LFP 가격에 다가가는 나트륨 이온 배터리 얘기에 안전성 토론

반대로 화석연료 산업의 화학 기업들이 해온 재료 연구는 훨씬 뒤처졌을 수도 있음. 그런 연구가 지금의 배터리와 반도체 기술 발전에도 필요했으니까. 폴리이미드가 저절로 발명되는 건 아니잖음. 가정해 보는 건 재밌지만 항상 얻는 것과 잃는 게 있음.

아님. 내가 본 LFP 배터리는 거의 다 온도가 너무 낮아지면, 대략 0도 부근에서 작동하는 히터가 있음. 반면 나트륨 이온은 영하 25도에서도 방전할 수 있음.

지금보다 한 10년쯤 앞당겼을 수는 있겠지. 하지만 배터리만 필요한 게 아님. 실용적인 전기차에는 리튬 이온 배터리뿐 아니라 IGBT도 필요했고, 반도체는 이미 가능한 한 빠르게 발전했음. 납산과 리튬 이온 사이의 간극도 큼. 중간 단계로 그나마 쓸 만한 건 니켈수소 정도인데, 그것도 순수 전기차에는 실용적이지 않았을 거라고 봄.

구체적으로 보면 중국이 사실상 비슷한 실험을 해온 셈임. 전기차, 대폭 낮아진 태양광 가격, 저렴한 수력과 풍력, 배터리 가격 하락에 원전 시장 경쟁력까지 가져왔음. 내연기관 없이도 운행할 수 있는 현대적인 고속철도도 있고.

그렇게 단순한 문제는 아님. 안전성을 비교한 논문이 있는데, 요약하면 나트륨 배터리는 열폭주가 발생했을 때 리튬보다 덜 위험하지만 발생 가능성은 더 높다고 함. 특히 충전율이 100%일 때 LFP보다 열폭주 가능성이 상당히 높아짐. 반면 구멍이 나거나 단락되는 상황은 리튬보다 훨씬 덜 위험한 게 맞음. 이 점 때문에 높아진 열폭주 위험이 간과되는 면이 있다고 봄.

오래된 리튬 이온 배터리 팩들을 제대로 대체할 제품이 나왔으면 좋겠음. 집에 있는 수많은 배터리 중 하나가 아무도 없을 때 열폭주를 일으키는 날이 올까 봐 신경 쓰임. 배터리 화재를 걱정하지 않아도 되는 세상이 빨리 왔으면 좋겠음.

LFP를 비롯한 리튬 배터리는 저온 방전 자체가 문제는 아님. 영하 20도까지도 작동할 수 있음. 문제는 영하에서 충전하면 내부 구조가 손상된다는 것. 그래서 발열체를 돌려 배터리를 적정 온도까지 데운 다음 충전해야 함. 충전 중에도 열이 나고. 어떤 전기차는 내비게이션에 충전소를 목적지로 찍으면 도착 전에 배터리를 미리 데우기도 함. 어느 브랜드였는지는 기억 안 나지만 몇 년 전에 봤음. 나트륨 이온은 같은 손상 문제 없이 영하에서도 충전할 수 있는 게 차이임. 내 기억엔 영하 10도 정도였음.

동의함. 문제는 사람들이 LFP가 ‘안전하다’고 지하실이나 밀폐 공간에 넣는다는 것임. 열폭주가 일어나면 수소가 배출되는데 가스 난방기 등이 있는 밀폐된 지하실과 만나면 정말 좋지 않은 상황이 됨. 오히려 이런 상황에서는 나트륨 이온이 거의 모든 면에서 LFP보다 나쁘다고 봄. 가스의 가연성과 독성도 더 강하고. 나트륨 이온이 더 안전하다는 말을 그대로 믿으면 안 됨.

내 전기차의 12V 납산 배터리를 OHMMU의 12V 리튬 배터리로 바꿨는데, 지금까지 한 업그레이드 중 최고였음. 최근 보니 12V 나트륨 제품도 팔고 있고 보증 기간도 1년에서 3년으로 늘렸더라. 내구성에 관한 새 데이터가 나온 모양임.

왜? 바꾸고 나서 어떤 차이가 있음? 내 차는 BYD 돌핀인데, 12V 배터리가 몇 년 뒤 고장 나면 3년 차 정비 때부터 몇 년마다 약 100달러에 교체한다고 들었음. 조수석 아래 큰 볼트 세 개를 풀어야 한다는데 내 토요일을 거기에 쓰고 싶진 않아서 직접 볼 일은 없을 듯함. 리튬으로 업그레이드하면 뭐가 좋아짐? 가격은 태국 기준임.

지금과 똑같았을 거라고 봄. 1945년 이후 배터리 연구에 엄청난 돈이 들어갔고, 2000년 이후에만 최소 1천억~1,500억 달러가 쓰였음. 양극, 음극, 전해질의 온갖 조합을 시험하고 평가한 결과 은아연, 니켈카드뮴, 니켈수소를 거쳐 리튬 이온 배터리가 나온 거임.

리튬 배터리는 히터 없이도 영하 25도에서 방전할 수 있음. 문제는 0도 안팎에서 충전하는 건데, 리튬 석출 때문에 배터리가 아주 빠르게 손상됨.

요즘 전기차는 충전소로 가는 길에 배터리를 미리 데우는 기능을 거의 다 씀. 그게 없으면 꽤 불편할 거임. 몇 년 전에 그 기능이 없는 차를 타던 지인은 같은 공용 충전기에서 여름엔 100kW 이상 나오던 게 겨울엔 10kW도 겨우 나왔다고 함.

나트륨 배터리 가격이 빨리 내려가길 바라지만, 그때까지는 보조금이 많고 초기 비용이 적은 배터리 서비스를 쓰는 것도 임시방편이 될 수 있음. 지금 나트륨 배터리를 쓰는 경우와 서비스 업체의 조건을 각자 에너지 사용량에 맞춰 비교해야 함. 리튬 배터리 서비스를 이용하다가 가격이 적당해지면 직접 소유할 나트륨 배터리로 바꾸는 식임. 다만 기술이 빠르게 변해서 먼 미래의 수익을 예측하기는 어려움.

BYD는 잘 모르지만 12V 배터리를 직접 교체하려면 어느 정도 정비 능력은 필요함. 전기차 소유자들 사이에서 12V 납산 배터리의 조기 고장은 꾸준히 나오는 불만임. 장기간 주차해 두면 구동용 배터리가 보충 충전을 해주지 않는 경우도 있음. 리튬 배터리는 일반적으로 납산보다 장기간 사용하지 않는 상황을 더 잘 견딤. OHMMU 배터리에는 스마트 기능도 있다고 함.

그러니까 수십 년 동안 온갖 내연기관에서 연료를 태우지 않았다면 재료과학 연구도 발전할 수 없었다는 말임?

에너지 밀도 얘기라면 나도 그럼. 몇 년 전에 가정용 배터리를 처음 실제로 봤는데, 용량이 꽤 되는데도 생각보다 작아서 놀랐음. 나는 미국 기준은 물론 다른 나라 기준으로도 큰 집에 사는 게 아니지만, 고장 났을 때 결과가 덜 심각한 배터리라면 크기가 좀 더 커져도 괜찮음. 다만 나트륨 이온이 실제로 그런지는 별개임. 다른 댓글들을 보니 단순한 문제가 아닌 것 같네.

초기 리튬 이온 배터리 기술은 다름 아닌 엑손이 개발했음. 미국 의회조사국 자료와 국제에너지기구 자료에도 관련 내용이 나옴.

내 추측인데, 요즘 차는 주차 중에도 원격 데이터 전송이나 각종 처리를 계속하니까 전기차를 오래 세워두면 12V 배터리가 더 빨리 방전될 수 있음. 같은 크기에 가격 차이도 크지 않으면서 용량이 더 크다면 도움이 되지 않을까?

폴라리스 레인저 EV에서 12V 납산 배터리 8개로 48V를 만들던 걸 48V LFP 배터리 2개로 바꿨음. 무게가 약 270~320kg 줄었는데, 언덕이 많은 곳에서 타다 보니 차이가 엄청 큼. 기존 배터리는 밀폐형이 아니라 관리도 필요했음. 배터리마다 주입구가 두 개씩 있는데, 접근하기도 불편한 곳에 지지대와 전선까지 있어서 물 채우기가 번거로웠음. 그걸 안 해도 된다는 것만으로 교체할 가치가 있었음. 납산이 꼭 더 오래가는 것도 아님. 새 LFP 배터리도 벌써 비슷한 기간을 썼는데 아직 잘 돌아감. 증류수를 채워줄 필요가 없어서 그런가?

생각보다 빠르네. CATL이 이제 막 낙스트라 생산을 늘리고 있는데 벌써 LFP와 가격이 비슷해지고 있음. 이 배터리의 가격 하락 전망이 초기에 검증되는 셈임. 대부분은 원래 리튬 배터리를 썼거나 아예 설치되지 않았을 고정식 저장장치에 들어갈 듯함. 나트륨이 담당하는 용량만큼 리튬 수요가 줄어들면 다른 배터리 가격에도 영향을 줄 수 있으니 전반적으로 좋은 소식임.

배터리 전압은 화학 조성과 금속의 표준 전극 전위에 따라 정해짐. 마음대로 크게 조절할 수 있는 게 아님. 리튬은 금속 중에서도 전위가 높은 편이라 쓰는 의미가 있는 거고. 그래서 NMC 셀을 다른 셀로 그대로 바꾸면 과충전될 수 있음. 직렬 팩 구성을 바꿔서 맞출 방법은 있을지 몰라도 단순히 셀만 교체하는 식은 어려움.

집에 전기를 공급할 만큼 큰 배터리를 아무 걱정 없이 쓸 수 있는 날은 아마 안 올 거임. 고밀도 배터리가 완벽하게 안전하길 기대하기보다 화재를 걱정하지 않아도 되는 방식으로 설치하는 게 맞다고 봄.

디젤 연료탱크와 발전기도 걱정이 별로 필요 없는 일종의 배터리임.

나도 가능해지면 집 배터리를 더 안전한 나트륨 제품으로 바꾸려고 기다리는 중임. 계속 기대하고 있음.

내 배터리는 평균 13.8V로 측정됨. 블루투스도 있어서 셀 상태와 방전량을 확인할 수 있음.

이건 좀 못 믿겠음. 물론 가격은 내려가겠지만 한계가 있음. 더 저렴해질 수 있는 재료가 배터리 비용에서 차지하는 비중은 약 30% 정도임. LFP도 성숙한 기술이지만 계속 저렴해지고 있고. 팩 가격으로 계산해도 꼭 맞지는 않음. 테슬라 NCM 팩 신품이 약 1만 4천 달러인데 kWh당 186달러 정도임.

나도 DR-Z400S 오토바이의 납산 배터리를 LFP로 바꿨음. 무게와 무게 중심 차이가 너무 커서 서스펜션 처짐을 다시 조정해야 했음. 차체가 대략 140kg이고 키가 높고 좁은 편인데, 배터리가 뒷 서스펜션 위쪽에 높게 놓여 있음. 실제로 차이가 확실함. 이렇게까지 크게 느껴질 줄은 몰랐음.

LFP 배터리도 꽤 안전함. 시연 영상들을 보면 금속 칼로 반으로 잘라도 용량이 줄어드는 것 말고는 별일이 안 생김. 단락 전류 때문에 칼은 뜨거워질 것 같지만. 어떤 화학 원리인지는 모르겠는데 인상적임.

제대로 된 ‘안전한’ 배터리는 CATL의 나트륨 배터리와 프로로지움의 전고체 배터리뿐이라고 봄. LFP와 NMC는 널리 쓰이지만 위험성이 당연하게 받아들여지고 있음. LFP는 열폭주 시 수소를 배출하고, 이를 태워 없애려면 지속적인 점화가 필요하며 며칠에서 몇 주까지 타거나 연기를 낼 수 있음.

LFP에 마그네슘을 더한 LFMP 계열은 이 문제를 대부분 해결했음. 현재는 LFP만큼 오래가지 못해 가정용 배터리에는 적합하지 않지만, 자동차의 일반적인 수명은 감당하면서 추운 기후 문제를 해결한다고 함.

배터리 안전성은 에너지 밀도와 직접적인 관련이 크지 않음. 에너지 밀도가 높으면 사고 결과가 더 심각해질 수는 있지만, 애초에 화재가 날 확률을 알려주지는 않음. 현재 리튬 이온 배터리가 위험한 이유는 가연성 전해질을 쓰기 때문임. 에너지 밀도가 더 높으면서 고체나 반고체 전해질을 쓰는 배터리도 있음. LFP나 나트륨 이온을 걱정하는 것도 시간 낭비에 가까울 수 있음.

배터리 화재가 엄청 흔한 것처럼 말하는데 꼭 그렇진 않음. 특히 LFP 화재는 꽤 드물고, 지금은 상당히 안전한 편으로 여겨짐. 천천히 탄다는 건 에너지도 오랜 시간에 걸쳐 방출된다는 뜻임. 전기차 화재에서도 대부분 사람들은 빠져나옴. 소방관 입장에선 오래 기다려야 해서 처리하기 번거롭지만, 휘발유 차 화재는 도착할 때쯤이면 대부분 끝나 있음. 연료탱크에 불이 붙으면 오래 걸리지 않으니까. 전기차 화재는 뉴스에 나오지만 휘발유 차 화재는 흔해서 대개 뉴스에도 안 나옴. 요즘 LFP 배터리는 불 붙이기도 꽤 어려워서 제조사들이 총을 쏘거나 못을 박고 건물에서 떨어뜨리는 식으로 안전성을 시연하기도 함. 반면 휘발유 차 화재는 사망 사고로 이어질 수도 있음. 영화에서는 시끄럽고 폭발하는 휘발유 차가 더 극적으로 보이겠지만.

‘가스가 더 잘 타고 독성도 강하다’고 했는데, 나트륨 이온 배터리에는 여러 양극재 후보가 있고 아직 업계가 하나를 최고로 정한 건 아님. 안전 특성도 양극재에 따라 달라짐. 내가 기억하기로 배출 가스에 독성이 있을 수 있는 건 프러시안블루 유사체 계열이고, 현재 상용 나트륨 이온 배터리는 이 양극재를 쓰지 않는 걸로 앎. 다른 양극재에서는 배출 가스가 수소라서 다른 배터리와 마찬가지로 가연성이 있음. 위에 링크된 논문에서는 한 종류의 양극재가 배터리 관리 시스템 고장을 전제로 과충전 손상과 열폭주 위험이 LFP보다 약간 높지만 다른 리튬 이온 배터리보다는 낮다고 결론 냈음. 반면 구멍이 뚫리는 물리적 손상은 리튬 이온 배터리보다 덜 위험했음. 양극재마다 다르고 경험도 더 쌓아야 하니 나트륨 배터리 전체에 대한 확정적인 결론은 아님.

아님. 원자량만 보면 같은 질량의 리튬이 나트륨보다 약 3.3배 많은 전하를 저장하고 전압도 약 10% 높을 수 있음. 다만 실제 배터리에서 리튬이나 나트륨이 차지하는 질량은 일부라서 완제품의 질량당 에너지 차이는 훨씬 작음. 현재 LFP와 나트륨 이온 배터리는 질량당 에너지와 가격이 비슷하고, 둘 다 더 비싼 NMC 배터리보다는 에너지 밀도가 낮음. 나트륨은 아직 새 기술이라 조금 더 비싸지만 결국 상당히 저렴해질 거라고 봄. 아주 낮은 온도에서 충전하거나 완전히 방전해야 하는 용도라면 지금도 장점이 있음.

리튬이나 나트륨보다 업계가 전고체 배터리로 전환하는 게 더 낫고 안전한 해결책 아닌가?

원래 더 저렴해야 하는 거 아니었음?

나트륨 이온 배터리의 기대되는 점은 재료가 저렴하고 풍부하다는 것임. 재료비가 대략 kWh당 20달러 수준이라고 함. 지금은 아직 비싸지만 생산이 늘어나면 가격이 내려갈 여지가 큼. 생산이 수요를 조금 넘길 정도가 돼야 정말 좋은 가격이 나오는 법이고.

석유를 사는 데 쓰는 돈 대신 배터리 연구에 10년마다 수천억 달러씩 넣었다면 정말 이 분야에 더 진전이 없었을까? CATL도 정기적으로 새로운 기술을 발표하는데 난 믿기 어려움. 나도 비전문가지만 유럽의 석유 수입 비용을 생각하면 그 돈을 배터리 연구에 쓸 수 있지 않았을까 싶음. 태양광도 20년 전엔 1Wp당 3~5유로였는데 지금은 7센트 수준이잖음. 연구가 크게 가속되지 않았다면 불가능했을 거임.

진전은 있겠지만 투자금과 성과가 비례하는 건 아님. 쉬운 성과는 초기에 거뒀을 수 있어서 1천억 달러를 더 쏟아도 결과가 없거나 개선이 작을 수 있음. 배터리 용량과 수명을 획기적으로 늘리려면 재료과학의 큰 돌파구가 필요하고, 그런 돌파구는 내연기관 최적화 같은 예상 밖의 분야에서 나올 수도 있음.

연료 저장시설에는 심각한 위험이 없다고 진심으로 주장하는 거임?