UNIST, 폭발 없는 대용량 ESS ‘철-크롬 흐름전지’ 수명 향상 기술 개발

이현욱 교수팀, 고출력 ‘철-크롬 흐름전지’ 반복사용시 용량 저하 원인 규명

전해질 조성 조절해 용량 등 성능 유지… Angew. Chem. Int. Ed.게재

폭발 없는 대용량 전기 저장장치(ESS)인 '철-크롬계 흐름 전지'의 수명을 늘릴 수 있는 기술이 나왔다.

전력 생산량이 고르지 못한 풍력, 태양광 등 신재생에너지 생산 전기를 안전하게 저장했다가 필요할 때 꺼내 쓸 수 있는 길이 열렸다.

UNIST 에너지화학공학과 이현욱 교수 연구팀은 KAIST 서동화 교수, 미국 텍사스대학교 귀이화 위(Guihua Yu) 교수와 공동으로 철-크롬 흐름 전지의 성능 저하 원인을 밝혀내고, 전해질 조성을 조절해 반복되는 충·방전에도 용량을 유지하는 전지를 개발했다.

연구진, (좌측부터) 이현욱 교수, 비디야 무랄리다란 연구원(제1저자), 장지은 박사(제1저자) UNIST 제공

흐름 전지는 일반적인 배터리와 달리 전극 물질이 물에 녹아 있는 전해액 형태로 있다. 전해액 자체가 전극처럼 작동하는 '액체 전극'인 셈이다. 전기를 저장하거나 꺼내 쓸 때는 이 전해액을 펌프로 흘려보내기만 하면 된다. 휘발성 전해질이 아닌 물을 사용해 폭발 위험이 없고, 탱크 속 전해액 양만 조절하면 전기 저장 용량을 자유롭게 바꿀 수 있어 풍력이나 태양광처럼 전력 생산이 일정하지 않은 신재생에너지를 저장하는 데 적합하다.

공동 연구팀은 고출력 철-크롬계 흐름 전지의 성능 저하 원인을 밝혀내고 이를 개선할 수 있는 전해액을 설계했다. 철-크롬계 흐름 전지는 가격 경쟁력은 뛰어나지만, 크롬의 반응성이 약한 탓에 충전이 느리고, 출력도 약하다. 헥사시아노크로메이트([Cr(CN)6]4-/3-)라는 물질을 넣어 출력과 충전 속도를 개선할 수 있지만, 충·방전이 진행되면서 용량이 급격히 감소하는 문제가 있다.

연구진이 밝혀낸 바에 따르면, 이는 크롬 이온을 둘러싸고 있는 사이아나이드(CN?) 이온이 수산화(OH?) 이온으로 교체되는 현상 때문이다. 충전 과정에서 수산화 이온이 과량 발생하게 되는데, 이 수산화 이온이 사이아나이드 이온 자리를 차지해 전해액 구조를 무너뜨리게 된다.

연구팀은 전해액 안의 사이아나이드 이온과 수산화 이온 농도 비율을 조절해 이 반응을 억제하고, 전해액의 화학 구조를 안정적으로 유지할 수 있는 전해액 배합 비율을 도출했다. 이 비율을 적용한 철-크롬 흐름 전지는 250회 이상 충·방전을 반복해도 용량과 효율 등을 유지했다.

이현욱 교수는 "값싼 철·크롬계 전해액으로도 오래 쓸 수 있는 고출력 흐름 전지를 만들 수 있다는 가능성을 보여준 연구"라며 "신재생에너지 발전량이 많고, 흐름전지를 설치할 만큼 국토 면적이 넓은 중국, 유럽 국가들이 큰 관심을 보이고 있는 기술"이라고 설명했다.

흐름전지 중에는 바나늄 흐름전지가 가장 상용화에 근접했지만, 바나늄은 비싸고 매장량이 특정 지역에 집중된 지하자원이다.

철-크롬 흐름전지의 작동 원리와 전해액 안정화 전략 모식도.

이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 원천기술 국제협력개발사업, 개인연구사업, 국가과학기술연구회 글로벌 TOP 전략연구단 지원사업으로 수행됐다.

연구 결과는 화학 분야의 권위 학술지인 앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)에 7월 2일 온라인 게재됐다.

영남취재본부 김철우 기자 sooro97@asiae.co.kr