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Nikkei X-TECH_2021.5.31

콘크리트 2차전지 등장
빌딩이 통째로 건전지로, 비상용 전원으로 활용 가능

스웨덴의 칼머기술대학교(Chalmers University of Technology)의 연구자는 콘크리트를 충방전이 가능한 배터리 ‘Rechargeable Concrete Battery(콘크리트 2차전지)’로 하는 기술을 개발했다. 기술적으로는 아직 과제가 남아 있지만, 향후 성능 향상에 따라서는 빌딩 전체가 거대한 2차전지가 돼서 대용량의 비상용 전원이 될 가능성이 등장했다.

칼머기술대학교의 다른 연구자가 탄소 강화 섬유를 2차전지로 한 ‘구조체 배터리’를 발표한지 얼마 되지 않았다. 다양한 구조 재료에 배터리와 같은 기능성을 부여하는 시도가 활발하게 이루어지고 있는 것 같다.

이 콘크리트 2차전지는 정부극과 세퍼레이터가 모두 몰타르라고 불리는, 모래를 많이 포함한 다공질 콘크리트로 되어 있다. 단, 전고체 배터리는 아니다. 세퍼레이터의 모르타르에는 이온교환수지를 약 15 중량% 정도 추가하고, 수산화칼륨(KOH)과 수한화리튬(LiOH) 수용액을 함침시켜 이용하기 때문이다.

정극 활물질은 니켈(Ni) 및 그 수산화물 Ni(OH)2, 부극 활물질은 철(Fe)과 그 수산화물 Fe(OH)2이다. 이것 만으로는 도전성이 낮기 때문에 도전 조제(助劑)로서 0.5 중량% 전후의 탄소섬유(CF)를 추가한다. 집전체에는 그물 상태의 CF를 사용하지만, 정극 측에서는 Ni를, 부극 측에서는 Fe를 CF 메쉬에 도금해 이용한다.

전해액에 Li이온은 있지만 배터리로서는 이른바 Li이온 2차전지(LIB)가 아니라 굳이 말하자면 ‘수산화물 이온(OH-) 2차전지’다. 이는 콘크리트를 알칼리성으로 유지하기 위한 제약일지도 모른다. 콘크리트는 본래 pH가 12 이상의 알칼리성으로, pH가 중성으로 기울면 콘크리트 자체나 철근의 열화가 급속하게 진행된다.

-- 에너지 밀도가 한 자릿수 높다면 --
그러나 현재로서는 에너지 밀도 등의 성능은 아직 발전하고 있는 도중이다.

시작(試作)한 가로세로 9cm(전극부분), 두께 약 9mm 배터리의 초기 에너지 용량은 57.6mWh다. 체적 에너지 밀도는 0.8Wh/L로, 일반적인 LIB의 수백 분의 1로 상당히 작다. 또한 에너지 용량은 충방전 사이클 6회면 초기 용량의 약 86%로 저하된다. 게다가 4회부터 급속하게 용량이 감소한다.

또한 콘크리트 2차전지라고 해도 이용할 수 있는 것은 콘크리트 표면에서 깊이 방향으로 1cm 정도 부분까지다. 즉, 빌딩을 배터리로 사용한다고 해도 이용할 수 있는 것은 콘크리트 표면 부분뿐이다.

이번 배터리의 에너지 밀도를 단위 표면적당으로 보면 약 7Wh/㎡다. 가령 10층짜리 건물에서 바닥 면적이 가로세로 30m의 빌딩에서 이용할 경우, 콘크리트가 바닥 전면에 시공되어 있다(외벽은 전면 창으로 하고, 기둥은 제외)고 한다면, 그 표면적은 30m×30m×11층×2면=1.98×104㎡다. 이를 전부 배터리로 하면 최대 약 139kWh의 에너지 용량이 된다.

연구자는 이 배터리의 용도로서, “다리나 고속도로 자체를 배터리로 해서, 거기에 태양광 발전으로 전기를 충전한다. 그리고 그 전력으로 도로 상태를 모니터링하는 용도 등을 생각할 수 있다”라고 말한다. 콘크리트 철근의 산화 방지를 위해 예방적으로 미약한 전류를 통하게 하는 ‘전기 방식’의 전원으로서 사용하는 것도 상정 용도 중에 하나다.

단, 이 기술의 진짜 목적, 목표는 대용량 축전 시스템으로서 비상용 전원이나 재생가능 에너지 발전량의 계절간 변동을 평준화하는 데 사용하는 것일 것이다. 그렇다면 충방전 사이클의 길이는 그다지 중요하지 않게 된다. 흔히 빌딩의 수명이라고 하는 50년간 ‘배터리 교환’은 불필요하게 된다. 그러나 그 실현을 위해서는 아직 에너지 밀도가 적어도 한 자릿수 부족하다.

구체적으로는 139kWh는 미국 테슬라의 EV 1대의 LIB의 100kWh보다 다소 많은 정도다. 한편, 이용하는 Ni의 양은 1㎡당 약 0.27kg/㎡다. 위에서 말한 10층짜리 건물 전체로 보면 약 5.4톤이나 되며, Ni의 조달 비용만 750만 엔을 초과하게 된다. 덧붙여서 테슬라를 포함한 최신 EV용 LIB의 가격은 약 1만 5,000엔/kWh다. 139kWh라면 200만 엔 정도면 된다. 이번 콘크리트 2차전지에서의 Ni의 이용 효율이 현저히 낮은 이유다. 이대로라면 빌딩 전체를 배터리로 한다는 대의명분은 서지 않는다.

Ni의 이용 효율을 대폭으로 높이거나 또는 정극 활물질에 Ni가 아니라 저가의 재료를 이용하면서 에너지 밀도 값을 10배로 높일 수 있다면 10층짜리 빌딩 전체에서는 1.39MWh. 1층마다 139kWh의 전력량을 사용할 수 있게 되고, 비상용 전원 등으로서 도입 이점을 논할 수 있게 된다.

 -- 끝 --

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