KAIST, 폭발위험 없고 가격낮춘 ‘레독스 흐름전지’ 개발

- KAIST-POSTECH 공동연구

변혜령 KAIST 화학과 교수.[KAIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 리튬이온 전지를 대체할 수 있는 수계 레독스 흐름 전지는 낮은 원가, 낮은 발화 위험, 그리고 20년 이상의 장수명 특성을 가져 신재생 에너지와 연계한 에너지 저장장치(ESS)로 활용할 수 있다. 하지만 레독스 흐름전지의 주 소재인 바나듐의 가격이 치솟고 있어 이를 대체할 새로운 물질 연구가 필요하다.

카이스트(KAIST)는 화학과 변혜령, 백무현 교수 연구팀과, 포스텍(POSTECH) 화학과 서종철 교수팀이 공동연구를 통해 수계 레독스 흐름전지에 활용할 높은 용해도의 안정한 유기 활성분자를 개발했다고 23일 밝혔다.

연구팀은 유기분자의 설계를 통한 수계 레독스 흐름 전지 개발 연구에 집중했다. 유기분자는 다양한 합성 디자인을 통해 용해도, 전기화학적 레독스 전위 등을 조절할 수 있어 바나듐보다 높은 에너지 저장이 가능한 유망한 활성물질의 후보군이다. 대부분의 유기 레독스 활성 분자들은 낮은 용해도를 가지거나 레독스 반응 시 화학적 안정성이 낮은 문제점을 가지고 있다. 활성 분자들의 용해도가 낮으면 에너지 저장 용량이 낮아지며, 분자의 화학적 안정성이 낮으면 사이클 성능의 감소가 나타난다. 연구팀은 나프탈렌 다이이미드(NDI)를 활성분자로 사용했는데, NDI는 높은 전기화학적 안정성을 가짐에도 수계 전해액에서 낮은 용해도를 가져 지금까지 연구가 많이 이루어지지 않았다.

NDI 분자는 물에 거의 용해되지 않지만 연구팀은 NDI에 네 개의 암모늄 기능기를 도입하여 용해도를 최대 1.5M(몰)까지 상승시켰다. 또한 1 M의 개발된 NDI 분자를 중성의 수계 레독스 흐름전지에 사용시 500 사이클 동안 약 98%의 용량이 유지됨을 확인했다. 이는 한 사이클 당 약 0.004%의 용량만이 감소하며 총 45일간 작동시 처음의 용량 대비 2%만이 감소됨을 의미한다.

수계 레독스 흐름전지 성능 모식도.[KAIST 제공]

또한 개발된 NDI는 한 분자당 2개의 전자를 저장할 수 있어 1 M의 NDI를 사용 시 약 2 M의 전자 저장이 가능함을 증명하였다. 참고로 고농도의 황산용액을 사용하는 바나듐 레독스 흐름 전지의 활성물질인 바나듐의 용해도는 약 1.6 M이며 전자 저장수는 원소당 1개여서 총 1.6 M의 전자저장이 가능하다. 따라서 개발한 NDI 활성 분자는 기존의 바나듐보다 높은 용량을 구현할 수 있다.

변혜령 교수는 “향후 수계 레독스 흐름전지로 사용 시 고에너지밀도, 고용해도의 장점과 함께 중성의 수계 전해액을 사용할 수 있어, 기존의 바나듐 레독스 흐름전지의 산성용액 사용에서 오는 부식 문제 등을 해결할 수 있을 것으로 기대된다”면서 “현재 사용하고 있는 리튬-이온전지 기반의 ESS는 화재의 위험이 높기 때문에 안전하고 저렴한 차세대 ESS의 개발의 가능성을 보여줬다”고 말했다.

이번 연구결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈’ 2월 7일 온라인으로 출판됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com