중국 배터리 제조사 CATL이 29일 온라인 간담회를 열고 2023년 나트륨이온 배터리를 공식 출시한다고 밝혔다.
나트륨은 매장량이 풍부하고 안정성이 높아 차세대 배터리 소재로 각광받고 있다. 하지만 리튬에 비해 에너지 밀도가 낮고 무거워 아직까지는 연구개발 단계에 있다.
나트륨이온 배터리의 가장 큰 장점은 저렴한 가격이다. 전세계 나트륨 매장량은 리튬의 1000배다. 가격은 30분의 1밖에 되지 않는다. 리튬 가격이 나날이 오르고 있는 것을 고려하면 가격 차이는 더 커질 전망이다. 전기차 가격의 30% 가량을 배터리가 차지하고 있는 만큼 배터리 원자재의 가격을 낮으면 경쟁력을 크게 높일 수 있다.
나트륨이온 배터리가 싼 가격에도 불구하고 전기차 배터리의 주력 소재로 자리잡지 못한 이유는 낮은 에너지 밀도 때문이다. 나트륨(1165mAh/g)의 에너지 밀도는 리튬(3829mAh/g)의 3분의 1도 안 된다. 셀당 평균 전압도 3V 수준으로 리튬이온 배터리(4.2V)보다 낮다.
또, 나트륨 원자는 리튬 원자보다 부피가 2.4배나 크다. 이동 속도가 느리고 무겁다. 그래서 나트륨 원자 크기에 맞는 배터리 소재를 따로 개발해야 하는 문제도 있다.
CATL은 나트륨이온 배터리의 에너지밀도를 현재의 160Wh/kg에서 리튬인산철 배터리 수준인 200Wh/kg 이상으로 25%만큼 끌어올리겠다고 말했다.
구체적으로 현재 시판중인 전기차와 비교하면 어느정도 수준일까. 현대 아이오닉5 롱레인지 전기차의 경우 SK이노베이션의 NCM811 배터리가 들어갔다. 아이오닉5의 배터리 용량은 72.6kWh다. 파나소닉 리튬이온 배터리가 장착된 테슬라 모델 S는 60kWh다.
CATL의 리튬인산철(LFP) 배터리를 탑재한 테슬라 모델 3 스탠다드 플러스는 55kWh다. 만약, 같은 차종에 리튬인산철 대신 나트륨이온 배터리를 탑재했다면 배터리 용량은 단순 계산으로 25% 감소한 45kWh가 된다.
CATL은 회사가 연구중인 나트륨이온 배터리가 리튬인산철(LFP) 배터리에 비해 에너지 밀도는 약간 낮지만 저온 성능과 충전 속도가 빠르다고 말한다. 구체적으로 배터리의 80%를 15분만에 충전할 수 있으며, -20″C 이하의 낮은 온도에서도 에너지밀도를 90% 이상 유지할 수 있다고 한다.
또, 나트륨이온 배터리가 리튬인산철 배터리와 유사한 구조인 것을 이용해 나트륨이온 배터리 셀과 리튬인산철 배터리 셀을 하나의 배터리 팩으로 통합할 계획이다. 이로 인해 나트륨이온 배터리의 단점인 낮은 에너지 밀도를 보완하고 장점인 저온 성능을 높일 수 있다고 강조한다.
나트륨이온 배터리를 당장 전기차에 사용하기는 어렵지만, CATL가 약속한대로 에너지 밀도가 올라간다면 충분히 경쟁력이 생길 수 있다. 그 수준까지 올라가지 못하더라도 에너지 밀도가 크게 중요하지 않은 에너지저장장치(ESS)나 전기 오토바이 같은 e-모빌리티 분야로도 활용이 가능하다.
CATL은 이날 하나의 배터리 팩에 나트륨 이온 배터리 셀과 리튬인산철 배터리 셀을 동시에 넣겠다고 밝혔다. 이에 대해 광주과기원 신소재공학부 엄광석 교수는 "CATL이 말한 것처럼 두 종류의 배터리 셀을 합쳐 팩으로 만들고 상용화할 수 있을 만큼의 안전성을 갖추는 건 기술력에 달렸다"며 "충분히 가능할 것으로 예상한다"고 말했다.
