전기 자동차 이렇게 활성화될 수 있었던 원동력은 이차전지의 발전을 무시할 수 없는데요.
1800년 볼타 배터리가 발견된 이후 2019년 노벨상을 받은 리튬이온 배터리까지 200년이 넘는 기간 동안 여러 산업과 동시에 빠르게 발전하고 있는 배터리 산업이 있습니다. 이와 같은 배터리의 발명 및 발전으로 인류의 생활에 많은 변화를 가져오게 되었습니다.
그러나 현재 리튬이온 배터리의 열폭주 화재 사건처럼 다양한 단점들이 드러나고 있는 상황입니다. 그에 따라 이를 보완할 차세대 배터리들의 필요성이 대두되고 있는 상황입니다.
리튬이온 배터리를 대체할 차세대 배터리 중 하나인 나트륨 배터리에 대해서 알아보겠습니다.
배터리는 무작정 높은 에너지 밀도만을 요구하는 것은 아닙니다. 충전 속도와 용량, 안정성, 가격, 환경영향성 등의 다양한 요소를 복합적으로 필요로 합니다. 현재 각국의 다양한 업체들은 여러 가지 요소를 고려하여 더 나은 방향으로 연구를 진행하고 있습니다.
리튬이온 배터리를 대체할 차세대 배터리의 필요성
현재 배터리 시장을 장악하고 있는 리튬이온 배터리는 가벼운 리튬 금속을 이용하기 때문에 같은 질량 대비 에너지를 많이 담을 수 있어 에너지 밀도가 높고 기전력이 다른 배터리에 비해 3.6 볼트로 높은 값을 가지는 장점이 있습니다.
그러나 리튬이온배터리의 리튬은 한정적인 양의 자원으로서 최근 사용량이 급격히 늘어남으로 인해 21년 올해 만 65% 이상의 가격 상승률을 보였습니다. 향후 전기차의 대중화를 위해 배터리 가격의 경쟁력을 위한 새로운 대안이 필수적이라 하겠습니다.
차세대 배터리를 위해 나트륨이 적합한 물질인 이유
나트륨 매장량은 지구 상에서 여섯 번째로 많은 원소입니다. 그만큼 저렴한 물질이죠. 리튬 매장량의 1000배 정도로 고갈에 대한 걱정이 없어 가격은 30분에 일로 줄일 수 있습니다. 리튬과 같은 1족 알칼리 금속 원소로 반응성이 좋고 배터리 작동원리가 동일하여 현재 리튬 배터리 생산공정을 공유할 수 있다는 장점도 있습니다.
그러나 원자번호 3번인 리튬 대비 원자번호 11번인 나트륨은 상대적으로 무겁기 때문에 에너지 밀도가 낮고, 이온이 크고 무거워 현재 리튬 배터리의 사용하고 있는 음극재료 흑연과 실리콘에 안정적으로 포함(Intercalation)시키기 어렵다는 단점이 있습니다. 따라서 리튬과 다른 이온사이즈로 인해 음극/양극재, 전해질, 분리막의 새로운 설계가 필요합니다.
✔ 인터칼레이션(Intercalation)
- 층 구조를 가진 층상물질에 분자를 가역적으로 포함시키거나 삽입시키는 것으로 흑연 구조 안에 리튬이온을 포함시키듯 나트륨 이온을 삽입하기에 상대적으로 큰 사이즈가 문제가 될 수 있습니다.
CATL의 나트륨전지 상용화 전략
최근 중국의 CATL에서 발표한 내용에 따르면 나트륨 이온 배터리는 에너지 밀도가 부족하지만 리튬인산철(LFP) 배터리와 함께 조립하는 방식으로 해결이 가능하다고 합니다. 또한 배터리 용량의 80%를 충전하는데 15분 정도 걸리는 점과 영하 20도에서 90% 이상 유지가 되는 에너지 밀도의 장점이 있다고 합니다. 2023년 200WH/ kg 이상으로 에너지 밀도를 올려 사용하겠다는 목표도 발표했습니다.
리튬이온 배터리 상용화 이후에도 개선을 위한 연구 개발이 지속되는 점을 볼 때 배터리에 대한 해결해야 할 요소들이 아직도 산적해 있는 것 같습니다.
나트륨 배터리를 포함한 차세대 배터리들이 리튬이온배터리를 대체할 대안이 될 수 있을지 지켜봐야 할 것 같습니다.
'배터리' 카테고리의 다른 글
| 노스볼트(Northvolt) 최근 현황 (0) | 2021.10.11 |
|---|---|
| 배터리 화재에 대해 전문가가 답하다. (0) | 2021.10.10 |
| 포드와 SK이노베이션의 블루오벌시티 (0) | 2021.10.06 |
| 배터리 양산에 실패한 사례들 (0) | 2021.10.01 |
| 충전속도 50배 알루미늄 배터리 (0) | 2021.09.30 |