"폭발없고 20년 사용"…유기분자 레독스 흐름전지 개발

카이스트 연구팀, 비싼 바나듐 대신 나프탈렌 다이이미드 사용

배터리계의 요즘 대세는 리튬-이온 전지다. 그러나 원자재 값 상승과 자원 고갈, 발화 위험, 짧은 수명 등 고질적 문제를 갖고 있다. 이를 극복할 수 있는 대안으로 비교적 싼 값에 수명이 오래가고 안정적인 다양한 소재의 전지들이 개발 중이다. 이중 레독스 흐름 전지는 유력한 후보 중 하나로 꼽힌다. 낮은 원가, 낮은 발화 위험, 그리고 20년 이상의 장수명 특성을 가져 신재생 에너지와 연계한 에너지 저장장치 (ESS, energy storage system)로 활용할 수 있다. 그러나 이것도 주요 소재인 바나듐의 가격이 최근 급상승하면서 상용화의 걸림돌이 됐다. 국내 연구진이 바나듐을 값 싼 다른 유기 분자로 대체하는 기술을 개발해냈다.

카이스트(KAIST)는 변혜령·백무현 화학과 교수 연구팀이 포항공대(POSTECH) 서종철 교수팀과 공동연구를 통해 수계 레독스 흐름전지에 활용할 높은 용해도의 안정한 유기 활성 분자를 개발했다고 23일 밝혔다. 레독스(redox)는 '환원'(reduction)과 '산화'(oxidation)의 합성어다. 레독스 흐름 전지는 전해액 내의 활물질이 '산화-환원'(reduction-oxidation) 작용을 통해 전기를 저장-방출한다. 전기에너지를 전해액의 화학적 에너지로 저장시키는 전기화학적 축전장치다.

나프탈렌 다이이미드(NDI)를 활물질로 활용해 만든 유기분자 레독스 흐름 전지를 설명하는 그림. a) 다양한 NDI 분자들의 구조. (b) NDI 분자들의 물에서의 용해도 (검은 막대) 및 KCl 전해질을 포함한 수계 전해액에서의 용해도 (파란 막대). (c-d) 개발한 NDI 분자가 두 개의 전자를 저장함에 따라 2전자 저장 시 분자들의 구조 변화. (c) 레독스 반응 시 개발한 NDI 분자들의 클러스터 결합 및 분리 그림 및 (d) MD 시뮬레이션 스냅샷. 왼쪽에서부터 준비된 NDI 분자, 첫 번째 환원반응 후 2분자체 및 4분자체 클러스터 형성, 그리고 두 번째 환원 반응 후 입체구조의 단분자를 나타낸다. 그림출처=카이스트 제공

연구팀은 기존 바나듐이 대세인 레독스 흐름 전지의 활물질을 다른 유기 물질로 대체하는 연구를 진행했다. 유기 분자는 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(naphthalene diimide·NDI)를 활성분자로 사용하였는데, 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(1M= 용액 1ℓ에 6.022 x 1023 개 활성분자 존재)까지 상승시켰다. 또 1M의 개발된 NDI 분자를 중성의 수계 레독스 흐름전지에 사용시 500 사이클 동안 약 98%의 용량이 유지됨을 확인하였다. 이는 한 사이클 당 약 0.004%의 용량만이 감소하며 총 45일간 작동 시 처음의 용량 대비 오로지 2%만이 감소됨을 의미한다. 또한 개발된 NDI는 한 분자당 2개의 전자를 저장할 수 있어 1 M의 NDI를 사용 시 약 2M의 전자 저장이 가능함을 증명했다. 참고로 고농도의 황산용액을 사용하는 바나듐 레독스 흐름 전지의 활성물질인 바나듐의 용해도는 약 1.6 M이며 전자 저장 수는 원소당 1개여서 총 1.6 M의 전자 저장이 가능하다. 따라서 개발한 NDI 활성 분자는 기존의 바나듐보다 높은 용량을 구현할 수 있다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 '어드밴스 머터리얼즈(Advanced Materials)'에 지난달 7일 온라인 출판됐다.

변혜령 교수는 "기존에 낮은 용해도를 가지는 유기 활성 분자를 이용해 레독스 흐름전지의 활성 분자로 사용할 수 있는 분자 디자인 원리를 구현했다"면서 "레독스 반응에서 분자들이 결합하거나 분리되는 상호 결합력을 이용해 라디칼로 형성된 분자들의 화학적 반응성을 억제할 수 있음을 보여준 연구"라고 설명했다. 그는 이어 "향후 수계 레독스 흐름전지로 사용 시 고에너지밀도, 고용해도의 장점과 함께 중성의 수계 전해액을 사용할 수 있다"며 "기존의 바나듐 레독스 흐름전지의 산성용액 사용에서 오는 부식 문제 등을 해결할 수 있을 것으로 기대된다"고 덧붙였다

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr