리튬이온 배터리가 전부?…‘게임체인저’될 차세대 전기차 배터리 주목

▲전기차에 탑재된 리튬이온 배터리(사진=AFP/연합)

전기차 캐즘(일시적 수요 정체)에도 장기적으론 글로벌 전기차 시장이 성장세를 이어갈 것으로 전망되는 가운데 배터리 업계에서는 전기차용 리튬이온 배터리를 대체할 차세대 배터리 개발에 열을 올리고 있다. 상용화가 성공되면 그동안 배터리 시장을 장악해왔던 리튬이온 배터리의 대항마로 떠오를 가능성이 있어서다. 전기차 성능 개선으로 캐즘의 돌파구가 될 것이란 기대감도 차세대 배터리 상용화의 또다른 원동력으로 꼽힌다.

25일 배터리 업계에 따르면 나트륨 이온 배터리가 리튬이온 배터리의 유력한 대항마로 꼽히고 있다. 세계 최대 전기차 배터리 업체인 중국의 CATL은 극한 환경에서도 정상적으로 방전될 수 있는 2세대 나트륨 이온 배터리를 내년에 출시할 계획이다.

나트륨 이온 배터리 제조업체 나트론 에너지는 연간 24기가와트(GW)의 배터리를 생산할 수 있는 '기가팩토리'를 지난달 노스캐롤라이나에 설립하기도 했다.

나트륨 이온 배터리는 양극과 음극, 분리막, 전해질로 구성되는 등 리튬이온 배터리와 동일하다. 충전 및 방전 과정에서 전극 사이를 이동하며 전기를 생성하는 역할을 리튬 이온 대신에 나트륨 이온이 하게 된다.

장점으로는 나트륨 이온 배터리의 주재료인 나트륨이 소금의 주성분으로 흔하기 때문에 지구상에서 쉽게 구할 수 있다. 또다른 주요 원재료인 철, 망간 등도 풍부한 만큼 제조원가가 리튬이온 배터리보다 낮다. 또 전기화학적 안정성이 높고 저온에서도 성능 저하가 심하지 않다.

다만 전기차 주행거리와 직결된 에너지 밀도가 낮으며 무게 또한 리튬이온 배터리보다 3배 가까이 무겁다. 따라서 같은 양의 에너지를 저장하려면 더 커져야 하며 무게도 많이 나갈 수밖에 없다. 전비 효율을 따질 수밖에 없는 전기차에선 큰 단점이다.

수명 또한 리튬이온 배터리보다 짧다. BBC에 따르면 리튬인산철(LFP) 배터리는 8000~1만회 정도 충전할 수 있는 반면 나트륨 배터리의 경우 5000회 정도에 그친다.

양극재를 황, 음극재는 리튬을 사용하는 리튬황 배터리도 차세대 배터리로 주목받고 있다. 황은 석유 정제의 부산물로 저렴하고 구하기 쉬워 가격 경쟁력이 높고 가볍기 때문에 배터리의 무게를 크게 줄일 수 있다. 미국에선 매년 860만톤의 황을 생산한다.

에너지밀도가 리튬이온 배터리에 비해 우수하지만 수명이 매우 짧은 점이 단점이다.

그럼에도 업계가 리튬황 배터리를 주목하는 이유는 무게가 가볍기 때문에 고고도무인기, 미래항공모빌리티 등에도 활용될 것으로 기대되기 때문이다. LG에너지솔루션은 지난 10년간 리튬황 배터리 연구개발을 이어왔다.

미국 배터리 스타트업 라이텐은 리튬황 배터리 생산을 늘리기 위해 최근 미국에서 파산보호를 신청한 유럽 배터리 기업 노스볼트의 미국 자회사 큐버그를 인수했다.

글로벌 업계가 앞다퉈 상용화에 만전을 기하고 있는 '꿈의 배터리'인 전고체 배터리도 큰 주목을 받고 있다. 전고체 배터리는 기존 액체 전해질을 고체로 대체함으로써 화재 위험성이 낮은 동시에 에너지 밀도가 높으며 충전속도도 짧다. 상대적으로 전기차 전환에 미온적이였던 일본 도요타, 닛산, 혼다 등 일본 자동차기업들이 2020년대 후반에 전고체 배터리 출시를 위해 총력을 가하는 이유는 성공적인 상용화를 통해 격차를 단숨에 좁히기 위해서다.

다만 리튬이온 배터리에 비해 가격이 비싸 전고체 배터리가 대세로 오르기엔 상당한 시간이 걸릴 것으로 예상된다.

이에 전고체 배터리처럼 높은 에너지 밀도, 빠른 충전속도 등의 장점을 가진 '실리콘 음극재'가 유망한 상용화 기술로 주목받고 있다고 미 경제매체 CNBC는 이달 초 보도했다. 국내 기업들도 음극재를 흑연 대신 실리콘으로 만드는 실리콘 음극재 개발에 뛰어들기 시작했다.

특히 흑연은 중국이 공급망을 장악하고 있어 실리콘 음극재는 중국 의존도를 낮출 수 있는 대안으로도 거론된다. 패스트마켓의 배터리 원자재 애널리스트인 조르지 게오르기에브는 “특히 서방에서는 실리콘 음극재를 중국을 따라잡을 전랴적 기회로 여기고 있다"고 말했다.

다만 생산비용이 비싼 데 이어 실리콘 음극재는 충전과 방전을 반복하면 부피가 팽창해 장기 안정성이 저하된다는 문제점이 있다.

박성준 기자 mediapark@ekn.kr