[국내외 전문가들이 진단하는 배터리의 미래]

[국내외 전문가들이 진단하는 배터리의 미래]

 

 

 

그래픽 = 김의균

 

 

 

차세대 ESS <에너지저장장치>의 핵심··· '非리튬 배터리' 가 뜬다

 

 

 

非리튬 배터리

화재나 폭발 우려 적고

전략 광물 리튬 안 써

공급 측면서 안정적

 

ESS 시장과 배터리

24시간 전력 필요한

데이터센터 잇따라

AI혁명의 판세 좌우

 

 

 

글로벌 빅테크 기업을 중심으로 펼쳐지고 있는 AI (인공지능) 패권 전쟁은 에너지 시장을 완전히 뒤바꿔놨다. AI 모델의 학습 · 추론에 필요한 초대형 데이터센터가 잇따라 들어서면서 전력 수요는 폭증하고 있다. 지난해 국제에너지기구 (IEA) 보고서에 따르면 전 세계 데이터센터가 필요로 하는 전력량은 2024년 460TWh (테라와트시)에서 2035년 1300TWh로 3배가량 늘어날 것으로 전망된다. 이에 마이크로소프트 · 아마존 · 구글 · 메타 등은 향후 전력 사용을 재생에너지로 충당하겠다는 목표를 내세우고 있다.

문제는 데이터센터 전력은 단 1초도 끊기지 않고 24시간 안정적으로 공급돼야 한다는 점이다. 에너지저장장치 (ESS · Energy Storage System)용 배터리 기술력이 AI 혁명의 판세를 가를 승부처로 거론되는 이유다.

“미국에서는 에너지 비용과 전력 공급 속도를 둘러싼 위기감이 갈수록 짙어지고 있습니다. 이 때문에 전기 · 가스 · 수도 등 필수 인프라를 공급하는 유틸리티 기업을 비롯해 데이터센터, 독립 전력 생산업체들의 구매 문의가 쇄도하고 있죠. 신뢰할 수 있는 저비용 ESS에 대한 수요가 매우 빠르게 늘고 있습니다." 소듐 (나트륨)이온 배터리가 적용된 ESS를 공급하는 미국 스타트업 ‘피크에너지’ 의 랜던 모스버그 최고경영자 (CEO)는 WEEKLY BIZ와 인터뷰에서 이렇게 말했다. 소듐이온 배터리는 리튬을 사용하지 않는 ‘비 (非)리튬계 이차전지 (충전식 배터리)’ 의 대표주자로 꼽힌다.

 

 

 

 

 

 

이처럼 최근 에너지 수요 폭증과 안정적 전력 공급 문제가 맞물리면서 화재 · 폭발 우려가 적고 공급망 리스크와 가격 변동성에서도 비교적 자유로운 비리튬계 배터리가 주목받고 있다. 글로벌 시장조사업체 와이즈가이 리포트에 따르면 지난해 97억9000만달러 규모였던 글로벌 비리튬계 배터리 시장은 2035년 214억달러로 크게 성장할 전망이다.

WEEKLY BIZ는 이차전지 분야 세계적 석학인 셜리 멍 시카고대 프리츠커 분자공학대학 교수와 스테파노 파세리니 독일 카를스루에 공과대 (KIT) 교수를 비롯해 모스버그 CEO, 이재헌 LG에너지솔루션 상무, 한신 에이치투 대표이사 등 국내외 기업 관계자 인터뷰를 통해 비리튬계 배터리의 미래를 들여다봤다.

 

 

폭발하는 ESS 수요··· ‘소금 배터리’ 의 부상

 

전기차 캐즘 (일시적 수요 둔화)이 장기화하는 사이, 전 세계 데이터센터 건설 붐으로 ESS 수요가 급증하면서 배터리 업계의 판도가 흔들리고 있다. 에너지 시장조사기관 블룸버그 뉴에너지 파이낸스 (BNEF)가 지난해 공개한 보고서에 따르면 연간 글로벌 ESS 신규 설치 용량은 2025년 92GW (기가와트)에서 2035년 244GW로 확대될 전망이다. 1기가와트는 보통 원자력발전소 1기가 생산하는 전력량에 해당하는데, 약 75 ~ 100만 가구에 전력을 공급할 수 있는 양과 맞먹는다. 보고서는 2035년까지 설치될 ESS 누적 용량이 2.0TW (테라와트)에 육박할 것으로 내다봤다. 배터리 업계의 새로운 먹거리로 꼽히는 ESS 시장이 빠르게 커지고 있는 셈이다.

기존 글로벌 배터리 시장은 크게 NMC (니켈 · 망간 · 코발트), NCA(니켈 · 코발트 · 알루미늄) 같은 고성능 삼원계 배터리와 저가형 LFP(리튬 · 인산철) 배터리로 양분돼 있었다. 특히 한국 배터리 기업들이 집중적으로 투자해 왔던 삼원계 배터리는 LFP 배터리보다 에너지 밀도가 높아 주로 프리미엄급 전기차에 탑재됐다. 1회 충전 주행거리를 크게 늘려주는 소재이기 때문이다. 그러나 전기차 캐즘이 길어지고 가성비를 앞세운 중국산 LFP 배터리가 시장을 장악하기 시작하면서 K배터리는 크게 위축되고 있다. 게다가 최근 ESS용 배터리 시장이 확대되면서 삼원계 배터리보다 에너지 밀도는 낮지만 가격이 싸고 화재 위험이 낮은 LFP 배터리가 더욱 부각되고 있다. 이 역시 중국 배터리 기업들이 강점을 가진 분야다.

 

 

 

미국 애리조나주에 들어설 LG에너지솔루션의 에너지저장장치 (ESS)용 리튬 · 인산철(LFP) 배터리 생산 공장 조감도. / LG에너지솔루션

 

 

 

비리튬계 배터리가 본격적으로 주목받기 시작한 것은 ESS의 중요성이 커지면서다. 특히 태양광 · 풍력 등 재생에너지 비중이 높아질수록 전력 수급 불균형과 출력 제한이 잦아지면서 8시간 이상 에너지를 저장할 수 있는 장주기 (長週期) ESS 수요가 커지고 있다. 현재 배터리 기반 에너지저장장치 (BESS)는 리튬이온 배터리 보급 비중이 가장 높다. 그러나 리튬이온 배터리는 충 · 방전을 반복하는 과정에서 분리막이 손상될 경우 온도가 1000도까지 치솟는 열폭주 위험이 상존한다. 이재헌 LG에너지솔루션 상무는 “소듐이온 배터리는 ESS용으로 활용 가능성이 높다” 며 “상대적으로 가격과 수명, 안전성이 중요한 시장이기 때문” 이라고 했다.

 

 

“싸고, 흔하고, 안정적”

 

소듐 (나트륨)이온 배터리는 전기를 저장하는 전극 소재를 리튬에서 소듐으로 대체한 것이다. 리튬이온 배터리와 비교해 구조나 작동 방식은 크게 다르지 않고, 소듐 이온 (Na⁺)이 양극과 음극 사이를 오가며 전기를 저장하고 방출한다는 차이가 있다.

 

 

 

'삼원계 배터리' <니켈 · 망간 · 코발트> 중심 K배터리, 시장서 밀려··· 中은 '非리튬' 적극 지원

 

 

 

非리튬 배터리 시장

지난해 98억달러 규모

폭발적인 ESS 수요로

2035년엔 214억달러 전망

 

非리튬 배터리의 난제

소듐 배터리가 대표적

기술력 아직 초기 단계

가격 경쟁력도 떨어져

 

한국은 어떻게 대응?

기업 독자 투자엔 큰 부담

안정적 기술 개발 위해

중장기 전략 마련해야

 

 

 

소듐은 지구상에 널리 퍼져 있는 흔한 원소로, 소금의 주성분인 염화나트륨을 원료로 정제 · 가공한 소듐 화합물을 통해 쉽게 확보할 수 있다. 덕분에 제조 비용이 낮을 뿐 아니라 특정 지역에 의존하는 리튬과 달리 공급망 리스크와 가격 변동에서도 훨씬 자유롭다. ‘싸고, 흔하고, 안정적’ 이라는 점은 소듐 배터리의 가장 큰 경쟁력이다. 스테파노 파세리니 독일 카를스루에 공과대 (KIT) 교수는 “소듐은 해수와 소금 광산에서 손쉽게 추출할 수 있어 매우 풍부한 자원” 이라며 “(소듐이온 배터리에) 사용되는 음극재 역시 바이오 폐기물로 쉽게 생산할 수 있는 하드 카본” 이라고 했다.

급증하는 배터리 수요를 충족하기 위해 업계가 소듐이온 배터리에 주목하는 이유가 여기 있다. 셜리 멍 시카고대 프리츠커 분자공학대학 교수는 “화석 에너지에서 전기 에너지로 수요가 재편되는 과정에서 세계 배터리 수요를 충족하려면 연간 약 10TWh (테라와트시) 규모의 배터리 생산 능력이 필요할 것” 이라며 “리튬만으로는 이 수요를 감당할 수 없다” 고 했다. 그러면서 “2045년까지 에너지 전환을 실현하려면 연간 TWh급 배터리 생산이 가능한 기술을 확보해야 한다” 며 “소듐이온 배터리 개발이 필요한 이유” 라고 했다.

소듐이온 배터리 기술은 아직 초기 단계지만, 연구 · 개발이 본격화하면 ESS는 물론 자동차 · 전자기기 등으로 활용 범위가 확대될 것이라는 전망도 나온다. 소듐의 주요 특성이 다른 원소에 비해 리튬과 비슷해 이론적으로 고 (高)에너지 밀도 배터리를 구현할 수 있는 잠재력을 갖고 있어서다. 실제로 세계 최대 이차전지 제조사인 중국 CATL은 지난 2월 장안자동차와 함께 소듐이온 배터리를 탑재한 세계 최초의 양산형 승용차를 공개했다. 차량에 탑재된 배터리는 에너지 밀도가 최대 175Wh/kg에 달해, 리튬이온 배터리와 견줘도 손색이 없는 수준이다. 이 상무는 “소듐이온 배터리는 우수한 저온 출력과 긴 수명, 높은 안전성을 갖췄다” 며 “자동차 보조용 납축전지를 대체할 수 있는 12V 배터리는 물론, 일부 전기차 시장에서도 활용 가능성이 크다” 고 했다. CATL이 양산 차에 적용한 소듐이온 배터리는 영하 30도에서도 동급 LFP 배터리 대비 약 3배에 달하는 방전 출력을 내는 것으로 알려졌다.

 

 

흐름 · 나트륨 황 배터리··· “에너지 밀도, 안전성이 관건”

 

바나듐 레독스 흐름 배터리 (이하 바나듐 배터리)와 나트륨 황 배터리 등도 차세대 비리튬계 배터리 기술로 주목받고 있다. 리튬이온 배터리 못지않게 상용화가 진행된 바나듐 배터리는 물 기반 (수계) 전해액을 사용하는 ‘흐름형’ 배터리다. 유기 용매 기반 전해질을 쓰는 리튬이온 배터리보다 화재나 열폭주 위험이 낮아 안정성이 뛰어나다. 또 배터리를 대용량으로 만들 수 있는 데다 수명 역시 평균 20년 이상으로 길어 향후 비상 전력 공급 · 신재생에너지 발전 분야에 쓰일 것으로 전망된다.

국내 바나듐 배터리 전문기업 에이치투의 한신 대표이사는 “기술 성숙도 측면에서 바나듐 배터리는 리튬이온 배터리와 거의 비슷한 수준” 이라며 “방전 시간이 긴 장주기 배터리 중에도 상업성이 높아 재생에너지 발전 효율을 높여준다” 고 했다. 미국과 일본, 중국 등 주요국은 바나듐 배터리의 이 같은 장점에 주목해 기술 개발과 도입을 위한 투자를 적극 지원하는 추세다.

나트륨 황 배터리는 지구에 풍부한 나트륨과 황을 원료로 사용해 가격 경쟁력이 높은 비리튬계 배터리로 평가된다. 무엇보다 이론상 에너지 밀도가 760Wh/kg에 달해 상용화된 이차전지 가운데 전력 저장용량이 가장 높고, 자가 방전 현상도 거의 없어 장시간 에너지 저장에 유리하다. 이 때문에 ESS는 물론 드론과 전기차 등 다양한 분야에 폭넓게 적용될 차세대 기술로 꼽힌다. 다만 초기 구동을 위해 배터리를 고온 (섭씨 300 ~ 350도)으로 가열해야 한다는 단점이 있어 안전 관리가 담보돼야 한다.

 

 

 

그래픽 = 김성규

 

 

 

기술 난제 산더미··· “적용 확대될 것”

 

비리튬계 등 차세대 배터리 기술은 그러나 본격적으로 상용화되기 위해서는 풀어야 할 과제도 적지 않다. 무엇보다 기술이 아직 초기 단계에 머물러 있어 생산 단가가 오히려 LFP 등 기존 리튬이온 배터리보다 높다.

비리튬계 대표주자 격인 소듐이온 배터리는 현재로선 LFP 배터리보다 30%가량 비싸 시장 경쟁력이 떨어진다는 지적이 나온다. 이 상무는 “아직 개발 초기인데다 소듐이온 배터리용 양극재와 음극재의 용량당 가격이 더 비싸 리튬이온 배터리보다 가격 경쟁력이 떨어진다” 며 “상용화가 이뤄지더라도 기존 리튬이온 배터리 시장을 빠르게 대체하기보다는 특정 용도에서 사용이 확대될 것” 이라고 전망했다. 바나듐 배터리 역시 마찬가지다. 한 대표는 “현재는 기술적 한계로 리튬 배터리보다 초기 도입 비용이 높은 게 사실” 이라면서도 “배터리 수명이 길어 장기적으로는 가격 경쟁력이 있다” 고 했다.

에너지 밀도와 충전 속도 면에서 개선해야 할 기술적 난제도 많다. 멍 교수는 “소듐 이온은 리튬 이온보다 더 무겁고 커서, 같은 무게 · 같은 부피의 배터리라면 리튬이온 배터리가 훨씬 많은 전력을 저장할 수 있다” 며 “이런 한계는 충전 인프라가 부족한 개발도상국에서 더욱 두드러져 보급 유인이 크지 않다” 고 했다. 파세리니 교수는 바나듐 배터리에 대해 “낮은 에너지 효율은 수계 배터리의 고질적 문제” 라고 지적했다.

그러나 기술적 과제가 해결되면 적용 분야가 확대될 것이란 전망이 나온다. 멍 교수는 “소듐이온 배터리는 저온에서 출력 성능이 탁월해 일부 방산 분야에서 매력적인 선택지가 될 수 있다” 고 했다. 파세리니 교수도 “소듐이온 배터리의 성능이 리튬이온 배터리 수준에 도달한다면 바로 모빌리티 시장에 진입할 수 있다” 며 “특히 고정형 에너지 저장 등 일부 응용 분야에서 리튬이온 배터리를 완전히 대체할 수도 있다” 고 했다.

 

 

非리튬도 앞서나가는 中··· “중장기적 정부 지원 필요”

 

중국은 글로벌 LFP 배터리 생산의 80% 이상을 차지하며 ESS 시장을 선도하고 있지만 에너지 안보와 공급망 리스크에 대비해 최근 기술 포트폴리오 확장에 나서고 있다. 특히 비리튬계 장주기 ESS 개발을 국가 전략으로 삼았다. 리튬 중심 기술 체계로는 24시간 가동되는 재생에너지 기반 전력망 운영에 한계가 있다고 봤기 때문이다. 2024년 중국은 약 38억위안 (약 8200억원)을 들여 신장 위구르 자치구에 1GWh 규모의 세계 최대 바나듐 배터리 ESS를 건설했다. 중국 정부는 2030년까지 차세대 비리튬 배터리를 활용한 장주기 ESS를 23GW 규모로 설치한다는 방침이다.

CATL은 LFP 배터리처럼 저가 공세를 앞세워 차세대 소듐이온 배터리 시장 점유율 확대에도 속도를 내고 있다. 특히 지난해 전기차용 소듐이온 배터리 양산에 돌입한 데 이어, 최근에는 ESS용 배터리를 선보였다. 아직 에너지 밀도가 낮고 규모의 경제를 확보하지 못한 점은 한계로 지적되지만, 소듐이온 배터리의 가격 경쟁력과 기술적 이점으로 글로벌 전기차 배터리 시장에서 입지를 키울 것이란 전망이다. 시장조사업체 SNE리서치에 따르면 글로벌 소듐이온 배터리 업체 가운데 83.7%가 중국 기업인 것으로 나타났다.

업계에서는 국내 비리튬계 배터리 기술이 연구 단계에 머물지 않도록 정부가 중장기 전략을 마련할 필요가 있다고 강조한다. 강동관 블룸버그NEF 한국・일본 리서치 총괄은 “나트륨 이온 등 일부 비리튬계 배터리는 아직 상용화 초기 단계라 기업이 독자적으로 투자하기엔 부담이 큰 분야” 라며 “기술 개발이 안정적으로 이어지기 위해서는 국가 차원의 중장기적 정책 지원이 필요하다” 고 했다. 한 대표도 “현 제도와 기술기준, 안전 · 인증 체계는 리튬이온 배터리를 중심으로 설계된 측면이 있다” 며 “앞으로는 비리튬계 기술이 시장에서 제대로 평가받을 수 있도록 기술 특성을 반영한 별도 기준과 초기 시장 지원이 필요하다” 고 했다.

 

 

구동완 기자, 신정엽 인턴 기자

 

 

 

편집자 레터

 

에너지 무기화 시대, 국가 차원의 '배터리 믹스' 전략 절실

 

 

 

특정 배터리 의존은

국가적 리스크 커져

용도별 다양화 시급

 

 

 

프랑스 원자력 및 대체에너지청 (CEA)이 2015년 개발한 산업 표준 형태의 소듐이온 배터리 프로토타입. / CEA

 

 

 

전쟁은 에너지를 무기화하고, 특정 자원에 대한 지나친 의존은 국가적 리스크가 됩니다. 총성 없이 벌어진 관세 전쟁 와중에도 핵심 전략 광물이 무기가 돼 산업이 마비되는 모습을 우리는 목격했습니다.

AI가 국가 경쟁력이 된 지금, AI를 구동할 전력을 안정적으로 보급할 ‘자원 독립형 배터리’ 의 필요성이 대두되는 이유입니다. 엔비디아 칩이 AI의 두뇌라면, 그 심장을 뛰게 하는 것은 거대한 데이터센터와 쉼 없이 흐르는 전기죠. 리튬이온 배터리로 채워진 ESS (에너지저장장치)는 많은 장점에도 불구하고 열폭주 불안과 특정 지역에 편중된 원재료 리스크, 또 비용 문제 등이 한계로 지적되고 있습니다.

대안으로 부상한 소듐 (나트륨)이온 배터리가 물론 만능은 아닙니다. 무겁고 수명 관리도 까다롭습니다. 리튬이온 대비 훨씬 낮은 에너지 밀도도 과제입니다. 하지만 가성비와 안전성 측면에서, 무엇보다 원재료가 지구상 5번째로 풍부한 소금 기반이라는 점이 큰 장점으로 꼽힙니다.

화석연료 · 원자력 · 재생에너지 등 다양한 에너지원을 적절히 활용하는 ‘에너지 믹스’ 가 중요하듯, 특정 화학계에 올인하지 않고 용도별로 다른 배터리를 섞어 쓰는 ‘배터리 믹스’, ‘배터리 포트폴리오’ 를 국가 전략 차원에서 고민할 때입니다. 지금은 중국에 고전하고 있는 K배터리 기업들도 차세대 배터리 개발에 더 속도를 내줬으면 합니다.

 

 

 

김은정 위클리비즈 편집장

 

 

[출처 : 조선일보 2026년 4월 24일 자]