[핵잼 사이언스] 화재 걱정 없는 액체 배터리에 나온다?

현재 이차 전지의 가장 일반적인 형태는 리튬이온 배터리입니다. 리튬 같이 한정된 자원을 대체하기 위해 여러 가지 대안적 기술이 개발되고 있지만, 현재까지 에너지 밀도나 경제성, 신뢰성에서 리튬 계열 배터리가 가장 우수해 전기차에서 스마트폰까지 배터리가 필요한 장소에 가장 널리 쓰이고 있습니다. 

현재 연구되는 리튬이온 배터리의 대안 중 하나는 레독스 흐름 전지 (redox flow battery)입니다. 레독스 흐름 전지에는 리튬이온 배터리에 없는 몇 가지 정점이 있습니다. 

우선 액체 상태의 양극 및 음극 전해질을 따로 분리해 저장했다가 이온 교환막을 사이에 두고 흐르게 하면 전류가 나오는 방식이기 때문에 화재에 안전한 장점이 있습니다. 배터리 용량을 늘리기 위해서 단지 전해질 용액과 저장 탱크의 크기만 늘리면 되기 때문에 대규모 에너지 저장 시스템에 최적의 방식이라는 점도 장점입니다. 

단점은 아직 에너지 저장 밀도가 낮아 이론처럼 경제적이지 않다는 것입니다. 상용화된 흐름 전지 중 에너지 밀도가 가장 높은 편인 바나듐 레독스 흐름 전지 (VRFB)의 경우 바나듐을 사용해 가격이 높은 편이고 독성이 있다는 점이 단점입니다. 따라서 흐름 전지 개발자들은 바나듐보다 훨씬 뛰어난 배터리 소재를 찾고 있습니다. 

일리노이 공대의 스핀오프 기업인 인플루잇 에너지 (Influit Energy)도 그중 하나입니다. 이들이 개발한 나노전자 연료 (Nanoelectrofuel) 흐름 전지는 값비싼 바나듐 대신 금속 산화물 나노입자를 사용해 에너지 밀도를 높이면서도 가격은 낮췄습니다. 

인플루잇에 따르면 부피당 에너지 밀도는 리터당 350-500kWh로 이미 나노전자 연료가 더 우수합니다. 무게로 따지면 여전히 리튬이온 배터리보다 낮은 편이지만, 2세대 나노전자 연료는 에너지 밀도를 더 높여 경쟁력을 확보할 수 있다는 것이 이들의 주장입니다. 

이 부분은 앞으로 검증이 필요한 내용이지만, 이 기술에 큰 관심을 보이는 의외의 기관이 있습니다. 바로 미국 고등연구계획국(DARPA)입니다. 레독스 흐름 전지는 충전 대신 전해질 용액을 연료처럼 주입해 휘발유나 경유처럼 금방 채울 수 있다는 장점이 있습니다. 여기에 화재 위험성이 없다는 점이 군의 큰 관심을 끌고 있습니다. 

탱크와 장갑차, 그리고 군용 차량들은 막대한 양의 연료를 소비하기 때문에 탑재하는 연료의 양도 많아질 수밖에 없습니다. 당연히 적의 공격에 취약한 부분입니다. 이 연료를 수송하고 저장하는 일 역시 매우 위험할 수밖에 없습니다. 전쟁터에서 한가롭게 대용량 배터리를 충전할 순 없기 때문에 리튬이온 배터리는 대안이 될 수 없습니다. 더구나 화재 위험성이 있기는 마찬가지입니다. 

레독스 흐름 전지는 이론적으로 이 문제들을 모두 깔끔하게 해결할 수 있는 대안입니다. 따라서 DARPA가 나노전자 연료에 관심을 보인 것은 의외의 결과는 아닌 셈입니다. DARPA는 우선 1200만 달러의 연구비를 지원해 나노전자 연료가 기술적, 경제적으로 타당한 대안인지를 검증할 계획입니다.   레독스 흐름 전지는 여러 면에서 흥미로운 배터리 기술이기는 하지만, 사실 많은 제한점도 지니고 있습니다. 우선 충전할 때도 두 개의 전해질을 별도로 담는 탱크가 필요하고 방전하고 난 후 전해질도 따로 회수해야 합니다. 따라서 탱크가 총 4개가 필요합니다. (사진 참조) 연료 주유기도 4개의 연료 호스를 지니고 있습니다. 그렇지 않아도 에너지 밀도가 낮은 점을 생각하면 부피와 무게가 늘어날 수밖에 없어 차량용으로 약점이 될 수밖에 없습니다. 

그래도 화재 위험성이 없다는 점은 군 입장에서는 무시할 수 없는 큰 장점입니다. 또 대규모 에너지 저장 시스템에서도 매우 큰 장점일 수밖에 없습니다. 앞으로 이 분야에서 레독스 흐름 전지가 새로운 역할을 할 수 있을지 주목됩니다.