나트륨 이온 염수 배터리 (Sodium-Ion Saltwater Batteries)

기술

나트륨 이온 염수 배터리(SIB Salt)는 나트륨 이온 배터리의 하위 유형입니다. 최초의 상업용 나트륨 이온 염수 배터리는 충방전을 반복할 수 없는 1차 배터리로 1943년에 개발되었지만, 충방전이 가능한 2차 배터리에 대한 연구가 활발히 시작된 것은 불과 지난 10년밖에 되지 않았고 그 결과 Aquion 및 BlueSky Energy와 같은 회사들로부터 최초의 나트륨 이온 염수 배터리 시스템이 시장에 출시되었습니다. 따라서 TRL 수준은 TRL 9로 분류할 수 있습니다. 그러나 일부 시스템은 아직 경제적으로 경쟁력이 없기 때문에 경제적 타당성에 대한 추가 연구가 필요합니다.

원칙적으로, 염수 전지에는 두 가지 유형이 있습니다. Aquion에서 생산한 것과 같은 폐쇄형과 부분적으로 개방형 시스템을 가진 해수 전지 (Seawater batteries)입니다.

 

나트륨이온 염수 배터리 (Na Ion saltwater batteries)의 개략도

해수 전지는 일반적으로 유기 전해질이 있는 폐쇄형과 수용성 전해질이 있는 개방형으로 구성됩니다. 두 시스템 모두 고체 Na 확산막에 의해 서로 분리되고 음극 측에는 일반적으로 Na+의 원천으로 사용되는 염수에 넓은 표면적을 제공할 수 있는 친수성의 그물 모양 탄소 종이가 있는 집전체가 포함되어 있습니다. 음극 측에는 주로 하드카본과 같이 Na 금속이나  Na이온이 삽입될 수 있는 재료를 사용합니다. 해수 배터리는 종종 한쪽에는 유기 전해질, 다른 쪽에는 수성 전해질이 포함되는 반면, 염수 배터리는 일반적으로 하나의 공통 수성 전해질만을 사용합니다.

해수전지 (Seawater batteries)의 개략도

해수 배터리의 중량 에너지 밀도는 일반적으로 < 150 Wh/kg로 비교적 낮습니다. 그 이유는 음극 및 양극 재료 선택에 대한 제한과 그로 인해 발생하는 낮은 작동 전압에 있습니다.

해수 배터리의 체적 에너지 밀도는 일반적으로 약 12–24 Wh/l입니다. 용량은 재료에 따라 넓은 범위를 갖습니다. 분리막으로 β″-Al2O3을 음극으로 하드카본을 사용하는 경우 10 mAh/g에서 분리막으로 NASICON을 음극으로 적인 (red phosphorus)을 사용하는 경우에는 900 mAh/g에 이르는 용량을 냅니다. 해수 배터리의 수명은 일반적으로 20에서 100 사이클 사이이며, 쿨롱 효율은 76%에서 98% 사이입니다.

해수 배터리의 가장 큰 기술적 과제는 음극 및 양극의 수명을 늘리는 것입니다. 특히, 수성 매체에서의 안정성을 높이고 부반응에 대한 저항성을 증가시키기 위해 양극 재료를 최적화하는 것이 여전히 도전 과제입니다. 또한 수성 염수에서 분리막의 안정성이 제한되어 있어 낮은 전기화학적 성능과 낮은 쿨롱 효율로 이어집니다. 마지막으로, 양극에서의 촉매로서의 신선한 해수를 지속적으로 공급해야 하며, 그렇지 않으면 셀 효율성이 크게 떨어집니다.

 

염수 배터리는 LIB보다 낮은 전압(약 최대 1.3–1.7 V)을 가지며, 더 높은 전압에서는 물 분자가 수소와 산소로 분해될 수 있습니다. 그러나 Na bis(fluorosulfonyl)imide를 사용하고 전해질의 염 농도를 높여 거의 과잉 물이 없도록 하여 전압을 2.6V까지 높이기 위한 시도도 진행 중입니다.

작동 전압이 낮아 에너지 밀도가 낮으면 동일한 배터리 성능을 달성하기 위해 더 많은 셀을 필요로 하므로 무게와 부피가 증가될 수밖에 없기 때문에  염수 배터리는 적용가능한 애플리케이션이 중량이나 설치 공간에 대한 높은 요구를 하지 않는 제품군으로 제한이 됩니다.

 

Aquion Energy의 염수 배터리 모델들

염수 배터리도 체적 및 중량 에너지 밀도가 해수 배터리와 유사합니다. 예를 들어, Aquion Energy의 배터리(Aspen 48S–2.2)는 약 25 Wh/l의 체적 에너지 밀도를 달성했습니다. 염 농도를 증가시키면 전압이 증가하면서 에너지 밀도를 상당히 증가시킬 수 있습니다. 회사의 발표에 의하면 Aquion 배터리의 수명은 3,000 사이클 이상(70% SOH)입니다. 또한 전압 0까지 방전하는 DOD 100% 까지의 깊은 방전이 가능하여 LIB와 같은 회복 불가능한 손상을 일으키지 않습니다. 염수배터리의 수성 전해질은 배터리의 열 변동을 완충하며, 전해질은 인화성이 없고 독성이 없습니다. 따라서 염수 배터리 셀은 매우 안전하다고 할 수 있습니다.
염수 배터리가 직면한 주요 과제는 에너지 밀도를 높이기 위해 셀 전압을 더욱 증가시키는 것입니다.

 

응용 분야와 시장 현황

현재까지 시장에서 성숙한 상태임에도 불구하고, 염수 배터리는 여전히 틈새 제품으로 간주될 수 있습니다. 비교적 낮은 에너지 밀도와 그로 인한 공간 요구 사항 때문에, 특히 대형 고정형 ESS, 그리드 저장, 또는 (개인용) 태양광 및 풍력 발전에서 나오는 전기의 중간 저장소와 같은 고정형 응용 분야에 적합합니다. 높은 내재적 안전성 덕분에 소금물 배터리는 학교나 병원과 같은 시설에서도 고려될 수 있습니다.

해수 배터리의 경우 소금물을 제공하기 위한 추가 설계 조정이 없으면 해안 지역으로 사용지역이 제한될 수밖에 없기 때문에 주로 등부표나 수질 모니터링 스테이션과 같은 해양 공공시설에 적합합니다.

해수배터리 (Seawater batteries)의 응용분야

비용, 자원, 생산 및 공급망

염수물 배터리는 비교적 저렴한 원자재로 구성되어 있습니다. 원자재 비용이 전체 비용에 큰 영향을 미치기 때문에, 배터리 비용을 낮출 수 있는 큰 잠재력이 있습니다. 그러나 낮은 에너지 밀도는 저장 용량의 kWh당 비용에 영향을 미치며, 더 많은 셀이 필요합니다. 또한, 아직 대량 생산이 이루어지지 않아 규모의 경제를 실현하지 못하고 있습니다. 2016년 Aquion의 소금물 배터리 비용은 약 880 USD/kWh로 추정되었습니다. BlueSky가 Greenrock 브랜드로 판매하는 배터리의 가격(비용 아님)은 kWh당 약 1,000 USD를 약간 넘습니다. 그러나 대규모 생산을 가정할 경우, 약 200 USD/kWh의 낮은 비용을 달성할 수 있을 것으로 예상됩니다.
소재 측면의 이점 외에도, 염수 배터리는 클린룸 조건에 대한 요구 사항이 낮고, 유해하거나 위험한 물질에 대한 특별한 처리가 필요하지 않습니다. 이는 또한 에너지가 많이 드는 건조 공정에서 에너지 수요를 줄이는 결과를 가져옵니다.

 

지속 가능성

Na 염은 이미 대량으로 확보 가능하며 원자재도 풍부합니다. 지구의 약 2/3를 덮고 있는 바닷물은 Na 농도가 약 11g/l로, Na-이온을 위한 사실상 무한한 자원창고입니다. 
염수 배터리와 해수 배터리는 중요한 원자재나 유독성 물질이 없기 때문에 매우 지속 가능한 배터리로 간주될 수 있습니다. 지속 가능성 측면에서 유일하게 문제 될 수 있는 것은 전극 침전 과정에서 N-메틸-2-피롤리돈(NMP)이 사용될 가능성입니다. 염수배터리 셀의 구조는 수계 ZIB 셀과 비교할 수 있기 때문에, CO2 배출량도 kWh당 30-50 CO2 eq 범위에 있을 것으로 예상됩니다. 
재활용에 관해서는 아직 구체적인 연구가 없지만, 사용된 재료와 관련하여 큰 문제가 예상되지는 않습니다. 다만, 세라믹 멤브레인을 제외하고는 비용이 많이 드는 재료가 부족하여 재활용이 경제적으로 수익성이 낮을 수 있다는 점이 잠재적인 장애물입니다.

 

출처: Alternative Battery Technologies Roadmap 2030+ (Fraunhofer ISI report)