리튬 VS 소듐, 이차전지의 화학과 산업의 미래

리튬 VS 소듐, 이차전지의 화학과 산업의 미래

대학생신재생에너지기자단 28기 남호정

 

배터리 시장 현황과 소듐전지의 개발 

최근 국내 배터리 시장이 휘청이고 있다. 현재 전기차 시장은 캐즘 현상을 겪고 있다. 캐즘이란 초기 시장에서 대중 시장으로 전환하는 과정에서 수요가 일시적으로 정체되는 현상을 의미한다. 미국 트럼프 정부의 인플레이션 감축법(IRA), 첨단제조생산세액공제(AMPC)를 무효화하는 정책을 도입하면서, 한국 배터리 산업에 비상이 걸렸다. 국내에서 제조한 배터리를 미국으로 수출할 수 없는 상황이 되었고, 수출 의존도가 높은 한국 배터리 산업은 직격탄을 맞게 되었다. 특히 우리나라는 전기차 배터리와 에너지 저장장치 분야에 있어서 미국 시장을 핵심 수출처로 삼아 왔기에 이번 정책은 우리나라 산업 전반의 경쟁력 약화로 이어질 수 있다는 우려가 제기된다.

또한, 우리나라는 고성능, 고부가가치 영역에서 기술력을 인정받고 이를 주력사업으로 하고 있지만, 중국 정부의 강력한 보조금 정책과 큰 규모의 자체시장, 원자재 확보력을 기반으로 배터리 대량 생산 및 가격 경쟁력을 확보하며 중국 기업의 압도적인 성장을 이루었다.

아래 원그래프는 SNE에서 발표한 2024년 기준 배터리 점유율 현황이다.

[자료 1. 2024년 기준 배터리 점유율]

출처 : Chat GPT

이중에서도 중국의 대표적인 배터리 회사 CATL은 가장 높은 점유율을 갖고 있으며 최근 소듐전지 개발을 최초로 성공하며 배터리 시장 점유율을 높이고 있다. 주로 많이 상용화된 리튬 이차전지는 주요 광물이 수급에 따라 높은 가격 변동성을 보여 가격 안정성이 낮은 편이다. 반면 소듐은 지구상에서 6번째로 풍부한 원소로 리튬 대비 30배 이상 저렴해 가격 안정성도 우수하게 갖추고 있다. 따라서 생산 원가가 리튬 이차전지에 비해 절반에 달할 것으로 전망하고 있다.

 

이차전지의 작동원리

배터리 산업의 전망에 대해 알아보기 전, 가장 많이 사용되는 배터리 중 하나인 이차전지가 무엇인지 알아보겠다. 이차전지란 이온이 양극과 음극 사이를 이동하면서 전기를 발생시키는 것으로 일차전지와 달리 재사용이 가능하다는 큰 장점이 있다. 이온이 여기서 핵심적인 역할을 담당하는데 산화반응과 환원반응에 따라 이온이 전해질을 통해 양극재와 음극재를 왔다갔다하며 에너지를 저장하는 역할을 한다. 이때 이 이온이 리튬인지 소듐인지에 따라 리튬이온배터리와 소듐이온배터리로 구분된다. 뿐만 아니라 리튬이온배터리에 사용되는 니켈, 코발트가 철, 망간으로 대체되어 원재료 값이 많이 낮아진다. 리튬을 이어 소듐이 차세대 배터리로 주목받는 이유는 먼저 리튬과 소듐은 원소주기율표 1족에 속해있어 성질이 유사한 알칼리 금속이며 소듐이 매우 구하기 쉽고 가격도 저렴하기 때문이다. 

[자료 2. 이차전지의 작동원리]

출처 : Chat GPT

위 그림은 이차전지의 작동 메커니즘을 간단히 나타내었다. 먼저 음극에서 산화가 일어나며 리튬이 리튬 이온과 전자로 분리된다. 이렇게 분리된 전자는 도체나 반도체를 따라 양극으로 이동하고 음극의 중성을 유지하기 위해 리튬 양이온은 전해질 쪽으로 빠져나간다. 그 다음 양극에 도달한 전자는 양극에서 환원 시킨다. 핵심 구성 요소는 양극재, 음극재, 전해질, 분리막으로 구성되어 있다. 양극재는 보통 전이금속산화물을 음극재로는 흑연을 주로 사용한다. 흑연은 넓은 판이 여러 겹으로 존재하는데 판 사이사이에 이온이 들어있다가 방전 시 산화된다. 분리막이란 다공성 구조로 리튬이온의 이동이 가능하며, 양극과 음극의 접촉을 차단하여 폭발을 방지하는 역할을 한다. 만약 분리막이 없다면 양극과 음극이 접촉하게 되어 산화환원반응이 매우 빠르게 일어나 열이 발생하여 전해질로 사용하는 유기 용매에 불이 붙을 경우 그대로 사고 발생으로 이어진다.

 
소듐전지와 리튬전지의 용도 차이 및 대체제가 될 것인가에 대한 고찰

소듐 전지가 현재 주목 받고 있는 이유가 무엇일까? 가장 큰 원인은 안정성이다. 최근 리튬 배터리 폭발 사고가 많이 발생하면서 안전한 배터리에 대한 관심이 높아지고 있다. 소듐이온배터리는 리튬에 비해 열적 안정성이 높아 화재 위험성이 적다. 또한 리튬 이온 배터리가 추운 날씨에 성능이 60~70% 정도까지 떨어지는 것과 비교해 소듐 배터리는 영하 40도에서도 90%의 성능을 유지할 수 있다. 게다가 더 많은 충전 주기를 견딜 수 있기 때문이다.

위에서 언급한 바와 같이 원재료가 리튬, 니켈, 코발트 대신 나트륨, 철, 망간으로 바뀌면서 전지의 특징을 많이 변형시킨다. 리튬이온은 작고 가벼워 고에너지 밀도를 구현할 수 있으며 에너지 밀도는 약 150~180Wh/kg 정도를 가진다. 반면에 소듐이온은 크고 무거워 상대적으로 에너지 밀도가 120~150Wh/kg으로 리튬이온배터리보다 낮아 저속 차량 주행거리가 400km 미만인 모델 등에 주로 사용된다. 에너지 밀도 차이의 가장 큰 원인은 리튬과 소듐의 원자량 차이 때문이다. 소듐이온은 리튬 이온에 비해 무게가 약 3배 가까이 무겁다.

용도 차이와 성능 차이가 명확하게 존재하기에 소듐 배터리가 리튬 배터리를 대체할 가능성은 낮을 것이다. 리튬이온배터리는 중량·부피 에너지 밀도와 성능 측면에서 여전히 우위에 있으며, 프리미엄 전기차나 항공용 배터리에 주로 사용된다. 반면 소듐이온배터리는 저온성능, 충방전 속도, 낮은 원가 측면에서 두각을 나타내고 있으며, 앞으로 도심형 소형 ESS나 이륜차 등 가성비가 더 중요한 시장에 많이 적용될 것이다. 즉, 에너지 밀도와 가성비 차이에 따라서 용도가 다르기에 보완재로서는 가능할지 모르겠으나 완전한 대체제가 되진 않을 것이라 예상한다. 

 

배터리 산업의 전망과 국가 대책

소듐전지의 장점은 분명히 존재한다. 그러나 현재 널리 상용되는 리튬전지가 완전히 대체되지 않을 것이다. 현재 중국 기업들이 매우 높은 배터리 시장 점유율을 차지하고 있다 해도, 우리나라는 고성능 및 고부가 가치 영역에서 꾸준히 기술력을 인정받고 있다. 그러나 최근 가성비와 안정성 위주의 배터리 수요가 급격히 증가하는 추세이므로 우리나라 또한 이러한 산업을 발전시키고 제품을 생산하여야 한다. 배터리 시장의 침체와 여러 문제점들을 해결하기 위해서는 국가의 제도적 지원이 필요하다. 국가에서는 이차전지 산업지원 특별법을 제정하여 배터리 생산 및 R&D 산업 보조금 지원과 배터리 부품 국산화율을 위한 외국산과의 원가차이 지원 등 이차전지 산업 펀드를 조성하여 꾸준한 지원 정책이 필요하다.

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이차전지에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "갈수록 잦아지는 배터리 화재사고, 막을 방법은 없을까?", 23기 김용대, https://renewableenergyfollowers.tistory.com/4110

[Remake, 인터뷰] 갈수록 잦아지는 배터리 화재사고, 막을 방법은 없을까?

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참고문헌

[배터리 시장과 소듐전지의 개발]

1) 강태화, 중앙일보, "서면 안하면 25%관세...근로자 풀어주자마자 압박", 2025.09.12, https://n.news.naver.com/article/025/0003468709?sid=104

2) 이유정, 더퍼블릭, "CATL, 소듐이온 배터리 양산 예고에... 한국 배터리 업계 촉각",2025.05.24, https://www.thepublic.kr/news/articleView.html?idxno=264128

[이차전지의 작동원리]

1) 박정기, "리튬이차전지의 원리 및 응용", 홍릉과학, p13, 2010.08.09

[소듐전지와 리튬전지의 용도 차이 및 대체제가 될 것인가에 대한 고찰]

1) 김성현, 이투데이, "K배터리 시장, 포트폴리오 다각화로 미래 경쟁력 확보할까", 2025.09.01, https://m.etoday.co.kr/news/view/2502034

[배터리 산업의 전망과 국가 대책]

1) 김민석, 신소재경제, "SNE리서치, K-배터리 생존 전략 제시", 2025.09.09, http://amenews.kr/m/view.php?idx=63787

2) 조민정, 이데일리, "K배터리 생존 전략은...KABC서 머리 맞댄다", 2025.09.09, https://n.news.naver.com/article/018/0006110895