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
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.
해수 전지는 음극(Anode), 전해질, 분리막, 집전체로 이루어져 있다.
원리
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.
미래
동영상
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
같이 보기
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