최근 전기차와 ESS(에너지저장장치) 등 미래 에너지 산업이 빠르게 성장하면서 이차전지소재 산업도 변화의 바람이 불고 있습니다.
기존 소재 조합을 뛰어넘는 새로운 소재들이 속속 등장하면서 현재 상용화된 소재를 대체할 세대교체의 조짐까지 보이는 건데요!
그렇다면 지금 가장 주목받는 이차전지소재에는 어떤 것들이 있을까요?
이번 편에서는 새롭게 떠오르는 이차전지 소재들을 한눈에 정리하고, 그 중심에서 포스코그룹이 어떤 전략을 펼치고 있는지,
포스코경영연구원 박재범 수석연구원과 함께 알아보겠습니다. 지금 바로 만나보시죠!
여러분, 현재 가장 널리 상용화된 이차전지가 무엇인지 아시나요? 바로 ‘리튬이온 배터리’입니다. 지구상에서 가장 가벼운 금속인 리튬을 활용해 만든 리튬이온 배터리는, 가벼운 무게와 높은 에너지 밀도, 그리고 수명이 길다는 강점을 바탕으로 스마트폰, 노트북, 전기차, ESS(에너지저장장치) 등 다양한 분야에서 폭넓게 사용되고 있죠. 그런데 최근에는 이 리튬이온 배터리를 대체할 차세대 신흥 강자로 ‘나트륨이온 배터리’가 새롭게 주목받고 있습니다.
나트륨이온 배터리는 리튬이온 배터리와 작동 원리나 소재 구성 면에서 꽤 비슷합니다. 두 배터리 모두 충전과 방전을 반복하는 이차전지로, 양극재, 음극재, 전해액, 분리막 네 가지 핵심 소재로 이루어져 있죠. 리튬이온 배터리는 충방전 시 리튬이온이 양극과 음극 사이를 오가며 에너지를 저장하고, 나트륨이온 배터리는 그 역할을 나트륨이온이 대신합니다. 기본적인 원리는 같지만, 이온의 종류와 소재의 차이가 있을 뿐입니다.
그렇다면 나트륨이온 배터리가 최근 들어 주목받고 있는 이유는 무엇일까요? 바로 ‘저온 환경에서의 우수한 성능’ 때문인데요. 리튬이온 배터리 중에서 가장 많이 사용되는 LFP 배터리(리튬인산철 배터리)는 영하 10도만 돼도 성능이 60~70%까지 크게 떨어지는 문제가 있지만, 나트륨이온 배터리는 같은 조건에서도 90% 이상의 성능을 유지할 수 있거든요. 요즘처럼 ‘더 빨리 충전되고, 더 오래 쓸 수 있는 배터리 소재’가 중요한 시대에, 겨울철이나 추운 지역에서도 안정적으로 사용할 수 있다는 점은 나트륨이온 배터리만의 큰 강점이라고 할 수 있습니다.
게다가 나트륨 매장량은 리튬에 비해 압도적으로 많다는 사실! 리튬은 지구상에 한정된 양만 존재하지만, 나트륨은 바닷물과 지각에 아주 풍부하게 분포해 있어요. 리튬의 무려 1000배에 달하는 매장량을 자랑해서 가격이 저렴하죠. 실제로 리튬 가격이 고점을 기록했던 2020~2021년 당시, 리튬보다 훨씬 저렴한 나트륨을 사용하는 나트륨이온 배터리가 큰 주목을 받기도 했답니다. 나트륨이온 배터리는 안정성도 뛰어나서 현재 높은 안정성과 저렴한 가격으로 전기차 시장에서 수요가 많은 LFP 배터리의 강력한 대안으로 떠오르고 있어요.
그런데, 여기서 한 가지 궁금증이 생깁니다. 이렇게 장점이 많은데도 왜 아직 나트륨이온 배터리는 리튬이온 배터리만큼 상용화되지 못한 걸까요?
주기율표를 한번 살펴볼까요? 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K)처럼 같은 세로줄에 있는 원소들을 알칼리 금속으로 분류합니다. 이 원소들은 전기와 열을 잘 전달하는 특성이 있어 이차전지를 만드는 데 활용돼 왔죠. 그중에서도 리튬은 나트륨이나 칼륨보다 전위차*와 전류용량**이 더 뛰어나서 에너지 용량이 높아, 이차전지소재로 가장 적합하다고 여겨져 왔어요. 반면 나트륨이온은 리튬이온에 비해 원자반경이 약 30% 이상 커서 충방전 과정에서 소재의 결정구조에 손상을 줄 수 있다는 단점 때문에 아직 상용화가 더딘 편이죠. 이러한 이유로, 지금까지는 리튬이온 배터리가 가장 ‘널리’ 사용되어 온 것입니다.
*전위차 : 전자가 한 지점에서 다른 지점으로 이동하려는 힘(전압)
**전류용량 : 회로나 장치가 안전하게 흘릴 수 있는 최대 전류의 양(용량)
이처럼 나트륨이온 배터리는 리튬이온 배터리와 비교했을 때 기술적으로나 경제적으로 아직 넘어야 할 벽이 많습니다. 나트륨의 매장량이 리튬보다 더 풍부하다면 가격적인 면에서 훨씬 경쟁력이 있을 거라고 생각하실 텐데요. 실제로는 그렇지 않습니다. 나트륨이온 배터리의 시장 가격은 LFP 배터리보다 무려 14~71%나 더 비싼데요. 이는 배터리의 핵심 소재를 나트륨이온에 맞게 전부 새로 개발해야 하기 때문이라고 해요. 특히 음극재로, 기존의 천연/인조 흑연계보다 3~4배 비싼 하드카본을 써야 하죠. 음극재뿐 아니라 다른 소재들도 추가적인 개발과 그에 따른 비용이 필요합니다. 따라서 나트륨이온 배터리가 리튬이온 배터리의 가격 경쟁력을 따라잡으려면 앞으로 시간이 더 필요할 것으로 보입니다.
그래도 긍정적인 점은, 이론적으로는 나트륨이온 배터리에 들어가는 소재들이 더 저렴하기 때문에, 소재 개발이 활발해지고, 공급망이 잘 갖춰진다면 LFP 배터리보다 더 저렴해질 가능성도 충분히 있다는 건데요. 그렇게 된다면 저가형 전기차나 전기 오토바이·자전거, 그리고 가격에 민감한 ESS 시장에서도 나트륨이온 배터리가 널리 쓰이는 날이 머지않아 올 수 있을 것으로 기대합니다!
단, 관건은 ‘수명’입니다. 만약 나트륨이온 배터리의 수명이 LFP 배터리보다 짧다면, 교체 주기가 빨라져서 아무리 초기 설치 비용이 저렴해도 잦은 교체로 인해 장기적으로는 더 큰 비용이 들 수밖에 없을 테죠. 나트륨이온 배터리의 수명은 사용되는 양극재에 따라 달라지기 때문에, 현재도 다양한 연구가 활발하게 진행되고 있습니다. 앞으로 나트륨이온 배터리가 어떤 경쟁력을 갖춰서 리튬이온 배터리를 위협하게 될지, 기대해 봐도 좋을 것 같습니다!
LFP 외에도 NCM, NCMA, NCA… 혹시 이런 용어 들어본 적 있으신가요? 금속의 조합에 따라 다양하게 분류되는 양극재의 명칭인데요. 이처럼 시장에서는 계속해서 다양한 종류의 양극재를 개발하기 위한 연구가 활발하게 이뤄지고 있어요. 대표적으로 인산철계(2원계) 배터리인 LFP와 세 가지 금속 원소(니켈·코발트·망간 또는 알루미늄)를 조합해 만든 삼원계 배터리(NCM, NCMA, NCA)가 현재 시장에서 가장 많이 쓰이고 있죠.
LFP 배터리는 가격 경쟁력과 안정성 면에서 뛰어납니다. 하지만 니켈이나 코발트를 쓰지 않다 보니, 에너지 밀도 면에서는 다소 아쉽죠. 삼원계 배터리는 LFP에 비해 에너지 밀도가 높아 고성능 전기차에 주로 사용되고 있는데요. 가격이 비싸고, 코발트 공급이 불안정하다는 점이 단점입니다. 이 두 가지 양극재의 장단점을 절묘하게 보완한 차세대 소재가 바로 LMR(리튬망간리치) 양극재입니다.
LMR은 기존 삼원계 배터리보다 니켈 함량을 대폭 줄이고, 비교적 저렴한 망간의 비율을 높인 소재입니다. 가격은 LFP 배터리와 비슷하지만, 전통적인 삼원계 양극재보다는 훨씬 저렴하죠. 에너지 밀도는 LFP보다 높고, 삼원계보다는 약간 낮아서 두 소재의 중간쯤에 위치한다고 볼 수 있습니다. LFP에 비해 주행거리를 크게 늘릴 수 있을 뿐만 아니라, 안정성이나 수명 면에서도 니켈 함량이 50~60%인 NCM(미드니켈) 양극재와 비교해도 뒤지지 않으니, 시장의 주목을 받는 것도 당연하겠죠!
▲포스코퓨처엠이 세종 기술연구소 파일럿 플랜트에서 LMR 양극재 제품 생산을 테스트하고 있다.
이런 흐름을 타고, 최근 글로벌 완성차 업체들이 잇달아 LMR 배터리를 장착한 전기차 출시 계획을 밝히며, 차세대 배터리 소재 경쟁에 합류하고 있는데요. 지난 5월 13일, GM 社는 2028년부터 LMR 배터리를 채택한 전기차를 출시하겠다고 밝혔고, 포드(Ford) 社 역시 2030년 이전까지 LMR 배터리를 상용화할 계획이며, 2세대 LMR 배터리도 파일럿 생산 중이라고 공식 발표한 바 있습니다. [관련기사 보기]
국내에서는 포스코퓨처엠이 LMR 양극재의 개발 및 상용화를 담당하고 있어요. 포스코퓨처엠은 포스코홀딩스 산하 미래기술연구원과 협업해 LMR 양극재의 에너지밀도와 충·방전 성능, 안정성 등을 꾸준히 개선해 온 결과, 지난해 파일럿 생산에 성공했고, 올해 안에 양산 기술을 확보해 대규모 계약 수주를 적극 추진할 계획이라고요. 향후 인증 절차를 거쳐 전기차에 실제로 탑재하는 시점은 2027~2028년쯤으로 예상한다고 합니다. 앞으로의 행보가 무척 기대됩니다!
나트륨이온 배터리, LMR 양극재 외에도 최근 핫한 배터리 소재가 또 하나 있습니다. 바로 ‘전고체 배터리’인데요. 전고체 배터리는 기존 배터리에 사용되던 액체 전해질을 고체로 대체한 차세대 배터리입니다. 기존 양·음극재의 한계를 개선할 수 있어, 에너지 밀도를 크게 높일 수 있죠. 그뿐만 아니라 외부 충격으로 인한 누액이나 폭발 위험이 적어 안전성 면에서도 주목받고 있어요. 꿈의 배터리라는 별명이 괜히 붙은 게 아니죠!
다만, 아직은 LFP 배터리보다 가격이 많이 비싸고, 기술적으로도 해결해야 할 과제들이 많아 상용화까지는 시간이 더 필요할 것으로 예상되는데요. 하지만 향후 초기 상용화 단계가 안정되고, 대량 생산으로 규모의 경제가 이루어진다면 가격도 점차 개선될 것으로 기대됩니다.
(자료 : 포스코퓨처엠, 포스코경영연구원)
포스코그룹은 이런 흐름에 발맞춰 전고체 배터리 개발에 힘을 쏟고 있는데요. 전고체 배터리에 들어가는 고체 전해질은 현재 포스코JK솔리드솔루션에서 생산 중이며, 황화물계 고체 전해질 생산에 필요한 황화리튬은 포스코홀딩스 산하 미래기술연구원에서 개발을 추진하고 있어요. 또한, 전고체 배터리의 음극 후보 물질 중 하나인 리튬메탈에 대한 연구도 미래기술연구원에서 활발히 진행 중입니다.
지금까지 새롭게 주목받는 이차전지소재 신흥 강자들을 소개해 드렸는데요. 각 소재의 존재감과 특성을 이해하는 데 도움이 되셨기를 바랍니다!
전 세계가 더 완벽한 이차전지를 만들기 위해 차세대 배터리 소재 기술 개발에 앞다퉈 뛰어들고 있는 요즘. 상용화를 위해 해결해야 할 도전 과제들도 아직 많이 남아 있는데요. 포스코그룹 역시 더 멀리 가고, 더 저렴하며, 더 안전한 이차전지소재를 만들기 위해 연구개발과 안정화에 지속적으로 힘쓸 예정입니다. 이차전지소재의 ‘탑 티어’를 목표로 성장해 나갈 포스코그룹의 여정을 앞으로도 쭉 지켜봐 주세요!
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