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KAIST-KIER, 획기적 바나듐 레독스 흐름전지용 전해액 생산비 40% ↓

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KAIST-KIER, 획기적 바나듐 레독스 흐름전지용 전해액 생산비 40% ↓

빈번한 대용량 에너지 저장장치 발화속 기술 관심 높아져
내구성,대용량화 장점 갖춰…최대 난제 '비용절감' 해결 길터

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촉매반응을 통한 3.5가 바나듐 전해액의 생산 및 기존 전기분해를 이용한 3.5가 전해액 생산 비교.사진=KAIST
KAIST와 에너지기술연구원이 생산비용을 40%나 줄인 바나듐 레독스(Vanadium redox) 흐름 전지용 고순도 전해액 생산공정 개발에 성공했다.

KAIST(원장 신성철)는 27일 이 대학 김희탁 생명화학공학과/나노융합연구소 차세대배터리센터 교수와 한국에너지기술연구원(원장 곽병성) 이신근 에너지소재연구실 박사 공동연구팀이 이같은 새로운 생산공정 개발에 성공했다고 발표했다.

최근 리튬이온전지 기반 대용량 에너지 저장장치의 발화사고가 빈번하게 발생하면서 수계 전해질을 이용하는 비 발화성 바나듐 레독스 흐름전지에 대한 관심이 커지고 있다.

바나듐 레독스 흐름전지는 안전성뿐 아니라 내구성 및 대용량화에 장점을 갖고 있어 대용량 에너지 저장장치로의 응용이 기대되고 있으나, 리튬이온전지 대비 높은 가격으로 인해 시장 확대가 지연되고 있다.

바나듐 레독스 흐름전지의 부품 소재 중 바나듐 전해액은 전지의 용량, 수명과 성능을 결정하는 핵심 소재이며 전체 전지 가격의 50% 이상을 차지하고 있다. 따라서 KAISー에너지기술연 개발팀이 바나듐 전해액을 저가격화 하는데 성공한 것은 바나듐 레독스 흐름전지 시장 확대의 결정적 계기를 만들어 줄 것으로 기대를 모으고 있다.

상업적으로 이용되는 바나듐 전해액은 3.5 가의 산화수를 가지며, 이는 5가의 바나듐옥사이드(V2O5) 전구체를 전기분해를 이용해 환원시켜 제조된다. 그러나 전기분해 방식은 고가의 전기분해 장치가 필요하고 에너지 소비가 크며 전기분해 중 생성되는 높은 산화수의 전해액의 재처리가 필요하다.
이에 전기분해 방식을 벗어나 화학적으로 바나듐을 환원시키는 공정이 전 세계적으로 연구됐지만, 그동안 환원제의 잔류물에 의한 전해액 오염으로 인해 상업화에 성공한 사례는 없었다.

김 교수와 이 박사 공동연구팀은 유기 연료전지의 촉매 기술을 응용해 잔류물이 남지 않는 환원제인 포름산의 활성을 증대시켜 바나듐을 3.5가로 환원시키는 기술을 개발했다. 연구팀은 이 기술로 시간당 2리터(L)급 촉매 반응기를 개발했고 연속 공정을 통한 고순도의 3.5가 바나듐 전해액 생산에 성공했다.

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이 촉매반응 이용방식 제조공정은 전기분해 방식에 비해 효율적 공정 구조를 가져 생산 공정 비용을 40%나 줄일 수 있다. 또한, 촉매 반응기를 통해 생산된 전해액은 기존 전기분해 방식으로 만들어지는 전해액과 동등한 성능을 보여 그 품질이 검증됐다.

김희탁 KAIST 나노융합연구소 차세대배터리센터장은 촉매를 이용한 화학적 전해액 제조기술은 원천성을 가지고 있어, 비 발화성 대용량 에너지 저장장치 분야의 국가 경쟁력을 높일 수 있다라고 말했다.

이신근 한국에너지기술연구원 에너지소재연구실 박사는 한국에너지기술연구원에서 개발된 촉매 반응기를 통해 기술의 산업화가 촉진될 것으로 기대한다고 말했다.

이 연구는 산업통상자원부 한국에너지기술평가원 ESS 기술개발 사업의 지원을 받아 KAIST, 에너지기술연구원, 연세대학교, ㈜이에스가 참여한 컨소시엄을 통해 개발됐다.

허지윤 박사과정이 1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제학술지네이처 커뮤니케이션즈 (Nature Communications)’ 927일 자 온라인판에 게재됐고, 연구성과 우수성을 인정받아 에디터 하이라이트(Editor’s Highlight)로 선정됐다. 논문명은 바나듐 산화 환원 플로우 배터리를위한 불순물이없는 V3.5 + 전해질의 촉매 생산(Catalytic production of impurity-free V3.5+ electrolyte for vanadium redox flow batteries)’이다.


이재구 글로벌이코노믹 기자 jklee@g-enews.com