MS가 도입키로 한 리튬전지 대항마···20년 가는 액체금속 전지

[일하루]

MS가 도입키로 한 리튬전지 대항마···20년 가는 액체금속 전지

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기존 리튬이온 전지보다 비용, 성능, 수명 등에서 월등한 액체금속 전지(2차전지)가 개발돼 내년 상용화를 앞두면서 주목받고 있다. 주인공은 미국 매사추세츠공대(MIT) 출신 교수 팀이 세운 한 벤처기업 앰브리(Ambri)다.

이들은 용융된 칼슘-안티몬 방식의 2차전지를 만들었는데 가격은 기존 리튬이온 전지의 50%인데다 수명은 무려 20년(용량의 95% 유지 상태로)이라고 한다. 게다가 이 배터리 가격은 7년 내 현 리튬이온 전지의 5%로 급격히 떨어질 것이라고 한다.

IEEE스펙트럼은 지난 7일 앰브리가 내년에 이 최첨단 전지 기반 스토리지를 상용화한다고 보도했다. 이 회사는 자신들의 액체금속 전지를 내년초 한 전력망 회사에 공급하며, 시범사업을 거친 마이크로소프트(MS)의 데이터센터 백업 전원용으로도 공급키로 했다.

리튬이온 전지 원자재 경쟁이 벌어지고 있는 전세계 전지 업계의 새로운 대안으로 급부상한 이 액체금속 전지가 궁금하다.

값싼 안티몬 액체금속 전지가 리튬전지의 대안으로 떠오르다

전지 비용은 전력망에 재생 가능한 에너지를 저장하기 위한 수단을 선택할 때 영향을 미치는 중요한 변수다.

미국 매사추세츠공대(MIT) 연구원들의 분석에 따르면 풍력과 태양광으로 전력망 에너지 저장 장치를 완전히 가동하는 데 드는 비용은 킬로와트시(kWh)당 20달러(약 2만6000원)로 집계됐다.

미 국립태평양북서부연구소 보고서에 따르면 100메가와트(MW)를 10시간 동안 전력망에 저장하는 장치(스토리지)용 리튬 이온 전지 시스템 설치 가격은 현재 kWh당 약 405달러(약 53만 원)다.

리튬이온 전지 전력 저장장치 비용이 태양광이나 풍력을 사용하는 장치의 20배나 되는 셈이다.

그러나 내년에 실제로 배치될 예정인 새로운 액체 금속 전지를 사용하면 에너지 저장 비용을 상당히 낮출 수 있다. 지난 수년간 수많은 배터리를 발명한 도널드 새도웨이 MIT 명예교수는 용융 금속 전극과 용융염 전해질이 포함된 저비용 액체 금속 전지를 개발했다. 그는 지난 2010년 매사추세츠주 말보로에 앰브리(Ambri)란 이름의 스타트업을 공동 창업해 이 전지의 상업화에 들어갔다.

앰브리는 자사의 전력공급망(그리드)용 전지가 크기와 지속 시간을 감안할 때 리튬이온 전지의 절반 수준인 kWh당 180~250달러(약 24만7000~33만 원) 정도라고 밝혔다.

향후 이 배터리를 사용한 전력공급망 스토리지 시스템 구축 가격은 향후 7년 내 풍력 태양력과 같아질 것이라고 한다. 섀도웨이와 동료들은 2021년 10월호 ‘신재생 및 지속 가능한 에너지 리뷰’(Renewable and Sustainable Energy Reviews)에 발표한 논문에서 2030년까지 예상 비용은 kWh당 약 21달러(약2만8000원)가 된다고 쓰고 있다.

안티몬 액체금속 전지···액체화의 이점은

기존 리튬 이온 전지의 경우 일반적으로 두 개의 단단한 전극, 즉, 그래파이트(흑연)와 리튬금속 산화물, 액체 전해질과 분리막, 막 및 기타 비용 추가 요소로 제조된다. 충방전 사이클 동안 전해질의 이온이 전극으로 유입 및 유출됨에 따라 고체 물질은 팽창 및 수축한다. 반복되는 부피 변화는 시간이 지남에 따라 입자를 분해해 전지 용량이 감소하는 결과를 가져온다.

반면 앰브리의 안티몬을 사용한 액체-금속 전지는 밀도를 기준으로 3개의 액체 층이 함께 적층돼 있는 구조다. 가장 밀도가 높은 용융 안티몬 양극이 바닥에 있고, 가벼운 칼슘 합금 음극이 위에 있고, 중간 밀도의 염화 칼슘염 전해질이 가운데에 있다.

새도웨이는 “샐러드 오일과 식초를 생각해 보라. 여기에 세 개의 층이 있고, 그것들은 섞을 수 없기 때문에 분리된다”고 말했다.

그는 “액체-금속 설계는 더 적은 구성 부품을 필요로 하며 화학은 합금에 의존하므로 고체-물질의 분해는 없다”고 말한다. 방전 중에 칼슘 음극은 전해질을 통해 이동하는 칼슘 이온을 양극으로 방출하고, 이들은 여기서 칼슘-안티몬 합금을 형성한다. 충전 중에는 이 과정이 반대로 이뤄진다.

이 새로운 접근 방식은 여러 가지 이점을 제공한다.

구성 요소가 액체이기 때문에 각 구성 요소 내에서 다른 구성 요소로 전하와 화학적 구성 요소가 전달되는 속도가 매우 빠르기 때문에 배터리 내부 및 외부로 대규모 전류가 빠르게 흐를 수 있다.

배터리가 방전되면 녹은 금속의 위 층은 얇아지고 아래 층은 두꺼워진다. 배터리가 충전되면 그 두께는 반대로 된다.

고체 전극은 시간이 지남에 따라 균열 및 기타 형태의 기계적 고장이 발생하기 쉽지만 액체 전극은 사용에 따라 열화되지 않는다.

실제로 앰브리 연구팀은 전지가 충전될 때마다 맨 아래 층에 증착된 상부 금속의 이온이 맨 위 층으로 되돌아가 그 과정에서 전해질을 정화하는 모습을 확인했다.

또한 전지 구성 요소들이 자연스럽게 스스로 분리되기 때문에 마모의 영향을 받는 멤브레인이나 분리막이 필요없다. 액체 전지는 전력 용량의 손실이나 유지보수 또는 서비스를 할 필요없이 많은 충방전을 수행해야 한다.

그리고 액체 구성 요소들의 스스로 분리되는 특성은 기존 전지에 비해 간단하고 손쉽게 저비용으로 생산할 수 있게 해 준다.

한편으로 새도웨이와 앰브리 연구팀은 10년 전에 음극재로 사용하던 리튬이나 마그네슘을 버리고 오랜 연구 끝에 음극재를 칼슘으로 전환했다고 밝혔다. 그러나 여기까지는 오랜 시간이 걸렸다. 새도웨이는 “우리가 상용화를 위한 여정을 시작했을 때 의지할 사람이 아무도 없었다”고 말했다. 그는 “리튬 이온 전지 제조에서 이루어진 모든 환상적 발전은 이 전지의 경우에는 적용할 수 없었다. 화학적 성질도 다르고, 형태 인자도 다르기 때문이다. 따라서 우리는 제조 기계를 포함한 모든 것을 발명해야 했다”고 말했다.

[차카니]

ESS 에는 일단 정말 좋아보여요. 실사용 제품도 나오고, 리튬의 운명은 .. 어찌될지 ;

[최종순]

감사합니다