IT기기에 사용되는 리튬 이온 배터리, 소금배터리로 변한다?!

오늘은 에너지와 관련된 재미있는 이야기를 하나 들려드리려 해요. 바로 세계 전지 시장의 약 80%를 차지하는 리튬 이온 배터리에 대한 것인데요~! 우리 실생활에서 떼려야 뗄 수 없는 필수적인 전자제품인 배터리에 대해 보다 자세히 알아보는 시간을 가지려 해요. 그럼 내용을 함께 살펴볼까요?!

 

리튬 이온 배터리는 IT기기에 주로 사용되는 2차 전지로, 한 번 쓰고 버리게 되는1차 전지에서 한 단계 더 나아간 전지예요. 게다가 현재 세계에서 가장 많이 쓰이고 있는 전지로 손꼽히기도 한답니다. 리튬 이온 배터리는 1999년, LG화학이 처음으로 기술을 연구하기 시작했고 이후 삼성SDI, SK이노베이션 등이 가세하면서 대한민국 기업은 명실상부 세계 배터리 시장을 선도해 나아가고 있어요. 게다가 지난해 하반기부터는 NASA의 우주복에 LG화학의 리튬 이온 배터리가 적용되었고, 한국이 독자 개발한 대형잠수함인 '장보고Ⅲ'에도 삼성SDI의 리튬 이온 배터리를 적용할 예정이라고 해요. 이처럼 리튬 이온 배터리는 스마트폰이나 노트북 등의 IT기기부터 대용량 잠수함에 이르기까지 그 활용도가 매우 넓답니다.

하지만 이러한 리튬 이온 배터리도 장단점을 안고 있답니다. 리튬은 에너지 밀도가 높고 출력이 우수하며, 수명이 길면서 부피나 무게는 가볍기 때문에 배터리 소재로 적합해요. 또, 얇게 만들어도 제 성질을 유지하기 때문에 얇은 스마트 디바이스를 만들 때에도 적합하죠. 하지만 장점만큼이나 단점도 뚜렷한데요, 먼저 배터리의 양극 물질로 쓰이는 니켈이나 코발트, 망간 등의 가격이 비싸 대형화가 어렵다는 점이 있어요. 또, 리튬 이온 배터리의 주 원료인 리튬의 자원이 부족한 반면 수요는 많아 단가가 매우 높답니다. 게다가 안정성이 떨어져 너무 많은 전력을 충전할 경우 발화의 위험을 가지고 있어요.

또, 리튬 이온 배터리는 절대로 0%가 될 때까지는 사용해서는 안 돼요. 이렇게 되면 내부 전극이 손상을 입어 용량, 즉 배터리의 사용 시간이 줄어들기 때문이에요. 때문에 리튬 이온 배터리는 조금씩 사용하고 자주 충전해주는 것이 좋은데요, 이러한 부분이 사용자에게는 다소 아쉽거나 부담스러울 수도 있죠.

게다가 리튬은 양이 적어 원재료 가격이 상승되는 것은 물론, 후에는 수급 대란이 우려되고 있어요. 이러한 이유로 수많은 기업체에서는 에너지 효율이 높으면서도 원소재 고갈이나 가격 변동의 이슈에서 자유로운 새로운 배터리 기술을 연구 중인데요, 그 중 눈에 주목 받고 있는 배터리 중 하나가 바로 소금배터리예요.

소금배터리의 정식명칭은 '소듐 이온 배터리'인데요, 소듐은 원소기호 NA, 원자번호 11의 알칼리금속 원소로 많은 사람들은 독일어식 표기 방식인 '나트륨'이라는 명칭으로 알고 있으나, 대한화학회에서 개정한 공식 명칭은 소듐이랍니다. 소듐은 리튬처럼 1가 이온이어서 화학적 성질이 유사하기 때문에 리튬 이온 전지를 만드는 다른 재료와 호환이 가능하여 대체제로 적합해요. 또, 소듐은 리튬에 비하여 훨씬 저렴한데다 지구상에 가장 널리 분포되어있다는 장점을 지니고 있어요. 리튬은 지구 지각의 0.06%에 불과하나 소듐은 2.6%의 비율을 차지한답니다.

이처럼 소듐은 리튬보다 자원이 풍부하기에 리튬 이온 배터리에서 소듐 이온 배터리로 상용화하게 된다면 리튬 이온 배터리에 비하여 생산 단가를 크게 낮출 수 있어요. 또한, 리튬 이온 배터리는 충전률, 수명, 생산 비용 등에서 한계가 있지만 소듐 이온 배터리는 배터리는 풍력이나 태양광 같은 신 재생에너지를 대량으로 저장할 수 있어 전기차 배터리로도 주목 받고 있답니다.

<현재 연구 중인 소듐 이온 배터리 (출처 : http://hk.on.cc/)>

현재 프랑스 국립과학원(CNRS)은  ‘프랑스 전기화학에너지 저장 네트워크(RS2E2)’로부터 나온 스타트업인 '티아맛(Tiamat)'을 지원하면서 소듐 이온 배터리 개발에 박차를 가하고 있어요. 티아맛은 2년 전 소듐 이온 배터리의 첫 프로토타입을 공개한 뒤 소듐 이온 배터리를 설계, 개발 및 생산하기 위해 설립되었는데요, 티아맛은 현재 수십 개의 프로토타입 버전을 보유하고 있으며 2020년에는 소듐 이온 배터리의 대량 생산 상용화를 준비하고 있답니다.

여기서 첫 프로토타입인 '18650'포맷은 리튬 이온 배터리 산업에서 폭넓게 활용되는 포맷인데요, 하지만 같은 포맷으로 만들어졌음에도 소듐 기반 배터리는 수명이나 충전, 방전율에서 리튬 이온 배터리보다 월등한 성능을 보였다고 해요. 이에 더해 티아맛은 소듐 이온 배터리를 충전과 재충전 시간에 있어 리튬 이온 배터리에 비해 10배 빠른 속도를 낼 수 있도록 설계할 계획이라 해요. 수명 또한 리튬 이온 배터리에 비해 10년 이상의 긴 수명을 자랑할 것으로 예상되어 많은 주목을 받고 있어요.

이러한 맥락에서 소듐 이온 배터리는 전기를 생산하지 않는 신 재생에너지를 대용량으로 저장할 수 있는 전지로 주목 받고 있어요. 또, 전기차용 모바일 저장장치나 충전식 버스 등 아직 개발되진 않았지만 기술 개발의 여지가 큰 분야에서 활용될 가능성도 높답니다. 향후 소듐 이온 배터리 기술로, 미래에는 몇 시간이 아닌, 몇 분 안에 재충전할 수 있는 전기차가 상용화될 것으로도 기대를 모으고 있어요.

이렇게 현재의 배터리 산업을 주도하고 있는 리튬 이온 배터리에 대한 소개와 새롭게 주목 받고 있는 소듐 이온 배터리에 대해 소개해드렸는데 잘 살펴보셨나요? 소듐 이온 배터리의 연구는 리튬 이온 배터리에 비해 전자기기의 단가를 낮추는 데 기여하고 생활의 편의성을 높인다는 점을 뛰어넘어, 에너지 자원 부족 문제를 해결할 실마리를 잡고 있다는 데 큰 의의를 지니고 있어요. 앞으로는 환경을 해치지 않으면서도 지속생산이 가능한 신 재생에너지의 사용화를 목표로 나아가야 하는데요, 소듐 이온 배터리 기술이 이를 위해 나아가는 발판이 되어주었으면 하는 바람이에요. ^^