글/ 캐롤린 마타스(Carolyn Mathas), 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)
1990년대에 출시한 이후 리튬 배터리는 전기 자동차(EV), 휴대폰, 노트북과 같은 '친환경' 애플리케이션을 위한 솔루션으로 자리잡았다. 고에너지 밀도와 효율, 작고 가벼운 패키지에 방대한 양의 에너지를 저장할 수 있는 기능을 갖춘 리튬 배터리는 지금까지 사실상 필수품이 되었다.
(출처: jirawat / stock.adobe.com)
리튬의 환경 장애물
전기차 소비가 증가함에 따라 채굴, 자원 사용, 환경 문제, 심지어 지정학적 현실까지 배터리 활용과 관련된 모든 것을 살펴보는 것이 필수적이다. 예를 들어, 전기차 생산은 배터리에서만 7톤 이상의 CO2e 배출량을 배출한다. 맥킨지 보고서 "전기차 배터리 탈탄소화 경쟁"에 따르면 대형 리튬 이온 EV 배터리는 전기차와 트럭의 총 생산 배출 중 40~60%를 차지하는 가장 큰 내장형 배출원들이다. [1]
리튬은 여전히 이용 가능한 자원이지만, 리튬을 확보하는 것은 환경적으로 어려움을 초래한다. 대중 역학자들은 이 수치를 발표하며 우리가 알고 있는 리튬으로 약 110억 대의 전기차를 생산할 수 있는 충분한 리튬이 있다고 주장했다. [2] 따라서 지구는 우리가 필요한 모든 리튬을 공급할 수 있지만 "반면에 지구에서 리튬을 끌어내는 것은 완전히 다른 이야기다." 리튬과 기타 물질을 땅에서 끌어와 처리할 수 있는 인프라를 구축하는 것은 어려울 것이다. 리튬, 코발트, 니켈을 포함한 유한한 자원 채굴의 환경적 영향부터 음극, 바인더, 전류 수집기, 방대한 양의 배터리 폐기물에 필요한 복잡한 재활용에 이르기까지 리튬의 '친환경성'에 의문이 제기되고 있는 것으로 보인다.
유로뉴스에 따르면 남미의 '리튬 유전'은 우리 전기 미래의 어두운 면을 강조한다. 칠레의 아타카마 염전에서 1톤의 리튬을 생산하는 데 약 220만 리터의 물이 필요하다. [3] 리튬 채굴은 지역 사회로부터 귀중한 수자원을 확보하는 반면, 리튬 생산에 사용되는 증발 연못은 매일 2,100만 리터의 물을 소비한다. 물에 대한 리튬의 의존도는 나트륨 이온이 나트륨 1톤보다 682배 더 많은 물을 추출하는 데 더 적합한 옵션이 될 수 있는 핵심 분야다. [4]
이러한 환경 문제들 외에도 중국과 같은 지역들에서는 리튬을 둘러싼 지정학적 위험들과 글로벌 제조 능력 문제가 있다. [5]
나트륨 이온 배터리의 매력
나트륨 이온 배터리(SIB)의 개발은 여전히 전작인 리튬 이온 배터리에 비해 뒤처져 있다. 그러나 나트륨 배터리에 대한 관심은 증가하고 있다. 나트륨은 리튬보다 1,000배 더 풍부하며 나트륨 이온 배터리는 고출력, 고속 충전, 저온 작동이 특징이다.
나트륨 이온 배터리가 주목받는 이유에는 다음과 같은 여러 가지가 있다:
⦁ 나트륨은 추출 및 정제 비용이 저렴하다
⦁ SIB는 화재 시 유독 가스를 방출하는 것으로 알려진 리튬, 코발트, 구리 또는 니켈을 사용하지 않기 때문에 독성이 적다(즉, 열 폭주 위험이 낮다)
⦁ SIB는 50,000 사이클 이상의 수명으로 고속 충전, 고출력, 극한 온도에서의 안정성이 있다
⦁ 청정 에너지 공급망을 지원하는 연안 지대의 소재로 SIB를 만들 수 있다
⦁ SIB는 고정 및 모바일 애플리케이션을 포함한 다양한 이용 사례들을 다룬다
⦁ SIB는 이미 상용화되어 관심이 폭발적으로 증가하고 있다
그러나 나트륨에는 여전히 단점들이 있다. 나트륨 이온 배터리는 자원 소비는 적지만 일반적으로 리튬 이온 배터리보다 에너지 밀도가 낮고 생산 중에 같은 에너지의 리튬 이온 배터리보다 온실가스를 더 많이 배출한다.
나트론의 접근 방식
2024년 2분기, 나트론 에너지는 미시간주 홀랜드에 위치한 제조 시설에서 미국 최초의 상업적 규모의 나트륨 이온 배터리 생산을 달성했다고 발표했다. 나트론은 더 높은 전력 밀도, 더 높은 사이클, 미국 내 공급망, 독특한 안전 특성을 자랑하며, 시장에 나와 있는 유일한 UL 목록에 등재된 나트륨 이온 배터리다. [6]
해당 규모의 나트륨 이온 배터리 생산을 달성하기 위해서는 Natron이 그들의 3억 달러 규모의 시설을 업그레이드하고 기존 리튬 이온 배터리 제조 라인을 나트륨 이온 배터리 생산으로 전환하는 데 상당한 투자가 필요했다. 또한 Advanced Research Projects Agency-Energy(ARPA-E)는 미개발 잠재력을 갖춘 선도 에너지 기술을 위한 시딩 크리티컬 어드밴스(SEDING Critical Advances for Leading Potential, SCALEUP) 프로그램을 통해 1,980만 달러를 추가로 지원했다. 이 시설은 AI가 확장되고 보편화됨에 따라 증가하는 데이터 센터의 에너지 저장 요구를 해결하는 데 중점을 두고 배터리 출하를 시작했다.
나트론의 이러한 노력은 그들의 공급망이 리튬, 코발트, 니켈 또는 기타 구하기 어려운 광물을 제거함에 따라 리튬 이온이 직면한 환경 및 안전 문제도 해결하고 있다. 대신 알루미늄, 철, 망간, 나트륨 전해질 등 원자재는 불연성 배터리를 의미한다.
Natron Energy는 노스캐롤라이나에 14억 달러 규모의 나트륨 이온 배터리 제조 시설을 건설할 것이라고 발표하며 기술력을 한 걸음 더 발전시켰다. 이 회사는 연간 24GW의 Natron의 SIB를 생산하여 현재 생산 능력을 40배까지 확장할 것으로 예상하고 있다. 노스캐롤라이나 일자리 개발 투자 보조금(JDIG)은 향후 12년 동안 1,000개 이상의 고품질 지역 일자리를 창출하여 주 경제를 34억 달러 성장시킬 것이다. Natron은 특허를 받은 프로이센 블루 전극은 오늘날 그 어떤 상업용 배터리보다 낮은 내부 저항으로 빠르게 나트륨 이온을 저장 및 전송한다고 주장한다.
레이스가 시작되다
나트륨 기반 배터리는 의심할 여지 없이 주목받고 있다. 2022년까지 나트륨 이온 배터리의 에너지 밀도는 10년 전만 해도 저가형 리튬 이온 배터리와 비슷했다.
최근 중국의 배터리 회사와 차량 제조업체들은 고정식 저장소와 전기 자동차 비용을 낮출 수 있는 새로운 나트륨 이온 배터리를 발표했다. 예를 들어, JAC Motors는 세계 최초로 하이나 배터리의 나트륨 이온 배터리로 제작된 차량으로 주행 거리가 최대 245킬로미터(155마일)에 달한다고 주장하는 사진을 공개했다. [7] 중국 최대 전기차 배터리 제조업체인 CATL도 한 달 후 나트륨 이온 배터리를 출시할 계획을 발표하며 그 뒤를 따랐다. [8] 나트론과 달리 두 회사는 배터리의 생산 일정이나 성능 지표를 공개하지 않았다.
리튬 이온 배터리가 조만간 사라지지는 않겠지만, 수명, 전해질 발전, 전극 소재 개선 등과 관련하여 나트륨 이온 기술이 발전하고 있다. 리튬 광산과 처리 시설의 현실로 인해 수요를 따라잡기 위해 분주하게 움직이는 업계의 요구를 해결하기 위한 대안에 대한 요구가 커지고 있다.
참고자료
[4] https://www.bbc.com/future/article/20240319-the-most-sustainable-alternatives-to-lithium-batteries
[5] https://orcasia.org/article/602/chinas-monopoly-over-lithiums-upstream-and-downstream-supply-chain
[7] https://jacmotors.co.za/jac-motors-unveils-worlds-first-sodium-ion-battery-vehicle/
[8] https://www.catl.com/en/news/6013.html
캐롤린 마타스(Carolyn Mathas)는 유나이티드 비즈니스 미디어의 EDN과 EE 타임즈, IHS 360, 아스펜코어 및 개별 기업에서 프리랜서 작가/사이트 편집자로 활동하고 있다. 마타스는 Securealink와 Micrium, Inc.의 마케팅 디렉터였으며 필립스, 알테라, 볼더 크릭 엔지니어링 및 루센트 테크놀로지스에 홍보, 마케팅 및 글쓰기 서비스를 제공했다. 그녀는 뉴욕 공과대학교에서 MBA를, 피닉스 대학교에서 마케팅 학사 학위를 받았다.