<자막원문>

• 진행 : 디일렉 한주엽 대표
• 출연 : 디일렉 이수환 전문기자

-이 영상 제목을 ‘소금과 성냥으로 배터리를 만든다고?!’라고 적었습니다. 제목이 약간 낚시성 같지만 쉽게 풀어서 설명하자면 틀린 얘기는 아닌 것으로 생각을 하고요. 말씀드리기 전에 1월 31일 ‘비욘드 리튬이온, 차세대 배터리 핵심 기술 콘퍼런스’를 저희 디일렉 사옥 5층 콘퍼런스 룸에서 개최를 합니다. 유료 세미나고요. 관심 있으신 분들은 들어주시길 바랍니다. 오늘 맛보기로 어떤 내용들이 세미나의 주제로 나올지에 대해서 말씀드리는 시간을 갖도록 하겠습니다. 이수환 기자님 안녕하십니까.

“안녕하세요. 이수환입니다.”

-나트륨 배터리라고 하는데요.

“나트륨.”

-황 배터리, 리튬황이죠. 정확하게는요. 이런 차세대 배터리에 대한 얘기들이 계속 나오고 있는데. 우리가 소위 얘기하는 차세대 배터리 하면 전고체 배터리를 얘기하는데, 전고체 배터리는 너무 먼 얘기고요.

“언론에서 전고체 배터리가 마치 오늘 내일 될 것처럼 얘기하지만, 이 업에 종사하시고 계시는 여러 분들의 얘기를 들어보면, 그러니까 지금 기준을 정확하게 말씀을 드릴게요. 황화물 계열의 전고체 배터리는 아직 상용화가 많이 멀었어요. 그런데 대신에 옥사이드 산화물 계열의 전고체 배터리는 작년에 이미 무라타, TDK, 다이요유덴 같은 일본 기업들이 어느 정도 상용화가 되어 있는 상황이거든요.”

-그건 소형 배터리이지 않습니까.

“아주 작은, 새끼 손가락 손톱 정도 크기의 전고체 배터리는 상용화가 돼 있는 거죠. 그러나 황화물 계열의 전기차에 쓸 수 있는 대용량의 전고체 배터리는 아직까지 상용화가 되려면 꽤 많은 시간이 걸려야 됩니다.”

-전고체 배터리에 대한 일반적인 내용은 저희가 과거에 찍어놓은 영상이 있으니까 그 영상을 참조하시면 되겠고요. 오늘은 나트륨과 리튬황에 대해서 얘기를 할 텐데 나트륨은 소금을 얘기하는 겁니까?

“겨울철에 염화칼슘 많이 뿌리죠. 그 안에 염화나트륨 같은 경우 NaCl(나트륨과 염소의 화합물)입니다. 그게 소금을 얘기하는 건데 나트륨이 지구상에 굉장히 풍부한 원소예요.”

-바닷가 가면 채취할 수 있지 않습니까.

“바닷물 자체에 이미 나트륨이 많이 포함이 돼 있죠. 주기율표를 보시면 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K) 등이 하나로(알칼리 금속) 연결되어 있는 거죠. 특성이 비슷하다는 얘기겠죠. 만약에 그렇게 원소들을 보게 되면 안에 중앙 핵 주변에 몇 개의 전자가 붙어 있느냐에 따라서 우리가 각각의 원소들이 존재하는 거고요. 학교 다닐 때 배우죠. ‘칼카나마알아철니주납수구수은백금’. 각각의 원소들의 반응도(이온화 경향)를 우리가 순서대로 얘기할 때 그 얘기들을 많이 외우죠. 어쨌든 지금 리튬 대신에 나트륨을 쓰는 배터리가 나트륨 배터리가 된 거다.”

-연구가 되고 있다는 거네요.

“연구도 잘 돼 있고요. 올해 상용화 원년을 중국 기업들이 외치고 있죠.”

-리튬을 나트륨으로 대체한다는 겁니까?

“맞습니다.”

-그러면 우리가 양극재 안에 리튬이 들어가 있잖아요. 그 리튬을 빼고?

“나트륨을 쓴다는 얘기죠. 간단하게 말씀드리면요.”

-나머지 작동 메커니즘은 동일한 겁니까?

“메커니즘은 동일해요. 일단 전자의 이동으로 에너지가 흐른다는 얘기겠죠. 에너지의 흐름으로 전기를 만들어낸다는, 흔히 얘기하는 볼타 전지의 원리인데 그러니까 우리가 예전에 레몬에 구리랑 알루미늄 꽂아가지고. 꼬마전구 연결하면 전기가 나오는 것처럼 전자의 이동을 통해서 전기라는 에너지를 만들어낸다라는 개념은 똑같아요.”

-그런데 나트륨이 되면 뭐가 더 좋습니까?

“일단 기본적으로 말씀드려야 될 게 지금 이 상황에서 왜 나트륨이 배터리 소재에 대안으로 얘기가 되고 있느냐는 겁니다. 급작스럽게 배터리 산업이 성장하면서 리튬을 구하기가 어려워졌고 공급량 대비 수요는 많으니까 가격이 폭등을 했습니다. 지금 올해 리튬 가격이 다소 안정화가 된다고 얘기를 합니다만, 과거 2~3년 대비해서 굉장히 가격이 3~4배까지 올라가 있는 건 사실이고요.”

-계속적으로 우상향하고 있죠.

“단적으로 말씀드리면 나트륨의 가격은 리튬의 100분의 1 수준에 불과 합니다.”

-저렴하다?

“가격이 싸다는 거죠. 그게 지금 나트륨 배터리가 대두되고 각 기업들에서 연구를 하고 있는 가장 큰 이유가 됩니다.”

-한국은 3면이 바다니까 나쁘지 않겠네요.

“우리가 화학 산업을 통해서 나트륨을 기본적으로 추출하기도 하고 일반적으로 많이 쓰이는 소재니까요.”

-저렴한 것이 장점이다면 지금까지 그것을 적용하지 않았던 혹은 못했던 이유가 있을 것 같은데요?

“가장 큰 이유는 두 가지인데 하나는 에너지 밀도가 낮다는 겁니다. 밀도가 낮다는 얘기는 그만큼 전기차로 치면 주행 거리가 짧아진다라는 얘기가 되겠고 다른 하나는 전자가 리튬보다 나트륨이 더 많아요. 주변에 달라 붙어 있는 전자가요. 이게 무슨 얘기냐면 더 무겁다는 얘기거든요. 무거우면 이동 속도가 느려진다는 얘기거든요. 이거는 우리가 배터리를 충전과 방전을 할 때 안에 있는 전자가 왔다 갔다를 하면 해야 되는데, 무거우니까 그러면 충전도 느리고 방전도 느리고. 충전 속도가 느리다는 거는 그런대로 납득할 수 있지만 방전이 느리다는 거는 전압이 낮다는 얘기거든요.”

-전압이 낮다?

“우리가 일반적으로 밖에서 건전지 사잖아요. 알카라인 배터리 사면 1.5V라는 전압이 고정되어 있죠. 또 우리 스마트폰에 스마트 기기에 쓰고 있는 배터리 용량도 3.7V로 고정이 되어 있죠. 그런데 나트륨을 쓰게 되면 그보다 훨씬 낮잖아요. 이 기기를 제대로 작동할 수가 없겠죠. 그래서 나트륨을 상용화하기가 어려웠던 겁니다. 할 수는 있지만 상용화적 측면에서 별로 얻을 게 없죠.”

-그때 당시에는 얘기겠죠?

“지금은 리튬 가격이 너무 올랐고요. 그리고 나트륨을 쓰게 되면 음극의 집전체, 동박은 구리를 쓰잖아요. 구리가 비싸요. 그 구리를 보다 저렴한 알루미늄으로 대체를 할 수가 있게 됩니다. 나트륨 가격도 훨씬 싸고 구리도 안 쓰니까 훨씬 더 가격이 싸고 그러니까 결국에는 가격을 낮출 수 있는 원동력이 되는 거죠.”

-충·방전 속도를 높일 수 있는 여러 가지 방안이 강구가 되어야 되겠군요.

“가장 간단한 방법은 마트에서 9V 배터리가 있어요. 사각형으로 조그맣게 돼 있는 9V 배터리인데. 그 안에 있는 배터리 9V 배터리를 분해해 보면 아주 작은 원통형 배터리가 다발로 묶여 있어요. 그거 가지고 쓰시는 분도 계세요. 그러니까 우리가 AA 배터리, AAA 배터리가 있으면 AAA 배터리보다 약간 더 작은 배터리가 있거든요. 쓰이는 분야가 좀 있습니다. 과거에 디지타이저 전자펜이나 일부 제품들에 이렇게 쓰는데 9V 배터리를 분리해 보면 그 작은 배터리가 다발로 묶여서 1.5V를 여러 개를 묶어가지고 9V로 만든 거예요. 그러니까 나트륨 배터리도 전압은 낮지만 이런 배터리를 모듈이나 팩 기술을 통해서 전기차에 쓸 수 있는 충분한 고전압 배터리로 만드는 아이디어가 작년부터 계속해서 좀 시도가 많이 됐고요.”

-아이디어가 있다?

“그런 식으로 한계를 극복하려고 하는 거죠.”

-중국 기업이라고 하셨죠?

“지금 중국에서 나트륨 배터리를 상용화하겠다고 선언한 기업이 무려 네 군데나 됩니다. CATL·BYD·파라시스·S볼트. 그중에서도 특히 CATL은 올해를 ‘2023년은 나트륨 배터리 상용화 원년의 해’라고 했습니다.”

-리튬이온 배터리하고 지금 말씀하신 그 회사들이 다 상용화에 성공해서 널리 퍼뜨릴 경우가 굉장히 좋은 시나리오일 텐데요. 그렇다고 하더라도 리튬이온 배터리와는 당분간 공존할 수밖에 없겠죠?

“이게 어떤 구호가 될 수도 있겠습니다만, ‘반값 배터리’ 지금 전기차 원가의 약 30% 정도는 배터리에서 발생하는데요.”

-배터리에서 40% 정도가 양극재라면서요. 양극재 안에서도 리튬의 비중이 꽤 크죠?

“엄청나게 크죠. 전해질을 만들 때도 우리가 리튬을 쓰고 또 양극재를 만들 때도 프리커서(전구체)와 리튬을 소성하면 양극재가 되기 때문에 리튬이 굉장히 많이 쓰이는데. 하나의 구호를 말씀드리면 만약에 ‘반값 배터리’가 된다면 전기차 가격도 그만큼 저렴해질 것이고. 그런데 이게 전체 시장을 선도하는 대중적인 제품은 되기가 어렵지만, 우리가 다 비싼 제품을 쓰지 않잖아요. 중저가 제품이라는 게 존재하니까요.”

-등급에 따라서.

“모든 사람이 다 400km~600km를 가는 전기차를 원하는 건 아닙니다. 그렇기 때문에 저가 배터리 시장이나 중저가 시장에 나트륨 배터리가 등장해서 더 저렴하게 할 수 있다면 그 시장에 대한 가능성을 볼 수 있는 거겠죠.”

-그런 장밋빛 전망도 있는 거고요. 물론 힘들 것이라고 생각하는 진영도 있는 것 같고요.

“일단 배터리가 반도체나 디스플레이에 비해서 발전 속도가 굉장히 느린 것은 소재 자체가 바로 제품이기 때문에 그렇습니다. 반도체나 디스플레이 내에서 쓰는 소재는 어떤 회로를 그리거나 우리가 몇 겹의 레이어를 구현하기 위해서 소재를 쓴다면, 물론 OLED 같이 소재 자체가 작동하는 것도 있지만 뒤에 있는 백플레인 같은 경우는 전부 회로잖아요. 배터리는 달라요. 배터리는 소재 자체가 제품이 되니까 이 소재 하나를 바꾸는 게 굉장히 어려운 일입니다. 그러니까 가격 변동성에서도 굉장히 민감하게 반응할 수밖에 없는 것이고요.”

-나트륨보다 조금 더 뒤에 나올 것으로 생각되는 소재가 황인가요?

“‘리튬황(Li-S)’이 있습니다.”

-황은 성냥 재료로도 쓰죠. 그것은 또 어떻게 쓰입니까?

“일단 리튬황 배터리를 상용화하겠다고 밝힌 기업이 있습니다. 2025년에 하겠다고 했는데 LG그룹입니다. 왜 그랬냐면 2020년 당시에 LG그룹이 현대자동차그룹에 제안을 합니다. ‘우리의 차세대 배터리로 리튬황 배터리를 앞으로 전기차에 쓰실 수 있을 겁니다’라고 제안을 했고요. 그게 받아들여졌는지 안 들여졌는지는 모르겠습니다만...”

-그런 제안을 했었다.

“보통은 전고체 배터리 얘기 많이 하잖아요.”

-너무 먼 얘기니까요.

“전고체 배터리는 정말 먼 얘기고요. 다만 요즘 올해 겨울 되게 추웠잖아요. 추웠을 때 뉴스로 굉장히 많이 나왔습니다. 전기차 주행거리가 굉장히 짧아졌어요.”

-배터리 충전이 안 돼요.

“500km 간다고 그랬는데 실제로 운행해 보면 200km밖에 안 돼요. 이거는 모든 리튬이온 배터리의 공통점이에요. 저온 특성이 너무 안 좋아요.”

-리튬이온?

“저온 특성이 너무 안 좋아요. 그래서 고산 지대에 영하 10도 이하에 있는 산에 가서 스마트폰을 켜니까 안 켜지는 거죠. 배터리를 분명히 완충해서 가져왔는데도요. 아니면 배터리 잔량이 굉장히 떨어져 있거나 심지어 충전 속도도 굉장히 느려집니다. 배터리가 저온 상태에 있게 되면 그래서 초고속 충전한다고 그러면 10분 만에 80% 충전할 수 있다, 이렇게 자랑을 하지만 온도가 낮으면 시간이 엄청나게 늘어나요.”

-그것을 황으로 바꾸게 되면?

“영하 30~40도 이하에서도 상온에서 처럼 작동을 잘 할 수 있을 뿐더러 에너지 밀도도 지금의 리튬이온 배터리보다 훨씬 더 많이 담을 수가 있게 됩니다.”

-훨씬 더 많이라는 건 두 배 정도 인가요?

“두 배에서 세 배 정도 할 수 있고요. 그렇게 되면 무슨 일이 발생하게 되냐면 전기차가 가벼워지겠죠.”

-가벼워지거나 주행 거리가 엄청나게 늘어나겠죠.

“또 겨울처럼 히터를 켰는데 주행거리가 뚝뚝 떨어져요. 충전 속도가 충전이 제대로 안 돼요. 이런 문제가 사라지게 되는 거죠.”

-황은 그것도 양극재 쪽에 붙이는 겁니까?

“양극재의 양극 소재로 쓰게 되는데 저희가 리튬이온 배터리 4대 핵심 소재라고 얘기하는 양극재·음극재·분리막·전해질은 각각의 소재가 각각의 소재 요소로서 존재합니다. 예를 들면 양극재와 음극재가 양극과 음극이 맞닿으면 폭발이 일어나는 것처럼 혹은 리튬이온이 분리막을 통과하면서 분리막과 뭔가 화학적인 반응을 일으키는 건 아니거든요. 그러니까 소재가 각각의 고유의 존재를 가지고 그 안에 포함이 되어 있는 것이지, 이거를 갑자기 비벼가지고 비빔밥처럼 맛있는 음식이 되거나 어떤 화학적인 반응을 일으키는 건 아니에요. 그런데 리튬황은 다릅니다. 리튬황(Li-S)은 황이 황화합물(Polysulfide)로 바뀌면서 아까 말씀드렸던 에너지 흐름을 제어하는 것이거든요.”

-뭐랑 반응을 하는 거군요.

“전해질과 반응합니다.”

-전해질과 양극에서요?

“그거는 전통적인 배터리를 설계하시는 분들 입장에서는 도저히 용납할 수 없는 일이죠. 왜 각각의 소재는 각각의 소재로서 그 고유의 특성을 가지고 존재해야 되는 것이니까요. 전해질과 반응을 해서 뭔가 화합물을 만들어낸다는 거는 납득할 수 없는 일이거든요.”

-그 안에서.

“그래서 우리가 차세대 배터리를 얘기할 때 전고체든 리튬황이든 나트륨이든 아니면 퓨어 실리콘 배터리든 여러 가지 얘기들이 굉장히 많이 있지만, 각각의 소재를 어디에다가 적용하냐에 따라서 달라요. 아까 말씀드렸던 실리콘 같은 경우에는 음극재를 바꿔서 차세대 배터리를 만들겠다는 것이고 리튬황은 양극재와 기본적인 메커니즘을 바꿔서 차세대 배터리를 하겠다는 것이고. 전고체 배터리는 물론 양극과 음극도 바뀌긴 합니다만 본질적으로는 액체 상태의 전해질을 고체 상태로 바꿔서 차세대 배터리를 하겠다는 것이고. 또 나트륨 배터리도 마찬가지죠. 리튬 대신 나트륨을 써서 차세대 배터리를 하겠다는 거고요.”

-저희가 1월 31일 ‘비욘드 리튬이온, 차세대 배터리 핵심기술 콘퍼런스’ 당장은 아니지만 조금 뒤에 그리고 몇 년 뒤에 바뀔 배터리 분야의 기술에 대해서도 이렇게 짚고 넘어가면 사업을 확장할 때나 아니면 다른 투자를 하실 때나 여러 가지로 도움이 될 수 있을 것 같습니다. 그것을 위해서 저희가 준비를 했고요. 오늘 나트륨하고 황과 관련된 내용은 저희가 맛보기로 전해드렸습니다. 좀 더 궁금한 점은 저희 세미나 와서 좀 들어주시면 고맙겠습니다.

“고맙습니다.”