세계 최초 무음극 나트륨 고체 배터리 개발

• UChicago PME의 Y. Shirley Meng 연구실과 UC San Diego 협력 연구진이 나트륨·고체 전해질·무음극 구조를 결합해 전기차와 그리드 저장용 저가·고속충전·고용량 배터리 가능성을 앞당김
• 리튬 대신 풍부한 나트륨을 쓰고 음극을 제거해 비용과 환경 부담을 낮추며, 고체 설계로 안전성과 출력 확보를 노림
• Nature Energy 논문은 새 구조가 수백 회 안정적 사이클링을 보였다고 밝혔고, 기존에 따로 구현되던 세 배터리 개념을 한 구조로 묶은 점이 핵심임
• 설계의 관건은 전해질이 집전체를 감싸는 대신 알루미늄 분말 집전체가 전해질을 둘러싸게 해, 고체이면서도 액체처럼 밀착 접촉하도록 만든 데 있음
• 연구진은 이 접근이 화석연료 대체에 필요한 배터리 규모 격차를 줄이는 단계라고 보고 있으며, UC San Diego Office of Innovation and Commercialization을 통해 특허 출원을 마침

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나트륨·고체·무음극을 한 구조로 결합

• UChicago Pritzker Molecular Engineering의 Y. Shirley Meng 연구실 산하 Laboratory for Energy Storage and Conversion이 세계 최초의 무음극 나트륨 고체 배터리를 만들었음
• LESC는 UChicago Pritzker School of Molecular Engineering과 UC San Diego의 Aiiso Yufeng Li Family Department of Chemical and Nano Engineering 간 협력 조직임
• 나트륨 배터리, 고체 배터리, 무음극 배터리는 각각 존재했지만 세 아이디어를 성공적으로 결합한 사례는 없었음
• 논문 Design principles for enabling an anode-free sodium all-solid-state battery는 Nature Energy에 게재됐고, 새 구조는 수백 회 안정적 사이클링을 보였음

리튬 의존을 줄이려는 이유

• 리튬은 지각에서 약 20ppm 수준인 반면, 나트륨은 약 20,000ppm 수준으로 훨씬 풍부함
• 노트북, 휴대폰, 전기차용 리튬이온 배터리 수요가 늘면서 리튬 가격과 공급 부담이 커졌고, 필요한 배터리 물량 확보가 더 어려워짐
• 리튬 매장지는 일부 지역에 집중돼 있음
  • 칠레, 아르헨티나, 볼리비아의 Lithium Triangle이 전 세계 리튬 공급의 75% 이상을 보유
  • 다른 매장지는 호주, North Carolina, Nevada 등에 있음
• 리튬 추출은 광석 분해에 쓰이는 산업용 산이나, 대량의 물을 지표로 끌어올려 말리는 염수 추출 방식 때문에 환경 피해를 일으킬 수 있음
• 나트륨은 바닷물과 소다회 채굴에서 흔해, 배터리 소재로서 더 환경친화적인 선택지로 평가됨

무음극 배터리가 얻는 것과 잃는 것

• 전통적 배터리는 충전 중 이온을 저장하는 음극을 갖고, 사용 중에는 이온이 음극에서 전해질을 거쳐 집전체인 양극으로 이동해 장치와 자동차에 전력을 공급함
• 무음극 배터리는 음극을 제거하고, 이온을 집전체 위 알칼리 금속의 전기화학적 증착 형태로 직접 저장함
• 이 방식은 더 높은 셀 전압, 더 낮은 셀 비용, 더 높은 에너지 밀도를 가능하게 하지만 전해질과 집전체의 접촉이 어려워짐
• 접촉 문제는 전해질 종류에 따라 크게 달라짐
  • 액체 전해질은 표면을 적시고 어디든 흐를 수 있어 접촉을 만들기 쉬움
  • 고체 전해질은 같은 방식으로 흐르거나 표면을 적실 수 없음
• 액체 전해질은 고체 전해질 계면층 축적을 만들고 활성 물질을 계속 소비해 시간이 지날수록 배터리 유용성을 낮춤

알루미늄 분말로 만든 집전체 설계

• 연구진은 전해질이 집전체를 둘러싸는 대신, 집전체가 전해질을 둘러싸는 구조를 선택함
• 집전체는 액체처럼 흐를 수 있는 고체인 알루미늄 분말로 제작됨
• 배터리 조립 중 분말을 고압으로 치밀화해 고체 집전체를 만들면서도 전해질과 액체 같은 접촉을 유지함
• 이 구조는 저비용·고효율 사이클링을 가능하게 해 나트륨 고체 배터리 개발을 앞으로 밀어붙일 수 있음
• 나트륨 고체 배터리는 보통 먼 미래 기술로 여겨지지만, 이번 결과는 실제로 잘 작동할 수 있음을 보여줘 관련 연구를 더 촉진할 수 있음

배터리 규모 확대와 상용화 방향

• Meng은 미국을 한 시간 동안 운영하려면 1TWh의 에너지를 생산해야 하며, 경제의 탈탄소화를 위해서는 수백 TWh 규모의 배터리가 필요하다고 밝힘
• 이번 연구는 화석연료에서 세계 경제를 전환하는 데 필요한 배터리 스케일링 격차를 메우기 위한 과학적 진전으로 평가됨
• Meng은 사회적 필요에 맞게 확장된 다양한 청정·저가 배터리 옵션이 재생에너지를 저장하는 미래를 구상함
• Meng과 Grayson Deysher는 UC San Diego Office of Innovation and Commercialization을 통해 이번 연구에 대한 특허 출원을 마침
• 연구 지원은 National Science Foundation의 Partnerships for Innovation grant no. 2044465를 통해 제공됨

[GN⁺]

Hacker News 의견들

• 리튬 가격은 지난 2년 동안 실제로 80% 하락했으니, 기사에서 이 부분은 현재 기준으로 틀렸음
  “배터리에 흔히 쓰이는 리튬은 그렇게 흔하지 않다. 지각에 약 20ppm 존재하며, 나트륨은 20,000ppm이다.
  이런 희소성과 노트북, 휴대폰, 전기차용 리튬 이온 배터리 수요 급증이 가격을 폭등시켜 필요한 배터리를 더 구하기 어렵게 만들었다.”
  출처: https://tradingeconomics.com/commodity/lithium
  https://www.bradley.com/insights/publications/2024/02/lithiu...

  • 맞고, “총량”과 확인 매장량을 혼동하면서 사람들이 새 매장지를 예전만큼 공격적으로 찾고 있지 않다는 점도 빠뜨림
    다만 이건 대학 홍보 글이라, 피한 문제와 만들어낸 영향을 모두 크게 보이게 하는 전형적인 방식임
    핵심적으로 음극 없는 배터리는 바람직한 특성이 많아서 공학적 성과로는 주목할 만함. 특히 여러 나라에서 자체 원재료를 조달해 배터리를 만들 수 있을 정도로 재료 접근성이 좋고, 셀 무결성이 깨져도 발열성으로 망가지지 않아 현재 리튬 배터리보다 자동차에 더 적합함
    다음 관문은 많은 배터리 혁신이 넘어지는 지점인 대량 생산 비용임. 어제 본 것처럼 $1/kWh까지 낮출 수 있다면 이런 배터리를 많이 보게 될 것임
  • 지각에 리튬이 20ppm, 나트륨이 20,000ppm이라는 수치가 틀린 게 아니라면, 장기적으로는 나트륨 확보가 확실히 더 쉬울 것 같음
  • 흥미로운 글이고 배터리 설계도 재미있지만, 대학 홍보팀이 리튬의 “문제”를 꽤 과장한 건 맞음. 드문 일도 아님
  • 단순한 정정일 뿐이고, 리튬 가격은 여전히 코로나 이전보다 높음
  • Bloomberg NEF는 내년에 배터리 공급 과잉으로 간다는 얘기를 실제로 하고 있음: https://about.bnef.com/blog/china-already-makes-as-many-batt...
    조금 넘치는 수준이 아니라 큰 폭의 과잉을 예측하고 있으며, 가격이 내려가고 특히 새롭고 비싼 배터리는 기존 제조사들이 가격을 낮추는 상황에서 경쟁하기 어려워질 거라고 봄
    앞으로 몇 년간 지금까지 만든 것보다 더 많은 배터리를 만들게 됨. 생산량은 연간 1TWh 약간 아래에서 여러 TWh로 커지고 있음. Bloomberg NEF는 내년 수요를 약 1.6TWh/년으로 보고, 신규 공장 관련 투자 규모를 7.9TWh/년으로 추적 중임. 전부 지어지지는 않겠지만 엄청난 용량이고 리튬 수요도 큼. 그런데도 지적한 것처럼 가격은 떨어지는 중임. 리튬이 충분하고 더는 부족하지 않기 때문임
    리튬이 칠레와 볼리비아 같은 곳에 많지만, 실제 최대 생산국은 호주임. 칠레는 곧 2위 자리를 중국에 내줄 상황임: https://www.visualcapitalist.com/ranked-the-worlds-largest-l...
    이 모든 건 리튬을 쓰지 않는 배터리 화학 조성을 고려하기 전 얘기임. 나트륨 이온은 지금 꽤 좋아 보임. 리튬, 코발트, 니켈 등이 필요 없고 이미 저가 자동차와 전력망 저장장치에 쓰임. 특히 전력망 저장에서는 리튬 기반 배터리가 꼭 가장 자연스러운 선택은 아님

• 전기는 잘 모르지만, 전자가 흐르려면 음극이 필요한 것 아닌가 싶음
  Wikipedia에는 “대신 처음 충전될 때 금속 음극을 만든다”고 되어 있음
  아직 완전히 명확하진 않지만 어느 정도 말은 되는 듯함

  • 맞음, “음극 없음”이라는 표현은 음극이 없다는 뜻처럼 보여서 헷갈림. 배터리는 전류가 흐를 회로를 만들려면 전극 두 개가 필요하다고 이해하고 있었음
    Wikipedia 전체 문장은 “음극 없는 배터리(AFB)는 음극 없이 제조되는 배터리다. 대신 처음 충전될 때 금속 음극을 만든다”임
    약간 “서버리스” 같은 느낌임 ;)
  • 음극은 배터리를 충전할 때 이온이 이동해 가는 부분임. 무게를 최대한 줄이려면 음극이 실제로 그쪽으로 이동한 이온들만으로 구성되는 경우를 상상할 수 있음. 이게 “음극 없는”의 의미임
    배터리에 전하가 있으면 나트륨 금속 일부가 음극 역할을 함. 완전히 방전되면 나트륨이 양극으로 이동했으므로 음극이 없음
  • 그게 왜 장점인지도 궁금함
    “처음 충전될 때 금속 음극을 만든다”는 점에 왜 기대해야 하는지 모르겠음
    비꼬는 게 아니라 5살에게 설명하듯 알고 싶은 질문임

• Na4MnCr(PO4)3
  크로뮴은 지각에서 리튬보다 5배 풍부함(0.01% vs 0.002%). 낫긴 하지만 엄청난 차이는 아닌 듯함
  프러시안 블루를 쓰는 “일반” 나트륨 이온 배터리는 희소 원소를 쓰지 않는다는 큰 장점이 있어 보임. 이 전고체 화학 조성과 일반 방식의 비교가 있으면 좋겠음

  • 둘의 지구화학적 차이가 꽤 커서, 크로뮴이 기술적으로 훨씬 풍부하지 않더라도 채굴은 훨씬 쉬움
    크로뮴 산화물과 크로마이트의 생성 깁스 자유 에너지는 리튬 함유 광물보다 훨씬 더 음수라서, Cr 화합물은 용융물과 용액에서 열역학적으로 침전되기 쉽고 고농도 광물을 형성한 뒤 다른 과정으로 밀려 올라옴. Li+는 단일 원자가 전자 때문에 비교적 강한 결합이나 매우 안정한 광물상을 잘 만들지 못함
    게다가 마그마와 암석에서 Cr 종의 확산 계수는 일반적으로 Li보다 몇 자릿수 낮음. Cr은 일찍 결정 구조에 갇혀 머무는 반면, Li는 수용성 광물 형태로 계속 이동하고 확산됨. 미생물이 퇴적물에 Cr을 농축할 수 있는 생지구화학 순환도 있음
  • 1:1로 대응되는지는 모르겠지만, 이 사이트[0]는 전 세계 크로뮴 생산량이 4,100만 톤이고 리튬은 18만 톤이라고 함. 즉 공급망은 이미 존재함
    [0] https://www.statista.com/statistics/598320/mine-production-o...
  • 프러시안 블루는 물감 색으로는 알고 있었지만 이 부분은 몰랐음. 흥미로운 물질이고 Wikipedia 토끼굴이 꽤 재미있었음
    https://wikipedia.org/wiki/Prussian_blue
  • 리튬은 원자번호 3번이고, 수소·헬륨과 함께 초기 우주에도 훨씬 낮은 수준으로 존재했음. 지각에는 약 20~70ppm의 리튬이 있음
    추출이 번거로울 수는 있지만 고갈될 물질은 아님
  • 배터리를 수백 사이클 사용한 뒤 재활용할 때 크로뮴 회수 공정은 어떻게 되는지 궁금함
    3가 크로뮴인지, 6가 크로뮴인지, 아니면 다른 형태인지도 중요함
    Chromium > Precautions:
    https://en.wikipedia.org/wiki/Chromium#Precautions

• 논문 프리프린트는 여기 있음: https://chemrxiv.org/engage/api-gateway/chemrxiv/assets/orp/...

• “리튬 추출은 환경에도 해롭다. 염수 추출은 막대한 양의 물을 지표로 끌어올려 말린다”는 식의 표현은 좀 과장으로 보임
  생명체가 많지 않은 건조 호수 바닥에서 물을 끌어올려 증발시키는 건 채굴의 환경 영향 척도에서 꽤 낮은 편임. 이게 나트륨 추출과 비교하면 어떤지 궁금함

  • 증발식 염수 프로젝트의 핵심 문제는 대체로 물이 부족한 지역에서 물 사용량이 크다는 점이라고 생각했음. 더 나은 직접 추출 기술도 있음
    나트륨은 바닷물을 연못에서 증발시키면 되지만, 이 방식은 습지를 파괴함. SF Bay 주변에도 그런 곳이 많고 일부는 원래 상태로 복원 중임
  • 염수 추출에는 여러 문제가 있고, 집중적인 물 사용과 대기 오염도 포함됨. 추출 과정에서 예를 들어 이산화황이 배출됨
  • 환경 영향 일부를 잘 정리한 개요가 있음
    Nature Reviews Earth & Environment의 ‘Environmental impact of direct lithium extraction from brines’(2023), PDF: https://www.nature.com/articles/s43017-022-00387-5.pdf
  • 조금 과장됐다는 데 동의하지만, 어쨌든 나트륨과 크로뮴은 훨씬 쓰기 단순함

• 에너지 밀도, 부피, 충전 사이클에 대해서는 아무것도 말해주지 않음

  • 연구는 이론을 다룸. 연구의 모든 것이 곧바로 실용적일 필요는 없음. 시장에 나올 제품이 되려면 많은 공학, 조정, 시험이 필요함
    이번 발표는 과학적 성과이지 소비자용 완제품이 아님
  • 기사에 따르면 100사이클까지만 시험됨
    그러니 아직 실험 단계이고, 제품 버전은 1년 안에 나오지 않거나 아마 더 오래 걸릴 가능성이 큼. 제품은 자연스럽게 수명, 무게, 용량 등 여러 범주로 특화되므로 그때 그런 지표들이 의미 있어짐. 그전까지는 이전 실험 결과와 비교할 수 있는 지표를 가진 실험 결과일 뿐임
  • “수백 사이클 동안 안정적인 순환을 보이는 새로운 나트륨 배터리 구조를 시연한다”고 되어 있음. 그러면 “안정적”의 정의에 따라 다르지만, 전력망 저장용으로는 아직 한참 부족함
    그래프는 약 400Wh/kg, 약 800Wh/L 밀도를 보여줌. 전력망 저장용으로는 괜찮은 수치임
    논문 https://www.nature.com/articles/s41560-024-01569-9은 아쉽게도 유료 장벽 뒤에 있음
    두고 봐야 함. 배터리 기술은 실용적인 크기에서 방전 사이클 동안 지저분하고 복잡한 표면 반응이 정말 가역적인지에 따라 성패가 갈림
  • 매달 나오는 배터리 돌파구 발표가 슬슬 짜증남. 이번에는 “수백 사이클”이면 게재하기 충분했던 모양임

• 진짜 돌파구이길 바라지만, 첫 댓글이 이 배터리가 현실에서 못 하는 중요한 걸 짚어줄 것 같다고 예상함

  • 아주 높은 수준에서 보면, 그럴듯하게 들리는 전고체 배터리 기술을 들을 때 기본적으로 가져야 할 회의는 투자자에게 보여주기 좋은 작은 셀을 만들기는 쉬워 보인다는 점임
    과장 주기 동안 들었던 대부분의 리튬 기반 전고체 배터리 회사들은 사이클 수와 밀도가 좋아 보이는 전고체 배터리를 갖고 있었지만, 기본적으로 시계 배터리 크기였음
    하지만 규모를 키우지 못했음. 현대 전기차가 쓰는 큰 배터리를 만들 수 없었고, 실제 세계에서 쓰이는 배터리 폼팩터로 대량 생산도 못 했다는 뜻임
    그래도 이건 매우 유망해 보임
  • 연구 그룹이 새 접근법을 다룬 논문 발표임. 더 흥미로운 질문은 이것을 현실로 옮기기 예상외로 쉬운 요소가 있는지일 것임
    초록은 “이 셀 구조는 저비용, 고에너지 밀도, 고속 충전 배터리를 가능하게 하기 위한 다른 배터리 화학 조성의 미래 방향으로 쓰인다”로 끝남. 중요한 기초 연구이자 탐색임
    언젠가 대학들은 연구 홍보 방식을 정말 다시 생각해야 함. 적어도 연구실이 아니라 사기성 스타트업에서 나온 것처럼 읽히는 제목은 누그러뜨릴 필요가 있음

• 배터리에서 중요한 건 규모와 총비용임. 원소가 더 싸더라도, 현재 표준보다 상당히 좋거나 싼 제품을 내놓는지가 중요함. LFP의 부상을 보면 됨
  기존 공장과 제조 기술을 쓸 수 있는지, 아니면 새로 발명하거나 지어야 하는지도 핵심임. 전고체 배터리 얘기는 15년 전부터 들었지만 아직 충분히 큰 규모로 나온 게 없음
  전고체 배터리가 뜬다면, 아마 비용을 더 비싼 제품 가격으로 숨길 수 있고 더 높은 밀도가 필요한 전기 항공과 슈퍼카에서 먼저 뜰 것임

• “수백 사이클 동안 안정적인 순환”이라면 쓸 만한 배터리보다 한 자릿수 규모로 부족함

  • 논문이 수백 사이클 이후에는 안정적이지 않다고 말하는 건가, 아니면 아직 수백 사이클까지만 시험했고 그 범위에서는 계속 안정적이었다는 건가? 둘 사이에는 큰 차이가 있음
  • 일반적인 리튬 이온 셀도 보통 500~1,000사이클 정격임

• 이게 상업적으로 성공해서 리튬 배터리를 만들고 구축하는 더러운 공정이 완전히 사라지면 좋겠음
  중국과, 아동 노동이나 거의 없는 안전 규정 같은 수상한 노동 관행을 가진 나라들에 덜 의존하게 되길 바람

  • 상업화까지 못 가는 과장된 학계 발표를 너무 많이 봤음. 제조에서 작지만 치명적인 요소를 놓치는 경우가 많음. 생산은 어렵다는 말이 딱 맞음
    면책: 이 배터리들이 성공하길 정말 바람