용융염 배터리

용융염 배터리(Molten Salt Battery)는 용융염 즉 액체 염화나트륨(소금)을 전해질로 사용하는 전지이다. 열전지나 액체금속전지라고도 불리 운다. 본래 2차 세계대전 중 독일 과학자 게오르크 오토 에르프에 의해 발명되었는데, 당시에는 재충전이 불가능한 열전지로, 전지에 500도 이상의 열을 가하여 전해질 역할을 하는 소금과 애노드 역할을 하는 금속, 캐소드 역할을 하는 금속이 액화되면서 에너지를 방출하는 방식이었다. 이런 방식의 열전지는 주로 알루미늄 제련 공장에서 사용되는데, 이는 열전지가 막대한 에너지 밀도를 지닌데다 고압의 전력을 출력해낼 수 있어 알루미늄 전기분해 제련법에 사용되기에 적합하였기 때문이다. 이외에 유도미사일 탑재용 전지로 사용되기도 한다.

재충전이 가능한 용융염 배터리는 1960년대부터 연구되고 있었다. 배터리용 소금의 용융점은 98도로 사실 그리 높은 온도가 아니기에, 애노드와 캐소드 역할을 하는 금속만 잘 찾는다면 상대적으로 낮은 온도에서도 작동이 가능한 전지를 개발할 수 있다. 즉 충전 및 방전 과정에서 발생하는 열만으로도 소금의 액체상태를 유지할 수 있게 하면 되는 것이다. 특히 태양광 발전의 대중화로 고용량의 전력을 저장할 수 있는 배터리 기술의 필요성이 대두되는 상황에서 용융염 배터리는 이에 대한 해법이 될 수 있다. 실제로 MIT에서 상용화가 가능한 용융염 배터리의 개발에 성공하였다. 현재 기술로 컨테이너 박스 크기만한 공간에 2MWh의 전력(약 200가구가 사용가능한 전력)을 저장할 수 있다.

액체금속이라는 이름에서도 알 수 있다시피 애초에 휴대성이 아닌 경제성과 에너지 밀도에 초점을 맞춘 전지이다.

충전식 구성

1960년대 중반 이후 음극 전극에 나트륨(Na)을 사용하는 충전식 배터리에 대한 많은 개발 작업이 수행되었다. 나트륨은 -2.71V의 높은 환원 잠재력, 저 체중, 무독성, 상대적 풍부함, 가용성 및 낮은 비용 때문에 매력적이다. 실용적인 배터리를 만들기 위해서는 나트륨이 액체 형태여야 한다. 나트륨의 용해점은 98°C(208°F)이다. 즉, 나트륨 기반 배터리는 245~350°C(470~660°F)의 온도에서 작동한다. 연구에 따르면 200 °C(390 °F)의 작동 온도와 상온의 금속 조합을 조사했다

나트륨 황산염

나트륨 황 배터리(NaS 배터리)와 관련된 리튬 황 배터리는 저렴하고 풍부한 전극 물질을 사용한다. 그것은 최초의 알칼리 금속 상업용 배터리였다. 양극에 액체 유황을 사용했고 베타-알루미나 고체 전해질(BASE)의 세라믹 튜브를 사용했다. 절연체 부식은 점차 전도성을 띠면서 자가 방전 속도가 증가했기 때문에 문제가 되었다.

NaS 배터리는 높은 특정 전력 때문에 우주 응용 분야에 제안되었다. 우주용 NaS 배터리는 1997년 우주왕복선 임무 STS-87에서 성공적으로 테스트되었지만, 우주에서는 배터리를 사용하지 않았다. NaS 배터리는 금성의 고온 환경에서 사용하기 위해 제안되었다.

도쿄전력과 NGK에 의해 결성된 컨소시엄은 1983년 NaS 배터리 연구에 대한 관심을 선언하고 이후 이러한 유형의 개발의 주요 동인이 되었다. 도쿄전력은 모든 부품 요소(나트륨, 황, 세라믹)가 일본에 풍부하기 때문에 NaS 배터리를 선택했다. 1993년과 1996년 사이에 도쿄전력의 쓰나시마 변전소에서 3 × 2 MW, 6.6 kV 배터리 뱅크를 사용하여 최초의 대규모 현장 시험이 실시되었다. 이 실험의 결과를 바탕으로, 개선된 배터리 모듈이 개발되었고 2000년에 상업적으로 이용 가능하게 되었다. 상용 NaS 배터리 뱅크는 다음을 제공한다.

• 용량: 뱅크당 25~250kWh
• 효율성 87%
• 100% 방전 깊이(DOD)에서 2,500 사이클의 수명 또는 80% DOD에서 4,500 사이클의 수명

니켈 염화나트륨(소금) 배터리

용융염 배터리의 저온 변형은 1985년 ZEBRA(원래 Zeolite Battery Research Africa, 나중에 Zeolite Battery Research Africa) 배터리를 개발한 것이었으며, 원래 전기 자동차용으로 개발되었다. 배터리는 NaAlCl₄와 Na+-beta-alumina 세라믹 전해액을 사용한다.

Na-NiCl₂배터리는 245°C(473°F)에서 작동하며 녹는 지점이 157°C(315°F)인 녹은 사염화 나트륨(NaAlCl₄)을 전해액으로 사용한다. 음극 전극은 용해된 나트륨이다. 양극 전극은 방전된 상태의 니켈과 충전된 상태의 염화니켈이다. 니켈과 염화니켈은 중성 및 기본 용해에서 거의 불용성이기 때문에 접촉이 허용되어 전하 전달에 대한 저항이 거의 없다. NaAlCl₄와 Na는 모두 작동 온도에서 액체이므로, 나트륨 전도성 β-알루미나 세라믹은 녹은 NaAlCl₄에서 액체 나트륨을 분리하는 데 사용된다. 이러한 배터리 제조에 사용되는 주요 소재는 리튬보다 전 세계 매장량 및 연간 생산량이 훨씬 높다.

참고자료

• "Molten Salt Battery", Wikipedia
• 〈이차 전지〉, 《나무위키》

같이 보기

• 용융염
• 열전지

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