리튬 넘볼 ‘나트륨’ 배터리 나올까…"1차년도 개발 목표 달성"

전구체·음극소재·분리막 등 소재 성과…2028년까지 사업 추진

리튬이온 배터리와 견줄 수준으로 에너지 밀도를 높인 나트륨이온 배터리를 개발하기 위해 정부가 장기 연구개발(R&D) 사업을 추진 중인 가운데, 사업 첫 해인 올해 목표치를 달성한 것으로 나타났다.

현재 주류인 리튬이온 배터리 대비 나트륨이온 배터리의 경우 가격이 저렴하고, 주 원료인 나트륨 매장량이 훨씬 풍부하다는 점이 장점으로 꼽힌다. 에너지 밀도가 크게 떨어진다는 단점 탓에 그 동안 상용화가 더뎠지만, 이런 한계를 극복하기 위한 기술 연구가 전세계적으로 활발히 진행되고 있다.

정경윤 한국과학기술연구원 본부장은 25일 ‘2024 차세대 이차전지 성과공유회’에서 과학기술정보통신부가 추진 중인 차세대 이차전지 사업 중 ‘한계돌파형 4대 차세대 이차전지 핵심 원천 기술 개발 사업’의 일환으로 진행되는 ‘220Wh/kg 급 한계돌파 나트륨이온전지용 고전하 저장 핵심 소재 및 고효율 셀 기술 개발’ 과제 성과 현황을 공유했다.

정경윤 한국과학기술연구원 본부장

통상 나트륨이온 배터리 에너지 밀도가 kg당 160Wh 이하인 데 반해, 현재 전기차 중 보급형 모델에도 탑재되는 리튬인산철(LFP) 배터리조차 웃도는 에너지 밀도를 구현하겠다는 목표다. 정부는 이 과제에 올해 4월부터 오는 2028년 말까지 총 121억1천만원을 투입할 예정이다. LG에너지솔루션, 포스코홀딩스, 엔켐, 천보 등 기업도 참여하고 있다.

정경윤 본부장은 나트륨이온 배터리 성능이 개선돼 향후 ESS 등 경제성이 중요한 분야에서 활발히 보급된다면, 리튬이온 배터리 대비 30~40% 가량 저렴한 가격을 형성하게 될 것으로 내다봤다. 또 리튬 매장량이 일부 지역에 편중돼 있어, 향후 자원의 무기화 흐름에 대비하기 위해서라도 고(高)에너지 밀도 나트륨 배터리 기술 확보가 필요하다고 소개했다.

과제 참여 사업자와 기관들은 연구 목표 달성을 위해 ▲양극소재 ▲음극소재 ▲전해질소재 ▲분리막소재 별 기술 연구를 진행하게 된다. 이에 따라 오는 2026년까지는 kg당 180Wh, 이후 2028년 말까지 kg당 220Wh 수준의 에너지 밀도를 구현하겠다는 계획이다.

1차년도인 올해는 약 7개월간 연구를 거쳐 니켈철망간(NFM) 등 고에너지밀도 신규 양극소재를 개발한 점 등을 핵심 연구 성과로 소개했다. 음극소재 측면에선 콜타르 피치 기반 탄소 음극소재 합성 및 나트튬 금속을 음극으로 사용하는 연구를 진행했다. 안정적이면서고 고전압에 고이온전도성을 지닌 신규 전해질 기술 개발도 추진됐다. 나트륨이온 배터리에 맞게 젖음성과 열 안정성이 확보된 분리막도 개발을 마쳤다.

올해 개발된 기술들을 토대로 프로토타입 코인형 배터리셀을 제작해 성능을 평가한 결과, 에너지 밀도는 kg당 145Wh 수준으로 나타나 올해 목표치인 kg 당 140Wh를 넘겼다.

정 본부장은 “해당 수치는 에너지 밀도 고도화를 위한 최적화 과정 없이 개발된 소재들을 모아 성능을 확인해본 수준”이라며 “밀도 측면에선 더 나아가야 할 부분이 많이 있지만, 안정적인 충방전이 이뤄지는 등 어느 정도 의미 있는 결과가 나왔다고 볼 수 있다”고 첨언했다.