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중 CATL, 세계 최초 에너지 밀도 160Wh/kg 나트륨 이온 배터리 개발

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글 : 채영석(charleychae@global-autonews.com)
승인 2021-07-29 20:50:18

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중국의 배터리업체 CATL(Contemporary Amperex Technology Co Ltd)이 2021년 7월 29일, 첫 번째 온라인 런칭행사 테크존(Tech Zone)을 통해 세계 최초의 나트륨 이온 배터리 중 하나를 발표했다. 최초의 나트륨 이온 배터리는 현재 세계 최고 수준인 160Wh/kg의 에너지 밀도를 갖추고 있다고 밝혔다. 실온에서 15분 만에 80%까지 충전할 수 있으며 -20°C 미만의 온도 환경에서 방전 유지율이 90% 이상이라고 덧붙였다.

탄소중립이 세계적인 합의가 되면서 에너지 신산업은 복잡하고 다각화된 발전단계에 접어들었다. 점점 세분화되는 시장은 배터리에 대한 차별화된 요구 사항을 제기하고 있다. 이와 동시에 전지의 기초 소재에 대한 세계적인 연구개발이 가속화되고 있어 나트륨이온전지의 산업화를 위한 양방향 창이 열리고 있다. 

나트륨 이온 배터리는 리튬 이온 배터리와 작동 원리가 유사하다. 음극과 양극 사이를 왕복하지만 나트륨 이온은 리튬 이온에 비해 부피가 크고 구조적 안정성과 재료의 운동 특성에 대한 요구 사항이 더 높다. 이것이 그동안 나트륨 이온 배터리의 산업화에 걸림돌이었다.
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CATL은 수년 동안 나트륨 이온 배터리 전극 재료의 연구 및 개발에 전념해 왔다고 밝혔다. 캐소드 재료의 경우 CATL은 더 높은 비 용량의 프러시안 화이트 재료를 적용하고 전자를 재배열하여 재료의 벌크 구조를 재설계해 재료 사이클링 시 급속한 용량 페이딩의 세계적인 문제를 해결했다. 음극재 측면에서 CATL은 나트륨 이온의 풍부한 저장과 빠른 이동이 가능한 독특한 다공성 구조와 뛰어난 사이클 성능을 특징으로 하는 경질 탄소 소재를 개발했다고 한다. 

화학 시스템의 일련의 혁신을 기반으로 CATL의 1세대 나트륨 이온 배터리는 고에너지 밀도, 급속 충전 기능, 우수한 열 안정성, 우수한 저온 성능 및 높은 집적 효율 등이 특징이라고 밝혔다. 

CATL의 나트륨 이온 배터리 셀의 에너지 밀도는 최대 160Wh/kg을 달성할 수 있으며 배터리는 실온에서 15분 내에 80% SOC까지 충전할 수 있다. 또한, -20°C의 저온 환경에서 나트륨 이온 배터리의 용량 유지율은 90% 이상이며 시스템 통합 효율은 80% 이상에 도달할 수 있다. 나트륨 이온 배터리의 열 안정성은 견인 배터리에 대한 국가 안전 요구 사항을 초과한다. 1세대 나트륨 이온 배터리는 다양한 운송 전기화 시나리오, 특히 극도로 낮은 온도의 지역에서 사용할 수 있는 등 탁월한 이점이 있다. 또한 에너지 저장 분야의 모든 시나리오의 애플리케이션 요구 사항에 유연하게 적용할 수 있다.

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CATL은 비전을 달성하기 위해 세 가지 전략적 개발 방향에서 끊임없는 노력을 기울이고 있고 밝혔다. 첫 번째 개발 방향은 고정 화석 에너지를 재생 에너지 생성 및 에너지 저장으로 대체하는 것이다. 두 번째는 전기차 배터리를 사용해 화석 에너지를 대체하여 E-모빌리티 개발을 가속화하는 것이다. 세 번째는 다양한 분야에서 새로운 에너지 응용 프로그램을 향한 추진을 가속화하기 위해 전동화와 인텔리전스를 활용하는 시장 응용 프로그램의 통합 혁신을 촉진하는 것이다. 이 세 가지 개발 방향에서 지속 가능한 개발을 지원하기 위해 CATL은 4개 기둥 혁신 시스템을 구축했다고 한다. 차세대 나트륨 이온 배터리의 에너지 밀도 개발 목표는 200Wh/kg 으로 설정하고 있다. 

배터리 시스템 혁신 측면에서 CATL은 나트륨 이온 배터리와 리튬 이온 배터리를 일정 비율로 혼합하여 하나의 배터리 시스템으로 통합하는 AB 배터리 시스템 솔루션을 개발했다고 밝혔다. 이는 BMS 정밀 알고리즘을 통해 다양한 배터리 시스템을 제어하는 것이다. AB 배터리 시스템 솔루션은 현재 나트륨 이온 배터리의 에너지 밀도 부족을 보완할 수 있으며, 또한 높은 전력 및 저온 성능의 장점을 확장할 수 있다고 한다. 이 혁신적인 구조 시스템 덕분에 리튬-나트륨 배터리 시스템의 적용 시나리오가 확장될 것이라고 한다. 현재 CATL은 나트륨 이온 배터리의 산업 배치를 시작했으며 2023년까지 기본 산업 체인을 형성할 계획이다. 
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