리튬 이온 배터리 가격이 다시 하락하고 있지만, 나트륨 이온(Na-ion) 에너지 저장에 대한 관심은 줄어들지 않았습니다. 전지 제조 용량의 글로벌 램프업이 진행 중이기 때문에 이 유망한 기술이 공급과 수요의 저울을 기울일 수 있을지 여부는 불확실합니다. Marija Maisch가 보도합니다.
자동차에서 에너지 저장에 이르기까지 산업이 이 기술에 큰 투자를 하면서 나트륨 이온 배터리는 상용화의 중요한 시기를 겪고 있습니다. 기존 배터리 제조업체와 신규 업체는 리튬 이온에 대한 실행 가능한 대안을 가지고 실험실에서 제조 공장으로 이동하기 위해 경쟁하고 있습니다. 후자는 전기 이동성과 고정형 저장에 대한 표준이므로 새로운 기술은 입증된 이점을 제공해야 합니다. 나트륨 이온은 우수한 안전성, 원자재 비용 및 환경적 자격 증명으로 잘 자리 잡은 것처럼 보입니다.
나트륨 이온 장치는 중요한 재료가 필요하지 않으며, 리튬 대신 풍부한 나트륨에 의존하고 코발트나 니켈은 필요하지 않습니다. 2022년 리튬 이온 가격이 상승하면서 재료 부족이 예측되면서 나트륨 이온이 경쟁자로 지목되었고, 리튬 이온 가격이 다시 하락하기 시작했음에도 불구하고 관심이 여전히 강합니다.
Benchmark Mineral Intelligence의 수석 분석가인 Evan Hartley는 "현재 335.4년까지 2030GWh의 나트륨 이온 전지 생산 용량을 추적하고 있으며, 이는 여전히 이 기술에 대한 상당한 투자가 있음을 보여줍니다."라고 말했습니다.
2023년 150월, 런던에 있는 컨설턴트는 2030년까지 XNUMXGWh를 추적했습니다.
싼
대량 생산되는 나트륨 이온 전지는 지배적인 고정형 저장 배터리 기술인 리튬 페로/철-인산(LFP)보다 20~30% 더 저렴할 수 있습니다. 이는 주로 풍부한 나트륨과 낮은 추출 및 정제 비용 덕분입니다. 나트륨 이온 전지는 리튬 이온에 사용되는 구리 대신 양극 전류 수집기에 알루미늄을 사용할 수 있어 비용과 공급망 위험을 더욱 줄일 수 있습니다. 그러나 이러한 절감은 여전히 잠재적입니다.
"나트륨 이온 배터리가 기존 납산 및 리튬 철인산 배터리에 도전하기 전에 업계 참여자는 기술 성능을 개선하고 공급망을 구축하며 규모의 경제를 달성하여 기술 비용을 줄여야 합니다." 영국의 시장 조사 회사 IDTechEx의 수석 기술 분석가인 샤잔 시디키가 말했습니다. "나트륨 이온의 비용 이점은 생산 규모가 리튬 이온 배터리 셀과 비슷한 제조 규모에 도달할 때만 달성할 수 있습니다. 또한 탄산 리튬의 추가 가격 하락은 나트륨이 제공하는 가격 이점을 줄일 수 있습니다."
나트륨 이온은 고성능을 우선시하는 응용 분야에서 리튬 이온을 대체할 가능성이 낮으며, 대신 고정형 저장 및 마이크로 전기 자동차에 사용될 것입니다. S&P Global 분석가들은 리튬 이온이 80년까지 배터리 시장의 2030%를 공급할 것으로 예상하며, 이러한 장치의 90%가 LFP 기반일 것으로 예상합니다. 나트륨 이온은 시장의 10%를 차지할 수 있습니다.
올바른 선택
연구자들은 20세기 중반부터 나트륨 이온을 고려해 왔으며, 최근 개발에는 저장 용량과 장치 수명 주기의 개선, 새로운 양극 및 음극 재료가 포함됩니다. 나트륨 이온은 리튬 대응 물질보다 부피가 크기 때문에 나트륨 이온 전지는 전압이 낮고 중량 및 체적 에너지 밀도도 낮습니다.
나트륨 이온 중량 에너지 밀도는 현재 약 130Wh/kg에서 160Wh/kg이지만, 미래에는 LFP 장치의 이론적 한계를 넘어 200Wh/kg을 넘을 것으로 예상됩니다. 그러나 전력 밀도 측면에서 나트륨 이온 배터리는 니켈-망간-코발트(NMC)의 1W/kg에서 340W/kg 및 LFP의 420W/kg에서 175W/kg보다 높은 425kW/kg을 가질 수 있습니다.
100~1,000회의 사이클에 불과한 나트륨 이온 소자의 수명은 LFP보다 낮지만, 인도 개발업체 KPIT는 셀 화학에 따라 다르지만 80회의 사이클 동안 6,000%의 용량이 유지되는 수명을 보고했는데, 이는 리튬 이온 소자와 비슷한 수준입니다.
IDTechEx의 Siddiqi는 "나트륨 이온 배터리 내에서는 아직 단일의 승리하는 화학이 없습니다."라고 말했습니다. "실험실 단계를 넘어 확장성을 허용하는 완벽한 애노드/캐소드 활성 물질을 찾기 위해 많은 R&D 노력이 진행 중입니다."
미국 안전 과학 기구인 Underwriter Laboratories를 언급하며 Siddiqi는 "따라서 나트륨 이온 전지에 대한 UL 표준화는 아직 시간이 걸리고 이로 인해 OEM[원래 장비 제조업체]이 이러한 기술에 전념하는 데 주저하고 있습니다."라고 덧붙였습니다.
프로이센 화이트, 폴리아니온, 층상 산화물은 리튬 이온 대응 물질보다 저렴한 재료를 특징으로 하는 양극 후보입니다. Northvolt와 CATL에서 사용하는 전자는 널리 사용 가능하고 저렴하지만 체적 에너지 밀도가 비교적 낮습니다. 영국에 있는 회사인 Faradion은 층상 산화물을 사용하는데, 이는 더 높은 에너지 밀도를 약속하지만 시간이 지남에 따라 용량이 감소하는 문제가 있습니다. 프랑스의 Tiamat은 더 안정적이지만 독성 바나듐이 특징인 폴리아니온을 사용합니다.
Benchmark의 Hartly는 "나트륨 이온 배터리 용량을 계획하는 대부분의 셀 생산자는 층상 산화물 양극 기술을 사용할 것"이라고 말했습니다. "사실, [셀] 파이프라인의 71%가 층상 산화물입니다. 마찬가지로, 나트륨 이온 양극 파이프라인의 90.8%가 층상 산화물입니다."
양극이 리튬 이온의 주요 비용 요인인 반면, 양극은 나트륨 이온 배터리에서 가장 비싼 구성 요소입니다. 하드 카본은 나트륨 이온 양극의 표준 선택이지만 생산 용량은 나트륨 이온 셀보다 뒤떨어져 가격이 급등합니다. 하드 카본 재료는 최근 동물성 폐기물, 하수 슬러지, 포도당, 셀룰로스, 목재, 석탄 및 석유 파생물과 같은 다양한 전구체에서 파생되었습니다. 일반적인 리튬 이온 양극 재료인 합성 흑연은 거의 후자 두 전구체에 전적으로 의존합니다. 개발 중인 공급망으로 인해 하드 카본은 흑연보다 비용이 많이 들고 나트륨 이온 셀 생산의 주요 장애물 중 하나입니다.
부분적으로 더 높은 비용을 완화하는 나트륨 이온 배터리는 특히 영하 조건에서 더 나은 온도 내성을 보입니다. 리튬 이온보다 안전하며, 30볼트까지 방전할 수 있어 운송 및 폐기 시 위험이 줄어듭니다. 리튬 이온 배터리는 일반적으로 약 XNUMX% 충전 상태로 보관합니다. 나트륨 이온은 전해질이 인화점(화학 물질이 증발하여 공기와 발화성 혼합물을 형성할 수 있는 최소 온도)이 더 높기 때문에 화재 위험이 적습니다. 두 화학 물질 모두 구조와 작동 원리가 비슷하기 때문에 나트륨 이온은 종종 리튬 이온 생산 라인과 장비에 투입할 수 있습니다.
사실, 세계 최고의 배터리 제조업체인 CATL은 리튬 이온 인프라와 제품에 나트륨 이온을 통합하고 있습니다. 2021년에 출시된 최초의 나트륨 이온 배터리는 에너지 밀도가 160Wh/kg이었고, 앞으로는 200Wh/kg을 약속했습니다. 2023년에 CATL은 중국 자동차 제조업체인 체리가 처음으로 나트륨 이온 배터리를 사용할 것이라고 말했습니다. CATL은 다음과 같이 말했습니다. pv 잡지 2023년 후반에 나트륨 이온 배터리의 기본 산업 체인을 개발하고 대량 생산을 확립했다고 발표했습니다. CATL은 생산 규모와 출하량은 고객 프로젝트 구현에 따라 달라질 것이라고 말하며, 나트륨 이온의 대규모 상업적 출시를 위해 더 많은 노력이 필요하다고 덧붙였습니다. 배터리 제조업체는 "전체 산업이 나트륨 이온 배터리 개발을 촉진하기 위해 협력하기를 바랍니다."라고 말했습니다.
나트륨에 대한 요금
2024년 10월, 중국 최대 자동차 제조업체이자 두 번째로 큰 배터리 공급업체인 BYD는 연간 1.4GWh의 30억 위안(2022억 달러) 규모의 나트륨 이온 배터리 공장 건설을 시작했다고 밝혔습니다. 이 생산량은 "마이크로모빌리티" 장치에 전력을 공급할 것입니다. 중국과학원에서 분사된 HiNa는 XNUMX년 XNUMX월 기가와트시 규모의 나트륨 이온 배터리 생산 라인을 가동하고 Na-이온 배터리 제품군과 전기 자동차 프로토타입을 발표했습니다.
유럽 배터리 제조업체 Northvolt는 160년 2023월에 XNUMXWh/kg 검증된 나트륨 이온 배터리 셀을 공개했습니다. 스웨덴의 웁살라 대학교에서 분사된 Altris와 함께 개발된 이 기술은 회사의 차세대 에너지 저장 장치에 사용될 예정입니다. Northvolt의 현재 제품은 NMC 화학을 기반으로 합니다. 출시 당시 Northvolt의 에너지 저장 시스템 사업 개발 부문 수석 이사인 Wilhelm Löwenhielm은 회사가 규모에 따라 LFP와 경쟁할 수 있는 배터리를 원한다고 말했습니다. 그는 "시간이 지남에 따라 이 기술은 비용 경쟁력 측면에서 LFP를 상당히 능가할 것으로 예상됩니다."라고 말했습니다.
Northvolt는 빠른 시장 진입과 확장을 위해 "플러그 앤 플레이" 배터리를 원합니다. Löwenhielm은 "이 특정 기술을 시장에 출시하기 위한 주요 활동은 배터리 등급 소재의 공급망을 확장하는 것입니다. Northvolt는 현재 파트너와 함께 이를 수행하고 있습니다."라고 말했습니다.
소규모 업체도 나트륨 이온 기술을 상용화하기 위해 노력하고 있습니다. 2021년 인도 대기업 Reliance Industries에 인수된 Faradion은 현재 차세대 셀 설계를 생산으로 전환하고 있다고 말합니다. Faradion 최고경영자(CEO) James Quinn은 "우리는 에너지 밀도가 20% 더 높은 새로운 셀 기술과 풋프린트를 개발했으며, 이전 셀 설계에 비해 사이클 수명을 XNUMX분의 XNUMX로 늘렸습니다."라고 말했습니다.
이 회사의 160세대 셀은 2022Wh/kg의 에너지 밀도를 보였습니다. 2023년에 Quinn은 Reliance의 계획이 인도에 두 자릿수 기가와트 규모의 나트륨 이온 공장을 짓는 것이라고 말했습니다. 현재로서는 그 계획이 여전히 진행 중인 것 같습니다. 2025년 XNUMX월, Reliance 회장 Mukesh Ambani는 회사의 연례 주주 총회에서 이 사업이 "나트륨 이온 배터리 기술의 빠른 상용화에 집중하고 있습니다... XNUMX년까지 메가와트 수준의 나트륨 이온 셀 생산을 산업화하여 기술 리더십을 구축하고 그 후 빠르게 기가스케일로 구축할 것입니다."라고 말했습니다.
생산
스타트업 Tiamat이 프랑스 오드프랑스 지역에 5GWh 생산 공장 건설을 시작할 계획을 추진했습니다. 2024년 30월에 32.4만 유로(150만 달러)의 자본 및 부채 자금을 조달했으며, 향후 몇 달 안에 산업 프로젝트의 자금 조달을 완료하여 총 자금 조달이 약 XNUMX억 XNUMX만 유로에 이를 것으로 예상한다고 밝혔습니다. 프랑스 국립 과학 연구 센터에서 분사한 이 회사는 처음에는 "이미 접수된 첫 주문을 이행하기 위해" 공장에서 전동 공구 및 고정형 스토리지 애플리케이션용 나트륨 이온 전지를 생산할 예정입니다. 나중에는 배터리 전기 자동차 애플리케이션용 XNUMX세대 제품의 대량 생산을 목표로 할 것입니다.
미국에서는 업계 관계자들도 상용화 노력을 강화하고 있습니다. 2024년 2월, Acculon Energy는 모빌리티 및 고정형 에너지 저장 애플리케이션을 위한 나트륨 이온 배터리 모듈과 팩의 시리즈 생산을 발표했으며 2024년 중반까지 생산 규모를 2023GWh로 확대할 계획이라고 밝혔습니다. 한편, 스탠포드 대학에서 분사한 Natron Energy는 600년에 나트륨 이온 배터리의 양산을 시작할 계획이었습니다. 목표는 미시간주에 있는 배터리 생산업체 Clarios International의 기존 리튬 이온 Meadowbrook 시설에서 XNUMXMW의 나트륨 이온 셀을 만드는 것이었습니다. 그러나 진행 상황에 대한 업데이트는 제한적이었습니다.
기금
2023년 10월, Peak Energy는 2028만 달러의 자금과 전 Northvolt, Enovix, Tesla, SunPower 임원으로 구성된 경영팀을 갖추고 등장했습니다. 이 회사는 처음에는 배터리 셀을 수입할 것이라고 밝혔으며, 이는 10년 초까지 바뀌지 않을 것으로 예상했습니다. Peak Energy의 CEO인 랜든 모스버그는 출시 행사에서 "소규모 기가와트 공장에는 약 XNUMX억 달러가 필요합니다. XNUMXGW 미만이라고 생각하세요."라고 말했습니다. "따라서 시장에 진출하는 가장 빠른 방법은 제XNUMX자로부터 셀을 공급받는 시스템을 구축하는 것이고, 중국은 충분한 셀을 출하할 수 있는 용량을 구축할 수 있는 유일한 곳입니다." 결국 이 회사는 미국 인플레이션 감소법에 따라 국내 콘텐츠 크레딧 자격을 얻기를 바랍니다.
인도의 KPIT와 같은 일부 공급업체는 생산 계획 없이 이 분야에 진출했습니다. 자동차 소프트웨어 및 엔지니어링 솔루션 사업은 2023년 100월에 나트륨 이온 배터리 기술을 공개하고 제조 파트너를 찾기 시작했습니다. KPIT 회장인 라비 판딧은 회사가 170Wh/kg에서 220Wh/kg까지의 에너지 밀도를 가진 여러 변형을 개발했으며 잠재적으로 XNUMXWh/kg에 도달할 수 있다고 말했습니다.
"나트륨 이온 배터리 작업을 시작했을 때 에너지 밀도에 대한 초기 기대치는 매우 낮았습니다."라고 그는 말했습니다. "하지만 지난 2024년 동안 우리와 다른 회사들이 수행해 온 개발로 인해 에너지 밀도가 상승했습니다." 다른 사람들은 공급 파트너십을 찾고 있습니다. 작년에 세계 최고의 배터리 에너지 저장 시스템 통합업체 중 하나인 핀란드 기술 그룹 Wärtsilä는 이 분야에서 잠재적인 파트너십이나 인수를 모색하고 있다고 말했습니다. 당시에는 연구 시설에서 기술을 테스트하는 방향으로 나아가고 있었습니다. Wärtsilä Energy Storage and Optimization의 전략 솔루션 개발 책임자인 에이미 류는 XNUMX년 XNUMX월에 "저희 팀은 나트륨 이온 배터리를 미래의 고정형 에너지 저장 솔루션에 통합하는 것과 같이 에너지 저장 기술을 다각화하는 측면에서 새로운 기회를 추구하는 데 전념하고 있습니다."라고 말했습니다.
니어쇼링 기회
대량 생산 발표가 많이 나온 후, 나트륨 이온 배터리는 이제 성패를 가르는 시점에 있으며, 투자자의 관심이 이 기술의 운명을 결정할 것입니다. IDTechEx의 2023년 40월 시장 분석에 따르면 2030년까지 최소 100GWh의 성장이 예상되며, 2025년까지 시장 성공에 따라 추가로 XNUMXGWh의 제조 용량이 필요할 것으로 예상됩니다.
Siddiqi는 "이러한 예측은 향후 몇 년 내 상업적 약속에 따라 달라지는 [나트륨 이온 배터리] 산업의 임박한 붐을 전제로 합니다."라고 말했습니다.
나트륨 이온은 필요한 원자재를 전 세계적으로 쉽게 구할 수 있기 때문에, 해안 근처 청정 에너지 공급망에 또 다른 기회를 제공할 수 있습니다. 하지만 기차는 이미 역을 떠난 것 같습니다.
Benchmark의 Hartley는 "리튬 이온 배터리 시장의 초기 단계와 마찬가지로 글로벌 산업의 주요 병목 현상은 중국의 지배력이 될 것"이라고 말했습니다. "2023년 현재 나트륨 이온 셀 용량의 99.4%가 중국에 기반을 두고 있으며 이 수치는 90.6년까지 2030%로 떨어질 것으로 예상됩니다. 유럽과 북미의 정책이 국내 생산에 대한 의존성으로 인해 리튬 이온 배터리 공급망을 중국에서 벗어나게 하려는 만큼, 나트륨 이온 시장도 지역화된 공급망을 만들기 위해 전환이 필요할 것입니다."
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