바닷물로 충전하는 해수 배터리, 양극을 바닷물로 바꾼 2차전지 연구 현황

영상은 기존 배터리의 기본 구조를 짚으며 시작한다. 발언에 따르면 기존 배터리는 양극과 음극으로 이뤄진 구조가 상식으로 통하며, 이 구조는 코인셀부터 휴대폰 배터리, 대형 ESS용 배터리까지 공통으로 쓰인다. 해수 배터리는 이 상식이 달라지는 지점에서 설명이 시작된다.

해수 배터리의 핵심은 양극을 바닷물로 대체하는 것이다. 발언에서는 배터리의 크기와 무게를 그대로 두면 용량이 두 배가 될 수 있고, 용량을 그대로 두면 시스템의 크기와 무게가 절반으로 줄어든다고 설명됐다.

이 구조는 충격에도 파손이나 화재 위험이 없어 안전하다는 점과, 자원이 사실상 무한하다는 점을 장점으로 제시한다. 발언자는 이를 연구진 측의 설명으로 소개했으며, 구체적인 수치는 연구 진행 중인 실증 결과에 따른 것이다.

영상은 올해 초 세계 에너지 시장을 흔든 사건을 배경으로 제시한다. 미국과 이란의 군사적 충돌이 격화되면서 호르무즈 해협이 막혔고, 이 길목은 전 세계 해상 원유 수송량의 약 20%가 지나가는 곳이다.

발언에 따르면 국제 유가는 배럴당 72달러 수준에서 두 달 만에 118달러까지 60% 넘게 올랐다. 우리나라 원유는 70% 이상을 중동에서 들여오고 있어, 이 사건이 에너지 가격과 산업 전반에 영향을 미쳤다고 설명됐다. 영상은 이를 에너지를 안정적으로 확보하고 저장할 방법을 묻는 질문으로 이어간다.

백승재 박사는 한국해양과학기술원에서 해양 분야 신산업을 개발하기 위해 전기·전자·컴퓨터 공학도들과 함께 연구하고 있다고 소개했다. 해수 배터리는 바닷물을 활용한 배터리로, 발언에서는 해수 배터리 가운데 충전이 가능한 2차전지 형태는 이번에 소개되는 내용이 세계 최초라고 설명했다.

다만 이 발언은 상용화 단계를 뜻하지 않는다. 진행자가 상용화 시 활용처가 많을 것이라고 말하자, 백 박사는 아직 상용화 단계는 아니며 연구를 계속하고 있다고 답했다.

해수 배터리의 컨셉은 연구진이 처음 제시한 것이 아니라는 설명이 이어진다. 발언에 따르면 1869년 쥘 베른의 SF 소설 『해저 2만리』에서 네모 선장은 잠수함의 전기를 어디서 얻느냐는 질문에 바다에서 얻는다고 답한다.

소설에는 구체적인 방법도 나온다. 바닷물에 약 2.66%의 소듐 클로라이드, 즉 염화나트륨이 들어 있으며 이 나트륨을 이용해 전기를 얻는다고 적혀 있다. 해수 배터리는 이 아이디어를 현실화한 것이라고 소개됐다.

외부에서 전기를 걸어 충전하면, 바닷물에 있는 나트륨 이온이 고체전해질을 선택적으로 통과해 음극부에서 전자를 받아 나트륨 금속 형태로 저장된다. 이 과정에서 바닷물 쪽 양극부에서는 산소와 차염소산이 소량 발생한다고 설명됐다.

방전 때는 과정이 반대로 진행된다. 나트륨 금속이 녹으면서 전자가 나와 연결된 전자 제품을 구동하고, 이후 나트륨 이온은 바닷물 쪽 양극부로 이동해 산소 환원 반응을 한다. 요약하면 바닷물의 나트륨 이온을 꺼내 음극부에 넣어 두었다가, 사용할 때 음극부에 저장된 이온을 쓰는 방식이다.

리튬이온 배터리와 비교하면 가장 큰 차이는 양극과 음극 가운데 양극을 바닷물로 대체했다는 점이다. 발언에 따르면 배터리의 크기와 무게를 그대로 두면 용량이 두 배가 될 수 있고, 용량을 유지하면 시스템의 크기와 무게가 반으로 줄어든다.

발언에서는 안전성과 수명도 언급됐다. 충격에도 파손이나 화재 위험이 없어 배터리를 만드는 것이 가능하다고 설명됐고, 바닷물 속 나트륨 이온을 쓰기 때문에 열화 문제가 없으며 전량 수입에 의존하는 리튬을 쓰지 않아 기술 독립성 측면에서도 의미가 있다고 말했다. 또한 기존 리튬 배터리는 양극부 제작에 대략 전체 가격의 1/3 정도가 들어가는데, 양극이 없어 가격 절감 효과도 있다고 설명됐다.

백 박사는 해수 배터리 성능을 결정하는 핵심 기술을 크게 네 가지로 본다고 설명했다. 첫째는 나트륨 이온을 잘 통과시키는 고체전해질을 만드는 것이고, 둘째는 이 고체전해질을 넓고 얇게 만들어 전극에 잘 붙이는 기술이다.

셋째는 바닷물과 닿는 전극 부위로, 반응을 빠르게 하기 위해 촉매를 쓰는데 이 전극은 바닷물 속에서도 부식되지 않고 내구성을 갖춰야 한다. 넷째는 음극부로, 나트륨 메탈이 고르게 저장되었다가 고르게 녹아야 세라믹 파손 위험을 줄일 수 있다. 여기에 바닷물에 장시간 담가 둘 때 생기는 부착생물 문제를 푸는 것도 핵심 과제로 꼽았다.

연구진이 만든 시스템의 성능은 단계적으로 커졌다. 발언에 따르면 2018년에 300W급 배터리 시스템을 만들었고, 2019년에는 이를 써 보자는 의견에서 너무 무겁고 크다는 말이 나와 모듈형으로 바꾸며 1kW급으로 키웠다. 이후 전체 용량을 5kW급으로 제작했다.

진행자는 5kW가 일반 가정 전력 사용량의 절반 정도에 해당한다고 정리했다. 이 수치는 연구진이 제작한 시스템 기준이며, 상용 제품의 성능을 뜻하지는 않는다.

해수 배터리 셀은 기존 리튬 배터리와 동작 방식이 완전히 다르다고 설명됐다. 전류 구동으로 충방전하는지, 전압 구동으로 충방전하는지부터 기본 원리가 다르다는 것이다. 연구진은 이에 맞춰 셀 단위를 관리하는 CMS와, 셀들이 모여 하나의 배터리 시스템을 이룰 때 필요한 BMS를 만들었다.

이 시스템을 실해역에 배치해 트랙 레코드를 쌓고 있으며, 배치할 때 생기는 문제 가운데 하나인 부착생물을 어떻게 제어할지, 어떤 장비에 붙여 트랙 레코드를 얻을지에 대한 연구도 함께 진행 중이다.

장시간 바닷물에 해수 배터리를 노출하면 부착생물은 피할 수 없다. 연구진은 여러 방법을 실험했다. 처음에는 원전 취수구에서 미세 전류를 흘려 부착생물이 붙지 않게 한다는 방식을 참고해 전기 충격기를 달았고, 통제된 환경에서도 쓰일 수 있다는 가정 아래 초음파 방식도 시험했다.

마지막으로 278nm 파장의 UVC를 조사했더니, 빛이 닿는 범위 안에서는 부착생물이 완벽하게 제어되는 것을 확인했다. 효과와 비용을 함께 고려하면 현재로서는 UVC가 가장 타당하다고 보고 있으며, 관련 특허도 여러 건 출원되어 있다. 실험 당시에는 연구팀 다이버가 아침마다 닦아 둔 것으로 착각할 만큼 깔끔하게 제거됐다고 한다.

연구진은 해수 배터리를 해양 환경의 여러 제품에 붙여 보는 실험도 진행했다. 첫 번째는 소음과 매연이 없는 해수 배터리 기반 레저용 보트다. 연구진은 이 보트를 실제로 실험해 완료했다고 밝혔다.

두 번째는 낚시할 때 같은 자리를 유지하게 해 주는 트롤링 모터의 보조 전력으로 쓰는 실험이다. 세 번째로 항로표지용 등부표에 붙여 해수 배터리로 전력을 공급할 수 있다는 것도 확인했다. 백 박사는 고도화되고 신뢰성이 확보되면 다양한 형태로 활용될 수 있을 것이라고 전망했다.

가장 먼저 꼽히는 활용처는 해양 환경에서 배터리로 구동되는 장비들이다. 해양수산부는 우리나라 바다 3면에서 데이터를 얻기 위해 관측 노드를 운영하고 있으며, 이 노드에 해수 배터리를 적용하면 더 안정적인 운영이 가능하다고 설명됐다. 해양 이동체에 적용하면 이동 거리를 두 배로 늘리거나, 크기와 무게를 줄이는 데 도움이 될 수 있다.

백 박사는 최근 해양수산부와 함께 왕돌초 해양 과학기지를 방문했다고 전했다. 옥상에는 태양광 패널이 깔려 있고 전기는 납축전지에 저장되는데, 이 배터리를 해수 배터리로 바꾸면 위 공간을 쓰지 않고 바닷속에 담가 둘 수 있다. 바닷속에 배터리를 두면 폭발 위험이 없고 에너지 밀도도 높은 시스템을 갖출 수 있다는 설명이다.

해수 배터리에는 몇 가지 부가 기능도 있다고 설명됐다. 충전할 때 바닷물에서 나트륨 이온을 빼기 때문에 바닷물은 소금기가 빠진 담수가 된다. 진행자는 이를 바닷물이 더 이상 바닷물이 아니게 된다는 식으로 정리했다.

충전 시점에는 산소가 발생하면서 묽은 차염소산이 나와 바닷물을 살균한다. 방전 때는 NaOH가 나와 이를 중화한다. 방전할 때 나오는 NaOH가 바닷속 이산화탄소와 반응하면서 카본 캡처 시스템으로 기능할 가능성도 언급됐다.

앞으로 연구는 고체전해질에서 나트륨 이온이 오갈 수 있는 효율을 높이고 내구성을 올리는 방향으로 진행된다. 실제 현장에서 생기는 문제를 해결하는 작업도 꾸준히 이어 간다는 계획이다. 백 박사는 모든 배터리를 대체할 수는 없겠지만, 연구진이 목표로 하는 용도에서는 충분히 매력 있는 시스템이 될 수 있다고 말했다.

특히 해양 쪽에서 쓰는 배터리는 해수 배터리로 교체할 가능성이 크다고 전망했다. 진행자는 바닷가에 해수 배터리 기반 대형 ESS를 세우면 담수화, 살균, 중화에 탄소 포집까지 할 수 있고 원래 목적인 에너지 저장도 함께 수행할 수 있을 것이라고 구상을 정리했다. 백 박사는 마지막으로 세계 최초로 국내에서 시도된 기술이라며, 다양한 트랙 레코드를 쌓아 실생활에서 만나 볼 수 있을 때까지 연구를 이어 가겠다고 말했다.