• 나트륨 배터리는 양극(cathode), 음극(anode), 전해질(electrolyte), 분리막(separator)으로 구성됩니다. 

• 양극은 주로 나트륨 기반 화합물(예: 나트륨 금속 산화물, NaFePO4)을 사용하고, 음극은 하드카본(hard carbon) 또는 주석황화물 같은 소재를 사용합니다. 

• 전해질은 나트륨 이온 이동을 지원하는 액체 또는 고체 전해질입니다.

• 충전 시 나트륨 이온이 양극에서 음극으로 이동하며, 전자가 외부 회로를 통해 이동해 전기를 저장합니다. 

• 방전 시에는 반대로 나트륨 이온이 음극에서 양극으로 이동하며 전기를 방출합니다. 

• 이는 리튬 이온 배터리의 인터칼레이션(intercalation) 메커니즘과 유사합니다.

• 나트륨 이온은 리튬 이온보다 크고 무겁기 때문에(나트륨 원자 반경 186pm vs 리튬 152pm), 음극 소재로 리튬 배터리의 흑연 대신 층간 거리가 넓은 하드카본이 사용됩니다.

2. 기술적 특징

나트륨 배터리는 리튬 배터리와 비교해 다음과 같은 기술적 특징을 가집니다:

• 나트륨은 지각에서 약 2.6%를 차지하며, 리튬(0.0017%)보다 약 1,000배 풍부합니다. 

• 바닷물에서도 추출 가능해 자원 편재성 문제가 적습니다.

• 나트륨은 리튬보다 약 30~80분의 1 저렴하며, 나트륨 배터리는 코발트, 니켈 등 희소 금속 대신 철, 망간 같은 저렴한 소재를 사용합니다.

• 현재 나트륨 배터리의 에너지 밀도는 140~175Wh/kg으로, 리튬인산철(LFP, 180~200Wh/kg)보다 낮고 삼원계 배터리(240~300Wh/kg)에 비해 크게 뒤집니다. 

• 그러나 ESS와 저속 전기차에는 충분한 성능을 제공합니다.

• 나트륨 배터리는 불연성 전해질과 안정적인 화학적 특성으로 열폭주(thermal runaway) 위험이 낮습니다. 

• 예를 들어, 못으로 관통해도 화재 가능성이 낮습니다.

• 나트륨 배터리는 영하 20~30°C에서도 성능 저하가 적어, 추운 지역에서의 사용에 유리합니다.

• 리튬 배터리 생산 라인을 약간 수정해 나트륨 배터리를 생산할 수 있어, 기존 설비 활용이 가능합니다.

3. 장점과 단점

• 저렴한 비용: 나트륨과 하드카본, 철 기반 소재는 리튬, 코발트, 니켈보다 저렴해 배터리 제조 비용을 30~40% 절감할 수 있습니다.

• 안전성: 열폭주 위험이 낮아 전기차 화재 우려를 줄입니다. 이는 특히 한국처럼 공동주택이 많은 환경에서 중요합니다.

• 환경 친화성: 희소 금속 사용이 적고, 나트륨은 바닷물에서 추출 가능해 채굴에 따른 환경 파괴가 적습니다.

• 저온 성능: 리튬 배터리보다 저온에서 안정적인 성능을 유지해, 북유럽이나 캐나다 같은 추운 지역에 적합.

• 생산 유연성: 기존 리튬 배터리 공정을 활용 가능해 상용화 진입 장벽이 낮음.

• 낮은 에너지 밀도: 고성능 전기차(예: 테슬라 모델 S, 600km 이상)에는 부적합하며, 주로 저속 전기차나 ESS에 적합합니다.

• 무게와 부피: 나트륨 이온의 큰 크기로 인해 배터리가 무겁고 부피가 커, 소형 기기에 적용하기 어렵습니다.

• 기술 성숙도: 리튬 배터리에 비해 상용화 초기 단계로, 에너지 밀도 개선과 수명 최적화가 필요합니다.

• 시장 불확실성: 리튬 가격이 2023년 이후 77% 하락(탄산리튬 t당 13만5천 위안)하며, 나트?ium 배터리의 경제적 매력이 감소할 가능성이 있습니다.

4. 상용화 현황

나트륨 배터리는 1970~1980년대부터 연구되었으나, 리튬 배터리의 성공으로 주목받지 못하다가 2010년대 리튬 자원 부족과 가격 상승으로 재조명되었습니다. 2023년부터 중국을 중심으로 상용화가 시작되었으며, 2025년 기준 글로벌 동향은 다음과 같습니다:

• 세계 최대 배터리 제조사 CATL은 2023년 나트륨 배터리를 상용화하며, 2025년 175Wh/kg 배터리를 공개했다. 

• 5분 충전으로 520km 주행이 가능하다고 발표했으며, CHERY 자동차의 전기차에 적용되었다. 

• JAC는 2024년 세계 최초로 나트륨 배터리 전기차 ‘이웨이 3’를 출시했다.

• 스웨덴의 노스볼트(Northvolt)는 2023년 160Wh/kg 나트륨 배터리를 개발, 2024년 시제품을 공개하며 ESS와 중저가 전기차 시장을 공략 중이다.

• LG에너지솔루션, 삼성SDI, SK온은 LFP 배터리에 집중하고 있으나, 에코프로, 애경케미칼, 에너지11이 나트륨 배터리 개발에 나섰다. 

• 애경케미칼은 2024년 고성능 하드카본 음극재를 개발, 전주공장에서 양산 준비를 마쳤다. 에너지11은 250억 원 규모 국책과제를 통해 160Wh/kg 배터리를 개발 중이며, 사우디와 MOU를 체결했다.

• 일본의 Tiamat, 영국의 Faradion이 나트륨 배터리 상용화를 추진 중이며, ESS와 전기 이륜차 시장에서 테스트 중이다.

5. 국내 개발 동향

한국은 리튬 배터리 시장에서 세계 1~2위를 다투는 강국(삼성SDI, LG에너지솔루션, SK온)으로, 나트륨 배터리 개발은 아직 초기 단계입니다. 그러나 리튬 화재 문제와 자원 안정성 우려로 관심이 증가하고 있습니다:

• 2012년부터 하드카본 개발에 착수, 2024년 나트?ium 배터리용 고성능 하드카본 양산 준비 완료. 

• 전기차와 ESS 시장을 타겟으로 하며, 해외 업체와 협력 문의가 증가 중이다.

• 국내 유일의 나트?ium 배터리 전문 기업으로, 160Wh/kg 배터리 개발을 주도하며 사우디 그래핀선과 MOU 체결. 

• 코스닥 상장사 나인테크가 2025년 최대주주로 합류했다.

• 한국에너지기술연구원은 고전압 양극 소재용 바인더를 개발해 배터리 안정성과 출력을 향상시켰다. 

• KAIST는 2017년 주석황화물 나노복합체 음극 소재를 개발, 상용화 기반을 마련했다.

• 2025년 환경부와 산업통상자원부는 나트륨 배터리 국책과제를 통해 250억 원 규모의 연구비를 지원하며, 2035년까지 시장 규모 19조 원을 전망한다.

6. 활용 사례와 적합한 용도

나트륨 배터리는 낮은 에너지 밀도로 인해 고성능 전기차보다는 다음과 같은 용도에 적합합니다:

• 중국 타오바오에서 판매 중인 전기 오토바이용 나트륨 배터리는 영하 30°C에서도 작동하며, 2024년 수십만 대 보급 예정이다.

• 태양광, 풍력 발전소의 전력 저장에 적합하며, 비용과 안전성이 중요시되는 시장에서 경쟁력 있음.

• 저렴한 스마트폰, 태블릿 배터리로 사용 가능.

• 국내 아파트 지하주차장 화재 우려로, 나트륨 배터리는 안전성이 강조되는 전기차(예: 소형 전기차)와 ESS에 적합.

7. 미래 전망

나트륨 배터리는 2035년까지 글로벌 시장 규모가 19조 원에 이를 것으로 전망되며, 중저가 전기차와 ESS 시장에서 리튬인산철(LFP) 배터리와 경쟁할 가능성이 높습니다. 그러나 리튬 가격 하락(2023년 77% 하락)으로 인해 경제적 매력이 감소할 수 있다는 우려도 있습니다.

• 에너지 밀도를 200Wh/kg 이상으로 끌어올리고, 충방전 수명을 5,000회 이상으로 개선해야 고성능 전기차에 적용 가능.

• 중국 CATL, BYD의 선도와 한국의 패스트 팔로어 전략이 시장 성패를 좌우할 전망.