By GREGORY BARBER, WIRED US

50년 전에 이야기한 미래의 배터리는 소듐으로 생산한 배터리였다. 그 이유는 바다의 염분이 높다는 점으로 설명할 수 있다. 소듐은 전자 하나를 내주면서 쉽게 이온화되는 가벼운 원소이다. 배터리에서는 이온이 서로 반대 방향에 있는 충전 플레이트에 앞, 뒤로 이동하면서 전류를 생성한다. 가정이나 차량에 전력을 공급할 유망한 방법이라고 볼 수 있다. 그러나 다른 원소가 소듐 배터리의 전망을 무너뜨렸다. 바로 원소 기호표에서 소듐보다 앞에 있는 리튬이다. 1991년, 소니가 최초로 충전형 리튬이온 배터리를 상용화했다. 당시 소니가 판매한 배터리는 휴대용 비디오 카메라에 전력을 공급하기 충분할 정도로 작고 휴대성이 뛰어났다. 리튬은 소듐보다 가벼우면서 충전 전력 공급이 더 쉬웠기 때문에 리튬을 활용한 배터리 산업이 성장했다. 여러 기업과 연구소 모두 더 좁은 공간에 더 많은 에너지를 공급하려는 경쟁을 펼쳤다. 이때, 소듐은 배터리 개발 노력에서 서서히 잊혀졌다.

따라서 2021년 여름, 세계 최대 배터리 제조사 중 한 곳인 중국 닝더스다이(CATL)가 전기화된 미래의 중요한 역할을 할 존재는 소듐이라고 발표한 사실이 놀라웠다. CATL은 배터리 제조 업계의 여러 경쟁사와 마찬가지로 모든 측면에서 보았을 때, 리튬 기업이다. 그러나 CATL은 2023년부터 전기차에 전력을 공급할 배터리 팩에 리튬 셀과 함께 소듐 셀을 장착하기 시작할 예정이다. 갑자기 소듐을 배터리 소재로 택한 이유는 무엇일까? 아마도 그 한 가지 이유로 CATL 경영진이 리튬보다 소듐 가격이 저렴하다는 사실을 지목한 점, 그리고 저온에서도 소듐이 원활하게 전력 공급을 할 수 있다는 점을 이야기할 수 있을 것이다. 소듐은 1991년, 리튬이온 배터리가 처음 등장했을 당시 상상할 수 없었던 문제로부터 보호막을 제공하는 역할도 한다. 2020년대 말이면 전 세계에는 배터리 원자재가 부족해질 것이다. 리튬뿐만이 아니라 니켈과 코발트 등 금속도 부족해질 전망이다. 실제로 전기화는 여전히 대규모로 이루어지므로 다각화된 전략을 고려할 때이다. CATL 대변인은 와이어드에 소듐 배터리 개발을 10년 전부터 고려했다고 밝혔다.

리튬과 소듐 모두 집중적으로 연구하는 캘리포니아대학교 샌디에이고 캠퍼스의 배터리 과학자인 셜리 멍(Shirley Meng) 교수는 “CATL의 발표는 실제로 소듐을 연구하는 많은 전문가에게 새로운 활력을 불어넣었다”라고 말했다. 소듐을 연구하는 젊은 교수인 멍 교수가 소듐 연구를 시작한 부분적인 이유는 소듐 연구를 계속 진행하기에는 기이한 틈새가 있지만, 소듐 자체를 미래에 활용할 가능성이 있다고 확신하기 때문이다. 멍 교수는 “소듐이 성공할 가장 큰 장벽은 리튬 배터리의 대성공이다”라고 주장했다.

리튬이 극도로 드문 원자재가 아니다. 그러나 리튬은 채굴이 어려운 특정 영역에 집중적으로 매장되었다. 또, CATL 등 배터리 제조사는 주로 호주와 안데스산맥에 밀집한 제한된 수의 광산에서 원자재 공급량을 확보하고자 한다. 그러나 북미 지역에서의 리튬 채굴은 환경 논쟁과 관련성이 있으며, 미국의 공급망 확보 우려를 불러일으킨다. 일론 머스크가 미래 전기차 배터리의 가장 큰 우려 사항으로 언급한 니켈 확보 경쟁은 더 치열하다. 니켈 가격과 공급 제한 때문이다. 전 세계 공급량 70%를 콩고민주공화국 광산 채굴 작업으로 확보할 수 있는 코발트도 마찬가지이다.
 
멍 교수는 더 많은 광산이 개방되면서 전 세계 전기 교통수단의 전력을 공급할 수 있을 정도로 리튬을 충분히 확보할 수 있을 것이라고 말한다. 그러나 차량 이외에 다른 요소까지 전기화하기 위해 대비할 수 있을 정도로 리튬을 확보하지 못할 수 있다. 주로 마이크로그리드의 전력 공급과 태양열 패널 지붕이 어두운 밤에도 전력을 공급할 정도로 리튬을 확보하기는 어렵다. 멍 교수는 소듐 연구를 시작할 때, 전기차 이외에 다른 시설에 전력을 공급할 배터리까지 생산할 정도로 리튬 확보가 어렵다는 사실에 주목했다. 멍 교수는 “모든 이들이 가정에 식량을 보관할 냉장고를 보유할 것처럼 전자로 냉장고에 전력을 공급하게 될 것을 염두에 두었다. 이처럼 모든 제품에 배터리로 전력을 공급하는 것이 그리드 저장소의 진정한 미래라고 생각한다”라고 밝혔다.

소듐은 보통 소다회에서 채굴할 수 있는 보편적인 원소이지만, 기본적으로 해수와 습지의 토탄을 포함해 어디서나 확보할 수 있는 원소는 아니다. 소듐이 매장된 곳과 관련된 정보는 멍 교수의 연구 적용에 제대로 적용됐다. 이온은 리튬보다 조금 더 무겁고 크다. 즉, 차량 중심부와 같이 좁은 공간에 최대한 많은 배터리를 공급하기 어렵다는 의미이다. 파라데이 연구소의 소듐 배터리 계획 총괄인 누리아 타피아 루이즈(Nuria Tapia-Ruiz) 랭카스터대학교 교수는 “소듐 배터리가 실제로 큰 영향을 미칠 수 있는 부분은 그리드이다”라고 말했다. 소듐 배터리는 리튬이온 배터리보다 조금 더 크고 무겁지만, 제대로 장착하기 위해 필요하다는 점에서 크기와 무게는 중요하지 않다.

타피아 루이즈 교수는 그동안 소듐 배터리 연구가 보류된 부분적인 이유는 화학적 안정성 때문이라고 주장한다. 소듐과 리튬 모두 주기율표상 위치가 가깝지만, 화학적 기능이 다르며, 여러 요소와 혼합물과 함께 보이는 반응도 다르다. 소듐으로 전환하려면, 배터리가 충전되면서 에너지를 소모하게 되므로 이온을 포착하고 방출하는 배터리 음극과 양극의 원재료를 개발해야 한다는 의미이다. 한 가지 유독 중요한 문제는 배터리 내부의 화학 반응 때문에 전극의 양쪽에 있는 전해질이 소모돼, 배터리 수명을 줄이거나 폭발할 수도 있는 소듐 금속을 생성할 위험성이 있다는 점이다. 또 다른 문제점은 에너지 밀도가 큰 소듐 배터리에는 다수 리튬 배터리처럼 니켈이 포함된다는 사실이다. 많은 전문가에게는 니켈 제거가 소듐 배터리 개발의 핵심 요소이지만, 성공하기 어렵다. 타피아 루이즈 교수는 “지속 가능성을 지닌 친환경 기술 개발을 원한다면, 니켈을 제거한 소듐 배터리를 개발해야 한다”라고 주장했다.

그러나 지금도 소듐 배터리 개발 연구를 진행 중인 극소수 연구소와 스타트업 모두 최근 수십 년간 연구 성과 측면에서 크게 진전을 거두지 못했다. 캘리포니아에 본거지를 둔 스타트업인 나트론(Natron)은 주로 산업 시설과 데이터 센터에 전력을 추가 공급할 소듐 배터리를 만든다. 나트론은 ‘카나가와의 큰 파도(Under the Great Wave Off Kanagawa)’를 포함한 일부 상징적인 그림에 사용된 초기 합성 색소의 변형 소재인 프러시안 블루(Prussian blue)라는 재료를 전극의 기본 요소로 이용한다. 배터리 내부는 소듐 표준으로 보았을 때도 에너지 밀도가 특별히 높지 않다. 그러나 나트론 판매 부사장 잭 포쳇(Jack Pouchet)은 한 가지 장점으로 ‘현지에서 공급망을 확보할 수 있다는 점’을 언급했다. 소듐과 망간, 철 등과 같은 일반 원소와 함께 캘리포니아주 산타클라라 공장이 배터리 생산에 필요한 모든 요소이다. 에너지 저장량이 부족하면, 배터리를 충전하면서 빠른 속도로 에너지를 소모할 수 있다. 배터리를 충전하고, 충전한 에너지를 빠른 속도로 소모할 수 있다. 넓은 범위에 걸쳐 매우 흥미로운 부분이다. 나트론은 전력 그리드의 공급량이 부족할 때, 신속한 전기차 전력 충전 지원용으로 자사 배터리를 활용할 수 있기를 바란다. 포쳇은 현재 나트론의 샌디에이고에서 전기차 등 여러 기기에 소듐 배터리를 설치할 계획을 추진 중이다.
 
나트론이 약속하는 또 다른 부분은 안전성이다. 포쳇은 호주의 주요 배터리 시설에 발생한 큰 불과 캘리포니아주 내 다른 발전소 과열 문제를 포함한 배터리 저장소 운영 관련 사건 등 그리드 배터리 저장 운영 문제를 지목했다. 화재 위험성이 적더라도 모든 가정에 배터리를 두어야 할 이유를 타당하게 설명하기 어렵기 때문이다. 포쳇은 “개인적으로 집에는 소듐 배터리를 두지 않을 것이다”라고 말하며, 나트론 웹사이트에 등장하는 배터리 팩 손상과 과열 현상을 설명하면서 확실하지 않은 모든 문제는 모두 배제하는 설명 영상을 게재했다.

그러나 일반적으로 소듐 배터리의 안전성은 완벽하지 않다. 멍 교수는 소듐 배터리의 안정성이 특정한 배터리 설계에 달려 있다고 말한다. 정확한 음극과 전해질이 함께 이어져야 하며, 화재 위험성을 없애는 일은 차량 배터리처럼 에너지 밀도가 높은 배터리나 그리드 저장 배터리처럼 장기간에 걸쳐 에너지를 공급하도록 설계된 배터리일수록 더 어렵다.

CATL은 자체 개발한 소듐 배터리 설계가 안전하며, 니켈이 없는 음극을 적용하면서 에너지 밀도를 높였다고 주장한다. 또, CATL의 설명에 따르면, 소듐 배터리는 리튬이온 인산염이나 갈수록 중저가 차량 중심으로 인기를 얻는 LFP 배터리와 비슷하다. 또, CATL은 소듐 배터리를 리튬 배터리 셀과 연결하면서 낮은 에너지 밀도 문제를 보완했다. CATL은 제조 단계에서 소듐과 리튬을 상호 교환할 수 있도록 하는 동시에 리튬과 함께 소듐을 복잡한 대규모 공급망에 포함시키는 것이 목표라고 밝혔다.

멍 교수는 소듐과 리튬 간의 비용 비교는 소듐 배터리 생산량 확대에 달려있으므로 CATL의 목표가 매우 중요하다고 말한다. 소듐 배터리 생산량 확대는 CATL과 같은 대규모 제조사에 달려있다. 천연 자원 관련 시장 상황을 집중적으로 연구하는 컨설팅 기관인 우드 맥켄지(Wood Mackenzie)는 소듐 배터리 생산비가 LFP 배터리 생산비의 40% 수준까지 인하되리라 추산한다. 그 주된 원인은 소듐 비용이 저렴하기 때문이다. 그러나 이는 소듐 배터리 생산량 확대기 이루어졌을 때의 일이다. 우드 맥켄지는 앞으로 수년간 리튬이 배터리 생산 측면에서 장악력을 유지하는 원소로 남아있을 것이라고 예측한다.

멍 교수는 소듐, 그리고 아연과 바나듐을 포함한 리튬의 대체 원소 기술도 미국처럼 대규모 배터리 산업이 없는 국가가 입지를 얻을 기회를 제공할 것이라는 점을 입증했다. 멍 교수는 캘리포니아대학교 샌디에이고 캠퍼스의 다른 여러 연구원과 함께 지금까지 알려진 모든 배터리보다 훨씬 더 안전하면서 에너지 밀도가 높은 고체 나트륨 배터리 제조 기술 개발 계획을 시작했다. 지금은 나아가야 할 길이 멀다. 많은 연구원과 스타트업 모두 고체 리튬 배터리를 상용화하는 데 애먹고 있으며, 지금까지 소듐을 소재로 채택한 배터리 개발은 연구 자금과 관심을 충분히 확보하지 못했다. 그러나 멍 교수는 미래에 소듐 배터리 개발 계획을 구상할 가치가 있다고 주장하며, 다른 연구원, 스타트업과 연구 경쟁을 계속 이어가고 있다. 멍 교수는 “앞으로도 소듐 배터리와 관련된 흥미로운 사실을 더 많이 발견할 수 있을 것이다”라고 말했다.

** 위 기사는 와이어드US(WIRED.com)에 게재된 것을 와이어드코리아(WIRED.kr)가 번역한 것입니다. (번역 : 고다솔 에디터)

<기사원문>
Sodium Batteries May Power Your New Electric Car