수중 무인체계에 활용 가능한 에너지원 및 해수이차전지의 적용방안
- 컬럼
- 2025. 3. 31.
병력 감소, 인명 중시 등 미래 전장환경이 급변함에 따라 무인체계의 필요성과 탑재되는 에너지원 기술의 중요도는 더욱 높아지고 있다. 기존 에너지원으로 활용된 리튬이온전지나 수소연료전지의 경우 폭발 및 화재의 위험성, 원자재 수급 문제, 인프라 구축 등의 사유로 이를 극복할 수 있는 차세대 에너지원 관련 연구가 활발히 이루어지고 있다. 그 중 하나로 떠오르는 해수이차전지는 해수의 나트륨 이온을 양극재로 이용하여 에너지를 발생시키는 배터리인데, 해수 환경에서 운용하는 수중 무인체계의 운용 특성상 많은 이점을 기대할 수 있다. 본 고에서는 각 에너지원들이 지니는 특성 비교를 통해 수중 무인체계의 적용 이점 및 제한사항에 대하여 분석해보고, 가장 적절한 차세대 에너지원을 알아보고자 한다.
이 혜 원
국방기술진흥연구소 기반체계기술팀
연구원
1. 서 론
미래 전장환경이 급변함에 따라 전쟁의 패러다임이 전환되고 있다. 과학기술의 발달, 병력감소, 인명 중시 등에 따라 미래 전장환경에서는 인명 손실을 최소화하면서 전투력의 우위를 확보할 수 있는 무인체계의 필요성과 활용 분야가 확대되고 있다. 특히 수중에서 작전을 수행하는 잠수함의 경우 사고 발생 시 생존확률이 희박하여 무인잠수정의 중요도는 더욱 높아지고 있다.
무인잠수정에 필요한 핵심기술은 선체기술, 추진기술, 자율운항기술, 임무운용기술, 통신기술 등이 있지만, 본 고에서는 추진기술의 발전추세와 동향에 대하여 중점적으로 다뤄보고자 한다. 추진기술은 체계의 이동 및 장비의 운용이 가능케 하는 에너지원을 말하며, 미국, 일본 등 일부 선진국에서 에너지원 개발 기술 연구가 활발히 진행 중이다. 무인잠수정에 탑재되는 에너지원의 핵심은 한정된 부피 내에 적용 가능한 크기와 장시간 전력 공급을 통해 수중에서 장기간 체류가 가능하도록 개발하는 것이다. 따라서 본 고에서는 에너지원의 기술적 개발 방향과 각 특성을 분석하여 무인잠수정에 적용 가능성 및 개선사항을 도출하고자 한다.
2. 무인잠수정 에너지원의 변화
2.1. 에너지원의 변화
초기 무인잠수정은 배터리를 에너지원으로 사용하였는데, 그중에서도 가장 대표적인 배터리는 리튬이온배터리이다. 리튬이온전지는 상대적으로 가볍고, 탑재 및 취급이 용이하여 다양한 분야에서 활용도가 높지만, 리튬이온전지의 양극을 구성하고 있는 물질(NCM 등)의 매장량이 풍부하지 않아 재료 공급의 불균형 및 조달 비용의 상승을 야기하고, 전해질로 사용되는 유기전해질로 인하여 안전상의 문제가 있다. 또한, 무기체계 적용 측면에서 보았을 때 충전시간이 길고 에너지 밀도가 낮아 운용 시간에 매우 제한되는 단점이 있어, 단기 임무에는 적절하였지만 장시간 임무에는 적합하지 않았다.
이후 에너지 밀도를 개선하기 위해 연료전지의 활용성에 대한 연구가 활발히 진행되었다. 연료전지는 높은 에너지 밀도로 한정된 공간에서 장시간 운용이 가능하여 무인잠수정과 같이 크기가 제한 되는 체계에 적용하기 적합하였으나, 안정성 및 인프라의 문제가 발생하였다. 연료전지 중 가장 상용화되어 있는 전지는 수소연료전지이다. 수소연료 전지의 연료가 되는 수소를 운반하는 과정에서 고압(>700bar)으로 저장하게 되는데, 이는 침수, 누출, 오작동 등의 비상상황 발생 시 폭발로 대형 화재의 우려가 있다. 또한, 수소산업투자가 활용 분야에 52%가 편중되어 있으며, 인프라 투자 비율은 약 13%에 불과하다. 따라서 수소의 활용 및 인프라 구축 관련 연구 및 투자가 진행되는 동시에 또 다른 차세대 에너지원을 병행하여 발굴할 필요가 있다.
차세대 에너지원으로 리튬황전지, 리튬공기전지, 전고체전지 등 다양한 분야로의 연구가 진행되었지만, 그 중 함정 분야의 특수한 운용환경(해수)을 극복할 수 있고, 효과가 기대되는 에너지원 중 하나가 바로 해수전지(SWBs, Sea Water Batteries)이다. 해수전지는 최초에 마그네슘과 물을 사용하는 일차전지 개발을 시작으로, 알루미늄을 이용한 해수일차전지가 개발되었다. 해수일차전지는 리튬 이온전지 대비 높은 이론적 에너지 밀도를 지니고 있었지만, 재사용이 불가능한 일회용 전지이고 국내의 경우 관련 기술 확보가 어려워 수입에 의존하였다.
그러다 해수이차전지가 국내에서 최초 개발되었다. 기존 해수일차전지의 경우 해수 내 물질을 직접 에너지원으로 사용하는 것이 아니라 ‘물’을 전해질로 사용하는 전지였지만, 해수이차전지는 해수 내 나트륨을 직접 양극재로 활용하여 에너지를 발생시키는 배터리이다. 이러한 해수전지는 나트륨이 풍부한 해수 환경에서 운용하는 무인잠수정과 같은 함정 무기체계에 많은 이점이 있을 수 있다.
[표 1] 에너지원에 따른 소재 및 특징(출처: 참고문헌[2] 자료 재가공)
2.2. 차세대 에너지원 개발 필요성
2.2.1. 리튬이온전지의 한계
리튬이온전지는 탑재 및 취급이 용이하다는 장점으로 인해 기술개발이 매우 빠르게 발전하였다. 그러나 전지 수요 증가로 인해 양극을 구성하는 희귀금속류인 원자재(리튬, 코발트, 니켈 등)의 가격이 계속해서 문제점으로 대두되고 있다. 양극재는 배터리 총 비용의 약 37% 이상을 차지하여 전지의 구성요소 중 가장 많은 비율을 차지할 만큼 배터리의 가격에 직접적인 영향을 준다. 이를 개선하기 위해 양극재 중에서도 가격이 가장 높은 코발트 비율을 줄이고, 상대적으로 가격이 낮은 니켈의 함량을 높이는 ‘하이니켈 배터리’가 개발되는 추세이다.
양극재의 비용 외에도 리튬이온배터리의 큰 문제점 중 하나는 폭발 위험성이다. 리튬이온배터리의 화재 소식은 일상에서 어렵지 않게 찾아볼 수 있는데, 리튬이온배터리 화재의 심각성은 화재 발생이 아닌 진압에 있다. 일반 화재와는 달리 리튬이온 배터리에서 폭발 및 화재가 발생하면 내부온도가 순식간에 1,000°C 이상 치솟으며 ‘열폭주 현상’이 발생하게 된다. 배터리는 에너지를 가지고 있기 때문에 내부 화학반응이 연속적으로 일어나면서 연쇄폭발 및 재발화의 가능성이 높고, 소화약제의 침투 또한 어려워 아직까지도 리튬이온전지의 진압에 뚜렷한 방도가 없을 정도로 심각한 문제이다.
이러한 폭발 위험성의 원인은 리튬이온전지의 구성물질에서 찾아볼 수 있다. 리튬이온전지는 전해질로 젤 타입이나 액체 타입의 유기물질을 쓰게 되는데, 유기물질의 특성 상 발화와 함께 폭발 의 위험성을 동반하고 있고 낮은 내충격성 등 안정성에 대한 한계를 가지고 있다. 리튬이온전지에서 대표적으로 사용되는 유기용매는 DMC(Dimethyl carbonate), EMC(Ethyl Methyl Carbonate) 등과 같은 카보네이트계 물질을 사용하는데, 해당 물질의 경우 인화점이 매우 낮은 특성이 있다. 이러한 특성으로 인해 배터리 화재 가능성이 높아지는 문제가 발생한다.
2.2.2. 해수전지의 필요성
해수이차전지의 필요성은 크게 3가지(높은 안정성, 높은 에너지 밀도, 소재 수급 용이)로 분류할 수 있다.
▲ 높은 안정성
해수를 양극으로 사용하는 해수이차전지는 해수에 노출되어 있는 구조로 충전 과정에서 양극물질 (해수) 자체적인 냉각효과가 있어, 폭발 및 화재로부터 가연성 물질(산소) 차단 등으로 높은 안정성을 가지고 있다. 또한, 일반적으로 사용되는 리튬이온 전지, 납축전지 등은 해수 침수에 따른 부식, 반응에 의한 가스 발생 우려가 있지만, 해수이차전지의 경우 해양환경(해수)에 최적화된 소재 및 시스템 개발로 에너지원의 수명 및 안정성에 이점이 있다.
▲ 높은 에너지 밀도
해수이차전지(2,913Wh/kg)는 개방형 양극 구조로 이론 에너지 밀도가 리튬이온전지(584Wh/kg) 에 비해 약 2배 가량 높아서, 제한된 무인잠수정 크기 내에 높은 에너지 밀도의 전지를 적용하여 운용 시간을 개선할 수 있다.
▲ 소재 수급 용이
리튬이온전지의 경우 양극 구성물질인 NCM(Ni, Co, Mn), LCO(LiCoO₂) 등이 값비싼 희토류 금속류로 매장량이 풍부하지 않아 소재 수급이 쉽지 않고, 전지 전체 가격의 약 36%로 가장 큰 비중을 차지하고 있다. 반면 해수이차전지의 경우 해수를 양극으로 사용하여 kg당 약 20,000원 이상의 가격이 절감될 것으로 기대할 수 있다.
* 리튬이온전지(56,400원/kg), 해수이차전지(35,970/kg)
2.3. 해수이차전지의 원리
해수전지는 해수 속 나트륨이온(Na+)을 추출하여 이를 음극으로 저장하는 과정에서 충전이 되고, 다시 해수를 양극으로 삼아 나트륨 이온과 반응하는 과정에서 방전이 된다. 이러한 충·방전 과정을 반복하며 전기에너지를 저장 및 활용하게 된다.
해수전지는 양극부, 고체전해질, 음극부로 나누어져 있으며, 음극부와 고체전해질로 구성된 셀이 해수 내에 침지되어 있는 형태로 사용된다. 양극으로 활용되는 해수는 열린 시스템으로 대기에 노출된 해수 환경에 접하여 작동하며, 해수 이외에도 나트륨이 포함된 용액에서 작동이 가능하다.
충전 시 양극에서는 해수의 물이 산화되고, 음극에서는 고체전해질을 투과하여 음극부로 이동한 나트륨 이온과 전자가 만나 에너지를 저장한다.
(양극) 4OH- → O2 + 2H2O + 4e-
(음극) 4Na+ + 4e- → 4Na
방전 시 음극에서는 음극부에 쌓인 나트륨 이온이 산화되어 나트륨 이온의 형태로 해수로 다시 방출되고, 양극에서는 해수에 생성되었던 산소가 다시 환원되면서 저장된 에너지를 사용한다.
(양극) O2 + 2H2O + 4e- → 4OH-
(음극) 4Na → 4Na+ + 4e
2.4. 해수이차전지의 기술현황
해수이차전지는 새로운 형태의 차세대 에너지원으로 소재개발에서부터 실제 적용을 위한 시스템 설계 및 운용 검증기술까지 전반적으로의 기술개발이 필요하다.
이미 민간 분야에서는 해수이차전지 소재(양극, 음극, 전해액, 분리막)에 대한 연구 및 해양기기 적용을 위한 활용성 분석 위주로 연구개발이 진행되었으며, <표 2>에서 소개된 과제 이외에도 다양한 과제가 수행 중에 있다. 그러나 국방분야에 적용하기 위해서는 민수용 해양기기와는 운용환경 및 성능 측면에서 큰 차이가 발생하기 때문에 별도의 기술개발이 필요하다. 현재 국방 분야에서 해수이차전지의 적용 가능성을 확인하는 기술개발은 1건 진행 중이다.
[표 2] 해수이차전지 관련 민간과제 현황(출처: 저자 작성)
3. 결 론
미래 전장환경이 변화함에 따라 무인체계의 비중 및 중요도가 확대되고, 이에 따라 체계의 이동 및 장비 운용의 원천 기술인 에너지원에 대한 기술 개발 또한 활발히 연구되고 있다. 본 고에서는 수중 무인체계에 적합한 에너지원, 그중에서도 해수 이차전지에 대하여 알아보았다. 무인잠수정의 경우 한정된 부피, 제한된 무게, 임무수행을 위한 장시간 전력 공급 등과 같이 특수조건이 존재하기 때문에, 민수용 및 타 체계와 비교하였을 때 차별화된 관점에서 에너지원의 적용성을 분석할 필요가 있다.
가장 일반적으로 활용되는 리튬이온전지는 탑재 및 취급이 용이하다는 장점이 있지만, 양극을 구성하는 원자재의 높은 가격 및 폭발의 위험성 때문에 적합하지 않다. 체계 적용 관점에서 살펴보면 가장 중요한 요소 중 하나인 안정성에서 문제가 발생하는 것은 치명적인 결함이 될 수 있고, 장기간의 관점에서 바라보았을 때 가격 경쟁력 또한 좋지 않다. 게다가 에너지 밀도가 다른 에너지원에 비해 상대적으로 낮아 장시간 임무에 적합하지 않기 때문에, 다른 에너지원을 고려할 필요가 있다.
또다른 에너지원으로 수소연료전지를 살펴볼 수 있다. 크기 및 에너지 밀도와 같은 성능면에서는 리튬이온전지보다 경쟁력이 있으나, 수소를 저장 및 운반하는 과정에서 발생하는 문제들과 인프라 부족 등 현재 적용하기에는 많은 제한요소들이 있다. 그리하여 수소연료전지의 제한사항들을 극복하기 위한 투자 및 연구개발을 하는 동시에 다른 차세대 에너지원의 개발 또한 병행하여 이루어질 필요가 있다.
리튬이온전지, 수소연료전지 등 기존에 상용화된 에너지원의 단점들을 극복하기 위해 리튬황전지, 리튬공기전지, 전고체전지, 해수이차전지 등과 같은 차세대 에너지원이 다수 연구되었다. 그중에서도 에너지원의 특성 및 적용환경을 고려하였을 때 수중 무인체계에 활용성이 높을 것으로 생각해 되는 에너지원은 해수이차전지이다. 해수이차전지의 경우 다른 에너지원들과는 다르게 나트륨을 직접 양극재로 활용하여 에너지를 발생시키는 배터리이다. 무인잠수정의 운용환경을 고려하였을 때, 해수에 노출된 상태로 작동된다. 이때 해수이차전지의 양극재로 활용되는 나트륨은 해수에 매우 풍부하게 존재하여 리튬이온전지와 같이 소재 수급에 문제가 발생할 염려도 없을 뿐더러, 높은 안정성 및 에너지 밀도로 인해 효율적인 체계 운용이 가능해진다. 또한 해수이차전지는 국내 연구진으로부터 세계 최초 개발된 전지로, 원천기술을 국내에서 보유하고 있기 때문에 수출 경쟁력 부분에서도 큰 강점을 기대할 수 있다.
본 고에서 현재 수중 무인체계에 적용된 에너지원의 한계점들과 이를 극복할 수 있는 차세대 에너지원으로서 해수이차전지의 이점 및 적용을 위한 필요기술을 식별하였다. 민간 분야에서는 해수이차 전지 관련 기술개발이 활발이 이루어지고 있지만, 국방 분야에서는 적용 가능성을 확인하는 시작 단계에 있다. 따라서 진행되는 과제를 통해 무기체계 운용환경을 고려한 적용가능성 및 제한사항 등을 식별하고, 결과물을 활용하여 무기체계 성능 및 요구사항을 보다 구체적으로 만족시킬 수 있는 기술 개발과 적용 계획을 수립하기 위한 지속적인 투자 및 노력이 수행되어야 할 것으로 판단된다.
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참고문헌
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[10] 리튬이온배터리의 단점: 화재 메커니즘(덴드라이트, SEI 분해)
[11] https://sm10053.tistory.com/entry/%EB%A6%AC%ED%8A%AC%EC%9D%B4%EC%98%A8%EB%B0%
B0%ED%84%B0%EB%A6%AC%EC%9D%98-%EB%8B%A8%EC%A0%90-%ED%99%94%EC%9E%AC-
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