- 화재 위험 없는 대용량 ESS 레독스 흐름전지... 고가 바나듐 대체하는 활성물질 ‘비올로겐’ 적용

- 조립 블록을 끼우듯 비올로겐 분자에 작용기를 끼워 넣어 안정성, 용해도 향상

- 소재 분야 저명 학술지 ‘ACS Applied Materials and Interfaces’ 게재

□ 대용량 ESS ‘레독스 흐름전지’의 활성물질을 보다 저렴한 물질로 대체할 수 있는 기술이 개발됐다.

* 레독스 흐름전지(Redox Flow Battery): 환원(Reduction), 산화(Oxidation), 흐름(Flow)을합성한 용어로, 전극 표면에서 전해액 내의 활성 물질의 산화, 환원 반응을 이용해 전기에너지를 화학에너지로 저장하고, 필요할 때 다시 전기에너지로 변환하는 전지(Battery). 대용량화가 가능하며 전해액의 주기적인 교체를 통해 장기간 사용이 가능하고, 화재 발생 위험이 없는 것이 큰 강점

■ 한국에너지기술연구원(이하 ‘에너지연’) 에너지저장연구단 황승혜 박사 연구진이 대용량 에너지 저장 장치로 주목 받는 레독스 흐름전지의 활성물질을 대체하고 용해도, 안정성을 개선하는 작용기*를 도입해 성능과 수명을 대폭 향상시키는데 성공했다.

* 작용기(Functional group): 유기화합물의 성질을 결정하는 원자단으로 몇 개의 원자가 결합되어 있으며, 화합물이 어떤 성질을 가지게 되는 지를 결정하는 역할을 함

□ 태양광, 풍력 등 재생에너지의 활용을 확대하기 위해서는 기상 상황이 좋을 때 생산된 전기를 8시간 이상 저장하고, 필요 시 다시 활용할 수 있게 하는 장주기 에너지 저장 시스템이 필요하다. 이 중 레독스 흐름전지는 보편적으로 활용되는 리튬이차전지에 비해 화재 위험성이 낮고 20년 이상의 긴 수명을 갖고 있어 전세계적으로 활발히 연구되고 있으며, 우리나라도 2030년 전후 보급을 위해 저가화, 고효율화를 중점으로 기술 개발을 추진*하고 있다. * 에너지스토리지 산업 발전전략(‘23.10), 산업통상자원부

□ 이러한 레독스 흐름전지의 활성물질로 바나듐이 상용화돼 있지만 매장량이 한정적이기 때문에 최근에는 이를 대체하기 위한 연구가 진행되고 있다. 특히 자연계에 존재하는 탄소, 산소 등의 물질을 기반으로 만들어진 유기 화합물 비올로겐은 가격이 저렴해 바나듐을 대체할 수 있는 물질로 가장 주목받고 있다. 다만 비올로겐이 지닌 낮은 용해도로 인해 전체 에너지밀도가 낮아지는 점과 충방전이 반복될수록 저장의 안정성이 떨어진다는 단점을 갖고 있어 이를 해결하기 위한 기술 개발이 필요한 상황이다. 

■ 이에 연구진은 비올로겐에 작용기를 도입해 문제를 해결했다. 작용기는 마치 조립 블록처럼 비올로겐 안에 끼워져 용해도와 안정성을 향상시키는 역할을 수행한다.

[사진자료] 연구원이 유기활물질 기반 흐름 전지를 조립하고 있다

□ 연구진은 비올로겐의 용해도를 높이기 위해 물에 친한 성질을 지닌 술폰, 에스테르 작용기를 도입했다. 2개의 작용기는 비올로겐의 표면에서 물(전해액) 분자와의 상호 작용을 통해 분자끼리 끌어당기는 힘을 발생시키고 비올로겐이 물에 쉽게 퍼질 수 있도록 돕는다.

□ 또 비올로겐은 샌드위치와 같이 2개의 분자판을 갖는 판상 구조로 구성돼 있는데, 충전이 진행되면 판이 합쳐지는 반응이 빈번히 일어나 더 이상 에너지를 저장할 수 없는 구조로바뀌게 된다. 이를 해결하기 위해 연구진은 장애물 역할을 수행할 알파-메칠 작용기를 도입했다. 도입된 작용기는 판상 구조에 뒤틀림을 주고 분자 간에 반발력을 일으켜 반응을 억제함으로써 에너지 저장의 효율과 안정성을 향상시켰다.

■ 연구진이 개발한 활성물질을 레독스 흐름전지에 적용한 결과, 바나듐 레독스 흐름전지 대비 에너지 밀도가 2배 이상 향상된 것을 확인했다. 또 200회의 반복 충방전에도 99.4%의 쿨롱 효율(충전용량 대비 방전용량), 92.4%의 용량 유지율을 나타내 성능과 안정성 모두 향상된 결과를 얻었다.

■ 연구결과를 담은 논문의 제1저자 황승혜 박사는 “기후변화에 대응해 재생에너지 사용을 확대하기 위해서는 저가이면서 장수명 특성을 갖는 레독스 흐름전지 개발을 통해 에너지 저장을 용이하게 하는 것이 필요하다.”며, “이번 연구를 통해 저가와 장수명을 동시에 달성할 수 있는 활물질 설계가 가능해 레독스 흐름전지의 조기 상용화에 기여할 것”이라 밝혔다.

[사진자료] 연구진이 개발한 유기 활물질을 들고 있다

□ 연구결과는 소재 분야 저명학술지 ‘ACS Applied Materials and Interfaces(IF 9.5)’에 게재됐으며, 연구는 에너지연 기본사업의 지원을 받아 수행됐다.