해수전지

해수전지

등부표에 사용된 해수전지

해수전지는 바닷물에 녹아있는 나트륨이온과 물을 이용해 전기에너지를 생산·저장하는 장치다. 바닷물에 소금이 이온 형태로 녹아있는데, 이중 나트륨 이온이 리튬 이온처럼 전지의 양극과 음극을 오가면서 전기에너지를 저장하고 발생한다. 2014년 울산과학기술원의 김영식 교수팀이 세계 최초로 개발에 성공했다.

일상에서 가장 많이 쓰이는 전지는 리튬이온 배터리다. 리튬이 금속 중 가장 가벼울 뿐만 아니라 에너지 밀도도 높기 때문에 세계 충전지 시장의 주력상품이 된 것이다. 그러나 리튬은 지각의 0.002%에 불과한 희소금속이라 언젠가는 고갈된다. 지구 표면의 70% 이상을 덮고 있는 해수로 전지를 만들면 리튬처럼 고갈될 걱정이 없다. 또 리튬처럼 비싸지도 않아 전지 제조비 자체를 낮출 수 있다.

리튬 VS 나트륨

바다의 구성

나트륨은 리튬과 같은 족으로 리튬과 비슷한 성질을 가지고 있다. 그래서 리튬을 대체할 원소로 나트륨을 사용할 수 있다. 비싸고 매장량이 제한되어 있는 리튬에 비해 나트륨은 바다에서 쉽게 구할 수 있다. 지구 표면적의 약 70%가 바다로 이루어져 있으며 그중 3.5%가 이온으로 이루어져 있다. 3.5%의 이온 중 나트륨 이온은 30.6%가 존재하는데 바다가 지구 표면적의 약 70%라는 것을 생각하면 매우 많은 양이다.

양이 많아 쉽게 얻을 수 있는 대신, 단점도 있다. 나트륨은 리튬보다 원자의 크기가 리튬과 같은 부피 당 에너지를 내기 위해서는 배터리가 무거워져야 한다. 그리고 나트륨 금속의 경우 리튬 금속보다 반응성이 커 리튬보다 위험할 수 있다. 하지만 금속이 아닌 이온이라면 상황은 다르다. 해수 전지는 바닷속의 나트륨 이온을 사용하기 때문에 큰 규모에도 안정하다.

구조 및 원리

리튬이온 배터리와 해수전지의 경우 2차전지에 해당한다. 하지만 바닷물에서 나트륨 이온이 계속해서 공급되기 때문에 연료전지와도 비슷하다고 할 수 있다. 해수전지의 구조는 리튬공기전지(리튬 에어 배터리)와 비슷하다. 리튬이온 배터리는 양 극이 막혀있는 형태인데 반해(Closed system), 리튬공기전지는 양극이 열려 있어(Open system) 공기와 닿아 있는 형태를 하고 있다. 해수전지도 이와 비슷하다. 양극(cathode)에는 공기 대신 바닷물이 음극(anode)에는 리튬 금속 대신 나트륨 금속 또는 탄소 전극이 자리를 차지하고 있다.

해수전지의 구조

 

해수 전지는 음극(Anode), 전해질, 분리막, 집전체로 이루어져 있다.

충전 : 4NaCl + 2H₂O → 4Na⁺ + O₂ + 4HCl + 4e⁻

4NaCl → 4Na⁺ + 2Cl₂ + 4e⁻

방전 : 4Na⁺ + 2H₂O + O2₂ + 4e⁻ → 4NaOH

충전은 에너지를 저장하는 과정, 방전은 에너지를 사용하는 과정이라고 볼 수 있다. 충전 시에는 두 가지 반응이 일어난다. 두 반응 모두 전자를 발생시키는 반응인데 한 반응은 염소(Cl₂)기체가, 한 반응은 산소(O₂) 기체가 발생한다. 두 반응 중 산소가 발생하는 반응이 주된 반응이며, 그 이유는 연구 중이라고 한다. 충전 시에 발생된 전자는 회로를 따라 음극으로 이동하여 전기를 충전시키고, 나트륨 이온(Na⁺)는 전해질을 통해 음극으로 이동해 음극에 저장된다. 방전 시에는 음극에서 산화 반응이 일어나고 산화 반응을 통해 발생된 전자는 회로를 따라 양극으로 이동한다. 전자가 이동하면서 저장된 에너지를 사용할 수 있다.

해수전지의 원리

장점

• 저렴한 비용
• 친환경적임
• 화재 위험이 적음
• 무한한 해수를 에너지 소재로 사용

단점

• 부피가 큼
• 세라믹 전해질을 사용하여 출력을 높이는데 한계가 있음

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.

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.

참고자료

• 고성식 기자, 〈제주소식 JTP-울산과학기술원, 해수전지 개발 공동추진〉, 《연합뉴스》, 2021-04-26
• 이준석 기자, 〈“해수전지 상용화 이끈다”…연구센터 준공〉, 《KBS뉴스》, 2020-11-15
• 최정훈 기자, 〈리튬이온 대체재로 힘 받는 ‘해수전지’… UNIST, 핵심 부품 안정성 원리 규명〉, 《인더스트리뉴스》, 2021-01-14
• 차형석 기자, 〈해수전지 사용 ‘스마트 부이’ 출시 가시화〉, 《경상일보》, 2021-03-16
• YK Research, 〈미래창조과학부 배터리가 바닷속에? 바닷물 속 나트륨을 이용하는 해수 전지〉, 《YK리서치》, 2017-01-04
• UNIST Magazine, 〈무한한 新재생에너지 바닷물로 만든다〉, 《유니스트》, 2017-06-13

같이 보기

• ESS
• 울산과학기술원
• 리튬이온 배터리

이 해수전지 문서는 배터리에 관한 글로서 검토가 필요합니다. 위키 문서는 누구든지 자유롭게 편집할 수 있습니다. [편집]을 눌러 문서 내용을 검토·수정해 주세요.

자동차 : 자동차 분류, 자동차 회사, 한국 자동차, 독일 자동차, 유럽 자동차, 미국 자동차, 중국 자동차, 일본 자동차, 전기자동차, 자동차 제조, 자동차 부품, 자동차 색상, 자동차 외장, 자동차 내장, 자동차 전장, 자동차 부품 회사, 배터리 □■⊕, 배터리 회사, 충전, 자동차 판매, 자동차 판매 회사, 자동차 관리, 자동차 역사, 자동차 인물 배터리 종류 1차전지 • 2차전지 • 3차전지 • AA 전지 • AAA 전지 • HFC • LCO • LFP • LMO • LTO • NCA • NCM • NCMA • 각형 배터리 • 건전지 • 고전압 배터리 • 고체전지 • 공기전지 • 과산화은전지 • 구반반 배터리 • 그래핀 배터리 • 금속 공기 배터리 • 나노셀룰로스 종이 배터리 • 나트륨이온 배터리 • 나트륨 황 배터리 • 납축전지 • 니켈 수소 배터리 • 니켈 카드뮴 배터리 • 다이아몬드 배터리 • 단추형 전지 • 대용량 배터리 • 대형배터리 • 동위원소 배터리 • 리튬공기전지 • 리튬 망간 배터리 • 리튬메탈 배터리 • 리튬 이산화탄소 배터리 • 리튬이온 배터리 • 리튬 인산철 배터리 • 리튬전지 • 리튬 코발트 배터리 • 리튬 티타네이트 배터리 • 리튬 폴리머 배터리 • 리튬 하이니켈 배터리 • 리튬 황 배터리 • 마그네슘 배터리 • 망가니즈전지 • 모래 배터리 • 무음극배터리 • 물리전지 • 미생물 연료전지 • 바나듐 배터리 • 바나듐 레독스 흐름 배터리 • 바나듐이온 배터리 • 바빌로니아 전지 • 박막배터리 • 박테리아 배터리 • 박테리아 종이 배터리 • 반고체 배터리 • 배터리 • 베타 배터리 • 보조배터리 • 볼타전지 • 불소이온 배터리 • 블레이드 배터리 • 비축전지 • 사원계 배터리 • 산화물 전고체 배터리 • 산화은전지 • 삼원계 배터리 • 설탕 배터리 • 세라믹 축전기 • 소금 배터리 • 소형배터리 • 수소연료전지 • 수은전지 • 슈퍼커패시터 • 습전지 • 아연공기전지 • 아연 탄소 전지(르클랑셰 전지) • 아폴로 • 알루미늄 공기전지 • 알루미늄 공기 흐름 전지 • 알칼리전지 • 얼티엄 배터리 • 에너지저장장치(ESS) • 에이터너스 • 연료전지 • 열전지 • 용융염 배터리 • 원자력전지 • 원통형 배터리 • 육둘둘 배터리 • 인섀시 배터리 • 전고체 배터리 • 전지 • 종이 배터리 • 중형배터리 • 차세대 배터리 • 초소형배터리 • 축전기(콘덴서) • 축전지 • 칼륨 배터리 • 칼슘 배터리 • 커패시터 • 코인셀 배터리 • 태양전지 • 파우치형 배터리 • 파워월 • 팔일일 배터리 • 폐배터리 • 폴리머 배터리 • 폴리머 전고체 배터리 • 프리폼 배터리 • 플렉서블 배터리 • 하이니켈 배터리 • 하이브리드 리튬메탈 배터리 • 해수전지 • 핵 배터리 • 화학전지 • 황화물 전고체 배터리 • 흐름전지(레독스 플로우 배터리) 배터리 기술 ALD • CCS • CSG • CTB • CTV • K-배터리 • MPI • MTB • NCMX • PCM • SRS • 건식분리막 • 계면 • 계면저항 • 계면활성제 • 고용량 • 고체전해질 • 고출력 • 공랭식 • 굴곡도 • 기공 • 기억효과(메모리 효과) • 냉각시스템 • 다공성 • 대용량 • 덴드라이트 • 드라이룸 • 모듈투바디(MTB) • 무기 고체 전해질 • 바인더 • 박막 • 박막화 • 방열판 • 방열핀 • 배터리관리시스템(BMS) • 배터리데이 • 배터리모듈 • 배터리 보호회로모듈 • 배터리셀 • 배터리 케이스 • 배터리 패키징 • 배터리팩 • 배터리하우징 • 배터리 히팅 시스템 • 복합전해질 • 분리막 • 블랙파우더 • 비전해질 • 사물배터리 • 산화물 • 산화물계 전해질 • 세라믹 코팅 • 세라믹 코팅 분리막 • 셀밸런싱 • 셀투바디(CTB) • 셀투비클(CTV) • 셀투섀시(CTC) • 셀투카(CTC) • 셀투팩(CTP) • 소용량 • 수랭식 • 스태킹 • 습식분리막 • 실리콘 음극재 • 실버코팅 • 안전성 강화 분리막(SRS) • 액체전해질 • 양극박 • 양극소재 • 양극재 • 양극판 • 양극활물질 • 여과 • 열폭주 • 열화현상 • 와인딩 • 용량 • 유기 고체 전해질 • 유랭식 • 음극소재 • 음극재 • 음극판 • 음극활물질 • 이온전달막 • 이온전도도 • 이온화 • 저용량 • 저출력 • 전고체 • 전구체 • 전지박 • 전해액 • 전해질 • 전해질막 • 점프 • 점프케이블 • 정격용량 • 정격전압 • 제로모듈 • 젤리롤 • 집전체 • 출력 • 침출 • 콤퍼레이터 • 티본 레이아웃 • 파우치 • 패스웨이 • 폐양극재 • 활물질 • 황화물 • 황화물계 전해질 • 히트싱크 • 히트파이프 • 히트펌프 배터리 제품 1865 배터리 • 2170 배터리 • 4680 배터리 • 기린 배터리 위키 : 자동차, 교통, 지역, 지도, 산업, 기업, 단체, 업무, 생활, 쇼핑, 블록체인, 암호화폐, 인공지능, 개발, 인물, 행사, 일반