세계 전지 업계는 탈(脫) 리튬-이온 이행 중
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세계 전지 업계는 탈(脫) 리튬-이온 이행 중
  • 박진아 유럽 주재기자
  • 승인 2023.01.04 03:29
  • 댓글 1
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- 소금, 대체 에너지 소재로 급부상
- 소비자용 모바일 디바이스 및 EV 전지에 응용

전기차(EV) 가격, 큰 덩치, 차체 무게의 가장 큰 비중을 차지하는 부품은 다름 아닌 배터리다. 

현재 EV용 배터리는 리튬-이온(Li-ion) 2차 전지가 일반적이나, 전세계 자동차 업계는 이를 대체할 차세대 배터리 기술 개발 경쟁에 한창이다.

Photo: Alex=Pexels.
Photo: Alex=Pexels.

최근 중국 알리익스프레스(AliExpress) 유럽 내 배송난 및 일부 국가(예, 오스트리아) 배송 중단 사태, 코로나19 변이종 확산 방지를 위한 중국 입국자 대상 강도 높은 입국 조치 등 최근 구미(歐美)권과 중국 사이의 지정학적 긴장이 고조되고 있다. 

유럽의 산업국 사이에서 에너지 공급 안전, 경제 안보, 국가 안보 확보를 위해 대중국 경제 의존도를 낮춰야 한다는 경각심 또한 고조되는 분위기다.

아직까지 EV용 리튬-이온 전지에 사용돼온 원료는 중국에서 전량 공급된다. 영국 런던 소재 국제증권관리위원회기구(IOSCO) 감수 가격 보고기관인 벤치마크(Benchmark Mineral Intelligence)에 따르면, 중국은 전세계 코발트의 75%, 리튬 59% 정제 설비를 보유하고 있다. EV 전지 업계의 원료 공급 측면에서 중국 의존도가 높음을 뜻한다.

유럽과 미국의 테크 스타트업들은 미래 전기 구동 모빌리티 시대를 대비, 중국산 희토류(rare earth)를 사용하지 않는 배터리, 그중에서도 특히 소금(또는 나트륨, Na)과 유황(sulfur)을 주원료로 한 저렴한 나트륨-유황(NAS) 전지 개발에 주력하고 있다.

통상 EV용 자동차 배터리 가격은 단위 당 1만~1만 2천 유로(우리 돈 약 1,350~1,600만 원) 가량 한다. 전기차 한 대에 장착되는 수많은 부품들 중에서 가장 비싼 부품이다.

그 전지 가격의 3분의 1은 전지 내부의 음극관(cathode)이 차지한다. EV 전지는 음극과 양극으로 구성돼있는데, 차 주행 시 음극에서 음전하 돼 저장돼있던 입자가 반대편인 양극으로 유입되면서 전기를 방전시켜 연료를 공급하는 원리다.

보통 시중의 EV에는 리튬-니켈-망간-코발트(NMC) 전지 또는 리튬-철-인산(LFP)을 원료로 한 전지가 사용된다. 현재 유럽 시장 내 EV에 주로 장착된 NMC 전지는 LFP 전지 보다 전기 저장력이 우수하나 가격이 비싸다.

나트륨-유황(NAS) 전지 — 소금은 무겁고 유황은 쉽게 부식된다는 게 단점

나트륨과 유황을 이용한 소듐이온 전지 기술은 아직 초창기 단계로 EV용 상용화까지엔 더 많은 연구와 실험이 필요하다. 

유황 전지 기술은 미래 대중 에너지 시장을 주도할 만한 저렴한 핵심 기술이지만 동시에 고난도 기술이기도 하다. 현재 기술 수준으로 NAS 전지는 30차례 방전・재충전 후 부식돼 전지의 충전 수명이 극도로 짧다는 게 가장 큰 문제점으로 지적된다.

또, 소듐-이온 전지 기술의 경우, 주원료인 염화나트륨 원소 — 일반 소금 — 는 무겁고 황은 쉽게 부식한다. 소듐-이온 전지는 비슷한 전력을 저장하더라도 LFP 전지나 NMC 전지에 비해 부피가 월등히 커지고 무거워진다.

그럼에도 불구하고 전문가들은 소듐-이온 전지는 저렴하기 때문에 중국, 인도, 아프리카, 남미 등 제3세계 자동차 시장에서 저가 엔트리 레벨 EV용이나 전력 저장용 고정형 배터리로 유용하다고 평가한다. 태양열이나 풍력 발전을 하는 신재생 전력 생산기업들이 대형 전지에 잉여 전력을 저장하는 데에는 전지의 크기나 무게가 상관없기 때문이다.

전 세계 자동차 제조업체들은 오는 2024년부터 NAS 전지의 성능 실험에 들어가 오는 2027년 즈음이면 상용화에 들어갈 수 있을 것으로 독일의 전지 개발 업체 타이온(Theion)은 예상한다.

Lyten 사가 개발한 리튬-황(Li-S) LytCell™ 전지. 리튬-황 전지는 금속산화물서 발생한 산소를 함유하지 않아 전기차에 더 안전하다. 낮은 탄소배출량, 빠른 충전, 다양한 형태 조형가능성이 장점이다. Courtesy: Lyten
Lyten 사가 개발한 리튬-황(Li-S) LytCell™ 전지. 리튬-황 전지는 금속산화물서 발생한 산소를 함유하지 않아 전기차에 더 안전하다. 낮은 탄소배출량, 빠른 충전, 다양한 형태 조형가능성이 장점이다. Courtesy: Lyten

 

당분간 미국과 유럽의 업체들은 전지 원료로써 리튬 사용도를 가급적 최소화 하는 기술 개발에 우선 집중하는 단계다. 예컨대, 미국의 라이텐(Lyten)과 코나믹스(Conamix), 독일의 타이온(Theion, 노르웨이의 모로(Morrow) 등은 모두 유황 음극 방식 전지를 개발하는 업체들이다. 

리튬-황 전지의 최대 장점인 저렴한 생산비용을 토대로 소비자용 모바일 디바이스와 가전제품에 우선 응용・도입될 가능성이 검토되고 있다.

차세대 EV 전지 이행 과정 — 저렴한 LFP 전지 잠재력 우수

그 사이 자동차 업계는 이미 및 NMC 전지 및 특히 LFP 전지로 전환을 본격화했다.

LFP 전지는 보급형 EV 모델에 주로 사용된다. 일부 테슬라 Model 3는 LFP 전지를 쓰며, 미래 모든 테슬라 차종 표준으로 LFP 전지를 장착할 목표인 것으로 전해진다. 독일 고급 자동차 제조업체 다임러(Daimler)도 2021년 오는 2024년부터 엔트리 레벨 EV차종에 LFP 전기를 장착할 계획임을 밝힌 바 있다.

테슬라 모델 3 일부 차종에 탑재된 각기둥형 LFP 전지. Image source=Youtube capture © Munro Live
테슬라 모델 3 일부 차종에 탑재된 각기둥형 LFP 전지. Image source=Youtube capture © Munro Live

 

박진아 유럽 주재기자  gogreen@greened.kr

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기모노 2023-07-24 09:42:45
cathode는 음극이 아니라 양극아닌가요..?
위에 오타가 있네요 ㅎㅎ