전기 화학을 이용한 수소 전지

제28차 Dechema 프랑크푸르트 특별 강연에서 전기 화학적 에너지 스토리지와 에너지 변환기에 대한 감당할 수 있고 지속 가능한 컨셉트를 다루었다.

울리히 샤마리(Ulrich Schamari): 프리랜서 저널리스트

배터리는 오랜 기간 연구한 기술과 소재가 매우 중요합니다.(위르겐 야네크, 기센 대학) 배터리는 100여 년 전부터 일상생활의 동반자였다. 당면하고 있는 문제는 대규모 자동차 시장에서 배터리로 구동되는 차량을 주력으로 사용할 수 있을까 하는 것이다. 이 문제는 자원의 가용성과 큰 관련이 있다. 배터리 외에도 또 다른 전기 화학 기술인 연료 셀이 존재한다. 이 기술은 적어도 운송 분야와 자동차 분야에서 배터리와 경쟁 관계를 유지하고 있다. 연료 셀도 물론 긴 역사를 갖고 있다. 최초의 연료 셀 개발은 약 200년 전으로 거슬러 올라갑니다. 현재 연료 셀은 아폴로 우주선과 같은 우주 항공 프로그램에 사용하고 있습니다(위르겐 야네크)

광범위한 연료 셀 사용

바덴 뷔르템베르크 태양 에너지 및 수소 연구 센터의 베르너 틸메츠는 연료 셀을 지속 가능한 모빌리티와 에너지 경제의 핵심 기술이라고 설명한다. 그렇다면 이 연료 셀을 언제부터 사용할 수 있을까요? 라는 질문에 그는 단호하게 대답하였다. 그 질문은 잘 몰라서 하는 것입니다. 연료 셀은 이미 우리 주변에 존재하고 있습니다! 이미 한국에는 2,000 여대의 승용차가 연료 셀 구동 장치를 장착하고 주행하고 있다. 6년 뒤에는 100,000대에 이를 것이다. 한국은 2040년까지 연료 셀 구동 장치를 장착한 차량 6백만 대를 생산할 계획이다. 이는 수소가 배터리 보다 전류를 더 잘 생산할 수 있기 때문이다. 충전 과정도 훨씬 빠르게 진행된다. 3분이면 수소 탱크를 가득 채울 수 있다. 이제 남은 것은 인프라 문제이다. 충전소 수를 많이 늘려야 하는 문제가 있다. 바로 시간적 유연성이 상업적 이점을 높일 수 있고, 가정용 전원 콘센트에서 배터리를 20여 시간 충전하지 않아도 된다.

현대자동차에서 개발한 세계 최초의 수소 전지 자동차 NEXO

배터리 구동 장치 성공에 부담이 되는 문제는 또 있다. 오늘날 최신 기술인 리튬이온배터리의 경우, 코발트는 조달이 상당히 어려운 소재이다. 예나 대학의 필립 아델헬름은 코발트에 대한 대체재를 찾고 있으며, 이에 대한 대안으로 나트륨 이온 배터리를 에너지 저장 장치의 예시로 제시하였다. 나트륨 이온 배터리는 리튬이온배터리와 유사하게 제작되는 배터리이지만, 이온 소스로 리튬 대신 알칼리 금속 나트륨을 사용한다. 하지만 필립 아델헬름은 다음과 같이 한계가 있음을 언급하였다. 나트륜 이온의 에너지 밀도는 리튬이온배터리만큼 높지 않습니다. 아직 기술 개발이 많이 진척되지 않았지만, 결국 경쟁력을 갖추게 될 것입니다. 의심의 여지는 없으며, 저렴한 가격을 통해 시장을 정복할 수 있을 것이다.

재생 자원 영역을 위한 리튬 이온의 대안

리튬이온배터리의 지배적 지위를 가로막는 또 다른 가능성은 레독스 흐름 전지와 금속 산소 전지이다. 기센 대학의 다니엘 슈뢰더가 이 전지의 개념과 기능을 설명하였다. 레독스 흐름 전지는 수백 킬로와트 범위의 태양열, 풍력 또는 수력 발전을 통해 발생하는 전류 저장에 적합합니다. 전기 이동성과 같은 다소 작은 범위에는 금속 산소 배터리 기술을 사용할 수 있습니다. 하지만 이 개념을 성공적으로 정립하려면 절대적인 연구 노력이 필요하다. 레독스 흐름 전지에는 전기 에너지가 화학적 화합물에 저장되며, 이때 두 개의 전해질이 용해된 형태로 분리된 두 개의 회로 안에서 순환한다. 이 회로 사이에 있는 갈바닉 셀에서 멤브레인을 이용하여 이온 교환이 이루어지고 전기 에너지가 방출된다. 금속 산소 배터리는 이와는 다르게 기능한다. 금속 산소 배터리는 금속과 산소의 화학 반응을 통해 전기 에너지를 얻고, 산소는 주변 공기에서 얻으므로 배터리에 저장할 필요가 없다.

리튬 이온 배터리는 코발트 등 조달에 문제가 있는 소재로 일부 구성된다. 대체재로 나트륨 이온 전지가 뜨고 있다.

탄소가 배터리뿐만 아니라 연료 셀에 있어서도 매우 중요하다는 것을 Dechema 연구소의 쟝 프랑수아 드릴이 설명하였다. 탄소는 그 특성으로 인해 전자 부스터로서 작용합니다. 탄소는 전기 화학 기술에 없어서는 안 되는 중요한 요소입니다. 탄소는 모든 저장 시스템과 변환 시스템에서 중요한 구성 요소이다. 에너지 전환에 사용하는 시스템은 탄소를 통한 전자 전도성 개선을 포기할 수 없다. 전도성 외에 흑연 전극을 통해 보장되는 바와 같이 기계적 안정성에도 중요한 역할을 한다.