中, 초저가 '전철 유량 배터리' 개발..."재생에너지 저장 비용 획기적 절감"

중국 과학자들이 재생 에너지 저장 비용을 획기적으로 낮추고 배터리 수명을 크게 연장할 수 있는 '전철 유량 배터리' 기술에서 돌파구를 마련했다.

현재 원자재로서 리튬은 철보다 80배 이상 비싼 가격이다. 연구진에 따르면 철 배터리는 전 세계 에너지 전환의 가장 큰 병목 현상 중 하나에 대한 잠재적 해결책을 제공할 수 있다고 27일(현지시각) 사우스차이나모닝포스트(SCMP)가 보도했다.


중국과학원 산하 금속연구소 팀은 거의 용량 손실 없이 수천 번의 충전-방전 사이클을 유지할 수 있는 고도로 안정적인 전해질 개발을 보고했다. 이는 해당 분야 역사상 기록적인 성과다. 연구 결과는 어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)라는 학술지에 온라인으로 게재됐다.

중국과학원은 4월 16일 보도자료에서 "대규모 에너지 저장에 저비용, 장수명 솔루션을 제공한다"고 밝혔다.
전 세계 에너지 전환은 태양광과 풍력 발전소의 간헐적 전력을 전력망을 안정화할 수 있는 규모로 저장하는 데 중요한 병목 현상에 직면해 있다.

풍부하고 저렴한 철과 불연성 수성 전해질을 사용하는 전철 유량 배터리는 장기 저장에 매력적인 후보로 떠오르고 있다.

그러나 상업적 채택은 배터리 음극 측의 철 기반 변성제의 불안정성으로 인해 여전히 제약을 받고 있다. 이 과정에서 활성 물질이 열화되어 막을 따라 누출되어 작동 수명이 크게 단축된다.


중국 팀은 분자 수준에서 "시너지 설계" 전략을 통해 이 문제를 해결했다. 이 접근법의 핵심은 새로 설계된 철 복합체로, 구조적 차폐막이자 정전기 장벽 역할을 한다.
부피가 크고 단단한 분자 구조는 입체 보호 기능을 제공하여 수산화물 이온이 철 중심을 공격하는 것을 물리적으로 차단한다. 동시에, 분자의 밀도 높은 음전하는 정전기의 '힘장'을 생성하여 유사한 전하를 가진 물질을 밀어내어 활성 물질이 막을 통과하는 것을 효과적으로 막는다.

수석 연구원 탕 아오는 학술 논문에서 "우리는 처음으로 높은 입체 장애와 음전하를 띤 인터페이스를 결합했다"며 "이 이중 보호 메커니즘은 철 기반 유동 배터리의 수명을 오랫동안 제한해온 분자 기원에서의 열화와 교차를 모두 해결한다"고 밝혔다.


중국과학원은 보도자료에서 "배터리는 6000회 이상 안정적으로 작동하며 용량 감소 없이 유지됐다. 6000회 후에도 강수나 부산물 축적이 없었고, 구조와 가역성도 온전했다"고 밝혔다.

16년 이상의 일일 사용 결과에 해당하는 이 시험 결과는 평균 쿨롱 효율이 99.4%에 달해 부작용이 최소화됐고, 고출력 하에서도 78.5%의 에너지 효율을 유지했다.

특히, 새로운 설계는 기존 시스템에 비해 활성 물질 교차 속도를 두 자릿수 정도 줄였다.


이 진전은 그리드 규모 저장을 위한 리튬 이온 시스템의 유망한 대안으로 여겨지는 철 기반 유동 배터리 개발을 위한 전 세계적인 노력이 강화되는 가운데 이루어졌다.

미국에서는 ESS Tech Inc.가 상업적 배치를 앞둔 산성 철 유동 배터리 설계를 추진하고 있지만, 수소 진화와 충전 중 양극에 니드처럼 생기는 수상돌기 형성(덴드라이트 형성)과 같은 도전 과제는 여전히 남아 있다.

한편, 조지아 공과대학교와 우스터 폴리테크닉 연구소의 학술팀은 대체 화학과 시스템 아키텍처를 탐구하고 있다.

중국과학원의 보도자료에 따르면, "이 연구는 철 기반 전해질에 대한 완전히 새로운 설계 기준을 확립한다"고 밝혔다. 이러한 내구성은 수십 년간 안정적으로 작동해야 하는 전력망 규모 설치에 중요한 수명 비용 절감에 결정적인 역할을 할 수 있다.


신경원 글로벌이코노믹 기자 shincm@g-enews.com