나트륨 이온 배터리 (Sodium-ion Batteries)

기술

나트륨 이온 배터리(SIB)에 대한 연구는 지난 세기 중반으로 거슬러 올라가며, 그 이후로 많은 진전을 이루어왔습니다. 최근 몇 년간 Faradion(릴라이언스), Tiamat, Natron Energy, BYD 및 CATL과 같은 여러 회사와 스타트업이 상용화하고 있으며, HiNa의 경우 이미 대량 생산을 시작했습니다. 이러한 이유로 SIB의 기술 준비 수준(TRL: Technology readiness level)은 8 또는 9로 설정할 수 있습니다.

Na⁺는 Li⁺보다 이온 반경이 더 크고(102 vs. 76 pm) 원자량이 더 높습니다(22.98 vs. 6.94 g/mol). SIB의 전지 전압이 LIB에 비해 대부분 낮기 때문에, 약간 낮은 중량 및 부피 에너지 밀도가 예상됩니다. 현재의 실제 중량 에너지 밀도는 예를 들어 CATL의 경우 140–160 Wh/kg 범위에 있으며, 향후 셀 세대에서는 200 Wh/kg를 초과할 것으로 예상됩니다. 사이클 수명은 셀에 사용되는 재료에 크게 의존하며, 1C충방전으로는 4,000 사이클에서 초기 용량의 80 % 까지 유지될 수 있으며, 이는 현재의 최첨단 LIB와 비교할 수 있습니다. 또한 SIB는 LIB와 유사한 90%의 쿨롱 효율을 가지며,  환원 효율은 LFP(97 %) 및 NMC(95 %) 셀과 비슷합니다 LIB와 비교했을 때, 셀의 저온 저항성은 장점이 될 수 있습니다: –20°C에서도 용량 유지율이 90 %로, LIB의 60–70 % 와 비교됩니다. 그러나 LIB와 마찬가지로 온도 범위도 셀 화학에 크게 의존합니다.

나트륨 이온 배터리의 현재와 미래의 KPI

양극재료

SIB에서 주로 사용되는 양극 재료는 층상 산화물(layered oxides), 폴리아니온 화합물 (polyanionic compounds) 또는 베를리너 블루 유사체 (Berliner blue analogues) 또는 프러시안 블루 (Prussian blue)입니다.

나트륨 층상 산화물은 높은 부피 에너지 밀도를 제공합니다. 이들은 수백 사이클에 걸쳐 평균 셀 전압 3.1V를 달성하고 중량 에너지 밀도는 500 Wh/kg에 이를 수 있습니다. 그러나 많은 층상 산화물의 빈번한 제한 요소는 시간이 지남에 따라 용량이 감소한다는 것입니다.

반면, 폴리아니온 화합물의 장점 중 하나는 장기 에너지 저장 능력입니다. 테스트에서 이들은 4,000 사이클 후에도 초기 용량의 80 %를 유지할 수 있었습니다. 또한 일부 폴리아니온 화합물은 400–500 Wh/kg의 에너지 밀도를 허용합니다. 폴리아니온 화합물의 주요 단점은 매우 독성이 강한 바나듐을 사용해야 한다는 것입니다.

프러시안 블루 유사체는 알칼리 금속과 비독성이며 지속 가능한 전이 금속을 결합하여 소금이나 알칼리 금속 이온(예: 나트륨 이온)을 효과적으로 전도, 흡수 및 저장할 수 있도록 합니다. 이 양극 재료의 장점은 널리 사용 가능하다는 점과 그로 인해 저비용 생산이 가능하다는 것입니다. 단점은 나트륨 층상 산화물에 비해 낮은 부피 에너지 밀도입니다.

 

음극 및 기타 재료

음극은 일반적으로 LIB에서 사용하는 흑연 대신 하드카본(Hard carbon)으로 구성됩니다. 흑연은 특별한 용매를 사용하지 않으면 나트륨 이온 저장 용량이 낮고 낮은 온도에서나 충전 속도가 증가할 경우 덴드라이트가 형성될 수 있습니다.

나트륨이 실온에서 알루미늄과 전기화학적으로 합금을 형성하지 않기 때문에 음극도 구리 집전체대신 더 저렴한 알루미늄으로 교체할 수 있습니다. 구리 집전체를 사용하지 않기 때문에  0 V 셀 방전을 가능하게 하여 LIB에 비해 중요한 안전상의 장점이 될 수 있습니다.

SIB에서 가장 큰 연구 필요성은 더 나은 전극 재료를 설계하고 이들이 다양한 조합으로 사용될 때의 상호 작용을 이해하는 것입니다. 또한 경질탄소 음극에서 덴드라이트 침착을 억제하고 서비스 수명을 늘리기 위한 고성능 전해질에 대한 연구가 필요합니다.

 

나트륨 이온 배터리의 연구개발과 상업화 로드맵

 

응용제품 및 시장 현황

양극의 설계 및 잔여 셀에 따라 SIB는 다양한 응용 분야에 사용할 수 있습니다. 상대적으로 높은 에너지 용량을 내는 충상 산화물을 사용하는 SIB는 (경량) 전기차를 포함한 여러 용도로 사용될 수 있으며, 폴리아니온 양극은 우수한 장기 저장 응용 프로그램을 가능하게 합니다. 프러시안 블루 양극은 뛰어난 전력 능력을 보여주기 때문에 이 유형은 포크리프트, 전동 공구, 12 V/48 V 시동, 조명 및 차량의 점화 배터리 등에도 적합합니다. SIB를 LFP 또는 납축전지와  비교해 보면  에너지 밀도, 전력 밀도, 저온 동작, 고속 충전 능력 및 총비용 측면에서 유사하거나 더 나은 성능을 보이므로 LFP와 납축전지를 대체할 가능성이 높습니다.

최근 중국 제조업체인 HiNa는 4C로 충전할 수 있는 25 kWh SIB를 장착한 소형 전기차의 프로토타입을 선보였습니다. 또 다른 유망한 경로는 LIB와 SIB 셀을 하나의 시스템으로 결합하여 시너지를 생성하는 것입니다. 이렇게 구성하게 되면 SIB는 추운 지방에서  LIB가 사용가능한 온도가 될 때까지 가열하는 용도로 사용할 수 있으며, 열 폭주가 일어나는 환경에서 SIB의 안정성으로 가능한 연쇄 반응을 차단할 수 있고 높은 고속충전 성능으로 냉각을 줄일 수 있습니다.

 

비용, 자원, 생산 및 공급망

지구의 지각과 물에서 나트륨(Na)의 함량은 각각 28,400 mg/kg 및 11,000 mg/L로, 리튬(Li)의 20 mg/kg 및 0.18 mg/L에 비해 상당히 높은 수준입니다. 따라서 이 원자재의 가용성이 훨씬 높으며, 특히 몇몇 국가에 집중되어 있지 않습니다. SIB는 LIB에 비해 원자재 비용이 낮습니다. 특히 양극 측에서는 비싼 원자재인 코발트와 니켈을 사용하지 않고 음극 집전체로 구리대신 알루미늄을 사용함으로써 상당한 비용 절감 효과를 얻을 수 있습니다. 그러나 LIB대비 에너지 밀도와 셀 전압이 낮기 때문에 kWh당 더 많은 셀을 생산해야 하므로 생산 비용은 증가할 수 있으며 이 비용은 LIB보다 15% 더 높은 것으로 추정됩니다. 생산설비 투자의 경우 SIB는 LIB와 매우 유사하기 때문에 LIB의 설비를 그대로 사용할 수 있습니다.

CATL의 1세대 셀의 총비용은 약 80 USD/kWh로 추정됩니다. 더 높은 규모에 도달하면 이 가격은 약 40 USD/kWh로 더 떨어질 수 있습니다. 그러나 음극재료의 경우 현재 LIB에서 사용하는 흑연보다 더 비싼 하드 카본을 사용하는 것은 가격에 부정적인 영향을 미칩니다. 또한 하드카본의 비체적 밀도가 낮고 비가역 용량이 높기 때문에 더 두꺼운 코팅과 더 많은 활성 물질이 필요합니다. 전체적으로 SIB 셀의 원자재 비용은 LIB 셀의 약 40–60%로 추정되지만 재료를 어떻게 조합하느냐에 따라 비용은 크게 달라집니다. 

 

지속 가능성

SIB의 재활용은 LIB와 유사하기 때문에 기술적으로 큰 문제없이 가능합니다. 그러나 SIB는 낮은 가치와 저렴한 재료로 구성되어 있어 경제적 관점에서 재활용을 하는 것이 효과적일지 따져봐야 합니다. 대부분의 SIB 유형은 비싼 또는 독성 원료를 사용하지 않지만, 양극에서는 Co, Ni 또는 바나듐이 포함되어 있을 수 있습니다. 그럼에도 불구하고 재활용은 양극보다는 집전체와 셀 케이스를 구성하는 알루미늄, 또는 음극의 하드카본을 고려하고 있습니다. 그러나 이럴 재활용하기 위해서는 많은 양의 이산화황을 발생하는 문제가 있습니다. 
재활용 전략의 미래 개발을 위해서는 먼저 재료와 같은 기술적 측면을 정의한 후 구체적인 재활용 구조를 정의하는 것이 중요합니다.
SIB 생산 시 발생하는 CO2 발자국은 각각의 재료 조성과 생산에 사용되는 에너지에 따라 달라집니다. 그러나 50에서 90 kg CO2 eq./kWh 범위로 제시된 GWP는 대부분의 LIB와 유사합니다. 그러나  일부 SIB의 CO2 발자국이 LIB보다 약간 더 높은 이유는 일부 SIB유형의 에너지 밀도가 낮아 동일한 저장 용량을 구성하기 위해 더 많은 재료가 필요하기 때문입니다. 그러나 구리 포일의 대체와 양극 재료(Co 및 Ni)의 변경으로 인해 SIB의 자원 고갈은 LIB보다 훨씬 낮습니다.

 

출처: Alternative Battery Technologies Roadmap 2030+ (Fraunhofer ISI report)