위험한 리튬이온 전지의 대체방안, 나트륨 2차전지

리튬이온 배터리 폭발할 위험 있어…

대체제로 나트륨 전지 주목

[객원 에디터 4기 / 김민주 기자] 21세기를 살아가는 대부분의 사람이라면 누구든 전자기기를 이용하고 있을 것이다. 이런 전자기기의 전원으로는 리튬이온 배터리가 사용되고 있다. 스마트폰, 태블릿, 노트북 등의 소형기기뿐만 아니라 전기자동차 등에도 폭넓게 사용되고 있는 리튬이온 배터리는 크기와 두께를 작고 가늘게 만들 수 있으며, 고밀도로 에너지를 저장할 수 있고, 고전압까지 가능하다는 장점이 있다. 그러나 다른 전지에 비해 가격이 높고 과방전 시 용량 감소가 매우 크다. 과충전 시에는 매우 불안정해져 내부 전극에서 쇼트가 나거나 충격으로 인하여 폭발할 위험이 있다. 즉, 리튬이온 전지는 폭발할 위험이 있는 치명적인 단점이 있다.

리튬이온 전지는 음극에서 리튬이온을 저장하고, 충전 시 양극에서 리튬이온을 제공하여 배터리의 기본 성능을 결정한다. 분리막은 양극과 음극이 섞이지 않도록 막아주는 역할을 하고, 전해액은 전자가 직접 통하지 않고 이온만을 이동할 수 있게 해 주어 안전성을 확보한다. 만약 분리막이 없다면 과전류가 되어 배터리가 폭발할 위험이 있는데, 특히 리튬이온 전지는 발열에 약한 소재를 많이 사용하고 있어 분리막의 존재가 매우 중요하다. 그러나 분리막을 두껍게 제작할 시에는 효율이 떨어지는 단점이 있기에 근래 휴대용 기기에 사용되는 리튬이온 배터리는 분리막의 두께가 30μm 이하로 제작되다 보니 폭발될 위험이 존재한다.

이를 보완하기 위해 주목받는 것이 나트륨 전지이다. 리튬이온 전지 대체제로 나트륨 전지를 주목하는 이유는 꽤 단순하다. 나트륨은 리튬과 화학적 성질이 비슷하고 리튬에 비해 매장량이 풍부할 뿐만 아니라 해수에서도 구할 수 있어 경제적인 측면에서 이익을 제공한다. 나트륨 전지는 전력 보존 시간을 길게 해 주어 전지 효율을 높여주지만 리튬보다 3배 이상 무거워 배터리 용량, 에너지변환 효율 등의 성능 저하, 배터리 수명 단축 등의 단점을 가지고 있다. 이를 해결하기 위해서 국내외 많은 연구진은 그래핀과 흑린, 황화구리 등을 활용하여 현재 상용화되고 있는 리튬이온 전지와 비슷하거나 더 나은 수준의 성능을 보여주는 나트륨 전지를 개발하고 있다.

이러한 흐름에 있어서 국제적으로 다수 기업들뿐만 아니라 여러 지자체에서도 나트륨 전지 산업 육성에 힘을 기울이고 있다. 국내에서는 스타트업 기업들을 필두로 나트륨 2차 전지 개발 대열에 합류하고 있다. 배터리 업체인 에너지 11의 경우 하이브리드(반고체) 전해질 기술을 개발하여 상용화를 진행 중이며 이를 통해 화재 및 폭발에 대해 높은 안전성을 지닌 배터리를 개발하였으며 기존 리튬 2차 전지에서 안전성에 가장 큰 영향을 미치는 리튬 덴드라이트 증상을 해결하는 배터리 개발에 성공하였다.