일본, 리튬 넘는 차세대 2차 전지로 한국·중국에 반격 꾀해

지구상에 풍부한 나트륨 이용한 전지 개발 박차…생산비용 최대 30% 절감 가능

▲일본 닛산자동차의 2010년 5월 26일(현지시간) 미국 테네시주 배터리공장 기공식에서 참관객들이 전기자동차 배터리 유닛을 살펴보고 있다. 블룸버그

일본이 리튬이온전지를 뛰어넘는 차세대 2차 전지로 한국과 중국에 반격을 꾀하고 있다고 21일(현지시간) 니혼게이자이신문이 보도했다.

도쿄대 연구진은 최근 한 소재를 이용해 새로운 2차 전지 시제품 개발에 성공했으며 이 전지는 단 10분 만에 충전을 완료할 수 있다고 밝혔다. 도쿄이과대의 고마바 신이치 교수는 “이들은 바다에 잠자고 있는 자원인 나트륨을 썼다”고 설명했다. 그도 닛산자동차와 공동으로 나트륨이온전지를 개발하고 있다.

한 번 쓰고 버리는 건전지가 1차 전지라면 충전해서 여러 번 쓸 수 있는 전지를 2차 전지라고 부른다. 양극과 음극 사이에 유기 전해질을 넣어 충전과 반복을 가능하게 하는 원리로 전해질에 따라 니켈카드뮴과 리튬이온 등 여러 종류로 나뉘어진다.

현재 대세는 리튬이온전지로 과거 일본 업체가 이 시장을 석권하고 있었지만 가격 경쟁력에서 한국과 중국에 밀리면서 점유율이 25%로 떨어졌다고 신문은 전했다. 시장조사업체 후지경제에 따르면 오는 2025년에 대용량 2차 전지 시장규모는 2013년 대비 5.9배 확대된 9조8570억 엔(약 89조4100억원)에 이를 전망이다. 전기자동차와 스마트폰 태양광발전의 보급 확대에 따라 2차 전지 수요도 커질 것임은 확실하다.

나트륨이온전지의 기본 원리는 리튬이온전지와 같다. 전지의 양극과 음극을 오가는 이온을 리튬 대신 나트륨으로 바꾼 것이다.

나트륨이온의 부피는 리튬이온의 2배에 달하기 때문에 전지 크기와 무게가 그만큼 커지게 된다. 리튬이온전지는 전극 재료를 쓸 수 없기 때문에 새 소재를 찾는 것이 관건이다. 연구진은 음극에 하드카본이라는 탄소재료를 사용하면 효율적으로 충전하고 방전할 수 있다는 사실을 발견했다. 현재는 이온을 교환하는 전해액 연구에 주력하고 있다. 신소재 후보는 100종 이상이며 하나의 소재로 결과가 나오는데 1개월이 걸린다.

리튬은 지구상의 지각에 0.002%밖에 존재하지 않는 희귀 금속이다. 리튬이온전지를 구성하는데 필요한 코발트와 구리 역시 희귀하며 주로 남아프리카와 남미에서 수입하기 때문에 자원을 확보하고 유지하는 데 불안한 점이 있다.

반면 나트륨은 지각의 2% 이상을 차지하고 있으며 소금과 바닷물에서 채취할 수 있기 때문에 자원을 확보하는 데 정치적 리스크가 적고 저렴하다. 고마바 교수는 “나트륨이온전지 생산비용은 리튬이온전지에 비해 최소 10%, 많게는 30% 절감할 수 있다”고 설명했다.

그러나 나트륨이온전지는 충전을 많이 반복할 수 없기 때문에 제품의 수명이 짧다는 단점을 갖고 있다. 2차 전지 대부분을 리튬이온전지가 차지하는 것도 이 때문이다. 그런데 2000년대 중반부터 나트륨이온전지 전극과 전해액 연구가 상당 부분 진행돼 제품의 수명을 연장할 수 있게 됐다고 신문은 전했다. 고마바 교수는 이미 100회 충전과 방전을 반복해도 성능이 거의 저하되지 않는 것을 확인했다.

차세대 2차 전지에는 나트륨이온전지 이외 경쟁 제품이 많이 존재한다. 발화 가능성이 적은 ‘전고체 전지’와 공기 중의 산소를 사용해 경량화를 추진하는 ‘공기 전지’ 등이 대표적이다. 그러나 고마바 교수는 “나트륨이온전지는 리튬이온전지 제조공정 노하우를 그대로 활용할 수 있어 제품화하기에 적절하다”고 강조했다.

일본 문부과학성은 희귀 원소를 사용하지 않는 차세대 재료 연구 사업책의 일환으로 각 대학의 나트륨이온전지 연구에 지원을 하기 시작했다고 신문은 덧붙였다.