바닷물 소금(NaCl)을 원료로 한 매우 값싸고 저장력 우수한 건전지가 곧 상용화될 수 있는 기술적 돌파구가 이루어졌다고 호주 시드니 대학의 연구진이 국제 과학기술 주간 저널인 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’ 지 2022년 10월 29일 호에 발표했다.

시드니 대학 화학생분자공학원 셴롱 자오 박사의 연구팀이 개발한 소듐(Na-S) 건전지는 바닷물서 추출해 녹인 액상 소듐-황이 담긴 건전지로 태양열이나 풍력으로 발전시킨 신재생 에너지를 보존할 수 있는 대체 에너지 저장 솔루션이다.

그동안 해수 전지는 탄생한지 약 50년 된 기술이지만 대량 생산이 어렵고 기성 리튬 배터리에 비해 생산가가 월등히 비싸며 전력 수급 생애주기가 너무 짧아 실용성이 없는 열등한 니시로 머물러있었다.

태양광과 풍력 발전 신재생 에너지 설비 체제는 날씨 변동과 발전된 에너지 저장 기술의 부족에 따른 전력 수급 불안과 높은 발전 원가 비용이라는 양대 단점이 보다 폭넓은 보편화 신재생 에너지 보편화의 주요 걸림돌 이어왔다. 

해수 전지는 핵심 구성 원소 3총사 — 니켈, 소듐, 염소 — 를 세라믹 전해조 분리막를 사이에 두고  화학적으로 분리・결합하는 작업을 반복하는 원리를 응용한다. 

이 바닷물 건전지를 구성하는 소듐-황은 바닷물을 가공해 추출한 소금을 섭씨 250도에서 녹여 액체 상태(NaAlCl4)로 전환시킨다. 

낮과 밤의 변화와 빛의 유무를 이용, 액상 소듐-황은 전자를 가해 염화나트륨(2NaCl) + 니켈(Ni)을 (NiCl2) + (2Na)을 화학적으로 전환시키는 작업 반복해 전지를 충전 및 방전하는 원리다.

앞으로도 계속될 리튬 이온 전지 수요 ⬆︎, 보완적 친환경 전지 솔루션으로 기대

이번 개선된 기술을 소개한 호주 과학팀은 전극을 변형시켜 에너지 저장력에 핵심적 요소인 액상 소듐-황의 반응력을 대폭 개선하고, 상온에서 강력한 전지 용량과 긴 수명을 발휘해 리튬 이온 배터리를 보완할 차세대 대체 에너지 저장 솔루션일 될 것이라 기대한다.

기존의 대다수 건전지들은 리튬(lithium), 흑연(graphite), 코발트(cobalt) 등 희토류(rare earth)로 만들어진다.

문제는 희토류 채굴 과정은 다량의 물 소비를 요한다는 사실이다. 대규모 희토류 금속에 사용되는 증발 기법은 막대한 량의 물을 소모하며 재정적으로도 고비용을 요하는 기술이기 때문이다. 또, 채굴의 부수적 효과로서 천연생물계 다양성 소실, 생태계 기능 파괴, 토양질 저하 등은 EU 환경 정책 수칙에 위반된다.

한편, EU가 오는 2030년과 2050년 각각 CO2 배출량 감축율 60%와 무탄소 배출 목표치에 달성하려면, 신재생 에너지 저장 설비 구축을 위해 지금보다 각각 18배(2030년)와 60배 더 많은 리튬을 필요로 할 전망이어서 EU 집행위는 리튬을 비롯한 희토류는 석유와 천연가스 보다 더 중요한 산업 자원으로 지정한 바 있다.

신재생 에너지 발전은 태양 일조량이 불규칙하거나 바람이 불지 않을 경우 전력 발전에 어려움을 겪기 때문에 이를 상쇄할 수 있는 안정적이고 효율적인 저장 솔루션이 필수적이다. 

바닷물에서 채취・가공하는 소듐 원료 기반 바닷물 건전지는 EU의 탈탄소 이행기 동안 한층 안정적인 신재생 에너지 공급 체제를 확보하고 리튬 이온 건전지 생산 과정서 발생하는 환경 파괴 효과를 줄이고 비용도 절약할 수 있는 획기적 기술이 될 것으로 보인다. 

머지않아 이 기술을 응용한 보다 개선된 소비자 가전 및 전제제품용 전지의 폭넓은 상용화도 확대될 전망이다.

해수 전지의 장점: 1) 안전하다. 2) 기성 납축전지나 리튬 이온 전지 보다 4배 긴 수명 — 평균 5천 회 사용 가능하며 과열・폭발 위험이 없기 때문에 5천 회 이상 사용도 가능하다. 3) 중금속 소재를 사용하지 않기 때문에 재활용이 쉽고 재가공시 환경 오염 위험이 낮다. 4) 유지 관리에 편리 5) 친환경적

개선점: 1) 높은 방전율 2) 낮은 에너지 밀도 3) 대형 배터리의 경우 높은 제조비용