나트륨 이온 전지는 자동차부터 에너지 저장까지 다양한 산업에서 기술에 큰 투자를 하고, 상용화의 결정적인 시기를 맞고 있습니다. 이미 잘 알려진 배터리 제조업체와 신규 진출기업들이 리튬 이온 대체를 위해 개발된 기술로서 랩에서 제조 공장으로의 전환을 겨냥하고 있습니다. 만약 이 기술이 전기 이동성 및 정적 저장 기술의 기준을 세운 리튬 이온과 대항할만한 가치를 제공한다면 상당한 잠재력을 갖고 있습니다. 그리고 나트륨 이온은 안전성, 원재료 비용, 환경 자격 등에서 강점을 지니고 있다고 할 수 있습니다.
나트륨 이온 전지는 부족한 리튬 대신 풍부한 나트륨을 사용하여, 암석류와 니켈을 사용하지 않는 재료로써 중요한 이점을 갖고 있습니다. 리튬 이온의 가격이 2022년에 상승하면서 재료 부족이 예상되어 나트륨 이온이 경쟁 상대로 손꼽혔지만, 리튬 이온 가격이 다시 하락하더라도 나트륨 이온에 대한 관심은 여전합니다. “2023년 5월 기준으로, 저희는 나트륨 이온 전지 셀의 생산 용량을 2030년까지 335.4 GWh로 추적하고 있으며, 이는 이 기술에 대한 상당한 투자 의사가 아직도 남아 있는 것을 보여줍니다.” 라고 Benchmark Mineral Intelligence의 전문가 Evan Hartley는 말했습니다.
나트륨 이온 전지는 규모에 맞게 생산되면 리튬 철 인산(LFP)과 비교하여 20%에서 30% 더 저렴해질 수 있으며, 이는 주로 풍부한 나트륨과 낮은 추출 및 정제 비용의 영향입니다. 나트륨 이온 전지는 리튬 이온이 사용하는 구리가 아닌 알루미늄을 사용하여 전극의 전류 수집체로 사용할 수 있어 비용과 공급망 리스크를 더욱 줄일 수 있습니다. 하지만 이러한 절약은 아직 가능성에 불과합니다. “나트륨 이온 전지가 기존의 납 축전지 및 리튬 철 인산 축전지에 도전하기 위해서는 산업 참여자들이 기술 성능을 개선하고, 공급망을 구축하며, 규모 경제를 달성하여 비용을 낮추어야 합니다.” United Kingdom 소재의 시장 조사 회사인 IDTechEx의 기술 분석가 Shazan Siddiqi는 이렇게 말했습니다. “나트륨 이온의 경제적 이점은 리튬 이온 전지 셀의 생산 규모에 비교 가능한 제조 규모로 생산하였을 때에만 가능합니다. 또한, 리튬 탄산염의 가격이 더욱 하락한다면 나트륨의 가격 이점이 줄어들 수도 있습니다.”
나트륨 이온은 고성능을 중시하는 응용분야에서 리튬 이온을 대체하기에는 적합하지 않으며, 주로 정적 저장 및 소형 전기 차량에 사용될 것으로 예상됩니다. S&P Global의 분석가들은 2030년까지 전지 시장의 80%를 리튬 이온이 공급하며, 그 중 90%는 LFP를 기반으로 한다고 예상합니다. 나트륨 이온은 시장의 10%를 차지할 수 있습니다.
과학자들은 20세기 중반부터 나트륨 이온을 고려해 왔으며, 최근의 개발은 저장 용량과 장치 수명 개선뿐만 아니라 새로운 전극 및 양극 재료도 포함되어 있습니다. 나트륨 이온은 리튬 이온과 비교하여 음전압, 및 그래비메트릭 및 부피에너지 밀도가 낮은 특징을 지니고 있습니다. 현재 나트륨 이온의 그래비메트릭 에너지 밀도는 약 130-160 Wh/kg이지만, 앞으로 리튬 철 인산(LFP) 장치의 이론적 한계를 넘어서는 200 Wh/kg로 상승할 것으로 예상됩니다. 그러나 전력 밀도면에서, 나트륨 이온 전지는 1 kW/kg로, 니켈-망간-코발트(NMC)의 340W/kg ~ 420W/kg 및 LFP의 175W/kg ~ 425W/kg보다 높은 전력을 제공할 수 있습니다. 나트륨 이온의 장비 수명은 LFP에 비해 100~1000회 사이이지만, 인도의 개발자인 KPIT은 6000회의 용량 보존율 80%를 보여주는 수명을 보고했으며, 이는 리튬 이온 장치와 비교 가능합니다.
IDTechEx의 Siddiqi는 “나트륨 이온 전지에서는 아직도 하나의 이기종화된 화학물질이 없습니다. 라보 단계를 넘어선 대규모 생산을 위한 이상적인 음극/양극 활성 물질을 찾기 위해 많은 연구가 진행되고 있습니다.”라고 말했습니다. Siddiqi는 미국 기반의 안전 과학 기관인 Underwriter Laboratories에 따르면 “나트륨 이온 셀을 위한 UL 표준화는 아직까지는 가능성이 떨어져 있어서 OEM(원자재 생산업체)들이 이러한 기술에 투자하기에 우왕좌왕합니다.”
Prussian white, polyanion 및 layered oxide는 카토드 후보로서, 리튬 이온에 비해 저렴한 재료를 사용하고 있습니다. 전자는 Northvolt와 CATL에서 사용되는 것으로 널리 알려져 있으며 저피적 부피 에너지 밀도를 가지고 있습니다. 영국 기반의 Faradion은 layered oxide를 사용하는데, 이는 더 높은 에너지 밀도를 약속하지만 시간이 지남에 따라 용량이 감소하는 문제가 있습니다. 또한 프랑스의 Tiamat은 더 안정적인 polyanion을 사용하며, 그러나 유독성 반더니움을 포함하고 있습니다. “나트륨 이온 전지 생산 기획 업체들 중 대부분은 layered oxide 카토드 기술을 사용할 것입니다.”라고 Benchmark의 Hartly는 말했습니다. “사실, [셀] 파이프라인의 71%는 layered oxide입니다. 마찬가지로, 90.8%의 나트륨 이온 카토드 파이프라인은 layered oxide입니다.”
리튬 이온에 있어서는 카토드가 주요 비용 driver이지만, 나트륨 이온 전지에서는 음극이 가장 비싼 부품입니다. 나트륨 이온 음극의 표준 선택은 Hard carbon이지만, 나트륨 이온 셀의 생산능력은 추격하고 있는 셀의 생산능력보다 낮아 가격이 오르고 있습니다. Hard carbon 재료는 최근에 동물 축산 폐기물, 하수 슬러지, 포도당, 섬유소, 목재, 석탄 및 석유 유도체와 같은 다양한 전구체에서 유래되었습니다. 반면, 리튬 이온 음극 재료로 일반적으로 사용되는 합성 그래프라이트는 주로 석유 유도체에 의존하고 있습니다. 하루카본은 리튬 이온 전지셀과 비교하여 소프트웨어 공급망을 갖추고 있지 않기 때문에 더 비싸며, 나트륨 이온 셀 생산에서 가장 큰 장애물 중 하나입니다.
더 높은 온도 내구성을 갖고 있기 때문에 나트륨 이온 전지는 특히 영하 조건에서 더 잘 견딜 수 있습니다. 나트륨 이온 전지는 리튬 이온보다 더 안전하며, 전압이 0 볼트까지 배출될 수 있기 때문에 운반 및 처분 과정에서의 위험을 감소시킵니다. 리튬 이온 전지는 일반적으로 30% 충전된 상태에서 보관이 됩니다. 나트륨 이온은 전기화학 특성과 구조에서 유사한 요소를 가지고 있기 때문에 종종 리튬 이온 생산 라인과 장비에 나트륨 이온을 삽입할 수도 있습니다. 실제로 세계 최고의 배터리 제조 업체인 CATL은 나트륨 이온을 리튬 이온 인프라 및 제품에 통합하고 있습니다. 2021년에 출시된 첫 번째 나트륨 이온 전지의 에너지 밀도는 160 Wh/kg였으며, 앞으로 200 Wh/kg의 에너지 밀도를 약속했습니다. CATL은 2023년에 중국의 자동차 제조사 Chery가 처음으로 그들의 나트륨 이온 전지를 사용할 예정이라고 발표했습니다. CATL은 pv magazine에 2023년 말에 더 많은 프로젝트 구현에 따라 생산 규모와 선적에 따라 조정될 것이라고 밝혔으며, 나트륨 이온 전지 생산에는 더 많은 작업이 필요하다고 덧붙였습니다.
기사 내용을 바탕으로 한 FAQ 섹션을 제공해 드리겠습니다.
1. 나트륨 이온 전지란 무엇인가요?
나트륨 이온 전지는 나트륨을 사용하여 동작하는 전지로, 리튬 이온 전지의 대체재로 개발되었습니다. 주로 정적 저장 및 소형 전기 차량에 사용될 것으로 예상됩니다.
2. 나트륨 이온 전지의 장점은 무엇인가요?
나트륨 이온 전지는 암석류와 니켈을 사용하지 않는 재료로써 중요한 이점을 가지고 있습니다. 또한 안전성, 원재료 비용, 환경 자격 등에서 강점을 가지고 있다고 할 수 있습니다.
3. 나트륨 이온 전지와 리튬 이온 전지의 비교에서 어떤 잠재력을 갖고 있나요?
나트륨 이온 전지가 전기 이동성 및 정적 저장 기술의 기준을 세울 수 있을 만큼의 가치를 제공한다면 상당한 잠재력이 있습니다.
4. 나트륨 이온 전지 생산에는 어떤 기술 개선과 투자가 필요한가요?
나트륨 이온 전지가 기존 축전지에 도전하기 위해서는 기술 성능 개선, 공급망 구축, 비용 절감을 달성해야 합니다.
5. 나트륨 이온 전지의 주요 응용 분야는 무엇인가요?
나트륨 이온 전지는 주로 정적 저장 및 소형 전기 차량에 사용될 것으로 예상됩니다.
6. 나트륨 이온 전지의 에너지 밀도는 어떻게 되나요?
나트륨 이온 전지의 에너지 밀도는 리튬 이온 전지에 비해 낮지만, 전력 밀도는 더 높을 수 있습니다. 현재 그래비메트릭 에너지 밀도는 약 130-160 Wh/kg이며, 이후 상승할 것으로 예상됩니다.
7. 나트륨 이온 전지와 리튬 이온 전지의 수명은 어떻게 비교되나요?
나트륨 이온 전지의 장비 수명은 LFP에 비해 낮을 수 있으나, 개발자에 따라 100~1000회 사이의 수명을 갖는 것으로 알려져 있습니다.
8. 나트륨 이온 전지 생산에는 어떤 재료가 사용되나요?
나트륨 이온 음극의 표준 선택은 Hard carbon이지만, 생산 능력 부족으로 가격이 오르고 있습니다. 이 외에도 Prussian white, polyanion, layered oxide 등의 재료가 사용됩니다.
9. 나트륨 이온 전지는 어떤 이유로 리튬 이온 전지에 대안이 될 수 있나요?
나트륨 이온 전지는 리튬 이온보다 더 안전하며, 전압이 0 볼트까지 배출될 수 있기 때문에 운반 및 처분 과정에서의 위험을 감소시킵니다. 또한 나트륨은 리튬 이온 생산 라인과 장비에 삽입할 수 있어 이용 가능성이 있습니다.
10. 나트륨 이온 전지 생산에는 어떤 기술적인 문제가 있는가요?
나트륨 이온 전지 생산을 위해서는 음극/양극 활성 물질을 대규모로 생산하기 위한 연구가 진행되고 있습니다. 또한 나트륨 이온 셀을 위한 표준화는 아직 가능성이 떨어져 있어서 기술에 투자하기에 어려움이 있습니다.
