리튬이온 그 다음은? 차세대 배터리 기술의 현재와 미래

우리가 매일 사용하는 스마트폰, 노트북과 전기차는 모두 배터리의 힘으로 움직입니다. 그 중심에는 리튬이온 배터리가 있죠. 하지만 이 배터리는 1991년 상용화된 이래, 거의 30년 이상 같은 기술을 써왔습니다.

그리고 과학자들과 기업들은 리튬이온 그 이후의 차세대 배터리 기술을 준비하고 있습니다.

지금 전 세계가 주목하는 차세대 배터리 기술 4가지를 소개하고, 이 기술이 왜 중요한지 알아보겠습니다.

전고체 배터리 (ALL-solid-state battery)

전고체 배터리는 기존 리튬이온 배터리의 액체 전해질을 고체로 바꾼 형태입니다. 이 간단한 구조 변화는 엄청난 변화를 만듭니다.

장점 : 고체 전해질은 화재 위험이 거의 없고, 더 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있습니다. 같은 공간에 더 많은 전력을 담을 수 있다는 의미입니다. 또한 수명도 훨씬 길어 자주 충전하지 않아도 되는 배터리를 만들 수 있습니다.
아직 사용하지 못하는 이유 : 문제는 기술적 난이도입니다. 고체 전해질은 생산 과정이 까다롭고, 상온에서 이온이 잘 안 움직이기 때문에 효율을 높이기 어렵습니다. 현재 토요타, 삼성SDI, LG에너지솔루션 등이 2027년 전후 상용화를 목표로 연구에 집중하고 있습니다.

리튬황 배터리는 기존 리튬이온보다 이론상으로 5배 이상 많은 에너지를 저장할 수 있는 기술입니다.

게다가 황은 지구에 흔하고 가격도 저렴해서 비용 절감 측면에서도 매우 유리합니다.

적용 가능성 : 에너지 밀도가 높기 때문에 드론, 우주 산업, 군용 기기 같은 곳에 적합할 수 있습니다. NASA에서도 리튬황 배터리를 우주 미션용으로 연구하고 있을 정도입니다.
현실적인 문제 : 황은 충방전 과정에서 용해되어 성능이 떨어지는 문제가 존재합니다. 이를 셔틀 효과라고 부르며, 배터리의 수명과 안정성을 확보하는 것이 관건입니다.

리튬보다 훨씬 저렴하고 풍부한 나트륨(Na)을 이용하는 배터리입니다.

리튬이 비싸지고 희귀해지는 지금, 나트륨이온은 매우 현실적인 대안으로 주목받고 있습니다.

장점 : 원재료가 싸고 구하기 쉬우며, 리튬보다 더 친환경적입니다. 특히 대용량 에너지 저장장치(ESS)에 적합하며, 저가형 전기차에도 적합합니다.
단점 : 아직은 에너지 밀도가 리튬이온보다 낮아 고급 전자기기에는 부적합합니다. 다만, 중국 CATL은 이미 나트륨이온 배터리 상용화를 발표하며 실용화를 앞당기고 있습니다.

그래핀은 탄소 원자가 벌집 구조로 배열된 신소재로, 전기 전도성과 열전도성이 탁월합니다. 이를 배터리에 활용하면 초고속 충전과 높은 효율이 가능해집니다.

기대요소: 스마트폰을 5분 만에 풀로 충전하거나, 전기차를 15분 안에 충전할 수 있다는 기대가 있습니다. 또 열 관리가 잘되어 폭발 위험도 줄어듭니다.

문제 : 아직 그래핀 자체를 대량 생산하기 어렵고, 배터리 내부에 적용하는 공정도 복잡합니다. 그래서 아직은 연구 및 실험 단계에 머물고 있습니다.

현재 전고체 배터리는 전기차, 리튬황은 항공 산업, 나트륨이온은 ESS와 저가형 기기, 그래핀은 소형 전자기기에 적합하다는 평가가 많습니다.

삼성SDI는 2027년 전고체 배터리 양산을 준비 중이고, CATL은 나트륨이온 상용화 발표로 업계를 놀라게 했습니다. 테슬라도 자체 배터리 셀(4680)을 개발하며 효율성과 비용 개선에 집중하고 있습니다.

배터리는 단순한 전력 저장 장치를 넘어, 산업과 에너지, 안보, 환경까지 영향을 미치는 핵심기술입니다.

차세대 배터리가 상용화되면, 우리는 더 안전하고 오래가며 빠르게 충전되는 전자기기와 전기차를 만나게 될 것입니다.

지금은 배터리 기술 전환의 초입, 이 전쟁의 최종 승자가 누가 될지는 모르지만, 한 가지는 확실합니다. 우리가 사는 방식 자체가 바뀔 것이라는 점입니다.