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ⓒ클립아트 코리아

 

 

소금은 우리 생활에서 없어서는 안 될 조미료이자 생물의 생존에 필수 요소입니다. 최근 소금이 차세대 에너지원으로 주목받고 있는데요. 이에 전력연구원은 소금을 활용해 안전하고 오래가는 니켈-소금 배터리 개발 연구에 착수했다고 합니다.

 

 

니켈-소금 배터리란

스마트폰을 장시간 사용하다 보면 기기가 뜨거워지는 걸 느낀 적이 한 번쯤 있죠? 바로 스마트폰의 리튬이온 배터리 때문입니다. 리튬이온 배터리는 높은 에너지 밀도(단위 부피당 저장된 에너지)가 장점이지만, 불이 붙기 쉬운 유기 용매가 전해질이기 때문에 폭발 사고의 원인이 되기도 합니다.

따라서 이를 대체할 수 있는 고체 전해질을 활용한 '니켈-소금 배터리'가 주목받고 있죠. 우리 주위에서 쉽게 구할 수 있는 원료를 활용하며, 폭발 위험이 적으면서도 많은 에너지를 저장할 수 있는 배터리입니다.

 

 

 

니켈-소금 배터리의 작동 원리

 

 

니켈 - 소금 배터리의 구성 요소

 

먼저 그림을 보며 배터리의 구성요소에 대해 간단히 알아볼까요? 화학 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 전지의 4대 구성 요소는 음극, 양극, 분리막, 전해질입니다. 음극은 산화 반응으로 전자를 만들어 제공하는 연료 전극이며, 자유 전자가 풍부한 금속이 사용됩니다. 양극은 음극에서 전자를 받아 환원 반응을 일으킵니다.

양극과 음극이 접촉하면 발화가 일어나기 때문에 이를 막기 위한 분리막 또한 필요하답니다. 전해질은 이온이 양극과 음극을 이동하는 통로 역할을 합니다.

 

 

니켈-소금 배터리의 구성 요소

 

이제 니켈-소금 배터리의 구조와 원리에 대해 알아봅시다. 니켈-소금 배터리는 위 그림과 같이 긴 대롱 모양입니다. 가장 안쪽에 나트륨 액체가 담긴 베타알루미나 튜브는 금속 할로겐 화합물로 만든 통에 들어있습니다. 베타알루미나 튜브(1 전해질)와 금속 할로겐 화합물 통 사이에는 제2전해질인 용융 염화알루미나나트륨(NaAlCl4)이 있습니다.

 

쉽게 말해 나트륨 액체가 배터리에서 음극 역할을 하고, 금속 할로겐 화합물이 양극 역할을 합니다. 베타알루미나 튜브는 나트륨 이온이 음극과 양극을 오가는 통로 역할을 하는 것이죠. 베타알루미나 튜브가 세라믹이기 때문에 니켈-소금 전지가 전고체 전지(전해질이 고체)라고 불립니다.

 

음극과 양극을 담당하는 나트륨과 염화알루미나나트륨은 상온에서 고체이기 때문에 온도를 300까지 올려 액체 상태로 바꿔주어야 하는데요. 액체 상태가 된 나트륨 이온이 베타알루미나 튜브와 액체 상태의 염화알루미나나트륨을 통과해 금속 할로겐 화합물로 이동하면서 전지 역할을 맡습니다. 니켈-소금 배터리가 굉장히 높은 온도에서 작동되기 때문에 작동 온도를 낮춰 재료의 내구성을 높여야 하죠.

 

니켈-소금 배터리에 단락과 폭발이 일어나면 소금 기둥이 만들어지는데 나트륨과 액체 상태의 염화 알루미나나트륨이 반응해 알루미늄(Al)과 소금(NaCl)을 생성합니다. 즉, 폭발 위험이 없다는 게 니켈-소금 배터리의 장점입니다.

 

 

니켈-소금 배터리와 에너지 저장 시스템

 

한국전력의 ESS  ⓒ KEPCO

 

 

니켈-소금 배터리는 1980년대 전기 자동차에 활용하기 위해 개발되었으며, 2010년부터는 에너지 저장 시스템(ESS)용으로 활용하기 위한 연구가 추진되고 있습니다. 최근 신재생 에너지에 대한 관심이 높아짐에 따라 이를 저장하는 ESS에 대한 관심도 함께 높아졌습니다.

 

폭발 위험이 있는 리튬이온 전지와 달리 니켈-소금 배터리는 발화 위험이 없는 안전하고 저렴한 고체 전해질을 사용하여 안정적인 ESS 관리 시스템을 구축할 수 있습니다. 향후 니켈-소금 배터리를 ESS에 적용하여 시스템 설치 비용은 절반으로 줄이고 발화 위험도 줄이면 보다 안정적으로 전력을 수급할 수 있습니다.

 

 

니켈-소금 배터리의 개선점과 해결 방안

니켈-소금 배터리처럼 안정성이 보장된 배터리는 사용 영역이 넓을 수밖에 없지만 상용화를 위해서는 아직 많은 개선이 필요하다고 합니다. 가장 큰 개선이 필요한 부분은 바로 높은 구동 온도입니다. 앞서 말했듯 니켈-소금 배터리는 매우 높은 온도에서 구동해야 하는데, 이는 배터리 제조와 유지 보수 비용을 높이고 배터리를 다양하게 활용하지 못하게 합니다.

 

현재, 배터리의 작동 온도를 낮춰 재료의 내구성을 개선하고 효율이 높은 소재를 개발해 쉽게 열을 관리하려는 연구가 활발하게 진행되고 있습니다. 지금까지 니켈-소금 전지는 긴 튜브 모양이 주류였지만, 현재는 표면적을 증가시켜 효율을 높인 평판형 니켈-소금 배터리에 대한 연구도 진행되고 있습니다.

 

 

 

전력연구원의 니켈-소금 배터리 연구

한전 전력연구원은 니켈-소금 전지용 ESS 관리 시스템을 개발하고 고체 전해질과 양극재를 개발할 예정이라고 합니다. 전력연구원과 포항산업과학연구원은 전체 과제를 총괄하고 전지 모듈을 설계하며, 퍼시픽 노스웨스트 연구소는 배터리용 음극 소재를 개발하고 있습니다.

구기관 세 곳이 개발에 착수한 ESS용 니켈-소금 배터리는 평판형 니켈-소금 배터리 여러 개를 이어 붙여 단가는 낮추고 운영 효율을 극대화시킨다고 합니다. ESS용 니켈-소금 배터리가 개발되면 에너지 효율이 높고 환경 친화적이며 가격 경쟁력이 높은 전력 생산 관리 시스템이 구축되겠죠? 국내 에너지 저장 시스템의 퀀텀 점프를 이루는 날이 하루 빨리 오기를 기대해 봅니다.

 

 

 

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