차세대 배터리 개발 종류와 현황(나트륨이온, 전고체, 리튬황 등)

차세대 배터리 개발

차세대 배터리는 원가 절감, 에너지 밀도 향상, 안정성 향상의 세 가지 방향에서 연구개발이 진행되고 있다.

 

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현재 주력인 리튬이온 배터리의 가장 큰 과제는 원가 절감과 에너지밀도 향상, 충전 시간 단축과 화재 및 폭발 위험 경감이기 때문이다.

차세대 배터리 종류

① 나트륨이온 배터리

기존 리튬이온 배터리의 경우 양극재로 리튬과 코발트, 니켈, 망간, 알루미늄 등을 사용하는데 모두 고가의 희귀 금속으로 원가가 높다. 나트륨은 매우 풍부하고 해상과 육상에서 손쉽게 구할 수 있으며 리튬의 2~3%에 불과할 정도로 가격이 저렴하다는 장점이 있다.

추가로 나트륨은 리튬에 비해 반응성이 약해 배터리 안정성이 높으며, 겨울철 등 저온 환경에서 성능 저하 현상이 없다는 장점을 보유하고 있다.

그러나 나트륨 특성상 리튬에 비해 원자 크기가 커서 단위 중량당 저장할 수 있는 에너지 용량이 적고 반응성도 약하다. 즉 에너지 밀도에 있어서 심각한 단점이 있는 것이다.

나트륨이온의 배터리는 리튬이온에 비해 에너지밀도가 40~50%에 불과하다. 리튬이온 배터리도 내연기관 자동차에 비해 짧은 주행거리가 단점으로 지적되는데, 이런 분위기에 비추어볼 때 나트륨이온 배터리는 일반적인 자동차 용도로 사용하기에는 한계가 있다.

② 전고체 배터리

전고체 배터리는 리튬이온 배터리의 전해액을 고체로 바꿔 에너지 밀도를 높이고 화재 및 폭발 위험을 줄인 배터리이다. 전고체 배터리는 양극과 음극 사이에서 이온을 전달해 전류를 흐르게 하는 물질인 ‘전해질’을 액체에서 고체로 바꿔 부피를 줄임으로써 에너지 밀도를 높이고, 누액으로 인한 화재 및 폭발 위험을 줄일 수 있다.

전고체 배터리는 긴 주행거리, 짧은 충전 시간, 낮은 저온 환경에서 성능 저하 등 장점이 많다. 리튬이온 배터리에 비해 에너지 밀도가 2배 이상 향상 가능하며 충전시간도 크게 단축될 수 있고 충전량이 갈수록 저하되는 노후화 현상도 완화된다. 겨울철 환경에서 성능 저하 현상도 크게 개선될 수 있다.

 

다만 상용화를 위해서는 해결 과제가 적지 않다. 아직 양산까지는 해결해야 할 과제가 많으며 상용화는 2030년 이후에나 가능할 것이라는 의견이 대다수이다. 국내에서 전고체 배터리 상용화에 가장 앞선 곳은 삼성 SDI로, 이미 샘플 생산에 들어갔으며 2027년 양산을 목표로 한다고 밝혔다.

③ 리튬황 배터리

리튬황 배터리는 음극재로 리튬을, 양극재로 황을 사용한다. 가볍고 이론적으로 기본 용량이 높은 황을 사용해 리튬이온 배터리보다 이론 상 에너지 밀도가 2~5배 높다.

높은 경쟁력에도 불구하고 상용화를 위해서는 역시 연구개발 측면에서 해결해야 할 문제가 많다. 국내에서는 LG에너지솔루션이 가장 적극적이며 2027년 양산을 목표로 박차를 가하고 있다. 업계에서는 2030년 이후 상용화를 기대하고 있다.

④ 금속공기 배터리

양극재로 공기를 사용해 에너지 밀도를 이론 상 10배까지 향상 가능한 꿈의 배터리로 대기 중의 산소를 연료로 사용해 부피와 중량, 원가를 크게 줄일 수 있다.

그러나 현재는 방전 시 생성되는 고체 리튬산화물이 충전 과정에서 원활히 분해되지 않아 전지 효율수명 특성이 떨어지는 단점이 있다. 현재 연구 초기 단계로 상용화에는 매우 오랜 시간이 걸릴 전망이다.