전기연, ESS 산업 이끌 '레독스흐름전지' 신기술 개발

[아이뉴스24 최상국 기자] 한국전기연구원(KERI)과 부산대 공동 연구팀이 기존 바나듐계보다 성능이 뛰어난 새로운 방식의 레독스 흐름전지를 개발했다고 밝혔다.

박준우 박사(전기연 차세대전지연구센터)팀과 박민준 부산대 교수팀은 바나듐보다 저렴하고 풍부한 망간과 아연을 전해질 소재로 사용하면서도 더 뛰어난 성능을 보이는 레독스 흐름전지를 개발했다.

레독스흐름전지(Redox Flow Battery)는 환원(Reduction), 산화(Oxidation), 흐름(Flow)의 단어를 합성한 용어다. 기존 이차전지와 달리 화학적 반응이 일어나는 부분과 전기를 저장하는 부분을 구분해 추력과 용량의 독립적인 설계가 가능하고, 전지의 대용량화가 가능하다.또한 배기가스를 배출하지 않고, 화재·폭발 위험도 없어 ESS용으로 각광받고 있는 차세대 전지다.

현재 레독스흐름전지의 주요 핵심소재인 ‘바나듐’은 중국 등 수입에 의존하는 고가의 금속이다. 전지의 성능을 좌우하는 전압도 바나듐 레독스흐름전지가 상용 리튬이차전지보다 낮아 효율성이 10~15% 정도 떨어진다.

전기연-부산대 연구팀이 활용한 망간과 아연은 상대적으로 저렴하고, 수급도 안정적이다. 특히 하이브리드형 레독스흐름전지는 독특한 이중 이온교환막 구조로 구성돼 알칼리성의 아연 전해액과 산성의 망간 전해액을 동시에 사용이 가능하고, 높은 전위차를 기대할 수 있다.

연구팀은 망간의 낮은 가역성 문제(망간 양극 활물질이 산화되었을 때 원래대로 환원되지 않고, 전극 및 이온 교환막 표면에 증착되는 문제)를 해결한 것이 핵심이라고 설명했다. 비스무트 금속을 전극 표면에 증착시키고, 니켈과 마그네슘, 구리, 코발트 이온 등이 첨가된 전해액을 활용했다. 비스무트는 전기 전도성이 우수해 전자 이동을 향상시켰고, 최적의 비율로 만들어진 전해액은 촉매 역할을 수행해 전지의 안정성(활물질 부반응 억제)과 성능, 수명을 크게 높였다.

연구팀이 개발한 하이브리드형 아연-망간 레독스흐름전지는 다양한 방법으로 분석한 결과 기존 바나듐계보다 높은 전압(1.3V -> 2.52V)과 10% 이상 높은 에너지 효율을 달성했다.

박준우 박사는 “저비용의 아연/망간 소재와 가역성을 높일 수 있는 금속 이온 촉매 기술이 결합된 신개념의 레독스흐름전지 기술로서, 이번 성과는 차세대 장주기 대용량 레독스흐름전지의 보급 확대에 크게 기여할 것”이라고 전했다.

전기연은 지난해 구축한 ‘광주 레독스흐름전지 시험인증센터’를 활용해 이번 개발 기술을 더욱 확장·발전시킬 예정이며, 상용화의 관건인 실제 대면적/고농도 셀 제작까지 이어질 수 있도록 만든다는 목표다. 또한 관련 수요업체도 발굴해 기술이전을 추진할 계획이다.

관련 논문은 에너지 분야 국제 전문 학술지인 에너지 스토리지 머티리얼스(Energy Storage Materials)에 게재됐다.