[김혜란의 배터리 아틀라스] 전고체, 나트륨?…쏟아지는 배터리 종류

[편집자주] '지도책'이란 의미를 지닌 아틀라스의 어원은 그리스 신화에서 나온다. 인간이 사는 이 세계가 무너지지 않고 바로 서 있는 것은 거인신 아틀라스가 땅덩이를 어깨에 메고 있기 때문이다. 최근 배터리는 주요국의 산업을 떠받드는 '거인신'이 됐다. 첨단 산업을 이해하기 위해서는 미래 기술의 가늠자가 필요하고, 배터리는 신산업 지도 역할을 톡톡히 할 것으로 보인다. 배터리 패권을 쥐기 위한 각국의 전략과 갈등 관계, 여기서 파생된 기술 경쟁을 파헤쳐 본다.
 

배터리 작동 원리 [영상=삼성SDI]

LFP(리튬인산철)배터리, 삼원계 배터리, 각형 배터리, 전고체 배터리, 이제는 '나트륨' 배터리까지….

최근 주요국이 국가 경쟁력을 좌우할 핵심 산업으로 배터리를 지목하고 적극적인 육성에 나서고 있다. 

화학전지에는 한 번 사용하면 다시 사용할 수 없는 일차전지와 방전 후 재사용이 가능한 이차전지 등이 있다. 최근 가장 '핫한' 배터리가 바로 이차전지 종류 중 하나인 리튬이온배터리(Li-ion Battery)다. 

현재 전기차에 탑재된 배터리는 모두 리튬이온배터리라고 봐도 무방하다. 배터리를 충전할 땐 양극(+)에 있던 리튬이온이 전자와 분리돼 음극(-)으로 이동한다. 반대로 차가 달릴 때는 리튬이온과 전자가 음극에서 양극으로 다시 넘어오며 전기 에너지가 발생하는 게 기본 원리다. 

이때 언급되는 배터리 종류도 다양한데, 업계 종사자조차 트렌드를 따라가기 어렵다고 할 정도다. 공학적으로는 모두 리튬이온배터리지만, 배터리 4대 구성요소(양극재·음극재·분리막·전해액)에 쓰이는 재료나 배터리 폼팩터(형태)에 따라 불리는 이름이 각양각색이기 때문이다. 바라보는 각도에 따라 한 개의 리튬이온 배터리가 N개의 이름을 가질 수 있는 이유다. 일부 공학자들은 판매 전략으로 쓰인 이런 분류법이 일반 소비자들에게 혼동을 주고 있다고 비판하기도 한다. 

4680배터리가, NCM 배터리이기도 한 까닭

먼저 양극재에 따라 이름이 갈리는 경우가 있다. 니켈, 코발트, 망간 세 물질을 섞어 양극재를 만든 삼원계배터리(NCM)와 리튬인산철을 사용한 LFP가 대표적이다. 

두 배터리의 차이를 살펴보면 NCM은 에너지밀도가 높아 동일 면적 대비 에너지효율이 높다. 배터리가 가장 많이 사용되는 전기차의 경우 주행거리를 늘리고 중량을 낮추는 게 중요하기 때문에 현재까지는 성능과 효율이 높은 NCM이 최적으로 꼽힌다.

반면 LFP 배터리는 값이 싸다는 것이 장점이다. 또 에너지 밀도가 높지 않은 대신 섭씨 350도 이상의 고온에서도 폭발하지 않는 등 안정성이 뛰어나다. 해외 유수의 전기차 제조사가 LFP 배터리를 선택한 건 역시 가격 때문이다. 값비싼 니켈과 코발트 대신 인산철을 사용해 원가를 낮출 수 있다.

리튬메탈배터리는 양극이 아니라 '음극' 소재를 바꾼 신제품이다. 흑연계 음극재를 리튬메탈로 대체해 기존 음극재 무게와 부피를 크게 줄여 에너지 밀도와 주행거리를 대폭 향상시킬 수 있는 것이 장점이다. 최근 중국 정부의 흑연 수출제한 조치로 인해 전 세계적으로 흑연 공급 부족에 대한 우려가 확산하면서 각광을 받기도 했다. 

 

'꿈의 배터리'라는 별칭이 있는 전고체 배터리는 기존의 액체 전해액을 고체로 바꾼 전지다. 고체 전해질을 사용하면 전해액이 밖으로 샐 위험이 사라지고 양극과 음극의 접촉을 방지하는 분리막도 필요하지 않아 배터리 용량을 늘릴 수 있다. 

4대 구성 요소가 아닌 배터리 형태에 따라 새 이름을 갖는 경우도 있다. 현재 판매 중인 배터리는 크게 원통형, 파우치형, 각형으로 나뉜다. 테슬라가 낙점한 '4680 배터리'는 원통형 배터리 중 하나다. 배터리 지름 46mm, 길이 80mm 크기의 원통형 배터리로, 기존 원통형 규격인 18650 배터리보다 에너지 밀도가 5배 높고 제조비용이 낮아 전기차 주행거리를 크게 늘려준다는 장점을 있다. 4680 배터리는 다양한 양극재를 채택할 수 있지만, NCM 등 삼원계 양극재를 쓰는 게 일반적이다. 

 

리튬이온배터리 시대의 종말?

앞선 배터리가 큰 틀에서 리튬이온배터리라는 공통점이 있다 그러나 최근 '전기차=리튬이온배터리'라는 일변도가 깨지기 시작했다.  리튬이온을 대체한 나트륨이온배터리(나트륨 배터리)가 주목받으면서다. 나트륨 배터리의 작동 원리 자체는 리튬이온 배터리와 동일하다. 다만 전하를 이동하는 매개체가 나트륨이라는 점만 바뀌었다. 리튬의 가격은 탄산리튬 기준으로 톤(t)당 약 3만5000달러인데 비해 나트륨은 약 290달러에 불과하다.
 

중국의 리튬 광산 [사진=계면신문·연합뉴스]

이처럼 다양한 종류의 배터리가 쏟아져 나오는 이유는 세계 주요국의 대중국 디리스킹(위험 제거)이 본격화하면서다.  글로벌 기업들이 중국이 독점하고 있는 원소재 시장에서 의존하다, 자구책을 만들지 못하면 미중 갈등으로 역풍을 맞을 수 있기 때문이다. 

전기차 최대 시장이지만 배터리 기술에 있어서는 변방국으로 꼽히던 유럽마저 '탈중국' 배터리 생산에 나설 정도다. 스웨덴의 노스볼트는 최근 중국 의존도가 높은 리튬·니켈 등을 쓰지 않는 나트륨배터리 개발에서 큰 진전을 이뤘다. 페테르 칼손 노스볼트 최고경영자(CEO)는 최근 파이낸셜타임스(FT)와의 인터뷰에서 "중동·아프리카·인도 등에 나트륨배터리가 달린 에너지저장장치(ESS)를 설치해 수백억 달러의 가치를 창출할 것"이라고 말했다.