나트륨 배터리

23년 5월 9일 매일 경제 신문 요약

전기차용 배터리 시장의 키워드로 '가성비'가 주목받는 가운데 중국이 '나트륨 이온'을 활용해 원가를 대폭 낮춘 새로운 배터리를 선보였다. 
중국이 가성비 강자인 리튬인산철(LFP) 배터리로 시장을 선도하는데 나트륨 배터리도 내놓자 국내 배터리업계가 잔뜩 긴장하고 나섰다.

9일 배터리업계에 따르면 전 세계 전기차용 배터리 1위 기업인 중국 CATL이 최근 중국 체리자동차에 나트륨 이온 배터리를 납품하기로 했다. 
기존 리튬 이온 배터리에서는 리튬이 양극과 음극을 오가며 전기를 만들었는데, 비싼 리튬을 저렴한 나트륨으로 대체한 배터리가 '나트륨 배터리'다.

나트륨은 식탁에 오르는 소금(염화나트륨·NaCl)의 주성분인 만큼 흔한 원소다. 
그간 배터리 제작에 필수로 쓰여온 리튬 대비 가격이 80분의 1로 저렴한 데다 400배가 넘는 풍부한 매장량을 자랑한다.

나트륨 이온 배터리는 양극과 음극, 전해질과 분리막의 구조에서 리튬 이온 배터리와 유사하다. 
다만 리튬 대신 나트륨이 들어가는 만큼 양극과 음극재에 들어가는 소재가 달라진다. 
리튬 배터리에는 동박이 사용되지만 나트륨 배터리에는 알루미늄박이 사용되는 식이다. 
배터리업계에서는 나트륨 배터리가 기존 리튬 배터리보다 30~40% 저렴할 것으로 보고 있다.

CATL 측은 "나트륨 배터리 에너지 밀도는 리튬 배터리의 40% 수준"이라며 "대신 상온에서 15분 만에 80% 충전이 가능하고, 
영하 20도에서도 90% 이상 성능을 발휘한다"고 밝혔다. 
CATL은 나트륨 배터리에 대한 연구개발을 지속해 에너지 밀도를 현재 리튬 배터리의 40% 수준에서 70%까지 끌어올린다는 방침이다. 

한국 배터리 기업은 리튬과 니켈·코발트·망간·알루미늄(NCMA) 등을 원료로 한 삼원계 배터리의 강자다. 
특히 니켈 비중을 80~90% 이상으로 끌어올려 출력과 주행 거리를 늘린 프리미엄군 제품에서는 확실한 경쟁 우위를 갖고 있다. 
다만 리튬이나 니켈, 코발트 등 배터리 핵심 부품의 가격이 비싸 가성비 측면에서는 중국에 밀린다. 

다시 상승하기 시작한 리튬 가격도 한국 배터리업계에는 부담이다.

한국광해광업공단에 따르면 탄산리튬 가격은 지난해 11월을 고점으로 하락을 이어오다 최근 ㎏당 2만9077원(155.7위안)을 저점으로 반등했다. 
가장 최근 거래일인 8일에는 ㎏당 3만3000원(174.5위안)까지 올랐다.

국내 배터리 3사는 우선 LFP 배터리 시장에 진출하는 한편, 강점이 있는 NCM계 배터리 연구를 강화하는 전략을 세우고 있다.

LG에너지솔루션은 망간 비중을 높인 '망간 리치' 배터리로 대응을 준비하고 있다. 
SK온과 삼성SDI는 원가 경쟁력을 강화하기 위해 코발트를 사용하지 않는 '코발트 프리' 제품을 개발하고 있다. 
SK온은 2025년 개발 목표로, 지난 3월 '인터배터리' 전시회에서 시제품을 선보이기도 했다.


매경이코노미 제2210호 (2023.05.24~2023.05.30일자) 기사입니다


배터리업계에 따르면 전 세계 전기차 배터리 1위 기업인 중국 CATL은 최근 중국 체리자동차에 나트륨이온 배터리를 납품하기로 했다. 
나트륨이온 배터리와 리튬 배터리를 동시에 탑재하는 방식으로 1회 충전 주행 거리를 500㎞ 수준으로 높일 것이라는 계획도 내비쳤다.

이미 나트륨 배터리를 상용화한 전기차도 등장했다. 
중국 장화이자동차(JAC)는 나트륨 배터리를 탑재한 시험용 전기차 ‘E10X’를 공개했다. 
전기차 E10X는 JAC와 폭스바겐이 합작한 ‘시하오’ 브랜드가 선보인 경형 전기차다. 
중국 배터리 업체인 하이나배터리가 개발한 나트륨 배터리를 적용했다. 
E10X는 25㎾h 용량 배터리를 얹어 1회 충전 시 최대 250㎞를 주행할 수 있다. 
세계 전기차 판매 1위에 오른 중국 BYD가 올해 선보일 신형 전기차에 나트륨 배터리를 탑재할 가능성도 거론된다.


중국 투자은행 CICC는 “2023년이 나트륨이온 배터리 산업화 원년이 될 것”이라며 “2025년까지 전 세계 나트륨이온 배터리 출하량이 90GWh를 넘길 것”이라고 전망했다. 
지난해 전 세계에 등록된 전기차 배터리 총 사용량이 517.9GWh 수준인 점을 감안하면 무시 못할 규모다.

아직은 생소한 나트륨이온 배터리 개념부터 들여다보자. 기존 리튬이온 배터리가 리튬이 양극과 음극을 오가며 전기를 만드는 구조라면, 나트륨이온 배터리는 리튬을 나트륨으로 대체한 개념이라고 보면 된다.

나트륨은 우리가 흔히 볼 수 있는 소금(염화나트륨)의 주성분이다. 지구상에서 여섯 번째로 많은 원소로 가격은 리튬 대비 80분의 1 수준에 그친다. 그럼에도 리튬보다 400배가량 풍부한 매장량을 자랑한다.

원재료 차이만 있는 것은 아니다. 양극재, 음극재에 들어가는 소재가 달라지는데 리튬이온 배터리는 동박이 사용되지만, 나트륨이온 배터리는 알루미늄박이 쓰인다. 알루미늄박은 고전압에서 쉽게 산화되지 않는 특성이 있어 강점으로 부각될 전망이다.

업계에서는 나트륨 배터리 가격이 기존 리튬이온 배터리보다 30~40%가량 저렴할 것으로 내다본다. 리튬보다 매장량이 많고 채굴과 정제가 쉬운 덕분이다.

리튬이온 배터리 셀 가격이 ㎾h당 132달러인 점을 감안하면 나트륨이온 배터리 셀 가격은 77달러로 ‘반값’에 불과하다. 중국 CATL이 ‘규모의 경제’로 ㎾h당 40달러까지 비용이 낮아질 것이라고 밝힌 만큼, 전기차 1대당 9200달러의 비용 절감 효과가 기대된다. 배터리 가격이 전기차 판매 단가의 40%를 차지하는 점을 감안하면, 나트륨 배터리를 채택할 경우 차량 가격을 대폭 낮출 수 있다.

가격이 저렴하다고 해서 성능이 뒤떨어지는 것은 아니다.

충전에 걸리는 시간이 상대적으로 짧고 저온에서의 에너지 유지 능력이 뛰어난 것이 나트륨 배터리의 장점이다. 
나트륨 배터리는 상온에서 15분 만에 80% 충전이 가능할 정도로 충전 속도가 빠른 데다 영하 20도에서도 90% 이상 성능을 발휘한다. 
저온에서도 얼마든지 고성능을 유지할 수 있다는 의미다. 화재 사고가 잦은 리튬이온 배터리보다 열 폭주 우려가 낮은 것도 장점이다. 
충전, 방전 수명은 3000회 이상으로 리튬 배터리보다 우수하다는 평가다.

폐배터리 재활용에서도 환경 친화적이다. 
리튬이온 배터리의 재활용 기술과 설비가 나트륨이온 배터리에 그대로 사용될 수 있는 데다, 나트륨 배터리는 코발트와 흑연이 없어 환경오염 우려가 적다.

물론 단점도 꽤 있다. 일단 나트륨 배터리 에너지 밀도는 리튬 배터리의 40% 수준에 그친다. 
CATL은 나트륨 배터리 연구개발(R&D)을 지속해 에너지 밀도를 리튬 배터리의 40%에서 70%까지 끌어올린다는 목표지만 현실적으로 쉽지 않다는 분석이다. 나트륨 배터리가 리튬이온 배터리보다 무겁고 부피가 큰 점도 아쉽다. 나트륨은 리튬보다 원자가 크기 때문이다.

그럼에도 나트륨 배터리가 급부상한 것은 세계 각국의 리튬 확보 전쟁이 격화된 영향이 크다. ‘하얀 석유’로 불리는 리튬 가격이 급등하면서 리튬 배터리 원가 부담이 커졌다. 전기차 판매가 급증하면서 전기차 배터리 핵심 원료인 리튬 가격은 2021년 초 t당 5만위안에서 지난해 말 약 57만위안으로 10배 넘게 폭등했다. 상대적으로 값싼 나트륨 배터리 가치가 높아질 수 있다는 의미다.

나트륨 배터리 생산을 둘러싼 논란도 적잖다. 나트륨의 주원료인 소다회는 대부분 미국에서 생산된다. 
미국이 전 세계 채굴 가능 매장량의 90%를 보유했다. 미국 와이오밍주 남서부 사막 깊숙한 곳에 5000만년 전 형성된 광대한 소다회가 매장돼 있다. 
중국은 자국 내 소다회 자원이 부족하고 미국으로부터 수입하는 것을 꺼리기 때문에 석탄을 원료로 사용하는 화학공장에서 합성 소다회를 생산한다.

하지만 중국의 합성 소다회 산업은 환경오염 문제로 악명이 높다. 
2016년 당시 중국에서 합성 소다회를 만들고 난 뒤 나오는 찌꺼기인 알칼리광재 더미가 무너져 인근 강을 크게 오염시키기도 했다. 
이에 중국 환경청은 소다회 산업의 정화 작업을 진행 중이라 중국 입장에서는 미국과의 협력이 절실하다. 
아직까지 나트륨 배터리의 전기차 상용화가 쉽지 않은 만큼 전기차보다는 높은 에너지 밀도를 필요로 하지 않는 에너지저장장치(ESS)용으로 주로 쓰일 거라는 관측도 나온다.

나트륨 배터리 기술력이 취약한 상황에서 대량 생산과 관련 기술 개발로 리튬 가격이 떨어지면 나트륨 배터리가 설 자리를 잃을 것이라는 우려의 목소리도 적잖다. 그럼에도 세계 최대 전기차 시장 중국에서 나트륨 배터리 생산이 늘어나는 데다 기술력이 보완된다면 충분히 배터리업계 게임 체인저 역할을 할 것이라는 기대다.

“향후 출시될 나트륨 배터리의 성능, 스펙, 가격에 따라 글로벌 전기차 배터리업계에 적잖은 영향을 미칠 전망이다. 
중국 CATL 주장대로 ‘반값 배터리’ 달성이 가능하면 중저가 모델 전기차 시장이 급성장할 가능성이 높다. 

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