배터리 산업의 신기술(feat. 해수전지, 나노셀룰로오스, 바나듐 이온 배터리)

배터리 산업에서의 신기술은 생산자 중심의 산업으로 변화하면서, 에너지가 국가 소유 지배구조인 독과점적 산업구조에서 벗어나고 있습니다. 이러한 변화로 인해 전통적인 배터리 기술의 한계를 극복하고 성능을 높이기 위한 노력이 이루어지고 있습니다. 이번 포스팅에서는 이러한 신기술에 대해 다루고자 합니다.

<목차> 1. 종이로 만드는 친환경 배터리, "나노셀룰로오스" 2. 폭발하지 않는 "바나듐 배터리” 3. 바닷물을 이용한 "해수전지"

1. 종이로 만드는 친환경 배터리, "나노셀룰로오스"

나노셀룰로오스는 구멍이 많아 기존 배터리에서 사용되는 플라스틱 분리막을 대체할 수 있습니다.

< 출처: 나노셀룰로오스_국립산림과학원. https://nifos.forest.go.kr >

셀룰로오스는 종이를 만들기 위한 나무의 주요 원료로, 약 40% 정도를 차지합니다. 이 셀룰로오스 입자를 나노 사이즈로 가공하여 '나노종이'를 만들 수 있습니다. 나노종이는 구멍이 많아 기존 배터리에서 사용되는 플라스틱 분리막을 대체할 수 있습니다. 이러한 나노종이를 이용하여 만들어진 플렉시블 종이 리튬 이온 배터리는 전극과 분리막을 일체화시키는 방식으로 만들어졌습니다. 이렇게 함으로써 나노종이 분리막 양쪽면에는 각각 양극과 음극 역할을 할 수 있는 물질을 입힐 수 있게 되었습니다.

셀룰로오스는 (CHO) 분자식을 가진 고등 식물의 세포벽 중요한 성분입니다. 이러한 셀룰로오스는 섬유소(纖維素)라고도 불리며, 매우 중요한 역할을 합니다.

기존 리튬 이온 배터리에서는 전극, 양극, 음극, 분리막이 각각 분리되어 있었습니다. 이 때문에 전극을 만들 때 알루미늄과 구리와 같은 금속 물질이 필요하였고, 외부에서 큰 힘을 가하면 서로 분리될 수도 있었습니다. 그러나 나노종이로 만든 '전극 일체형 분리막'은 휘거나 외부에서 큰 힘을 가해도 안정적으로 작동하여, 기존 배터리보다 충·방전 효율이 3배나 높아 고출력 배터리로 활용할 수 있게 되었습니다. 또한, 이러한 배터리가 친환경적인 나무 소재로 이루어졌다는 점에서 더 큰 의의가 있습니다. 이러한 배터리의 생산과 사용으로 인하여, 전통적인 배터리와 달리 환경 오염 문제를 줄일 수 있을 것입니다.

 

나노셀룰로오스에 대한 연구는 진행되고 있나요?

국립산림과학원에서는 국내 유통되는 펄프를 이용하여 나노셀룰로오스를 제조하는 공정을 제어하여, 양산 입자의 특성 분류 체계를 마련하고, 나노셀룰로오스 기반의 3차원 다공성 나노 구조체 제어 기술 연구를 통해, 첨단 기술 기반의 목적으로 나노셀룰로오스에 대한 연구를 진행 중입니다.

해당 연구 내용은 다음과 같이 정리됩니다.

• 펄프의 화학적 전처리에 따른 나노셀룰로오스 제조 기술 확보 및 microfluidizer 공정 단계별 전력량 확보
• 제조된 나노셀룰로오스의 등급화(나노입자 분극)을 위한 핵심 평가 기술 확보
• TEMPO 산화 시스템(TEMPO/NaClO/NaBr 및 -/NaClO2)에 대한 경제적 생산 공정 기술 확보
• 국산 펄프 기반 다공 구조체 제조 및 표면 전하 도입에 따른 필터 성능 개선
• 천연 고분자를 이용한 화학적 접합 기술 확보, pH 감응 스마트 센서 제조 기술 확보

다음은 이와 같은 연구의 기대 효과입니다.

• 국내 나노셀룰로오스 양산 인프라 구축을 위한 경제적 모델 및 가이드라인 제공
• 양산된 나노셀룰로오스 기반 응용소재의 성능 검증을 통해 상용화 가능성을 확보하고, 조기 산업화에 기여
• 나노셀룰로오스 신산업 기반 기술 확보를 통한 미래 산업 성장 대응

 

2. 폭발하지 않는 "바나듐 배터리”

바나듐 배터리는 양극과 음극에 사용된 바나듐 전해액이 산화 또는 환원되면서 충전과 방전됩니다.

< 바나듐 배터리 구조>

바나듐 배터리(Vanadium battery)는 양극과 음극이 액체 바나듐으로 된 전해액을 이용하는 배터리입니다. 바나듐 레독스 배터리(Vanadium redox battery) 또는 바나듐레독스 흐름 배터리(VRFB, Vanadium Redox Flow Battery)라고도 합니다. 바나듐 레독스 배터리는 양극과 음극에 사용된 바나듐 전해액이 산화 또는 환원되면서 충전과 방전됩니다. 이 배터리는 기존 2차 전지와는 달리 전해액(Electrolytes) 내의 활물질(Active material)이 산화-환원되어 충·방전되는 시스템으로 전기에너지를 전해액의 화학적 에너지로 저장시키는 전기화학적 축전장치라는 차이점이 있습니다. 실제 전기 화학적 반응은 스택(Stack)에서 일어나며, 전해액은 유체 펌프를 이용해 스택 내부에 지속적으로 순환됩니다.

 

드릴로 뚫어도 폭발하지 않는 배터리 소재는 있을까요?

요즘 대학 캠퍼스에서는 많은 사람들이 전동 킥보드를 사용하고 있습니다. 그러나 충전 중에 화재 사고가 많이 일어나고 있습니다. 이는 전동 킥보드에 장착된 리튬 이온 배터리의 과열 때문입니다. 이에 대해 리튬 이온 배터리의 위험성을 대체할 수 있는 높은 강도를 갖는 원소인 바나듐(Vanadium)이 떠오르고 있습니다. 바나듐은 강철에 소량 첨가하면 강도를 크게 높일 수 있어서 고속 절삭공구나 크랭크 축처럼 높은 강도를 요구하는 장비의 소재로 많이 사용됩니다. 또한 연성과 전성 능력이 좋아서 가공이 수월하고 황산이나 염산, 또는 강알칼리 등을 만나도 부식하지 않는 뛰어난 내부식성까지 갖추고 있습니다.

바나듐계 레독스흐름 배터리(VRFB)는 크게 스택, 전해질, 그리고 전해질을 순환시키기 위한 펌프로 구성됩니다. 스택은 전기화학적 반응이 일어나는 곳으로 전체 시스템의 출력은 스택의 크기와 개수에 의해 결정됩니다. 이때 에너지는 양 극과 음극의 전해질에 저장되므로 배터리의 에너지 용량은 전해질 탱크에 담긴 전해질의 양에 의해 결정됩니다. 그러나 바나듐 배터리는 리튬 이온 배터리보다 2~3배 이상의 공간을 차지하기 때문에 전기자동차나 스마트폰용 배터리로는 사용하기에는 적합하지 않습니다.

 

표. 리튬 이온 배터리와 바나듐 배터리의 장단점 비교

구분	리튬 이온 배터리	바나듐 배터리
장점	- 시스템에 적용된 에너지 효율이 90% 이상 수준으로 유지 - 부피가 발전용량에 따라 다르지만, 최소화 가능	- 양극의 전해질이 각각의 탱크에 분리돼 화재 위험이 없음 - 전해질 및 소모품을 제때 교체하면 수명이 최소 20년
단점	- 충전 방전 사이클이 약 3,000회로 수명이 짦음 - 양극과 음극이 맞닿을 수 있어 화재의 위험이 큼	- 시스템에 적용된 에너지 효율이 70% 수준임 - 설치 시 탱크가 필요해 부피를 차지함

 

3. 바닷물을 이용한 "해수전지"

해수전지는 바닷물의 나트륨과 물의 반응을 통해 생산된 전기 에너지로 작동하는 전지입니다.

최근에는 고압 압축이나 저온 액화와 같은 기존의 수소 저장 기술과는 달리 상온과 상압에서 수소를 저장하고 추출할 수 있는 해수전지 기반 수소 저장 시스템을 개발했습니다.

해수전지는 나트륨과 물의 반응을 통해 수소를 추출하는 기술로, 무한한 바닷물을 이용해 생산된 전기 에너지로 작동하는 전지입니다. 우리나라는 현재 세계에서 유일하게 해수전지 원천 기술 보유국이며, 앞으로 이 기술을 개발하고 사업화할 예정입니다.

기존의 수소 저장 기술은 반응한 금속은 재사용이 어려웠으나, 이번에 개발한 시스템은 해수전지가 지속적으로 나트륨을 환원시켜 사용이 가능하며, 수소를 생산하고 저장할 수 있는 에너지 저장 시스템으로 이번 기술은 일석이조의 효과를 가져올 것입니다.

현재 수소 저장 기술은 350 ~ 700기압의 고압이나 영하 253℃ 초저온 액화를 이용하는데 에너지 비용이 많이 들며 안전 문제도 있습니다. 반면 UNIST가 개발한 해수전지는 충전 중에 알칼리 금속이 재생되고 전기를 뽑아내는 방식입니다. 방전 중에는 나트륨이 물과 반응해 수소가 추출되는 원리를 이용합니다. 이를 통해 나트륨을 계속 재사용할 수 있으며, 실제 시스템 작동 환경에서 실험한 결과 99.1%의 패러데이 효율을 보였습니다. 해수전지 크기를 실험실 수준 40배 이상으로 늘린 시스템에서도 94.7%의 효율을 기록할 정도로 우수한 성능을 가지고 있습니다.

무한한 바닷물을 이용하는 해수전지 시스템은 수소 저장과 생산이 동시에 가능한 신 개념 수소 저장 기술을 기반으로 하여 스마트 수소 스테이션과 같은 수소 생산·저장·운송이 필요한 다양한 분야에서 활용할 수 있습니다.

 

표. 해수전지와 리튬이온전지의 장단점 비교

구분	리튬이온전지	바나듐 배터리
장점	- 자연 방전이 거의 없음 - 가벼움 - 메모리 효과 없음	- 저렴한 비용 - 화재의 위험이 적음 - 친환경적임 - 무한한 해수를 에너지 소재로 사용
단점	- 비용이 비쌈 - 폭발 위험이 있음 - 희소한 자원을 에너지 소재로 사용 - 온도에 민감함	- 부피가 큼 - 세라믹 전해질을 사용해 출력을 높이는데 한계가 있음