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[사회 인프라를 지지하는 대형 축전지의 기술 동향Ⅱ ②] 나트륨 유황 전지의 기술 동향

2015-12-01

[사회 인프라를 지지하는 대형 축전지의 기술 동향Ⅱ ②] 나트륨 유황 전지의 기술 동향 나트륨 유황 전지는 전해액에 베타 알루미나를 사용한 고온 동작형의 이차전지이다. 이 전지의 원리는 1967년 미국 Ford사가 자동차용 전지로서 제안하였다. 일본 가이시 주식회사는 1984년부터 도쿄전력㈜과 공동으로 나트륨 유황 전지 개발에 착수해 2002년에 사업화를 추진, 지금까지 전 세계적으로 약 45만kW의 도입 실적을 쌓았으며, 대전력·대용량 저장용의 정치형 축전지로 주목을 받고 있다. 본고에서는 이 나트륨 유황 전지의 원리와 특징, 그리고 기술 동향에 대해 소개한다. 정리 편집부 나트륨 유황 전지의 개요 전지의 원리 전해액에 베타 알루미나, 음극에 나트륨, 양극에 유황을 사용한다. 베타 알루미나는 나트륨 이온(Na+)을 투과하는 세라믹으로, 방전 시 베타 알루미나를 통과한 나트륨 이온이 양극에서 유황과 결합하여 다황화나트륨(Sodium polysulfide, 多黃化─)을 생성한다. 충전은 그 역으로 다황화나트륨이 분해되어 나트륨과 유황이 된다.([그림 1] 참조) 방전 시에 생성되는 다황화나트륨의 융점이 250도 이상이기 때문에 약 300℃로 운전을 실시하는 고온 동작형 이차전지이다. 셀 셀은 베타 알루미나관의 내측에 나트륨, 외측에 유황을 배치한 구조이다. 유황은 절연체이기 때문에 유황의 전자 수수(授受)를 위해 양극에 카본 펠트를 사용한다.([그림 2] 참조) 셀의 설계치를 [표 1]에, 심도(深度)에 대한 개로전압의 관계를 [그림 3]에 나타냈다. 만충전 상태 부근에서는 약 2V의 기전력을 보이며, 방전됨에 따라 점차 감소된다. 모듈전지 셀을 집합화(集合化)하여 온도관리를 하는 단위가 모듈전지이다. 모듈전지는 셀, 퓨즈, 온도를 유지하기 위한 히터와 효율적인 보온을 위한 진공단열용기 등으로 구성되어 있다.([그림 4] 참조) 단열용기 내 잉여공간을 채우는 모래는 전지 방전 시 열용량 증가에 따른 온도상승 억제의 역할뿐만 아니라, 셀이 파손될 경우 누출 활물질을 흡수하는 흡수재의 역할도 한다. 셀은 4직렬×14병렬접속으로 1블록(전압계측단위)을 구성하여 합계 4블록을 직렬로 연결한 224개로 30kW 모듈 1대를 구성한다.([표 2], [그림 5] 참조)전압감시는 블록별로 실시되는데 이것이 가능한 이유는 전해액이 나트륨 이온만을 투과하는 세라믹스로서 자기방전이 없다는 점과 [그림 3]에서처럼 만충전 상태 부근에서는 전압이 일정해지는 셀특성을 갖고 있기 때문이다. 셀간에 심도차가 생겼다하더라도 같은 전압이므로 특정 셀에 과전압이 인가될 우려는 없다. 전지유닛 모듈전지를 여러 대 집합화시키고 패키지(용기/외함)에 수납하여 유닛을 구성한다.([그림 6] 참조) 이 그림은 모듈전지 40대로 구성한 1.2MW 시스템을 나타낸 것이다. 패키지 내의 모듈전지는 앞면과 뒷면에 각각 5단 4열로 20대가 배치되며, 모듈전지와 구획된 공간에 제어기실이 설치된다. 전지의 안전성 높은 에너지 밀도를 가진 축전지는 파손 시 큰 에너지가 개방될 수 있기 때문에 이를 고려한 안전성 설계가 중요하다. 그 하나의 예로서 만일의 사태에 대비해 여러 단계의 안전장치를 설치한 다중방어설계에 대해 소개한다.([표 3] 참조) (1) 셀을 파손시키지 않는다 파손의 원인이 되는 부품, 제조공정의 철저한 관리 및 검사를 실시하여 불량이 일체 나오지 않도록 하고 있다. 또 운전 시 셀의 파손을 야기하는 스트레스를 주지 않도록 전류 및 전압감시 등 운전제어의 다중화를 도모하고 있다. (2) 세라믹 파손 시 내부 직접 반응 극소화 세라믹스 부품이 파손된 경우 내부에서 나트륨과 유황의 직접 반응을 극소화시키는 기능을 가지며, 발열을 최소한으로 줄인다. (3) 주위의 셀에 미치는 영향 극소화 셀이 크게 파손되어 셀에서 내부의 고온 반응물이 누출된 경우라도 주위 셀과의 내부단락을 방지하고, 파손의 확대를 막기 위해 내부단락방지용 퓨즈 등을 배치하고 있다. (4) 모듈전지 내에서의 완결 셀 내부의 고온 반응물이 셀 외부로 누출된 경우, 외부로의 피해를 막기 위해 누출물을 모래로 흡수· 고정한다. (5) 주위에 미치는 영향 제거 모듈전지가 파손된 경우 그 누출물로 인해 인접한 모듈이 영향을 받지 않도록 내화재(耐火材)를 배치하여 주위에 미치는 영향을 억제한다. 또한, 2011년 9월에 발생한 나트륨-유황전지설비의 화재를 계기로 그 원인 구명과 대책의 일환으로서 공적기관의 유식자들이 참여한 가운데 안전성에 대한 개선활동이 이루어졌다. 구체적으로 ⑴에서는 파손원인이 되는 부품관리의 강화를 도모함과 동시에 ⑶에서는 셀 자체의 내열성, 절연성 강화, ⑷에서는 모듈전지 용기의 내화성능 향상, ⑸에서는 전지유닛의 주위영향 경감을 도모하고 있다. 나트륨 유황 전지의 특성 셀의 정격 충방전 시의 특성을 [그림 7]에 나타냈다. 개로전압에 대해 방전 및 충전을 실시한 경우, 정격전류×내부저항분의 전압저하와 전압상승이 발생한다.방전 시 서서히 전압이 감소하는 것을 이용하여 방전을 정지하고, 만충전 상태에서는 베타 알루미나 부근에서의 유황 증가에 따른 전압상승을 이용해 충전을 정지한다. 전지의 성능열화 전지의 성능열화에는 저항증가와 용량저하 현상이 있다. (1) 저항증가 나트륨 유황 전지의 저항성분에는 금속저항과 같은 직류성분과 양극 내 이온농도 분포에 기인하는 분극성분이 있다. 주된 저항증가는 직류성분의 증가인데 장기운전으로 셀 용기의 내표면에 금속황화물이 형성되는 것이 원인이다. 이에 대한 대응으로 내식성이 높은 재료를 내표면에 사용함으로써 저항증가를 저감시키고 있다. 분극성분은 양극 중의 이온확산계수로 정해지는 성분으로 경시변화(시간 경과에 따른 변화)는 하지 않는다. (2) 용량저하 나트륨 유황 전지는 메모리 효과 등으로 방전할 수 없게 되는 용량저하 현상은 없다. 이 전지는 충전 시에 음극으로 돌아가는 나트륨량의 감소에 의해 용량저하가 발생한다. 이 원인에는 몇 가지가 있지만 셀 용기 내표면의 금속원소가 일부 용출되어 양극 내 분해하기 어려운 화합물이 서서히 증가하는 것으로, 만충전 상태에 전압이 상승해 허용전압 내에서 충전 가능한 나트륨이 감소하는 것이 하나의 원인이라고 할 수 있다. 이 현상에 대응하기 위해 양극의 전극재(電極材) 구조로 개선을 실시하고 있지만, 충전을 용이하게 하는 충전방법의 개선도 중요하다. 충전은 만충전 상태 회로전압(정수(定數)), 설정저항, 전류로 정해지는 전압이 셀 허용전압 이하가 되는 조건에서 정지한다. 충전 정지 전압 = 개로전압 + 설정저항 × 전류 …… ⑴ 전류를 낮추면 높은 설정저항까지 충전할 수 있기 때문에 충전성능을 높이기 위해 단계적으로 전류를 변경하는 방법을 이용할 수 있다. 그 사례로, 설계수명 15년(300회/년, 정격 충방전) 4500회의 충방전 사이클을 약 8000사이클까지 검증한 결과, 장기성능에 커다란 변화는 나타나지 않았다.([그림 8] 참조) 전지의 효율 전지 시스템으로 운용하는 경우의 효율은 전지의 충방전 효율뿐만 아니라, 교직변환장치(PCS)의 변환효율 및 시스템을 유지하는 보조기기의 전력도 중요한 요소가 된다. 전지의 종류에 따라서는 전지를 냉각하는 공조 및 용액을 순환시키기 위한 펌프전력 등이 필요하지만, 나트륨 유황 전지는 고온 동작형 전지이므로 전지온도를 유지하기 위한 히터전력을 고려할 필요가 있다. 효율 = 방전 전력량 / 충전 전력량 ………………‥ ⑵ 이에 대해 나트륨 유황 전지의 경우는 히터전력을 고려해 다음과 같이 정의할 수 있다. 효율 = 방전 전력량 / (충전 전력량 + 히터전력) …… ⑶ 전지는 방전 시의 반응열로 발열(온도상승)한다. 일상의 운전에서 내부 온도가 과도하게 상승하지 않도록 발열분을 1일씩 원래의 온도로 맞추기 위해 모듈전지의 방열량을 설정함으로써 방전 시의 발열을 내부 보온에 이용하고, 히터의 보온전력을 저감하여 최적의 효율로 운용할 수 있는 설계가 되어 있다. 향후의 개발과제 효율향상 앞서 전지의 효율에 대해 설명했는데 시스템 전체에서는 전지효율 외에 PCS(Power Conditioning System)의 효율도 중요하다. 시스템 효율로 환산할 경우 방전·충전에서 각각 95%의 변환효율을 전제로 하고 있으며, PCS의 변환효율도 향후 각사에서 개선이 진행됨에 따라 더욱 향상될 것으로 기대를 모으고 있다. 현재의 모듈전지는 특정일에 운전을 중지하거나 소용량으로 운전하는 경우, 히터전력이 증가하여 최적의 효율로 운용할 수 없다는 문제점이 있다. 이 과제를 해결하기 위해 방열량을 자동으로 변경할 수 있는 전지의 개발에 착수하고 있다. 개발 중인 전지의 개념도를 [그림 9]에 나타냈다. 여기서는 모듈전지 용기 본체의 단열을 강화하는 한편, 방전 시에 발생하는 열은 적극적으로 빠져나가게 설계했다. 열을 방출하기 위해 모듈전지의 내부에 덕트를 설치하여 방열이 필요할 때에는 팬으로 냉풍을 도입함으로써 적극적으로 방열을 실시할 수 있다. 플러그인 타입의 컨테이너형 시스템 시스템 설치에 있어서는 수송 및 건설, 검사기간도 중요한 요소이다. 이러한 전체적인 비용을 절감하고 사용자가 단납기에 건설할 수 있도록 컨테이너형 전지 시스템의 개발을 진행하고 있다. 시스템의 이미지를 [그림 10]에 나타냈다. 표준적인 20피트 컨테이너 내에 모듈전지와 제어장치 세트를 장착한 전지유닛을 공장에서 조립한다. 마찬가지로 PSC도 컨테이너형으로 유닛화한다.컨테이너형 전지유닛은 해상운송도 가능하므로 수송이 편리해지며, 건설현장에서는 컨테이너형 전지유닛과 컨테이너형 PCS유닛을 설치하여 두 컨테이너 사이를 플러그인(plug-in)하는 공사에 의해 운전 개시가 가능하므로 [그림 6]에 나타난 패키지를 건설하는 경우에 공사기간을 대폭 단축할 수 있다. < Energy News >