배터리 소재, 납이 리튬·바나듐보다 우위…가격·안전·공급망 등 앞서

고급 배터리 에너지 저장 솔루션은 재생 에너지의 효율성을 높일 수 있으며 그 필요성은 기하급수적으로 증가하고 있다. 2021년에는 전력 생산의 약 20%가 재생 가능 에너지원에서 나왔다. 국제에너지기구(IEA)에 따르면 넷 제로 목표를 달성하려면 2030년까지 그 숫자를 3분의 ​​2로 늘려야 한다. 재생 가능 에너지의 잠재력을 진정으로 활용하려면 더 큰 에너지 저장 시스템이 필요하며 이러한 수요를 충족하려면 다양한 배터리 화학 물질이 필요하다.

널리 활용되고 있는 3가지 배터리 기술은 납, 리튬, 바나듐이다. 에너지 저장 요구 사항을 충족하는 최적의 배터리 화학 물질을 선택할 때 고려해야 할 여러 요소가 있다.

다른 기술과 마찬가지로 배터리도 설계 및 제조 측면에서 발전해 왔다. 청정 에너지로 전환하려는 야심찬 목표 때문에 연구 개발에서 프로토타입 및 조기 채택 단계로 혁신을 가속화하기 위해 공공 및 민간 부문의 공동 노력이 필요하다.

1859년에 발명된 납은 세 가지 배터리 기술 중 가장 상업적으로 성숙했으며 수년 동안 주요 에너지 저장 솔루션이었다. 수명에 관계없이 추가 연구를 통해 더 많은 잠재적 용량을 발견할 수 있는 영역이 여전히 있다. 납은 또한 다른 배터리 화학 물질에 비해 상대적으로 저렴하다.

리튬은 현재 필요한 규모에서 상업적으로 성숙한 또 다른 기술이다. 그것은 원래 1990년대 초반에 소비재로 사용되었다. 높은 에너지 밀도를 가진 리튬은 현재 에너지 저장을 위한 지배적인 배터리 기술이다. 리튬은 가장 높은 성숙도를 갖는 니켈 망간 코발트(NMC) 및 리튬 철 인산염(LFP)과 함께 선택하기 다소 어려울 수 있는 다양한 화학 조합으로 제공된다.

바나듐 배터리 기술은 50년 넘게 사용되어 왔지만 세 가지 화학 기술 중 상업적으로 가장 성숙하지 않은 기술이다. 바나듐 흐름 배터리의 개념은 미 항공우주국(NASA)에서 인공위성에 전력을 공급하기 위해 개발했다. 이 화학 물질은 장기 에너지 저장을 위한 선도적인 솔루션이 될 가능성이 있다.


재생 가능 에너지는 지속 가능하기 위해 효율적으로 획득되고 분배되어야 한다. 이 목표를 달성하는 데 사용되는 에너지 저장 솔루션은 환경에 미치는 영향도 낮아야 한다.
납은 세 가지 배터리 화학 물질 중 가장 지속 가능하다. 납 배터리의 재활용률은 99%이며 납 배터리 산업은 사용한 배터리의 납, 전해질 및 플라스틱 부품을 재사용하고 재활용하는 순환 경제가 잘 발달 되어 있다.

바나듐은 거의 무한대로 재사용할 수 있다. 바나듐 배터리 시스템의 대부분을 구성하는 전해질은 건조되고 필요에 따라 정제되어 다른 시스템에 사용될 수 있다. 미국 지질 조사국(US Geological Survey)에 따르면 바나듐 약 40%가 재활용된다.

현재 리튬은 세 가지 화학 물질 중 지속 가능성이 가장 낮다. 프로세스 비용과 복잡성으로 인해 재활용률은 5% 미만이다. 리튬 배터리는 분해하여 파쇄한 다음 녹이거나 산에 녹여야 한다.

재활용 공정이 아직 널리 보급되어 있지는 않지만 빠르게 발전하는 이 분야는 리튬 배터리에서 재료의 포획을 개선할 것이다. 이러한 새로운 솔루션은 이미 버진 재료 비용의 일부에 불과한 양의 배터리 등급 재료를 생산하고 있다.


에너지 저장의 일반적인 응용 프로그램에는 다른 시간에 사용할 재생 에너지를 저장하거나 정전 중에 사용할 그리드 전력을 저장하는 것과 같은 에너지 전환이 있다. 이러한 각각의 애플리케이션은 작동 시간이 다르며, 그 지속 시간은 가장 적합한 배터리 화학 물질을 선택할 때 중요한 요소이다.

바나듐은 장기 에너지 저장에 가장 적합하다(작동 시간 6시간 이상). 설치 공간이 더 크지만 확장하기가 더 쉽다. 지속 시간을 늘리기 위해 더 많은 전해질이 배터리 시스템에 추가된다. 바나듐 시스템의 경우 발자국과 무게를 고려해야 하지만 이러한 시스템이 제공하는 높은 수준의 안전성 덕분에 이러한 시스템을 더 가깝게 포장할 수 있다.

리튬은 단기에서 중기(작동 시간 몇 분에서 4시간)에 적합하다. 지속 시간을 늘리기 위해 배터리 시스템에 추가 셀이 추가되어 안전 이벤트가 있는 경우 비상 액세스 요구 사항을 충족하기 위해 필요한 공간과 계획이 늘어난다.

지속 시간을 늘리기 위해 배터리가 필요하기 때문에 적절한 안전 간격이 있는 리튬 시스템의 풋프린트가 바나듐 시스템의 풋프린트를 초과할 수 있는 티핑 포인트가 있다.

납은 또한 짧은 기간에서 중간 기간 동안 가장 잘 작동하며 특히 방전 깊이가 상당히 얕고 낮은 초기 비용이 주요 관문 요인인 상황에서 가장 잘 작동한다. 리튬 시스템과 유사하게 셀을 추가하여 지속 시간을 늘릴 수 있다. 그러나 무게와 공간은 작업 시간을 늘리는 데 중요한 요소이다.


사용 수명은 주기 수명, 달력 수명 및 작동 환경의 조합이다. 리튬 배터리의 수명은 약 10~15년인 반면 바나듐은 30년 이상 사용할 수 있다. 납 배터리는 설계 및 응용 분야에 따라 최대 30년의 수명을 가질 수 있다.

납 배터리는 일반적으로 설계에 따라 80% 방전 깊이에서 1200~1800사이클의 용량으로 방전 깊이 조건에 크게 영향을 받는 사이클 수명으로 측정된다. 리튬 배터리의 수명은 일반적으로 80~100% 범위의 훨씬 더 깊은 방전 깊이에서 지정되며 약 3000~1만사이클 납 배터리 수명의 2~3배를 제공한다. 대조적으로 바나듐 배터리기술은 수명이 거의 무한하다. 모든 배터리 기술에서 이런 수명은 적절한 유지 관리에 달려 있다.

납과 리튬은 고온에 민감하다. 이러한 배터리 시스템의 이상적인 작동 온도는 20~35°C이며 이 범위를 초과하면 수명에 약간의 영향을 미친다. 바나듐 시스템은 최대 50°C의 더 높은 열을 견딜 수 있다.


3가지 배터리 시스템 모두 결함이나 손상이 없다고 가정하면 일반적으로 안전하다. 리튬 배터리는 고온에 민감하고 본질적으로 가연성이다. 온도가 임계 수준을 초과하거나 손상으로 인해 내부 단락이 발생하면 열 폭주가 발생한다. 배터리 관리 시스템은 리튬전지가 지정된 작동 범위에서 유지되도록 한다. 추가적인 예방 조치로, 리튬 배터리는 시스템 전체에 화재가 퍼지는 것을 방지하기 위해 가능한 한 격리되어야 한다.

납 배터리 시스템 안전 문제는 설계에 따라 결정되는 경우가 많다. 침수 시스템에는 액체 전해질이 포함되어 있어 파열 시 격납 시스템이 필요하고 잠재적인 가스 발생을 위한 환기가 필요하다. VRLA(Valve Regulated lead Acid battery) 배터리는 전압과 온도를 모니터링하고 관리하기 위해 잘 설계된 충전 시스템이 필요하다. 납은 또한 열적 사건에 취약하지만 이러한 사건은 리튬 배터리 시스템에 비해 훨씬 더 쉽게 억제된다.

밸브 조절식 납산(VRLA) 배터리는 제한된 양의 전해질(부족한전해질)이 흡수되는 특징이 있는 납산 배터리 유형이다. 수소와 산소를 재결합하기 위해 전해질을 고정화한 납산 배터리이다. 가스가 빠져나가는 것을 방지하기 위해 압 방출 밸브가 있는 밀폐 구조로 되어 있어 이름이 붙여졌다.

다른 배터리 기술과 비교할 때 바나듐은 일반적으로 더 안전한 것으로 간주된다. 전해질 자체는 가연성이 아니거나 열 폭주 또는 폭연이 발생하기 쉽지만 부식성이 있으며 적절한 봉쇄 전략이 필요하다.


에너지는 우리 경제를 계속 움직이는 데 필수적이다. 에너지원을 다양화함으로써 우리나라는 외국 수입 영향을 받는 공급 충격으로부터 더 잘 절연된다. 수입 의존도 역시 보안 취약점으로 이어진다.

최근의 부족과 공급망 붕괴는 국내 공급망이 에너지 저장 시스템에 대한 또 다른 중요한 고려 사항이어야 함을 입증했다.

납은 쉽게 구할 수 있고 국내에서 생산된다. 국내 재활용은 국내 납 수요의 73%를 제공한다. 국내 납 배터리 수요의 90% 이상 이 북미 제조업체에서 충족된다. 미국 납 배터리 산업은 9만2000개 이상의 일자리와 260억 달러 이상의 전반적인 경제적 영향을 지원한다.

리튬은 미국 경제와 국가 안보에 중요한 것으로 나열된 50개광물 상품 중 하나이다. 호주는 리튬 광산 생산의 글로벌 리더이며 중국과 칠레가 그 뒤를 잇는다. 미국은 리튬 매장량의 약 4%를 보유하고 있지만 세계 공급량의 2% 미만을 생산한다.

바나듐은 또 중요한 미네랄 목록에 있다. 중국은 바나듐 생산에서 세계를 주도하고 있으며 그 다음은 남아프리카 공화국과 러시아이다. 현재 바나듐의 미국 국내 생산은 없으며 미국은 해외 소스에 의존하고 있다.

한편 에너지 부문은 전 세계 온실가스 배출량의 76%를 차지한다. 화석 연료를 재생 가능한 에너지로 대체하면 탄소 배출량을 크게 줄일 수 있다. 미국은 2050년까지 순배출 제로에 이르고2035년까지 탄소 무공해 전력부문을 만드는 목표를 세웠다.

이 목표를 달성하기 위해 풍력 및 태양열과 같은 재생 가능한 에너지원에 중점을 둘 것이다. 청정 에너지로의 이러한 전환에는 신뢰할 수 있고 지속 가능하며 안전한 여러 에너지 저장 솔루션이 필요하다. 이런 솔루션은 다양한 고급 배터리 기술에 따라 달라지며 각 화학물질은 수요와 공급을 맞출 수 있다.


김세업 글로벌이코노믹 기자