나트륨황(NaS) 배터리의 국산화 필요

나트륨황(NaS) 배터리

NaS 배터리는 음극 활물질로 나트륨(Na), 양극 활물질로 황(S), 그리고 전해질로 나트륨 이온에 대해 전도성을 갖는 베타 알루미나(β-alumina)로 구성되어 있으며 고온(300~350℃)에서 구동된다. NaS 배터리 방전시 나트륨 이온이 베타 알루미나를 통해 양극부로 이동해 황 및 전자와 반응하여 Na2S3가 되고, 충전 시는 Na2S3가 나트륨 이온, 황, 전자로 나뉘고 나트륨 이온은 음극부로 이동하여 전자를 받아 나트륨 금속으로 환원된다. 

NaS 배터리 단위셀은 직경 9cm, 길이 50cm 가량의 금속관 내에 튜브 형태의 베타 알루미나 고체전해질이 삽입되어 있으며, 베타 알루미나 내에는 나트륨, 베타 알루미나와 금속관 사이에는 황이 채워져 있다.  300~350℃로 가열하여 나트륨과 황이 용융상태일때, 배터리 충방전시 최대 용량을 발현시킬 수 있는 상(phase)이 형성될 수 있다. NaS 배터리의 이론적 에너지밀도는 760Wh/kg이며, 초기 작동시에는 300~350℃가 될 때까지 가열하여 온도를 구현해야 하지만, 구동온도에 도달한 후에는 추가적인 외부 열 공급 없이 방전 시 발생하는 열을 활용하여 유지할 수 있다. 나트륨과 황의 조합은 활물질의 이론적 에너지밀도 측면에서 LiB 대비 2배가량 높으며, 리튬 대비 자원 매장량이 월등히 많고 원재료 가격은 훨씬 낮다. 또한 NaS 배터리는 자가방전 현상이 거의 없어 장기간에너지 보관이나 장시간 방전 사용에 유리하고, 충방전 조건 변화에 따라 비가역 상(phase)이 형성되지 않기 때문에 메모리효과가 없으므로 안정적으로 장기간 사용
이 가능하다.

NaS 배터리 기반 ESS는 단위 셀→모듈→컨테이너→시스템으로 구성된다.

○ 셀 : 원기둥 형태
○ 모듈 : 192개 단위 셀을 정렬시켜 구성(33kW / 200kWh)
○ 컨테이너 : 6개의 모듈을 모아 1개 컨테이너 구성(200kW /1,200kWh)
○ ESS : 컨테이너들을 모아 원하는 규모의 시스템 구성

배터리 가운데 주류 기술인 LiB와 비교하면 공칭 에너지밀도와 에너지효율 면에서 NaS가 다소 열위를 보이지만, 아직 NaS 기술은 성능 향상의 여지가 훨씬 더 많고 현 상태에서도 LiB 보다 수명·경제성·안전성 등이 더 우수하기 때문에 향후 기술 집중 육성으로 요소기술들이 더욱 성숙되고 시장규모도 성장한다면 특정 영역에서는 LiB ESS 보다 안정성과 경제성 측면에서 더 장점이 있을 것으로 예상된다. 또한 NaS 배터리와 유사한 영역에 활용될 수 있는 VRFB를 비교해 보면, 수명에 있어서만 다소 열위를 보일 뿐 에너지밀도, 에너지효율, 용량당 가격 면에서 모두 NaS가 우위에 있다.

NaS 기반 ESS 국산화의 필요성
NaS 배터리의 경우 성능적인 측면에서 중장주기 ESS로 적합한 특성들을 가지고 있으며 향후 기술개발이 더 이루어지게 되면 완벽한 장주기 ESS까지 영역을 확장할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 국외의 경우 이미 중장주기 ESS 용도로 NaS를 실전 배치해 GWh 수준으로 상업 운용 중이다. 국외 NaS 배터리 연구개발은 역사가 꽤 길다. 1966년 미국 Ford사에 의해 최초로 NaS 전지의 개념이 제안됐고, 1973년 자동차에 장착해 200km를 주행하는 데 성공하기도 했다. 그리고 1975년에 전력저장용 NaS 배터리 개발에 착수했고 2006년에는 먼저 상용화에 성공한 일본의 제품을 도입해 부하 평준화 및 피크 저감 용도로 실증했다.

독일은 1980년부터 개발을 시작했고, 중간에 일본과 협력해 전럭저장용 NaS ESS를 개발하는 사업에 참여했었다. 최근에는 독일의 BASF사가 일본의 NGK사와 협력해 글로벌 마케팅 및 보급을 담당하고 있을 뿐 아니라 독일 내에서 신재생에너지 연계 용도로 도입 중이다. 중국도 1980년부터 NaS 배터리 연구개발에 착수해 1992년 50kW급 전지 실증에 성공했고, 2009년에는 세계에서 두 번째로 전력저장용 대용량(100kW)배터리 개발에 성공한 바 있다. 

현재 세계 시장을 선도하고 있는 곳은 일본의 NGK사이다. 1983년 동경전력이 전력저장용으로 개발을 시작한 이후로, 지속적인 개발과 함께 세라믹 소재 기술을 보유하고 있는 NGK에 투자했고, 1984년 NGK는 독일의 BASF, ABB, NASTECH 등과 협력해 1994년 50kW급 배터리 실용화에 성공했다. 그 후 NGK와 동경전력 협력하에 지속적인 최적화 및 양산 체계를 확립해 2002년부터 사무용 건물 및 반도체 공장에 공급하는 등 본격적인 상용화에 성공했다. 

이런 실증 사례에서 안정적인 성능 구현을 입증해내고 또 이후에 꾸준하게 기술 보완을 하면서 현재는 NGK사가 NaS ESS 시장에서 세계 1위를 차지하고 있다. 우리나라가 중장주기 ESS 용도로 NaS를 선택하게 될 경우 전량 일본으로부터 수입해야하기 때문에 국내 ESS 포트폴리오에서 NaS의 비중이 커질수록 우리의 협상력이 약해질 잠재적 위험 부담이 있다. 당장은 제품 수급에 큰 문제가 없겠지만 한-일 양국의 직접적인 관계나 양국을 포함한 국제정세 변화에 따라 제2의 화이트리스트 사태가 촉발될 수도 있다. 따라서, 단기간 실증을 위해서는 검증된 NGK사의 제품을 도입해야 하겠지만, 중장기적으로 봤을 때는 일본으로부터의 수입과 동시에 병렬적으로 국산화를 시도해야 한다.

NaS 배터리 국산화는 다른 배터리의 연구개발을 시작하는 것 보다는 많은 기반을 가지고 시작할 수 있다. 2010년 경 POSCO와 RIST가 공동 연구개발로 국내 최초 NaS 셀 국산화에 성공한 것을 시작으로 약 4~5년간 여러 소재·부품들에 대해 원천기술 확보에 성공했고, 베타 알루미나 생산과 배터리 셀 제작 기술을 준양산 수준까지 끌어올렸었다. 이러한 기술들을 바탕으로 당시 600Wh급 셀(NGK 수준 근접) 개발까지 성공했고, 모듈 구현 단계로 넘어가던 도중 사업을 지속할 모멘텀을 잃고 국산화 사업이 중단됐다. 당시 국내는 NaS 전지 기술 필요성에 대한 인식이 부족했을 뿐만 아니라 중장기 ESS를 소화할 시장이 형성되지 않았기에 일부 기업 및 연구기관이 사업을 이끌어 나갈 추진동력을 얻기 힘든 상황이었다. 하지만 지금은 NaS를 비롯한 중장주기 ESS의 필요성에 대한 인식이 과거에 비해 상당히 고취됐고, 실제 상황을 보아도 신재생에너지 발전량이 급격히 증가되고 있고 스마트그리드 시대로의 진입이 목전이기 때문에 적절한 기술에 대한 검토와 선택, 도입, 그리고 요소기술 부분에 대해서는 신속한 국산화가 필요하다.

출처 : 전기저널(http://www.keaj.kr)