미래창조과학부 공식 블로그에 본문 내용과 같이 해수 전지가 소개되었습니다.

배터리가 바닷속에 담겨 있다고?

-바닷물 속 나트륨을 이용하는 해수 전지를 소개합니다-

기술의 발전과 함께 에너지의 중요성이 증가하고 있습니다. 지금 우리가 주로 쓰고 있는 에너지는 화석 에너지로 석유, 석탄 등이 주 연료입니다. 석유와 석탄은 땅속에 파묻힌 동식물의 유해가 오랜 시간이 지나며 만들어진 연료인데요, 그래서 매장되어 있는 양에 한계가 있어 근 100년 안에 고갈될 수 있다고 합니다. 또한, 화석 연료를 연소시켜 에너지를 만들 때 대기 오염 물질이 발생해 환경에 좋지 않은 영향을 미칩니다. 그래서 화석 에너지를 대체할 수 있는, 환경을 생각하는 깨끗한 에너지를 찾기 위한 연구가 많이 진행되고 있습니다. 그 결과로 태양열/광, 풍력 에너지 등 친환경 에너지가 개발되었습니다. 하지만, 해가 떠 있지 않을 때, 바람이 불지 않을 때 등 해당하는 환경을 이용할 수 없을 때는 에너지를 만들 수 없기 때문에 에너지의 저장이 중요합니다. 그래서 요즘, 전지가 많은 관심을 받고 있습니다. 단연 가장 많이 쓰이는 전지는 리튬 이온 전지인데요, 효율이 좋아 많이 사용하지만, 원료인 리튬이 비싸고 양이 한정되어 있다는 것이 단점입니다. 그래서 이런 단점을 보완해, 리튬 이온 전지에 도전장을 내민 신개념 전지가 있다고 합니다. 바로 바닷물 속 나트륨을 이용한 해수 전지입니다.

해수 전지

ⓒ http://www.ykimresearch.com

리튬 VS 나트륨

원소 주기율표

ⓒ묻고 답하는 과학톡톡카페 2 : 화학·물리

나트륨은 리튬과 같은 족으로 리튬과 비슷한 성질을 가지고 있습니다. 그래서 리튬을 대체할 원소로 나트륨을 사용할 수 있습니다. 비싸고 매장량이 제한 되어 있는 리튬에 비해 나트륨은 바다에서 쉽게 구할 수 있습니다. 지구 표면적의 약 70%가 바다로 이루어져 있으며 그중 3.5%가 이온으로 이루어져 있습니다. 3.5%의 이온 중 나트륨 이온은 30.6%가 존재하는데요, 바다가 지구 표면적의 약 70%라는 것을 생각하면 매우 많은 양입니다.

바다의 구성

ⓒKim, Jae‐Kwang, et al. "Rechargeable Seawater Battery and Its Electrochemical Mechanism."

ChemElectroChem 2.3 (2015): 328-332.

양이 많아 쉽게 얻을 수 있는 대신, 단점도 있습니다. 나트륨은 리튬보다 원자의 크기가 리튬과 같은 부피 당  에너지를 내기 위해서는 배터리가 무거워져야 합니다. 그리고 나트륨 금속의 경우 리튬 금속보다 반응성이 커 리튬보다 위험할 수 있습니다. 하지만 금속이 아닌 이온이라면 상황은 다릅니다. 해수 전지는 바닷속의 나트륨 이온을 사용하기 때문에 큰 규모에도 안정합니다. 

전지의 구조와 해수 전지

해수 전지를 소개해드리기에 앞서 전지에 대해 알려드리고자 합니다. 전지(배터리)는 물질의 화학적 또는 물리적 반응 시에 발생하는 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치입니다. 전지는 화학, 물리 전지로 크게 나눌 수 있습니다. 물리 전지의 경우 열, 빛 등의 물리적 에너지로 전기를 만드는 전지입니다. 태양 전지가 이에 속합니다. 화학 반응으로 전기를 만드는 전지는 화학 전지입니다. 화학전지는 1차 전지와 2차 전지, 연료전지로 나눌 수 있습니다. 일차 전지는 충전이 되지 않는 건전지와 같은 전지, 2차 전지는 휴대폰이나 노트북이 전지와 같은 충전이 가능한 전지입니다. 연료 전지는 연료를 공급하면 전기를 만드는 것이 가능한 전지입니다. 리튬 이온 전지와 해수 전지의 경우 2차 전지에 해당합니다. 하지만 바닷물에서 나트륨 이온이 계속해서 공급되기 때문에 연료전지와도 비슷하다고 할 수 있습니다. 해수 전지의 구조는 리튬 공기 전지(리튬 에어 배터리)와 비슷합니다. 

리튬 이온 배터리와 리튬 에어 배터리

ⓒhttp://blog.latrivenetacavi.com/en/what-are-lithium-air-batteries-and-do-they-work/

리튬 이온 배터리는 양 극이 막혀있는 형태인데 반해(Closed system), 리튬 에어 배터리는 양극이 열려있어(Open system) 공기와 닿아있는 형태를 하고 있습니다. 해수 전지도 이와 비슷합니다. 양극(cathode)에는 공기 대신 바닷물이 음극(anode)에는 리튬 금속 대신 나트륨 금속 또는 탄소 전극이 자리를 차지하고 있습니다.

해수 전지의 구조

ⓒKim, Hyojin, et al. "Metal-free hybrid seawater fuel cell with an ether-based electrolyte." 

Journal of Materials Chemistry A 2.46 (2014): 19584-19588.

해수 전지는 음극(Anode), 전해질, 분리막, 집전체*로 이루어져 있습니다.

충전 : 4NaCl + 2H2O → 4Na+ + O2 + 4HCl + 4e- 

4NaCl → 4Na+ + 2Cl2 + 4e-

방전 : 4Na+ + 2H2O + O2 + 4e- → 4NaOH

충전은 에너지를 저장하는 과정, 방전은 에너지를 사용하는 과정이라고 볼 수 있습니다. 충전 시에는 두 가지 반응이 일어납니다. 두 반응 모두 전자를 발생시키는 반응인데요, 한 반응은 염소(Cl2)기체가, 한 반응은 산소(O2) 기체가 발생합니다. 두 반응 중 산소가 발생하는 반응이 주된 반응이며, 그 이유는 연구 중이라고 합니다. 충전 시에 발생된 전자는 회로를 따라 음극으로 이동하여 전기를 충전시키고, 나트륨 이온(Na+)는 전해질을 통해 음극으로 이동해 음극에 저장됩니다. 방전 시에는 음극에서 산화 반응이 일어나고