지구온난화로 인해 생태계가 급격하게 변화하고, 더 많은 산림화재와 가뭄이 나타나고 있습니다. 이에 전 세계는 지금, 환경에 보다 관심을 가지고 있으며, 각 국가와 관련 기관·단체들은 에너지생성 연구에 힘을 기울이고 있습니다.

PC, TV, 스마트폰 등 일상생활의 대부분 전자기기에서 가장 많이 쓰이는 전지는 ’리튬 이온 배터리’입니다. 리튬이 금속 중 가장 가벼울 뿐만 아니라 에너지 밀도도 높고 자연 방전율이 낮아 주로 사용이 되는데요. 그러나 리튬은 희소금속으로 한정된 자원이기 때문에 언젠가는 고갈될 것입니다. 이에 연구자들은 리튬 이온 배터리를 대체할 차세대 전지 개발에 몰두하고 있습니다.

우리나라에서도 차세대 신재생에너지에 많은 관심을 갖고 관련 연구를 진행하고 있습니다.
물질의 화학적 또는 물리적 반응을 이용하여, 이들의 변화로 방출되는 에너지를 전기에너지로 변환하는 장치를 ’전지’라고 하며, 이중 충전을 하면 다시 쓸 수 있는 축전지를 2차 전지라고 합니다. 이러한 2차 전지에 사용되는 화학물질 대신 바닷물로 전기에너지를 저장하고 발생할 수 있는 ’해수전지(Seawater Battery)’장치를 2014년 UNIST(울산과학기술원)의 김영식 교수팀이 세계 최초로 개발에 성공하였습니다.

2014년 세계 최초로 해수전지 개발에 성공한 김영식 교수는 개발 이후로 이를 상용화하기 위한 연구를 꾸준히 이어오고 있으며, 현재 울산화력본부에 해수전지를 이용한 10kWh급 에너지저장시스템(ESS) 설비를 설치해 시범 테스트까지 성공적으로 마쳤습니다. 또한 이 기술이 해양 환경에 올바르게 적용이 될 수 있도록 ’한국해양과학기술원’과 공동연구를 펼치고 있습니다.

차세대 신재생에너지로 관심 받고 있는 해수전지는 뭘까요?
간단하게 말하면 지구의 물 중 97%를 차지하는 바닷물을 이용해 에너지를 만드는 것으로, 바닷물에 있는 나트륨이온(Na+)과 물을 이용해 전기에너지를 저장하고 발생하는 장치를 말합니다.
바닷물에는 소금(NaCl)이 이온 형태로 녹아있는데, 이중 나트륨 이온이 리튬 이온전지의 리튬 이온처럼 전지의 양극과 음극을 오가며 전기에너지를 저장하고 발생하는 원리로 운영됩니다.
해수전지는 바닷물을 양극으로 사용하는 것이 가장 큰 특징이며, 해수전지 코인 셀의 구조는 Bottom, spring, Na/spacer, separator/liquid electrolyte, NASION, Cap, Cathode current collector로 구성되어 있습니다. 충전 시 바닷물의 나트륨이 해수전지 안으로 이동되어 전지가 저장되고, 방전 시 저장된 나트륨이 바닷물로 이동하면서 전기를 발생시킵니다. 충전 시 음극에서는 Na 환원, 양극에서는 산소 발생 반응이 일어나며, 방전 시 음극에서는 Na 산화, 양극에서는 산소 환원반응이 일어납니다.

해수전지의 구조(a)와 해수전지의 테스트 키트(b) (이미지 출처: 기계·건설공학연구정보센터)

기존의 리튬 이온전지는 고가의 화학물질을 사용하고 있는데, 소형 전지에는 괜찮지만 대용량에는 비용 등이 문제가 되기 때문에 이러한 고가의 리튬 이온과 같은 화학물질 대신에 바닷물로 전기에너지로 저장하고 발생할 수 있는 해수전지를 개발하고 있습니다.

리튬 이온 배터리는 소재 값이 50% 이상을 차지합니다. 이 가격을 유지한 채 전기자동차에 사용하는 등 대용량 배터리를 만들면 엄청난 비용이 듭니다. 값비싼 리튬 이온 대신 바닷물 속 소듐(나트륨)이온을 이용해 전기를 저장하는 해수전지는 무한한 해수를 에너지 소재로 사용할 수 있어서 가격이 저렴하고 친환경적입니다. 또한 리튬 이온 배터리는 높은 에너지 밀도로 높은 온도에서 폭발할 수 있다는 단점이 있으나, 해수전지는 열 제어가 자체적으로 가능하기 때문에 화재에 대한 위험성이 적은 편입니다.
하지만 단점은 해수를 하나의 양극 물질로 사용하다 보니까 전해질을 세라믹 전해질을 사용해야 합니다. 세라믹 전해질을 사용하면 소듐 이온의 이동성(이동도)이 좀 낮아지면서 출력을 높이는 것에 아직 한계가 있습니다.

이에 해수전지의 단점(디바이스, 소재)들을 해결하기 위해 계속 연구를 진행하고 있습니다.
디바이스 측면의 단점 해결을 위해 얇고 면적을 넓게 함으로써 소듐이온의 이동을 원활하게 하고, 소재 측면의 단점을 해결하기 위해 소듐이온의 이동을 활성화할 수 있는 소재를 개발하고자 노력하고 있다고 합니다.

해수전지로 활용할 수 있는 ’해수전지 상용화 연구’도 동시에 진행되고 있다고 하니, 빠른 시일 내에 상용화 될 수 있길 바랍니다.

참고 자료
1. 네이버 지식백과(쇼핑용어사전). ’리튬 이온 배터리’
https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=2423662 cid=51399
2. 산업일보 포스트(2019). ’해수전지’, 바닷물 속에서 작동하는 전지라고?!. 네이버 포스트, 4월 24일. https://m.post.naver.com/viewer/postView.nhn?volumeNo=19409350
3. 한국기후환경네트워크 블로그(2019). 지금 주목받고 있는 신재생에너지, 해수전지. 네이버 블로그, 3월 19일. https://blog.naver.com/greenstartkr/221492041737
4. 한국에너지공단 블로그(2019). 바닷속에서 꺼내쓰는 배터리가 있다? 해수 전지 배터리. 네이버 블로그, 3월 14일. https://blog.naver.com/kea_sese/221487861604

※ 본 내용은 MATERIC(www.materic.or.kr)에서 제공받은 연재 내용 중 일부를 인용하였습니다.
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