함에 따라 유틸리티 규모 배터리로 전환할 가능성도 있습니다.
이 모든 요소는 CATL이 세계 배터리 생산의 리더 자리를 유지할 설득력 있는 근거가 됩니다. 그러나 미국과 중국 사이의 긴장이 고조되고 있음을 완전히 잊어서는 안 되며, 그 주가는 세계 두 대경제 사이의 권력 투쟁에 휘말릴 위험이 있습니다.
