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Nikkei Electronics_2021.8 Emerging Tech (p66-71)

나트륨 이온전지의 본격 양산
정치형 축전지로는 주역 급으로

거의 무궁무진하다고 할 수 있는 나트륨(Na) 이온을 사용하는 ‘나트륨 이온 2차 전지(NIB)’의 본격적인 양산이 조만간 시작될 것으로 보인다. 높은 출력 밀도와 더불어 잠재적으로는 에너지 밀도에서도 리튬(Li) 이온 2차전지를 뛰어넘을 정도로 높다. 정치형 축전지의 경우 비교적 이른 시기에 주역의 자리에 앉을 가능성도 나왔다.

“사실인지 아닌지 아직 모른다”. NIB의 연구자는, 이 분야의 연구자나 업체에게 충격이 주었던 2021년 5월의 뉴스에 대해 이렇게 이야기한다. 2021년 5월의 뉴스란, 세계 최대 리튬 이온 2차전지(LIB) 제조업체인 중국 CATL의 창업자 겸 CEO인 Robin Zeng 씨가 같은 달 21일에 열린 주총에서 “우리가 개발해 온 NIB의 기술이 성숙해지면서 양산이 가능해졌다.

2021년 7월에라도 NIB 제품을 출하한다”라고 말했다는 뉴스가 중국 국내외에서 보도된 것을 말한다(다만, 이 주주총회의 투자가 대상 질의응답 의사록을 보면, 전고체 배터리의 개발 상황에 질문이 집중되어 있고 NIB에 대한 발언은 확인할 수 없다. 참고로 전고체 배터리에 대해 CATL은 "아직 극복해야 할 재료와 기술 상의 과제가 많이 남아 있어 실용화 시기를 말할 수 있는 상황은 아니다"라고 대답했다).

그것이 사실이라면, 지금까지 소량의 실용화 사례는 있었지만 아직 궤도에 오르지 않은 NIB 시장에 있어서 큰 임팩트가 있다. NIB에 대한 주목도가 높아져 시장이 급상승할 가능성이 나오기 때문이다.

-- 잠재력은 LIB를 초월 --
“CATL은 지금, 왜 NIB를 이야기할까?” 수많은 중국 미디어의 해설을 보면 중국만이 사정을 엿볼 수 있다. (1)중국에서 제조하는 LIB 전용 리튬염의 ‘국내 자급률’이 20%에 불과하다는 점, (2)악화 일변도의 미중 관계를 배경으로, 리튬염의 안정 공급에 불안이 발생한 점, (3)가까운 장래에 폭발적으로 증가하는 LIB의 수요에 대해, 리튬 자원의 편재가 과제가 될 수도 있다는 점을 들 수 있다. 한편 NIB의 에너지밀도는 150Wh/kg 정도로, 고성능 LIB의 1/2 정도로 낮다.

다만 (4)정치형 축전지에서는 높은 에너지 밀도보다 낮은 비용이 중요해진다. 비용 인하의 여지라는 점에서는 나트륨 이온이 거의 무궁무진한 NIB는 LIB보다 유리하다고 설명하고 있다. 이러한 설명은 NIB의 특징을 적극적으로 평가했다기보다는 리스크 관리라는 측면이 강할지도 모른다. (1)~(4)는 모두 정확한 설명이라고 할 수 있지만 그것이 NIB의 전부는 아니다.

NIB는 LIB와 비교했을 때, (5)출력 밀도를 높이기 쉽다, (6)내열성이 높고, 이용 가능 온도 범위가 넓다, (7)부극 활물질의 용량 밀도가 LIB의 부극보다 30% 이상 높다는 우위성이 있다. 마지막 (7)은 20년 12월에 도쿄이과대학 이학부 제1부응용화학과 고마바(駒場) 교수 연구실이 발표한 새로운 NIB의 강점이다.

-- 두 번째 봄에 피어나다 --
NIB의 실용화를 추진하는 업체도 이미 여럿이다. 10년대 초에 한번 NIB에 대한 일종의 붐이 일면서 여러 벤처기업이 탄생했기 때문이다. 출력 밀도에서는 10분 전후 혹은 그 이상의 초급속 충전을 가능하게 하는 기술도 있다. 이미 전력 계통의 평준화용 정치형 축전지 등 다양한 배터리가 시작(試作)되었고, 일부는 제품화되고 있다.

다만 이러한 업체들에게는 처음 몇 년 동안은 인내의 기간이었던 것 같다. 에너지 밀도 면에서 LIB에 뒤처지면서 시장은 거의 확대되지 않았다. 그러던 것이 18년 무렵부터 다시 투자가의 주목을 받기 시작해 거액의 자금이 모이게 되었다. 예를 들면, 중국 HiNa Battery Technology는 20년에 수십만 위안(수억~10억 엔) 규모의 자금을 투자가로부터 조달. 미국 Natron Energy는 20년에만 지금까지 총 조달 자금의 1/2에 해당하는 약 3,500만 달러(약 39억 엔)를 모았다.

-- 1MWh의 정치형 축전지 등장 --
흐름이 바뀐 이유는 재생가능에너지가 전세계에서 대량으로 도입되면서, 그 출력을 평준화하는 정치형 배터리의 중요성에 대한 이해가 깊어졌기 때문이다.

CATL의 발표에서 중국 미디어가 분석한 바와 같이, 정치형이라면 높은 에너지 밀도가 반드시 최우선 사항이 아니며 오히려 낮은 비용이 중요해진다.

EV용도 포함한 축전지의 대량 도입 시대를 대비해, LIB의 주요 재료인 리튬염의 안정적인 공급에 불안이 따르는 것도 NIB에 관심이 모이는 이유의 하나가 되었다. 리튬염 자원량 자체는 매우 많다. 그러나 그것을 용이하게 채굴할 수 있는 염호나 광산이 한정적이고, 정제 기술도 크게 진보하지 않았다.

한편, NIB의 나트륨 이온은 말할 것도 없이 해수 속에 대량으로 포함되어 있어 사실상 무궁무진하다. 게다가 지역을 가리지 않는다. 조달 비용은 리튬염의 약1/100로 ‘거의 공짜’다.

HiNa는 그러한 니즈의 변화를 재빨리 읽어낸 업체라고 말할 수 있다. HiNa는 19년에는 중국 과학원 등과 공동으로 에너지 용량이 100kWh인 정치형 축전지 등을 제품화했다. 그리고 21년 6월에는 에너지 용량이 1MWh인 정치형 축전지를 개발했다고 발표했다. 현재 세계 최대의 정치형 축전지 유닛은 미국 Tesla의 3MWh의 LIB 컨테이너 ‘Megapack’이지만, 그에 육박하는 규모가 되기 시작했다.

-- 정극과 부극이 같은 재료? --
Natron도 NIB의 제품화가 끝난 상태다. Natron의 NIB의 특징은, 정극과 부극 양쪽에 청색 안료로 알려진 프러시안 블루(PB)를 기본으로 한 활물질을 이용하고 있는 점이다. PB는 칼륨(K) 이온 배터리의 정극 활물질로서도 사용되고 있다. 고가의 금속원소를 사용하지 않기 때문에 제조 및 이용 비용이 낮다. 이용 비용은 1충방전 사이클 당 2센트/kWh로, 미국 에너지부(DoE)가 10년에 내건 전력 계통을 위한 대형 축전지 시스템의 이용 비용 달성 목표치를 크게 밑돈다고 한다.

물론 정확히 말하면 PB라고 해도 정극과 부극에서 완전히 똑같지 않고, 둘 다 PB유사체(PBA)라고 불리는 다른 재료다. 구체적으로는 Natron의 공동창업자 겸 CEO가 저자로 되어 있는 논문에서, 정극이 원래의 PB의 Fe이온 하나를 구리(Cu) 이온으로, 칼륨(K) 이온을 나트륨 이온으로 치환한 Na0.67Cu[Fe(CN)6]0.67・3.8H2O라는 재료라고 추정할 수 있다. 부극은, 전이금속을 Mn 이온으로 치환한 Na1.24Mn[Mn(CN)6]0.81・2.1H2O라는 재료다. 이로써 양극 간에 1.55V의 전위차가 생긴다.

 -- 끝 --