중국 CATL, 나트륨 이온 배터리 개발로 탄소중립성 달성

중국의 Contemporary Amperex Technology (CATL)가 자사의 1세대 나트륨이온 배터리와 더불어 AB 배터리 팩 솔루션(나트륨이온 배터리와 리튬이온 배터리를 하나의 팩에 통합)을 공개했다. 나트륨이온 배터리는 기초 과학과 기술 탐색 분야에서 CATL이 거둔 또 다른 성과다. 이는 청정에너지 사용과 운송 전화(transportation electrification)를 위한 새로운 솔루션을 제공하고, 이를 통해 탄소 중립성 목표를 더 빨리 달성하는 데 기여할 전망이다.

나트륨이온 배터리 기술의 병목 현상 해결

탄소 중립성이 전 세계적인 합의를 얻음에 따라, 신에너지 산업은 복잡하고 다각화된 발전 단계로 접어들었다. 점점 분화되는 시장은 차별화된 배터리 요건을 제시한다. 동시에 기초적인 배터리 소재에 관한 연구개발이 세계적으로 가속화되면서, 나트륨이온 배터리 산업화를 위한 양방향 창구가 열렸다.

나트륨 이온 배터리의 작용 기제는 리튬 이온 배터리와 유사하다. 나트륨이온은 양극과 음극 사이를 오갈 수 있지만, 리튬이온과 비교해 부피가 더 크고, 구조적 안정성 및 소재 동적 특성과 관련한 요건이 더 높다. 이는 나트륨이온 배터리 산업화에서 병목 문제였다.

CATL은 여러 해 동안 나트륨 이온 배터리 전극 소재의 연구개발에 전념했다. 음극 소재 측면에서 CATL은 비용량이 더 높은 프러시안 백색 소재를 적용하고, 전자를 재배열함으로써 소재의 벌크 구조를 재설계했다. 그 결과, 물질 순환 과정에서 발생하는 국제적인 급속한 용량 저하 문제를 해결할 수 있었다. 양극 소재 측면에서, CATL은 독특한 다공성 구조를 특징으로 하는 고탄소 소재를 개발했고, 이를 이용해 나트륨 이온의 풍부한 저장과 빠른 운동뿐만 아니라 우수한 주기 성능을 지원했다.

“나트륨 이온 배터리의 제조는 리튬 이온 배터리의 생산 장비 및 공정과 완벽하게 호환되므로, 기존 배터리의 생산 라인을 신속하게 전환함으로써 높은 생산 용량을 달성할 수 있을 것이다.”

화학 시스템에서 거둔 일련의 혁신을 바탕으로 한 CATL의 1세대 나트륨 이온 배터리는 높은 에너지 밀도, 고속 충전 역량, 우수한 열 안정성, 높은 저온 성능 및 높은 통합 효율성과 같은 장점이 있다. CATL 나트륨 이온 배터리 전지의 에너지 밀도는 최대 160Wh/kg에 달하며, 실온에서 15분 만에 80% SOC까지 충전 가능하다. 그뿐만 아니라, -20°C라는 저온 환경에서도 유지율이 90%가 넘고, 시스템 통합 효율성은 80%를 돌파한다.

CATL 나트륨 이온 배터리의 열 안정성은 구동축 배터리의 국가 안전기준을 초과 달성했다. CATL 1세대 나트륨 이온 배터리는 특히 온도가 극단적으로 낮아 우수한 이점이 확실하게 작용하는 지역에서 다양한 운송 전화(transportation electrification) 시나리오에 이용할 수 있다. 또한, 에너지 저장 분야에서 모든 시나리오의 적용 수요에 따라 유연하게 수정할 수도 있다.

소재 기초 연구와 화학 시스템은 매우 중요하다. CATL 회장 Dr. Robin Zeng에 따르면 배터리 화학 시스템에서 더는 획기적 발전이 일어나기는 힘들며 오직 물리적 구조 시스템만 개선 가능할 것으로 생각하는 사람도 있다고 한다. 그러나 전기화학의 세계는 아직도 발견 가능한 미지의 요소가 많은 에너지 큐브와도 같다. CATL은 이와 같은 미스터리를 탐색하는 데 전념하고 있다.

CATL은 첨단 알고리듬과 전산 용량을 적용하는 한편, 심층적인 원칙 이해를 바탕으로 고처리량 계산 플랫폼과 시뮬레이션 기술을 이용해 심도 있는 탐색을 진행한다. 이를 통해 나트륨이온 배터리에 가장 적합한 화학 시스템을 개발하고, 고속 산업화 경로에 진입할 수 있도록 지원하며, 끊임없는 진화를 단행한다. 차세대 나트륨이온 배터리의 에너지 밀도 개발 목표는 200Wh/kg 이상이다.

배터리 시스템 혁신 측면에서, CATL은 배터리 시스템 통합 부문에서 또 다른 돌파구를 마련하고, AB 배터리 시스템 솔루션을 개발했다. 이 솔루션은 나트륨 이온 배터리와 리튬 이온 배터리를 특정 비율로 혼합한 후 하나의 배터리 시스템으로 통합하며, BMS 정밀 알고리듬을 통해 여러 가지 배터리 시스템을 제어한다. AB 배터리 시스템 솔루션은 나트륨이온 배터리의 현 에너지-밀도 부족 문제를 보완하고, 저온에서 높은 전력과 성능 이점을 확장할 수 있다. 이처럼 혁신적인 구조 시스템 덕분에 리튬-나트륨 배터리 시스템을 위한 적용 시나리오가 확장됐다.

나트륨 이온 배터리의 산업화를 도모하는 다차원적인 배치

CATL 연구소 부소장 Dr. Qisen Huang은 “나트륨 이온 배터리의 제조는 리튬 이온 배터리의 생산 장비 및 공정과 완벽하게 호환되므로, 기존 배터리의 생산 라인을 신속하게 전환함으로써 높은 생산 용량을 달성할 수 있을 것”이라고 언급했다. CATL은 나트륨 이온 배터리의 산업적 배치에 들어갔으며, 2023년부터 기본 산업망을 구축할 계획이다. CATL은 업스트림과 다운스트림 고객뿐만 아니라 연구소까지 초청해 나트륨 이온 배터리에 대한 홍보와 개발을 가속화하고 있다.

한편 CATL 회장 Dr. Robin Zeng에 따르면 탄소 중립성으로 인해 TWh급 배터리에 대한 수요가 발생하며 이는 곳 신에너지 산업의 활발한 발전을 도모한다. 적용 수요가 계속 발생함에 따라 다양한 기술 역량을 선보일 기회가 마련됐다는 의미다. 다각화된 기술 경로 또한 업계의 장기적인 발전 안정성을 확보한다는 점에서 주목할만한 대목이다.