1. 개요2. 상세3. 소재
3.1. 납 축전지3.2. 니켈 충전지3.3. 리튬 이온 전지
4. 규격 및 해당 제품5. 점유율 변천사6. 관리7. 재활용8. 개발진행 중인 배터리3.3.1. 열폭주 위험성3.3.2. 양극재에 따른 분류
3.4. 용융염 전지3.5. 산화-환원 흐름 전지3.6. 알카라인 충전지3.7. 나트륨 이온 전지 (NIBs, SIBs)3.3.2.1. 리튬 코발트 산화물(LCO)3.3.2.2. 리튬 망간 산화물(LMO)3.3.2.3. 리튬 니켈-코발트 다원계(Li-NCM, NCA, NCMA)3.3.2.4. 리튬 인산철(LFP)
3.3.3. 음극재에 따른 분류3.3.4. 전해질에 따른 분류8.1. 전고체 전지8.2. 리튬-황 전지8.3. 금속 공기 전지8.4. 알루미늄 이온 전지8.5. 바나듐 흐름 전지8.6. 바나듐 이온 전지8.7. 해수 전지8.8. 기타 차세대 전지
9. 기타10. 관련 기업(한국)11. 관련 문서1. 개요
二次 電池 / secondary cell축전지(storage battery), 충전지(rechargeable battery, 충전식 전지) 혹은 배터리라고 부르는, 외부의 전기 에너지를 화학 에너지의 형태로 바꾸어 저장해 재사용할 수 있게 만든 전지.
2. 상세
2차 전지란 이름은 전지를 두 번(또는 그 이상) 쓸 수 있다는 뜻이 아니라 1차 전지(소재만 연결하면 전지가 되는 것)가 있어야 그것으로 충전시켜 전지를 만들 수 있었기 때문에 2차라는 이름이 붙었다. 발전기가 발명되어 전지로 전지를 충전해야만 하는 비효율적인 행위는 이젠 안 하게 됐지만, 조립만 하면 간단히 만들 수 있는 전지(1차)와 충전과 방전을 반복하면서 재사용할 수 있는 전지(2차)라는 용도로 적절하게 사용되어 왔다.재사용이 불가능한 1차 전지보다 경제적이고 환경친화적이다. 우리 주변의 흔한 AA 또는 AAA 건전지로 비교해보면, 충전지의 가격은 1회용 건전지보다 몇 배~몇 십 배까지 비싸지만 상업용으로 판매되는 제품의 경우 대개 500회 이상의 재사용을 보장한다. 1차 전지에 무리하게 충전을 시도할 경우, 충전이 아니라 엉뚱한 물질이 생성되거나 파괴가 일어나며, 누액이 발생하거나 심지어는 폭발할 가능성도 있으니 주의. 일차 전지에 충전하지 말라는 주의사항이 괜히 있는 것이 아니다.
2차 전지를 잘못 제조 또는 사용할 경우 폭발, 화재, 누액 등의 위험성이 있으므로 다수의 국가에서 여러 유형의 이차 전지가 안전인증(한국의 경우 KC 인증) 대상으로 규정되어 있다. 한국 기준으로 니켈 카드뮴, 니켈 수소, 리튬 이온 전지가 법적으로 안전인증 의무 대상이다.
KERI(한국전기연구원) 배터리 가이드북 링크.
3. 소재
주로 쓰이는 이차 전지는 기존의 자동차에서 주로 사용되어 온 납 축전지(lead-acid accumulator), 워크맨 등의 오래된 가전 제품에서 사용되던 니켈카드뮴 전지(NiCd)와 니켈수소 전지(NiMH), 그리고 현대의 스마트폰을 비롯한 각종 가전제품과 전기자동차에서 사용되는 리튬 이온 전지(Li-ion) 등이 있다.3.1. 납 축전지
| 바르타의 AGM 방식 납 축전지(모터사이클용) |
만일 폭발 또는 실수로 인해 납 축전지에서 황산이 유출되었을 경우에는 반드시 다량의 물로 씻어내거나 베이킹 소다나 암모니아수 등 약알칼리성 물질로 중화시켜야 한다. 참고로 수산화 나트륨이나 수산화 칼륨과 같은 강알칼리성 물질은 2차 피해를 입힐 수 있으므로 사용해서는 안된다.
사실 납은 지구 지각에서 리튬이나 코발트보다도 희귀한 원소이다. 역시나 흔하지 않은 우라늄이 라듐으로 붕괴하고, 이게 다시 붕괴해 폴로늄이 되고, 그게 또 붕괴한 것이 납이니까. 그럼에도 불구하고 납 축전지가 저렴한 이유는 채산성 있는 납 광산은 리튬과 코발트와 달리 전 세계적으로 고르게 분포해 있고, 폐 납 축전지의 재활용이 활발하기 때문이다. 폐기된 납 축전지의 납은 거의 대부분 재활용되어 새 납 축전지를 제조하는 데 사용된다.
납 축전지가 자동차 시동용 배터리로 많이 쓰이는 관계로 대부분의 납 축전지는 여기에 맞춰 순간적으로 전류를 많이 흘릴 수 있도록 고방전율 설계가 되어 있다. 그런 고로 완충 후 순간적으로 큰 전류를 짧게 사용, 이후 다시 완충하는 식으로 사용하도록 설계되어 있다. 그래서 방전된 채로 방치되면 쉽게 망가진다. 용량의 50%를 사용하고 일주일만 충전 안 해도 사용한 50%는 재충전이 어렵다. 이런 이유로 자동차 시동용 납 축전지를 보통의 충전지처럼 사용하면 몇 번 쓰지도 않은 채 못 쓰게 된다.[4]
이런 이유로 자동차용 배터리와 정 반대 성향의 딥사이클 배터리라는 제품이 있다. 이는 순간적으로 큰 전류를 흘리지는 못하지만 보통의 충전지처럼 가지고 있는 용량의 대부분을 사용하고 다시 충전할 수 있도록 만든 제품이다. 보통 전동 지게차나 각종 산업용 공사용 리프트, 장애인 휠체어 등의 전원으로도 쓰인다. 자동차용 배터리처럼 수요가 많지 않은 탓에 가격이 비싼 편인데 리튬 이온 배터리의 발전에 따라 이 분야는 빠르게 리튬 이온 배터리로 대체되고 있다. 여담으로 보통 어린이들이 타고 노는 장난감 전동차 또한 이 딥사이클 배터리를 사용해야 맞지만 가격을 낮추기 위해 오토바이 시동용으로 쓰이는 일반 납 축전지를 사용하는 경우가 많다. 당연 윗줄에 언급한 특성상 사용하자마자 바로 충전하지 않으면 배터리가 금방 망가진다.
시동용 납 축전지는 CCA(Cold Cranking Amp, 저온 시동 전류)라는 값도 있는데, 말 그대로 저온(약 -20℃)에서 시동 시 공급할 수 있는 전류를 의미한다. 이 수치는 수명과 함께 줄어들므로 수명이 얼마 남지 않은 배터리는 저온에서 시동을 걸지 못하는 일도 발생할 수 있다.
납 축전지가 자동차에 쓰이는 이유는 가격이 저렴하기도 하고, 큰 전류를 흘리는 것도 있겠지만, 자동차를 운전하는 특성도 있기 때문이다. 자동차는 엔진과 연결되어 있는 알터네이터에서 전력을 생산하기 때문에 오랫동안 운전할수록 납 배터리가 충전되기 때문이다. 가격이 매우 싸고, 쓸 곳이 시동 거는 것과 조명 켜는 것뿐이기도 하며, 충전 속도가 너무 빠른 축전지를 쓰는 경우 에너지를 쓸데없이 낭비하기 때문에 충전 속도도 느리고 순간적으로 많은 전류를 흘릴 수 있으면서, 가격이 싼 납 배터리를 채택한 것이다. 과거에는 리튬 이온 배터리가 납 배터리보다 수십~수백배 이상 비쌌다. 다만, 요즘에는 5~10배 이내까지 줄어서 자동차 시동용으로도 리튬 이온 배터리가 장착되고 있는 추세다.
미래에는 자동차에서 납 축전지를 보기 어려워질 것으로 전망된다. 리튬 이온 배터리가 더욱 저렴해질 전망이고,[5] 시동용 나트륨 이온 배터리[6]도 등장하여 납 축전지가 설 자리가 줄어들 것으로 예상되기 때문이다. 게다가 전세계적으로 내연기관 차량을 점차 금지하는 추세이며, 전기차의 보조 전원 납 축전지도 리튬 이온 배터리로 대체되고 있다. 유럽 연합에서도 2030년까지 납 축전지를 금지하려는 계획이 있다.
단점은 중금속(납)과 강산(황산)을 사용해 인체와 환경에 해로우며, 무게가 무겁고, 충전 속도가 느리고,[7] 충방전 효율이 낮다는 것이다.[8] 전해액이 샐 수 있으므로 기울여 설치할 수 없다는 단점도 있다. 폐 납 축전지는 심각한 환경 오염을 일으켜서 절대 그냥 버려서는 안 된다. 폐 납 축전지는 법적으로 지정 폐기물로 정해져 있으며, 함부로 버리면 과태료를 물 수 있다. 단, 일반 건전지나 보조배터리 크기의 소형 납 축전지는 폐건전지함에 폐기해도 된다. 보통은 새 배터리를 구매할 때 업자가 헌 배터리를 수거해가며, 이런 업자나 카센타에 갖다 주면 자신들의 부수입이 되니 좋다고 받아준다.[9] 배터리 수거 재생 업체에 직접 가져가면 적게나마 돈도 받을 수 있다. 자동차의 운동 성능 향상을 위해 고급차는 배터리를 트렁크에 장착해 무게 배분을 하는 경우가 많다.
최근에는 리튬인산철(LiFePO4) 전지나 슈퍼커패시터를 이용한 경량 시동용 배터리를 중소기업에서 소규모 제작해 고가에 판매하거나 개인이 자작하는 경우가 있다. 아직까지 완성차 업체들이 채용하고 있지 않는 이유는 가격 문제가 크다.
지속적인 사용 시 전해액의 수분이 증발하거나 수소와 산소로 분해되어 줄어든다. 그래서 배터리 옆 부분에 가스를 배출시킬 수 있는 구멍이 있다. 비록 멤브레인 필터가 붙어 있긴 하지만 배터리를 뒤집으면 이곳으로 전해액이 새어 나올 우려가 있으니 웬만하면 뒤집지 말자. 또한 정상 사용 중에도 여기에서 부식성 전해액이 약간씩 새어나와 차체에 묻으면 차체가 부식되니 환기 호스를 꽂아 차량 외부로 배출하도록 되어있다. 배터리 교환 시 이 호스를 빼먹지 않도록 주의하자. 또한 사용하는 도중에 증류수를 보충해 줘야 한다. 반드시 증류수만 넣어야 한다. 수돗물이나 생수 같은 경수(硬水)를 넣었다간 미네랄이 반응해서 수명을 깎아먹는다. 황산 용액을 보충해서도 안 되는 게, 전해액의 비중이 달라지면 오히려 성능이 저하된다. 일선 군부대 수송부에서는 군용 차량용의 배터리를 전해액을 채운 완제품 상태가 아니라 진한 황산 말통과 빈 배터리를 보급받았다. 증류수를 구할 수 없어 커다란 통을 비 오는 날 연병장에 두고 빗물을 받아서 거기다가 비중계도 없이 황산을 말아서 배터리에 부어 넣는 주먹구구 운영으로 겨울철 시동성이 형편없는 경우가 잦았다. 요즘은 잘 갖춰진 수송부의 경우 전해액이 적정량으로 채워진 완제품으로 보급받으며 배터리 성능 저하가 의심될 경우 비중계를 사용해 상태를 체크한다.
군용 외에는 산업용 배터리(지게차, UPS 등)에서 보수형 납 축전지를 찾아볼 수 있다. 산업용 보수형 납 축전지는 셀 6개를 직렬해 하나의 12V 축전지를 구성하는 대신 개별 셀 단위(2V)로 판매되는 경우도 흔하다. 또한 같이 사용하는 비중계도 디지털 방식을 사용하는 경우가 늘고 있다. 그러나 뚜껑이 열린 상태에서 잘못 취급할 경우 유해 화학물질인 황산이 누출되어 피해를 입을 수 있으며, 전해액 상태 점검 및 재보충 또한 일반인이 하기에는 위험한 작업이므로 대부분 관련 사업자에게만 판매되고 있다. 증류수 보충 작업 뒤에는 반드시 뚜껑을 닫아야 한다.
다만 제대로 된 물건이 아닌 폐 배터리를 열악한 상황에서 어설프게 재활용해 쓰기 위해서 증류수가 아닌 수돗물을 부어넣는 짓을 하기도 한다. 'ZERO에서 시작하는 도시형 수렵채집생활'이라는 일본 노숙자의 노숙 기술을 다룬 책에서 이러한 것이 나오는데, 전기공작 기술이 있던 한 노숙자가 자기가 만든 방수천을 씌운 간이집에 아키하바라에서 사온 1만엔짜리 A4 사이즈의 12볼트짜리 태양전지를 달고 카센터에서 폐기된 배터리를 얻어다 수돗물을 부어서 거기에 전기를 충전해 전구를 켜거나 간단한 가전제품을 켜는데 쓰는 이야기가 나온다. 수돗물을 부은 정도로도 충분히 움직인다고.
그런데 요즘 자동차용 납 축전지는 MF(Maintenance Free) 방식이라 해서 밀폐형 구조와 함께 전해액 증발을 억제하기 위해 전극에 칼슘을 첨가해 납 축전지의 수명 종료 시까지 증류수를 보충해 줄 필요가 없게 만들었다. MF 방식이라고 해서 전해액이 줄어들지 않는 게 아니다. 보통 납 축전지의 수명이 2~3년 남짓인데, 그 안에 전해액 보충을 안 해 줘도 성능이 현저하게 저하되지 않는다는 뜻이며, 수명이 다 되면 전해액을 채워도 용량이 회복되지 않기 때문에 그냥 버려야 한다. MF 방식도 오래 쓰고 싶으면 보충 플러그를 열어서 증류수를 보충하면서 쓰면 그나마 4년까지도 쓸 수 있다.
납 축전지의 수명은 보통 2~3년, 딥사이클 축전지의 경우 4~5년 수준이다. 수명이 다하는 이유는 극판에 황산납 피막이 형성되는데 이것들이 이온 교환을 방해하기 때문이다. 평소에 충전을 자주해 전류를 일정 수준 이하로 떨어지지 않게 유지하면 오래 쓸 수 있으나, 반대로 너무 오래 방전을 해서 한 번이라도 충전 한계 전압 이하로 떨어지게 되면(완전 방전 혹은 심방전이라 함) 그 땐 극판에 황산납 피막이 두껍게 형성된 상태라서 재충전이 거의 안 되며 대부분 버리는 수밖에 없다. 딥사이클 배터리는 예외.[10] 재생 배터리들은 케이스를 분리해 극판의 황산납 박리 후 케이스를 다시 닫고 전해액을 새로 부은 것들이다. 개발 도상국에서는 가내수공업 방식으로 재생배터리를 만들기도 한다. #
일부 납 축전지 전용 충전기들은 '재생 충전 기능(Reconditioning)'이 있는데, 전류를 그냥 일정하게 흘려넣는 게 아니라 고주파 펄스 형태로 넣어 극판에서 진동이 발생하게 해 황산납이 조금이나마 떨어져 나가도록 유도한다. 충전기와는 별개로 배터리에서 전력을 받은 뒤 인덕터와 커패시터로 승압해 펄스 형태로 되돌려보내는 황산염 제거기도 있다.[11] 그렇지만 이미 완전 방전이 나서 심하게 망가진 배터리는 이걸 쓴다고 해서 살아나기는 매우 어렵다. 그냥 오래 써서 성능이 좀 시원찮은 배터리의 수명 연장용이라고 생각하면 된다.
태양광 발전, UPS 등 고정된 장소에서 사용되는 납 축전지에 저전력으로 충방전을 반복할 시 황산은 아래로, 물은 위로 층을 이루는 층화 현상이 발생해 용량이 저하될 수 있으며, 배터리를 약간 과충전시키거나[12] 직접 흔드는 방법으로 해소시킬 수 있다. 차량용 배터리의 경우 차량 운행 시의 진동으로 인해 황산 용액이 뒤섞이므로 이러한 현상이 일어나기 어려운 편이다.
최근에는 ISG(Idle Stop & Go) 기능을 적용하기 위해 충방전 속도 개선과 저온 시동성 개선[13]을 위해 전해액과 극판의 접촉률을 높이고자 유리 섬유 재질의 솜을 극판 사이에 끼워 전해액에 침지시킨 AGM 배터리의 장착이 늘고 있다. 이 유리 섬유 덕분에 배터리를 기울이거나 차량이 급가속 급제동을 해도 전해액이 새지 않을 뿐만 아니라 수준이 일정하게 유지되고 성능 변화가 적은 게 또 다른 장점인데, 가격이 일반 납 축전지 보다 비싼 게 단점이다.[14] 또한 AGM 배터리의 경우 주기적으로 정제수나 증류수 등을 보충한다면 노화로 인한 성능 저하를 늦출 수 있다. AGM 배터리는 DIN형 단자로 일반 배터리와 모양이 달라서 서로 다른 형식의 배터리는 장착이 불가능하다. 즉 순정 상태에서 AGM 배터리가 달려있다면 계속 AGM 배터리만 사용해야 한다. 따라서 자가 수리를 생각하고 있다면 먼저 원래 차량에 장착된 배터리 모델명을 찾아본다든지 해 어떤 배터리를 사용해야 하는지 파악하는 것이 좋다. ISG 기능이 없는 차량이라도 최근엔 차량 내외부에 전자기기가 느는 추세라 AGM 배터리를 보통 채용하기에 주의해야 한다.
한국에서 납 축전지를 제조하는 회사(브랜드)는 크게 5개사로, 세방전지(로케트[15]), 존슨컨트롤즈(델코[16]), 한국타이어(아트라스BX), 현대성우쏠라이트[17](쏠라이트), DN 오토모티브[18](엑스프로[19])가 있으며 OE와 애프터마켓 모두 이들이 골고루 나눠 점유하고 있다. 해외에서는 독일 차량에 순정으로 들어가는 바르타(Varta), 보쉬,[20] 이태리제 피암(Fiamm) 등의 제조사가 있으며, 오토바이 쪽에서는 일본의 유아사(Yuasa)가 유명하다. 단, 보쉬의 한국 차량용 납 축전지는 모두 세방전지(로케트)에서 공급하는 OEM 제품이다.
과거 아이와의 카세트테이프 워크맨의 전용 전지로도 2V의 납 축전지가 사용됐었다. 또한 충전식 전기파리채와 랜턴에서도 4V의 납 축전지가 사용된 적이 있다.
자동차나 산업기계(지게차 등)에 쓰이는 납배터리는 보통 '40L', '100R' 같은 식으로 모델명이 나가는 경우가 많은데, 앞의 숫자는 배터리의 전류량을, 뒤의 L/R은 + 단자가 정면을 기준으로 했을 때 왼쪽에 있는지(L) 오른쪽에 있는지(R)를 말한다. 다만 배터리 용량의 경우 일반적인 기준과는 조금 다른데, 보통 20시간율이라 해 20시간 동안 방전했을 때 한계 전압까지 떨어지는 상황에서의 용량을 적는다. 전력 소비량이 많아 이보다 빠르게 방전되는 경우 실제적인 용량도 줄어드는 결과가 나타나기에 전력 소비량이 많은 경우 더욱 배터리 용량을 넉넉하게 잡아야 생각한 만큼 전기를 쓸 수 있다.
여러가지 이유로 배터리가 방전되어 시동이 안 걸릴 때는 충전을 하거나 점프스타터라는 기기로 시동을 걸어야 한다.
비교적 최근(2020년대 초반)에 상용화된 방식으로 그래핀을 적용시킨 납 축전지도 존재한다. 기존 납 축전지보다 성능이 향상됨은 물론 황산염 발생도 억제되어 수명도 더 길다. 그러나 상용화된 지 얼마 되지 않아 해외에서만 약간씩 판매되고 있으며, 한국에는 판매되는 제품이 아직 없다. 리튬 이온 배터리의 가격 상승으로 인해 중국의 전기 이륜차 제조 기업에서는 일부 제품에 이 배터리를 채택했다.
납 축전지도 잘못 다룰시 화재, 폭발, 황산 누출 등 위험성이 있지만, 의외로 KC 인증 대상이 아니다.
3.2. 니켈 충전지
| 소니의 니켈 수소 전지. 일명 껌전지라고 불린다.[21] |
니켈 카드뮴 전지는 납 축전지에 이어 두번째로 발명된 이차 전지이다. 1899년에 발명됐다.
빌딩의 비상대피로 유도등 안에는 니켈카드뮴 전지가 조명용으로 들어간다. 한번 충전해 놓고 오랜 시간 사용하지 않고 버티다가 언제 올지 모르는 정전 시 비상유도 등에 불을 켜는 용도로서는 알카라인보다는 니카드 전지가 최적이다.
물론 세방전지나 이런 쪽에서는 AA 니카드 전지가 나오곤 있는데, 이는 일반 유저를 겨냥한 제품은 절대 아니다. 1/5에 불과한 초 저용량의 전지를 쓰고자 하는 사람이 얼마나 있겠는가. 하지만 니카드 전지의 가장 큰 특징은 니카드 전지 특유의 놀라운 안정성과 상당히 높은 방전률에 기인한다. 니켈 수소 전지에 비해 델타피크가 깔끔하게 뜨고, 그 이후 전류가 흐르지 않아 충전회로가 간단한 것은 많은 비상조명 시장에서의 선택으로 증명됐고, -30℃의 혹한에서도 제 용량을 보이며 고율방전이 가능한 점은 전문 사용자 입장에서는 매우 높은 이점을 가지고 있다. 그 덕에 지금 나오는 니카드 전지는 과거 방식에 현재의 첨단 기술이 들어간 형태로, 가격이 니켈 수소랑 비슷하다 보니 특정 전문분야 외에는 잘 안 팔린다. 물론 그래도 전국적인 수요를 보면 나름 스테디셀러.
니켈 수소 전지(Ni-MH, Nickel-Metal Hydride)는 2000년대 중반까지 인기가 있었다. 기존의 니켈 카드뮴 전지에 비해 고용량이었기 때문. 카세트테이프 플레이어와 휴대용 CD 플레이어 등에 필수로 쓰이던 사각형의 충전지(일명 껌전지)가 니켈 수소 전지이기도 했으며[22] 이후 보급된 MP3 플레이어와 컴팩트형 디지털 카메라(이른바 똑딱이)의 대부분이 전용 리튬 이온이 아닌 일반 전지로 구동됐기에 니켈 수소 전지가 주목받았던 점이 있었다. 이후 MP3 플레이어의 배터리도 내장형으로 바뀌었고 디지털 카메라의 배터리들도 상당수가 전용 배터리로 바뀌면서 수요가 많이 줄어들었다. 외부 배터리를 써야 하는 경우 아직 많이 쓰인다. 특히 고 성능의 제품에 경우 금방 방전이 되기 때문에, 일회용품인 알카라인 건전지에 비해 경제적이며 친환경적이라는 장점도 있다. 이케아의 경우 폐건전지를 줄이기 위해 알카라인 전지 판매를 중단하고 재충전 가능한 니켈 수소 전지만 판매하고 있다. 하이브리드 자동차의 구형 모델은 니켈 충전지가 아직도 쓰이고 있다.
이외에도 니켈 철,[23] 니켈 아연 등 다른 종류의 니켈 기반 이차 전지도 존재하나 니켈 카드뮴/니켈 수소보다 성능이 떨어지는 관계로 흔히 쓰이지는 않는 편이다.
3.3. 리튬 이온 전지
리튬을 주 소재로 해 만들어진 전지로, 요시노 아키라가 발명, 상용화하여 노벨상을 수상했다. 평균전압 3.6~3.8V, 완충전압 4.0~4.35V 이며[24] 스마트폰을 비롯한 휴대기기, 전기자동차 등에 쓰이며 현재 가장 쉽게 접할 수 있는 전지이다. 기존의 NiCd(니켈카드뮴)나 NiMH(니켈 수소) 전지보다 전압과 용량이 커서, "에너지 고밀도" 전지가 필요한 현대 휴대기기에서 적극적으로 사용되고 있다.공용 규격으로는 CR123의 충전판인 RCR123이나 18650, 21700 등이 있다.[25] 형태(원통형, 각형, 파우치형)에 따라 구분하기도 하고, 전해질, 양극재, 음극재의 재료 등에 따라 구분하기도 한다.
참고로 리튬 이온 전지의 리튬 함량은 낮은 편이다. 2000mAh 용량을 가진 18650 리튬 이온 전지에는 단 0.6g의 리튬만이 들어간다. 출처
리튬 이온 전지의 가격은 점차 하락하고 있는 추세이다. 2020년 평균 kWh당 가격은 $137(약 16만 원)였다. 그러나 이는 제조 원가이며, 소비자에게 판매하려면 보호회로 장착, 안전인증 등 추가 비용이 필요하므로 소매 가격은 이보다 훨씬 비싸다. 특히 2022년에는 여러 악재들로 인해 가격이 반등했다.
특히 리튬은 희토류에 준할 정도로 희귀한 원소이다. 지구의 지각에서 리튬이 차지하는 비율은 고작 0.0017%로 구리보다 적다. 또한 같이 사용되는 니켈과 코발트도 흔치 않다. 때문에 상대적으로 희귀한 리튬 대체하여 바다에서도 쉽게 구할 수 있는 나트륨을 사용하는 나트륨 이온 전지가 상용화되었다. 그러나 이론상 갖출 수 있는 질량 당의 에너지 밀도가 리튬의 절반 정도밖에 되지 않기에 연구개발 및 사용이 활발하지 않다. 그래도 과거부터 이차 전지에서 쓰여왔던 납이나 니켈보다는 가벼우므로 중간 정도의 에너지 밀도를 요구하는 분야(ESS 등)에서 사용될 것으로 예상된다.
참고로 과방전이 되면 내부적으로 비가역적인 손상이 일어나 용량이 크게 감소하게 된다. 리튬 이온 전지에서 과방전 보호를 하는 이유!!(네이버 블로그). 방전 종지 전압 미만으로 방전시키면 음극 집전체로 사용되는 구리박이 녹아서 손상되므로 과방전을 방지할 보호 회로와 함께 사용해야 한다. 구리박의 용해로 합선이 일어날 가능성도 있으므로 과방전된 리튬 이온 전지는 안전상 재충전하지 말고 폐기하는 것이 권장된다. [26] 한편 40%~50% 이하인 채로 방치할 때 열화 정도가 커지며 제조 후 오랜 기간 사용하지 않아도 열화가 일어나서 전체적인 용량이 줄어든다.
3.3.1. 열폭주 위험성
리튬 이온 전지 자체가 매우 불안정한 물건이기 때문에. 상술한 과방전 등의 위험하지 않은 단점과 별개로 리튬 이온 전지는 폭발[27]할 위험이 있다. 과충전이 됐을 경우에는 음극 쪽으로 부피가 팽창해 매우 불안정해지며, 특히 전력밀도가 매우 높고 대부분 전해액이 유기용제로 만들어지는 경우가 많아, 내부에서 쇼트(단락)가 나거나(양극과 음극이 어떠한 이유로 닿게 될 경우) 강한 외부충격을 받거나 과열되면 폭발해 화재[28]가 발생해 순식간에 겉잡을 수 없게 규모가 커질 위험성이 높다. 화재가 발생하면 인체에 치명적인 피해를 주는 불산 등이 생성되며[29], 리튬 이온 배터리에서 불이 났을 때 급하게 물로 끄려 하면 더 큰 폭발이 발생할 수 있으니 주의해야 한다.[30]
리튬 이온 전지에 들어가는 리튬은 금속이 아닌 이온 상태이므로 리튬 이온 전지 화재는 D형 금속 화재가 아니며[31], 내부의 전해액이 휘발유 이상의 인화성을 가진 고인화성 물질인 데다 발화시 코발트 산화물이 분해되어 산소를 방출하기 때문이다. 즉, 로켓 연료처럼 연료와 산화제가 이미 배터리 내부에 포함되어 있는 셈이며, 쇼트나 과충전 등으로 인해 열까지 발생하면 연소의 3대 조건(연료, 산소, 온도)이 모두 만족된다. 반면 비인화성 전해질을 사용하는 전고체 전지나 나트륨 이온 전지는 화재 및 폭발 위험이 현저히 낮다.
실제로 금속상태의 리튬이 들어가는 전지는 리튬 1차 전지와 연구단계에 있는 리튬 메탈 배터리인데, 리튬 1차 전지는 불에 넣거나 고의로 분해하지 않는 한 리튬에 의한 금속 화재는 발생하기 어렵다. 또한 리튬 1차 전지는 별다른 보호장치 없이도 판매 가능할 정도로 안전하다. 반면 리튬 메탈 배터리의 경우 기존 리튬 이온 전지보다 위험하여 안전성 확보가 상용화의 걸림돌이 되고 있다.
화재 및 폭발의 우려로 인해 다수의 국가에서 보호되지 않은 리튬 이온 전지(단전지)의 판매를 규제하고 있다. 대한민국의 경우 전안법에 의해 단전지는 공업용 전자부품으로 기업간 거래만 허용되며, 개인 판매를 금지하고 있다. 이를 위반하고 판매할 시 KC 인증이 없는 제품을 판매한 것과 동일한 처벌(3년 이하의 징역 또는 3천만원 이하의 벌금)을 받는다. 물론 보호 회로가 있는 리튬 이온 전지는 KC 인증을 거쳐 정상적인 판매가 가능하다. 또한 미국에서도 2021년부터 단전지의 소비자 판매를 금지했다.
규제가 없는 국가에서는 일반 판매가 가능하지만, 주머니에 금속성 물체와 같이 소지하지 말 것, 전자담배에 사용하지 말 것 등 각종 경고문을 붙여 판매하고 있다. 또한 규제가 없는 국가에서도 주요 배터리 제조 기업들은 단전지를 일반인에게 판매하지 않는 경우가 흔하다. LG에너지솔루션의 경우 단전지의 일반인 판매/구매/사용을 근절하는 켐페인을 진행하고, 자사 배터리에 소비자 사용을 금지하는 경고 라벨[32]까지 인쇄해놓았다. 삼성 SDI에서도 소비자가 단전지를 전자담배에 사용하거나, 기기에 설치하거나, 휴대하거나, 취급하지 말라는 경고문을 인쇄하고 있다.
그러나 이러한 규제로 인해 일반 소비자들은 안전해질 수 있어도 DIY 배터리 팩 제작자 혹은 시제품을 만드려는 예비창업자에게는 큰 걸림돌이 된다. 아무리 전문 지식이나 전기·전자 관련 자격증(배터리성능평가사 포함)이 있어도 관련 업종의 사업자 등록증이 없는 일반인 신분으로는 비보호 배터리의 구매가 불가능하기 때문이다. 이를 우회하기 위해 완제품 배터리 팩(주로 중고품)을 거래한 뒤 분해하거나, 소량이 필요할 경우 해외 직구로[33] 구입하는 방법이 사용되고 있다. 관련 업체의 사장 또는 직원이더라도 화학물질 구매시처럼 사업자 등록증을 제출하고 용도까지 설명해야 해서 규제 이전보다 구매가 번거롭다.
또한 전안법 규제가 다원계 리튬 이온 전지뿐 아니라, 리튬 인산철, 리튬 티타늄 산화물 등 폭발 및 화재 위험성이 낮은 다른 리튬 이온 계열 배터리까지 하나로 묶어서 적용되므로 안전함에도 불구하고 구매 자격이 제한되는 문제점도 있다.
3.3.2. 양극재에 따른 분류
3.3.2.1. 리튬 코발트 산화물(LCO)
LCO(Lithium Cobalt Oxide; 리튬 코발트 산화물)는 전이 금속으로 코발트를 활용하는 가장 대표적인 리튬 이온 전지로 소형전지분야에선 계속해서 많이 사용되고 있는 소재이다. 제조공정이 쉽고, 오래전부터 개발된 물질인 만큼 다른 양극재에 비해 비교적 안정적인 편에 속하는 것이 장점이다. 그러나 주요 소재인 코발트의 높은 가격과 몇 가지 문제점으로 인해 이론상 용량을 모두 낼 수 없다는 점이 단점이다.3.3.2.2. 리튬 망간 산화물(LMO)
LMO(lithium manganese oxide; 리튬 망간 산화물)의 경우 망간을 사용해 가격이 저렴하고 스피넬 구조라는 특유의 구조로 인해 출력은 높지만, 수명과 에너지 밀도가 매우 열악하다는 한계로 그 용도가 계속 축소되고 있다. LMO를 채택했던 닛산 리프가 단기간 동안에 배터리의 성능 저하를 보여주던 이유가 그것이다.3.3.2.3. 리튬 니켈-코발트 다원계(Li-NCM, NCA, NCMA)
양극재로 수산화 리튬(LiOH)과 다종의 전이 금속(니켈, 코발트, 망간 등)으로 구성된 산화 화합물을 사용하는 배터리. 니켈이 용량 특성, 코발트가 수명 특성, 망간이 안정성, 알루미늄은 출력 특성 향상을 담당한다고 보면 된다. 약자는 Li-NMC 혹은 LNMC(lithium nickel manganese cobalt oxide; 산화 코발트 망간 니켈 리튬) 혹은 리튬의 L을 생략하고 NMC. 에너지 용량과 출력면에서 우수한 모습을 보이고 있어 현재 가장 활발하게 사용되고 있는 삼원계 양극 활물질 중 하나이다. 전이 금속들의 몰 분율에 따라 NCM333/622/811 등으로 불리며 니켈의 비율을 높이는 방향으로 계속해서 상용화 연구가 이뤄지고 있다. 대한민국의 LG에너지솔루션과 SK온 그리고 CATL이 주로 사용하고 있는 양극재가 바로 이것이다. 단점은 코발트와 니켈 자체의 원가 때문에 가격이 높은 편. 한편으로 파라시스 배터리가 이 계열 배터리인 것으로 알려졌다. NCA(lithim nickel cobalt aluminum oxide; 산화 니켈 코발트 알미늄 리튬)의 경우 NCM 이상으로 밀도를 높일 수 있고 망간보다도 저렴한 알루미늄을 사용하기 때문에 가격이 약간 낮지만, 굉장히 불안정하다. 일본의 파나소닉, 대한민국의 삼성SDI에서 밀고 있는 양극재이기도 하다. 최근에는 이 둘을 같이 사용하는 NCMA도 계속 개발 중에 있으며, 이외에도 고망간 NCM 등의 방향으로 연구 개발 및 상용화가 이루어지고 있다.NMC 배터리의 이론적인 충방전 수명은 2000 사이클이지만 1000 사이클을 실행하면 용량이 빠르게 줄어들어 60%를 유지한다.#
3.3.2.4. 리튬 인산철(LFP)
LFP(LiFePO4; 리튬인산철)을 사용한 배터리이다. 리튬인산철 배터리는 가격이 비싼 코발트와 니켈을 사용하지 않고 리튬도 정련이 덜 복잡한 탄산 리튬(Li2CO3)을, 그것도 더 적은 양을 사용하기 때문에 가격이 수산화 리튬 배터리에 비해 저렴하다. 2020년의 제조 원가 기준으로 kWh당 $80(약 96000원) 정도이다. 또한 상온, 출력변화가 적은(1C이하) 조건에서는 다른 리튬 이온 전지보다 충방전 수명도 길어 3000회 이상 지나도 80%를 유지하는[34] 장점도 가지며 폭발이나 화재의 위험성이 낮다.[35] 단점으로는 에너지 밀도(부피 당 에너지)가 리튬 이온 전지의 70~80% 정도라 상당히 떨어지며,# 평균 전압이 3.4V로 낮다는 점이 있다. 또한 배터리 제어 면에서도 까다로운 특성이 있는데 그것은 완충 부근이나 완방 부근을 제외하곤 전압이 일정하다는 것이다. 통상적인 배터리들의 경우엔 배터리의 전압을 통해 어느 정도 충전되어 있는지(SOC, State of Charge)를 측정하는데[36] 리튬인산철은 그 전압 변화가 너무 완만하다보니 실시간으로 사용중에 전압을 측정해 충전 상태를 확인하는 것이 어려워 배터리 제어에 주의를 요한다. 그러나 이러한 단점에도 불구하고 여전히 납 축전지와 비교시에는 당연히 에너지 밀도, 충전 속도, 수명 등 여러 성능 면에서 월등하다.특히 NCM, NCMA 계열에 비해 LFP의 경우 작정하고 출력밀도를 올리려면 얼마든지 올릴 수 있는 것이 매우 큰 차이점인데, RC 또는 유도미사일 등 순간적으로 최대 출력이 필요할 때 사용되는 그래핀 음극이 적용된 리튬이온폴리머셀도 100C 수준으로 굴리면 200사이클도 못 돌리고 셀이 사망하지만 LFP의 경우 A*** 등에서 적용된 셀들은 버스트 200C 노말 100C로 굴려도 1000사이클 넘게 사용이 가능하며, 출력밀도를 20,000W/kg 이상 끌어올릴 수 있다. 그래서 F1에 적용된 KERS는 물론, 고성능 하이브리드 차량, 이를테면 코닉세그 의 코닉세그 레제라 같은 차량도 LFP 배터리를 사용하고 있다.
원래 LFP의 특허는 영국과 프랑스의 기업들이 소유하고 있었는데 중국이 여러 경로로 제작 방법을 알아낸 뒤 특허를 우회해서 쏟아내기 시작했다.
미래의 배터리 수요량에 비해 희귀원소가 많이 들어가는 NCM 배터리의 경우, 공급이 원활하지 못할 것이 자명한 사실이다보니 최근 여러 제조사들이 비교적 쉽게 구할 수있는 인산, 철 때문에 LFP 배터리 쪽으로 눈을 돌리고 있다.
망간을 첨가한 LFMP(lithium iron manganese phosphate) 배터리 또한 존재한다. 일반 리튬인산철 배터리보다 에너지 밀도가 높지만, 동시에 충방전 수명이 짧아진다는 단점이 있다.
삼원계 재료와 LMFP 재료를 혼합한 M3P 배터리도 존재한다. 에너지 밀도는 최대 210Wh/kg에 달하고, 제조비용은 LFP 배터리와 동일하다.#
리튬인산철 전지도 합선이나 셀 파손 등으로 과열이 일어날 수 있으나, 열 폭주로 이어져 1000℃ 넘게 올라가는 타 리튬 이온 전지와 달리 400℃ 정도까지만 과열된다. 리튬 코발트 산화물에서 코발트와 산소의 결합이 약한 것과 달리 리튬인산철은 인과 산소의 결합이 강해 과열돼도 쉽게 분해되어 산소를 방출하지 않는다.
에너지 밀도는 낮지만 비용이 저렴하므로 단거리 이동용으로 쓰이는 저가형 전기자동차나 전기버스 등 배터리를 탑재할 공간이 많은 대형 차량에 주로 사용되고 있다. 1회 충전 주행거리 400km 이하의 차량에 적용 가능하다. 폭발 및 화재 위험성[37]이 낮기 때문에 파워뱅크, 캠핑카, 데이터 센터의 축전지로도 사용된다.
납 축전지와 비교시 1.5배의 전압을 가지므로 동일한 전압의 납 축전지와 병렬하거나 시동용 배터리, 골프카트 등 기존에 납 축전지를 사용하던 곳에서 대체재로 사용하는 것도 가능하다.
다원계 리튬 이온 전지와 달리 약간의 기억 효과를 가지나, 니켈 계열 충전지에 비해서는 미미한 수준이다.
다만 가격이 저렴한 원료로 인해 NCM 대비 50% 정도 재활용 수익타산 떨어진다. 재활용해 봤자, 수익이 안남는 폐기물이라 중국 조차 전량 매립한다. 이 점을 이용해서 국내에서 24년 중국산 전기차 보조금을 대폭 낮춘 빌미가 되었다. 하지만 국내산 LFP가 성장할 시간을 주기 위한 점도 솔직히 언급했다.
3.3.3. 음극재에 따른 분류
음극재는 양극재와 달리 현실적인 소재로는 성능 차이나 가격 차이에 영향을 크게 못 끼친다. 그러다 보니 대충 흑연으로 퉁치는 상황.3.3.3.1. 탄소계 음극재
흑연은 초기 상용화 단계부터 현재까지 가장 많이 사용되는, 거의 모든 상용 Li-ion 전지에서 사용되고 있는 음극재이다. 저렴하면서 넓은 용량을 가지고[38], 전기전도성, 이온전도성이 모두 뛰어나며 반응 전위 또한 낮다.[39] 음극재에 사용되는 흑연은 천연 흑연과 인공 흑연으로 분류한다. 흑연이 아닌 비정형 탄소계 음극재는 주로 소프트 카본과 하드 카본으로 분류한다. 출력 특성에 있어서 흑연보다 뛰어나다는 장점이 있다. 그 외에 그래핀, 탄소나노튜브 또한 첨가제로 사용하는 방안이 이야기되고 있다.3.3.3.2. 리튬 메탈 음극
순수한 리튬을 그대로 음극으로 활용하는 방법. 낮은 전위와 흑연 음극재의 10배 수준의 이론용량을 달성할 수 있다는 것이 장점이다. 문제는 리튬 덴드라이트 현상. 리튬은 사실 흑연보다 먼저 음극재로 제시됐던 물질이지만 충방전을 여러차례 할 경우 리튬 필름 위로 뾰족하게 리튬이 쌓이는 현상이 발생한다. 이러한 바늘같은 형태는 용량을 감퇴시키거나 양극과 만나 쇼트를 일으킬 수 있다. 즉, 안전성 문제가 매우 심각하다. 그러나 앞서 말한 특성이 매우 매력적인 물질이기 때문에, 계속해서 덴드라이트 현상을 제어할 수 있는 방향으로 연구가 이뤄지고 있다.3.3.3.3. 실리콘 음극
실리콘(규소)을 활용하는 방법. 용량이 리튬 메탈 음극과 비견될 정도로 매우 크나, 부피 수축/팽창이 매우 크다는 단점이 있다. 현재는 나노 와이어의 형태로 만들어, 첨가제로 사용하는 방안이 상용되고 있다.3.3.3.4. 리튬 티탄산(LTO)
음극에 기존의 흑연 대신 LTO(Lithium Titanium Oxide, 리튬 티타늄 산화물)을 이용한 배터리이다. 고출력[40] 제품 설계가 가능하며 충방전 수명도 6000~10000회 이상으로 매우 길고, 안정성이 높아 폭발 및 화재 위험이 아예 없다는 장점을 가진다. 과충전 또는 쇼트돼도 전해액만 분출될 뿐이다. 그러나 낮은 용량과 높은 반응 전위로 인해[41] 에너지 밀도가 흑연보다 매우 낮다. 납 축전지의 1~3배 수준인 30~110Wh/kg 정도. 위에서 언급했다시피 높은 반응 전위로 인해 셀당 전압 또한 2.3V로 낮다. 상용화는 되어 있으나, 시중에서 구하기 어려운 편이다. 또한 전용 BMS가 필요하다.3.3.4. 전해질에 따른 분류
3.3.4.1. 액체 전해질 배터리
리튬 이온 배터리는 액체 종류의 전해질을 사용한다. 형태는 액체가 들어 있다 보니 원통형이나 각형으로 생겼다. 인화성이 휘발유 이상으로 큰 유기용매를 사용하므로 폭발 위험이 리튬 폴리머보다는 큰 대신 에너지 밀도가 더 높지만, 기본적으로 금속제 용기 내에 전해액을 넣어야 하기 때문에 소형화에서는 리튬 폴리머에 비해 별 매력이 없다. 가장 보편적으로 사용되는 리튬염은 LiPF6 (Lithium Hexafluorophosphate) 이며, 이외에도 LiPO2F2, LiDFOP, LiBOB 등의 다양한 리튬염이 사용된다. 리튬염을 녹이기 위해 사용되는 유기용매로는 디에틸 카보네이트 등이 있다.3.3.4.2. 리튬 폴리머 배터리
리튬 폴리머 배터리는 젤 형태의 전해질을 사용한다. 파우치 모양 등 다양한 모양으로 제작이 가능하고, 리튬 이온 배터리보다 더 안정성이 높다.3.4. 용융염 전지
용융염을 전해질로 사용하는 전지이다. 열전지나 액체금속전지라고도 불리운다. 본래 2차 세계대전 중 독일 과학자 게오르크 오토 에르프에 의해 발명됐는데, 당시에는 재충전이 불가능한 열전지로, 전지에 500도 이상의 열을 가해 전해질 역할을 하는 염과 애노드 역할을 하는 금속, 캐소드 역할을 하는 금속이 액화되면서 에너지를 방출하는 방식이었다. 이런 방식의 열전지는 주로 알루미늄 제련 공장에서 사용되는데, 이는 열전지가 막대한 에너지 밀도를 지닌데다 고압의 전력을 출력해낼 수 있어 알루미늄 전기분해 제련법에 사용되기에 적합했기 때문이다. 이외에 유도미사일 탑재용 전지로 사용되기도 한다.재충전이 가능한 용융염 전지는 1960년대부터 연구되고 있었다. 배터리용 염의 용융점은 98도로 사실 그리 높은 온도가 아니기에, 애노드와 캐소드 역할을 하는 금속만 잘 찾는다면 상대적으로 낮은 온도에서도 작동이 가능한 전지를 개발할 수 있다. 즉 충전 및 방전 과정에서 발생하는 열만으로도 염의 액체상태를 유지할 수 있게 하면 되는 것이다. 특히 풍력과 태양광 발전같은 재생에너지의 확대로 고용량의 전력을 저장할 수 있는 배터리 기술의 필요성이 대두되는 상황에서 용융염 전지는 이에 대한 해법이 될 수 있다. 실제로 MIT에서 상용화가 가능한 용융염 전지의 개발에 성공했다. 현재 기술로 컨테이너 박스 크기만한 공간에 약 200가구가 사용가능한 2MWh 정도의 전력을 저장할 수 있다.
액체금속이라는 이름에서도 알 수 있다시피 애초에 휴대성이 아닌 경제성과 에너지 밀도에 초점을 맞춘 전지이다.
3.5. 산화-환원 흐름 전지
영어로는 Redox flow battery. 산화-환원 반응이 일어나는 전해질이 액체 상태로 흐르기 때문에 이런 이름이 붙었다. 이온교환막으로 분리된 두 액체 전해질을 이용하는 방식이다. 원리는 산화수가 다른 두 금속 이온끼리 산화-환원 반응이 일어나며 전극을 타고 전자가 이동하는 것이다. 이때 핵심은 반응물과 생성물이 모두 금속이온이라는 점이다. 즉, 사용한 이온들은 흘려보내고, 새로운 이온을 투입시키면 계속 전기가 발생하는 것이다. 기존의 배터리는 저장용량을 키우는 것에 한계가 있었지만, 흐름전지는 단순히 전해질을 보관할 탱크만 더 지으면 간단하게 용량이 늘어나게 되며, 앙금이 생성되지 않아 전극의 변형도 적게 일어나므로 대용량 축전지로 활발하게 연구중이다.유명한 흐름전지로는 산화수가 다른 두 바나듐 이온을 이용한 전지(바나듐 레독스 흐름 전지)가 있으며, 그밖에 아연||세륨 흐름전지도 활발히 연구중이다.
3.6. 알카라인 충전지
보통 알카라인 전지는 충전이 불가능한 일차 전지이며 충전을 시도할 경우 가스가 발생해 누액으로 이어질 수 있다. 그러나 이를 억제해 충전이 가능하게 만든 알카라인 전지도 존재한다. 하지만 충방전 사이클 수명이 최대 100회 내외로 짧은 편이며, 리튬 이온은 물론이고 니켈 계열 전지보다도 성능이 떨어지므로 거의 판매되지 않는다. 그러나 월간 방전률이 1%로 니켈 수소 전지보다 낮으며, 평균 전압이 1.2V가 아닌 1.5V이므로 리모컨처럼 전력 소비가 낮은 부하나 반드시 1.5V를 요하는 기기에 적합하다.3.7. 나트륨 이온 전지 (NIBs, SIBs)
- 상세한 내용은 영문판 위키백과 문서 정보 참조.
리튬 이온 전지에 전이금속 산화물(NMC 등), 리튬 인산철, 리튬 티타늄 산화물 등 양극재/음극재에 따른 여러 세부 종류가 있는 것처럼 나트륨 이온 전지에도 여러 세부 종류가 존재한다. 그중 층형 전이금속(철, 망간 등) 산화물을 사용한 나트륨 이온 전지가 먼저 상용화되었으며, 폴리음이온을 사용한 유형, 프러시안 블루나 프러시안 화이트를 사용한 유형의 배터리가 활발히 연구중이다. 상용화까지 거리가 있는 유형으로는 나트륨-황 전지[42], 바닷물에 녹아있는 나트륨 이온을 사용하는 해수 전지[43], 에너지 밀도를 높일 수 있는 무음극 나트륨 이온 전지 등이 있다. 리튬 인산철에서 리튬을 나트륨으로 치환한 나트륨 인산철(NaFePO4) 배터리도 연구중에 있으나 셀당 전압이 2.6V에 불과하고 에너지 밀도가 더욱 떨어져 연구개발이 활발하지 않다.
전해질의 경우 리튬 이온 전지 전해액보다 발화점이 훨씬 높은 물질인 프로필렌 카보네이트를 사용할 수 있다. 이 물질은 흑연 음극을 손상시키므로 리튬 이온 전지에는 사용 불가하지만, 나트륨 이온 전지는 하드카본을 쓰기 때문에 가능하다. 리튬 이온 전지 전해액의 인화성이 휘발유에 비유된다면 나트륨 이온 전지 전해액의 인화성은 경유 수준으로, 불을 갖다대도 쉽게 타지 않는다. 또한 아예 인화성이 없는 전해액을 사용하는 방식도 연구개발중에 있다.
리튬 이온 전지와 비교시 나트륨 이온 전지의 장점으로는 전 세계 어디서든 손쉽고 값싸게 얻을 수 있는 나트륨을 사용해[44] 저렴한 가격, 낮은 탄소발자국, 빠른 충전속도, 높은 방전률(최대 1000W/kg), 우수한 저온 성능 및 안전성 등이 있으며, 단점으로는 낮은 에너지 밀도, 인산철 배터리보다 짧은 수명[45] 등이 있다. 납 축전지와 비교시에는 에너지 밀도, 수명, 충방전 속도, 친환경성 등 여러 면에서 유리하여 상위호환이다. 가격의 경우 상용화 초기엔 나트륨 이온 전지가 동일 용량의 AGM 배터리보다 3~10배 정도로 비쌌으나, 2024년 7월엔 AGM보다 약간 더 비싼 수준인 $200~250/kWh 수준까지 내려왔고, 추후 납 축전지 이하로 내려갈 가능성도 있다. 또한 수명이 납 축전지보다 훨씬 길다는 점을 고려하면 여전히 경제적이다.
나트륨 이온 전지에 필요한 나트륨은 염화나트륨(NaCl)이 아닌 탄산나트륨(Na2CO3)이므로 이의 대량 수급에 관한 문제가 존재한다. 대부분 미국에서 생산되는 자원이기 때문이다. 다만 염화나트륨을 탄산나트륨으로 변환시킬 수 있으므로 나트륨 이온 전지가 대중화되는 과정에서 생산 시설도 늘어날 것으로 전망된다.
나트륨 이온은 흑연과 층간결합하지 못하므로 숯과 유사한 물질인 경질 탄소(Hard Carbon)가 음극 소재로 대신 이용된다. 이 또한 친환경적인데, 광물인 흑연을 채굴하며 환경을 파괴하는 대신 농업 폐기물을 비롯한 바이오매스, 음식물 쓰레기, 플라스틱 폐기물 등 쓰레기를 재활용해 얻을 수 있기 때문이다. 2022년에는 러시아 연구팀에서 큰멧돼지풀을 원료로 나트륨 이온 전지용 경질 탄소를 만들어내었다. 쓸모 없고 유해한 잡초를 원료로 했다는 점에서 의미가 있다.# 다른 음극재로는 그래핀을 쓰려는 시도도 있다.
2023년 7월 경부터는 해외의 일부 온라인 쇼핑몰에 소비자 판매 제품이 등장했다. 가격은 18650 배터리(1300~1500mAh 용량) 기준 $1.5~$3(약 1900~3900원) 정도로 동일 용량 리튬 이온 전지보다 오히려 비싸다. 아직 규모의 경제가 이루어지지 않았기 때문이다. 중국에서는 파워뱅크, 시동용 배터리, 심지어 전기자동차용 배터리로도 이미 상용판매중이나 국내에서는 제조는 물론이고 수입 및 판매 사례마저 아예 없으므로 상용화를 체감하기 어려운 상황이다. 단, 해외 직구로는 구매 가능하다. 다수의 국가에서 나트륨 이온 전지의 법적 지위가 아직 모호한 상태이며, 안전인증[46]을 비롯해 여러 절차를 밟아야 하는 점을 감안하면 실생활에서 흔히 접할 때까지는 시간이 걸릴 전망이다.
나트륨이 리튬보다 무겁다고 해도 중금속인 납이나 니켈을 사용하는 기존의 축전지보다는 여전히 가벼우며, 납 축전지와 비교시 무게당 에너지 밀도도 약 3~5배[47] 정도이므로 무게와 부피에 덜 구애받는 용도에 적합할 것이다. 출력 전압은 사용 물질에 따라 다르지만 3.0~3.2V 정도로, 리튬 인산철 배터리와 유사하다. 상용화 초기에는 kwh당 비용이 $77(약 9만 2천원), 이후 규모의 경제가 실현되면 $40(약 4만 8000원) 정도로 내려갈 것으로 예상되는데, 출처 납 축전지보다도 저렴한 수준이다. 나트륨 자체는 리튬은 물론 납보다도 흔하고, 그 외의 재료로도 값비싼 코발트나 희토류가 사용되지 않으며, 니켈도 사용하지 않는 경우가 흔하다. 대신 철과 망간이 주로 사용되는데, 각각 지구 지각에서 4번째, 12번째로 흔한 원소이다. 나트륨은 알루미늄과 반응하지 않기 때문에 음극 집전체로 사용되는 구리박 또한 저렴한 알루미늄박으로 대체할 수 있다. 특히 2022년에는 전반적인 물가 폭등 사태로 인해 나트륨 이온 전지에 더 유리한 상황이 조성된 상황이다.
상용화 직후인 2024년에는 상용 제품에 거의 쓰이지 않으나, 이후 대중화되면 에너지 밀도가 중요하지 않은 전자기기, 단거리용 전기차 및 이륜차, 전동 휠체어, 가정/상업용 에너지 저장장치 등의 용도로 널리 사용될 것으로 예상된다. 리튬 이온 전지와는 대체재가 아닌 보완재 관계이므로 리튬 이온 전지 산업계에는 큰 위협이 되지 않을 것으로 보인다. 그러나 납 축전지와 비교시 상위호환이므로 납 축전지 산업계에는 위협적일 것으로 예상된다. 심지어 자동차나 오토바이 시동용 배터리로도 사용 가능하다. 기존 리튬 이온 전지와 동일한 규격(원통형, 각형, 파우치형 등)으로 출시되고 있다. 2023년에 등장한 나트륨 이온 전지 전기자동차 시제품은 약 250km의 주행거리를 가진다.#
소형 전자기기부터 대규모 전력 저장시설까지 모든 배터리를 리튬 이온 전지만으로 충당하려면 리튬 수요가 굉장히 늘어나므로 이들 중 에너지 밀도가 중요하지 않은 용도에만 나트륨 이온 전지를 사용한다고 해도 리튬 수요를 줄이고 배터리 시장의 파이를 늘려 전반적인 가격 하락을 유도할 수 있을 것으로 예상된다. 특히 전력 저장시설은 일반 전자기기나 전기자동차보다 훨씬 많은 배터리를 필요로 한다.[48] 블룸버그 NEF에 따르면 나트륨 이온 전지가 대중화될 경우 2035년에는 연간 27만 2000톤의 리튬을 절감할 수 있을 것으로 보인다.# 특히 리튬 공급 부족이 지속되는 시나리오에서는 최대 100만 톤의 리튬 수요를 절감시킬수 있다고 한다.
나트륨 이온 전지는 커패시터처럼 방전 종지 전압이 없으며[49], 0V로 완전히 방전돼도 손상되지 않는다는 특징을 가진다. 음극 집전체인 알루미늄이 저전압 상황에서도 용해되지 않기 때문이며, 이로 인해 완전 방전 상태에서 단락(쇼트)시킨 상태로 화재 위험 없이 선박 또는 항공 운송이 가능하다는 장점이 있다. 반면 대다수의 이차 전지는 완전 방전하면 손상을 입는다. 또한 저온 성능도 우수하다. -20℃에서도 90%의 용량을 유지하며, -40℃까지 견딜 수 있다. 따라서 리튬 이온 전지의 성능이 저하되는 추운 지역에서도 활용이 가능하다. 다만 반대 극성으로 역충전되거나[50] 4V 이상의 과전압으로 충전되면 수명이 단축될 수 있다. 전압 특성이 리튬 이온 전지와 다르므로 전용 BMS와 충전기를 필요로 한다. 시중에 판매되는 충전기에 연결시 리튬 이온 전지로 인식해 충전되나 최대 전압이 4.2V가 아닌 4V이므로 권장되지 않는다. 높은 안전성과 0V 방전이 가능하므로 일부 배터리 팩에서는 BMS를 아예 생략하고 과충전 방지용 밸런스 회로만 넣는 경우도 있다.
충방전 제어 기능을 가진 BMS를 통해 리튬 이온 전지와 혼용해 사용하는 것도 가능하므로 이 방법으로 부족한 에너지 밀도를 보완할 수 있다고 한다. 또한 리튬 이온 전지 사이사이에 화재에 안전한 나트륨 이온 전지를 끼워넣으면 방화벽 역할을 해 리튬 이온 전지가 발화할 경우 화재 속도를 늦출 수 있다.
나트륨의 반응성이 리튬보다 강하기에 나트륨 이온 전지는 리튬 이온 전지보다 폭발이나 화재 위험이 클 것으로 예상하기도 하지만, 실제로는 그렇지 않으며 오히려 리튬 이온 전지보다 안전할 것이라고 한다. 심지어 배터리를 절단하거나 압착하거나 못 또는 총알로 관통시켜도 나트륨 이온 배터리는 터지지 않는다.# 참고로 나트륨 이온 전지에는 화재 및 폭발 위험이 있는 금속 나트륨이나 고인화성 전해액이 들어가지 않는다. 다만 내부 화학 구조에 따른 안전성 편차가 있으며, 리튬 이온 전지보다 느리고 약하지만 열폭주를 일으킬 가능성이 있다. 상용판매되는 18650 나트륨 배터리를 못으로 관통시키는 실험에서는 내부 압력 발생으로 인한 폭발은 있었으나, 리튬 이온 전지보다는 폭발력이 약했으며, 불과 불꽃을 강렬히 뿜어내는 일도 없었다. 심지어 가스 토치를 가져다 대도 전해액에 불이 붙지 않았다.#
2024년 현재 상용화가 된 배터리이지만, 그에 비해 제도적 준비나 인식은 미비한 상황이다. 표준 안전 기준이 없으며,[51] 항공 운송 규정도 비교적 최근 신설됐다.(UN3551, UN3552) 단전지/배터리 팩 외부에서 단자가 쇼트돼 0V 상태임을 육안으로 확인 가능해야 한다. 리튬 배터리와 경고 표지(흰색 마름모 안에 불타는 배터리가 그려진 형태)를 공유한다.
나트륨 이온 전지의 주요 제조 기업들은 CATL, BYD, 하이나 배터리(HiNA battery) 등 대부분 중국 기업이며, 타 국가에는 Faradion[52], Natron Energy, Tiamat Energy, Northvolt 등이 있다. 반면 삼성 SDI, LG 에너지솔루션, SK ON 등 주요 회사를 포함해 국내 배터리 제조사들은 아직 보수적인 반응을 보이는 상황이며, 근미래에는 제조 가능성이 없는 상황이다. 이대로 갈 경우 중국에서 나트륨 이온 전지 시장을 선도할 가능성이 높다. 이미 리튬인산철 전지 분야에서 국내 기업들이 에너지 밀도가 낮다는 이유로 관심을 가지지 않고 NCM 등 프리미엄 제품군에만 집중하다가 저가 배터리 시장을 중국에 잠식당하고 뒤늦게 개발에 뛰어든 선례가 있기에 나트륨 이온 전지에서도 이러한 전철을 밟는 것 아니냐는 우려가 제기되고 있다. 단, SK ON은 인터배터리 2024에서 나트륨 이온 전지 개발을 염두에 두고 있다고 밝혔다.
국내에서 나트륨 이온 전지를 생산할 계획을 가진 기업은 에너지11이 유일하며,# 국내 산업계의 보수적인 시선과는 별개로 정부 차원의 연구개발은 지속적으로 진행되고 있다. 2019년에는 국내 연구진이 나트륨전지 원천 기술을 개발한 적이 있고,# 2023년에는 정부의 국가전략기술 2030 로드맵에 등장했다. 220Wh/kg의 에너지 밀도를 가진 나트륨 이온 전지의 개발을 목표로 하고 있다.#
리튬 이온 전지에 소량의 리튬이 사용되는 것과 마찬가지로 나트륨 이온 전지에 들어가는 나트륨의 양은 적은 편이다. 18650 배터리 기준으로 약 2g 정도의 나트륨이 필요한데, 소금(염화나트륨)으로 환산하면 5g에 불과한 양이며, 소금 1kg 한 포대면 200개의 18650 배터리를 만들 수 있다.
나트륨보다 훨씬 무거운 루비듐과 세슘은 그 자체로는 배터리에 쓰이기 어렵지만, 나트륨 이온 전지의 성능을 향상시키기 위한 첨가물로 이용할 수 있다고 한다.# 마찬가지로 리튬 또한 성능 향상을 위한 첨가물로 쓰일 수 있으나, 나트륨 이온 전지를 개발하는 주요 목적중 하나가 희귀한 리튬을 쓰지 않는 것이기에 연구가 활발하지는 않다.
4. 규격 및 해당 제품
숫자 이름 충전지는 그 충전지의 크기를 표기하고 있다. 원기둥 형태의 리튬 이온이라면 18650은 '18mm 굵기에 65mm 길이'에 0은 원형이라는 뜻이다. 다만 이런 원통형 리튬 이온 충전지 중 보호회로를 내장하고 있는 것들은 보호회로의 2~3mm 길이가 더해져서 실제 길이는 표기된 수치보다 조금 더 길고 굵기도 아주 약간 더 굵다. 그래서 보호회로가 들어간 18650은 길이를 69mm로 표기하기도 한다. 이 때문에 타이트한 손전등에 넣어보면 약간 걱정될 정도로 빽빽하게 들어차는 것을 볼 수 있다. 18650 관련 제품은 서로 호환이 되는지 확인해 보고 사는 것이 좋다.파우치 형태의 리튬폴리머 전지의 이름이 XX705020이라면 두께 7.0mm, 가로 50mm, 세로 20mm이다. 첫 번째, 두 번째 숫자가 0.1mm 단위임에 주의. 리튬폴리머 배터리의 교체가 필요하다면 유사한 사이즈로 교체할 수도 있지만, 간섭이나 배터리가 압박받지 않도록 주의하는 것이 중요하다.
4.1. 니켈 계열
- AAA 사이즈 (직경 10.5mm, 높이 44.5mm)
- 에네루프 AAA - 니켈 수소(NiMH). 전압 1.2V. 용량 600~1000mAh.
- AA 사이즈 (직경 14.5mm, 높이 50.5mm)
- 에네루프 AA - 니켈 수소 (NiMH). 전압 1.2V. 용량 1000~2550mAh
- A 사이즈
- A - 니켈카드뮴 (NiCad) : 전압 1.2V. 용량 1400mAh.
니켈 수소 : 전압 1.2V. 용량 2100~4100mAh
- C 사이즈 (직경 26.2mm, 높이 50.0mm)
- 에네루프C - 니켈 수소 기반. 전압 1.2V. 용량 3200mAh
- C - 니켈카드뮴 기반. 전압 1.2V. 용량 1200~3000mAh
니켈 수소 기반. 전압 1.2V. 용량 2800~4000mAh
- D 사이즈 (직경 34.2mm, 높이 61.5mm)
- 에네루프D - 니켈 수소 기반. 전압 1.2V. 용량 6000mAh
- D - 니켈카드뮴 기반. 전압 1.2V. 용량 2500~5500mAh
니켈 수소 기반. 전압 1.2V. 용량 7000~10000mAh
- F 사이즈
- F - 니켈카드뮴 기반. 전압 1.2V. 용량 7000~8000mAh
니켈 수소 기반. 전압 1.2V. 용량 13000mAh
- SC 사이즈(Sub-C)
- SC - 니켈카드뮴 기반 : 전압 1.2V 용량 1200–2400mAh
니켈 수소 기반 : 전압 1.2V. 용량 1800–5000mAh
- 9V
- 9V - 니켈 수소 기반. 전압 8.4V. 용량 200~250mAh
4.2. 리튬 이온 계열
- AAA 사이즈 (직경 10.5mm, 높이 44.5mm)
- KENTLI PH7 - 리튬폴리머 기반. 전압 1.5V. 용량 740mAh, 3.7V 기준으로 300mAh
전용 커넥터 사용 시 3.7V 출력 가능. 3.7V 셀에 레귤레이터를 장착해 방전 곡선이 끝내주게 아름답다. 일반적인 기기에서는 잔량 체크가 완전히 불가능할 정도. - 바스맨테크놀러지 AAA - 리튬 이온 기반. 전압 1.5V. 용량 370mAh
배터리에 Micro 5핀 단자(F)가 뚫려 있어, 충전 케이블을 직접 연결해 간편하게 충전할 수 있다. 이 제품의 가장 큰 특징은 가벼운 무게로, 용량은 에너자이저의 얼티메이트 리튬 AAA의 1/4 정도지만 무게가 하나당 7g에 불과해 에너자이저 리튬 AAA보다 0.6g이 더 가볍다. 이 덕분에 무선 게임패드나 무선 마우스 등에 적합하다. - 바스맨테크놀러지 BLB-AAA740 - 리튬 이온 기반. 전압 1.5v. 용량 1035mWh(1.5v 기준 690mAh)
배터리에 Micro 5핀 단자(F)가 뚫려 있어, 충전 케이블을 직접 연결해 간편하게 충전할 수 있다. 제조국이 중국에서 한국으로 바뀌었다. 이전 제품에 비해 용량은 늘었지만 무게 역시 8g으로 1g 늘어 가벼운 충전지를 원하는 사람들한테는 이전 제품에 비해 매리트가 없는 편. - 10440 - 리튬 이온 기반. 전압 3.7V. 용량 300~350mAh
600mAh라고 광고하는 제품도 보이는데 실제로는 다 거짓말이고 350mAh조차 안 되는 경우가 많다. 10440은 제대로 생산하는 곳이 없고 죄다 군소 회사들이 난립해서 만든 것들이기 때문에 이렇다. 애초에 AAA 사이즈의 배터리로 리튬 이온을 쓸 일이 별로 없다 보니 산요전기 같은 유명 메이커에선 10440을 만들지 않는다.
- AA 사이즈 (직경 14.5mm, 높이 50.5mm)
- KENTLI PH5 - 리튬폴리머 기반, 전압 1.5V. 전용 커넥터 사용 시 3.7V 출력 가능. 용량 1875mAh, 3.7V 기준으로 760mAh
- 바스맨테크놀러지 AA - 리튬 이온 기반. 전압 1.5V. 용량 986mAh
배터리의 +극 쪽이 USB-A 타입 단자(M)로 되어 있어서 배터리채로 충전 단자에 꽂아 충전을 할 수 있다. 에너자이저 리튬 AA보다 용량은 훨씬 작지만 무게는 14.8g으로 0.2g 더 가볍다. - 바스맨테크놀러지 BLB-AA1650 - 리튬 이온 기반. 전압 1.5V. 용량 2404mWh(1.5v 기준 약 1603mAh)
배터리에 USB Type-C단자(F)가 뚫려 있어, 충전 케이블을 직접 연결해 간편하게 충전할 수 있다. 무게는 17g. 제조국이 중국에서 한국으로 바뀌었다. - 14500 - 리튬 이온 기반. 전압 3.7V. 용량 800~900mAh
- 14500 - 리튬인산철 기반. 전압 3.2V. 용량 1000mAh 내외.
알카라인 건전지 2개 수준의 전압이기에 2n개(3V, 6V 등)의 알카라인 건전지를 요구하는 기기에 쇼트 역할을 하는 AA 사이즈의 금속 원통과 함께 사용하면 전압이 맞는다.
- CR2 사이즈
- RCR2 - 리튬 이온 기반. 전압 3.7V. 용량 200~300mAh
- CR123A 사이즈 (직경 17mm, 높이 34.5mm)
- RCR123A - 리튬 이온 기반. 전압 3.7V. 용량 750~900mAh
- 16340 - 리튬 이온 기반. 전압 3.7V. 용량 800mAh
- 18650 사이즈 (직경 18mm, 높이 65.0mm)
- 18650 - 리튬 이온 기반. 전압 3.7V. 용량 1200~3600mAh
노트북 배터리에 쓰던 규격이나[53] 적절한 크기에 적절한 용량으로 다양한 곳에 많이 쓰인다. 테슬라 전기차의 배터리팩에도 쓰였다. 2019년 기준 공식적인 최고 용량의 18650 전지는 파나소닉 NCR18650G, 삼성 INR18650-36G, LG LGDBM361865(INR18650-M36)로 셋 다 3600 mAh이다. 비교적 흔한 3500 mAh, 3.6V 리튬 이온전지의 용량은 12.6 Wh = 45.36 kJoule로 알카리 AA 건전지의 9.36 kJ 에 비해 4.8 배나 된다. C 사이즈 알카라인 보다 더 고용량이다. 무게는 40~50g. 상용화되지 않은 제품 포함시 그래핀을 적용한 18650 배터리가 4000mAh의 용량을 가진다. # [54] - 18650 - 리튬인산철 기반. 전압 3.2V. 용량 1100~2000mAh
- 18650 - 리튬 티타늄 산화물 기반. 전압 2.7V. 용량 1300~1500mAh
전해 커패시터처럼 한쪽 끝에 2개의 다리가 달린 제품도 있다.
- 21700 사이즈 (직경 21mm, 높이 70.0mm)
- 21700 - 리튬 이온 기반. 전압 3.7V. 용량 3300~5000mAh
2020년부터 18650을 대체해 테슬라 전기 자동차 부분에 많이 쓰고 있다. 무게는 60~70g. - 21700 - 리튬인산철 기반. 전압 3.2V. 용량 3000mAh 내외.
- 26650 사이즈 (직경 26mm, 높이 65.0mm)
- 26650 - 리튬 이온 기반. 전압 3.7V. 용량 4000~5800mAh
- 26650 - 리튬인산철 기반. 전압 3.2V. 용량 2300~3800mAh
- 32700 사이즈 (직경 32mm, 높이 70.0mm)
- 32700 - 리튬 이온 기반. 전압 3.7V. 용량 8500mAh
- 32700 - 리튬인산철 기반. 전압 3.2V. 용량 5000~6000mAh
- 32140 사이즈 (직경 32mm, 높이 140.0mm)
- 32140 - 리튬인산철 기반. 전압 3.2V. 용량 12000~15000mAh
- 32140 - 리튬티탄산 기반. 전압 2.7V. 용량 9000mAh
- 4680 사이즈 (직경 46mm, 높이 80.0mm)
- 4695 사이즈 (직경 46mm, 높이 95.0mm)
- 4695 - 리튬 이온 기반. 전압 3.7V. 용량 30000mAh
- D 사이즈 (직경 34.2mm, 높이 61.5mm)
- 33600 - 리튬 이온 기반. 전압 3.7V. 용량 6000mAh
- 6V (4R25)
- 6V - 리튬인산철 기반. 전압 6.4V. 용량 4500mAh
4.3. 기타 계열
- 18650 사이즈 (직경 18mm, 높이 65.0mm)
- 18650 - 나트륨 이온 기반. 전압 3.1V. 용량 1000~1500mAh
비록 에너지 저장량은 AA 알카라인 건전지의 1.5배에 불과하나, 방전률이 10~35C에 달하는 고방전 제품들도 존재한다. 영국에서는 18650 리튬 이온 배터리의 폭발 우려로 인해 전자담배용 배터리로도 판매되고 있다. 중국에서는 오토바이 시동용 12V 배터리 팩으로 만들어 판매하는 사례도 있다.
- 21700 사이즈 (직경 21mm, 높이 70.0mm)
- 21700 - 나트륨 이온 기반. 전압 3.1V. 용량 2000mAh
- 26650 사이즈 (직경 26mm, 높이 65.0mm)
- 26650 - 나트륨 이온 기반. 전압 3.1V. 용량 3000~3500mAh
- 32700 사이즈 (직경 32mm, 높이 70.0mm)
- 32700 - 나트륨 이온 기반. 전압 3.1V. 용량 4700~5000mAh
- 32140 사이즈 (직경 32mm, 높이 140.0mm)
- 32140 - 나트륨 이온 기반. 전압 3.1V. 용량 10000~12000mAh
2024년부터 일부 중국 회사에서 전기차 생산에 사용중이다. 납 축전지 대체용 배터리 팩이나 내연기관차 시동용으로도 사용된다. 이보다 지름이 1mm 큰 33140 규격도 있으며, 32140과 대부분 호환된다. 최대 방전률은 10C 내외다.
- 46150 사이즈 (직경 46mm, 높이 150.0mm)
- 46150 - 나트륨 이온 기반. 전압 3.1V. 용량 18000mAh
- 6V (4R25)
- 6V - 납 축전지 기반. 전압 6V. 용량 4000~5000mAh
5. 점유율 변천사
| {{{#!wiki style="margin: 0 -10px -5px;" {{{#!folding [ 펼치기 · 접기 ] {{{#!wiki style="margin: -6px -1px -11px;" | <tablebgcolor=#fefefe,#202020><tablewidth=100%> | | |
| CATL | BYD | LG에너지솔루션 | |
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| 파나소닉 | SK온 | 삼성SDI |
일본에서 한국으로, 다시 중국으로 주도권이 넘어간 상황이다. 2023년 기준 중국의 CATL사가 압도적인 1위를 점하고 있다. 출하량으로 2,3,4위를 다 합쳐도 CATL을 넘지 못하며 판매금액은 2,3,4위의 총합보다 약간 적은 정도다.※
과거에는 일본이 이 분야에서 군림했었다. 2000년대 초반까지만 하더라도 국내 전자회사들은 일본 업체에서 이차 전지 완성품을 수입해 제품에 이식시키는 정도였다. 2000년대 중반 이전에 생산된 오래된 국산 휴대폰이나 카세트테이프 플레이어의 배터리에 적혀있는 제조 정보를 확인해 보면 열이면 열 모두 Made in Japan(일본산 완제품) 아니면 Cell Made in Japan, Finished in Korea[56]로 적혀 있을 것이다.
그러나 2000년경부터 삼성SDI와 LG화학, SK이노베이션 등의 한국 업체들이 기술개발을 통해 자체 생산을 시작했고, 2000년 초부터는 이차 전지 세계 시장 점유율에서 2위를 차지했다. 이후 2010년대에 들어서며 삼성SDI가 2차 전지 세계시장 점유율 1위에 오르기도 했고, 2011년에는 한국기업이 시장 점유율 40%를 차지하며 국가 순위에서도 1위를 차지했다. 2012년에도 한국 기업의 점유율은 43.4% 대 일본은 30.9%로 약진했다.
점유율에서 앞선 2012년 말까지도 양/음극재, 분리막, 전해질 등의 이차 전지에 들어가는 핵심 부품 및 소재 국산화율과 기초기반 기술. 특히 핵심기술력은 객관적으로 일본보다 한 수 아래라는 평을 받았다. 전기 자동차용 이차 전지 분야는 한국 기업들이 주요기술에서 크게 밀렸었다. 물론 한국 기업들도 이에 집중해 소재 국산화 및 기술 개발에 주력했고, 2011년 기준 국산화 비율은 양극재 56.9%, 분리막 37.8%, 전해액 76.2%에 달하게 됐다. 자동차용 이차 전지 시장을 위해 각 기업들은 자동차 회사들과도 연합을 꾸리고 있다. 대표적으로 LG화학은 GM, 포드, 현대기아차의 수주를 얻고 삼성SDI는 BMW와 크라이슬러, 보쉬는 GS유아사와 연합하는 중이다.
2020년, 모델 3가 공전의 히트를 치고 테슬라의 주가가 폭등하며 전기자동차 시장이 전세계의 이목을 끌게 된 가운데, 한국 기업들 또한 세계 전기차(EV) 배터리 시장에서 크게 약진했다. 2020년 시장점유율에서 LG에너지솔루션이 2위(점유율 23.5%)로 1위 CATL(점유율 24%)과 0.5% 격차로 크게 추격했으며 삼성SDI는 5위(5.8%), SK이노베이션은 6위(5.4%)를 차지했다. 특히 주요 중국, 일본 업체들의 점유율이 감소하는데 비해 한국 기업들은 전년 대비 각각 171.5, 85.3, 274.2 %의 엄청난 성장률을 보였다. 특히 2020년 중국 시장을 제외한 전 세계전기차 배터리 시장 점유율 LG에너지솔루션이 1위를 했고 삼성SDI와 SK이노베이션도 각각 3위, 4위를 차지해 한국 기업들이 중국을 제외한 전세계 시장의 절반 이상을 점유했다.
이러한 완성품 시장에서 점유율을 잃고 소재, 부품에서도 점진적으로 밀려나는 과정은 메모리 반도체, 디스플레이 산업에서 일본 기업이 한국기업에 주도권을 넘겨준 과정의 재현이라봐도 무방하다. 만화 시마 사장에서도 이차전지 관련 내용을 보면 한국기업의 추격에 대한 일본 기업의 공포를 엿볼 수 있다. 소니마저 전지 사업을 매각하면서 파나소닉만이 세계 시장 점유율 상위권에 홀로 남게 됐으며, 파나소닉이 현재의 자리를 유지할 수 있는 것 또한 기술적 우위보다는 테슬라와의 협업관계 덕분이며 얼마 지나지 않아 한국과 중국의 기업들에게 점유율을 모두 내주게 될 것이라는 비관적인 평가가 주를 이루고 있다.
그러나 한국 기업이 이에 대해 낙관할 수만은 없는데, 중국의 추격이 있기 때문이다. 앞으로 주목받을 중대형 이차 전지 분야는 중국과 우리의 격차가 크지 않고 오히려 전기자동차에 사용되는 중형 전지 분야는 적어도 규모 면에서만큼은 중국이 확연하게 앞서 있다.[57][58] 중국은 이차 전지에 필요한 희유금속을 포함한 원자재가 풍부할 뿐만 아니라, 저렴한 인건비와 거대한 시장을 보유하고 있어 대단한 잠재력이 있다. 우리나라가 이차 전지의 원천 기술 확보를 위한 특단의 조치를 취하지 않는다면, 현재 LCD 산업이 그러하듯 머지않아 중국이 우리나라를 따라 잡을 가능성이 크다.
6. 관리
니켈(Ni) 전지는 기억 효과를 방지하기 위해 휴대폰이나 노트북 등의 배터리 관리를 위해 완전 충전-완전 방전(완충완방)을 주기적으로 해 줘야 한다.메모리 효과는 리튬/나트륨 이온 전지와 납 축전지에는 해당사항이 없다.[59] 휴대폰이나 노트북에 사용되는 리튬 이온 전지와 리튬 이온 폴리머 전지는 기억 효과가 없기 때문에 완전충전 완전방전을 할 필요가 없다. 완전 방전 시 전극이 손상되어 용량이 매우 큰 폭으로 깎여 나가기에 해서도 안 된다. 배터리 보호회로가 작동해서 할 수도 없다. 자세한 것은 기억 효과 참고. 분리해서 장기보관할 시에는 50~80% 정도만 충전해서 건냉한 곳에 보관하고 주기적으로 충전해 주는 것이 이상적이다. 완충 상태로 보관하면 배터리 스웰링 현상이 일어날 수 있기 때문에 주의해야 한다. 그러나 이게 쉬운 일이 아니고 배터리 일체형 제품이 늘어났다는 게 문제. 스마트폰, 태블릿, 배터리 일체형 노트북 등 신형 전자기기는 과방전 방지를 위해 그냥 충전선을 항상 연결해두고 틈틈이 자주 충전하는 것이 가장 간편한 관리방법이다. 배터리가 완전히 충전됐을 경우 충전을 중단하고 자가 방전모드로 들어가기 때문이다. 삼성전자에서는 배터리 내장형 기기를 장기보관할 경우 80% 이상 충전한 상태로 전원을 끄고 6개월에 1번씩 충전할 것을 권장하고 있다. 다만 전원에 상시 연결된 랩탑이나 키오스크처럼 사용되는 태블릿 사용 환경과 같이 항상 충전시켜 두지 않아야 하는 전자제품도 여전히 존재한다. 이런 점에 신경 쓴 제품들의 경우 배터리 사이클 관리 모드를 제공해 배터리를 용량의 60-80% 까지만 충전하고 전원이 연결되어 있어도 충전을 차단하지만 보호회로가 없거나 신뢰성을 담보하기 어려운 싸구려인 경우, 완충 뒤에도 미세전류로 꾸준히 충전하는 구형 노트북 종류가 그렇다. 스마트폰의 경우 일체형 배터리로 변경된 삼성전자의 갤럭시 S6가 출시된 2015년 이후의 시점에 나온 신형 폰들은 대부분 과충전 방지 기능이 들어가 있긴 하다.
보호 회로가 전지의 잔량을 제대로 읽지 못해 부정확한 값을 표시하는 경우가 있다. 대개 관리 없이 장기 보관된 전지에서 일어나는 현상이다. 이것은 일시적인 현상으로 100% 충전 후 기기가 전력 부족으로 스스로 꺼질 때까지 연속해서 사용하는 일을 두어 번 정도 반복하면 정상으로 돌아온다.[60] 단, 이것이 두어 번 안에 복구되지 않는다면 그 전지는 이미 수명을 다한 것이다. 전지는 엄연한 소모품이며 주기적으로 교체해야 한다는 사실을 잊으면 안 된다.
또한, 충전 시 정전압/정전류를 안정되게 유지할 수 있는 검증된 충전기를 사용하는 것이 바람직하다. 질이 나쁜 충전기는 안정적인 전류를 공급하지 못해 배터리를 충전하는 충전회로에 심한 스트레스를 준다.
일반 리튬 이온 전지는 500~1000회 정도의 충방전이 가능하지만[61] 제조 이후 사용하지 않아도 열화가 진행되어 내구 연한은 2년 정도로 본다. 그러나 전자제품이 늘 그렇듯 복불복인 면이 있어서, 1년도 안 되어 완전히 망가지는 경우가 있는가 하면 5년을 넘게 사용했는데도 70~80%대의 용량이 계속 유지되는 불가사의한 경우도 있다. 전력을 적게 쓰면서 전원을 잘 끄지 않고 끊임없이 충전하며 사용하는 기기에서 이런 경우가 많다. 본의 아니게 최적의 관리가 이루어지는 환경이기 때문일 가능성이 높다. 가장 흔한 사례가 고령층이 쓰는 구형 폴더폰이다. 지금도 멀쩡히 돌아가는 폴더폰의 뚜껑을 열어 보면 배터리 제조 일자가 2009, 2010년인 경우를 쉽게 볼 수 있다. 결론은, 자주 방전시키거나 간당간당하게 두지 말고 틈틈이 충전하는 습관을 들이자. 요즘 나오는 전자기기들은 완충 상태를 감지하는 회로를 기본 탑재하고 있어 과충전을 걱정할 필요가 없다. 현세대 스마트폰의 경우에는 충전 습관과 사이클에 따라 배터리의 수명을 2배에서 3배 이상까지도 늘릴 수 있다.
디카나 캠코더, 혹은 노트북 컴퓨터의 정품 배터리팩 가격이 너무 비싸 스스로 셀을 묶어 만든 비정품/재생/자작 배터리 팩을 사용하는 경우가 있는데, 전지뿐만이 아니라 기기에도 손상을 입힐 수 있기 때문에 단순히 가격 문제로 그런 배터리 팩을 선택하는 일은 피해야 한다.[62] 그런 배터리 팩들은 정품이 단종됐을 때나 사용하는 최후의 수단이다. 사실 특정 기기가 정품 배터리 팩을 구할 수 없을 정도로 오래됐으면 제조사의 지원은 이미 옛날에 끝났다.[63]
7. 재활용
이차 전지에는 종류에 따라 납, 카드뮴, 코발트 등의 유독물질이 함유되어 있으며, 함부로 폐기하면 환경 뿐 아니라 자원 순환 면에서도 나쁘다. 이에 따라 배터리를 효율적으로 재활용하기 위한 연구개발도 지속적으로 이루어지고 있다. 또한 재활용은 이차 전지의 가격을 낮추는 데도 도움이 된다.납 축전지의 경우 재활용이 매우 활발하며, 95% 이상 재활용이 가능하다. 납 축전지의 가격이 저렴한 이유이기도 하다.
리튬 이온 전지의 경우 희소금속인 리튬, 니켈, 코발트 등을 추출해내기 위해 재활용을 하고 있다. 특히 유럽연합에서는 리튬 이온 배터리의 재활용을 의무화했다. 근미래에는 전기자동차와 ESS의 보급으로 인해 리튬 수요가 급증하고, 폐배터리 또한 덩달아 늘어날 것으로 예상되므로 리튬 이온 전지의 재활용 시장이 크게 활성화될 것으로 예상된다.
리튬인산철 전지의 경우 2022년 기준 재활용 기술이 아직 상용화되지 못했으며, 연구개발 또한 늦게 시작된 편이다. 게다가 리튬인산철 전지에는 희소금속이 리튬뿐이여서 재활용 가치 또한 낮다는 단점이 있다.#
근미래에 대량으로 생산될 나트륨 이온 전지 또한 재활용이 가능하다. 재활용하기 어려운 코발트가 없으므로 재활용이 쉽다는 장점이 있지만 값싼 금속들(나트륨, 철, 망간, 알루미늄 등)을 원료로 하기에 재활용 가치는 낮은 편이다. 또한 나트륨 이온 전지가 기존 리튬 이온 전지와 동일한 규격으로 생산되는 만큼 분리수거를 위한 표식을 하거나 서로 혼입되어도 재활용이 가능한 시스템을 갖출 필요도 있다.
폐차된 전기자동차의 배터리 팩에도 용량이 상당히 남은 배터리들이 포함되어 있으므로 재사용하기도 하는데, 이를 UBESS라고 한다.
2022년 2차 전지 중 현재 EPR(생산자책임재활용제도)를 통해 재활용 지정 품목으로 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지 이다. 아직 리튬 이온 전지는 전기차 배터리 외에는 품목 지정이 되지 않고 있으며, 빠른 도입이 시급한 상황이다.
하지만, 리튬 이온 전지의 경우에도 재활용할 수 있기 때문에, 가까운 수거함 혹은 지자체 해당 부서로 문의해 처리할 수 있다.(출처 : (사)한국전지재활용협회)
8. 개발진행 중인 배터리
현대 기술문명의 발목을 잡고 있는 분야가 이차 전지라는 말이 있을 정도로 발전이 정체되고 있는 분야다.[64] 전기 모터는 현존하는 엔진들 중에 가장 효율성, 신뢰성, 정비 용이성이 뛰어나지만, 연료에 비해 이차 전지의 에너지 밀도가 너무 낮다는 치명적인 문제가 있다. 전기자동차용 리튬 기반 이차 전지의 에너지 밀도는 대개 킬로그램당 0.3MJ, 리터당 0.4MJ다. 즉 휘발유의 1% 수준이다. 이는 기존 기술의 발전과 개선을 통해서는(즉 근본적으로 다른 혁신적인 기술이 등장하기 전에는) 전기비행기로 장거리 비행을 하거나, 전기기관차 등 무거운 전기철도 차량을 배터리로 구동하는 것은 불가능하다는 의미이다.현재 배터리 업계의 연구 개발은 현재 가장 많이 장착되는 리튬 이온 배터리를 대체하려는 시도에 중점을 두고 있다. 리튬 이온 배터리의 문제점인 화재, 수명, 용량, 자원 부족 등을 해결하기 위해 다양한 소재를 이용하여 연구가 진행중에 있다. 특히 24년 기준 프리미엄 분야에선 리튬황, 리튬메탈, 전고체가, 중저가 분야에선 알루미늄, 차세대 나트륨[65], 칼륨 등을 이용하여 2030년 내 상용화 및 양산을 목표로 개발하는 기업들이 많다. 하지만 이들 목표가 늦어지고 있다는 점에서 리튬 이온 배터리의 개선이 더 빠를 수 있다는 전망 또한 존재한다.#
8.1. 전고체 전지
전고체 전지(All-Solid-State Battery). 즉 전해액 대신 고체를 사용하는 이차 전지가 연구되고 있다. 전해액 대신 고체를 사용하면 리튬/나트륨 전지의 에너지 저장 밀도와 안전성을 훨씬 높일 수 있고, 전해액 때문에 충전이 불가능했던 알카라인 전지를 이차 전지로 만드는 것도 가능하다! 즉 값싸고 안전한 이차 전지(알카라인, 나트륨)와, 비싸지만 저장 에너지 밀도가 훨씬 높으며 지금보다 훨씬 안전한 리튬 전지가 제작 가능하다는 것. 상용화가 이루어진다면 한 번 충전에 일주일씩 사용할 수 있는 휴대전화가 다시 등장하고 훨씬 더 안전하고 더 실용적인 전기 자동차가 나올 것이다. 전고체 전지의 또 다른 특장점으로는 하나의 패키지에 여러 개의 셀을 집어넣을 수 있다는 것이다. 당연히 전해질이 고체이므로 같은 공간에 넣어도 서로 섞이지를 못하고 따라서 합선되지 않기 때문이다. 그로 인해 에너지 밀도를 더욱 높이고 공간과 배터리 팩 제작 비용도 절약할 수 있다. 화재가 역시 나는 배터리다.#일본 자동차+전자회사들의 콘서시엄인 LIBTEC 등이 유리, 세라믹 등 다양한 소재로 만들어진 전고체 전지를 개발하기 위해 노력 중이며, GM, BMW, 폭스바겐 등 자동차 산업의 큰손들도 모두 전고체 전지를 개발 중이다. 하다못해 청소기로 유명한 다이슨도 연구 중이다. 삼성SDI와 LG화학도 당연히 개발 중이며 이 쪽은 2020년대 중후반 상용화를 목표로 할 정도다. 효율성 높은 전고체 전지를 성공적으로 상용화하는 회사는 최고로 중요한 기술을 독점하는 것이므로, 1991년에 소니가 리튬 이온 전지를 개발했을 때처럼 오랫동안 업계를 지배할 수 있을 것이다.[66] 완전히 구현될 경우 리튬 이온 전지는 500Wh/kg 이상, 나트륨 이온 전지는 기존 리튬 이온 전지 수준으로 에너지 밀도를 끌어올릴 수 있을 것으로 예상된다.
그러나 전고체 배터리는 넘어야 할 기술적 벽이 아직도 많이 남아있다. 가장 빨리 전고체 양산을 주장한 광저우자동차그룹도 2026년은 되어야 가능하다는 입장이고# 삼성은 전고체배터리의 실용화를 2027년 이후에나 예상했다.# 심지어 전고체에 사활을 걸고 있는 것으로 알려진 일본 마저도 2030년 이후에나 상용화될 것으로 볼 정도이다.# 테슬라의 일론머스크 역시 전고체 배터리의 단시일내 상용화에 회의적인 시각을 표현하기도 했다.#
당초 예상했던 계획년도보다 계속 밀리는 상황이라, 2030년 이후라도 상용화가 되면 다행이지 않겠냐는 회의적인 시각이 상당하며, 일각에서는 상용화 자체에 의문을 제기하기도 한다.# 상용화가 될 때쯤이면 현재 나와있는 배터리들이 느리지만 꾸준히 성능개량을 하고 있는만큼, 기존 배터리도 전고체와 큰 차이없는 성능까지 끌어올리게 되면서 값이 매우 비싼 전고체 자체가 필요없어진다는 것이다.[67] 정말 특별한 무언가가 발견되지 않는 이상 설령 상용화가 되더라도 고급형 전기차 혹은 스마트폰과 같은 소형 전자기기에나 겨우 쓰일 것이라는 시각이 우세하다.
이처럼 전고체 전지의 완전한 상용화에 대한 회의감이 점차 확산되면서, 고체와 액체 전해질을 동시에 사용하는 반고체(하이브리드) 전지쪽으로 눈길을 돌리기도 한다. 기존 액체 전해질 전지와 전고체 전지의 중간 정도의 성능을 지니며, 국내 기업에서 개발중인 나트륨 이온 전지가 이 방식을 사용한다.
여담으로 중국산 묻지마 파워뱅크 중에서는 전고체 전지를 사용했다는 제품들이 있다. 당연히 2024년 현재 상용화되지 않은 유형의 배터리이므로 전고체 배터리를 사용했다고 주장하는 제품들은 모두 가짜이며, 분해해보면 일반 리튬 이온 전지가 사용되어 있다.
8.2. 리튬-황 전지
양극에 황, 음극에 리튬을 사용한 이차 전지로, 이론상 기존 리튬 이온 전지의 8배에 달하는 에너지 밀도를 가질 수 있다. 2008년에 태양광 비행기에 시범적으로 사용된 적도 있으나, 덴드라이트[68]의 형성, 황으로 인한 부식 등 난제들이 있어 상용화는 2027년 이후로 예상된다. 나트륨이나 알루미늄 이온 전지에도 이와 비슷하게 양극에 황을 쓰려는 연구가 진행되고 있다.#2020년 국내에서 리튬-황 전지를 탑재한 무인기가 무인 비행기 최초로 고도 22km를 비행하며 무인기 기준 국내 성층권 최고 고도 비행 기록을 달성했다.
8.3. 금속 공기 전지
1868년에 1차 전지로 개발됐으며 에너지 밀도가 매우 높아 보청기나 미군의 군용 배터리로 쓰인다. 금속의 산화 반응을 통해 전기 에너지를 얻는 원리이며 아연 공기 전지가 제일 많이 쓰인다. 원리가 단순하고 높은 에너지 밀도를 가지기 때문에 2차 전지로써의 활용성이 활발히 연구되고 있다. 리튬 이온 배터리를 대체할 차세대 배터리로 주목받고 있으며 관련 특허도 상당하다. 우리나라에선 삼성SDI, 현대자동차, LG화학 순으로 관련 특허를 많이 가지고 있다. 반응에 산소가 필요하므로 배터리에 공기가 드나들 구멍이 필요하다는 특징을 지닌다.리튬은 산화할 때 발생하는 에너지는 11.14kWh/kg으로 이는 휘발유의 에너지 밀도인 12.87kWh/kg와 비슷한 수준이다. 하지만 휘발유는 쓸수록 줄어들어 가벼워지는 반면에 금속 공기 전지는 오히려 산소를 흡수해 점점 무거워지므로 전지로써의 에너지 밀도는 많이 떨어진다. 무게 증가 및 전기에너지 변환 효율을 고려한 리튬 공기 전지의 최대 에너지 밀도는 3.5kWh/kg 수준, 리튬 이온전지의 약 10배이다. 다만 내연기관의 낮은 효율[69]을 생각하면 실상 리튬 공기 전지의 무게당 가용 에너지는 휘발유와 비슷하다고 볼 수 있다. 물론 이는 기술개발이 완료되어 이론상 완벽히 구현됐을 때 이야기이다. 아직은 산화-환원 과정을 거치면서 금속의 변형이 발생하기 때문에 수명이 짧고 효율, 방전율도 낮아서 반응성 높은 촉매의 개발 등 풀어야 할 숙제가 많다.
2017년 10월 20일 울산과학기술원에서 새로운 비귀금속 촉매 개발을 발표했다. 그렇지만 재료에 코발트가 사용되는 점을 감안하면 경제성의 문제는 여전히 존재한다. 리튬보다 코발트의 예상 매장량이 훨씬 적어서 탄산리튬의 2배 이상인 톤당 4만 달러 수준이기 때문이다. 특히 2021~2022년에는 전 세계적인 물류 대란 및 전쟁 등으로 인해 코발트는 톤당 8만 달러, 리튬은 톤당 7만 달러 이상으로 올랐다.
금속 공기 전지에 리튬 대신 값싸고 흔한 철(Fe)을 이용하려는 시도도 있다. 방전시에는 철이 녹슬면서 에너지를 내놓으며, 충전시에는 녹이 전기분해돼 철로 되돌려지는 원리이다. 비록 에너지 밀도는 떨어지지만, 비용 당 에너지 저장량이 우수하므로 상용화시 에너지 저장 체계에서 주로 사용될 것으로 예상된다.
8.4. 알루미늄 이온 전지
알루미늄 이온은 나트륨보다도 무겁지만, 한 번에 전자를 3개씩 이동시킬 수 있으며, 리튬 이온보다 원자반경도 더 작기 때문에 완전히 구현될 경우 리튬 이온 전지를 대체할 수준의 에너지 밀도를 가질 수 있다. 알루미늄 이온의 원자량 당 전하량은 리튬 이온보다 약간 낮은 수준이다. (27:3 VS 7:1) 또한 알루미늄 이온 전지의 이론상 최대 에너지 밀도는 대략 1060Wh/kg으로 406Wh/kg인 리튬 이온 전지의 이론상 최대치의 약 2.5배 수준이다.#알루미늄은 나트륨보다도 흔해서 지구 지각에서 3번째로 흔한 원소이며, 리튬/나트륨 이온 전지보다 충방전 속도가 훨씬 빨라 수 분 이내 완충되는 초고속 충전과 180C 이상의 초고방전이 가능하다는 장점도 있다. 단점으로는 평균 전압이 2.65V로 낮아 같은 전압을 낼 때 셀의 개수가 증가한다는 점이 있다. 음극에 알루미늄 금속을 사용하려는 시도도 있는데, 높은 반응성으로 인해 폭발 및 화재 위험이 있는 리튬/나트륨 금속과 달리 알루미늄은 순수한 금속으로 사용해도 이러한 문제가 없다.
8.5. 바나듐 흐름 전지
바나듐 레독스 흐름전지(Vanadium Redox Flow Battery, VRFB)는 펌프를 이용하여 전해액을 순환시켜 전극에 전하를 전달하는 전지이다. 국내외적으로 여러 업체에서 개발중에 있으며 바나듐 자체는 에너지 밀도가 낮아 부피와 무게는 높지만 납축전지처럼 화재의 위험성이 없다는 특징으로 ESS로서 사용되고 있다.#
8.6. 바나듐 이온 전지
영어로 Vanadium Ion Battery (VIB)라고 하는 바나듐이온 배터리는 바나듐 전해액을 사용하는 이차전지로 1986년 호주에서 최초로 개발되었다. 국내업체 1곳에서 개발하고 있으며 VIB는 바나듐 전해액의 전기화학 반응을 통해 전기를 충전하고 방전한다. 바나듐 레독스 흐름전지와는 전해액을 빼곤 완전히 다른 배터리다. 리튬 이온 전지와 구조, 성능, 특성 등 차이가 많다.#바나듐 흐름 전지와 유사하게 업체에선 화재 위험성이 거의 없고 수명이 길며 에너지 효율도가 높지만, 에너지 밀도가 낮아 부피와 무게가 크다는 단점이 있다. 바나듐 흐름 전지와 같이 특징을 공유하여 ESS 시장에서 사용될 것으로 보인다. 바나듐 이온 배터리 ESS는 롯데하이마트 메가스토어 압구정점에 설치된 초고속 전기차 충전소에 시제품이 설치, 운용 중에 있다.#
8.7. 해수 전지
나트륨 이온 전지의 일종으로, 바닷물 혹은 이와 비슷한 소금물에 녹아 있는 나트륨 이온을 사용한다는 특징이 있다. 수계 전해질을 사용하므로 폭발 및 화재 위험으로부터 완전히 자유로우며, 바닷물에 침수되어도 방전 또는 부식으로 손상되지 않으므로 선박이나 부표, 잠수정 등에서 사용 가능하다는 장점을 가진다. 그러나 리튬 이온 전지는 물론이고 유기전해질 및 금속산화물 기반 나트륨 이온 전지보다 에너지 밀도가 떨어진다는 단점이 있다.한편 2008년 설립된 Aquion Energy 사가 2017년에 사업을 접기까지 해수 전지를 연구했다.
8.8. 기타 차세대 전지
- 칼륨 이온 전지
리튬이나 나트륨 대신 칼륨(포타슘) 이온을 사용하는 배터리로, 완전히 구현시 리튬인산철 배터리 수준의 에너지 밀도를 낼 수 있을 것으로 보인다. 상용화는 2027년경으로 전망된다.# 칼륨 또한 지각에 매우 풍부한 원소로, 알칼리 금속중에서는 나트륨에 이어 2번째로 흔하다. 2024년에는 18650 배터리로 제작하는 데 성공했다. - 알칼리 토금속 이온 전지
마그네슘 또는 칼슘 이온은 2가 이온으로 한 번에 전자를 2개씩 이동시킬 수 있다는 특징을 가진다. 참고로 베릴륨의 경우 공유결합을 할 정도로 이온화 에너지가 높음은 물론 리튬보다 희소하고 유독하기까지 하므로 베릴륨 기반 배터리는 거의 연구되지 않는다. 또한 스트론튬과 바륨은 너무 무거워서 대체재로 쓰이지 않는다. - 아연 이온 전지
- 철 이온 전지
- 아연 공기 전지
- 알루미늄 황 전지
- 나이오븀 전지
- 세라믹 전지
9. 기타
- 2021년 세계 물류 대란 이후 이차 전지의 가격이 전반적으로 오르게 됐다. 리튬 이온 전지는 리튬과 코발트의 가격이 천정부지로 뛰었으며, 니켈도 비싸져 리튬 이온 전지뿐 아니라 니켈 수소 전지까지 영향을 받았다. 납 축전지 또한 코로나 19로 인해 방치되어 있다가 시동이 걸리지 않는 차량의 급증으로 인해 수요가 폭증한데다 중국에서의 납 수요 증가로 인해 가격이 뛰었다.
- 인공지능을 이용하여 새로운 배터리 소재를 찾아내는 것 또한 진행중이다. 기존처럼 과학자들이 새로운 배터리 소재를 일일히 찾아내고 실험하는 것보다 빠르게 연구개발이 가능할 것으로 예상된다. 2024년 1월 기사에 따르면, AI를 이용한 탐색 방법으로 3200만 가지 가능성 가운데 18가지 후보 물질을 찾아내는 데 성공했다. 새 물질을 이용한 배터리는 나트륨을 활용하여 리튬을 70% 적게 사용한다. #
10. 관련 기업(한국)
11. 관련 문서
- 에너지 저장 체계 ESS(Energy Storage System)
- 기억 효과
- 장난감: 건전지를 사용하는 장난감의 종류가 많아짐에 따라 충전지의 수요도 늘어나게 됐다. 충전지를 가장 많이 사용하는 품목. 물론 1990년대에 미니카를 가지고 놀던 세대라면 단번에 알 것이다.
- 에네루프
- 건전지
- 배터리 스웰링
- 배터리 팩
- 보조 배터리
- 충전기
- 축전기: 본 이차 전지 문서로 리다이렉트되는 축전지와 글자가 거의 비슷하므로 검색시 주의.
- 슈퍼 커패시터
- 울트라커패시터
- 전기이륜차 배터리 교환 충전소 BSS(Battery Swapping Station)
- 분류:배터리 화재
[1] 현대 마이티 이상[2] 1달러 당 평균 10~18Wh 정도다. 리튬 이온 배터리는 2020년 기준 1달러 당 평균 7.3Wh 수준. 다만 충방전 수명을 고려하면 리튬 이온 배터리의 경제성이 더 높다. 리튬 이온 배터리를 한 번 교체할 때 납 축전지는 여러 번 교체해야 한다.[3] 차량에 내장된 강압 회로를 통해 메인 배터리로부터 충전된다. 메인 배터리 고장시 중요 시스템의 UPS 역할을 한다. 납 축전지가 없는 전기차도 있는데, 리튬 이온 배터리으로 대체했기 때문이다.[4] 실내등을 켜놔 완전 방전된 자동차 배터리가 재충전을 하더라도 얼마 못 가는 이유가 이것이다. 완전 방전되자마자 바로 재충전했다면 그나마 나은데 방전 상태로 일주일 이상 방치했다면 그 배터리는 더 이상 시동용으로 쓰기 어렵다. 배터리의 수명을 가장 단축시키는 것이 시동이 걸려 있지 않은 상태에서 차량용 전기 제품을 다량 사용하는 것이다.[5] 2021~2022년에는 비싸졌으나, 장기적으로는 공급 병목 해소와 리튬 이온 배터리의 재활용 활성화 등으로 인해 가격이 떨어질 것으로 예상된다.[6] 2023년 기준으로 납 축전지보다 여러 배 이상 비싸나, 나트륨의 풍부한 매장량을 감안하면 가격이 떨어질 가능성이 높다.[7] 소형 배터리조차 10~16시간이고, 대형 배터리는 36~48시간이 걸린다. 보통 암페어시 용량의 10% 전류(0.1C)가 적정 충전 전류이다. 예를 들어 10Ah 배터리는 1A로 충전해야 한다.[8] 충전에 사용된 전기 에너지의 70%만 방전에 사용될 수 있다. 리튬 이온 전지의 경우 90% 이상의 효율을 보인다.[9] 자가 수리를 위해 차량용 배터리를 인터넷 등지에서 구매할 경우 폐배터리 반납 조건이 걸려 있으면 훨씬 싸게 구매할 수 있다. 업자들이 부수입을 올릴 수 있으니 그만큼 배터리를 할인해서 파는 개념이고 소비자 입장에서도 비싼 배터리를 그나마 싸게 구입 가능하니 서로 좋다.[10] 언급한 대로 시동용 납 축전지는 순간 최대전류 방전을 위해 극판의 두께가 얇은 것이 많이 들어있다. 그런고로 피막이 쉽게 형성된다. 딥사이클 배터리는 극판의 두께가 두꺼운 것이 소량 들어간다. 그런고로 피막 형성이 천천히 이루어진다. 물론 순간 방전전류가 작아 자동차 시동용으로 사용은 어렵다.[11] 별도의 충전기와 같이 이용하지 않으면 방전될 위험이 있다.[12] 납 축전지를 과충전하면 전극판에서 기체가 발생해 용액이 섞이게 된다.[13] CCA 증대를 의미함.[14] 다만 수명이 일반 배터리 대비 10배 가까이 더 길기 때문에 비용상 크게 차이는 나지 않는 편이다.[15] 건전지를 만들던 로케트전기와는 관계없다. 로케트전기는 2015년 코스피 상장 폐지 후 알이배터리에서 인력, 자산을 인수했으며, 2020년 크린랲에서 알이배터리를 다시 인수했다.[16] GM의 자동차 부품 계열사인 AC델코와는 관계 없다.[17] 범현대가 배터리 제조사로 역시나 현대자동차그룹에 OE 공급[18] 동아타이어 계열사[19] GM 한국사업장, 에디슨모터스에 OE 공급[20] 단, 한국 시장의 보쉬 배터리는 세방전지가 생산한 로케트 배터리의 라벨갈이 제품으로, 한국 시판 중인 독일산 보쉬 배터리는 없다. 물론 여타 국산 배터리와 아무런 차이도 없다.[21] 한국어나 영어나 중국어나 일본어나 셋 다 자기네 말로 껌전지라고 한다.(영어: Gumstick Battery, 중국어: 口香糖電池, 일본어: ガム型電池)[22] 그 이전에는 니켈 카드뮴이었다. 니켈 수소로 껌전지가 출시된 이후에도 니켈 카드뮴 껌전지도 계속 생산했다고 한다.[23] 1901년에 토머스 에디슨에 의해 발명됐다.[24] 규격이나 종류에 따라 다르다.[25] RCR123은 CR123보다 전압 델타값이 높아 CR123 대용으로 사용했다간 기기에 무리가 갈 수 있다.[26] 0V 방전 가능한 리튬 이온 전지도 존재하나, 특허만 올라와 있을 뿐 상용화하려는 움직임은 없다.[27] 다만 뻥 터지는 폭발이라기 보다는 강력하게 발화한다는 표현이 정확한 표현이기는 하다. 물론 발화하면서 좁은 틈으로 전지액이 에어로졸 형태로 고압분출되며 "폭발적인" 화학반응을 일으키는 모습은 폭발과 거의 다르지 않다. 진짜로 폭발하는 전지는 따로 있는데, 바로 황산을 전해액으로 쓰는 납축전지이다. 물론 오랜 기간 동안 자동차 등에 사용되기 위해 매우 튼튼하게 만들어졌으므로, 실제로 폭발하는 일은 많지 않다.[28] 전 세계에서 리튬 이온 배터리 화재 및 폭발로 인한 사건사고가 매우 많다. 리튬 이온 배터리 때문에 발생한 항공 사고들, 2022년 SKC&C 판교 데이터센터 화재, 갤럭시 노트 7 연쇄적 배터리 폭발사고, 전동 킥보드들의 화재사고, 현대 코나 일렉트릭 연쇄 화재를 비롯한 LG 엔솔의 배터리를 사용한 전기차 화재들 등 굉장히 많고[70], 리튬 이온 배터리가 계속 쓰이는 한 이런 폭발적 화재사건들은 계속해서 발생할 수밖에 없다.[29] 전해질 용액은 주로 플루오린을 많이 함유하기 때문이다.[30] 다만 이것은 자동차 등에 사용되는 중형 배터리 이상의 얘기이고, 스마트폰 등에 사용되는 소형 배터리의 경우 크기가 작으므로 대량의 물을 뿌릴 수 있을 때 뿌리는 것이 더 좋다. 대형 배터리라 하더라도 완전히 침수시켜 버리면 화재를 진압할 수 있으며, 실제로 미국에서 모델 S에 난 불을 계속 방수해 10만 리터를 퍼부은 후에야 진압된 사례가 있다. 전기차의 경우에도 화재 진압을 위해서라면 전기차 전체를 침수시킬 수 있게 거대한 수조(?) 같은 넓은 공간에 물을 담그거나 해야 한다. 이것이 이동식 수조다.[31] 테슬라에 따르면 리튬 이온 전지 화재는 D형 화재용 소화기로도 진압하기 어렵다고 한다.[32] 원문: WARNING: Disfiguring fire, explosion risk. To avoid injury, consumers MUST NEVER carry, use or install this cell. (경고: 화재, 폭발 위험. 부상을 피하기 위해 소비자는 절대로 이 배터리 셀을 휴대, 사용 또는 설치해서는 안 됩니다.)[33] 개인이 자가사용 목적으로 직구하는 경우 KC 인증이 면제되므로 이것이 가능하다.만 직구 규제라는 카드를 꺼내드신 우리의 대한민국 정부... 그러나 구매대행은 불가능하며, 일정 수량 이상 구매시 세관에 걸릴 가능성이 높다.[34] LFP 배터리는 토요타에 따르면 10년 후에도 90% 용량을 유지한다.#[35] 앞서 언급되었듯이 일정조건하, 상온, 급격한 출력변동이 없는 1C 이하의 조건에서만 수명과 화재 안전성의 장점을 가진다. 기온이 낮은 혹한의 추위나 고성능 전기차 같이 순간적인 출력이 많게는 4~5 C까지 되는 사용환경에서는 수명도 용량도 안전성도 담보되지 않는다.[36] 다만, 제대로 된 방법으로는 배터리는 전류량을 적분하는 클롱 카운팅을 같이 이용하여 용량을 추정하는 경우가 일반적이며, 배터리 전압만으로 SOC를 측정하는 것은 대단히 미련한 행위다. 당장 노트북의 배터리 이상 수준만 되어도 TI 사의 BMS 가 장착되어 전류적분으로 측정하는 것은 물론이거니와, 기아 레이 1세대만 하더라도 셀 전압이 살아있는데 전류 적분만으로 배터리 잔량이 없다는 경고를 띄운다. 하다 못해 50mAh 내외의 배터리가 들어가는 무선이어폰도 퓨얼게이지 IC가 내장되어 클롱카운팅으로 용량을 추정하기도 한다. 추가적으로 배터리의 임피던스를 측정하기도 하는데, 이러한 방법들은 배터리의 성능 상태(SOH; State of Health)를 측정하는 데에도 사용된다.[37] 충격이나 화재가 생기면 순식간에 열폭주가 생겨서 불을 끄기 어려운 NCM과 달리 LFP는 열폭주가 없고 다른 화재에 영향을 안받기 때문에 LFP를 선호하는 사람들도 꽤나 많다.[38] 리튬, 실리콘 등 대체물질 후보군들의 용량이 매우 커서 그렇지 흑연의 이론상 용량은 372mAh/g로, 현재 상용되고 있는 양극재들에 비하면 훨씬 크다.[39] 음극재는 반응 전위가 낮을수록 고에너지 밀도 전지를 설계하기 좋다.[40] 스피넬 구조를 갖고 있어 이온 전도도가 좋다.[41] 양극재는 반응 전위가 높을수록(너무 높으면 곤란하지만) 음극재는 반응 전위가 낮을수록 에너지 밀도를 높이기 좋다.[42] 리튬-황 전지처럼 상온에서 작동하는 방식과 고온의 용융염을 사용하는 방식으로 나뉜다.[43] 바닷물에 침수시 방전 및 부식되어 사용할 수 없게 되는 대다수의 이차 전지들과 달리 침수 상태에서도 작동이 가능하므로 부표 등에 응용 가능하다.[44] 특히 한국 등 바다에 인접한 국가에서는 더더욱 적합하다. 바닷물을 정화시켜서 소금을 쉽게 얻을 수 있기 때문이다. 게다가 해수 담수화 혹은 리튬 정제 시설에서는 대량의 소금물이 폐기물로 버려지는데, 이를 재활용하는 것도 가능하다. 또한 바다에 인접하지 않은 국가라도 암염이나 소다회 등 나트륨을 함유한 광물이 있다면 이를 재료로 쓸 수 있다.[45] 보통 2000~4000회 정도로 다원계 리튬 이온 전지보다는 수명이 길며, 화학 구조에 따라 편차가 있다. Natron Energy의 제품은 리튬 티타늄 산화물 배터리보다 긴 5만 회의 충방전 수명을 기록했다.[46] 해외에서는 나트륨 이온 전지가 미국 UL 인증 등 안전인증을 통과하는 사례가 늘고 있으나, 국내에서 KC 인증을 받은 제품은 아직 없다. 또한 나트륨 이온 전지는 대한민국 현행법상 안전인증 의무대상으로 분류되어 있지 않다.[47] ~160Wh/kg, 성능 개선시 200Wh/kg 이상으로 올릴 수 있다고 한다.[48] 다만 총 배터리 수요중 가장 큰 비중은 전기자동차가 차지할 것으로 예상된다. 개별로 봤을 때는 에너지 저장장치의 배터리 사용량이 압도적이지만 대수는 전기자동차가 훨씬 많기 때문이다.[49] 다만 배터리의 데이터시트에서는 1.5~2V의 방전 종지전압이 존재한다. 이 이하로 떨어져도 배터리가 손상되지는 않으나, 배터리의 에너지가 거의 고갈된 상태이므로 기기가 충분한 에너지를 배터리로부터 끌어다 쓸 수 없기 때문이다.[50] 실제 상황에서는 BMS 고장이나 사용자의 오용으로 발생할 가능성이 있다.[51] 국제 배터리 안전 표준 IEC 62133과 국내 표준 KC 62133-2에서도 나트륨 이온 전지는 다루지 않는다. 후자는 나트륨 이온 전지가 현행법상 KC 인증 대상이 아닌 이유이기도 하다.[52] 영국 기업으로, 2022년 경에 인도의 에너지 기업에 인수되었다.[53] 다만 현재는 노트북을 작고 가볍고 얇게 만드는 용도에는 적합하지 않기 때문에 18650셀을 노트북에 쓰진 않는다. 최근에 가장 많이 쓰이는 분야는 퍼스널 모빌리티와 손전등 정도.[54] 여담으로 중국산 묻지마 배터리에는 5000mAh, 심지어 9999mAh라는 뻥스펙이 써 있고 심지어 해외 쇼핑몰에서는 이 수치를 그대로 광고한다. 당연 구라인 것 다 알지만 구라도 이렇게 심하게 치는 이유는 '5000이라고 써 넣으면 이건 뻥이라도 한 2500 mAh 정도는 나오겠지?' 하는 믿음 때문이라고. 실제로 측정기로 측정한 결과는 9999가 2500은 커녕 999도 안나온다고 한다. 관련 영상[55] 다른 표준과 달리 4자리 숫자인 이유는, 일론 머스크가 왜 쓸데없이 0을 붙이냐고 싫어했기 때문이다. 같은 이유로 테슬라 내부에서는 18650과 21700도 각각 1865, 2170으로 통칭한다.[56] 전지 자체는 일본에서 수입하여 국내에서 보호회로 등을 붙여 완제품으로 완성함.[57] 2022년 1~11월 글로벌 전기차용 배터리 사용량 한국계 3사 점유율 23.1% 2차전지-신재생에너지 전문 조사/컨설팅 기업 SNE리서치의 조사에 따르면, 2022년 기준 중국 시장을 제외하면 한국계 기업 3사의 배터리 시장 점유율은 절반을 넘는 것으로 알려져 있다. 그러나 중국 시장을 포함할 시 중국계 배터리 제조사의 점유율은 60%를 넘는 양상을 보이고 있다.[58] 시진핑 집권 후 중국 정부는 심각한 환경오염을 공산당 체제에 대한 위협으로 간주하면서 전기차, 태양광, 풍력 발전 같은 친환경 미래산업에 어마어마한 투자를 쏟아붓고 있다. 또한 기존 분야에서는 서방국 대비 떨어지는 기술격차로 극복하기 어렵지만 새롭게 시작되는 신산업에서는 비슷한 출발 위치에 있어 단기간에 따라잡을 수 있다는 계산도 있다.[59] 리튬인산철의 경우는 메모리 효과가 있다는 보고는 있는데 딸랑 논문 한편일 뿐이다. 이러한 논문들이 수많이 쌓여야 비로소 정설로 인정받게 되는 것이다. 확고한 정설에 반하는 단발적인 논문은 수많은 분야에서 다 찾아볼 수 있다. 심지어 이 논문에서조차 부분 충전 직후 방전시에만 효과가 나타나며(부분 충방전 반복시에는 효과가 누적되나 영구적이지는 않음) 제대로 완충 후 사용하면 메모리 효과가 사라지는 등 니켈 계열 전지의 메모리 효과와는 다른 특성을 보인다. https://www.nature.com/articles/nmat3623[60] 100%에서 0%까지 사용하는 일을 반복해 부정확한 잔량값을 기기 스스로 보정하도록 하는 과정이다. 칼리브레이션이라고도 한다.[61] 완전충전-완전방전 사이클로 보증용량인 70%~80%까지 떨어진 상태 기준이다.[62] 디카, 캠코더, 노트북 등의 제조사는 세계적 대기업이 많아 회사의 이미지상 불량 배터리로 인한 사고로 받은 피해를 줄이기 위해 배터리 관련 회로에 수많은 보호장치를 붙여 무단 개조나 셀 교체 자작작업 등을 하지 못하게 막는다. 폭발이라는 문제 때문에 프린터업계의 리필잉크 사용 막기보다 훨씬 심한 정도. 셀을 교체해도 교체여부를 판단, 회로에서 차단해서 사용 못하게 한다던가, 이전 셀의 잔량을 기억해 새 셀로 교체해도 배터리 사용시간이 이전과 마찬가지라던가, 일반적인 드라이버로 열 수 없는 보안 나사로 배터리 팩을 조립해 분해 자체를 방지한다던가 등등.[63] 특히 그런 IT기기들은 기술의 발전이 빨라 현재의 최저가 보급형이 그 시절의 플래그십과 같은 성능이다. 배터리 수명이 다할 때 쯤이면 배터리를 교체하는 것보다 그 물건과 동일 성능의 보급형 기기를 신품으로 구입하는 것이 답이다.[64] 문명의 발전도를 측정하는 구분 방법 중 가장 객관성 있는 분류 중 하나가 바로 '해당 문명의 에너지 사용량'이다. 에너지를 소비할 기술은 날이 갈수록 발전해 갈지라도, 정작 저장할 기술이 부족하면 총 에너지 사용량은 정체될 수밖에 없고 이는 곧 기술 발전의 정체로 이어지기 때문이다.[65] 2023년에 상용화된 층형 산화물 방식이 아닌 무음극 나트륨 전지 등이다.[66] 단, 전고체 전지도 크랙에 취약하다는 약점이 있다. 일반적인 가전 기기에서는 문제가 안되지만 전기차에 전고체 전지를 사용할 경우 반복적인 진동에 의해 크랙이 발생할 위험성이 있다.[67] 상업화에 있어 비용은 거의 핵심적 요소이다. 대표적으로 베타맥스 vs VHS 비디오 싸움에서 VHS가 승리한 것이 그 예시. 성능은 베타 쪽이 더 좋았으나 결정적으로 가격에 밀리면서 결국 품질이 다소 낮은 VHS가 국제표준이 되었다.[68] Lithium Dendrite, 충방전을 반복할 시 리튬 음극에서 생성되는 나뭇가지 형태의 리튬 금속 결정이다. 분리막을 뚫고 단락 및 화재를 유발할 위험이 있다.[69] 20~45%수준, 그나마 발전소에 쓰이는 내연기관의 효율이 45% 정도이고 자동차용 내연기관은 25% 내외이다.