리튬이온전지 대체, 폭발 위험 없는 레독스 흐름전지 개발

KAIST 연구진

변혜령 교수. KAIST 제공

최근 리튬이온전지 화재가 빈번하게 발생하면서 안전한 ESS(에너지저장장치) 개발에 대한 관심이 커지는 가운데 국내 연구진이 ESS용 리튬이온전지를 대체할 레독스 흐름전지용 유기 확성분자를 개발하는 데 성공했다. 레독스 흐름전지는 환원, 산화, 흐름의 단어를 합성한 용어로 산화·환원이라는 화학적 반응을 통해 전자가 전해액의 도움을 받아 음극에서 양극으로 이동하며 전기 에너지를 발생시키는 원리로 작동한다.

KAIST는 변혜령·벡무현 화학과 교수 연구팀이 서종철 포스텍 화학과 교수 연구팀과 공동으로 수계 레독스 흐름전지에 활용할 높은 용해도의 안정한 유기 활성 분자를 개발하고 연구 결과를 국제학술지 `어드밴스 머터리얼즈'에 게재했다고 23일 밝혔다.

2차전지인 리튬이온전지를 대체할 수 있는 수계 레독스 흐름 전지는 원가·발화위험이 낮고 수명이 20년 이상으로 길어 신재생 에너지와 연계한 에너지 저장장치로 활용된다. 레독스 흐름전지 활성물질로 바나듐 원소가 가장 널리 사용되지만 최근 바나듐 원가 상승으로 대체 물질 연구가 활발히 진행되고 있다.

연구팀은 대체 물질로 유기 분자에 주목했다. 유기 분자는 다양한 합성 디자인으로 용해도, 전기화학적 레독스 전위 등을 조절할 수 있어 바나듐보다 높은 에너지 저장이 가능하다. 다만 용해도가 낮거나 레독스 반응 시 화학적 안정성이 낮다는 문제가 있다. 활성 분자 용해도가 낮으면 에너지 저장 용량이 낮아지며 화학 안정성이 낮으면 사이클 성능 감소가 나타난다. 

연구팀은 안전성은 높지만 수계 전해액에서 용해도가 낮아 지금까지 연구가 많이 이뤄지지 않은 나프탈렌 다이이미드(NDI)를 활성분자로 사용했다. 개발된 NDI는 한 분자당 2개의 전자를 저장할 수 있다. 용해도는 바나듐의 용해도보다 낮지만 바나듐의 전자 저장 수는 원소당 1개여서 개발된 NDI는 바나듐보다 높은 용량을 구현할 수 있다.

개발된 NDI 분자를 적용한 레독스 흐름전지는 사이클 성능 감소도 낮았다. 500 사이클 동안 약 98%의 용량이 유지됐다. 이는 한 사이클 당 약 0.004%의 용량만이 감소하며 총 45일간 작동 시 처음 용량 대비 2%만 감소한다는 의미다. 

변혜령 교수는 "용해도가 낮은 유기 활성 분자를 활용해 레독스 흐름전지의 활성 분자로 사용할 수 있는 분자 디자인 원리를 보였다"며 "향후 수계 레독스 흐름전지로 사용 시 고에너지밀도, 고용해도의 장점과 함께 중성의 수계 전해액을 사용할 수 있어 기존 바나듐 레독스 흐름전지의 산성용액 사용에서 오는 부식 문제 등을 해결할 수 있을 것"이라고 밝혔다. 

1M의 개발한 NDI 분자를 음극 전해액으로, 3.1M의 암모늄 요오드를 양극 전해액으로 사용한 수계 레독스 흐름전지 성능 모식도. KAIST 제공

[윤영혜 기자 yyh@donga.com]