2차전지(Secondary Cell)

[Kim byoungil]

1.  secondary cell

축전지(storage battery), 충전지(rechargeable battery, 충전식 전지) 혹은 배터리라고 부르는, 외부의 전기 에너지를 화학 에너지의 형태로 바꾸어 저장해 재사용할 수 있게 만든 전지.

2차 전지란 이름은 전지를 두 번(또는 그 이상) 쓸 수 있다는 뜻이 아니라 1차전지(소재만 연결하면 전지가 되는 것)가 있어야 그것으로 충전시켜 전지를 만들 수 있었기 때문에 2차라는 이름이 붙었다. 발전기가 발명되어 전지로 전지를 충전하는 뻘짓은 이젠 안 하게 됐지만, 조립만 하면 간단히 만들 수 있는 전지(1차)와 충방전을 반복하면서 재사용할 수 있는 전지(2차)라는 용도로 적절하게 사용되어 왔다.

재사용이 불가능한 일차 전지보다 경제적이고 환경친화적이다. 우리 주변의 흔한 AA 또는 AAA 건전지로 비교해보면, 충전지의 가격은 1회용 건전지보다 몇 배~몇 십 배까지 비싸지만 상업용으로 판매되는 제품의 경우 대개 500회 이상의 재사용을 보장한다. 일차 전지에 무리하게 충전을 시도할 경우, 충전이 아니라 엉뚱한 물질이 생성되거나 파괴가 일어나며, 누액이 발생하거나 심지어는 폭발할 가능성도 있으니 주의. 일차 전지에 충전하지 말라는 주의사항이 괜히 있는 것이 아니다.

2차 전지를 잘못 제조 또는 사용할 경우 폭발, 화재, 누액 등의 위험성이 있으므로 다수의 국가에서 여러 유형의 이차 전지가 안전인증(한국의 경우 KC 인증) 대상으로 규정되어 있다. 한국 기준으로 니켈 카드뮴, 니켈 수소, 리튬 이온 전지가 법적으로 안전인증 의무 대상이다.

2. 납 축전지는 세계 최초로 발명된 이차 전지이다. 1859년에 프랑스의 과학자 가스통 플란테에 의해 발명됐다. 구조는 6개의 셀로 분할된 비부식성(주로 플라스틱 재질) 케이스 내부에 과산화납으로 된 양극, 일반 납으로 된 음극, 그 사이에 비중 1.2 정도의 황산용액으로 된 전해액으로 매우 간단하다. 산업계에선 흔히 연축전지라고 불린다. 셀 하나의 전압은 2V로 배터리 팩의 전압은 6V 또는 12V이며, 건설기계나 상용차[1]는 12V 배터리 두 개를 직렬 연결해 24V로 사용한다. 그만큼 가격이 저렴하며, 비용 대비 에너지 저장량이 현재로서는 가장 우수하다.[2] 주로 자동차 시동용 배터리와 소방용 비상용배터리, 전기자동차용 보조전원 배터리,[3] UPS용 배터리로 사용되고 있다. 교통사고 시 큰 충격을 받아 케이스가 파손돼도 전해액만 흘러나갈 뿐 터지거나 쇼트에 의한 화재가 발생하지 않아 안정적이기 때문이다. 그렇지만 단자 연결을 잘못하거나 과도한 충전을 할 경우엔 수소 가스가 발생하며, 이것이 내외부적 과열이나 스파크, 혹은 화기에 의해 점화되면 폭발 및 화재의 위험이 있다.

만일 폭발 또는 실수로 인해 납 축전지에서 황산이 유출되었을 경우에는 반드시 다량의 물로 씻어내거나 베이킹 소다나 암모니아수 등 약알칼리성 물질로 중화시켜야 한다. 참고로 수산화 나트륨이나 수산화 칼륨과 같은 강알칼리성 물질은 2차 피해를 입힐 수 있으므로 사용해서는 안된다.

사실 납은 지구 지각에서 리튬이나 코발트보다도 희귀한 원소이다. 그럼에도 불구하고 리튬과 코발트가 아닌 납이 사용되는 이유는 채산성 있는 납 광산은 리튬과 코발트와 달리 전 세계적으로 고르게 분포해 있고, 납의 재활용성이 좋기 때문이다. 폐기된 납 축전지의 납은 거의 대부분 재활용되어 새 납 축전지를 제조하는 데 사용된다. 만일 납 축전지의 재활용이 불가했다면 가격이 훨씬 비쌌을 것이라는 분석도 있을 정도이다.

납 축전지가 자동차 시동용 배터리로 많이 쓰이는 관계로 대부분의 납 축전지는 여기에 맞춰 순간적으로 전류를 많이 흘릴 수 있도록 고방전율 설계가 되어 있다. 그런 고로 완충 후 순간적으로 큰 전류를 짧게 사용, 이후 다시 완충하는 식으로 사용하도록 설계되어 있다. 그래서 방전된 채로 방치되면 쉽게 망가진다. 용량의 50%를 사용하고 한 일주일만 충전 안 해도 사용한 50%는 재충전이 어렵다. 이런 이유로 자동차 시동용 납 축전지를 보통의 충전지처럼 사용하면 몇 번 쓰지도 않은 채 못 쓰게 된다.[4]

이런 이유로 자동차용 배터리와 정 반대 성향의 딥사이클 배터리라는 제품이 있다. 이는 순간적으로 큰 전류를 흘리지는 못하지만 보통의 충전지처럼 가지고 있는 용량의 대부분을 사용하고 다시 충전할 수 있도록 만든 제품이다. 보통 전동 지게차나 각종 산업용 공사용 리프트, 장애인 휠체어 등의 전원으로도 쓰인다. 자동차용 배터리처럼 수요가 많지 않은 탓에 가격이 비싼 편인데 리튬 이온 배터리의 발전에 따라 이 분야는 빠르게 리튬 이온 배터리로 대체되고 있다. 여담으로 보통 어린이들이 타고 노는 장난감 전동차 또한 이 딥사이클 배터리를 사용해야 맞지만 가격을 낮추기 위해 오토바이 시동용으로 쓰이는 일반 납 축전지를 사용하는 경우가 많다. 당연 윗줄에 언급한 특성상 사용하자마자 바로 충전하지 않으면 배터리가 금방 망가진다.

시동용 납 축전지는 CCA(Cold Cranking Amp, 저온 시동 전류)라는 값도 있는데, 말 그대로 저온(약 -20℃)에서 시동 시 공급할 수 있는 전류를 의미한다. 이 수치는 수명과 함께 줄어들므로 수명이 얼마 남지 않은 배터리는 저온에서 시동을 걸지 못하는 일도 발생할 수 있다.

납 축전지가 자동차에 쓰이는 이유는 가격이 저렴하기도 하고, 큰 전류를 흘리는 것도 있겠지만, 자동차를 운전하는 특성도 있기 때문이다. 자동차는 엔진과 연결되어 있는 알터네이터에서 전력을 생산하기 때문에 오랫동안 운전할수록 납 배터리가 충전되기 때문이다. 가격이 매우 싸고, 쓸 곳이 시동 거는 것과 조명 켜는 것뿐이기도 하며, 충전 속도가 너무 빠른 축전지를 쓰는 경우 에너지를 쓸데없이 낭비하기 때문에 충전 속도도 느리고 순간적으로 많은 전류를 흘릴 수 있으면서, 가격이 싼 납 배터리를 채택한 것이다. 과거에는 리튬 이온 배터리가 납 배터리보다 수십~수백배 이상 비쌌다. 다만, 요즘에는 5~10배 이내까지 줄어서 자동차 시동용으로도 리튬 이온 배터리가 장착되고 있는 추세다.

미래에는 자동차에서 납 축전지를 보기 어려워질 것으로 전망된다. 리튬 이온 배터리가 더욱 저렴해질 전망이고,[5] 납 배터리와 가격이 비슷하거나 저렴한 나트륨 배터리도 상용화되면 시동용으로도 납 배터리가 설 자리가 줄어들 것으로 예상되기 때문이다. 게다가 전세계적으로 내연기관 차량을 점차 금지하는 추세이며, 전기차의 보조 전원 납 축전지도 리튬 이온 배터리로 대체되고 있다.

단점은 중금속(납)과 강산(황산)을 사용해 인체와 환경에 해로우며, 무게가 무겁고, 충전 속도가 느리고,[6] 충방전 효율이 낮다는 것이다.[7] 게다가 AGM 배터리를 제외하면 전해액이 샐 수 있으므로 기울여 설치할 수 없다는 단점도 있다. 폐 납 축전지는 심각한 환경 오염을 일으켜서 절대 그냥 버려서는 안 된다. 폐 납 축전지는 법적으로 지정 폐기물로 정해져 있으며, 함부로 버리면 과태료를 물 수 있다. 단, 일반 건전지나 보조배터리 크기의 소형 납 축전지는 폐건전지함에 폐기해도 된다. 보통은 새 배터리를 구매할 때 업자가 헌 배터리를 수거해가며, 이런 업자나 카센타에 갖다 주면 자신들의 부수입이 되니 좋다고 받아준다.[8] 배터리 수거 재생 업체에 직접 가져가면 적게나마 돈도 받을 수 있다. 자동차의 운동 성능 향상을 위해 고급차는 배터리를 트렁크에 장착해 무게 배분을 하는 경우가 많다.

최근에는 리튬인산철(LiFePO4) 전지나 슈퍼커패시터를 이용한 경량 시동용 배터리를 중소기업에서 소규모 제작해 고가에 판매하거나 개인이 자작하는 경우가 있다. 아직까지 완성차 업체들이 채용하고 있지 않는 이유는 가격 문제가 크다. 다만 포르쉐는 모터스포츠용 경량 리튬인산철 배터리를 3000$에 별도로 판매하고 있다.

지속적인 사용 시 전해액의 수분이 증발하거나 수소와 산소로 분해되어 줄어든다. 그래서 배터리 옆 부분에 가스를 배출시킬 수 있는 구멍이 있다. 비록 멤브레인 필터가 붙어 있긴 하지만 배터리를 뒤집으면 이곳으로 전해액이 새어 나올 우려가 있으니 웬만하면 뒤집지 말자. 또한 정상 사용 중에도 여기에서 부식성 전해액이 약간씩 새어나와 차체에 묻으면 차체가 부식되니 환기 호스를 꽂아 차량 외부로 배출하도록 되어있다. 배터리 교환 시 이 호스를 빼먹지 않도록 주의하자. 또한 사용하는 도중에 증류수를 보충해 줘야 한다. 반드시 증류수만 넣어야 한다. 수돗물이나 생수 같은 경수(硬水)를 넣었다간 미네랄이 반응해서 수명을 깎아먹는다. 황산 용액을 보충해서도 안 되는 게, 전해액의 비중이 달라지면 오히려 성능이 저하된다. 일선 군부대 수송부에서는 군용 차량용의 배터리를 전해액을 채운 완제품 상태가 아니라 진한 황산 말통과 빈 배터리를 보급받았다. 증류수를 구할 수 없어 커다란 통을 비 오는 날 연병장에 두고 빗물을 받아서 거기다가 비중계도 없이 황산을 말아서 배터리에 부어 넣는 주먹구구 운영으로 겨울철 시동성이 형편없는 경우가 잦았다. 요즘은 잘 갖춰진 수송부의 경우 전해액이 적정량으로 채워진 완제품으로 보급받으며 배터리 성능 저하가 의심될 경우 비중계를 사용해 상태를 체크한다.

군용 외에는 산업용 배터리(지게차, UPS 등)에서 보수형 납 축전지를 찾아볼 수 있다. 산업용 보수형 납 축전지는 셀 6개를 직렬해 하나의 12V 축전지를 구성하는 대신 개별 셀 단위(2V)로 판매되는 경우도 흔하다. 또한 같이 사용하는 비중계도 디지털 방식을 사용하는 경우가 늘고 있다. 그러나 뚜껑이 열린 상태에서 잘못 취급할 경우 유해 화학물질인 황산이 누출되어 피해를 입을 수 있으며, 전해액 상태 점검 및 재보충 또한 일반인이 하기에는 위험한 작업이므로 대부분 관련 사업자에게만 판매되고 있다. 증류수 보충 작업 뒤에는 반드시 뚜껑을 닫아야 한다.

다만 제대로 된 물건이 아닌 폐 배터리를 열악한 상황에서 어설프게 재활용해 쓰기 위해서 증류수가 아닌 수돗물을 부어넣는 짓을 하기도 한다. 'ZERO에서 시작하는 도시형 수렵채집생활'이라는 일본 노숙자의 노숙 기술을 다룬 책에서 이러한 것이 나오는데, 전기공작 기술이 있던 한 노숙자가 자기가 만든 방수천을 씌운 간이집에 아키하바라에서 사온 1만엔짜리 A4 사이즈의 12볼트짜리 태양 전지를 달고 카센터에서 폐기된 배터리를 얻어다 수돗물을 부어서 거기에 전기를 충전해 전구를 켜거나 간단한 가전제품을 켜는데 쓰는 이야기가 나온다. 수돗물을 부은 정도로도 충분히 움직인다고.

그런데 요즘 자동차용 납 축전지는 MF(Maintenance Free) 방식이라 해서 밀폐형 구조와 함께 전해액 증발을 억제하기 위해 전극에 칼슘을 첨가해 납 축전지의 수명 종료 시까지 증류수를 보충해 줄 필요가 없게 만들었다. MF 방식이라고 해서 전해액이 줄어들지 않는 게 아니다. 보통 납 축전지의 수명이 2~3년 남짓인데, 그 안에 전해액 보충을 안 해 줘도 성능이 현저하게 저하되지 않는다는 뜻이며, 수명이 다 되면 전해액을 채워도 용량이 회복되지 않기 때문에 그냥 버려야 한다. MF 방식도 오래 쓰고 싶으면 보충 플러그를 열어서 증류수를 보충하면서 쓰면 그나마 4년까지도 쓸 수 있다.

납 축전지의 수명은 보통 2~3년, 딥사이클 축전지의 경우 4~5년 수준이다. 수명이 다하는 이유는 극판에 황산납 피막이 형성되는데 이것들이 이온 교환을 방해하기 때문이다. 평소에 충전을 자주해 전류를 일정 수준 이하로 떨어지지 않게 유지하면 오래 쓸 수 있으나, 반대로 너무 오래 방전을 해서 한 번이라도 충전 한계 전압 이하로 떨어지게 되면(완전 방전 혹은 심방전이라 함) 그 땐 극판에 황산납 피막이 두껍게 형성된 상태라서 재충전이 거의 안 되며 대부분 버리는 수밖에 없다. 딥사이클 배터리는 예외.[9] 재생 배터리들은 케이스를 분리해 극판의 황산납 박리 후 케이스를 다시 닫고 전해액을 새로 부은 것들이다.

일부 납 축전지 전용 충전기들은 '재생 충전 기능(Reconditioning)'이 있는데, 전류를 그냥 일정하게 흘려넣는 게 아니라 고주파 펄스 형태로 넣어 극판에서 진동이 발생하게 해 황산납이 조금이나마 떨어져 나가도록 유도한다. 충전기와는 별개로 배터리에서 전력을 받은 뒤 인덕터와 커패시터로 승압해 펄스 형태로 되돌려보내는 황산염 제거기도 있다.[10] 그렇지만 이미 완전 방전이 나서 심하게 망가진 배터리는 이걸 쓴다고 해서 살아나기는 매우 어렵다. 그냥 오래 써서 성능이 좀 시원찮은 배터리의 수명 연장용이라고 생각하면 된다.

태양광 발전, UPS 등 고정된 장소에서 사용되는 납 축전지에 저전력으로 충방전을 반복할 시 황산은 아래로, 물은 위로 층을 이루는 층화 현상이 발생해 용량이 저하될 수 있으며, 배터리를 약간 과충전시키거나[11] 직접 흔드는 방법으로 해소시킬 수 있다. 차량용 배터리의 경우 차량 운행 시의 진동으로 인해 황산 용액이 뒤섞이므로 이러한 현상이 일어나기 어려운 편이다.

최근에는 ISG(Idle Stop & Go) 기능을 적용하기 위해 충방전 속도 개선과 저온 시동성 개선[12]을 위해 전해액과 극판의 접촉률을 높이고자 유리 섬유 재질의 솜을 극판 사이에 끼워 전해액에 침지시킨 AGM 배터리의 장착이 늘고 있다. 이 유리 섬유 덕분에 배터리를 기울이거나 차량이 급가속 급제동을 해도 전해액이 새지 않을 뿐만 아니라 수준이 일정하게 유지되고 성능 변화가 적은 게 또 다른 장점인데, 가격이 일반 납 축전지 보다 비싼 게 단점이다.[13] 또한 AGM 배터리의 경우 주기적으로 정제수나 증류수 등을 보충한다면 노화로 인한 성능 저하를 늦출 수 있다. AGM 배터리는 DIN형 단자로 일반 배터리와 모양이 달라서 서로 다른 형식의 배터리는 장착이 불가능하다. 즉 순정 상태에서 AGM 배터리가 달려있다면 계속 AGM 배터리만 사용해야 한다. 따라서 자가 수리를 생각하고 있다면 먼저 원래 차량에 장착된 배터리 모델명을 찾아본다든지 해 어떤 배터리를 사용해야 하는지 파악하는 것이 좋다. ISG 기능이 없는 차량이라도 최근엔 차량 내외부에 전자기기가 느는 추세라 AGM 배터리를 보통 채용하기에 주의해야 한다.

한국에서 납 축전지를 제조하는 회사(브랜드)는 크게 5개사로, 세방전지(로케트[14]), 존슨컨트롤즈(델코[15]), 한국타이어(아트라스BX), 현대성우쏠라이트[16](쏠라이트), DN 오토모티브[17](엑스프로[18])가 있으며 OE와 애프터마켓 모두 이들이 골고루 나눠 점유하고 있다. 해외에서는 독일 차량에 순정으로 들어가는 바르타(Varta), 보쉬,[19] 이태리제 피암(Fiamm) 등의 제조사가 있으며, 오토바이 쪽에서는 일본의 유아사(Yuasa)가 유명하다. 단, 보쉬의 한국 차량용 납 축전지는 모두 세방전지(로케트)에서 공급하는 OEM 제품이다.

과거 아이와의 카세트테이프 워크맨의 전용 전지로도 2V의 납 축전지가 사용됐었다. 또한 충전식 전기파리채에서도 4V의 납 축전지가 사용된 적이 있다.

자동차나 산업기계(지게차 등)에 쓰이는 납배터리는 보통 '40L', '100R' 같은 식으로 모델명이 나가는 경우가 많은데, 앞의 숫자는 배터리의 전류량을, 뒤의 L/R은 + 단자가 정면을 기준으로 했을 때 왼쪽에 있는지(L) 오른쪽에 있는지(R)를 말한다. 다만 배터리 용량의 경우 일반적인 기준과는 조금 다른데, 보통 20시간율이라 해 20시간 동안 방전했을 때 한계 전압까지 떨어지는 상황에서의 용량을 적는다. 전력 소비량이 많아 이보다 빠르게 방전되는 경우 실제적인 용량도 줄어드는 결과가 나타나기에 전력 소비량이 많은 경우 더욱 배터리 용량을 넉넉하게 잡아야 생각한 만큼 전기를 쓸 수 있다.

여러가지 이유로 배터리가 방전되어 시동이 안 걸릴 때는 충전을 하거나 점프스타터라는 기기로 시동을 걸어야 한다.

비교적 최근(2020년대 초반)에 상용화된 방식으로 그래핀을 적용시킨 납 축전지도 존재한다. 기존 납 축전지보다 성능이 향상됨은 물론 황산염 발생도 억제되어 수명도 더 길다. 그러나 상용화된 지 얼마 되지 않아 해외에서만 약간씩 판매되고 있으며, 한국에는 판매되는 제품이 아직 없다. 리튬 이온 배터리의 가격 상승으로 인해 중국의 전기 이륜차 제조 기업에서는 일부 제품에 이 배터리를 채택했다.

납 축전지도 잘못 다룰시 화재, 폭발, 황산 누출 등 위험성이 있지만, 의외로 KC 인증 대상이 아니다.

3. 니켈 충전기

28Ni   니켈 Nickel*
분류	전이 원소	상태	고체
원자량	58.6934	밀도	8.908 g/cm3
녹는점	1455 °C	끓는점	2730 °C
용융열	17.48 kJ/mol	증발열	379 kJ/mol
원자가	2	이온화에너지	737.1, 1753.0, 3395 kJ/mol
전기음성도	1.91	전자친화도	112 kJ/mol
발견	A. F. Cronstedt (1751)
CAS 등록번호	7440-02-0
이전 원소	코발트(Co)	다음 원소	구리(Cu)

• 니켈구를 달궈서 여기저기에 넣어보는 RHNB 이라는 유튜버가 있다.

• 2016년 6월 코웨이는 일부 자사 정수기의 얼음 냉각 부품에서 니켈이 떨어져 나온다는 사실을 발표하였다. 코웨이는 해당 농도로 하루에 1리터씩 1년을 먹어도 무해하다고 주장하지만, 소비자들은 "본인들이 매일 니켈을 먹어보라"며 황당해하는 상황이다.

• JTBC의 이규연의 스포트라이트 보도에 따르면 코웨이의 위와 같은 주장은 1995년 기준을 잘못 적용한 것이며 강화된 2012년 국제기준과는 상반되는 입장이라고 한다.

• 베릴륨, 니켈, 세륨의 원소 기호를 이어 적어서 Be Ni Ce, 즉 Be Nice를 만드는 유머가 있다.

• 한국에서는 강원특별자치도 고성군의 남강 일대에 니켈이 산재해 있는 것으로 알려져있다. 일제가 항공기 동체용 합금강 생산을 위해 전국을 뒤지던 중 찾아낸 것이다. 그리하여 현재 통일전망대 인근을 중심으로 국도를 개설하여 고성 남강 일대에서 채굴한 니켈을 흥남제철소로 수송하고 여기에 더해서 철도 부설까지 계획하고 측량까지 마쳤으나 패망하고 말았다. 현재는 분단으로 인해 사실상 채굴은 불가능하고 통일 이후를 기약해야 되는 상황이다.

• 주기율표에는 원자량 순서와 원자 번호 순서가 일치하지 않는 원소쌍이 단 세 개뿐인데, 코발트와 니켈이 이 중 하나이다. 나머지 두 쌍은 아르곤과 칼륨, 아이오딘과 텔루륨이다.

4. 리툼 전지

리튬을 주 소재로 해 만들어진 전지로, 평균전압 3.6~3.8V, 완충전압 4.0~4.35V 이며[22] 스마트폰을 비롯한 휴대기기, 전기자동차 등에 쓰이며 현재 가장 쉽게 접할 수 있는 전지이다. 기존의 NiCd(니켈카드뮴)나 NiMH(니켈 수소) 전지보다 전압과 용량이 커서, "에너지 고밀도" 전지가 필요한 현대 휴대기기에서 적극적으로 사용되고 있다.

공용 규격으로는 CR123의 충전판인 RCR123이나 18650, 21700 등이 있다.[23] 형태(원통형, 각형, 파우치형)에 따라 구분하기도 하고, 전해질, 양극재, 음극재의 재료 등에 따라 구분하기도 한다.

참고로 리튬 이온 전지의 리튬 함량은 낮은 편이다. 2000mAh 용량을 가진 18650 리튬 이온 전지에는 단 0.6g의 리튬만이 들어간다. 출처

리튬 이온 전지의 가격은 점차 하락하고 있는 추세이다. 2020년 평균 kWh당 가격은 $137(약 16만 원)였다. 그러나 이는 제조 원가이며, 소비자에게 판매하려면 보호회로 장착, 안전인증 등 추가 비용이 필요하므로 소매 가격은 이보다 훨씬 비싸다. 특히 2022년에는 여러 악재들로 인해 가격이 반등했다.

여하튼, 리튬은 희토류에 준할 정도로 꽤 희귀한 원소이다. 지각에서 리튬이 차지하는 비율은 고작 0.0017%로 구리보다도 적다. 또한 같이 사용되는 니켈과 코발트도 흔치 않다. 때문에 상대적으로 희귀한 리튬 대신 바닷속에 널려있어 무지막지하게 풍부한 나트륨을 사용하는 나트륨 이온 전지가 상용화되었다. 그러나 이론상 갖출 수 있는 질량 당의 에너지 밀도가 리튬의 절반 정도밖에 되지 않기에 연구개발 및 사용이 활발하지 않다. 그래도 과거부터 이차 전지에서 쓰여왔던 납이나 니켈보다는 가벼우므로 중간 정도의 에너지 밀도를 요구하는 분야(ESS 등)에서 사용될 것으로 예상된다.

참고로 과방전이 되면 내부적으로 비가역적인 손상이 일어나 용량이 크게 감소하게 된다. 리튬 이온 전지에서 과방전 보호를 하는 이유!!(네이버 블로그). 방전 종지 전압 미만으로 방전시키면 음극 집전체로 사용되는 구리박이 녹아서 손상되므로 과방전을 방지할 보호 회로와 함께 사용해야 한다. 구리박의 용해로 합선이 일어날 가능성도 있으므로 과방전된 리튬 이온 전지는 안전상 재충전하지 말고 폐기하는 것이 권장된다. [24] 한편 40%~50% 이하인 채로 방치할 때 열화 정도가 커지며 제조 후 오랜 기간 사용하지 않아도 열화가 일어나서 전체적인 용량이 줄어든다.

5. 나트륨 전지

주기율표에서 리튬 바로 아래에 있는 나트륨을 원재료로 사용하는 이차 전지이다. 연구개발은 1970~1980년대부터 시작되었으나, 먼저 상용화된 리튬 이온 전지가 너무 성공적이었기 때문에 한동안 잊혀지게 되었다. 그러나 리튬 자원의 부족 문제로 인해 2010년대부터 연구개발이 재개되었으며, 2023년부터 여러 기업들이 대량 생산을 시작해 상용화되었다. 또한 리튬 이온 전지와 작동 원리와 구조가 유사하므로 기존 리튬 이온 전지 생산 설비를 이용해 그대로 생산이 가능하다는 장점도 있다.

리튬 이온 전지에 전이금속 산화물(NMC 등), 리튬 인산철, 리튬 티타늄 산화물 등 양극재/음극재에 따른 여러 세부 종류가 있는것처럼 나트륨 이온 전지에도 여러 세부 종류가 존재한다. 그중 상용화가 진행된 유형은 양극에 층형 전이금속(철, 망간 등) 산화물을 사용한 유형, 폴리음이온을 사용한 유형, 프러시안 블루 계열의 물질을 사용한 유형이다. 상용화가 되지 않은 유형으로는 나트륨-황 전지[39], 바닷물에 녹아있는 나트륨 이온을 사용하는 해수 전지[40] 등이 있다.

리튬 이온 전지와 비교시 나트륨 이온 전지의 장점으로는 전 세계 어디서든 손쉽고 값싸게 얻을 수 있는 나트륨을 사용해[41] 저렴한 가격, 낮은 탄소발자국, 빠른 충전속도, 우수한 저온 성능 등이 있으며, 단점으로는 낮은 에너지 밀도, 인산철 배터리보다 짧은 수명[42] 등이 있다. 납 축전지와 비교시에는 에너지 밀도, 수명, 충방전 속도, 가격, 친환경성 등 여러 면에서 유리하여 상위호환이다.

나트륨 이온 전지에 필요한 나트륨은 염화나트륨(NaCl)이 아닌 탄산나트륨(Na2CO3)이므로 이의 대량 수급에 관한 문제가 존재한다. 대부분 미국에서 생산되는 자원이기 때문이다. 다만 염화나트륨을 탄산나트륨으로 변환시킬 수 있으므로 나트륨 이온 전지가 대중화되는 과정에서 생산 시설도 늘어날 것으로 전망된다.

나트륨 이온은 흑연과 층간결합하지 못하므로 숯과 유사한 물질인 경질 탄소(Hard Carbon)가 음극 소재로 대신 이용된다. 이 또한 친환경적인데, 광물인 흑연을 채굴하며 환경을 파괴하는 대신 농업 폐기물을 비롯한 바이오매스, 음식물 쓰레기, 플라스틱 폐기물 등 쓰레기를 재활용해 얻을 수 있기 때문이다. 2022년에는 러시아 연구팀에서 큰멧돼지풀을 원료로 나트륨 이온 전지용 경질 탄소를 만들어내었다. 쓸모 없고 유해한 잡초를 원료로 했다는 점에서 의미가 있다.# 다른 음극재로는 그래핀을 쓰려는 시도도 있다.

2023년 하반기 현재 나트륨 이온 전지는 상용화 초기 단계에 있으며, 대부분 기업간 거래만 이루어지고 있다. 동년 7월 경부터는 해외의 일부 온라인 쇼핑몰에 소비자 판매 제품이 등장했다. 가격은 18650 배터리(1300~1500mAh 용량) 기준 $1.5~$2(약 1800~2500원) 정도로 동일 용량 리튬 이온 전지보다 오히려 비싸다. 아직 규모의 경제가 이루어지지 않았기 때문이다. 전용 BMS와 충전기가 필요하나 아직 찾아보기 어려운 상황이다. 또한 국내에서는 전혀 판매되지 않으므로 해외 직구로만 구매할 수 있다. 다수의 국가에서 나트륨 이온 전지의 법적 지위가 아직 모호한 상태이며, 안전인증[43]을 비롯해 여러 절차를 밟아야 하는 점을 감안하면 실생활에서 흔히 접할 때까지는 시간이 걸릴 전망이다.

나트륨이 리튬보다 무겁다고 해도 중금속인 납이나 니켈을 사용하는 기존의 축전지보다는 여전히 가벼우며, 납축전지와 비교시 무게당 에너지 밀도도 약 3~5배[44] 정도이므로 무게와 부피에 덜 구애받는 용도에 적합할 것이다. 출력 전압은 사용 물질에 따라 다르지만 3.0~3.2V 정도로, 리튬인산철 배터리와 유사하다. 상용화 초기에는 kwh당 비용이 $77(약 9만 2천원), 이후 규모의 경제가 실현되면 $40(약 4만 8000원) 정도로 내려갈 것으로 예상되는데, 출처 납 축전지보다도 저렴한 수준이다. 나트륨 자체는 리튬은 물론 납보다도 흔하고, 그 외의 재료로도 값비싼 코발트나 희토류가 사용되지 않으며, 니켈도 사용하지 않는 경우가 흔하다. 대신 철과 망간이 주로 사용되는데, 각각 지구 지각에서 4번째, 12번째로 흔한 원소이다. 나트륨은 알루미늄과 반응하지 않기 때문에 음극 집전체로 사용되는 구리박 또한 저렴한 알루미늄박으로 대체할 수 있다. 특히 2022년에는 원자잿값 폭등 사태로 인해 나트륨 이온 전지에 더 유리한 상황이 조성된 상황이다.

상용화 직후인 2023년 현재는 상용 제품에 거의 쓰이지 않으나, 이후 대중화되면 에너지 밀도가 중요하지 않은 전자기기, 단거리용 전기차 및 이륜차, 전동 휠체어, 가정/상업용 에너지 저장장치 등의 용도로 널리 사용될 것으로 예상된다. 리튬 이온 전지와는 대체재가 아닌 보완재 관계이므로 리튬 이온 전지 산업계에는 큰 위협이 되지 않을 것으로 보인다. 그러나 납축전지와 비교시 상위호환이므로 납축전지 산업계에는 위협적일 것으로 예상된다. 심지어 자동차 시동용 배터리로도 이용될 가능성이 있다. 기존 리튬 이온 전지와 동일한 규격(원통형, 각형, 파우치형 등)으로 출시되고 있다. 2023년에 등장한 나트륨 이온 전지 전기자동차 시제품은 약 250km의 주행거리를 가진다.#

소형 전자기기부터 대규모 전력 저장시설까지 모든 배터리를 리튬 이온 전지만으로 충당하려면 리튬 수요가 굉장히 늘어나므로 이들 중 에너지 밀도가 중요하지 않은 용도에만 나트륨 이온 전지를 사용한다고 해도 리튬 수요를 줄이고 배터리 시장의 파이를 늘려 전반적인 가격 하락을 유도할 수 있을 것으로 예상된다. 특히 전력 저장시설은 일반 전자기기나 전기자동차보다 훨씬 많은 배터리를 필요로 한다.[45] 블룸버그 NEF에 따르면 나트륨 이온 전지가 상용화될 경우 2035년에는 연간 27만 2000톤의 리튬을 절감할 수 있을 것으로 보인다.#

나트륨 이온 전지는 커패시터처럼 방전 종지 전압이 없으며[46], 0V로 완전히 방전돼도 손상되지 않는다는 특징을 가진다. 음극 집전체인 알루미늄이 저전압 상황에서도 용해되지 않기 때문이며, 이로 인해 완전 방전 상태에서 단락(쇼트)시킨 상태로 화재 위험 없이 선박 또는 항공 운송이 가능하다는 장점이 있다. 반면 대다수의 이차 전지는 완전 방전하면 손상을 입는다. 또한 저온 성능도 우수하다. -20℃에서도 90%의 용량을 유지하며, -40℃까지 견딜 수 있다. 따라서 리튬 이온 전지의 성능이 저하되는 추운 지역에서도 활용이 가능하다. 다만 반대 극성으로 역충전되거나[47] 4V 이상의 과전압으로 충전되면 수명이 단축될 수 있다.

충방전 제어 기능을 가진 BMS를 통해 리튬 이온 전지와 혼용해 사용하는 것도 가능하므로 이 방법으로 부족한 에너지 밀도를 보완할 수 있다고 한다. 또한 리튬 이온 전지 사이사이에 화재에 안전한 나트륨 이온 전지를 끼워넣으면 방화벽 역할을 해 리튬 이온 전지가 발화할 경우 화재 속도를 늦출 수 있다.

나트륨의 반응성이 리튬보다 강하기에 나트륨 이온 전지는 리튬 이온 전지보다 폭발이나 화재 위험이 클 것으로 예상하기도 하지만, 실제로는 그렇지 않으며 오히려 리튬 이온 전지보다 안전할 것이라고 한다. 심지어 배터리를 절단하거나 압착하거나 못 또는 총알로 관통시켜도 나트륨 이온 배터리는 터지지 않는다.관련 영상 참고로 나트륨 이온 전지에는 화재 및 폭발 위험이 있는 금속 나트륨이나 고인화성 전해액이 들어가지 않는다.

2023년 현재 상용화가 시작된 배터리이지만, 그에 비해 제도적 준비나 인식은 미비한 상황이다. 표준 안전 기준이나[48] 항공 운송 규정[49]조차 없다. 다만 국내외 산업계에서 상용화를 대비하려는 움직임이 일부 있는 상황이다.

나트륨 이온 전지의 주요 제조 기업들은 CATL, BYD, HiNa 배터리 등 대부분 중국 기업이며, Faradion[50]이라는 영국 기업도 있다. 반면 삼성 SDI, LG 화학, SK ON 등 주요 회사를 포함해 국내 배터리 제조사들은 아직 보수적인 반응을 보이는 상황이며, 근미래에는 제조 가능성이 없는 상황이다. 다만 국내에도 나트륨 이온 전지를 생산할 계획을 가진 기업이 없지는 않으며, 국내 산업계의 보수적인 시선과는 별개로 정부 차원의 연구개발은 지속적으로 진행되고 있다. 2019년에는 국내 연구진이 나트륨전지 원천 기술을 개발했다고 한다. 관련 기사

리튬 이온 전지에 질량에 비해 소량인 리튬이 사용되는 것과 마찬가지로 나트륨 이온 전지에 들어가는 나트륨의 양은 적은 편이다. 18650 배터리 기준으로 약 2g 정도의 나트륨이 필요한데, 이는 대략 1일 섭취 권장량 또는 라면 1~2그릇 분량과 비슷한 양의 나트륨이다.

나트륨보다 훨씬 무거운 루비듐과 세슘은 그 자체로는 배터리에 쓰이기 어렵지만, 나트륨 이온 전지의 성능을 향상시키기 위한 첨가물로 이용할 수 있다고 한다.# 마찬가지로 리튬 또한 성능 향상을 위한 첨가물로 쓰일 수 있으나, 나트륨 이온 전지를 개발하는 주요 목적중 하나가 희귀한 리튬을 쓰지 않는 것이기에 연구가 활발하지는 않다.