우리는 리튬 배터리에 크게 의존하고 있지만 대체 배터리가 점점 늘어나고 있습니다.

리튬 배터리는 재활용이 매우 어렵고 생산하는 데 엄청난 양의 물과 에너지가 필요합니다. 새로운 대안은 더 저렴하고 친환경적일 수 있습니다.

호주 야라 밸리(Yarra Valley)에서는 새로운 배터리 기술이 리튬을 사용하지 않고도 호주의 주거용 건물과 상업용 벤처에 전력을 공급하는 데 도움이 되고 있습니다 . 이 배터리는 식염에서 발견되는 나트륨에 의존하며 진정으로 지속 가능한 배터리를 찾는 또 다른 단계가 될 수 있습니다.

전 세계가 빠르게 차량을 전기화하고 재생 가능 에너지를 저장하려고 함에 따라 배터리에 대한 전 세계 수요가 급증하고 있습니다(제공: Getty Images)

 

전 세계가 빠르게 차량을 전기화하고 재생 가능 에너지를 저장하려고 함에 따라 배터리에 대한 전 세계 수요가 급증하고 있습니다 . 일반적으로 전기차에 사용되는 리튬이온 배터리는 재활용이 어렵고 , 추출하는데 막대한 양의 에너지와 물이 필요하다 . 기업들은 세계가 친환경 에너지로 전환하는 데 도움이 될 수 있는 보다 지속 가능한 대안을 필사적으로 찾고 있습니다.

Yarra Valley 유틸리티 회사인 Nation Energie의 나트륨 이온 배터리를 제조하는 영국 기반 배터리 기술 회사인 Faradion의 CEO인 James Quinn은 "나트륨은 리튬보다 훨씬 더 지속 가능한 배터리 공급원입니다."라고 말합니다. Quinn 은 "전 세계적으로 널리 이용 가능합니다. 즉 , 공급원이 더 저렴 하고 추출에 물 집약도가 적다는 것을 의미합니다 ."라고 말합니다. " 1톤의 나트륨을 추출하는 데 비해 1톤의 리튬을 추출하는 데는 682배 더 많은 물이 필요합니다 . 이는 상당한 양입니다."

Faradion의 나트륨 이온 배터리는 이미 전 세계 에너지 기업에서 재생 가능한 전기를 저장하는 데 사용되고 있습니다. 그리고 이는 2020년에 유럽 연합에서 "핵심 원자재" 로 지정한 리튬에 대한 우리의 의존도가 점점 커지고 있는 것에 대한 하나의 대안일 뿐입니다 . 리튬 배터리 시장 규모는 2023년 570억 달러(450억 파운드)에서 2032년 1,870억 달러(1,500억 파운드)로 성장할 것으로 예상됩니다 .

리튬 배터리에 대한 유망한 대안을 찾으려면 우선 무엇이 리튬 배터리를 그렇게 인기 있게 만들었는지 고려하는 것이 도움이 됩니다. 좋은 배터리를 만드는 요소로는 수명, 전력, 에너지 밀도, 안전성 및 경제성 등이 있습니다.

단점도 많습니다. 수명이 끝난 배터리를 재활용하는 것은 여전히 ​​복잡한 과정입니다 . 재활용을 위해 배터리에서 개별 금속을 추출하는 작업에는 금속을 흘린 다음 액체로 분리하여 원하는 금속을 추출하는 작업이 포함됩니다.

"리튬이온 배터리를 재활용하는 것은 새 배터리를 생산하는 것보다 더 많은 에너지와 자원을 소비하는데, 이는 왜 소량의 리튬이온 배터리만 재활용되는지를 설명해준다"고 플로리다 국제대학교 배터리 연구소의 박사후 연구원인 아크사 나지르(Aqsa Nazir)는 말합니다.

칠레와 같은 국가에서 수행되는 것처럼 증발지를 사용한 리튬 추출은 물 발자국이 높습니다 . 연구에 따르면 증발 과정에서 오염 물질이 환경으로 방출되어 잠재적으로 인근 지역 사회에 영향을 미칠 수 있는 것으로 나타났습니다. 광산으로 인한 물 부족은 원주민 공동체의 생계를 위협할 수도 있습니다 . 광산 지역과 원주민 생활 지역이 겹치면서 강제 이주와 조상 마을의 포기도 발생했습니다.

증발 방법의 대안은 호주에서 행해지는 것과 같은 경암 채굴 입니다. 그러나 여기에는 단점이 있습니다. 경암 채굴 중에 채굴된 리튬 1톤당 약 15톤의 CO2가 대기로 배출됩니다.

그렇다면 리튬 이온 배터리에 대한 실행 가능한 대안이 있습니까?

나트륨 이온 배터리

나트륨 이온 배터리에서는 나트륨이 리튬을 직접 대체합니다. 리튬이온 배터리와 달리 나트륨 배터리에는 양극, 음극, 전해질, 분리막이라는 네 가지 주요 구성 요소가 포함됩니다. 전해질의 상태는 제조사에 따라 다릅니다.

지각의 나트륨과 리튬의 비율 은 23,600ppm 에서 20ppm 입니다 . 나트륨이 자연적으로 풍부하기 때문에 추출 비용이 훨씬 저렴해집니다 . 나트륨 배터리의 또 다른 요소는 예를 들어 구리 호일을 알루미늄 호일 로 대체하는 등 다른 저렴한 재료를 사용할 수 있다는 것입니다 .

칠레에서 행해지는 것처럼 증발지를 이용한 리튬 추출은 물 발자국이 높습니다(제공: Getty Images)

호주 Deakin University의 전기재료 및 부식 과학 학과장인 Maria Forsyth는 리튬 배터리에서 나트륨 배터리 생산으로 전환하는 데 드는 비용이 상당히 저렴할 것이라고 말했습니다.

"제조 측면에서는 현재 리튬 이온 배터리를 생산하는 동일한 공장에서 나트륨 배터리도 제조할 수 있기 때문에 전환이 쉽습니다."라고 Forsyth는 말합니다. "이는 생산 규모를 빠르게 확장할 수 있다는 것을 의미합니다.

나트륨 배터리의 한 가지 이점은 운송 중 안전성입니다. Faradion의 CEO인 Quinn은 “나트륨 이온 기술의 독특한 특징은 저장 및 운송을 위해 나트륨을 0V까지 방전할 수 있다는 것입니다. "이는 더 안전한 조건에서 보관하고 운송할 수 있다는 것을 의미합니다." 가연성 위험 수준이 낮기 때문에 리튬 배터리에 비해 더 안전한 옵션이 된다고 Quinn은 말합니다.

그러나 한 가지 단점은 낮은 에너지 밀도입니다. EV 제조업체의 경우 에너지 밀도가 낮은 배터리는 차량의 주행 거리에 영향을 미치기 때문에 문제가 됩니다 . 리튬 배터리의 에너지 밀도는 150~220Wh/kg (킬로그램당 와트시) 인 반면 , 나트륨 배터리의 에너지 밀도 범위는 140~160Wh/kg 입니다 . Meng은 이것이 나트륨 배터리가 장거리 충전이 필요한 EV에 사용하기 위해 상업적으로 확장될 가능성이 적다는 것을 의미한다고 말했습니다.

또 다른 장애물은 나트륨 배터리가 수명 동안 짧은 횟수의 충전 주기만 관리할 수 있다는 것입니다. 현재 나트륨전지는 충전주기가 5,000회 정도인 반면, 인산철리튬전지 (리튬이온전지의 일종) 는 8,000~10,000회 정도 충전이 가능하다. 그러나 연구자들은 이 문제를 해결하기 위해 노력하고 있습니다. 2023년에 중국의 과학자와 엔지니어는 다른 유형의 전극을 사용하여 6,000사이클을 달성했습니다 .

중국의 배터리 기술 회사인 HiNa는 2019년에 100kWh 에너지 저장 발전소를 출시하여 대규모 에너지 저장을 위한 나트륨 배터리의 타당성을 입증했습니다. HiNa는 최근 나트륨 배터리로 구동되는 전기 자동차를 시험하기도 했습니다 .

전고체 배터리

전고체 배터리는 기존 배터리에서 흔히 사용되는 액체 또는 수성 전해질 대신 고체 전해질을 사용합니다. 가장 널리 사용되는 두 가지 유형의 고체 전해질 에는 무기 고체 전해질(산화물 및 황화물)과 고체 중합체(고분자 염 또는 겔 중합체)가 포함됩니다.

고체 전해질을 사용하면 배터리 고장을 일으킬 수 있는 배터리 내부의 나무 같은 구조인 수상돌기 형성 위험이 줄어듭니다. 또한 전고체 배터리는 가연성 위험이 낮고 에너지 밀도가 높으며 충전 주기가 더 빠릅니다 .

그러나 전고체 배터리는 나트륨 배터리보다 빠르게 확장하기가 더 어려울 수 있다고 시카고 대학교 프리츠커 분자 공학 대학의 분자 공학 교수인 Shirley Meng은 말합니다. "나트륨 배터리는 비용이 저렴하고 현재 리튬 배터리 생산 공장에 통합하기가 더 쉽습니다." 2020년 계산 모델을 기준으로 하면 현재 전고체 배터리의 제조 비용도 리튬 이온 배터리보다 높습니다 .

고체 배터리 기술을 발전시키려면 내구성이 뛰어난 고체 전해질을 찾는 것이 필수적입니다. 일부 연구자들은 이상적인 고체 전해질이 아직 발견되지 않았다고 말합니다 . 그러나 콜로라도에 본사를 둔 Solid Power는 최신 리튬 이온 배터리보다 에너지 밀도가 50~100% 더 높다고 주장하는 황화물 전해질 기반 배터리를 설계했습니다 . Solid Power는 2028년까지 솔리드 스테이트 기술을 확장하여 연간 800,000대의 전기 자동차에 전력을 공급하는 것을 목표로 하고 있습니다.

좋은 배터리를 만드는 요소로는 수명, 전력, 에너지 밀도, 안전성, 경제성 등이 있습니다(제공: Getty Images)

전고체 배터리는 현재 박막 형식으로 시판 중이므로 홈 보안 시스템, 스마트 조명 등 웨어러블 전자 장치, "사물 인터넷"(IoT) 장치에 대한 옵션으로 사용할 수 있습니다. 또한 고관절 임플란트 장치인 일리카(llika)의 Stereax M300 과 같은 의료 기기에도 사용할 수 있습니다 .

그러나 이러한 배터리는 일부 소규모 용도로 사용되지만 현재는 대규모 에너지 저장을 위한 옵션이 아닙니다. Meng은 "우리는 현실적이 될 필요가 있습니다."라고 말했습니다. "현재로서는 전고체 배터리가 IoT 및 웨어러블 기기에 적합할 수 있습니다. 그러나 에너지 전환에 기여할 수 있는 전고체 기술의 경우 테라와트시(TWh)의 에너지를 생산할 수 있도록 확장해야 합니다."

리튬-황 배터리

리튬-황 배터리는 리튬 이온 배터리와 구성이 유사하며, 이름에서 알 수 있듯이 여전히 일부 리튬을 사용합니다. 배터리의 양극에는 리튬이, 음극에는 황이 사용됩니다. 리튬 이온 배터리는 음극에 니켈, 망간, 코발트 (NMC) 와 같은 희토류 광물을 사용합니다 .

황은 니켈, 망간, 코발트보다 지각에 더 풍부하며 추출 과정은 자원 집약도가 낮습니다. 또한 천연가스 처리 및 정유의 부산물 이기 때문에 더 널리 이용 가능합니다 . 세계적인 탈탄소화로 인해 향후 수십 년 동안 황 공급이 감소할 수 있지만 미국 에서만 연간 860만 톤의 황이 생산됩니다 .

따라서 이러한 배터리에는 리튬이 포함되어 있지만 황이 풍부하기 때문에 기존 리튬 이온 배터리에 비해 잠재적으로 더 지속 가능한 옵션이 될 수 있다고 Aqsa는 말합니다. "상용화되면 이 배터리는 그리드 저장에 사용될 가능성이 높지만 장기적으로는 모바일 사용도 가능합니다."

리튬-이온 배터리와의 유사성으로 인해 리튬-황 배터리는 상대적으로 생산이 쉽습니다. Nazir는 "동일한 생산 공장에서 제조할 수 있어 새로운 기술 자원에 대한 비용을 절약할 수 있습니다."라고 말했습니다.

 

리튬-황 배터리는 또한 에너지 밀도가 높기 때문에 추가적인 기능적 이점이 있어 더 많은 전력을 생산한다고 Nazir는 덧붙였습니다. "황은 더 많은 전자를 이동할 수 있는 능력을 가지고 있습니다. 리튬-황 배터리는 리튬 이온 배터리보다 에너지 밀도가 9배 더 높습니다."

그러나 이들 배터리는 충전성이 좋지 않은 문제가 있습니다. 수상돌기라고 불리는 나무와 같은 구조가 형성되면 단락 및 배터리 고장이 발생할 수 있습니다. 예를 들어 50번의 충전 주기로 작동하는 프로토타입의 경우 아직 EV에 사용하기에는 적합하지 않습니다.

리튬-황 배터리는 이미 시장에 나와 있으며, 무게가 더 가볍고 단일 충전 시간이 더 긴 배터리가 필요한 장치에 사용됩니다. 2020년 한국 화학기업 LG화학은 리튬-황 배터리를 탑재한 드론 조종에 성공해 배터리가 안정적인 충방전 주기를 갖고 있음을 확인했다. LG화학은 2025년까지 리튬이온 배터리보다 강도를 2배로 높인 리튬- 황 배터리를 양산할 계획이다 . 한편, 독일 배터리 스타트업 테이온(Theion)도 리튬-황 배터리를 전기차에 탑재하기 위해 노력하고 있다 .

한 가지 분명한 것은 단일 배터리 유형이 리튬 이온 배터리 교체에 대한 보편적인 해답이 될 수 없다는 것입니다. 그러나 Forsyth가 지적했듯이 그것은 나쁜 것이 아닙니다.

"모든 배터리에서 리튬을 교체할 필요는 없습니다. 필요한 것은 배터리 기술의 다양화입니다."라고 Forsyth는 말합니다. "어쩌면 하나의 교체품이 아니라 배치하기에 적합한 곳에 배치할 수 있는 대안이 있는 것일 수도 있습니다."