많은 분들이 리튬이온 배터리를 능가하는 대체제는 왜 안나오는가 에 대해서 궁금해합니다.
그도 그럴게 리튬이온 배터리가 개발된지 벌써 50년이 다되어가고 있는데다 가격이라던지 효율성이라던지 이런 부분에 대한 개선이
우리의 기대에 훨씬 못미치고 있기 때문일 겁니다.
심지어 가격 면에 대해선 앞으로도 그렇게 낙관적이진 않습니다. 물론 현재 테슬라가 기가팩토리를 이용해서 무슨
저글링 찍어내듯이
엄청난 양을
생산하기 시작하긴 했지요(현재 지구상에서 동시간 내에 제일 많이 찍어내는 공장이 되었습니다.) 이렇게 잘만 된다면 규모의 경제 원리를 이용해 가격을 낮출 수 있겠습니다만 문제는 리튬이온 배터리의 핵심재료인 리튬의 가격이 3배 이상 폭등했기 때문입니다. 이렇게 되면 쉽게 내려가지 않을 겁니다.
이 대안을 찾고자 하는 길 중 하나가 바로 나트륨이온 전지의 개발입니다.
이미지 출처: https://spectrum.ieee.org
나트륨이온 전지(Sodium-ion Battery, SIB)는 말 그대로 리튬 대신 나트륨을 이용해서 전기를 충전하고 방전하는 전지입니다. 현재 이 나트륨이온 전지가 리튬이온 전지용으로 많이 쓰이는 18650 규격으로 시제품이 많이 나오고 있는데, 이 나트륨이온 배터리 특징은 바로 아래와 같습니다.
장점
1. 리튬에 비해 채산성이 매우 좋다.
리튬은 희토류 금속에다 생산지가 지구상에 몇 되지 않습니다. 그래서 지정학적 위험도 크지요. 이에 반해 나트륨은 바닷물에서 거의 무한히 캐낼 수 있습니다. 이 말은 가격 면에서도 리튬이온에 큰 장점으로 어필할 수 있지요.
2. 방전 출력이 리튬이온에 비해
1000배
크다.
리튬이온의 가장 큰 단점 중 하나가 순간 방전 출력이 생각보다 낮다는 겁니다. 일정 수준 이상으로 방전시키면 과열되어 폭발할 수 있다고 합니다. 이에 비해 나트륨이온 전지는 리튬이온보다 순간 방전 출력을 1000배 정도 크게 줄 수 있다고 합니다. 이말은 충전도 리튬이온보다 더 빠르게 할 수 있다는 얘기입니다.(이론적으로
10배 빠른 충전
이 가능하다고 합니다.) 이렇게 되면 현재 나오는 전기차보다 훨씬 큰 출력의 전기차를 만든다던지 전기차의 충전을 훨씬 빨리 한다던지 큰 전기 출력이 필요한 다른 산업에 쓰인다던지 이런게 가능할 것 같습니다.
3. 전지 수명이 리튬이온에 비해 7
년정도 길다
.
가장 큰 장점이 아닐까 싶습니다. 현재 리튬이온전지의 수명은 연속사용 기준으로 평균 3~4년정도 된다고 합니다. 이에 비해 나트륨이온 전지는 그보다 7년 더 길게 10년 이상 정도 쓸 수 있다고 합니다. 그러면 안정적인 전기 공급이 필요한 분야에 더 신뢰성있는 서비스를 공급할 수 있게 되겠지요.
이에 반해 단점도 있습니다. 가장 큰 단점은 바로 전력밀도입니다. 현재 리튬이온 전지의 크기 대비 용량에 절반 수준입니다. 이건 화학적으로 봐도 당연한 얘기인데요, 리튬은 지구상에서 세번째로 가벼운 1족(알칼리) 원소이죠.(아아, 새록새록 기억나는 원소기호 외우는 공식... 수헬리베붕탄질산...) 이에 반해 나트륨은 리튬보다 3배 이상 무거운 1족 원소입니다. 전문가들이 하나같이 동의하는 내용 중 하나가 바로 "나트륨이온 전지는 리튬이온의 용량을 영원히 따라갈 수 없을지도 모른다" 입니다. 이러한 점 때문에 휴대폰이나 전기차같은 모바일 기기에 탑재하는 것은 아직 시기상조일수도 있습니다.
하지만 그럼에도 불구하고 이 나트륨이온 전지가 현재 각광받고 있는 이유가 있는데, 바로 나트륨이온 전지가 용량 대비 가격이 리튬이온을 앞질렀기 때문입니다. 앞으로 리튬이온 살 돈의 80%를 주면 같은 용량(무게, 부피 아닙니다. 전력용량)의 나트륨이온 전지를 구할 수 있을 거라고 합니다.(출처: https://news.stanford.edu/2017/10/09/sodium-based-batteries-cost-effective-lithium/) 이렇게 되면 휴대나 이동이 별로 중요하지 않은 UPS나 가정용 혹은 산업용 배터리(테슬라 파워월, 파워팩같은), 태양광발전소 등의 분야에 큰 경쟁력을 가질 수 있게 될 듯 합니다.
그럼 전기차 분야에는 어떻게 적용될까요?
저의 짧은 식견을 대보면 여러모로 전기차 분야에도 긍정적인 영향을 줄 것 같습니다. 현재 리튬이온이 들어가는 비휴대성 기기들에 대체제로 들어가게 되면 그만큼 전기차같은 휴대성 기기들에 더 안정적인 리튬이온 전지의 공급이 가능하겠지요. 다만 가격면에선 대체제로 작용할 것이냐 보완재로 작용할 것이냐에 따라 가격 하락을 유도할지 효과가 없을지에 대해선 장담할 수가 없겠네요.
그렇다고 전기차 분야에 전혀 쓰이지 않을 거라 생각하진 않습니다. 비록 무게나 부피는 더 커지겠지만 전력용량대비 가격면에선 오히려 리튬이온보다 싸기 때문에 저용량 혹은 보급형 전기차에는 적극적으로 탑재되지 않을까 생각합니다. 심지어 리튬이온보다 10배 빠른 충전이 가능해서 200km 달릴 수 있는 전기차를 몇분이면 충전이 가능하답니다. 혹 테슬라의 슈퍼차저보다 10배 빠른 충전이 가능하다 치면 1분이면 충전이 가능하다는 얘기가 될테니 이게 가능하다면
일반 주유소에서 기름 넣는 것처럼
편하게 충전해서 사용할 수 있을 것 같습니다.
글 다 쓰고 보니까 갑자기 '뭐 내일일도 안보이는데 이런얘기가 무슨 의미가 있나' 싶네요 하하;;; 그래도 전기차 분야가 배터리 때문에 발목잡혀 있는걸 보면 좀 안타까워서 나트륨이온 전지가 하루빨리 상용화가 되었으면 하는 바램도 있습니다.
현재 한 스타트업이 바로 이 소듐이온전지를 생산하겠다고 합니다. 제 기대가 생각보다 빨리 실현될 것 같기도 하네요.
여기까지. 막 이미지도 넣고 해서 재미있게 읽을 수 있게 쓰고 싶었는데 왠걸 글만 빼곡하게 재미없게 써버렸네요;;; 제가 화공 전공도 아니고 그냥 관심있는 일반인 정도 지식수준이라 소설도 좀 있고 잘못된 지식이나 정보도 있을 겁니다. 지적 및 비판 환영합니다.
틀린 점 있으면 적극적으로 고쳐주세요.
감사~
(자유)
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