CATL, 리튬이온 배터리 대체할 나트륨 배터리 개발의 한계

나트륨 배터리는 일반적으로 리튬 이온 배터리와 비교되는 대안으로 떠오르고 있는 배터리입니다.

하지만 CATL이 나트륨 배터리를 개발한다는 발표 이후, 기술 전문가들 사이에서는 나트륨 배터리가 리튬이온 배터리를 대체할 수 있는지에 대한 의견이 분분합니다. 이번 글에서는 나트륨 배터리의 장 단점과 나트륨 배터리의 한계와 국내 기업의 대응에 대해 알아보겠습니다.

나트륨 배터리의 장점은 다음과 같습니다.

• 안전성: 리튬보다 반응성에 있어 더 낮기 때문에 나트륨 배터리는 비교적 안전합니다.
• 저온특성이 좋아 저온에서 성능이 안정적으로 구현됩니다.
• 저렴한 가격: 나트륨은 지구상에서 가장 풍부한 원소(리튬대비 500배) 중 하나이며, 양극제에 사용하는 리튬보다 훨씬 저렴합니다. 제조원가가 리튬이온 배터리보다 30~40% 정도 저렴
• 생산설비활용:나트륨은 리튬과 비슷한 구조로 되어있지만 공급망 전체 교체에 따른 비용 및 시간이 소요됩니다.(장점가 단점 존재)
• 실용성: 나트륨 배터리는 다양한 용도에 사용될 수 있으며, 에너지 저장 시스템에서 사용될 수 있습니다.
• 대체로 성능이 LFP배터리와 비슷해서 그 대체제로 활용할 수 있습니다.

하지만, 나트륨 배터리에도 몇 가지 단점이 있습니다.

• 성능: 현재의 나트륨 배터리는 리튬 이온 배터리보다 에너지 밀도가 낮아 반응성과 효율성이 낮아 성능이 떨어집니다. 연구진들은 이를 개선하기 위해 다양한 노력을 하고 있지만, 아직까지 리튬 이온 배터리와 비교했을 때 성능적인 차이가 납니다.
• 크기: 나트륨 배터리는 리튬 이온 배터리보다 밀도는 높아 크고 무거운 경향이 있습니다. 전기차에 탑재되는 배터리로는 크고 무거워서 현재까지는 적절하지 않습니다.
• 충전 시간: 나트륨 배터리는 충전 시간이 오래 걸리며, 현재는 리튬 이온 배터리보다 불편합니다. 연구진들은 충전 시간을 단축하기 위한 노력을 하고 있지만, 아직까지 리튬 이온 배터리보다는 느립니다.
• 리튬이온배터리보다 수명이 짧습니다. (리튬이온배터리3000회, 나트륨이온 배터리 2000회)

	에너지밀도(Wh/kg)	에너지밀도(Wh/L)
리튬 이온 배터리 NCM	210	650
리튬 이온 배터리 LFP	170	400
나트륨 이온 배터리	160	370

 

리튬 이온 배터리 vs 나트륨 이온 배터리 비교

리튬 이온 배터리 (NCM)	Li-NCM (N8x)	흑연	동박	LiPF6
리튬 이온 배터리 (LFP)	LFP	흑연	동박	LiPF6
나트륨 이온 배터리	Na-NCM NA[M]O2	하드카본	알루미늄박	NaPF6

공급망 전체 교체에 따른 비용 및 시간이 소요

 

중국, 나트륨 배터리 시장에서 주목하는 이유

중국은 배터리 시장에서 항상 가격 경쟁력을 유지해왔습니다. 그 이유는 내수시장으로 원료를 저렴한 가격에 공급할 수 있기 때문입니다. 그래서 다른 국가에 비해 가격 경쟁력을 가질 수 있는 것이죠. 또한, 중국은 생산성이 높은 리튬인산철(LFP) 배터리를 저렴하게 만들 수 있는 기술력을 보유하고 있습니다. 지구상에 존재하는 원소 비율을 보면 리튬은 0.005% 정도 되는 반면, 나트륨은 2.6% 가량 차지하고 있습니다. 나트륨이 리튬에 비해 약 500배 더 많은 셈이죠. 따라서 나트륨 배터리는 리튬 배터리에 비해 더 저렴한 가격으로 생산할 수 있습니다. 중국, 나트륨 배터리 시장에서 주목하는 이유이기도 합니다. 

중국, 나트륨배터리 탑재된 테스트카

중국에서 나트륨배터리를 탑재한 테스트카가 공개되었습니다. 배터리기업인 하이나와 완성차 기업인 장화이 자동차와의 합작물로 최초로 나트륨 배터리를 탑재한 차가 선을 보이게 된 것입니다. 이번에 공개된 테스트카는 25kWh 용량의 배터리를 장착하여 1회 충전으로 최장 250km 주행이 가능합니다(일반전기차의 절반수준). 급속 충전 시간은 15~20분 정도 소요된다고 알려졌습니다.

 

나트륨 배터리의 한계

나트륨 배터리가 리튬이온 배터리를 대체하기 위해서는 에너지 밀도와 성능 측면에서 큰 발전이 필요합니다. 나트륨과 리튬의 질량과 밀도 차이 때문에 나트륨 배터리가 리튬이온 배터리의 에너지 용량을 뛰어넘기에는 어려울 수밖에 없다고 설명합니다. 또한 나트륨 배터리의 낮은 성능 때문에 증권가에서도 나트륨 배터리 사업이 당장 큰 성과를 거두기에는 어렵다는 분위기입니다.

나트륨 배터리가 사용될 수 있는 분야

하지만 리튬이온 배터리와 동일한 성능을 내기 위해서는 더욱 배터리가 무거워질 수밖에 없기 때문에 에너지저장장치(ESS)나 골프 카트와 같이 단거리를 주행하는 운송수단에는 나트륨 배터리가 사용될 수 있다고 말합니다. 따라서 전기차 외에도 배터리 수요는 곳곳에서 나오고 있기 때문에 다양하게 사용될 용도는 있어보입니다.

국내 기업의 대응

국내 배터리 3사는 가격 경쟁력보다도 에너지 밀도와 성능을 높이는 데 더 주력하고 있습니다. 따라서 국내 기업들은 현재 나트륨 배터리의 개발에 큰 위협을 느끼고 있지 않습니다. 또한 국내 업체들은 프리미엄 배터리를 중점적으로 개발하고 있고, 하이엔드 시장에서 입지를 넓혀 나가고 있습니다.

마치며

CATL의 나트륨 배터리 개발은 리튬이온 배터리를 대체하기에는 한계가 있지만, 다양한 운송수단에서 사용될 수 있는 가능성이 있습니다. 국내 배터리 3사는 현재 에너지 밀도와 성능을 높이는 데 집중하고 있고 리튬이온배터리가 차세대 배터리로서 더욱 가능성이 높기때문에 이분야로 계속 발전해나갈 것으로 보입니다.