CATL이 2025년 4월 세계 최초 대량생산 가능한 나트륨이온배터리 ‘낙스트라(Naxtra)’를 공개하며 저가 배터리 시장의 판을 흔들고 있다. 리튬 가격 변동성과 공급망 편중 리스크를 피할 수 있다는 점이 최대 강점이다. 국내에서는 LG에너지솔루션이 가장 먼저 나트륨배터리 개발에 나섰고, 삼성SDI는 연구소 차원 R&D를, SK온은 차세대 후보군에 올려놓은 상태다.
기본 원리
나트륨이온배터리는 리튬이온배터리와 작동 원리는 같지만, 리튬 대신 나트륨 이온이 양극과 음극 사이를 오간다. 나트륨 이온(0.102nm)은 리튬 이온(0.076nm)보다 커서 흑연 층간(0.34nm) 삽입이 어렵고, 그래서 음극에는 층간 구조가 더 넓은 하드카본을 주로 쓴다. 에너지밀도는 140~200Wh/kg 수준으로 리튬이온(NCM 기준 250~300Wh/kg대)에 못 미치지만, 나트륨이 해수·지각에 풍부해 원가와 저온 성능(영하 40도에서도 구동)에서 우위를 갖는다.
특허 관점
KR101546877B1(나트륨 이온 전지의 양극물질, 그 제조방법 및 이를 포함하는 나트륨 이온 전지)은 2013년 출원된 국내 초기 특허 중 하나로, 나트륨이온전지용 양극물질의 조성과 제조방법을 청구범위로 확보하고 있다. 나트륨이온배터리 양극재는 크게 층상산화물계·프러시안블루계·폴리음이온계 세 갈래로 나뉘는데, 국내 초기 특허들이 층상산화물계에 집중된 것은 리튬이온배터리(NCM) 기술을 상당 부분 재활용할 수 있었기 때문으로 풀이된다.
CATL의 Naxtra는 이와 달리 프러시안블루 계열 양극재를 앞세운 것으로 알려져 있다. 프러시안블루 구조는 원료비가 낮고 결정 구조에 나트륨 이온이 드나들 수 있는 큰 공간이 있어 저가·양산 지향에 유리하지만, 결정수(結晶水) 제어가 까다로워 사이클 수명이 떨어지기 쉽다는 문제가 있다. 이 결정수를 제어하는 합성 공정 특허가 최근 중국 기업들을 중심으로 집중적으로 출원되는 추세다.
한계와 전망
나트륨이온배터리는 에너지밀도의 한계로 인해 전기차 주력 배터리보다는 ESS·저가형 소형 전기차·전동공구 시장에서 먼저 자리잡을 가능성이 크다. 특허 지형도 이런 응용처 분화에 맞춰 “리튬이온 기술을 재활용한 층상산화물계”와 “완전히 새로운 저원가 프러시안블루·폴리음이온계”로 갈라지는 양상이 뚜렷해지고 있다. 어느 쪽이 표준으로 자리잡을지는 앞으로 2~3년간 축적되는 사이클 수명 특허 데이터가 가늠자가 될 전망이다.
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