아연·망간으로 수명 제약 없는 레독스흐름전지 개발

한국전기연구원

하이브리드 아연-망간 레독스흐름전지를 개발한 박준우 한국전기연구원 책임연구원(왼쪽)과 박민준 부산대 교수. 전기연 제공

국내 연구팀이 고가의 금속인 바나듐 대신 구하기 쉬운 아연, 망간을 이용해 성능을 높인 레독스흐름전지를 개발하는데 성공했다. 이론상 수명의 제약이 없다는 장점이 있어 기존 리튬이온전지를 잇는 차세대 전지로 각광받는 레독스흐름전지의 상용화에 한발짝 다가섰다.

한국전기연구원은 박준우 차세대전지연구센터 책임연구원팀이 박민준 부산대 교수팀과 공동으로 하이브리드형 아연-망간 레독스흐름전지를 개발했다고 8일 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 '에너지 스토리지 머티리얼스' 1월호 온라인판에 발표됐다.

레독스흐름전지(Redox Flow Battery)는 환원(Reduction), 산화(Oxidation), 흐름(Flow)의 단어를 합성한 용어다. 산화·환원 반응을 통해 전자가 음극에서 양극으로 이동하며 전기에너지를 발생시키는 방식으로 작동한다.

기존 이차전지와 달리 화학적 반응이 일어나는 부분과 전기를 저장하는 부분을 구분해 출력과 용량을 독립적으로 설계할 수 있고 전지의 대용량화도 가능하다. 배기가스를 배출하지 않고 화재·폭발 위험이 없다는 장점도 있다.

현재 레독스흐름전지의 주요 핵심소재인 바나듐(V)은 중국 등 수입에 의존하는 고가의 금속인데다 전지의 성능을 좌우하는 전압이 상용화된 리튬이차전지보다 낮아 효율이 10~15% 떨어진다.

박 책임연구원팀은 상대적으로 저렴하고 수급도 안정적인 망간(Mn)과 아연(Zn)을 이용해 하이브리드형 레독스흐름전지를 제작했다. 이 전지는 이중 이온교환막 구조로 구성돼 있어 알칼리성 아연 전해액과 산성 망간 전해액을 동시에 사용할 수 있다.

또 연구팀은 비스무트(Bismuth) 금속을 전극 표면에 증착시켰고 니켈과 마그네슘, 구리, 코발트 이온이 첨가된 전해액을 활용했다. 비스무트 금속은 전기 전도성이 우수해 전자 이동을 향상시킨다. 전기화학 성능을 분석해 다양한 이온을 첨가한 전해액은 촉매 역할을 수행해 전지의 안정성과 성능, 수명을 높였다.

이후 투과전자현미경(TEM)과 X선광전자분광법 등으로 성능을 분석한 결과 연구팀이 개발한 하이브리드형 아연-망간 레독스흐름전지의 전압은 2.52V로 기존 바나듐 전지(1.3V)보다 높은 것으로 나타났다. 에너지 효율도 10% 이상 향상됐다.

박 책임연구원은 "저비용의 아연-망간 소재와 가역성을 높일 수 있는 금속 이온 촉매 기술이 결합된 신개념의 레독스흐름전지 기술"이라며 "이번 성과는 차세대 장주기 대용량 레독스흐름전지 보급 확대에 크게 기여할 것"이라고 말했다.

[이영애 기자 yalee@donga.com]