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차세대 에너지저장장치 핵심소재 ‘이온전달막’ 상용화 눈앞에

2019년 02월 25일 11:55
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이미지 확대하기한국화학연구원이 개발한 바나듐 레독스흐름 배터리용 새 이온전달막 제조 모습. 사진 제공 한국화학연구원너
한국화학연구원이 개발한 바나듐 레독스흐름 배터리용 새 이온전달막 제조 모습. 사진 제공 한국화학연구원

국내 연구팀이 남는 전기를 보관했다 필요할 때 꺼내 쓸 수 있는 차세대 에너지저장장치(ESS)의 핵심 소재를 개발했다. 기업에 기술이전까지 성공해 상용화에 가깝게 다가섰다는 평가다.


한국화학연구원은 홍영택 화학연 분리막연구센터 연구위원과 김태호 책임연구원, 이장용 선임연구원팀이 최근 미래 에너지 저장장치로 활발히 연구되고 있는 ‘바나듐 레독스흐름 배터리’의 이온전달막을 개발해 상용화에 착수했다고 25일 밝혔다. 


현재 ESS의 대표주자는 리튬이온 배터리다. 용량이 크다는 장점이 있지만 폭발 등의 위험이 있어 안전에 취약하다는 게 단점이다. 화학연은 “2017년 이후 폭발사고가 20건 이상 발생했으며, 가장 최근에는 1월 울산의 공장에서도 폭발 및 화재 사고가 일어났다”고 언급했다.


연구팀은 원자번호 23번의 원소로 배터리와 철강 제조 등에 쓰이는 ‘바나듐’에 주목했다. 바나듐을 황산에 녹이면 ‘전해질’이 된다. 전해질은 전기적 성질을 띤 입자(이온)를 전달하는 매개체다. 바나듐 레독스흐름 배터리는 이 전해액이 산화 또는 환원을 일으킬 때 전기를 충전하거나 내보내는(방전) 배터리다. 대용량으로 배터리를 만들 수 있는 데다 수명이 20년 이상으로 길고 화재 위험이 없어 안전한 차세대 배터리로 미국과 일본, 중국 등에서 연구가 활발하다. 


바나듐 레독스흐름 배터리의 핵심 소재는 ‘이온전달막’이다. 화학 반응에 필요한 수소 이온을 통과시키거나 전달시키는 역할을 한다. 현재는 ‘과불화탄소계 이온전달막’을 쓰고 있는데, 아직 성능이 낮고 비싸며 환경 문제를 일으킨다는 단점이 있었다. 과불화탄소계는 고분자 유기물 분자구조에서 탄소 대신 불소를 넣은 뒤 ‘술폰산기’라는 황산 계열 작용기를 넣은 물질이다. 홍 연구위원은 "연료전지에 쓰기 위해 2000년대 초반부터 노력해 왔지만, 내구성과 성능 문제로 사용하지 못하고 있었다"고 말했다.

 

이미지 확대하기마크 로스코의 그림을 돌려 놓은 것 같지만... 실은 화학연이 새로 개발한 바나듐 레독스흐름 배터리용 이온전달막의 모습이다. 사진 제공 한국화학연구원
마크 로스코의 그림을 돌려 놓은 것 같지만... 실은 화학연이 새로 개발한 바나듐 레독스흐름 배터리용 이온전달막의 모습이다. 사진 제공 한국화학연구원

연구팀은  이 문제를 해결하고자 세계 최초로 과불화탄소계가 아닌 이온전달막을 개발했다. 연구팀은 벤젠 고리가 길게 이어진 ‘폴리페닐렌’ 구조에 술폰산기를 넣고 구조를 바꿔서 강화 복합막 형태의 이온전달막을 만들었다. 연구 결과 이 소재는 전류를 많이 전달해서 내구성이 높았다.


화학연은 이 기술을 지난해 11월 바나듐 레독스흐름 배터리 전문기업인 스탠다드에너지사에 이전했다. 스탠다드에너지사는 모듈형 바나듐 레독스흐름 배터리를 세계 최초로 개발했고, 이번에 화학연의 이온전달막을 적용해 신제품을 구상 중이다. 현재 3~4달에 걸쳐 5000회이상의 실험을 통해 수명 시험 등 기초 성능 확인을 완료했고, 안정성과 효율도 확인했다. 화학연은 안전성과 공정 최적화 등을 거쳐 상용화에 돌입할 계획이다. 


홍 연구위원은 “새로 개발한 이온전달막은 성능이 우수하고 가격이 저렴해 배터리 생산 비용을 kWh 당 33만 원(300달러) 이하로 낮추는 데 크게 기여할 것”이라며 “신재생에너지를 고품질 전력으로 전환할 때는 물론, 비상 전원과 전기자동차 급속 충전소, 연료전지, 수소제조 산업 등에 응용될 것으로 기대한다”고 말했다.
 

 

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