Super-hot salt could be coming to a battery near you

초고온 소금 배터리의 상용화가 멀지 않았다

새로운 배터리 소재가 전력망(grid)을 위한 재생에너지 저장에 새로운 지평을 열 것으로 보인다.

기후 세계에서는 많은 일들이 일어나고 있다. ​미국 의회의 지배권을 결정하는 중간선거 이후 집계와 재검표가 마무리 되는 가운데, 최근 개최된 유엔(UN)기후 회의에서는 각국 대표들은 기후 목표와 재정 협정을 둘러싸고 협상을 벌이면서 정면으로 맞섰다. 

기후 정책의 미래를 결정하는 이 중요한 순간이 어떤 의미인가를 파악하려면 더 자세한 정보가 필요하다. 이 모든 것이 무엇을 의미하는지 더 확실한 통찰력을 얻기 위해 귀를 기울이고 있지만 잠시 추측에서 벗어나서 우리가 더 많은 관심을 기울여야 하는 대상을 살펴보자. ‘배터리’가 바로 그것이다. 

필자는 성장하는 에너지 저장 시스템(ESS)시장에 등장하는 배터리용 대안적 화학 소재의 흐름을 항상 관찰해 왔다. 신생 스타트업들이 내놓은 제품들 가운데 일부는 기존 업계가 사용하는 표준화된 리튬 이온 배터리보다 더 저렴하고 여러 측면에서 더 우수하지만, 현실의 장벽을 넘지 못하는 경우가 많다. 초고온 소금을 이용하여 에너지 저장기술을 개발한 한 스타트업의 여정을 소개한다.  

새 배터리가 필요한 이유

세계 각국은 더 많은 재생에너지를 저장할 수 있는 시설을 건설하는 중이다. 날씨에 따라서 생산량이 들쑥날쑥한 태양광 발전과 풍력 발전에서 얻어진 전력을 저장해야 하는 필요성 때문이다. 간단히 말해서 우리는 에너지를 저장할 수 있어야 한다. 

수력 발전은 2020년에 전 세계 에너지 저장량의 90% 이상을 차지했다. 수력 발전은 비용이 저렴하고 효과적으로 에너지를 저장할 수 있지만 물을 담을 공간이 필요하므로 환경 문제와 설치 위치에 제약이 따르게 된다.  

배터리는 오늘날 나머지 에너지 저장 용량의 대부분을 차지하고 있거, 향후 수십 년 동안 에너지 저장 시장의 성장을 주도할 것이다. 오늘날 휴대전화나 전기자동차에 사용되는 배터리와 비슷한 리튬이온 배터리가 가장 일반적인 형태이다. 

수십 년간의 개발 및 확장을 통해 리튬이온 배터리는 더 저렴해졌고 생산 능력은 폭발적으로 증가했다. 전 세계 곳곳에는 전기차(EV)에 사용되는 배터리를 생산하는 새로운 기가 팩토리(Gigafactories)가 속속 건설되고 있다. 

리튬이온 배터리는 장점이 있지만 고정형 에너지 ​​저장 배터리에 필요한 요구사항을 충족시키기에는 몇 가지가 부족하다.

  • 가격: 전력망 규모의 에너지 저장장치는 재생 에너지를 저렴하게 사용할 수 있도록 비용이 적게 소요되어야 한다. 작년에 미국 에너지부는 2030년까지 비용을 90% 절감하겠다는 목표를 세웠다. 리튬이온 배터리는 지난 수년 간 리튬 가격은 하락했지만, 공급이 고갈될 가성이 있으므로 리튬에서 얻어지는 편익은 더 이상 늘지 않고 정체될 수 있다. 
  • 크기: 리튬이온 배터리는 작은 공간에도 많은 전력을 저장할 수 있다. 배터리의 크기는 휴대 전화 또는 자동차 등에는 중요한 요소이지만 전력망 규모(grid)의 에너지 저장 용도라면 크기는 그리 중요하지 않다. 고정형 에너지 저장 배터리는 밀도(energy density)를 높임으로써 비용을 낮출 수 있다. 
  • 수명: 산업 플랜트에는 관리를 통해 수십 년 동안이나 유지될 수 있는 에너지 저장 설비가 요구된다. 그런데 리튬 이온 배터리는 통상 5~10년마다 교체를 해주어야 하므로 비용이 많이 들어갈 수 있다.

뜨거운 소금을 에너지 저장에 사용하는 방법

리튬이온 배터리는 미래의 에너지 저장 요구를 충족하기 어렵기 때문에 모두가 에너지 저장을 위한 대안적 방법을 찾고 있다. 금속을 산소와 결합시켜 전기를 발생시키는 철-공기(iron-air) 배터리, 철 기반 플로우 배터리(iron-flow battery), 플라스틱 배터리, 압축 이산화탄소를 이용한 에너지 저장장치를 개발한 신생 스타트업들이 지난 1년 동안 주목을 받았다. 용융염(molten salt)으로 에너지를 저장하는 기술은 이제 실험실에서 벗어나 상업적 가능성을 모색하는 중이다.

보스턴에 본사를 둔 스타트업 암브리(Ambri)는 칼슘과 안티몬(antimony)으로 용융염 배터리를 생산한다. 이 회사는 최근 마이크로소프트의 데이터 센터에 자사의 에너지 저장 시설을 공급하는 프로젝트를 발표했다. 작년에는 1억 4천만 달러 이상의 투자를 받아 배터리 생산 능력을 확장하는 작업에 착수했다.

암브리는 용융염 배터리 기술이 리튬이온 시스템에 비교하여 30~50%나 비용이 적게 든다고 주장한다. 용융염 배터리의 효율성은 80%를 넘어선다. 이는 배터리 충전 과정에서 상대적으로 적은 양의 에너지가 열로 손실된다는 의미이다 

암브리는 MIT 도날드 사도웨이(Donald Sadoway) 교수의 연구성과를 기반으로 삼아서 2010년에 설립되었다. 이 회사의 창립자이자 CTO인 데이비드 브레드웰(David Bradwell)은 고정형 에너지 저장 배터리 시장에 저비용 제품을 공급하는 것이 목표라고 밝혔다. 

용융염으로 전기를 저장하는 기술에 대한 영감은 뜻밖에도 알루미늄 생산 공정에서 나왔다. 알루미늄 제련에 사용되는 것과 유사한 화학 반응을 사용하여 연구진은 실험실 규모의 저비용 에너지 저장 시스템을 구축했던 것이다. 그러나 그 기술적 착상을 실제 사용 가능한 제품으로 만드는 과정은 그리 간단치 않았다.

암브리가 처음 시도했던 마그네슘 및 안티몬 기반의 화학 공정은 배터리를 생산하기에는 적당하지 않은 것으로 판명되었다. 2015년 무렵 배터리 밀봉에서 문제가 계속 발생하자 암브리는 종업원 4분의 1가량을 해고하고 처음부터 다시 시작하기로 결정했다. 2017년에 암브리는 칼슘과 안티몬을 사용하여 배터리를 개발하는 방식으로 선회했다. 이 새로운 화학 공정은 더 저렴한 소재를 사용하고 생산방식도 더 간단해야 했다. 개발 방식을 전환한 이후 암브리는 종래의 기술적 결함 문제를 해결했고, 제3자가 실시한 객관적 안전성 테스트도 통과했다. 그 결과 마이크로소프트와 처음 공급계약을 체결하는 등 상용화에 진전을 이루었다. 

마이크로소프트(Microsoft)에 공급된 에너지 저장 시스템

그렇지만, 암브리에게는 여전히 해결해야 하는 난제가 남아 있다. 용융염 배터리는 500°C(약 900°F)가 넘는 고온에서 작동하므로 배터리 제조에 사용할 수 있는 소재는 제한적이다. 도시락 크기의 단일 배터리 셀부터 거대한 컨테이너 크기까지 생산이 가능하지만 에너지 저장 시스템의 덩치가 커진다면 시스템 제어 및 물류에 문제가 발생할 수 있다. 

현실 세계에 에너지 저장 제품을 판매한다는 것은 “실제로 발생하는 일을 다루어야 한다”는 것을 의미한다. 낙뢰에서부터 제품에 손상을 입히는 설치류에 이르기까지 모든 요소들이 이 새로운 배터리 시스템의 작동을 망칠 수 있기 때문이다. 

하지만 지난 10년 동안 적어도 한 가지 변화가 있었다. 바로 시장이다. 브레드웰에 의하면 예전에는 투자자들뿐 아니라 평범한 관찰자들조차 누가 에너지 저장 시장의 수요자가 될지에 대해 확신이 없었다. 그렇지만 이제 유일한 질문은 “에너지 저장 산업이 얼마나 빨리 성장할 수 있는가”이다.

암브리 같은 새로운 배터리의 제조사들이 생산 규모를 확장하고 기존 배터리를 대체할 수 있는 저렴한 대안이라는 점을 시장에서 증명하려면 시간이 걸릴 것이다. 브레드웰이 말하듯이 “암브리의 여정은 계속될 것”이다.

미리보기 2회1회

MIT Technology Review 구독을 시작하시면 모든 기사를 제한 없이 이용할 수 있습니다.