차세대 나트륨 배터리, 리튬 이온 기술과 경쟁

시카고대학교 프리츠커 분자공학과 소속의 혁신적인 엔지니어 팀이 성능과 안정성을 향상시키는 새로운 고체 나트륨 배터리 개선 기술을 공개했습니다.¹ 이는 기술적으로 획기적인 도약을 의미하며, 많은 전문가들이 이미 활발한 리튬 이온 배터리 수요를 더욱 증가시킬 것으로 예측하고 있습니다. 알아야 할 사항은 다음과 같습니다.

액체 배터리 vs 고체 배터리

엔지니어들은 더 높은 에너지 밀도와 안정성을 제공하기 위해 더욱 발전된 배터리 설계를 지속적으로 개발하고 있습니다. 현재 리튬 이온 배터리가 업계 표준으로 자리 잡고 있습니다. 이 배터리는 리튬 이온 기반 전해질을 사용하며, 스마트폰, 전기차, 개인용 컴퓨터 등 일상생활에서 흔히 접할 수 있는 기기에 사용됩니다.

이 설계는 효과적이었지만 여러 단점이 있습니다. 우선, 리튬 이온 전해질은 휘발성이 강하고 열 반응성이 높습니다. 이러한 배터리는 과열, 발화 또는 폭발 위험이 있는 셀에 의존합니다. 또한, 셀이 밀집되어 설계되었기 때문에 하나의 셀이 가열되면 주변 셀도 함께 가열되어 열 폭주 현상이 발생할 가능성이 높습니다.

출처 - 타이코런

전고체 배터리(ASSB)

고체 리튬 이온 배터리는 액체 전해질 대신 LiPON, Thio-LISICON, LATP 등의 고체 물질을 사용합니다. 이러한 구조는 열 안정성, 리튬 이온 수송, 에너지 밀도 향상 등 여러 가지 중요한 이점을 제공합니다.

또한, 고체 배터리는 크기와 무게를 줄일 수 있어 드론이나 로봇과 같은 첨단 기술에 이상적입니다. 특히, 이러한 배터리는 기존 배터리보다 충전 속도가 빠르고 수명도 더 깁니다. 하지만 리튬 이온 기반 고체 배터리에도 몇 가지 문제점이 있습니다.

고체 리튬 이온 배터리의 단점

리튬 이온 배터리 설계의 주요 문제점 중 하나는 여전히 가연성 부품을 사용한다는 점이며, 특정 조건에서 이러한 부품이 산소와 격렬하게 반응할 수 있다는 것입니다. 스쿠터에서 배터리가 폭발하는 것도 안타까운 일이지만, 미래에 배터리로 작동하는 항공기에서 배터리에 불이 붙는다면 재앙적인 결과를 초래할 것입니다.

또한 리튬은 희토류가 아닌 알칼리 금속이지만, 공급망이 특정 지역에 집중되어 있고 정제 용량이 제한적입니다. 이러한 병목 현상은 채굴 비용 및 인허가 기간과 함께 가격 변동성을 높이고 공급 부족을 초래합니다.

나트륨 대체재

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위에서 언급한 문제들로 인해 엔지니어들은 리튬 이온 배터리의 대안을 연구하고 찾아왔습니다. 그중에서도 나트륨 배터리가 주목받고 있습니다. 특히 불연성 고체 전해질을 사용하는 나트륨 배터리는 기존 리튬 이온 배터리에 비해 열폭주 위험을 크게 낮춰 전반적인 안전성을 향상시킵니다. 또한 나트륨은 희소 자원이 아니므로 비용이 저렴하고 공급처가 다양합니다.

나트륨 배터리는 리튬 이온 배터리보다 충전 속도가 빠르고 저온 성능이 뛰어납니다. 또한 나트륨은 리튬 이온 배터리 전해액보다 환경에 더 안전합니다. 리튬 이온 전해액은 매립지나 기타 전자 폐기물에서 토양으로 누출될 수 있습니다. 안타깝게도 버려진 전자 제품인 전자 폐기물의 양은 계속해서 증가하고 있습니다. 보고서 2025년 한 해에만 60천만 톤의 폐기물이 매립지에 버려질 것으로 예측됩니다.

오늘날 나트륨 배터리의 문제점

이러한 배터리는 여러 장점에도 불구하고 상용화를 저해하는 몇 가지 제약이 있습니다. 우선 에너지 밀도가 낮아 리튬 이온 배터리보다 부피와 무게가 더 커야 합니다. 또한 상온에서의 성능도 리튬 이온 배터리에 비해 크게 떨어집니다. 이러한 한계를 인식한 엔지니어 팀은 이러한 문제점을 해결하고 리튬 이온 배터리와 동등한 수준의 전력을 제공하는 향상된 나트륨 배터리 설계를 개발했습니다.

나트륨 배터리 성능 향상 연구

공부, 두꺼운 양극을 갖는 전고체 전지용 준안정 클로소하이드리도보레이트 나트륨Joule에 발표된 이 논문은 다양한 온도에서 최고급 리튬 이온 배터리와 유사한 성능을 제공할 수 있는 고체 나트륨 배터리를 만드는 새로운 방법을 소개합니다.
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수소붕산나트륨

연구팀은 나트륨을 이용한 다양한 방법을 연구한 결과, 수소붕산나트륨이 높은 이온 전도도를 유지할 수 있는 준안정 구조를 형성하는 데 적합하다는 결론을 내렸습니다. 이를 위해 연구팀은 먼저 다양한 환경에서 수소붕산나트륨의 준안정성을 확인하기 위해 계산 및 실험 데이터를 수집하고 검증했습니다.

연구진은 널리 사용되는 방법을 활용하여 불안정한 형태의 수소화붕산나트륨을 가열하여 결정 형태로 변환했습니다. 이 연구는 고체 배터리 기술에 이전에는 사용된 적이 없는 접근 방식으로, 결정이 형성된 후 안정성을 확보하기 위해 빠르게 냉각해야 합니다. 구체적으로, 이 전략은 빠른 Na+ 이동성을 가진 직방정계 상을 운동학적으로 고정시킵니다.

O3형 음극

수소화붕산나트륨이 선택된 주요 이유 중 하나는 두꺼운 음극을 사용할 수 있게 해주었기 때문입니다. 음극 두께를 늘림으로써 배터리는 최고 성능을 유지할 수 있었습니다. 이는 비활성 물질을 제거하고 에너지 밀도를 향상시킴으로써 가능합니다. 특히, 음극은 염화물 기반 고체 전해질로 코팅되어 추가적인 안정성을 제공합니다.

나트륨 배터리 성능 향상 테스트

연구팀은 자신들의 이론을 입증하기 위해 여러 차례 실험과 동적 시뮬레이션을 수행했습니다. 그 결과, 음이온 이동 경향과 같은 핵심 요소들이 높은 이동성을 가진 Na+ 이온의 중요한 구성 요소임을 밝혀냈습니다. 또한, 이 공정이 넓은 온도 범위에 걸쳐 높은 전도도를 제공하는 방식도 입증했습니다.

나트륨 배터리 성능 향상 시험 결과

엔지니어들의 테스트 결과는 배터리 성능에 대한 몇 가지 중요한 세부 사항을 밝혀냈습니다. 우선, 운동학적으로 안정한 직방정계 Na3(B12H12)(BH4) 상이 리튬 이온 배터리와 유사한 전도성을 제공한다는 것을 입증했습니다. 또한, 두껍고 면적당 함량이 높은 복합 양극이 영하의 온도에서도 원활하게 작동할 수 있음을 보여주었습니다.

나트륨 배터리 성능 향상 연구의 이점

이 연구는 시장에 여러 가지 이점을 가져다줍니다. 우선, 이 연구는 과학자들이 수소붕산염 기반 고체 전해질에 대한 이해를 심화시켜 더 나아가 혁신의 가능성을 열어줍니다. 특히, 연구팀은 기존에 확립된 기술과 실용적인 설계 전략을 활용했기 때문에 현재 상태로도 시장에 매우 유용하게 적용될 수 있습니다.

나트륨 배터리는 높은 이온 전도성, 내구성 및 안정성을 제공합니다. 또한, 가연성이 없으며 기존 리튬 이온 배터리처럼 파열되더라도 폭발하지 않습니다. 뿐만 아니라, 새로운 설계로 배터리의 무게와 크기를 줄여 에너지 밀도를 기존 제품과 동등한 수준으로 끌어올렸습니다.

풍부

나트륨은 리튬보다 훨씬 쉽게 구할 수 있습니다. 풍부하고 가격도 저렴합니다. 따라서 이러한 배터리는 향후 전기차, 스마트폰 및 기타 첨단 기기의 가격 인하를 가능하게 할 수 있습니다. 최소한 이 기술은 특정 국가가 리튬과 같은 필수 희토류 금속의 수출을 금지하는 상황에 대한 대안을 제시할 수 있습니다.

나트륨 ASSB의 실제 활용 사례 및 타임라인

나트륨 배터리는 다양한 분야에 적용될 수 있습니다. 고전압이 필요한 분야에서 경제적인 대안으로 자리매김할 가능성이 있으며, 현재 전기차에 사용되는 비싸고 부피가 큰 리튬 이온 배터리를 대체할 기술로도 연구되고 있습니다. 앞으로 이 기술은 거의 모든 전자 제품 분야로 확대되어 기존 방식보다 더 안정적이고 안전한 대안을 제시할 것입니다.

이 제품은 언제 시장에 출시될까요?

향후 5년 안에 나트륨 배터리 대체재를 볼 수 있을 것으로 예상됩니다. 이번 연구는 해당 기술의 추가적인 도입을 위한 길을 열어주었으며, 기존 기술을 활용하면 현재의 대규모 공장에서 최소한의 조정만으로 두 가지 유형의 배터리를 모두 생산할 수 있을 것입니다.

나트륨 배터리 성능 향상 연구진

나트륨 강화 연구는 시카고대학교 프리츠커 분자공학대학원에서 주관했습니다. 이 연구는 각 분야에서 뛰어난 리더십을 보여준 리우 가문 교수진이 이끌었습니다.

해당 논문은 Shyue Ping Ong, Ying Shirley Meng, Jin An Sam Oh, Zihan Yu, Chen-Jui Huang, Phillip Ridley, Alex Liu, Tianren Zhang, Bing Joe Hwang, Kent J. Griffith를 연구 참여자로 구체적으로 명시하고 있습니다.

나트륨 배터리 성능 향상 연구의 미래

이 기술의 미래는 여러 가지 이유로 밝아 보입니다. 우선, 확산에 유리한 음이온 골격의 동역학적 안정화는 다른 관련 하이드리도보레이트 및 음이온 클러스터 화학에도 적용될 수 있습니다. 따라서 연구팀은 추가적인 성능 향상을 위해 다른 재료와 다양한 가능성에 대한 연구를 계속할 것입니다.

배터리 제조에 투자하기

배터리 산업은 지난 10년간 상당한 성장을 보인 빠르게 변화하는 분야입니다. 세상은 끊임없이 이동하고 있으며, 배터리는 이러한 이동의 원동력이 되고 있습니다. 그 결과, 여러 제조업체가 시장을 주도하게 되었습니다. 그중에서도 업계 선두주자인 한 기업을 소개합니다.

마이크로바스트 

마이크로바스트는 2006년에 시장에 진출했습니다. 텍사스에 본사를 두고 있으며 중국 후저우에 제조 시설을 운영하고 있습니다. 창립자인 양 우는 스탠포드 대학 출신으로, 회사를 성장하는 전기차 시장에 첨단 리튬 이온 배터리를 공급하는 선도 기업으로 만들겠다는 비전을 가지고 설립했습니다.

이러한 전략의 일환으로, 회사는 2017년에 MpCO 배터리 기술이라는 초고속 충전 시스템을 비롯한 여러 신기술을 개척했습니다. 마이크로바스트는 출시 이후 상당한 성장을 이루었으며, 현재 독일, 테네시, 중국을 포함한 전 세계 여러 곳에서 사업을 운영하고 있습니다.

올해 마이크로바스트는 성능을 한 차원 높인 완전 고체 배터리 기술을 공개했습니다. 탄탄한 전략적 파트너십과 신뢰할 수 있는 과거 실적을 보유한 배터리 제조업체에 투자하고자 하는 투자자라면 마이크로바스트 주식에 대한 추가 조사를 고려해 볼 만합니다.

MVST(MVST) 주식 최신 뉴스 및 실적

나트륨 배터리 성능 향상 연구 | 결론

이러한 나트륨 배터리 개선은 수백만 명에게 더 안전한 미래를 열어줄 수 있습니다. 전 세계가 리튬 기반 배터리에 의존하면서 이미 오염, 환경 파괴, 건강 위험, 심지어 군사적 긴장까지 야기하고 있습니다. 나트륨 기반 배터리는 이러한 문제들을 완화하고 저렴하고 휴대 가능한 에너지가 보편화되는 더 안전한 미래를 향한 길을 열어줄 것입니다.

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참고자료

^{1. “두꺼운 음극을 갖는 전고체 배터리용 준안정성 소듐 클로소-하이드리도보레이트,” Oh 외. Joule, 2025년 9월 16일. DOI: 10.1016 / j.joule.2025.102130}