리튬전지보다 안전한 ‘바나듐 레독스 흐름전지’ 생산비용 40% 줄였다

2019.10.27 12:49
왼쪽부터 KAIST 김희탁 교수, 허지윤 박사과정, KIER 이신근 박사   KAIST 제공
국내 연구팀이 리튬이온전지보다 안전하고 대용량 저장이 가능한 '바나듐 레독스 흐름전지'의 생산 비용을 40% 줄이는 기술을 개발했다. 왼쪽부터 김희탁 나노융합연구소 차세대배터리센터장(생명화학공학과 교수)과 허지윤 박사과정연구원, 이신근 한국에너지기술연구원 에너지소재연구실 책임연구원. KAIST 제공

국내 연구팀이 리튬이온전지보다 안전하고 대용량 저장이 가능한 '바나듐 레독스 흐름전지'의 생산 비용을 40% 줄이는 기술을 개발했다. 

 

KAIST는 김희탁 나노융합연구소 차세대배터리센터장(생명화학공학과 교수)과 이신근 한국에너지기술연구원 에너지소재연구실 책임연구원 공동연구팀이 바나듐 레독스 흐름전지용 고순도 전해액 생산공정 개발에 성공했다고 27일 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈' 온라인판 9월 27일자에 게재됐다.

 

최근 리튬이온전지의 발화사고가 빈번하게 발생하면서 비발화성인 바나듐 레독스 흐름전지에 대한 관심이 커지고 있다. 바나듐 레독스 흐름전지는 리튬이온전지에 비해 안전할 뿐 아니라 내구성이 좋고 대용량화 할 수 있어 에너지를 대용량 저장할 수 있는 장치로도 응용될 것으로 기대된다. 하지만 리튬이온전지에 비해 가격이 비싸 시장 확대가 지연되고 있다. 
 
바나듐 레독스 흐름전지의 부품 소재 중 특히 바나듐 전해액은 전지의 용량과 수명, 성능을 결정하는데 전체 전지 생산 가격의 50% 이상을 차지하고 있다. 이 가격을 줄이려면 바나듐 레독스 흐름전지 시장을 확대시키는 핵심 기술이 필요하다. 

 

바나듐 전해액은 5가의 바나듐옥사이드 전구체를 전기분해시켜 3.5가의 산화수로 환원해 만든다. 하지만 이 방식은 고가의 전기분해 장치가 필요한데다 에너지 소비가 크고, 전기분해 중 생성되는 높은 산화수 전해액을 재처리해야 해 번거롭다. 

 

학계에서는 지금까지 기존의 전기분해 방식대신 화학적으로 바나듐을 환원시키는 공정을 연구해왔지만, 환원제 잔류물이 전해액을 오염시키는 문제가 발생해 상업화에 계속 실패했다.

 

연구팀은 잔류물이 남지 않는 환원제인 포름산을 이용해 바나듐을 3.5가로 환원시키는 기술을 개발했다. 그리고 이 기술을 이용해 시간당 2L급 촉매 반응기를 개발했고, 연속 공정을 통한 고순도의 3.5가 바나듐 전해액을 생산하는 데 성공했다. 

 

새로 개발한 기술은 기존 전기분해 방식에 비해 바나듐 레독스 흐름전지를 생산하는 공정에서 드는 비용을 40% 줄일 수 있다. 또한 이 방식에서 생성된 전해액은 기존 방식으로 만든 전해액과 성능이 거의 비슷하다. 

 

김희탁 교수는 "이번에 개발된 촉매를 이용한 화학적 전해액 제조기술을 통해 바나듐 레독스 흐름전지를 만드는 원천기술을 확보했다"며 "비발화성 대용량 에너지 저장장치 분야의 국가 경쟁력을 높일 수 있을 것”이라고 기대했다. 

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