미국 내 나트륨 이온 (sodium-ion) 배터리 개발의 차질에도 불구하고, 스타트업 Peak Energy는 이 기술을 그리드 (grid) 에너지 저장용으로 사용하는 야심 찬 응용 분야를 마침내 달성할 수 있는 기업이 될 수 있다고 말합니다.

지난해 미국의 스타트업인 Natron Energy와 Bedrock Materials가 나트륨 이온 배터리 운영을 중단했을 때, 이들은 실패한 서구권 배터리 기업 10여 곳이 포함된 불명예스러운 명단에 이름을 올렸습니다.

중국에 본사를 둔 세계 최대 배터리 기업인 CATL은 지난 4월, 그리드 저장 장치 제공업체인 HyperStrong에 60 기가와트시 (GWh) 규모의 나트륨 이온 셀을 공급하겠다고 발표하며 폭탄 선언을 했습니다. 역사상 최대 규모의 나트륨 이온 배터리 주문은, 지난 몇 년간 리튬인산철 (LFP)의 사례와 마찬가지로 중국이 또 다른 유망한 화학 기술을 지배하는 길로 가고 있음을 시사했습니다.

콜로라도에 본사를 둔 Peak Energy는 Natron과 같은 기업들이 실패한 곳에서 성공할 수 있다고 주장합니다. 회사 경영진은 자사의 나트륨 이온 기술이 현재 그리드 저장을 지배하고 있는 저가형 리튬인산철 (LFP) 배터리와 직접 경쟁할 수 있다고 말합니다. 자금이 고갈되고 투자자들의 인내심을 잃었던 Natron과 달리, Peak Energy는 든든한 지원군인 General Motors (GM)를 확보하고 있습니다. Tesla 및 다른 자동차 제조사들과 마찬가지로, GM은 전기차 (EV) 수요 감소의 여파 속에서 거대한 배터리 공장들을 계속 가동하기 위해 그리드 저장 장치 분야로 공격적으로 이동하고 있습니다.

Peak Energy는 궁극적으로 그리드 규모에서 나트륨 이온 배터리를 배치하기 위해 이 자동차 제조사와 파트너십을 형성했습니다. 지난 7월, 이 회사는 새크라멘토 근처에 7,100만 달러 규모의 17,000제곱미터 공장을 건설할 것이라고 발표했으며, 이 공장은 400만 가구에 전력을 공급할 수 있는 충분한 양인 연간 4 GWh의 나트륨 이온 배터리를 생산할 수 있는 능력을 갖추게 됩니다.

나트륨 이온 vs 리튬인산철 배터리

다른 나트륨 기반 설계와 마찬가지로, Peak Energy의 셀은 아직 LFP 배터리의 에너지 밀도 (energy density)를 따라잡을 수 없습니다. Peak Energy와 Peak와 협력하여 배터리를 공동 개발 및 제조하는 GM의 경영진은 현재 셀 단위의 가격 면에서 기존 LFP와 경쟁할 수 없음을 솔직하게 인정하고 있습니다.

하지만 Peak Energy는 자사의 수동 냉각 (passively cooled) 저장 시스템이 수명 주기 동안 운영자에게 LFP 저장 장치보다 20% 더 저렴한 비용을 제공할 것이라고 말합니다. Peak Energy의 공동 창립자이자 최고 상업 책임자(CCO)인 Cameron Dales는 자사의 GS1.1 시스템이 약 20,000 사이클(cycles) 동안 20년 동안 에너지를 저장할 수 있으며, 여전히 80%의 용량을 유지할 것이라고 설명합니다. LFP의 경우, 기본적인 내구성 벤치마크에 따르면 8,000 사이클 이후 용량이 70%로 떨어집니다.

AI 데이터 센터를 지원하고 과잉 태양광 및 풍력 에너지를 저장하기 위한 에너지 저장 시장의 호황은 Peak Energy에 유리하게 작용하고 있습니다. 변동성이 큰 리튬 가격으로 인해 주요 기업들은 안정적인 대안을 찾고 있습니다.

Dales는 기존의 LFP 배터리가 초기에는 셀 비용과 에너지 밀도가 주행 거리 및 가격 경쟁력에 결정적인 전기차(EV)용으로 설계되었다고 말합니다. 하지만 유틸리티 기업과 저장 장치 운영자들은 완전히 다른 지표에 집중하고 있습니다. 이들은 수익을 극대화하고 막대한 자본 투자를 정당화하기 위해, 가장 낮은 전체 비용으로 가장 오래 지속되는 배터리를 원합니다.

Dales는 자사의 기술적 강점이 상온 근처에서 최적의 성능을 발휘하는 LFP의 일반적인 작동 온도보다 약 두 배 높은 온도에서도 안전하게 작동할 수 있는 안정적인 셀에 있다고 말합니다.

“LFP 셀은 대략 25 °C 내외로 유지해야 하며, 그렇지 않으면 빠르게 성능이 저하됩니다.”라고 Dales는 말합니다.

Peak Energy 셀의 관대한 온도 허용 범위 덕분에, 값비싸고 문제가 발생하기 쉬운 액체 냉각 루프(fluid cooling loops)나 팬 또는 펌프와 같은 가동 부품이 없는 수동 냉각 시스템을 사용할 수 있습니다. 이는 운영자들이 저렴한 토지가 풍부하고 태양 에너지 잠재력이 높으며 자연재해 위험이 낮은 황무지 지역에서 데이터 센터나 그리드 지원을 구축할 때, 해당 모듈형 시스템이 매우 적합하게 만듭니다.

“시스템을 제대로 작동시키기 위해 사막에서 20년 동안 냉장고를 돌릴 필요가 없습니다.”라고 Dales는 말합니다.

GS1.1 시스템은 가느다란 각형 셀 (prismatic cells)을 킹사이즈 매트리스 크기 정도의 모듈로 쌓아 올립니다. 36개 모듈로 구성된 시스템은 3.1 메가와트시 (MWh)를 저장합니다. 대규모 프로젝트에서는 수십 또는 수백 개의 유닛을 결합하여 소도시 하나에 전력을 공급할 수 있을 만큼 충분한 에너지를 생성할 수 있습니다.

지지자들은 나트륨 (sodium)이 지구상에서 여섯 번째로 풍부한 원소이며, 리튬 (lithium)보다 약 1,000배 더 풍부하다는 점에 주목합니다. 또한 환경적 또는 인권 문제로 점철된 멀리 떨어진 지역에서 조달해야 하는 리튬과 달리, 세계에서 가장 크고 순수한 트로나 (trona) 매장지는 와이오밍주의 그린 리버 분지 (Green River Basin)에서 발견됩니다. 탄산나트륨 (sodium carbonate), 탄산수소나트륨 (sodium bicarbonate), 그리고 물로 구성된 트로나는 배터리 등급 리튬 탄산염 (lithium carbonate) 염의 기초가 되는 소다회 (soda ash)의 90%를 미국에 공급합니다. 그러나 분석가들은 원자재는 풍부할지라도 그 가공 공정은 중국이 장악하고 있다는 점을 지적합니다.

Benchmark Mineral Intelligence의 배터리 연구 분석가인 Varnika Agarwal은 “공급망 (supply chain)은 간과되는 경향이 있지만, 이는 매우 중대한 문제입니다”라고 말합니다.

Agarwal은 나트륨 이온 (sodium-ion) 기술이 유망하다고 말합니다. 하지만 나트륨 이온이 미국 내에서 실행 가능한 틈새 시장을 개척하려면 많은 것들이 제대로 이루어져야 합니다. Benchmark의 전망에 따르면, 올해 미국에 새로 배치되는 저장 장치 중 나트륨 이온의 비중은 1% 미만일 것이며, 2030년까지는 4% 미만, 전 세계적으로는 5% 미만일 것으로 예상됩니다.

그녀는 현재 Peak Energy가 중국 공급업체와의 계약을 통해 상업용 셀을 구매하고 있다고 언급했습니다. 이들 업체는 원자재가 아무리 저렴하고 풍부하더라도 그 가공 공정과 셀 생산 모두를 장악하고 있습니다. 미국은 기본적으로 이제 막 시작하는 단계이며, Peak Energy의 캘리포니아 공장은 2027년에 가동될 예정입니다.

나트륨 이온 배터리의 NFPP 양극재 (NFPP Cathodes)

Natron은 나트륨 이온을 흡수하고 방출하는 스펀지 역할을 하는 청색 안료의 일종인, 가능성이 낮은 "프러시안 블루 (Prussian Blue)" 전극에 기대를 걸고 있었습니다. 하지만 Peak의 배터리는 나트륨 철 인산염 (NFPP) 양극재에 의존하며, 이는 LFP 배터리의 리튬 인산철과 화학적 및 구조적으로 유사하여 우수한 안전성과 긴 사이클 수명 (cycle life)으로 알려져 있습니다.

NFPP는 빠르게 산업 표준이 되어가고 있습니다. CATL 또한 핵심 화학 조성으로 NFPP를 선택했습니다. 이는 Peak Energy의 셀을 상당 부분 "드롭인 (drop-in)" 방식으로 만들어, GM과 같은 기존 배터리 공장에서 제조할 수 있게 해주며, 이는 시장 생존 가능성에 있어 엄청난 이점입니다.

Tesla의 전직 배터리 전문가이자 세계적으로 인정받는 배터리 전문가인 Kurt Kelty는 현재 GM의 배터리 및 지속가능성 부사장입니다. Kelty는 자신이 과거 Tesla 임원들에 대해 가지고 있는 친숙함과 존중을 포함하여, 여러 가지 이유로 GM이 Peak Energy를 지원하고 있다고 말합니다.

Peak Energy의 경영진 [왼쪽부터] Landon Mossburg, Kurt Kelty, Cameron Dales가 회사의 각형 셀 배터리 중 하나를 선보이고 있습니다. Lucas Breuer/Peak Energy

GM은 디트로이트 교외에 위치한 Wallace 배터리 셀 혁신 센터에서 170 및 190 암페어시 (Ah) 형식의 Peak Energy 셀을 테스트해 왔으며, 이곳은 GM이 자체적인 리튬-망간 풍부 (lithium-manganese-rich) 배터리 화학 기술을 개발하고 있는 동일한 연구실입니다. Kelty는 전 세계 다양한 생산사의 경쟁 셀들의 배터리 수명이 고온 테스트 중에 "절벽 아래로 떨어지는 수준 (falls off a cliff)"이라고 말합니다. 하지만 Peak Energy의 배터리는 최대 55 °C의 극한 테스트를 견뎌내고 있으며, 수명에 미치는 영향도 현저히 적습니다.

"이 셀은 모든 것을 압도하고 있습니다 (kicking butt over everything)."라고 Kelty는 말합니다. "우리는 냉각 시스템 없이도 20년의 수명을 확보할 수 있으며, 그것이 핵심입니다."

이 배터리들은 96%의 왕복 효율 (round-trip efficiency)을 보여주고 있는데, 이는 LFP보다 2~3% 정도 유의미하게 높은 수치입니다. ("왕복 (Round trip)"은 배터리를 충전하는 데 사용된 에너지 양 대비 배터리가 방전하는 에너지 양을 의미합니다.)

능동 냉각 (Active cooling)을 제거함으로써, Kelty는 공공 건물에서 사용될 수 있는 거의 무소음에 가까운 시스템을 구현할 수 있다고 덧붙였습니다. 또한, 누출 및 유지보수의 잠재적 문제 지점이 될 수 있는 배관 시스템을 없앴습니다.

"시스템을 냉각하는 데 전력을 사용하지 않기 때문에 기생 전력 손실 (Parasitic power losses) 또한 줄어듭니다."라고 Kelty는 말합니다.

Peak와 GM의 경영진은 중국 양극재 (Cathode) 공급업체들과의 논의를 바탕으로, 나트륨 이온 (Sodium-ion) 셀 자체가 2028년경에는 LFP와 가격 패리티 (Price parity)에 도달할 것이라고 믿고 있습니다. 그들은 나트륨 이온이 이제 막 급격한 비용 절감 구간에 진입하고 있으며, LFP의 비용 절감은 지난 20년에 걸쳐 이미 상당 부분 실현되었다고 말합니다.

Peak Energy의 나트륨 이온 배터리 프로젝트

지난 3월, Peak Energy는 Milwaukee 인근에 또 다른 파일럿 시스템을 구축하기 위해 RWE Americas와 협력할 것이라고 발표했습니다. 이는 15개 중부 주와 캐나다 매니토바 주의 지역 그리드 운영자인 Midcontinent Independent System Operator (MISO)에서 나트륨 이온 백업을 사용하는 최초의 사례가 될 것입니다.

또한 Peak Energy는 2030년까지 독립형 저장 장치 개발업체인 Jupiter Power에 최대 4.75 GWh의 배터리를 공급할 계획입니다. 최대 5억 달러 규모의 이 계약에는 텍사스를 포함한 초기 720 MWh의 저장 장치가 포함되어 있으며, 이는 현재까지 발표된 단일 배터리 배치 중 미국 내 최대 규모입니다.

배터리 화학 조성의 승자와 패자를 Dales에게 묻는다면, 그는 그것이 잘못된 질문이라고 답할 것입니다. 비행기, 기차, 전화기, 드론, 그리고 상상할 수 있는 모든 장치가 존재하는 세상에서, 하나의 "슈퍼 배터리"가 이 모든 것을 지배한다는 것은 말이 되지 않습니다.

"나트륨 이온은 리튬의 또 다른 자매 기술일 뿐입니다."라고 그는 말합니다. "하지만 에너지 밀도 (Energy density)를 높이는 대신 더 낮추는 방향으로 가고 있으며, 그 대가로 더 낮은 비용과 더 나은 안정성 및 안전성을 얻는 것입니다."

이 기사는 Peak의 캘리포니아 시설 가동 시점을 수정하기 위해 2026년 7월 23일에 업데이트되었습니다. 해당 시설은 원래 명시되었던 2028년이 아닌 2027년에 가동될 예정입니다.

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