폭발 위험 없는 차세대 대용량 이차전지, 250회 충·방전 후 성능 유지

UNIST, 고출력 ‘철-크롬 흐름전지’ 개발
전해질 조성 조절해 용량 등 성능 유지

폭발 위험 없는 대용량 전기저장장치(ESS)인 '철-크롬계 흐름 전지'의 수명을 늘릴 수 있는 기술이 개발됐다.

울산과학기술원(UNIST)은 이현욱(사진) 에너지화학공학과 교수 연구팀이 서동화 KAIST 교수, 귀이화 위 미국 텍사스대 교수 연구팀과 함께 철-크롬 흐름 전지의 성능 저하 원인을 규명하고, 전해질 조성을 조절해 반복되는 충·방전에도 용량을 유지하는 데 성공했다고 29일 밝혔다.

흐름 전지는 일반적인 배터리와 달리 전극 물질이 물에 녹아 있는 전해액 형태여서 전해액 자체가 전극처럼 작동하는 일종의 '액체 전극'이다. 휘발성 전해질이 아닌 물을 사용해 폭발 위험이 없고, 전해액 양만 조절하면 전기 저장 용량을 자유롭게 바꿀 수 있어 풍력이나 태양광처럼 전력 생산이 일정하지 않은 신재생에너지를 저장하는 데 적합하다.

가장 상용화에 가까운 시스템인 바나듐 레독스 흐름 전지는 안전성이 우수하지만, 원료인 오산화바나듐의 가격이 비싸 경제성이 낮은 단점이 있다. 반면 철-크롬계 레독스 흐름 전지는 상대적으로 저렴한 원료를 사용하지만 크롬의 반응성이 약해 출력이 낮고 충방전이 느린 문제가 있다. 이를 극복하기 위해 헥사시아노크로메이트라는 물질을 넣어 출력과 충전속도 개선이 가능하나 충방전에 따른 용량이 급격히 감소하는 문제를 안고 있다.

연구팀은 이런 현상이 충전 과정에서 수산화이온이 과량 발생해 사이아나이드 이온 자리를 차지해 전해액 구조를 무너 뜨리기 때문이라는 사실을 밝혀냈다. 이어 전해액 내 사이아나이드 이온과 수산화 이온 농도 비율을 조절해 반응을 억제하고, 전해액의 화학구조를 안정적으로 유지할 수 있는 전해액 배합비율을 도출했다.

이 비율을 적용한 철-크롬 흐름 전지는 250회 이상 충방전을 반복해도 용량과 효율 등을 유지한 것으로 나타났다.

이현욱 UNIST 교수는 "값싼 철·크롬계 전해액으로도 오래 쓸 수 있는 고출력 흐름 전지를 만들 수 있다는 가능성을 보여준 연구"라며 "레독스 흐름 전지에 적용 가능한 물질 범위를 확장하고, 시스템의 다양성을 확보할 수 있는 가능성을 제시했다는 데 연구적 의미가 크다"고 말했다.이 연구결과는 화학 분야 학술지인 '앙게반테 케미(지난 2일)' 온라인에 실렸다.

이준기 기자 bongchu@dt.co.kr

철-크롬 흐름전지의 작동 원리와 전해액 안정화 전략 모식도.

UNIST 제공" class="img_LSize" />

이현욱(왼쪽부터) 교수, 비디야 무랄리다란 연구원(제1저자), 장지은 박사(제1저자)