바다가 주는 무한한 에너지 '해수전지'

바다가 주는 무한한 에너지 '해수전지'

대학생신재생에너지기자단 17기 백도학 단원

 

해수전지란 무엇인가?

 국내에서 배터리의 중요성이 계속해서 커지며 에너지 저장 시스템 시장의 규모가 약 4조 원에 가까이 가고 있다. 흔히 ‘건전지’라고 불리는 1차 전지는 수명이 다하면 사용하지 못한다는 단점이 존재했다. 그리고 이러한 단점 극복을 위해 2차 전지, 리튬이온배터리가 등장한다. 이는 방전과 충전을 반복할 수 있어 긴 수명을 가지고 있으며 지구 상에 존재하는 금속 중에서 가장 가벼운 물질로 구성되어 있다. 하지만 이 역시도 폭발과 화재의 위험성을 가지고 있어 이를 보완한 신개념 전지가 바로 ‘해수전지’이다.

[해수전지의 원리]

출처: UNIST

 해수전지는 海水(해수), 즉 바다의 물을 사용하는 전지이다. 바닷물에는 소금(NaCl)이 이온 형태로 녹아있는데, 이 중에서 나트륨 이온을 이용해서 전기에너지를 생산한다. 해수전지에 전기를 공급해 충전하게 되면, 양극에 넣은 해수에서 나트륨 이온만 음극으로 이동하게 된다. 이때 나트륨 이온이 쌓이게 되면 전압이 높아지고, 양극에 남은 염소 이온은 기체 형태로 대기로 날아가게 된다. 그리고 해수전지에 충전된 전기를 쓸 때, 즉 방전 시에는 음극에 있던 나트륨 이온이 다시 양극으로 이동하게 되어 물의 수산화기와 반응해 수산화나트륨(NaOH)이 된다.

 

해수전지의 장단점

[해수전지/리튬이온 배터리 장단점]

출처: NRIC

  우선 리튬이온배터리의 경우에는 가격적인 부담이 매우 크다. 하지만 이와 반대로 해수전지는 해수를 원료로 하기에 양에 한계가 존재하지 않는다. 그렇기에 생산 비용이 저렴해지게 된다. 그뿐만 아니라 해수전지는 열 제어가 자체적으로 가능하다. 즉 화재의 위험성이 매우 적으며, 냉각시스템이 불필요해진다는 의미이다. 또한 앞서 말했듯이 음극재, 양극으로 사용되는 나트륨 이온과 물을 전기로 만든 이후 염소 이온이 기체가 되어 날아가면서 담수화를 시킨다는 장점도 존재한다. 최근 UNIST에서는 항로표지용 등 부표를 개발했는데, 이는 기존에 사용하던 납축전지의 무거운 무게로 인한 침수의 위험이 크다는 점을 보완하여 해수전지를 이용한 것이다. 해수전지를 사용했을 경우에는 침수의 위험도 적을뿐더러, 부표의 무게중심을 잡는 데에도 용이하다. 그리고 배터리 교체 수요 또한 적기에 유지관리에도 큰 도움이 된다.

 

[등부표에 사용된 해수전지]

출처: UNIST

 하지만 해수전지 역시 단점이 존재하는데, 우선 나트륨 자체가 리튬보다 무겁고 에너지 밀도가 낮기 때문에 배터리로 만들게 되면 무거워진다. 그리고 해수전지는 다양한 이온 중에서 나트륨 이온을 선택적으로 통과시키고 양극, 음극을 분리해 주는 고체 전해질을 가지고 있다. 현재 세라믹 전해질이 보편 되어 있는데 이는 나트륨 이온의 이동성을 낮추면서 출력을 높이는데 한계점을 가지고 있다. 이러한 해수전지의 단점들에 대해 UNIST의 한 연구진은 “고체 전해질은 해수전지의 핵심이며, 아직 연구할 부분이 많아 매우 흥미롭다. 고체 전해질의 두께가 얇아지면 저항이 줄어들어 해수전지 성능을 올릴 수 있어 얇고 강하게 만드는 연구를 진행하고 있다.”라고 밝혔다.

 

해수전지의 미래

  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.

[해수전지]

출처: UNIST

  2018년에는 해수전지의 상용화가 부분적으로 이루어졌다. 4인 가족의 하루 평균 사용 전력량과 맞먹는 10 kWh 급 해수전지 에너지 저장 시스템 설비를 진행한 것이다. 이렇듯 해수전지의 시대는 점차 우리에게 다가오고 있다. 국가는 해수전지에 대한 끊임없는 연구를 통해 단점을 보완하여 매우 효율적인 ESS를 만들 수 있어야 할 것이며, 우리는 변화하는 ESS 시장에 맞추어 여러 분야에 관심을 가져야 할 자세가 필요하다고 생각한다.

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참고문헌

[1] 구미현, 뉴시스, [종합] "바닷물로 배터리 만든다"…'해수전지' 개발 본격화, 2017. 06. 13, http://mobile.newsis.com/view.html?ar_id=NISX20170131_0014674463#imadnews

[2] 권준범, 에너지 신문, 리튬 단점 극복한 '해수전지 ESS' 상용화 결실, 2018. 12. 17,  http://www.energy-news.co.kr/news/articleView.html?idxno=60904

[3] 최홍식, 인더스트리뉴스, "UNIST 개발 해수전지, 바다를 밝히는 에너지가 되다", 2017. 06. 13, https://www.industrynews.co.kr/news/articleView.html?idxno=24038

[4] 한국에너지공단 블로그, [신재생 에너지] 소금이 배터리가 된다? 해수 전지 배터리, 2019. 03. 14,  http://blog.energy.or.kr/?p=18074

[5] UNIST 대외협력팀, 무한한 新재생에너지 바닷물로 만든다, 2017. 06. 13,  https://news.unist.ac.kr/kor/unist-magazine-2017-brilliant-thinking/

[6] UNIST 대외협력팀, 바다에서 에너지 4.0의 해답을 찾다, 2019. 01. 17,   https://news.unist.ac.kr/kor/unist-magazine-2018-winter-campus-life/