일본산업뉴스요약

재생 에너지를 효율적으로 저장
나트륨이온전지

▶나트륨이온전지: 저렴하고 매장량도 풍부한 나트륨을 전자의 왕래에 사용한 것이다. 전해질을 액체가 아닌 고체인 ‘전고체배터리’ 등과 함께 차세대 배터리의 유력 후보라고 알려져 있다. 안전성이 높은 전고체배터리는 전기자동차용에 적합, 나트륨이온전지는 전력을 저장하는 용도로 유망시 되고 있다.
나트륨이온전지의 기본적 구조는 리튬이온전지와 거의 같지만, 나트륨이온은 잘 움직이기 때문에 출력을 높이기 쉽다고 한다. 또한 리튬이온전지의 기존 설비 전용이 가능하다. 나트륨이온은 리튬이온에 비해 크기가 크기 때문에 전용 전극 재료가 필요하다. 현재 국내외 연구기관 및 기업에서 재료 연구가 이어지고 있다.

태양광과 풍력과 같은 재생 가능 에너지의 안정적 공급에 꼭 필요한 차세대 배터리 ‘나트륨이온전지’의 수명과 성능을 높이는 기술 개발이 연이어 추진되고 있다. 미쓰비시케미칼과 도쿄대학은 각각 리튬이온전지 수준으로 수명을 늘리는 기술을 개발. 도쿄이과대학은 용량을 30% 확대했다. 나트륨이온전지는 계속 사용할 경우 수명과 성능이 감소된다는 문제가 있어, 연구 기관들은 재생 에너지의 잉여 전력을 저장하는 용도로 나트륨이온전지의 실용화를 목표로 하고 있다.

-- 미쓰비시케미칼∙도쿄대학: 수명을 ‘리튬이온전지’ 수준으로 --
나트륨이온전지는 리튬 대신 나트륨을 전자의 왕래에 사용한 것이다. 사용되는 나트륨은 육지와 바다에 대량 분포되어 있고, 코발트와 같은 희귀금속은 사용되지 않기 때문에 가격 경쟁력이 높다고 알려져 있다.

재생 에너지는 기상 조건에 따라 발전량이 크게 달라지기 때문에 축전기와 조합해 송전망으로의 전력 공급량을 평준화할 필요가 있다. 가격이 싸고 에너지 밀도가 높은 나트륨이온전지는 전력 저장을 위한 축전지에 적합하다고 기대를 모으고 있다. 하지만 충∙방전을 반복할 경우 전해액과 전극의 열화(劣化)로 수명이 짧아진다는 단점이 있었다.

미쓰비시케미칼은 전해액에 추가되어 부극의 표면에 보호막을 만드는 물질을 개발했다. 전해액의 분자 등이 표면에 침투해 분해하는 것을 막는 것으로, 이로 인해 충전과 방전을 3,500회 정도 반복해도 용량은 60% 이상 유지되었다. 재생 에너지의 축전지로는 충∙방전 5,000회 이상, 10년 간 사용할 수 있는 것이 요구되고 있어 이번 개발로 실용화에 가까워졌다고 미쓰비시케미칼은 보고 있다.

도쿄대학의 야마타(山田) 교수팀은 물질∙재료연구기구 등과 함께 나트륨을 전해액에 많이 녹여 전해액과 전극의 수명을 늘린 기술을 개발했다. 전해액 안의 거의 모든 용매 분자가 나트륨이온을 둘러싸면서 충∙방전 중에 손상되는 것을 막을 수 있다. 실험에서는 1년 이상 충∙방전을 반복한 결과 거의 열화되지 않았다고 한다.

-- 도쿄이과대학; 축적 용량 3% 증가 --
축적 용량을 늘린 성과도 나왔다. 도쿄이과대학의 고마바(駒場) 교수와 구보타(久保田) 강사 팀은 정극 재료에 마그네슘을 혼합한 결과, 전극에 축적되는 전기가 약 30% 증가해 리튬이온전지과 같거나 그 이상의 수준을 달성한 것을 확인했다. 이 재료는 공업용으로 생산되는 탄산나트륨 등을 사용해 가열할 경우 간단히 합성할 수 있다. 고마바 교수는 “리튬이온전지보다 약 20% 저렴하다”라고 말한다.

미국과 유럽, 호주 등에서는 재생 에너지의 저장용으로 축전지가 보급되기 시작했다. 일본도 재생 에너지를 향후 주력 에너지원으로 삼을 방침으로, 앞으로 축전지 이용 움직임이 본격화될 전망이다. 조사 회사의 후지경제(도쿄)에 따르면, 전력 저장용 축전지의 세계 시장 규모는 2016년의 1,649억엔에서 2025년에는 4.7배 증가한 7,792억엔으로 급성장한다.

전력 저장용 축전지에는 리튬이온전지뿐만 아니라 나트륨유황(NAS)전지와 레독스 플로우(Redox Flow)전지가 있다. 리튬이온과 레독스 플로우는 고가의 재료가 사용되고, NAS는 가열할 필요가 있어 장치가 대형화된다. 나트륨이온전지의 기술적 과제는 현재 해결되어가고 있는 단계로 향후 전력 저장의 핵심으로 부상할 것으로 보인다.

▶ 차세대 배터리와 나트륨이온전지 비교

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