KAIST 생명화학공학과 차세대배터리센터 김희탁 교수와 한국에너지기술연구원 에너지소재연구실 이신근 박사 공동연구팀은 생산 비용을 40% 줄인 바나듐 레독스 흐름전지(Vanadium Redox Flow Battery, VRFB)용 고순도 전해액 생산 공정 개발에 성공했다고 밝혔다.
바나듐 전해액은 VRFB 가격의 절반 이상을 차지하는 핵심 소재로, 바나듐 레독스 흐름전지가 에너지저장장치 시장에서 경쟁력을 갖추는 데 기여할 것으로 기대된다.
![촉매반응을 통한 3.5가 바나듐 전해액의 생산 및 기존 전기분해를 이용한 3.5가 전해액 생산 비교. [KAIST]](https://imgnews.pstatic.net/image/031/2019/10/27/0000513493_001_20191027100044031.jpg?type=w647)
바나듐 레독스 흐름전지는 수명이 길고 대용량화에 유리하며 유지보수비용이 낮아 대용량 에너지저장시스템(ESS)에 가장 적합한 이차전지로 평가받고 있다. 특히 리튬이온전지 기반의 ESS에서 발화사고가 잇따르면서 수(水)계 전해질을 이용해 폭발 위험이 없는 바나듐 레독스 흐름전지에 대한 관심이 커지고 있다.
바나듐 레독스 흐름전지는 전해액에 에너지를 저장하는 독특한 특성을 가지고 있다. 바나듐 전해액이 양극과 음극을 순환하는 과정에서 산화수가 변하면서 충방전이 이루어진다. 즉 바나듐 전해액이 바나듐 레독스 흐름전지의 핵심 부품이다.
관건은 양극과 음극에 동시에 사용할 수 있는 3.5가의 산화수를 갖는 바나듐 전해액을 보다 싸고 단순하게 생산할 수 있는 기술의 개발이다. 바나듐 전해액 제조를 위해 바나듐 전구체 중 가격이 저렴한 바나듐 옥사이드(V2O5)가 주로 이용되는데, 바나듐 옥사이드는 5가의 높은 산화수를 가지므로 3.5가 전해액 제조를 위한 환원 공정이 필요하다. 현재 상용화된 전기분해 방식은 에너지 소비가 크며 생산속도가 낮고 부산물로 생성되는 높은 산화수의 전해액의 재처리가 필요해 제조단가가 높다. 이러한 고비용의 전기분해 방식을 탈피하기 위해 다양한 환원제를 이용한 화학 공정들이 제안됐으나 환원제의 잔류물에 의한 전해액 오염으로 인해 상업화에 성공한 사례가 없다.
KAIST와 에너지기술연구원 공동연구팀은 이를 해결하기 위해 유기 연료전지의 촉매 기술을 응용했다. 잔류물이 남지 않는 환원제인 포름산의 활성을 촉매로 증대시켜 바나듐을 3.5가로 환원시키는 기술을 개발했다. 연구팀은 이 기술을 이용해 시간당 2리터를 생산할 수 있는 촉매 반응기를 개발, 연속 공정을 통한 고순도의 3.5가 바나듐 전해액 생산에 성공했다.
![KAIST-KIER 공동연구팀이 개발한 바나듐 전해액 촉매반응기 [KAIST]](https://imgnews.pstatic.net/image/031/2019/10/27/0000513493_002_20191027100044048.jpg?type=w647)
연구팀은 이번에 개발한 제조공정이 전기분해 방식과 비교해 생산 비용을 40% 줄일 수 있으며 품질도 전기분해 방식과 동등한 성능을 보였다고 밝혔다.
김희탁 교수는“촉매를 이용한 화학적 전해액 제조기술은 원천성을 가지고 있어, 비발화성 대용량 에너지 저장장치 분야의 경쟁력을 높일 수 있을 것”으로 기대했다. 이신근 박사는 “한국에너지기술연구원에서 개발된 촉매 반응기를 통해 기술의 산업화가 촉진될 것으로 기대한다”라고 말했다.
이번 연구는 산업통상자원부 한국에너지기술평가원 ESS 기술개발 사업의 지원을 받아 KAIST, 에너지기술연구원, 연세대학교, ㈜이에스가 참여한 컨소시엄을 통해 개발됐다.
KAIST 허지윤 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제학술지‘네이처 커뮤니케이션즈 (Nature Communications)’ 9월 27일 자 온라인판에 게재됐으며, 연구성과 우수성을 인정받아 에디터 하이라이트(Editor’s Highlight)로 선정됐다. (논문명: Catalytic production of impurity-free V3.5+ electrolyte for vanadium redox flow batteries)
![왼쪽부터 KAIST 김희탁 교수, 허지윤 박사과정, 한국에너지기술연구원 이신근 박사[KAIST 제공]](https://imgnews.pstatic.net/image/031/2019/10/27/0000513493_003_20191027100044058.jpg?type=w647)
최상국기자 skchoi@inews24.com
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