리튬이온배터리와 비슷한 방식으로 작동하면서도, 리튬 이온(Li+) 대신 소듐 이온을 사용하는 2차 전지가 있습니다. 바로 소듐이온배터리(Sodium-ion Battery, 나트륨 이온 배터리)입니다. 소듐은 전 세계에 풍부하게 분포해 원재료 조달과 비용 측면에서 유리하며, 소듐의 특성에 맞는 전극 소재와 전해질을 적용하면 우수한 고율 특성과 저온 출력을 구현할 수 있습니다.
LG에너지솔루션은 소듐이온배터리의 특성을 바탕으로, 전장용 12·24V 제품부터 ESS(에너지저장장치)와 보급형 전기차(Affordable EV) 시장까지 확대하려는 로드맵을 추진하고 있습니다. 이번 시간에는 소듐이온배터리의 주요 특징과 함께, LG에너지솔루션이 추진 중인 소듐이온배터리 개발 로드맵을 함께 살펴보겠습니다.
소듐이온배터리(Sodium ion Battery)란?
소듐이온배터리(Sodium-ion Battery, 나트륨 이온 배터리)는 소듐 이온(Na⁺)이 양극과 음극 사이를 오가며 전기를 저장하고 방출하는 배터리입니다.
기존 리튬이온배터리처럼 소듐이온배터리 역시 양극, 음극, 전해질, 분리막으로 구성됩니다.
양극재에는 층상 구조의 소듐 전이금속 산화물(NaTMO₂), 다가음이온 계열, 프러시안 블루(Prussian Blue) 유도체 등이 주로 활용됩니다. 음극재로는 주로 하드카본(Hard Carbon)이나 소프트카본(Soft Carbon) 같은 탄소계 소재가 활용됩니다. 마지막으로 전해질에는 소듐염을 녹인 유기계 액체 전해질이 주로 사용됩니다. 전해질 속 소듐염은 소듐 이온과 음이온으로 분리돼 전극 사이를 이동하며 전류가 흐르게 됩니다.
이처럼 소듐이온배터리는 리튬이온배터리와 기본적인 구성과 작동 원리는 비슷하지만, 소듐의 특성에 맞는 전극 소재를 사용합니다. 이러한 소재의 차이는 두 배터리의 성능과 가격, 적합한 활용 분야에도 영향을 줍니다.
소듐이온배터리는 언제부터 연구됐을까?
소듐이온배터리는 최근 새롭게 등장한 기술이 아니라, 리튬이온배터리와 비슷한 시기부터 가능성이 연구돼 온 배터리입니다.
1807년 영국의 화학자 험프리 데이비 경(Sir Humphry Davy)이 전기분해를 통해 소듐을 처음 분리한 이후, 소듐의 화학적 특성에 관한 연구가 이어졌습니다. 1970년대에는 이황화티타늄(TiS₂)의 층상 구조에 리튬 이온을 삽입해 전기화학 반응을 유도하는 연구가 처음 제안되면서, 이를 배터리에 응용하는 움직임이 시작됐습니다.
이어 1980년대에는 이황화티타늄 구조에 소듐 이온을 삽입한 경우에도 상온에서 고효율, 가역 전기화학 반응이 가능하다는 사실이 밝혀지면서, 소듐 역시 배터리 전극의 반응을 유도할 수 있는 이온임이 입증되었고, 본격적인 연구가 시작됐습니다. 그리고 같은 시기 리튬 코발트 산화물(LiCoO₂)의 전기화학 성능이 알려지면서, 소듐을 포함한 층상 산화물(NaₓCoO₂)의 전극 특성에 관한 연구도 진행됐습니다. 이를 통해 소듐 역시 층상 전극 구조 안에서 이동하며 충전과 방전 반응을 일으킬 수 있다는 가능성이 확인됐습니다.
소듐이온배터리가 주목받는 이유는 무엇일까?
1) 공급 및 가격 변동성 감소: 소듐은 지구상에서 5번째로 풍부한 원소로, 암염(Rock Salt)이나 해수의 염 형태로 전 세계에 널리 분포해 있습니다. 여러 지역에서 원재료를 확보할 수 있어 공급망 리스크가 낮고, 원재료 가격도 리튬 대비 100분의 1 미만 수준입니다. 이처럼 풍부하고 상대적으로 저렴한 소듐을 활용하면 원재료 수급과 가격 변동에 따른 부담을 낮추고, 배터리 소재 비용을 절감하는 데 도움이 될 수 있습니다.
2) 가격 경쟁력 확보: 소듐이온배터리는 집전체 소재가 리튬이온배터리와 다르기 때문에 그로 인한 가격 경쟁력을 확보할 수 있습니다. 리튬이온배터리는 일반적으로 음극 집전체로 구리를 사용합니다. 하지만 소듐은 알루미늄과 반응하지 않는 특성이 있기 때문에, 소듐이온배터리는 음극 집전체에도 구리보다 가격 경쟁력이 있는 알루미늄을 사용할 수 있습니다.
3) 우수한 고율 특성과 저온 출력: 소듐이온배터리는 특정 전극 소재와 전해질을 적용하면 낮은 온도에서도 비교적 안정적인 성능을 유지할 수 있습니다. 실제 일부 연구에서는 영하 20℃에서도 상온 초기 용량의 약 90%를 유지했는데요. 같은 조건에서 리튬이온배터리의 용량이 약 60~70% 수준으로 낮아진 것과 비교해 상대적으로 우수한 저온 성능을 보였습니다. 때문에 배터리 업계에서는 소듐이온배터리가 전기차에 적용될 경우 겨울철에 성능이 저하될 가능성이 낮아질 것이라 기대하고 있습니다.
이와 함께 짧은 시간에 비교적 큰 전류를 주고받을 수 있는 고율 특성도 소듐이온배터리의 주요 강점으로 꼽힙니다.
4) 고에너지 밀도 구현 가능성 존재: 소듐이온배터리는 고에너지 밀도를 구현할 수 있는 잠재력을 지닌 배터리입니다. 소듐은 리튬과 같은 알칼리 금속 계열에 속하며, 이온 반지름과 무게, 표준 환원 전위 등의 특성이 다른 원소에 비해 리튬과 상대적으로 유사합니다. 이러한 유사점 때문에 기존 리튬이온배터리의 기술을 기반으로 한 셀 구조와 설계 방식을 소듐이온배터리에도 비교적 수월하게 적용할 수 있다는 장점이 있습니다.
소듐이온배터리와 리튬이온배터리는 어떻게 다른가요?
소듐이온배터리는 충·방전 과정에서 소듐 이온을, 리튬이온배터리는 리튬 이온을 사용합니다. 기본 작동 원리는 비슷하지만, 사용하는 이온과 전극 소재가 달라 에너지 밀도와 원재료 수급, 저온 성능, 가격 경쟁력 등에서 서로 다른 특성을 보입니다.
| 항목 | 소듐이온배터리 | 리튬이온배터리 |
|---|---|---|
| 충∙방전 매개 이온 | 소듐이온(Na+) | 리튬이온(Li+) |
| 대표 양극재 | 소듐 전이금속 산화물, 프러시안 블루 유도체, 다가음이온 계열 | NCM, NCA, LFP 등 |
| 대표 음극재 | 하드카본·소프트카본 등 탄소계 소재 | 흑연, 실리콘계 소재 |
| 음극 집전체 | 알루미늄 활용 가능 | 주로 구리 사용 |
| 주요 강점 | 가격 경쟁력, 고율 특성, 저온 출력, 고에너지 밀도 구현 가능성 | 높은 에너지 밀도, 안정적인 생산·공급 생태계 |
다만 배터리의 실제 성능은 양극재와 음극재, 전해질의 조합과 셀 설계에 따라 달라질 수 있습니다.
소듐이온배터리 상용화를 위한 기술적 과제는?
소듐이온배터리는 가격 경쟁력과 저온 성능, 고율 특성 등 여러 장점을 지니고 있지만, 여러 분야에서 활용되기 위해서는 에너지 밀도와 전극 소재의 안정성을 더욱 높여야 합니다.
1) 에너지 밀도 향상
소듐이온배터리의 상용화를 위해 가장 먼저 해결해야 할 과제는 에너지 밀도 향상입니다. 소듐은 리튬보다 원자 하나의 무게가 3.3배 이상 무거워 전극 소재의 중량당 용량이 낮습니다. 여기에 배터리 전압에 영향을 주는 표준 환원 전위도 리튬이 -3.04V인 데 비해 소듐은 -2.71V로 더 높습니다. 동일한 구조에서는 소듐이온배터리의 작동 전압이 상대적으로 낮아지는 경향이 있는데요. 이러한 특성이 복합적으로 작용하면서 현재 소듐이온배터리의 중량당 에너지 밀도는 약 140~160Wh/kg 수준으로, 리튬이온배터리보다 낮은 편입니다.
2) 충·방전 과정에서 전극 구조의 안정성 확보
소듐 이온은 리튬 이온보다 반경이 크기 때문에 전극 소재 안으로 삽입(Intercalation)되고 다시 빠져나오는 탈리(Deintercalation) 과정에서 구조적 변화를 일으킬 수 있습니다. 이 같은 충·방전 과정이 반복되면 전극 소재의 안정성이 낮아지고, 배터리의 수명과 성능에도 영향을 줄 수 있습니다.
또한 소듐 이온은 크기가 커 리튬이온배터리의 대표적인 음극재인 흑연의 좁은 층간 구조에 안정적으로 저장되기 어렵습니다. 때문에 소듐이온배터리에는 흑연보다 층간 공간이 넓은 하드카본이 음극재로 연구되고 있습니다.
3) 하드카본의 초기 충·방전 효율 개선
하드카본의 초기 충·방전 효율을 높이는 것도 중요한 과제입니다. 소듐이온배터리용 하드카본은 일반적으로 약 80~90%의 초기 충·방전 효율을 보이는데요. 이는 리튬이온배터리에 사용되는 흑연보다 낮은 수준입니다.
첫 충전 과정에서 일부 소듐 이온이 계면층 형성 등의 반응에 사용돼 다시 방전되지 않으면 비가역 용량이 발생합니다. 이로 인해 실제로 활용할 수 있는 소듐 이온의 양이 줄어들고, 셀의 에너지 밀도도 낮아질 수 있는데요. 따라서 하드카본의 저장 용량뿐 아니라 초기 충·방전 효율을 함께 높이기 위한 소재 구조 및 표면 제어 연구가 진행되고 있습니다.
4) 소듐 전이금속 산화물 안정성 보완
양극재로 사용되는 소듐 전이금속 산화물의 안정성 보완도 중요한 연구 과제입니다. 일부 소듐 전이금속 산화물은 공기 중 수분에 민감하게 반응하는 특성이 있습니다.
습한 환경에서는 소재 내부의 소듐 이온이 과도하게 빠져나가 전기화학적 성능이 저하될 수 있으며, 표면에서는 수분과 반응해 전이금속 산화물이나 수산화물이 형성되기도 합니다. 그 결과 전극 특성이 변화해 배터리 성능 저하로 이어질 수 있습니다. 때문에 소듐 전이금속 산화물에 대한 소재 연구가 과제로 떠오르고 있습니다.
LG에너지솔루션의 소듐이온배터리 개발 로드맵
LG에너지솔루션은 차세대 배터리를 2차 전지 분야의 미래 먹거리로 삼고, 다양한 기술 개발에 힘쓰고 있습니다. 2025년 3월 국내 최대 규모 배터리 전시회 ‘인터배터리(InterBattery) 2025’를 통해 소듐이온배터리의 단계별 개발 로드맵을 처음 공개했는데요. 현재는 2027년 상용화를 목표로 기술 개발을 추진하고 있습니다.
LG에너지솔루션은 소듐이온배터리의 고출력 특성을 활용해 자동차 시동용 납축전지를 대체하고, 전장용 12V·24V 배터리와 무정전 전원장치(UPS)*, 에너지저장장치(ESS) 등에 우선 적용할 계획입니다. 이러한 제품은 짧은 시간에 안정적인 출력을 공급하고 낮은 온도에서도 성능을 유지하는 것이 중요해 소듐이온배터리의 강점을 활용하기에 적합한데요. 향후에는 리터(ℓ)당 450Wh 수준으로 에너지 밀도를 높여 보급형 전기차용(Affordable EV) 배터리까지 확대할 계획입니다.
또한 소듐이온배터리 제조 공정에는 기존 습식 코팅 공정을 대신하는 건식 전극 공정을 도입할 계획입니다. 건식 전극 공정은 용매를 사용하는 코팅·건조 과정을 줄일 수 있어 생산 공정을 단순화하고, 생산 효율성과 경제성을 높이는 데 유리합니다. 더불어 LG에너지솔루션은 소듐이온배터리 제조에 기존 리튬이온배터리 생산 라인을 활용하는 전략도 추진하고 있습니다.
핵심 Q&A
Q. 소듐이온배터리란 무엇인가요?
소듐이온배터리는 소듐 이온(Na⁺)이 양극과 음극 사이를 이동하며 전기를 저장하고 방출하는 2차 전지입니다. 나트륨 이온 배터리와 같은 의미입니다.
Q. 소듐이온배터리의 주요 장점은 무엇인가요?
소듐이온배터리는 풍부하고 저렴한 소듐 원재료를 활용해 가격 경쟁력과 공급 안정성을 높일 수 있습니다. 또한 우수한 고율 특성과 저온 출력을 구현할 수 있습니다. 아울러 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있는 잠재력을 지녔습니다.
Q. 소듐이온배터리와 리튬이온배터리는 무엇이 다른가요?
두 배터리는 기본 작동 원리가 비슷하지만 사용하는 이온과 전극 소재가 다릅니다. 소듐이온배터리는 주로 하드카본 음극재와 알루미늄 집전체를 사용하며, 가격과 저온 출력에서 강점이 있습니다.
Q. 소듐이온배터리 상용화를 위해 해결해야 할 과제는 무엇인가요?
에너지 밀도를 높이고, 충·방전 과정에서 전극 구조의 안정성을 확보해야 합니다. 하드카본의 초기 충·방전 효율과 소듐 전이금속 산화물의 수분 안정성도 개선이 필요합니다.
Q. LG에너지솔루션의 소듐이온배터리 개발 로드맵은 무엇인가요?
LG에너지솔루션은 2027년 소듐이온배터리 상용화를 목표로 12V·24V 배터리와 UPS, ESS 적용을 추진하고 있습니다. 더 나아가 450Wh/L 수준의 에너지 밀도와 건식 전극 공정을 기반으로 전기차용 배터리까지 확대할 계획입니다.
지금까지 소듐이온배터리의 작동 원리와 주요 장점, 상용화를 위한 기술적 과제를 살펴봤습니다. 소듐이온배터리는 풍부한 원재료를 기반으로 가격 경쟁력을 높일 수 있고, 고율·저온 출력에 강점이 있어 전장용 12V·24V 배터리와 UPS, ESS 등 다양한 분야에서 활용 가능성이 주목받고 있습니다.
LG에너지솔루션은 소듐이온배터리의 에너지 밀도와 제조 경쟁력을 높여, 향후 전기차용 배터리로도 활용할 수 있도록 기술 개발을 이어갈 계획입니다. 차세대 배터리 시장에서 소듐이온배터리의 가능성을 넓혀갈 LG에너지솔루션의 행보를 지켜봐 주세요!
