[전문가 기고] 휴머노이드 시대 대비하여 "꿈의 배터리 소듐 전고체 전지 산업에 집중하자"

[산경e뉴스] 리튬이온 배터리(Lithium Ion Battery. LIB)가 2008년부터 테슬라(Tesla)를 계기로 EV(전기차)를 급격히 대중화시키는데 크게 기여했지만 최근 EV는 케즘의 시대를 맞고 있다. 

그 이유는 크게 세 가지가 있다.  

주행거리와 충전 시간이 가장 큰 이유라 할 수 있지만 최근 큰 사회적 문제가 되고 있는 열폭주에 의한 화재도 또 다른 이유가 될 수 있다. 

세 번째 이유는 매우 복잡한 배터리 화학이 관여되어 있어서 어떤 배터리도 대중화되기 전엔 그 위험성을 객관적으로 평가하기 힘들다는 점이다. 

꿈의 배터리라고 불리는 전고체 배터리(Solid State Battery. SSB)도 충방전에 따라 음극 표면에 덴드라이트가 생성되고 결국 단락에 이를 수 있는 문제는 여전히 완전히 해결되지 못하고 있다. 

케즘에 대한 처음 두 가지 이유에 있어서는 SSB가 해법이 될 수 있다는 것은 확실해 보인다. 

리튬 기반의 SSB가 언제쯤 EV용으로 양산이 될지는 우리나라의 삼성과 일본의 도요타 등 기술적 우위를 갖는 회사들의 모호한 발언 뒤에 비밀로 가려져 있다. 

도요타는 2021년 도쿄 올림픽에서 SSB를 탑재한 EV 시제품을 공개했지만 아직껏 상용화에 이르지 못하고 있다. 

2025년 2월 현재, 독일의 벤츠사는 자사의 특허를 이용하여 충방전에 따른 셀의 부피 변화에 유연하게 대응하는 SSB를 장착한 EV를 주행 테스트중이라고 한다. 

삼성은 2020년 Nature Energy에 발표한 논문을 바탕으로 성능을 개선시키는 연구를 계속해 왔다. 

삼성과 도요타에서는 현재 스마트 가기에 쓰이는 mAh 급의 소형 SSB는 실용화에 가까운 반면, Ah 급의 크기의 셀들을 서로 직렬 및 병렬로 구동하여 EV용 팩을 구성하는데 있어 기술적으로 매우 중요한 전환기를 맞고 있다. 

특히, 발표 논문들에 따르면 SSB를 구동하는데 높은 압력을 필요로 하는데 이는 EV의 급가속에 필요한 순간 전력을 공급하고 LIB 수준의 오랜 수명을 구현하는 도전적인 문제를 해결해야 한다.   

이렇게 EV용으로 상용화의 시대를 기다리고 있는 SSB는 모두 리튬 이온에 기반한 것으로 생각하기 쉽지만 희귀성에서 기인한 리튬의 환경 문제와 관련하여 소듐 이온에 기반한 SSB도 충분히 산업적 가치가 있다.  

본고를 이해하는데 기초가 되는 소듐이온 배터리(Sodium Ion Battery. SIB)에 대한 자세한 설명은 필자가 최근에 "미중에 비해 현격히 뒤쳐진 소듐(나트름)이온 전지에 대한 전략적 사고가 필요하다"라는 제목으로 기고한 글을 참고하기를 바라며 여기서는 몇 가지 사항만을 기술하고자 한다. 

첫째, 리튬은 지표상에 희귀한 금속이다. 

이와 관련, 세계적으로 가장 큰 규모의 리튬 광산중 하나인 세르비아의 Jadar 광산은 리튬 채굴이 안고 있는 환경적 문제를 대변하고 있다. 

2024년 7월 우여곡절 끝에 EU의 엄격한 환경적 기준을 맞춰 리튬 채굴을 재개하기로 합의했다. 

이미 언급한 바와 같이 리튬의 공급 사슬에 대한 지정학적 문제도 있다. 

반면, 소듐은 리튬에 비해 바닷물에 5000배 이상 더 높은 농도로 존재하여 바닷물의 증류나 소금광산을 이용해 쉽게 얻을 수 있다. 

리튬과 소듐 채굴에 대한 이런 대조적 측면이 환경 친화성 뿐만 아니라 가격 측면에서도 소듐 SSB의 장래를 밝게 하는 첫 번째 이유가 된다. 

둘째, SIB는 LIB에 비해 에너지 밀도는 더 낮지만 열폭주에 대해 상대적으로 더 안전하여 일본 도요타의 하이브리차에서 성숙된 LIB 대신 이미 채택하고 있다는 것이 이를 말해준다.  

같은 논리는 성능보다 안전성을 더 중요하게 여기는 환경에서 리튬 SSB보다 소듐 SSB의 장래가 밝은 두 번째 이유가 되기도 한다. 

셋째, 주로 기술적인 이유로서 소듐 SSB에 쓰이는 NASICON과 같은 고체 전해질 (Solid Electrolyte. SE)은 상당한 연구가 진행되고 있는 리튬 SSB를 위한 것들과 유사성이 커서 앞으로 리튬 SSB가 발전함에 따라 쉽게 그 혜택을 전가받을 수 있다. 

넷째, 영국의 스타트업인 TaiSan에 의하면 소듐 반고체 배터리는 300Wh/kg 이상의 에너지 밀도로 NCM계 LIB를 대체하여 잠재적으로 미래 EV 시장을 지배할 정도로 충분히 긴 주행거리를 보장할 수 있다. 

반고체 배터리란 기술적인 이유로 고체 전해질 (Solid Electrolyte. SE)과 소량의 액체 전해질을 함께 사용하는 경우를 이르며 SSB에 비해 제조 공정이 훨씬 덜 까다롭다. 

또한, AI를 이용한 휴머노이드 로봇이 대중화되기 시작하면 이를 이용한 이차전지는 또 다른 거대한 시장을 맞게 될 가능성이 크다. 

이는 휴머노이드가 산업용 뿐만 아니라 가정용까지 EV 산업보다 훨씬 더 큰 규모가 될 것이기 떄문이다.  

지표상 리튬의 희소성으로 인해 리튬 SSB는 이런 규모의 수요를 감당하기 어려울 것이다. 

휴머노이드의 성능은 탑재된 AI의 수준 뿐만 아니라 배터리의 성능에도 크게 의존한다고 할 수 있다. 

중국에서는 등산을 도와 주는 로봇이 상용화를 앞두고 있다고 한다. 

이렇게 상시적으로 많은 에너지를 소비하는 로봇이 일차적 경우가 되겠다. 

뿐만 아니라 인간의 지능을 갖는 AGI의 시대가 멀지 않았다고 한다. 

이에 대해 필자는 이미 AI 산업의 급속한 발전에 대한 전망을 한 바 있다. 

이를 휴머노이드에 이동 가능한 에너지원으로 적용하기 위해서는 리튬 기반의 배터리보다 안전하고 장시간 재충전 없이 사용할 수 있는 대안으로서 소듐 반고체 SSB 나아가 전고체의 장래성을 배제해서는 안된다.  

소듐 SSB 기술의 현황과 전망에 대해 간략히 기술하면 2024년 1월 미국 매릴랜드 대학팀이 대표적인 소듐 SE인 NASICON에 기반한 반고체 배터리를 구현했다. 

2024년 7월 PV Magazine에 따르면 미국의 Laboratory for Energy Storage and Conversion (LESC)는 세계 최초로 무음극, 전고체, 소듐 SSB를 구현했다고 한다. 

현재 SIB에서는 하드 카본을 주로 음극재로 사용한다.  

반면, 무음극이란 뜻은 하드 카본를 없애고 소듐 금속을 음극재 및 소듐이온 저장물질로 동시에 사용하여 배터리의 에너지 밀도를 높이는 방법으로서 리튬 기반 SSB에 적용하고 있는 기술이다. 

LESC의 소듐 SSB는 수소원자를 포함하는 붕소 화합물을 SE로 사용했다. 

작동 압력은 100기압으로서 매우 높아 셀 제작시에 가압 공정이 필요하고 작동 온도는 섭씨 40도로서 전해질의 특성상 아직은 실온에서는 성능이 뛰어나지 못하다.  

구동 전류나 충방전 횟수 등도 아직은 실험실 수준이다. 

삼성의 리튬 SSB에서와 같이 티타늄 나노튜브를 음극 구성 물질로 함께 사용하면 더 낮은 압력하에서 작동시키는 것이 가능할 수도 있다. 

현재 리튬 기반 SSB의 산업화 추세에서와 같이 소듐기반 SSB도 전고체 전지대신 반고체 SSB의 상용화를 우선적으로 추진하는 것이 좋을 것 같다.  

요약하면 소듐 SSB는 아직 실험실 단계에 머물러 있고 기술의 발전 속도도 리튬 SSB에 비해 훨씬 느리다. 

하지만 전해질, 전극 구성 등에 있어 리튬 SSB의 기술이 발전함에 따라 소듐 SSB의 관련 기술도 함께 발전할 것으로 예상된다. 

전기차 케즘 현상으로 배터리 산업이 정체를 맞는다 해도 일시적일 뿐이다. 

AI의 발전으로 AGI를 가진 휴머노이드 로봇이 대량 생산 단계에 이르면 SSB의 수요는 폭발적으로 증가할 것으로 예상된다. 

2022년 보도에 따르면, 우리 나라의 아이엘은 2028년 휴머노이드용 전고체 전지를 상용화하기 위해 기술 개발중이라고 한다.  

이를 위해 양극재로서 황을 사용하는 소듐-황 전지 기술이 기술적 어려움을 극복하고 SSB 기술과 접목되면 소듐 SSB 산업이 급격히 개화하여 배터리 산업의 지각 변동을 초래할 수 있다. 

소듐이 리튬에 비해 지표상에 훨씬 더 풍부하기 때문에 특히 그러하다. 

2025년 1월 필자는 ‘전문가 기고‘란를 통해서 중국이 액체 전해질 기반 소듐 이온전지에서 이미 세계 시장을  선점하고 있다는 사실을 언급한 바가 있으며 이후 우리 배터리 업계도 이에 자극을 받고 있다는 점이 언론 지상에 지속적으로 보도되고 있다.   

2025년 1월 ‘전기산업발전 기본법’이 시행되기 시작했다. 

이재명 정부는 지속가능한 전기산업의 한 축으로서 소듐 리튬 기반 SSB에 전적으로 몰입하기만 할 것이 이나라 소듐기반 SSB 산업이 가져올수 있는 한층 더 대규모의 배터리 산업을 위한 정책적 뒷받침을 조속히 이루기를 기대한다.