용융염

용융염(molten salt)은 질산나트륨(sodium nitrate)과 질산칼륨(potassium nitrate)의 혼합물을 260~550°C의 고온으로 열을 가했을 때 액체로 변한 상태를 말한다. 글자 그대로 해석하면 녹인 소금이라는 뜻이지만, 그렇다고 사람이 먹는 소금을 녹인 것은 아니다.

벌크 타입의 염화나트륨으로 제조하는 용융염은 열에너지를 장기간 보존할 수 있는 특징을 갖고 있기 때문에, 최근 들어 차세대 에너지 저장 시스템으로 각광을 받고 있다. 대표적인 활용 사례로는 태양에너지 저장 시스템을 꼽을 수 있다. 용융염을 이용한 저장 시스템이 있으면, 태양광 발전의 단점인 밤에도 전력을 생산할 수 있기 때문에 최근 들어 태양광 발전의 보조 수단으로 주목을 받고 있다.

개요

원소주기율표의 1족(알카리계 원소족)과 2족(알카리토금속 원소족) 원소군과 할로계족 원소계인 염소 또는 불소원소와의 화학결합으로 이루어진 이온결합 분자군들은 고온에서 용융상태를 형성한다. 용융 상태에 있는 염을 용융염이라 부르고 있다. 소금의 경우 801 ℃에 녹아 용윰염이 된다. 온도가 내려가 용융염이 고체염으로 바뀔 때 물-어름과는 달리 부피가 수축된다.

액체 상태의 염은 고체 상태의 염과 비교할 때 여러가지 다른 물리적 특성을 갖는다. 용융염은 열전달과 저장특성이 좋고 물과 같이 유동성이 좋기 때문에 4세대 원자로의 하나인 용융염로(MSR: Molten Salt Reactor)의 냉각재나 태양광 에너지의 열저장 재료로 사용된다. 또 전기기가 통하지 않는 고체염과는 달리 용융염은 전도체이다. 용융염의 이러한 전기 전도성은 핵연료 건식재처리 공정인 파이로프로세스에서 이용되며 여기서 사용되는 대표적인 용융염으로 LiCl-KCl가 있다.

용융염 배터리

용융염 배터리(Molten Salt Battery)는 용융염 즉 액체 염화나트륨(소금)을 전해질로 사용하는 전지이다. 열전지나 액체 금속 배터리라고도 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.

참고자료

• 김준래 객원기자, 〈녹인 소금에 에너지를 저장한다?〉, 《사이언스타임즈》, 2019-01-14
• 〈용융염〉, Atomic Wiki
• 지리산 불곰, 〈용융염(소금물) 배터리〉, 《네이버 블로그》, 2021-08-01

같이 보기

• 용융
• 용융염 배터리

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