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나트륨 황 배터리
나트륨 황 배터리(NaS Battery)는 나트륨 이온을 통해 양극과 음극 간에 세라믹 고체 전해질이 이동함으로써 충·방전이 이뤄지는 전지를 말한다.
기존 리튬이온 전지의 적정 대응용량은 5㎿ 이하이나 NaS전지의 경우 높은 에너지 밀도를 가져 10㎿~1GW의 대용량 대응이 가능하다. 리튬이온 전지보다 훨씬 무거워 소형 가전에서는 사용이 불가하다. 산업용으로 주로 사용된다. 나트륨 황 배터리는 대용량 전력 저장 장치에 적합하고, 분산 설치 가능하여 부하 평준화 효과가 있다. 국내에서는 포스코(POSCO)가 2010년 전력저장용 NaS전지를 국내에서 첫 개발하였다.[1]
개요
나트륨 황 배터리는 양극으로 황(Sulfur)을 음극으로 나트륨을 사용하며, 베타 알루미나를 Na 이온 전도성 전해질로 양극과 음극사이를 분리시키며, Na 이온을 충방전에 따라 움직이면서 작동되는 이차전지이다. 양극 및 음극 모두가 액체 상태에서 작동하는 관계로 hermetically sealed된 전지 시스템도 또한 큰 특징의 하나이다. 나트륨 황 배터리의 개념은 1966년 포드(Ford Motor)사에 의해 제안이 되었으며, 1973년 500kg의 NaS 전지의 장치를 장착하여 200km까지 주행한 실적을 보고하였다. 일본의 경우, 도쿄 전력이 히타치 제작소와 공동으로 1983년부터 향후의 피크전력 증가에 대비한 전력 저장 장치의 개발 필요성을 배경으로 NaS 전지 개발에 참여하게 되었다. 특히 일본의 NGK사와 도쿄전력의 대용량 전력 저장 기술의 공동 기술 개발은 큰 결실을 맺어, 전 세계에 걸쳐 대용량 전력 저장 분야에 있어, 독점적인 기술 경쟁력을 갖고, 시장 지배력을 가격과 전략적 측면에서, 후발 혹은 잠정적인 기술 개발 경쟁국을 견제하면서 확대하고 있는 상황이다. 아울러 중국 과학원 세라믹 연구소 (Shanghai Institute of Ceramics, Chinese Academy of Sciences, SICCAS)도 30 Ah급과 650 Ah급의 단전지 기술을 보이는 등, 일본의 NGK사와 더불어 대용량 연구에 이어 상당한 수준의 기술 발전을 확보한 상태인 것으로 알려져 있다.
원리
NaS 전지의 기본 원리는 1967년 Kummer와 Weber에 의해 처음으로 개발되었으며, 그 시스템은 300℃ 부근의 온도에서, 융용 나트륨 음극과 용융 황 양극으로 그리고 이를 분리한 Na 이온 전도성 고체전해질로 이루어져 있다. 지금까지 실용화된 이론에너지밀도가 769Wh/kg으로 가장 높다. 방전은 다음과 같이 3단계로 나뉘어질 수 있다. Na는 Na⁺ 이온과 전자로 분해되고, Na⁺ 이온은 베타알루미나를 통해 양극(positive electrode)으로 이동한다. 최종적으로 Na⁺ 이온 및 S와 전자와 결합하여 나트륨과 황의 화합물(sodium polysulfide)를 형성하게 된다. 충전(Charging)은 이와 반대 방향으로 진행된다. 일차적으로 Sodium Polysulfide가 Na⁺ 이온, S, 전자로 분해된다. 이후 Na⁺ 이온 베타 알루미나를 통해 음극으로 이동하게 되며 최종적으로 Na⁺ 이온은 전자를 받아 들여 Na 원자로 변하는 과정을 통해 진행된다.
특성
- NaS 전지는 MW 급 전력 저장 장치 구성에 용이한 대용량의 2차전지로서, 오랜 기간 실증 사업을 통하여 성능, 안전성, 경제성 등의 검증을 마치고 최근 들어 빠른 속도로 보급
- 전력 저장용량이 지금까지 실용화된 2차전지 중 가장 높으며 자기방전이 없는 특성을 가지고 있음(이론 에너지밀도 = 760Wh/kg)
- 전력 저장용 전지의 가장 중요한 특성 가운데 하나인 수명은 정상 작동 시 15년 정도로 매우 길고 단전지의 충방전 효율이 87%에 달함.
- NaS 전지의 구성은 음극에 용융 나트륨, 양극에 용융 황 그리고 전해질인 β-alumina 튜브로 이루어져 있으며, NaS 전지와 기술 플랫폼이 유사한 Na base 전지인 Na/NiCl₂ 전지는 양극물질로 NiNaCl 음극 물질로 Na, 그리고 전해질로 β-alumina 재질의 고체전해질 및 보조 전해질로 NaAlCl₄가 사용됨.
- NaS 전지는 Na와 S(황) 등 부존 량이 풍부한 물질을 사용하고 있기 때문에 리튬 등 고가의 재료를 사용하는 타 전지 대비 가격 경쟁력 확보에 매우 유리한 상황
- 대형 전지 제조에 유리한 구조로 제조 공정이 상대적으로 단순함.
- NaS 및 Na/NiCl₂ 등 Na-base 전지는 기본적으로 Na 이온을 이동시키기 위해 고체 전해질인 β-alumina를 사용, β-alumina의 이온 전도성은 최소한 280℃ 이상에서 유지되기 때문에 Na-base 전지는 300 ~ 350℃의 온도에서 작동되는 고온형 2차 전지로 분류
- Na-base 전지의 구성부품 중 고체 전해질인 β-alumina 튜브는 전지의 용량, 출력 그리고 수명에 결정적인 영향을 미치고 있으며 제조공정상의 난점으로 인해 핵심 부품임
- 높은 이온 전도도와 강도 및 치밀한 미세구조에 의한 고 신뢰성을 지닌 β-alumina 고체 전해질의 성공적 제조는 Na-base 전지의 상용화와 직접 연관.
- 각 전력 저장 시스템 중 NaS 전지는 출력 지속시간이 6~8시간으로 길어서 대용량 장주기저장 시스템에 적합
- 타 저장 장치 대비 용량당 가격이 저렴한 장점
- 적합한 용도로는 발전원에서 수용가까지 전 전력계통에서 적용 가능
- 전력 저장용 및 송배전 전압 관리는 물론 부하 평준화에 적합한 특성을 보이고 있으며, 장기적으로 스마트그리드 시스템에 최적으로 사용될 수 있는 시스템이라고 볼 수 있음.
- 대규모의 전력 저장이 요구되는 발전소 및 변전소 용도로는 현재 NaS 전지가 비용 및 유일한 양산 제품으로 양산성이 검증되었다는 점으로 볼 때 가장 적합한 전지라고 할 수 있음.[2]
응용
일본의 NGK사는 MW급의 대용량 저장, 납전지의 1/3면적의 설비 면적, 15년간 장수명의 확보, 공해물질 배출가스가 없다는 점, 무진동, 저노이즈 등의 장점을부각시키면서 일본과 미국 뿐만 아니라 전 세계 지역을 상대로 수출을 확대하고 있는 상황이다.
Na-S전지는 기존 발전 시스템과의 보완적 성격이 강해, 송전/변전/배전 설비 투자 및 단기간 건설이 매우 용이하며, 펌프와 밸브 같은 공정용 소모성 부품이 거의 필요가 없는 보수가 용이한 시스템이다. 부품 및 발전시스템의 전력 생산 비용구조를 경제적으로 발전시킬 경우, 발전단가를 지속적으로 낮출 수 있는 전지이다.
풍력과 태양전지와 같은 신재생 그린 에너지의 확대는 자체 출력과 관련된 기술적인 한계점을 갖고 있다. 즉 시간에 따른 일정한 전력 공급이 어렵다는 점으로, 이와 같은 전력 생산 시스템의 불연속성을 Na-S 전지와의 하이브리드(Hybrid)화를 통해 그린에너지원의 일정한 전력공급을 가능하게 된다.
대용량의 Na-S 전지는 주야간의 전력 사용량과 전력 공급량의 수급 불균형에 대한 대안을 제시할 수 있다. 즉부하 평준화를 통한 전력 제어, 즉 주간의 전력 부족시의 방전을 통한 전력공급, 야간시의 생산전력의 잉여분의 저장을 통한 주야간의 전력 공급의 안정성 확보기능이다.
NaS 전지를 정전과 같은 응급 상황에 대비하기 위한 UPS 혹은 EPS 개념으로써, 정전에 대비한 비상전원으로 활용할 수 있다.
또 최근에는 나트륨 황 배터리를 활용한 그린수소 생산을 추진하고 있다.[3]
각주
- ↑ 〈NaS 전지 (나트륨 황 전지) 정의 및 시장〉, 《티스토리》, 2017-08-05
- ↑ 민박쥔장, 〈나트륨-황, 나스 전지(Na-S Battery) 국내현황, 포스코 - 스마트그리드 ESS 기술동향 보고서 - 008〉, 《네이버 블로그》, 2015-03-11
- ↑ 신근순 기자, 〈바스프, 나트륨-황 배터리 국내 19Mwh 공급 추진〉, 《신소재경제》, 2020-09-11
참고자료
- 대용량 전력 저장용 NaS 전지 기술 - https://www.koreascience.or.kr/article/JAKO201222653560877.pdf
- 민박쥔장, 〈나트륨-황, 나스 전지(Na-S Battery) 국내현황, 포스코 - 스마트그리드 ESS 기술동향 보고서 - 008〉, 《네이버 블로그》, 2015-03-11
- 〈NaS 전지 (나트륨 황 전지) 정의 및 시장〉, 《티스토리》, 2017-08-05
- 신근순 기자, 〈바스프, 나트륨-황 배터리 국내 19Mwh 공급 추진〉, 《신소재경제》, 2020-09-11
같이 보기
