리튬 이차전지의 현재 상황
현재 전기차용 에너지 저장장치로 사용되는 전지는 리튬이온 이차전지로, 기존 소형 장치의전지로 사용되던 LiCoO2 양극에서 가격이 비싼 코발트를 대체하기 위해 개발된 NCM, 혹은 NCA (LiNi1-x-yCoxMnyO2 or LiNi1-x-yCoxAlyO2)와 같은 3원계 양극이나, 중국의 CATL과 같이 가격이 저렴한 LiFePO4가 주로 사용되고 있다.
하지만, 코발트를 대체하기 위해 사용한 니켈의 경우 가격이 급격히 상승하고 있으며, 리튬 이차전지의 기본이 되는 리튬의 가격 또한 지속적으로 상승하고 있다. 이는 전기차 가격의 약 40 %를 차지하는 배터리의 가격에 치명적인 영향을 미치게 된다.
불안정한 리튬 원자재 상황
국제에너지기구 (IEA)에 따르면, 2030년까지 전기차용 리튬 수요가 최소 8배에서 최대 17배 늘어날 수 있다고 전망되어 리튬의 가격은 최소 2.3 ~ 5배가량 증가할 것으로 예상된다. 글로벌 에너지 컨설팅 기업 우드맥킨지의 개빈 몽고메리 배터리 원재료 연구 디렉터는 파이낸셜 타임(FT)에서 리튬의 가격이 전과 같이 폭락할 가능성은 없다고 말하며, “매우 높은 성장세로 인해 향후 몇년간 리튬 가격은 새로운 시대로 진입하게 될 것”이라고 말했다.
이러한, 필수 원자재인 리튬은 남미를 비롯한 특정지역에 대부분의 매장량이 집중되어 있다. 리튬이 가장 많이 매장되어 있는 것으로 추정되는 볼리비아를 비롯한 남미에는 전 세계 리튬 매장량의 약 60%가 매장된 것으로 보이며, 이외에도 호주 17% 등으로 전 세계에서 사용되는 리튬의 85%가 남미와 호주에서 나오며 그 중 2/3의 리튬을 중국이 가공하여 배터리 시장에서 지배력을 보이고 있다. 이렇게 특정 지역에 집중되어 있는 리튬은 자원의 무기화 가능성마저 보이고 있다.
신규 이차전지의 개발 필요성 증가
이러한 상황을 타개하기 위해 여러가지 해결책이 제시되고 있는데, 그 중에서 가장 대표적인 방법으로 리튬 이차전지를 대체하는 신규 이차전지의 개발이다.
리튬 이온의 경우 무게, 체적당 출력 밀도와 에너지 밀도에 있어 큰 장점이 있어 큰 관심을 받아왔지만, 현재 이를 대체하기 위해 동일한 1족 원소인 나트륨 이온을 기반으로 하는 이차전지가 큰 관심을 받고 있다.
나트륨 이차전지의 장단점
나트륨은 지구상에 6번째로 많은 원소로 리튬 대비 약 500배의 매장량을 보여주며, 2021년 기준 kg당 가격으로 비교해보면 리튬의 경우 kg당 2만 8,000원 수준일 때 나트륨은 kg당 가격은 360원 정도로 약 80배 수준의 가격 차이가 있다. 이러한 가격 차이에 힘입어 배터리 제작 시 제작 단가에 있어 30~40%가량의 큰 폭으로 제작 단가 감소가 가능할 것으로 예상된다. 이러한 나트륨은 바다에서 흔하게 구할 수 있어 자원의 독점 위험에서도 상대적으로 안전하다.
또한, 상온에서 15분만에 배터리의 80% 정도 충전이 가능하고, 영하 20도에서 에너지밀도가 90% 이상 유지가 된다는 점도 매력적인 장점이다.
하지만 이러한 장점을 지닌 나트륨 이차전지에도 단점은 존재한다. 먼저, 나트륨 이차전지는 리튬 이차전지 대비 에너지 밀도가 낮다. 나트륨 전지의 에너지밀도는 kg당 160 Wh 수준으로 리튬이온 배터리의 kg당 에너지밀도인 500 Wh에 비해 약 1/3 수준이다. 물론 기술의 발전에 따라 성능은 개선될 여지가 있다. 현재에도 특정 구조를 갖는 물질의 경우 g 당 용량이 200 mAh 이상의 고용량 물질이 보고되고 있기 때문이다. 여전히 낮은 작동전압은 물질의 에너지 밀도에 영향을 미치지만, 몇 가지 문제가 개선이 된다면 현재 리튬 이차전지 수준에 곧 다다를 것으로 보인다. 또한, 지금도 전기차와 같은 대용량 전원장치 부분에서 리튬 이차전지를 대체할 수준은 아니지만, 저속 전기차, 혹은 전기 오토바이 등 제한적인 부분에서는 리튬 이차전지를 대체할 정도의 수준으로 활용이 가능하며, 차후에는 공정에 큰 변화 없이도 리튬 이차전지에서 나트륨 이차전지로 전환이 가능할 것으로 보인다.
나트륨 이차전지의 성장 가능성
이러한 흐름에 있어 나트륨 이차전지 업계가 보다 더 각광받게 된 계기가 있다. 작년 말 세계 최대 배터리 업체인 중국의 ‘CATL’이 2022년부터 나트륨 이차전지를 본격적으로 양산하겠다고 발표하였다. 또한, 인도 정유 · 석유화학 기업인 릴라이언스 인더스트리(RIL)의 자회사인 릴라이언스 뉴에너지솔라 (RNESL)가 2022년 1월에 영국 나트륨 이차전지 기술업체인 파라디온을 1억 파운드 (한화 약 1,622억원)에 인수하면서 나트륨 이차전지 시장에 대한 기대감이 보다 커지고 있다.
국내에서도 이러한 시류에 맞춰 스타트업 기업들을 필두로 나트륨 이차전지 개발 대열에 합류하고 있다. 배터리 업체인 에너지 11의 경우 하이브리드(반고체) 전해질 기술을 개발하여 상용화를 진행중이며, 이를 통해 화재 및 폭발에 대해 높은 안전성을 지닌 배터리를 개발하였으며, 기존 리튬 이차전지에서 안정성에 가장 큰 영향을 미치는 리튬 덴드라이트(dendrite-배터리 내부에서 리튬이 나뭇가지처럼 뾰족하게 자라나는 현상으로 분리막에 손상을 입혀 배터리 성능 저하 혹은 폭발의 위험을 초래한다.)증상을 해결하는 배터리 개발에 성공하였다. 에너지 11의 대표는 “전반적으로 나트륨 배터리는 타임-투-마켓(time-to-market)이라는 추진요소를 가진, 확장성 있는 분야죠. 올해가 시장 진입에 골든 타임이 될 것이라며 우물쭈물하면 놓치게 될 겁니다.”라고 말하였다.
향후 전망
나트륨 이차전지는 분명 매력적인 소재이다. 하지만, 아직은 나트륨 이차전지가 현재의 리튬 이차전지를 완전히 대체할 소재로는 부족한 것은 분명하다. 미국 컨설팅 업체인 아다마스 인텔리전스가 최근 내놓은 보고서에 따르면 CATL이 출시 선언한 나트륨 이온 배터리가 성능면에서 월등한 리튬 이온 배터리에 큰 위협이 되지 않는다고 하였으며, 나트륨 이온 배터리가 저가형 전기차 혹은 전기 버스에 적합하며 경쟁 제품으로 예상되는 LFP 배터리의 시장 점유율은 낮기 때문에 시장 판도에 영향을 줄 가능성은 낮다고 분석했다. 하지만 전기차로 유명한 테슬라의 일론머스크 최고 경영자(CEO)가 앞으로 LFP 배터리의 탑재 비중을 높이겠다고 말한 것처럼 아직 많은 개선이 필요하지만, 원자재 가격의 지속적인 상승이 예상되는 리튬을 기술 개발에 따른 성능 향상이 기대되는 나트륨 이차전지로 대체할 순간은 조만간 다가올지도 모른다.
출처 :
https://www.greened.kr/news/articleView.html?idxno=291059
https://news.mt.co.kr/mtview.php?no=2022013007143612801
https://www.theguru.co.kr/news/article.html?no=24426
https://biz.chosun.com/international/international_economy/2022/02/22/7W2JSKDDBBEFTKWFZXN5LOGQXY/
리튬 이차전지의 현재 상황
현재 전기차용 에너지 저장장치로 사용되는 전지는 리튬이온 이차전지로, 기존 소형 장치의전지로 사용되던 LiCoO2 양극에서 가격이 비싼 코발트를 대체하기 위해 개발된 NCM, 혹은 NCA (LiNi1-x-yCoxMnyO2 or LiNi1-x-yCoxAlyO2)와 같은 3원계 양극이나, 중국의 CATL과 같이 가격이 저렴한 LiFePO4가 주로 사용되고 있다.
하지만, 코발트를 대체하기 위해 사용한 니켈의 경우 가격이 급격히 상승하고 있으며, 리튬 이차전지의 기본이 되는 리튬의 가격 또한 지속적으로 상승하고 있다. 이는 전기차 가격의 약 40 %를 차지하는 배터리의 가격에 치명적인 영향을 미치게 된다.
불안정한 리튬 원자재 상황
국제에너지기구 (IEA)에 따르면, 2030년까지 전기차용 리튬 수요가 최소 8배에서 최대 17배 늘어날 수 있다고 전망되어 리튬의 가격은 최소 2.3 ~ 5배가량 증가할 것으로 예상된다. 글로벌 에너지 컨설팅 기업 우드맥킨지의 개빈 몽고메리 배터리 원재료 연구 디렉터는 파이낸셜 타임(FT)에서 리튬의 가격이 전과 같이 폭락할 가능성은 없다고 말하며, “매우 높은 성장세로 인해 향후 몇년간 리튬 가격은 새로운 시대로 진입하게 될 것”이라고 말했다.
이러한, 필수 원자재인 리튬은 남미를 비롯한 특정지역에 대부분의 매장량이 집중되어 있다. 리튬이 가장 많이 매장되어 있는 것으로 추정되는 볼리비아를 비롯한 남미에는 전 세계 리튬 매장량의 약 60%가 매장된 것으로 보이며, 이외에도 호주 17% 등으로 전 세계에서 사용되는 리튬의 85%가 남미와 호주에서 나오며 그 중 2/3의 리튬을 중국이 가공하여 배터리 시장에서 지배력을 보이고 있다. 이렇게 특정 지역에 집중되어 있는 리튬은 자원의 무기화 가능성마저 보이고 있다.
신규 이차전지의 개발 필요성 증가
이러한 상황을 타개하기 위해 여러가지 해결책이 제시되고 있는데, 그 중에서 가장 대표적인 방법으로 리튬 이차전지를 대체하는 신규 이차전지의 개발이다.
리튬 이온의 경우 무게, 체적당 출력 밀도와 에너지 밀도에 있어 큰 장점이 있어 큰 관심을 받아왔지만, 현재 이를 대체하기 위해 동일한 1족 원소인 나트륨 이온을 기반으로 하는 이차전지가 큰 관심을 받고 있다.
나트륨 이차전지의 장단점
나트륨은 지구상에 6번째로 많은 원소로 리튬 대비 약 500배의 매장량을 보여주며, 2021년 기준 kg당 가격으로 비교해보면 리튬의 경우 kg당 2만 8,000원 수준일 때 나트륨은 kg당 가격은 360원 정도로 약 80배 수준의 가격 차이가 있다. 이러한 가격 차이에 힘입어 배터리 제작 시 제작 단가에 있어 30~40%가량의 큰 폭으로 제작 단가 감소가 가능할 것으로 예상된다. 이러한 나트륨은 바다에서 흔하게 구할 수 있어 자원의 독점 위험에서도 상대적으로 안전하다.
또한, 상온에서 15분만에 배터리의 80% 정도 충전이 가능하고, 영하 20도에서 에너지밀도가 90% 이상 유지가 된다는 점도 매력적인 장점이다.
하지만 이러한 장점을 지닌 나트륨 이차전지에도 단점은 존재한다. 먼저, 나트륨 이차전지는 리튬 이차전지 대비 에너지 밀도가 낮다. 나트륨 전지의 에너지밀도는 kg당 160 Wh 수준으로 리튬이온 배터리의 kg당 에너지밀도인 500 Wh에 비해 약 1/3 수준이다. 물론 기술의 발전에 따라 성능은 개선될 여지가 있다. 현재에도 특정 구조를 갖는 물질의 경우 g 당 용량이 200 mAh 이상의 고용량 물질이 보고되고 있기 때문이다. 여전히 낮은 작동전압은 물질의 에너지 밀도에 영향을 미치지만, 몇 가지 문제가 개선이 된다면 현재 리튬 이차전지 수준에 곧 다다를 것으로 보인다. 또한, 지금도 전기차와 같은 대용량 전원장치 부분에서 리튬 이차전지를 대체할 수준은 아니지만, 저속 전기차, 혹은 전기 오토바이 등 제한적인 부분에서는 리튬 이차전지를 대체할 정도의 수준으로 활용이 가능하며, 차후에는 공정에 큰 변화 없이도 리튬 이차전지에서 나트륨 이차전지로 전환이 가능할 것으로 보인다.
나트륨 이차전지의 성장 가능성
이러한 흐름에 있어 나트륨 이차전지 업계가 보다 더 각광받게 된 계기가 있다. 작년 말 세계 최대 배터리 업체인 중국의 ‘CATL’이 2022년부터 나트륨 이차전지를 본격적으로 양산하겠다고 발표하였다. 또한, 인도 정유 · 석유화학 기업인 릴라이언스 인더스트리(RIL)의 자회사인 릴라이언스 뉴에너지솔라 (RNESL)가 2022년 1월에 영국 나트륨 이차전지 기술업체인 파라디온을 1억 파운드 (한화 약 1,622억원)에 인수하면서 나트륨 이차전지 시장에 대한 기대감이 보다 커지고 있다.
국내에서도 이러한 시류에 맞춰 스타트업 기업들을 필두로 나트륨 이차전지 개발 대열에 합류하고 있다. 배터리 업체인 에너지 11의 경우 하이브리드(반고체) 전해질 기술을 개발하여 상용화를 진행중이며, 이를 통해 화재 및 폭발에 대해 높은 안전성을 지닌 배터리를 개발하였으며, 기존 리튬 이차전지에서 안정성에 가장 큰 영향을 미치는 리튬 덴드라이트(dendrite-배터리 내부에서 리튬이 나뭇가지처럼 뾰족하게 자라나는 현상으로 분리막에 손상을 입혀 배터리 성능 저하 혹은 폭발의 위험을 초래한다.)증상을 해결하는 배터리 개발에 성공하였다. 에너지 11의 대표는 “전반적으로 나트륨 배터리는 타임-투-마켓(time-to-market)이라는 추진요소를 가진, 확장성 있는 분야죠. 올해가 시장 진입에 골든 타임이 될 것이라며 우물쭈물하면 놓치게 될 겁니다.”라고 말하였다.
향후 전망
나트륨 이차전지는 분명 매력적인 소재이다. 하지만, 아직은 나트륨 이차전지가 현재의 리튬 이차전지를 완전히 대체할 소재로는 부족한 것은 분명하다. 미국 컨설팅 업체인 아다마스 인텔리전스가 최근 내놓은 보고서에 따르면 CATL이 출시 선언한 나트륨 이온 배터리가 성능면에서 월등한 리튬 이온 배터리에 큰 위협이 되지 않는다고 하였으며, 나트륨 이온 배터리가 저가형 전기차 혹은 전기 버스에 적합하며 경쟁 제품으로 예상되는 LFP 배터리의 시장 점유율은 낮기 때문에 시장 판도에 영향을 줄 가능성은 낮다고 분석했다. 하지만 전기차로 유명한 테슬라의 일론머스크 최고 경영자(CEO)가 앞으로 LFP 배터리의 탑재 비중을 높이겠다고 말한 것처럼 아직 많은 개선이 필요하지만, 원자재 가격의 지속적인 상승이 예상되는 리튬을 기술 개발에 따른 성능 향상이 기대되는 나트륨 이차전지로 대체할 순간은 조만간 다가올지도 모른다.
출처 :
https://www.greened.kr/news/articleView.html?idxno=291059
https://news.mt.co.kr/mtview.php?no=2022013007143612801
https://www.theguru.co.kr/news/article.html?no=24426
https://biz.chosun.com/international/international_economy/2022/02/22/7W2JSKDDBBEFTKWFZXN5LOGQXY/