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나트륨이온 배터리
나트륨이온 배터리(Na-ion battery, Sodium-ion battery)는 기존의 리튬이온 배터리를 대체하기 위해 개발 중인 2차전지이다. 간략히 나트륨 배터리 또는 소듐이온 전지라고도 한다. 일본에서는 "post Li-ion battery"로 연구가 활발히 진행되고 있다.
중국 최대 배터리 업체인 CATL이 2021년 7월 나트륨이온 배터리를 출시한다. 나트륨이온 배터리의 에너지밀도가 삼원계 배터리보다 낮아서 고급 모델에 채택될 수는 없지만, 저가 모델에 사용되는 등 리튬이온 배터리의 보조역할을 할 수 있을 것으로 분석된다. 나트륨이온 배터리의 장점 역시 가격 경쟁력이다. 나트륨은 지표에 풍부하게 존재하고 있으며 안전성이 높고 생산공정도 리튬 전지와 유사하다. 하지만 에너지밀도가 낮아서 현 수준에서는 전기차가 요구하는 수준을 만족시키기 어렵다.[1]
중국의 장화이자동차(JAC)는 세계 최초로 나트륨 배터리를 장착한 전기자동차를 출시했으며, 2024년 1월부터 첫 배송을 실시한다고 발표했다.[2]
개요
나트륨이온 배터리는 리튬이온 배터리에서 리튬을 나트륨으로 대체하여 전체적인 효율성을 향상시킨 2차전지로 전력보존 시간이 길고 가격경쟁력이 높다. 나트륨 이온 2차전지는 리튬 이온 2차전지보다 생산 비용이 저렴해 새로운 전지로 각광받고 있다. 전지의 원리는 리튬 이온 2차전지와 비슷하다. 음극에서는 산화가 일어나고, 양극에서는 환원 반응이 일어난다. 양극의 나트륨 양이온은 전자를 만나 다시 음극으로 돌아가는 과정을 거치며 전지가 충전된다. 그러나 기존 나트륨 이온 2차전지는 충방전을 반복하면서 시간이 지나면 전압이 떨어지는 문제가 있었다. EEWS 대학원 연구팀이 개발한 새로운 나트륨 이온 2차전지는 이 한계를 극복해 고전압을 오랜 시간 유지할 수 있다. EEWS Na2CO3, V2O5, NH4H2PO4 를 적절한 온도에서 합성해 고전압이 발생하는 새로운 전극 Na7V4(P2O7)4(PO4)를 만들었다. 이번 연구는 기존 나트륨 이온 이차전지의 한계를 극복한 양극 재료를 개발했을 뿐 아니라, 중간단계가 존재하는 상 변화에 대한 새로운 해석을 제시해 다른 여러 분야에 적용될 것으로 보인다.
역사
나트륨 이온이 주목받고 있는 이유는 리튬이온과 비슷한 화학적 성질이 있으면서도 해수에 녹아 있어 지구 상의 어느 곳에서나 생산할 수 있다는 장점이 크기 때문이다. 리튬이 지구 지표면에 0.005%만 존재하는 반면 나트륨은 그 500배 이상인 2.6% 존재하기 때문에 40% 저렴하다.
2011 년 3 월 일본 스미토모 전기가 기존의 리튬-이온 전지보다 10 배 정도 저렴하고 낮은 온도에서 동작 가능한 나트륨이온 배터리를 개발하여 오사카제작소에서 구내시험을 시작했다. 기존의 나트륨-이온 전지는 동작 온도가 300℃ 이상이면 사용화가 거의 불가능했지만 스미토모 전기연구진이 동작 온도를 57℃까지 낮추는데 성공하였다.
2019년 전기차 생산의 급증으로 리튬이온 배터리 수요가 크게 증가해 희소 자원으로 매장량이 적은 리튬 가격이 2015년에 비해 3배 이상 상승했다.
나트륨은 소금의 주성분으로 쉽게 구할 수 있어 주목받고 있지만 배터리로 만들 경우 충ㆍ방전 효율이 낮아 이를 극복할 기술 개발이 절실한 상황이다.
2019년 6월, KAIST 신소재공학과 육종민 교수 연구팀은 황화구리를 음극 재료로 사용해 용량과 수명이 늘어난 나트륨이온 배터리를 개발했다. 가장 대표적인 음극재인 흑연의 이론 용량 대비 약 17% 높은 최고 436mAh/g의 저장 용량을 가지며, 2천회 이상의 충·방전에도 93% 이상의 저장 용량을 유지하는 것을 확인했다. 어드밴스드 사이언스 6월호에 표지논문으로 게재됐다.
2020년 6월, 광주과학기술원(GIST) 신소재공학부 엄광섭 교수 연구팀이 나트륨을 이용한 나트륨이온 배터리를 리튬이온 배터리 수준으로 고용량화했다고 밝혔다. 연구팀은 나트륨 화합물의 일종인 '불화인산바나듐나트륨'을 전극 재료로 활용한 새로운 나트륨 이온 배터리를 개발했다. 불화인산바나듐나트륨은 많은 전기를 저장할 수 있지만 전기 저항이 커서 실제 활용에는 한계가 있었는데, 연구팀은 이 물질을 물에 녹여 전기가 잘 통하는 그래핀 표면에 균일하게 분포시키는 공정을 통해 전기 저항을 낮추고 한계를 극복했다. 연구팀이 개발한 나트륨 이온 배터리의 용량은 기존보다 2배 수준으로, 현재 쓰이고 있는 리튬 이온 배터리와 비슷한 수준으로 측정됐다. 연구팀은 "이 배터리를 실제로 사용해 3V(볼트)짜리 LED 100여개를 켜는 데 문제가 없었다"고 설명했다. 이번 연구결과는 첨단소재 분야 국제 학술지 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)에 지난 2020년 6월 9일자로 게재됐다.[3]
특징
나트륨이온 배터리는 양극재, 분리막, 액체 전해질, 음극재로 구성되며, 충전 시에는 양극에서 나트륨 이온이 음극으로 이동하고, 방전 시에는 음극에서 양극으로 나트륨 이온이 이동하는 역반응이 진행된다. 나트륨이온 배터리의 평균전압은 약 3.0V를 나타낸다.
장점
- 짧은 충전 시간 : 중국 CATL 측은 상온에서 나트륨이온 배터리를 80% 용량까지 충전하는데 걸리는 시간이 15분이라고 발표했다. 이는 리튬이온 배터리의 충전시간에 비해 상당히 짧은 것으로서, 전기차의 최대 약점인 오랜 충전시간 문제를 대폭 개선할 수 있다. 15분이라는 시간은 내연기관 자동차의 주유 시간과 비교해서 약간 긴 정도로서, 큰 차이가 없다.
- 저온 성능 향상 : 리튬이온 배터리는 영하의 온도에서 성능이 60% 정도로 대폭 떨어지는 반면, 나트륨이온 배터리는 영하 20도의 저온에서 배터리 용량 유지율이 90% 이상으로서, 저온에서 배터리 성능이 매우 향상된다.
- 저렴한 가격 : 나트륨(Na)은 소금(NaCl)을 구성하는 기본 원자로서, 바닷물에 풍부하게 존재한다. 따라서 나트륨 가격은 리튬(Li) 가격에 비해 매우 저렴하다. 그에 따라 양극재로 나트륨을 사용할 경우, 배터리 가격이 최대 30%까지 저렴하여, 전기차 가격을 낮추는데 큰 기여를 할 전망이다.
단점
- 낮은 에너지 밀도 : 나트륨이온 배터리는 기존의 리튬이온 배터리에 비해서 에너지밀도가 낮다. 그에 따라 1회 충전 시 최대 주행거리를 늘리기 위해서는 더 많은 양의 배터리를 탑재해야 하는데, 이는 차량의 무게 증가로 이어져서 주행거리를 단축시키게 된다. 이렇게 줄어든 주행거리를 늘리기 위해서 다시 배터리 용량을 증가시켜야 하는 악순환이 되풀이된다. 중국 CATL의 쩡위췬 회장은 "현재 개발된 나트륨이온 배터리의 에너지 밀도는 160Wh/kg이라면서, 앞으로 200Wh/kg까지 에너지 밀도를 높여나가겠다고 말했다.[4]
동영상
각주
- ↑ 김재현 전문위원, 〈中 CATL '나트륨이온 배터리' 7월 출시…리튬 대체 시도〉, 《머니투데이》, 2021-05-25
- ↑ 이정현 미디어연구소, 〈‘나트륨 배터리 탑재’ 세계 최초 전기차, 새해 1월 출시〉, 《지디넷코리아》, 2023-12-30
- ↑ 김윤수 기자, 〈비싼 리튬 대체 ‘나트륨 이온 배터리’ 고용량화 기술 개발〉, 《조선비즈》, 2020-06-16
- ↑ 조영신 특파원, 〈중국 이르면 내년 소금 전기차 첫선〉, 《아시아경제》, 2021-07-30
참고자료
- 〈소듐 이온 전지〉, 《위키백과》
- 유철휘, 강성구, 김진배, 황갑진, 〈나트륨을 활용한 이차전지 연구동향〉, 《한국수소 및 신에너지학회 논문집》 제26권 제1호, 한국수소및신에너지학회, 2015-02
- 김윤수 기자, 〈비싼 리튬 대체 ‘나트륨 이온 배터리’ 고용량화 기술 개발〉, 《조선비즈》, 2020-06-16
- 김재현 전문위원, 〈中 CATL '나트륨이온 배터리' 7월 출시…리튬 대체 시도〉, 《머니투데이》, 2021-05-25
- 조영신 특파원, 〈중국 이르면 내년 소금 전기차 첫선〉, 《아시아경제》, 2021-07-30
- 이정현 미디어연구소, 〈‘나트륨 배터리 탑재’ 세계 최초 전기차, 새해 1월 출시〉, 《지디넷코리아》, 2023-12-30
같이 보기
