에너지연, 바나듐 레독스 흐름전지용 고순도 전해액 대량생산 성공

한국에너지기술연구원(원장 김종남)은 이신근 에너지소재연구실 박사팀이 '바나듐 레독스 흐름전지' 핵심 소재인 바나듐 전해액을 대량생산할 수 있는 촉매반응 시스템 개발에 성공했다고 21일 밝혔다. 한국과학기술원(KAIST), 연세대, 이에스와 공동 연구했다.

바나듐 레독스 흐름전지는 바나듐 전해액 산화·환원 반응으로 충전과 방전이 되는 에너지저장장치다. 리튬이온전지와 비교해 인체유해성, 인화성, 화학반응성 위험도가 낮다. 수명도 20년 이상으로 길다. 다만 리튬이온전지보다 가격이 높다.

40LPh급 대용량-고순도바나듐 전해액 제조용 촉매반응 시스템 사진

바나듐 전해액은 전지 용량, 수명, 성능을 결정하는 핵심소재다. 전체 전지가격의 절반을 차지한다.

연구진이 개발한 바나듐 전해액 대량생산 촉매반응 시스템은 '3.5가 전해액'을 고순도로 연속적 제조할 수 있다. 전기분해법 대비 시간당 생산 속도가 약 2.7배 높다. 시스템 크기가 작아 부지시설 비용, 전력소비가 저감돼 전해액 가격을 낮출 수 있다. 고활성 촉매, 고성능 반응기, 고효율 시스템이 기술 핵심이다.

연구진은 전해액의 산화방지와 반응효율 증진을 위한 질소 퍼징 공정, 촉매 불균일 흐름 현상을 방지할 수 있는 촉매 반응기도 독자 개발했다. 잔류물이 남지 않는 환원제인 포름산을 기반으로 바나듐 전해액 환원반응이 이뤄지게 했다.

반응효율을 급격히 증가시켜 고가의 귀금속 촉매 사용량을 개발 목표대비 5분의 1이하로 줄일 수 있었다.

또 연구진은 바나듐 전해액 제조 효율을 최대로 발휘하기 위해 펌프, 히터, 반응기, 열교환기로 구성된 촉매 반응 시스템을 구축했다. 에너지 사용량을 기존 목표대비 50% 이상 줄일 수 있었다. 파일럿 규모 대비 500분의 1로 축소한 반응기를 사용해 2500시간 내구성 검증도 마쳤다. 대량으로 생산된 전해액은 이에스 설치한 40킬로와트시(㎾h)급 바나듐흐름전지에 장입, 효성중공업으로부터 성능검증을 완료했다.

연구를 주도한 이신근 책임연구원은 “이번에 개발한 대용량 촉매 반응기는 전량 해외에 의존하던 바나듐 전해액을 국산화 할 수 있고, 실험실 규모로 가능성을 확인한 원천기술을 대량생산이 가능한 수준으로 실증을 했다는 것에 의의가 있다”고 밝혔다.

한편 연구진은 확보 제조기술을 기반으로 국내 ESS시장에 진출 할 예정이다. 기존 리튬이온배터리로 구성된 ESS시장에서 바나듐 레독스 흐름전지 비중을 높인다.

대전=김영준기자 kyj85@etnews.com