[Remake][배터:Reader] 바다의 진리를 넘는 에너지, 해수배터리 읽기

[Remake][배터:Reader] 바다의 진리를 넘는 에너지, 해수배터리 읽기

대학생신재생에너지기자단 26기 류호용

17기 백도학  선배님의  "바다가 주는 무한한 에너지 '해수전지'" 기사의 Remake 버전입니다. 기사 작성에 도움을 주시고 배려해 주신 17기 백도학 선배님에게 감사드립니다.

 

차세대배터리: ESS의 시대에 살고 있다

[자료 1. ESS를 주목하는 이유]

출처 : 배터리인사이드

우리는 감히 이차전지(Secondary Battery)의 시대에서 살아가고 있다. 기존 리튬이온배터리(LIB)가 지배하는 현실에서 고에너지밀도를 위한 더 좋은 소재, 배터리를 강구하며, 안정성을 보장받기 전고체(All-solid state Battery)로의 전환을 떠드는 등 새로운 시대가 열리길 학수고대(鶴首苦待)하고 있다. 그러나 이러한 차세대(Next-Generation) 배터리의 시대로 전환되길 기대하기엔 아직 많은 과제가 남아있다. 당장의 한국의 배터리 3사를 비롯한 세계적인 선두 기업들이 말로만 '전고체로의 전환'을 언급하는 것처럼 기술의 상용화는 즉각적으로 이뤄지지 않는다.

'발단과 전개'에서 잠깐 발단으로 회귀해 보자. 이차전지가 급부상하게 된 계기는 흔히 '전기차'로 알려져 있다. 그러나 현재의 이차전지가 나아갈 방향은 '전기차'만은 결코 아닐 것이다. 웨어러블 장치부터 전력계통의 전력수급의 문제를 극복하기 위해 신재생에너지, 특히 원자력에너지와 같은 에너지를 저장하기 위한 ESS(Energy Storage System) 또한 규모는 작지만, 점차 그 시장규모는 커지고 있는 추세이다. 이러한 상황에 맞춰 많은 기업들이 K-Battery 캐즘과 중국을 극복하기 위한 방향으로 ESS를 대안으로써 제시하는 상황이다.

솔직히 한국의 이차전지를 비롯해 전기차는 중국에게 상대가 되지 않는다. 가격적인 면에서, 또 기술적인 면에서 중국을 이기고 싶어도 이길 수는 없고, 이제는 한국 기업에서 중국 기술자를 섭외할 만큼 많이 뒤처져 있는 상황이다. 이러한 상황에서 ESS를 언급하는 것은 우리의 자존심을 지키는 것처럼 느껴진다. 우리는 이러한 암울한 이차전지의 시대에서 살아 숨 쉬고 있다.

이번 시리즈의 주제는 위와 같은 '자존심'에서 시작한다. 이차전지 기술에는 정말 많은 종류가 있지만, 그중에서 '한국의 장점을 살릴 수 있는 이차전지'라는 질문에 대해 이번 시리즈로부터 대답해 보고자 한다. 본 기사에서는 질문에 대한 대답으로 '해수배터리(Sea Water Battery, SWB)'에 대한 정의와 더불어 '가능성(Possibility)'을 다루고자 한다.

 

무한한 바다, 무한한 에너지

많은 독자들은 지구의 70%는 물로 구성돼 있고, 그 물의 95%는 바다, 즉 해수라는 사실에 반박하지 못할 것이다. 대중적인 사실이기 때문이다. 이와 더불어, 대한민국은 3면이 바다로 둘러싸인 국가로, 오랜 역사 동안 무역의 중심지로 현재는 부산·인천 등 항만을 바탕으로 원활한 무역이 이뤄지고 있다. 또한 원자력발전소의 냉각수를 공급하기 위해 서해의 '한빛', 동해의 '고리'·'월성'·'한울' 등 원자력발전소가 집중적으로 위치해 있다.

이러한 원자력발전소가 만들어내는 전기는 태양열, 풍력 등 신재생에너지원의 전력단가보다 매우 저렴한 편이다. 그렇다면 '바다'라는 지형으로부터 또 다른 에너지를 얻을 수 있다면, 그것은 감히 일석이조(一石二鳥)일 것이다. 이러한 해수를 에너지원으로 활용할 수 있는 이차전지 기술을 해수배터리(Sea Water Battery, SWB)라고 한다.

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[자료 2. 해수배터리 모식도]

출처 : UNIST YK RESEARCH

해수배터리는 해수 속에 용존하는 Na+와 용존산소(DO)를 바탕으로 구동된다. Na+의 이온 이동이 주된다는 점은 최근 중국에서 상용화 가능성을 기고한 소듐이온배터리(Sodium Ion Battery, SIB)을 구상시키지만, 이와 달리 해수배터리는 고체상 양극소재가 아닌 자연적인 해수를 활용한다는 점이 구별된다. 이러한 해수배터리는 기존 LIB에 비해 낮은 양극 제조 비용 및 풍부한 원자재를 공급할 수 있으며, SIB와 LIB와 비교해서도 높은 화재 안정성을 자랑한다. 

특히 대한민국에서 울산과학기술원(UNIST)은 SWB에 대한 연구를 주도적으로 이어가고 있다. 그 이유는 UNIST 에너지화학공학과 김영식 교수 연구팀이 2014년 SWB의 상용화 개발과 더불어 기술특허를 보유하고 있기 때문이다. 이러한 연구 성과에 맞춰 현재는 UNIST는 에너지화학공학과의 주도 아래 '해수자원화기술연구센터'를 운영하며 해수배터리의 경쟁력을 세계적인 무대에서 높이는 데 기여하고 있다.

 

[자료 3. 해수배터리의 충방전 과정 및 해수담수화, 탄소포집 반응 매커니즘]

출처 : 한중해양과학공동연구센터

해수배터리의 구동에 대해 알아보자. 충전(Charge)의 경우 해수 수용액에 녹아있는 NaCl이 충전을 위한 전압(Voltage)에 의해 Na+와 Cl-로 전기분해되며 염소기체(Cl2)와 전자(electron)를 발생시킨다. 방전(Discharge)의 경우 해수에 녹아있는 Na+와 물, 산소(O2), 그리고 전자가 결합해 NaOH를 생산한다.

해수배터리는 '배터리'로서 용도를 넘어, '해수담수화'의 역할을 수행할 수 있다. 해수배터리는 이온화 상태의 NaCl을 이용해 전기를 생산하는데, 충전과정에서 바닷물의 NaCl이 HCl과 Na+로 분리되기 때문이다. 또한 해수배터리의 충전과정에서 바닷물에 있는 두 이온이 제거된다면, 방전될 때 생성되는 수산화나트륨(NaOH)이 바닷속 이산화탄소(CO2)와 결합해 탄산나트륨(Na2 CO3)을 만들어내어 결과적으로 '탄소포집'의 역할을 수행할 수 있다.

[자료 4. 해수배터리 상용화 제품]

출처 : 한중해양과학공동연구센터

이러한 해수배터리는 배터리가 물에 닿지 않아야 한다는 기존의 개념에 반대되기 때문에 구명조끼의 신호 발생장치, 해양 풍력 단지의 ESS 등 해양 환경에 적합한 배터리로 사용될 수 있다. 실제로 앞서 언급한 UNIST의 업적에 힘입어,  UNIST는 국방부 및 해양과학기술센터등과 공동연구로 해수배터리의 상용화 연구개발에 힘쓰고 있다. 실제로 수중에서 주행하는 드론과 잠수함, 해저터널의 에너지원으로부터 출발해 조난상황시 활용하는 구명보트와 구명조끼 등 다양한 개발이 이미 완료됐다. 이러한 해수배터리 제품은 해수와 접촉했을 경우 작동하는 원리를 이용하기도 하는데, 구명조끼의 경우 착용한 채로 바다에 뛰어들면 히터(Heater)로써 차가운 바닷물을 견딜 수 있는 역할을 비롯해 조난신호를 보내는 역할 등을 수행한다고 한다.

결과적으로 이러한 장점을 가진 해수배터리는 결과적으로 물을 사용하기 때문에 사실상 거의 무한한 에너지원이라는 점, 나아가 해수담수화 및 탄소포집과 같은 친환경성을 비롯해 현재의 LIB가 지적받는 열폭발과 같은 현상이 해수배터리에서는 일어나지 않아 안정성이 뛰어나다고 평가할 수 있다.

 

구조로 알아보는 해수배터리

[자료 5. 해수배터리 구조 및 반응메커니즘]

출처 : UNIST YK RESEARCH

해수배터리를 비롯해 배터리 자체의 성능을 평가하기 위해선 구성하는 세부적인 구조를 파악해 볼 필요가 있다. 해수배터리의 경우 LIB와 마찬가지로 양극과 음극, 전해질 등이 주되지만, 차별되는 점은 3개의 전해질로 구성된다는 점이다. 첫 번째 전해질은 양극집전체가 담긴 양극, 즉 해수이다. 두 번째는 Na+을 저장하기 위한 음극이 담긴 비수성액체전해질이다. 이 두 가지는 '배터:Reader'시리즈에서 첫 번째로 읽었던 배터리, 레독스흐름전지(RFB)와 동일하게 'Cathylte &Anolyte'라는 용어를 사용하기도 하지만, 그 역할은 차이가 있다. 마지막은 전해질보단 선택적으로 Na+ 투과를 위한 분리막의 역할에 가까운 고체 전해질, 이른바 세라믹 멤브레인(Ceramic Membrane)이 있다. 

① Cathode

양극의 경우, 배터리의 본질이 '해수'배터리인 만큼 당연히 해수가 담겨있고, 이것이 양극재이자 양극전해질에 해당한다. 물(H2O)이 아닌 다른 액체를 전해액으로 사용한다. 일반적인 수계 전해액은 전압 범위가 좁아 에너지 밀도를 높이기 어렵다. 그러나 해수와 같은 비수성 전해질은 더 넓은 전압 범위를 제공해 에너지 밀도를 높일 수 있으며, Na+가 음극(Anode)으로 원활히 이동하도록 돕는다.

또한 풍부한 Na+을 공급하는 양극집전체(cathode current collector)가 있다. 대표적으로는 카본계열 혹은 Ag(은) 계열의 물질이 활용된다. 이러한 집전체에서는 해수배터리에서 발생하는 또 다른 반응과 관련이 있다. 앞선 설명에서는 해수배터리의 충방전과정에서의 Na+이동만을 다뤘지만, 양극에서는 OER-ORR 반응 또한 수반된다.

충전 시 OER 반응이 발생하면서 Na+가 양극으로 이동, 집전체에 삽입된다. 방전 시에는 ORR 반응이 일어나면서 양극에서 Na+가 탈삽입된다. 앞선 단락에서 충방전 과정 중 산소기체가 반응에 관여했다. 전기화학적으로 NaCl은 해리되지만, 산소는 그렇지 못하다. 따라서 반응을 위한 산소의 발생(Evolution) 및 환원(Reduction)되는 반응 또한 해수배터리가 작동하는 과정에서 필수적이며, 이는 반응속도로부터 해수배터리의 출력에 영향을 미친다.

이러한 반응은 반응속도가 매우 느리다. 따라서 양극집전체에는 백금(Pt), Pt/C와 같은 귀금속 촉매를 바탕으로 반응을 촉진하고자 한다. 이러한 모습은 리튬공기전지(Li-Air Battery)의 속성과 유사하다.

② Anode

해수에서 추출한 Na+를 저장하는 음극(Anode)은 해수전지의 에너지양과 수명을 결정한다. 주로 흑연계 소재, 이른바 하드-카본(Hard Carbon)을 바탕으로 출력을 높이고자 한다. 또한 리튬메탈배터리처럼 음극으로 금속형태의 소듐(Na)을 활용하기도 한다.

기존 소듐이온배터리와 해수전지는 마찬가지로 Na+이온을 다루지만, 셀의 구조가 다르기 때문에 해수전지만의 독자적인 방법으로 에너지 저장하는 과정에서 앞서 서술한 음극이 담긴 액체전해질을 활용한다. 액체전해질은 LIB의 전해질에서 Li+로 구성된 유기전해질을 활용하는 것처럼 SIB에 활용하는 액체전해질에 음극만이 담긴 채 구동된다.

③ 선택적 이온투과 고체 전해질

 

[자료 6. 베타-알루미나(좌)와 NASICON(우)의 결정구조]

출처 : UNIST YK RESEARCH

후자는 실제 전고체배터리에 사용되는 산화물 고체전해질과 비슷한 속성을 지닌다. 해수와 음극 사이에 위치해 Na+이온을 선택적으로 이동시켜 주고, 동시에 비수계 양극을 수계 음극으로부터 보호해 주는 분리막(Separator)으로써 역할을 한다. 현재는 수분차단성 및 화학적 안정성이 높은 산화물 NASICON (Na Super Ionic Conductor)을 사용하고 있다. 이러한 고체전해질의 경우 낮은 온도에서의 높은 이온전도성이 요구되며 Na+이온만을 투과시키는 선택성, 그리고 변칙적인 해수의 흐름(Flow)에 대한 기계물리적 강도를 갖춰야 한다.

 

해수배터리에게 주어진 과제, 점진적 해결

해수배터리는 결과적으로 물을 사용하기 때문에 사실상 거의 무한한 에너지이며 기존 리튬이온배터리의 열폭발과 같은 현상이 해수배터리에서는 일어나지 않는 등 열 제어 및 안정성이 뛰어나다. 그러나 해수배터리는 다른 모든 것들처럼 결코 '완벽'하지 못하다. 그러한 이유는 해수 자체에 대해서 고찰해 볼 수 있을 것이다.

기존에는 해수배터리가 이론적인 에너지밀도가 높다고 표현했지만, 그것이 결코 정말 높다고는 할 수 없다. 그 이유는 해수에 존재하는 Na+은 Li+보다 약 3배 이상 무거운 이온에 해당한다. 이에 따라 LIB에 비해서 충전속도가 현저히 느린 수준이다. 또한 Na+의 크기로부터 현재 사용하는 세라믹 기반 고체전해질의 특성상 이온의 이동을 방해해 높은 출력을 내지 못하는 단점 등이 있다. 이는 앞으로 고체 전해질의 두께를 얇게 하는 등의 지속적인 연구로 해결해 나가는 방향의 연구가 필요하다.

해수배터리에 용존 하는 이온들은 일종의 염분(salt)에 해당한다. 이러한 염분으로부터 부식을 비롯해 바닷물 속 이산화탄소가 나트륨과 결합한 석회 침전물이 전극에 붙어 충·방전 효율이 떨어지는 단점 또한 지적될 수 있다.

[자료 7. 해수 배터리 기반의 CO2 전기화학 전환 시스템]

출처 : 헤럴드경제

그러나 해수배터리에 대한 연구가 점진적으로 이뤄지고 있다. 대표적으로 2023년 UNIST의 이동욱 교수 연구팀은 해수전지에서 집전체로 쓰이는 티타늄 표면에 티타늄카바이드를 코팅하는 방법을 고안했는데, 이 과정에서 탄소집전체의 부식 현상을 억제했고, 코인 셀 타입의 성능평가에서 출력과 사이클 수명을 크게 향상했다.

또한 2024년, UNIST 권태혁, 강석주, 이근식 교수 공동 연구팀은 기존의 귀금속 촉매가 아닌 저렴한 탄소계 소재에 붕소와 질소 등을 도핑한 비금속 촉매에 대한 연구를 발표했다. 이는 경제성을 갖추면서도 비금속 촉매를 활용해 이산화탄소 분해를 다탄소 알코올로 합성함으로 침전물을 줄이고, 해수 배터리의 단점을 보완하는 연구를 진행했다.

또한 UNIST 이동욱 교수팀은 목재 폐기물에 존재하는 저렴한 리그닌에 요소에 포함된 질소를 도핑해 해수배터리에 걸리는 과전압을 낮추고, 에너지생산속도를 빠르게 만드는 연구 결과를 발표했다. 이는  백금기반의 촉매보다 오히려 더 낮은 과전압을 보이는 등 해수배터리를 비롯한 금속-공기배터리 등 다양한 시스템에 적용가능할 가능성을 제시했다.

이번 시리즈를 통해 해수배터리를 소개할 만큼, 해수배터리는 아직 차세대배터리에 불과하다. 넘어야 할 과제가 여전히 많이 남아있지만, 해수배터리뿐만 아니라 다양한 기술들은 난제를 극복하기 위한 연구가 끊임없이 이뤄지고 있다. 해수배터리의 이러한 연구성과로부터 단점이 하나씩 소거된다면 우리의 삶에 다가오는 날이 얼마 남지 않았음을 시사한다.

 

안전하고 지속가능한 에너지를 구현하기 위해

[자료 8. 바다에서 얻는 친환경 에너지]

출처 : Freefik

'세상에 완벽은 없다'라는 말이 있다. 아무리 뛰어난 사람 혹은 사물일지라도 결함은 존재함을 시사하면서 동시에 꾸준함을 강조하는 문구에 해당한다. 이차전지를 비롯한 기술업계에서는 이 말에 매우 공감한다. 무엇 하나를 높이려면 그 외 무언가를 포기해야 한다. 'Give and Take'와 같은 문구처럼 이 말은 세상 어디에서나 존재하지만, 이차전지 업계에겐 뼈아픈 현실이다.

이번 기사에서 시사한 해수배터리 또한 이러한 논리에서 자유롭지 않다. '차세대'가 여전히 '차세대'로 불리는 이유, 여전히 R&D를 거쳐야 할 산이 많은 것이 차세대이고, 동시에 이차전지로 동결된다. 

하지만 이 뼈아픈 문구가 언젠가는 깨질 것이라 믿는다. 이 해답이 아직 해수배터리라고 생각하지는 않는다. 급변하는 세상, 살아가는 사람들의 욕심은 급격한 기술의 상용화를 꿈꾼다. 기술은 돈만 퍼붓는다고 발전하는 것이 아니다. 인류문명 속 도구의 역사만 봐도 하나의 터닝포인트와 같은 사건이 기술의 발전을 도모한다.

아직 완벽하지 않지만 적어도 '무한', '친환경', 그리고 '독자적인 기술력'을 달성한 해수배터리에 대해 많은 관심을 바탕으로 가능성을 믿고 지켜보고자 한다. 완벽은 없다. 언젠가 도달할 세상, 대한민국에 다가올 미래에 해수배터리뿐만 아닌 우리만의 기술로 만들어진 우리의 세상이 기다리고 있을 것이다.

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배터:Reader에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "[Remake][배터:Reader] ESS로 향하는 레독스 흐름, RFB 읽기", 26기 류호용, https://renewableenergyfollowers.tistory.com/4647

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2. "[배터:Reader] 떠나간 우리 자존심은 어디에, 하이니켈 읽기", 26기 김대건, 류호용, 27기 박지은, 조희선, https://renewableenergyfollowers.tistory.com/4798

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참고문헌

[차세대배터리: ESS의 시대에 살고 있다]

1) "김응열", "K-배터리, 북미 ESS로 캐즘·중국 넘는다", 이데일리, 2025.06.07,
https://www.msn.com/ko-kr/news/other/k-%EB%B0%B0%ED%84%B0%EB%A6%AC-%EB%B6%81%EB%AF%B8-ess%EB%A1%9C-%EC%BA%90%EC%A6%98-%EC%A4%91%EA%B5%AD-%EB%84%98%EB%8A%94%EB%8B%A4/ar-AA1GaRua?ocid=BingNewsVerp

[무한한 바다, 무한한 에너지]

1) 권익만, "담수 배터리, 에너지 저장과 해수담수화 동시 해결!", UNIST News Center, 2024.07.30, https://news.unist.ac.kr/kor/20240730-3/

2) 백승제, "해수배터리 시스템 개발현황", 한중해양과학공동연구센터, 2023.06.16, http://www.ckjorc.org/ka/kaindex_newshow.do?id=2895

3) Kim, Hyoin, et al. "Metal-free hybrid seawater fuel cell with an ether-based electrolyte." Journal of Materials Chemistry A 2.46 (2014): 19584-19588.

[구조로 알아보는 해수배터리]

1) Youngsik Kim et al, "Emergence of rechargeable seawater batteries", Journal of Materials Chemistry A, 2019.7, 22803.

[해수배터리에게 주어진 과제, 점진적 해결]

1) 김용태, "UNIST "탄소집전체 부식 억제해 해수전지 성능 대폭 증가", 연합뉴스, 2023.03.20, https://www.yna.co.kr/view/AKR20230320069900057

2) 양윤정, "바닷물로 전기 저장하는‘해수전지’, 나무 찌꺼기로 성능 높인다!", UNIST News Center, 2024.02.19, https://news.unist.ac.kr/kor/20250218/

3) 정종오, "해수 배터리, 적은 용량‧부식 단점 등 해결 실마리", 아이뉴스 24, 2024.08.12, https://www.inews24.com/view/1752066