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해수전지
해수전지는 바닷물에 녹아있는 나트륨이온과 물을 이용해 전기에너지를 저장하는 장치다. 바닷물에 소금이 이온 형태로 녹아있는데, 이중 나트륨 이온이 리튬 이온처럼 전지의 양극과 음극을 오가면서 전기에너지를 저장한다. 2014년 울산과학기술원의 김영식 교수팀이 세계 최초로 개발에 성공했다.
일상에서 가장 많이 쓰이는 전지는 리튬이온 배터리다. 리튬이 금속 중 가장 가벼울 뿐만 아니라 에너지 밀도도 높기 때문에 세계 충전지 시장의 주력상품이 된 것이다. 그러나 리튬은 지각의 0.002%에 불과한 희소금속이라 언젠가는 고갈된다. 지구 표면의 70% 이상을 덮고 있는 해수로 전지를 만들면 리튬처럼 고갈될 걱정이 없다. 또 리튬처럼 비싸지도 않아 전지 제조비 자체를 낮출 수 있다.[1]
리튬 VS 나트륨[편집]
나트륨은 리튬과 같은 족으로 리튬과 비슷한 성질을 가지고 있다. 그래서 리튬을 대체할 원소로 나트륨을 사용할 수 있다. 비싸고 매장량이 제한되어 있는 리튬에 비해 나트륨은 바다에서 쉽게 구할 수 있다. 지구 표면적의 약 70%가 바다로 이루어져 있으며 그중 3.5%가 이온으로 이루어져 있다. 3.5%의 이온 중 나트륨 이온은 30.6%가 존재하는데 바다가 지구 표면적의 약 70%라는 것을 생각하면 매우 많은 양이다.
양이 많아 쉽게 얻을 수 있는 대신, 단점도 있다. 나트륨은 리튬보다 원자의 크기가 리튬과 같은 부피 당 에너지를 내기 위해서는 배터리가 무거워져야 한다. 그리고 나트륨 금속의 경우 리튬 금속보다 반응성이 커 리튬보다 위험할 수 있다. 하지만 금속이 아닌 이온이라면 상황은 다르다. 해수 전지는 바닷속의 나트륨 이온을 사용하기 때문에 큰 규모에도 안정하다.
구조 및 원리[편집]
리튬이온 배터리와 해수전지의 경우 2차전지에 해당한다. 하지만 바닷물에서 나트륨 이온이 계속해서 공급되기 때문에 연료전지와도 비슷하다고 할 수 있다. 해수전지의 구조는 리튬공기전지(리튬 에어 배터리)와 비슷하다. 리튬이온 배터리는 양 극이 막혀있는 형태인데 반해(Closed system), 리튬공기전지는 양극이 열려 있어(Open system) 공기와 닿아 있는 형태를 하고 있다. 해수전지도 이와 비슷하다. 양극(cathode)에는 공기 대신 바닷물이 음극(anode)에는 리튬 금속 대신 나트륨 금속 또는 탄소 전극이 자리를 차지하고 있다.
해수 전지는 음극(Anode), 전해질, 분리막, 집전체로 이루어져 있다.
충전 : 4NaCl + 2H₂O → 4Na⁺ + O₂ + 4HCl + 4e⁻
- 4NaCl → 4Na⁺ + 2Cl₂ + 4e⁻
방전 : 4Na⁺ + 2H₂O + O₂ + 4e⁻ → 4NaOH
충전은 에너지를 저장하는 과정, 방전은 에너지를 사용하는 과정이라고 볼 수 있다. 충전 시에는 두 가지 반응이 일어난다. 두 반응 모두 전자를 발생시키는 반응인데 한 반응은 염소(Cl₂)기체가, 한 반응은 산소(O₂) 기체가 발생한다. 두 반응 중 산소가 발생하는 반응이 주된 반응이며, 그 이유는 연구 중이라고 한다. 충전 시에 발생된 전자는 회로를 따라 음극으로 이동하여 전기를 충전시키고, 나트륨 이온(Na⁺)는 전해질을 통해 음극으로 이동해 음극에 저장된다. 방전 시에는 음극에서 산화 반응이 일어나고 산화 반응을 통해 발생된 전자는 회로를 따라 양극으로 이동한다. 전자가 이동하면서 저장된 에너지를 사용할 수 있다.[2]
장점[편집]
- 저렴한 비용
- 친환경적임
- 화재 위험이 적음
- 무한한 해수를 에너지 소재로 사용
단점[편집]
- 부피가 큼
- 세라믹 전해질을 사용하여 출력을 높이는데 한계가 있음
과제[편집]
해수전지는 해수 속의 나트륨이온을 이용하는데, 이는 나트륨이온이 리튬이온과 유사한 성질을 지니고 있기때문이다. 해수전지가 전기 에너지를 만들기 위해서는 바닷물에서 나트륨이온을 추출하여 이를 음극으로 저장하고 다시 해수를 양극 삼아 나트륨이온과 반응하는 과정을 반복한다. 해수가 풍부한 해상이나 해저에서 대형 선박, 잠수함의 전원으로 사용하면 해수를 계속 공급할 수 있기 때문에 유용하게 쓰일 수 있다. 해안에서는 원자력 발전소의 비상 전원 장치로 활용할 수 있다.
하지만 현재 개발된 해수전지는 전기의 출력이 낮아 출력을 높이는 것이 과제로 남아 있다. 이를 해결하기 위해 동서발전과 울산과학기술원, 한국전력공사는 2017년부터 3년간 50억 원을 투자하여 친환경적이며 저렴한 고안정성 '해수전지 상용화 프로젝트'를 시작했다. 이 프로젝트를 통해 일반 스마트폰 전지 용량인 10~20Wh급 해수전지 셀을 개발할 예정이다. 이를 연결하게 되면 1kWh급까지 출력을 높일 수 있어 사용화가 가능한 수준의 해수전지팩을 제조할 수 있다고 3개 기관은 전했다.
해수전지 상용화 프로젝트는 해수전지 소재 기술 개발, 셀 기술 개발, 플랫폼 제작, 해수전지 실증 등 4단계로 진행된다. 1단계 소재 기술 개발 단계에서는 양극 전극소재, 세라믹 전해질, 음극소재와 같은 해수전지의 구성 재료를 확보한다. 2단계 셀 기술 개발 단계에서는 셀을 최적화․표준화․규격화하는 것이다. 셀이 최적화 되어야만 고출력 전지를 제조할 수 있기 때문이다. 3단계에서는 최적화된 셀을 대량생산 가능한 플랫폼을 제작한다. 이렇게 생산된 다량의 셀을 연결해서 해수전지팩을 제작하고 에너지시스템으로 연계한다. 실물전지와 ESS개발의 최종단계라고도 할 수 있다. 이 단계에서는 동서발전의 주도하에 파일럿 시스템과 시스템 운용 기술을 개발한다. 마지막 4단계에서는 산업 현장과 비슷한 테스트 인프라를 구축한 뒤 해수전지시스템의 적용과 운용을 점검한다. 이 과정에서 상용화 이후 확산시킬 수 있도록 현장 적용 표준화, 해수전지 운영 시스템 개발도 완료되어야 한다.[3]
미래[편집]
미세먼지가 증가하고, 지구온난화가 심각해짐에 따라 환경오염으로 인해 세계적 규제가 점차 엄격해지며 환경오염을 유발하지 않는 청정에너지의 개발이 계속해서 이루어지고 있다. 하지만 대표적인 신재생 에너지들은 환경에 영향을 많이 받아 전기 생산량의 편차가 심해 안정적인 전기에너지 공급이 힘들다. 그렇기에 ESS의 필요성이 점차 증가해왔고, 현재와 미래에는 해수전지가 대한민국 ESS의 역사에 획을 그을 것이라고 생각한다.
2018년에는 해수전지의 상용화가 부분적으로 이루어졌다. 4인 가족의 하루 평균 사용 전력량과 맞먹는 10 kWh 급 해수전지 에너지 저장 시스템 설비를 진행한 것이다. 2020년에는 해수전지를 이용한 식수·전기가 부족한 제3세계 아이들을 위한 제품 '아쿠아시스'가 등장했다. 이렇듯 해수전지의 시대는 점차 우리에게 다가오고 있다.
해수전지의 미래가 기대되는 이유는 지구에서 가장 풍부한 해수를 원료로 사용하기 때문이다. 해수를 이용하기 때문에 제조 단가가 낮고 제조 과정이나 전지를 사용하는 과정에서 유해 물질을 배출하지 않아 친환경적이다. 해수를 이용하는 만큼 열 제어가 쉬워 과열의 위험도 없다. 나아가 해수전지는 바닷물 속의 나트륨이온을 이용하는 것이기 때문에 해수 대신 소금물을 활용할 수도 있다. 가정이나 산업체에서도 이용할 수 있는 것이다. 또 다른 이유는 한국이 해수전지 R&D(Research and Development)의 시초이기 때문이다. 해수전지 관련 특허는 울산과학기술원(UNIST)에서 2013년도부터 원천 기술을 개발, 보유하고 있다.
해수전지 상용화에 성공하게 된다면 에너지 신산업 활성화에 크게 기여할 뿐 아니라 무궁무진한 경제적 가치를 창출할 수 있을 것으로 기대된다.[4] [5]
동영상[편집]
각주[편집]
- ↑ UNIST Magazine, 〈무한한 新재생에너지 바닷물로 만든다〉, 《유니스트》, 2017-06-13
- ↑ YK Research, 〈미래창조과학부 배터리가 바닷속에? 바닷물 속 나트륨을 이용하는 해수 전지〉, 《YK리서치》, 2017-01-04
- ↑ 한국동서발전, 〈세계 최초 해수전지 배터리 상용화, 우리나라에서 시작됩니다!〉, 《네이버블로그》, 2019-01-04
- ↑ 백도학 단원, 〈바다가 주는 무한한 에너지 '해수전지'〉, 《대학생신재생에너지기자단》, 2020-03-23
- ↑ 김민수 기자, 〈해수전지로 식수·전기 부족한 제3세계 아이들 돕는다〉, 《동아사이언스》, 2020-05-03
참고자료[편집]
- 고성식 기자, 〈제주소식 JTP-울산과학기술원, 해수전지 개발 공동추진〉, 《연합뉴스》, 2021-04-26
- 이준석 기자, 〈“해수전지 상용화 이끈다”…연구센터 준공〉, 《KBS뉴스》, 2020-11-15
- 최정훈 기자, 〈리튬이온 대체재로 힘 받는 ‘해수전지’… UNIST, 핵심 부품 안정성 원리 규명〉, 《인더스트리뉴스》, 2021-01-14
- 차형석 기자, 〈해수전지 사용 ‘스마트 부이’ 출시 가시화〉, 《경상일보》, 2021-03-16
- YK Research, 〈미래창조과학부 배터리가 바닷속에? 바닷물 속 나트륨을 이용하는 해수 전지〉, 《YK리서치》, 2017-01-04
- UNIST Magazine, 〈무한한 新재생에너지 바닷물로 만든다〉, 《유니스트》, 2017-06-13
- 백도학 단원, 〈바다가 주는 무한한 에너지 '해수전지'〉, 《대학생신재생에너지기자단》, 2020-03-23
- 김민수 기자, 〈해수전지로 식수·전기 부족한 제3세계 아이들 돕는다〉, 《동아사이언스》, 2020-05-03
같이 보기[편집]
