나트륨과 나무로 친환경 배터리 만든다? [고든 정의 TECH+]

현재 전자제품이나 전기차, 에너지 저장 장치(ESS)에 사용되는 배터리의 대세는 리튬 이온 배터리입니다. 리튬 이온 배터리의 높은 에너지 밀도와 적당한 가격 덕분이지만, 그래도 몇 가지 단점이 꾸준히 제기되고 있습니다. 우선 리튬이 풍부한 자원이 아니고 몇몇 국가에 매장량이 편중되어 있습니다. 결국 자원이 한정되어 있다 보니 앞으로 전기차가 대세가 되고 에너지 저장 시스템 수요가 늘어나면 가격이 폭등할 가능성이 있습니다. 두 번째 문제는 화재 위험성입니다. 한 번 열폭주가 일어나면 감당하기 어려운 사고가 날 가능성이 있습니다.

이런 이유로 일찍부터 연구된 대안이 나트륨(소듐) 이온 배터리입니다. 리튬과 성질이 비슷하지만, 훨씬 풍부한 나트륨을 사용하면 자원 고갈 우려도 없고 화재 위험성도 낮기 때문에 일찍부터 연구가 진행됐습니다. 나트륨 이온 배터리의 구조는 리튬 이온 배터리와 거의 동일합니다. 양극재, 음극재, 전해질, 분리막으로 이뤄진 배터리 내부를 리튬 이온 대신 나트륨 이온이 이동하면서 전기화학적 반응을 통해 에너지를 저장하거나 방출합니다.

다만 나트륨 이온이 리튬 이온보다 크다 보니 아무래도 효율은 낮아서 상용화를 위해 에너지 저장 밀도를 올리는 데 오랜 시간이 걸렸지만, 이제는 점차 상업화 단계에 접어들고 있습니다. 나트륨 이온 배터리는 같은 용량의 리튬 이온 배터리보다 좀 더 무거울 순 있으나 가격이 저렴하고 안전성이 높으며 공급 걱정이 없기 때문에 대규모 에너지 저장 장치에 유리합니다.

하지만 리튬 이온 배터리와 마찬가지로 나트륨 이온 배터리도 양극재와 음극재가 필요합니다. 소금에도 들어 있는 나트륨이 아무리 풍부해도 양극재나 음극재가 구하기 힘든 소재라면 대량 생산에 걸림돌이 될 수밖에 없습니다.

이 문제를 극복하기 위해 지난 2022년 유럽 최대의 제지회사인 핀란드의 스토라 엔소(Stora Enso)는 펄프를 제조하고 남는 물질인 리그닌을 원료로 만든 양극재 물질인 리그노드(Lignode)를 선보였습니다. 나무에서 두 번째로 풍부한 성분인 리그닌은 목재의 단단함을 유지하는 데 중요한 역할을 하지만, 종이를 만들 때는 필요 없는 성분으로 버려집니다. 현재까지 리그닌을 재활용하는 가장 대표적인 방법은 소각해서 연료로 사용하는 것입니다.

하지만 리그닌은 매우 튼튼하고 유용한 성질을 가진 물질이라 과학자들은 일찍부터 바이오 플라스틱 소재나 다른 용도로 사용하기 위해 연구해 왔습니다. 스토라 엔소가 리그닌을 이용해 만든 양극재 소재인 리그노드는 가장 비슷한 소재인 흑연과 비교해도 더 빠른 충전 속도를 지니고 있습니다. 유럽 입장에서 보면 중국에서 주로 수입되는 흑연을 쉽게 대체해 공급망을 내재화 할 수 있다는 장점도 있습니다.

본래 리그노드는 리튬 이온 배터리에 사용하기 위해 개발된 양극재 소재이지만, 스토라 엔소는 나트륨 이온 배터리 양극재로도 활용할 수 있을 것으로 보고 관련 기업인 알트리스(Altris)와 협업해 프로토타입 리그노드 나트륨 이온 배터리를 개발한다고 발표했습니다. 이 나트륨 배터리는 양극재로는 리그노드를 음극재로는 프러시안 화이트를 사용하는데, 프러시안 화이트 역시 철, 질소, 산소, 탄소처럼 쉽게 구할 수 있는 소재로 만들어졌습니다. 따라서 다른 나라에서 수입할 필요 없이 유럽 자체적으로 공급망을 구축해서 생산이 가능합니다.

여기까지만 보면 좋은 이야기밖에 없지만, 실제 상용화를 위해서는 갈 길이 먼 게 사실입니다. 리그노드 나트륨 이온 배터리 개발에 성공했다고 해도 경제성이 있으려면 충분한 에너지 밀도와 적당한 가격을 확보해야 합니다. 그리고 실제 양산을 위해서는 리튬 이온 배터리처럼 막대한 투자가 불가피합니다.

화재 위험성과 자원 부족에도 불구하고 리튬 이온 배터리 산업에는 이미 막대한 자본이 투자된 덕분에 수요를 충족시키고도 남는 생산 시설과 공급망이 갖춰진 상태입니다. 나트륨 이온 배터리가 시장에 진입하기 위해서는 여기에 준하는 대규모 투자가 필요합니다. 나트론 같은 일부 스타트업이 나트륨 이온 배터리 생산을 시작했지만, 지금까지 투자된 규모를 생각하면 당분간 리튬 이온 배터리가 대세가 될 수밖에 없는 게 현실입니다.

풍부한 자원과 친환경, 공급망 내재화 등의 가능성을 내세운 리그노드 나트륨 이온 배터리가 배터리 시장을 비집고 들어와 성공을 거둘 수 있을지 앞으로 결과가 주목됩니다.

고든 정 과학 칼럼니스트 jjy0501@naver.com