생산 비용 40%↓, 바나듐 레독스 흐름전지 경쟁력 UP
생산 비용 40%↓, 바나듐 레독스 흐름전지 경쟁력 UP
  • 강지희
  • 승인 2019.10.30 17:10
  • 조회수 2450
  • 댓글 0
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새로운 전지가 시급하다! 출처: pixabay
새로운 전지가 시급하다! 출처: pixabay

생산 비용을 무려 40% 줄인, 바나듐 레독스(Vanadium redox) 흐름전지용 고순도 전해액의 생산 공정이 개발됐습니다. 이 연구는 KAIST 생명화학공학과 나노융합연구소 차세대배터리센터 김희탁 교수와 한국에너지기술연구원 에너지소재연구실 이신근 박사 공동연구팀이 진행했는데요. 해당 연구 논문은 <Nature Communications>에 게재됐습니다. 

 

바나듐 레독스 흐름전지란? 

 

최근 리튬이온전지를 기반으로 하는 대용량 에너지 저장 장치의 발화사고가 빈번하게 발생하고 있습니다. 이 때문에 수계 전해질을 이용하는 비발화성의 바나듐 레독스 흐름전지에 대한 관심이 커지고 있습니다. 바나듐 레독스 흐름전지는 안전성뿐 아니라 내구성 및 대용량화에 있어 장점을 보이는데요. 이에 대용량 에너지의 저장 장치로 응용이 기대되고 있습니다. 하지만 리튬이온전지에 비해 높은 가격으로 시장 확대가 지연되고 있는 상황이었습니다. 

 

바나듐 레독스 흐름전지의 부품 소재 중 바나듐 전해액은 전지의 용량, 수명과 성능을 결정하는 핵심 소재입니다. 바나듐 전해액은 전체 전지 가격의 50% 이상을 차지하는데요. 때문에 바나듐 전해액의 가격이 낮아진다면 바나듐 레독스 흐름전지 시장은 확대될 것이 분명했죠.

 

상업적으로 이용되는 바나듐 전해액은 3.5 가의 산화수를 가집니다. 바나듐 전해액은 5가의 바나듐옥사이드(V2O5) 전구체를 전기분해로 환원시켜 제조하는데요. 그러나 전기분해 방식은 고가의 전기분해 장치가 필요하고 에너지 소비가 큽니다. 또, 전기분해 중 생성되는 높은 산화수 전해액의 재처리도 필요했죠.

 

이에 전 세계의 과학자들이 전기분해 방식을 벗어나 화학적으로 바나듐을 환원시키는 공정을 연구했는데요. 안타깝게도 환원제의 잔류물로 인한 전해액 오염 때문에 상업화에 성공한 사례는 아직까지 없었습니다.

 

해결책은? 유기물질!

연구에서 개발된 촉매반응기 및 이를 이용한 전해액 연속 제조.
연구에서 개발된 촉매반응기 및 이를 이용한 전해액 연속 제조. 출처: KAIST

연구팀은 이러한 화학적 환원 공정의 문제를 극복하고자 유기물질을 이용하는 연료전지의 촉매 기술을 도입했습니다. 연구팀은 고순도의 전해액 생산을 위해 반응 후 생성물이 기체(CO2) 형태인 유기 환원제를 사용했는데요. 연구팀은 유기 환원제의 한계였던 낮은 환원력을 이에 적합한 촉매를 사용하며 극복할 수 있었습니다. 

촉매반응을 통한 3.5가 바나듐 전해액의 생산 및 기존 전기분해를 이용한 3.5가 전해액 생산 비교.
촉매반응을 통한 3.5가 바나듐 전해액의 생산 및 기존 전기분해를 이용한 3.5가 전해액 생산 비교. 출처: KAIST

또한, 연구팀은 시간당 2L급 촉매 반응기를 제작해 순수 화학적 공정만으로 고순도 3.5가 바나듐 전해액 연속 생산 공정을 성공적으로 구현했습니다. 촉매 반응기를 통해 생산된 바나듐 전해액은 기존 전기분해 방식으로 생산되는 바나듐과 동일한 성능을 보였습니다.

 

이번 연구의 가장 큰 성과라고 한다면 촉매반응을 이용한 제조공정 방식덕분에 전기분해 방식과 대비해 효율적인 공정 구조를 가졌다는 건데요. 덕분에 생산 공정 비용을 40%나 줄일 수 있다고 합니다.  

왼쪽부터 KAIST 김희탁 교수, 허지윤 박사과정, KIER 이신근 박사
왼쪽부터 KAIST 김희탁 교수, 허지윤 박사과정, KIER 이신근 박사. 출처: KAIST

KAIST 나노융합연구소 차세대배터리센터장 김희탁 교수는 "촉매를 이용한 화학적 전해액 제조기술은 원천성을 가지고 있어 비발화성 대용량 에너지 저장장치 분야의 국가 경쟁력을 높일 수 있다"고 말했습니다. 한국에너지기술연구원 에너지소재연구실 이신근 박사는 "한국에너지기술연구원에서 개발된 촉매 반응기를 통해 기술의 산업화가 촉진될 것으로 기대한다"고 말했습니다.

 

##참고자료##

 


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