나트륨 이온 배터리(Sodium-ion batteries, NIB 혹은 SIB)가 ‘게임 체인지’로서 ‘미래의 배터리’로 명성을 날릴 수 있을까?

중국 전기차(EV) 제조업체인 비야디(BYD)와 화이하이 홀딩 그룹(Huaihai Holding Group)은 소형 전기차용 ‘나트륨 이온 배터리’를 생산하는 세계적인 리더가 되기 위한 파트너십을 발표했다.

중국 EV 산업을 다루는 전기자동차 포털인 CnEVPost가 공유한 보도 자료에 따르면, BYD(=Build Your Dreams)의 자회사 핀드림스(FinDreams)는 지난 6월 ‘화이하이’와 중국에 나트륨 이온 배터리 생산지를 건설하기로 계약을 체결했다.

그 회사들은 “마이크로 차량용 나트륨 배터리 시스템의 세계 최대 공급업체를 공동으로 만드는 것을 목표로 한다”고 발표했다. 이 분야를 주도하기 위한 파트너의 노력은 나트륨 이온 배터리를 생산하기 위한 광범위한 경쟁에서 중요한 발전이 될 수 있다.

대부분의 EV에 사용되는 리튬 이온 배터리의 우세에 도전함으로써, 이 유망한 기술은 언젠가 ▶ EV 비용을 절감하고 ▶ 배터리 제조의 환경적 영향을 개선할 수 있다는 것이다.

전기차 전문 매체인 일렉트렉(Electrek)에 따르면, BYD는 전 세계 EV 판매량에서 테슬라(Tesla)에 이어 두 번째로 많으며, 배터리 제조업체 중에서도 상위를 차지하고 있다.

화이하이는 스쿠터에서 자동차에 이르는 소형 EV의 선도적인 제조업체이다. 전기차 포털 CnEVPost에 따르면, 이 새로운 합작 회사는 BYD가 나트륨 이온 배터리 제조를 시작한 첫 번째 사례라고 한다.

CnEVPost는 BYD가 결국 올해 중국에서만 출시된 저가의 보급형 전기차 씨걸(Seagull EV)에 ‘나트륨 이온 배터리’를 사용할 계획이라는 확인되지 않은 보도 나오고 있다.

리튬 EV 배터리는 부분적으로 높은 에너지 밀도, 즉 기본적으로 파운드당 저장 전력이 더 높기 때문에 선호되고 있다. 하지만 정제된 리튬은 비싸고 공급과 가격 변동의 영향을 쉽게 받다.

나아가 리튬 추출의 영향은 석유 및 가스에 비해 상당히 낮지만, 리튬 채굴은 환경적 비용이 드는 편이다. 그러나 ‘나트륨’은 ‘리튬’보다 저렴하고 널리 이용 가능하다.

미국의 전기차 전문 매체인 클린 테크니카(CleanTechnica)에 따르면, 나트륨 배터리는 리튬 배터리보다 에너지 밀도가 높지 않지만, 저온에서 더 잘 작동하고, 더 많은 충전/방전 사이클을 처리할 수 있는 장점이 있다.

또한 배터리용 나트륨 처리는 여전히 개발 중이지만 환경 친화적일 가능성이 있.다는 분석이다. BYD의 경쟁사인 CATL을 포함하여 여러 회사가 리튬 배터리에 투자하기 시작했다. CATL은 자사의 “나트륨 이온 배터리”가 자동차 제조업체 체리(Chery)가 머지않아 출시 예정인 차량에 사용될 것이라고 발표했다고 CnEVPost가 전했다.

BYD와 Huaihai의 협업은 초기 단계에 있으며, 소형 EV로 제한되어 있지만, 관찰자들은 이 기술의 장점을 인식하고 있다.

한 일렉트렉의 논평가는 “나트륨은 미래의 배터리가 될 것”이라는 전망을 내놓으면서 “나트륨 이온 배터리는 게임의 판도를 바꿀 수 있을 것”이라고 내다봤다.

한편, 나트륨 이온 배터리(SIB) 개발은 1970년대와 1980년대 초반에 이루어졌으나, 1990년대에 이르러 리튬(Lithium)이온 배터리가 더 많은 상업적 가능성을 보여주었고, 나트륨 이온 배터리에 대한 관심은 줄어들었다. 2010년대 초반에 나트륨 이온 배터리는 주로 리튬 이온 배터리 원자재 비용의 증가로 인해 부활하기 시작했다.

SIB 배터리는 나트륨 함유 물질을 기반으로 하는 음극 , 양극 (반드시 나트륨 기반 물질일 필요는 없음) 및 극성 양성자성 또는 비양성자성 용매 에 해리된 나트륨염을 포함하는 액체 전해질 로 구성된다. 충전하는 동안 나트륨 이온은 음극에서 양극으로 이동하고, 전자는 외부 회로를 통해 이동한다. 방전 중에는 반대 과정이 이뤄진다.

특히 나트륨 이온 배터리는 경쟁 배터리 기술에 비해 몇 가지 장점이 있다. 리튬 이온 배터리에 비해 나트륨 이온 배터리는 ▶ 비용이 다소 저렴하고 ▶ 에너지 밀도가 약간 낮으며 ▶ 안전 특성이 우수하고 ▶ 전력 공급 특성이 비슷하다.

예를 들어 ‘킬로와트시 용량 당 비용’을 보면, 나트륨 이온 배터리는 40~77$(2019년 기준 평균)이지만 리튬 이온 배터리는 2020년 평균 137$로 가격 경쟁력이 상당하다. 체적 에너지 밀도는 SIB는 250~375 W·h/L(프로토타입 기준)이며, 리튬 이온은 200–683W·h/L이다.

또 중량 에너지 밀도(비에너지)를 비교하면, SIB는 75~200 W·h/kg(시제품 및 제품 발표 기준)이며, 리튬 이온 배터리는 120~260 W·h/kg이며, 안전성면에서는 수성 배터리의 경우는 낮은 위험이지만, 탄소 배터리의 경우는 나트륨(Na) 위험 높다. 그러나 리튬 이온 배터리는 고위험이다. 또 재료는 지구상에 나트륨 이온은 아주 풍부하지만 리튬은 부족하다.

그리고 사이클링 안정성에서는 SIB와 리튬 모두 무시할 정도로 자체 방전을 함으로써 안정서은 매우 높으며, 직류 왕복 효율은 SIB가 최대 92%, 리튬은 85–95%로 거의 비슷한 특성을 보이고 있다.