최근 차세대 배터리 중 하나인 나트륨 배터리에 대한 관심이 매우 높아지고 있습니다. 그 이유는 현재 전 세계 배터리 시장점유율 1위를 갖고 있는 CATL이 전기차에 차세대 배터리를 도입한다는 소식 때문인데요. 이번 포스팅에서는 기존의 리튬이온을 대체한 배터리에 대해 알아보겠습니다.
1. Intro
아래 그림은 2023년 4월 16일 배터리 점유율 1위 업체 중국의 CATL의 홈페이지에 게시된 사진입니다. 해당 내용은 중국 내 자동차 회사인 'CHERY' 사의 전기차에 최초로 나트륨 배터리 (Sodium-ion Battery)를 적용한다는 내용이었습니다.
해당 내용 공개로 인해 많은 주목을 받았는데요. 그렇다면 현재 상용화된 리튬이온배터리와 달리 나트륨 배터리는 어떤 배터리인지 알아보겠습니다.
2. 나트륨 배터리(Sodium ion battery)의 원리
나트륨은 영어로 Sodium으로 불리기 때문에 나트륨배터리는 Sodium ion battery로 정의되어 있습니다. 해당 배터리는 기본적으로 리튬이온배터리와 매우 흡사합니다. 이 두 가지 배터리의 가장 큰 차이점은 배터리에 전류를 인가하는 충전과 전기를 사용하는 방전과정에서 이동하는 이온의 종류가 다르다는 것입니다.
기존의 리튬이온배터리는 리튬 이온이 양극에서 이온상태로 빠져나와 음극에 삽입(Intercalation) 되는 메커니즘을 갖고 있었습니다.
리튬이온배터리의 작동원리 설명 (충전과 방전)
세계적인 전기차 회사 테슬라의 등장으로 인해 전기차의 시대가 시작되었고, 동력원인 리튬이온 배터리가 엄청난 관심과 주목을 받고 있다. 전기차의 핵심부품인 배터리, 현재 상용으로 사용되
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반대로 나트륨은 충방전 과정에서 이동하는 것이 나트륨 이온이 되는 것입니다. 나트륨 이온이 배터리에 적용가능한 것은 원소주기율표와 연관 지을 수 있습니다.
리튬과 나트륨은 주기율표상 1족의 알칼리금속에 해당됩니다. 이온화 시 전자한 개를 잃는 1가 이온형태로 존재하며 (Li+, Na+) 주기율표 특성상 비슷한 성질을 갖고 있습니다. 따라서 기존의 리튬이온배터리와 같이 나트륨에서도 마찬가지로 충전 시 양극의 나트륨이온이 음극으로 이동하고, 방전 시 음극의 나트륨이온이 양극으로 이동하는 반응을 거치게 됩니다.
3. Sodium ion battery의 장점
장점은 가격이 매우 저렴하다는 것입니다. 우리가 흔히 일상생활에서 접하는 소금은 화학명으로 NaCl (염화나트륨)입니다. 즉 나트륨이온과 염소이온이 결합한 형태로 존재합니다. 지구의 대부분을 차지하는 바닷물에는 이러한 NaCl이 다량 존재하고 있습니다. 따라서 정제하기 어려움 리튬에 비해 경제적인 측면에서 장점을 갖고 있습니다.
또한 Na 이온의 반응성이 상대적으로 Li 이온보다 낮기 때문에 배터리 내 안정성이 높은 장점이 있으며, 저온특성이 우수한 것이 특징입니다.
4. Sodium ion battery의 단점
단점은 리튬이온배터리에 비해 에너지밀도가 상대적으로 낮은 것입니다. 그 이유는 Li 이온과 Na 이온의 주기율표에 있습니다. 설명하기에 앞서 주기율표의 가로는 족을 나타내며, 세로는 주기를 나타내는데요.
Li과 Na은 족은 같지만 주기는 서로 다른 특징이 있습니다. 주기율표 특성상 주기가 높아질수록 (주기율표 상 아래단) 입자가 크고 무거워집니다. 따라서 전기차의 핵심 스펙인 부피당 에너지밀도가 리튬보다 상대적으로 낮아지는 단점이 있습니다. (Li ion battery : 650Wh/L, Sodium ion battery : 370Wh/L) 또한 수명 특성에서도 리튬이온배터리보다 낮은 성능을 보이는 단점을 갖고 있습니다.
이번 시간에는 CATL의 공개로 화재가 되었던 Sodium ion battery에 대해 알아보았습니다. 가격경쟁력은 우수하지만, 수명특성 및 에너지밀도가 낮기 때문에 부피당 에너지밀도가 높아야 하는 전기차에는 적용되기 어려워 보입니다. 다만 ESS, 드론 및 다른 전기 디바이스에 적용되면 좋을 것 같다는 것이 제 견해입니다. 긴 글 읽어주셔서 감사합니다. 이상으로 마치겠습니다.
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