2세대 ‘소금 배터리’ 연내 양산
 "LFP 배터리 시장 절반 대체 가능"
12C 초고속 충전으로 520km 확보도

세계 1위 전기차 배터리 업체인 중국 닝더스다이(寧德時代·CATL)가 리튬인산철(LFP) 배터리와 비슷한 성능의 새 나트륨이온 배터리를 공개했다. 나트륨이온 배터리는 한국 배터리 업체가 강점을 가진 니켈·코발트·망간 삼원계(NCM) 배터리보다 에너지 밀도가 낮은 단점이 있지만, 값이 싸고 안전한 장점이 있다. 한국 배터리업계는 아직 나트륨이온 배터리 기술 개발 단계다.

리튬 대비 비용·안전성 우위

24일(현지시간) 로이터통신 등에 따르면 CATL은 상하이모터쇼(4월 23일∼5월 2일) 개막을 앞둔 지난 21일 상하이에서 개최한 ‘테크데이(Tech Day)’ 행사에서 2세대 나트륨이온 배터리 ‘낙스트라’(Naxtra)의 상용화 준비가 완료돼 하반기 중 양산에 들어갈 예정이라고 밝혔다. 낙스트라는 2021년 CATL이 처음 발표한 1세대 나트륨이온 배터리에 이은 2세대 제품이다. CATL은 낙스트라를 오는 6월 중장비 차량용부터 생산하기 시작해 12월에는 전기차·하이브리드용도 양산할 계획이라고 발표했다.

이른바 ‘소금 배터리’라고 불리는 나트륨이온 배터리는 배터리 양극에 리튬 대신 나트륨을 원료로 사용하는 차세대 배터리다. 나트륨은 구하기 쉽고 가격이 싼 장점이 있다. 그간 낮은 에너지밀도 때문에 무게 대비 주행거리가 짧은 점, 긴 충전 시간, 짧은 배터리 수명 등은 단점으로 꼽혀왔지만, CATL이 이를 리튬인산철(LFP) 배터리 수준으로 향상시켰다.

실제 낙스트라의 에너지밀도는 1㎏당 175와트시(Wh)로 리튬 배터리와 비슷한 수준이며 영하 40도에서도 충전량의 90% 이상을 유지하는 등 전력 저하가 크게 나타나지 않는다. CATL의 전기차 사업부 최고기술책임자(CTO)인 가오환은 “리튬보다 안정적인 물질인 나트륨에 나노 코팅 기술을 적용해 에너지 밀도를 끌어올렸다”고 설명했다.

게다가 나트륨은 소금에서 염소만 제거하면 얻을 수 있다. 가오 CTO는 “부엌에 있는 소금으로 에너지 문제가 해결된다”고도 말했다. 나트륨 가격은 1㎏당 약 270원으로 리튬 가격의 50분의 1 수준이다. 이차전지 가격의 약 40%를 양극재가 차지한다는 것을 감안하면 나트륨이온 배터리는 리튬이온 배터리보다 생산 단가를 확 낮출 수 있다.

무엇보다 나트륨이온 배터리는 리튬보다 반응성이 낮아 안정성이 높다. CATL의 테크데이 영상을 보면 양쪽에서 누르고, 바늘과 드릴로 뚫고, 전기톱으로 잘라도 불도 나지 않는다. 화재 위험이 적고 저온에서도 성능 저하가 심하지 않은 것이 나트륨이온 배터리의 장점이다.

'초고속 충전' 배터리도 공개

CATL은 이날 충전 속도를 획기적으로 높인 '선싱(Shenxing)'의 2세대 배터리도 함께 선보였다. 선싱은 주행거리가 800㎞에 이르며 5분간 충전하면 520㎞를 주행할 수 있다. 또 추운 날씨에도 15분 만에 충전량 80%를 달성할 수 있다고 CATL은 소개했다.

특히 충전 속도는 경쟁사인 BYD를 넘어선다는 평이다. 선싱의 초고속 충전 배터리는 800km 주행거리와 함께 12C라는 경이적인 충전 속도를 자랑한다. 12C는 배터리를 이론적으로 5분 만에 완전히 충전할 수 있는 속도로, 일반적인 전기차 충전 속도(1C, 완전 충전에 1시간 소요)와 비교하면 혁명적인 진전이다. 또 주유소에서 기름을 넣는 시간과 큰 차이가 없는 시간이기도 하다. CATL은 이 기술로 단 5분 충전으로 520km 주행거리를 확보할 수 있다고 밝혔다. 이는 '5분 충전해 470㎞ 주행' 가능한 급속 충전 시스템을 선보인 BYD를 뛰어 넘는 수준이다.

CATL은 이밖에 한번 충전하면 최대 1,500㎞를 주행할 수 있는 듀얼 배터리 시스템도 공개했다. 가오는 듀얼 배터리 시스템에서는 두 개 배터리 중 하나가 오작동해도 고장을 방지해 자율주행 차량 안전성을 높일 수 있다고 설명했다. 듀얼 배터리 시스템의 생산 날짜는 발표하지 않았으나 한 자동차 제조사가 자율주행차 설계에 듀얼 배터리 시스템을 사용하고 있다고 CATL은 밝혔다.

열폭주 발생 후 2시간 견디는 이중 전원 구조 개발

또 주목할 만한 점은 중국의 대폭 강화된 배터리 안전 규정에 대응하기 위한 기술 개발이다. 중국 정부는 전기차 화재 사고 증가에 따라 세계에서 가장 엄격한 배터리 안전 규정을 도입했다. 새 규정에 따르면 배터리 열폭주 발생 후 2시간 동안 화재가 발생하지 않아야 하며(기존 5분에서 24배 강화), 차량 내부로 유독 가스가 유입되지 않아야 한다. 또한 30mm 쇠구슬 충격 시험과 내부 발열 시뮬레이션 테스트도 통과해야 한다.

CATL은 이러한 초강력 규제에 대응하기 위해 항공기의 이중 엔진 시스템에서 착안한 '이중 전원 구조(Dual Power Structure)'를 개발했다. 배터리 셀을 두 개의 독립적인 전력 구역으로 나눠 하나에 문제가 생겨도 다른 구역이 작동해 안전성을 확보하는 기술이다. 고온 상황에서 긴급 상황 발생 시 0.1초 내에 물리적 분리와 전환이 이루어져 열폭주가 전체 배터리로 확산되는 것을 차단한다.

CATL은 초급속 충전의 내구성도 강화했다. 20~80% 충방전 기준으로 300회의 초급속 충전 테스트를 통과할 수 있도록 설계됐으며, 30mm 쇠구슬 충격 시험과 내부 발열 시뮬레이션 테스트도 모두 통과했다. 쩡위췬 CATL 회장은 “우리의 최종 목표는 에너지 자원의 제약에서 벗어나 에너지의 자유를 실현하는 것”이라며 “에너지가 공기처럼 보편적이고 햇빛처럼 접근 가능해지는 시대를 열어가겠다”고 포부를 밝혔다.