[요약]
- 한국기초과학지원연구원 및 서울대 화학생물공학부 공동 연구진이 화재 위험성이 낮은 차세대 배터리 ‘바나듐 레독스 플로 전지’의 성능을 개선하는 새 분리막 기술 개발
- 분리막 신기술의 확보에 따라 향후 수명이 긴 고용량의 수성배터리 개발 가능성이 커짐
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국내 연구진은 차세대 수성배터리 내에 활용될 수 있는 획기적인 분리막 기술을 개발했으며, 해당 기술이 향후 에너지저장장치나 신재생 에너지 보급에도 긍정적 영향을 미칠지 귀추가 주목
- 한국기초과학지원연구원(KBSI)은 서울대 화학생물공학부와 공동으로 고성능의 ‘바나듐 레독스 플로 전지'(Vanadium Redox Flow Battery, 이하 VRFB) 분리막 기술을 개발했다고 발표
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- 해당 분리막 기술은 VRFB에 적용되었을 때 자연방전 우려 없이 2,800시간 이상 안정성을 보임과 동시에 기존 대비 30% 이상 높은 충전 및 방전 효율을 나타냄
- VRFB는 물을 전해질로 사용하는 수성배터리 중 하나로 배터리 내 전해질이 2개 저장소에 분리, 저장되는 특성이 있는데, 배터리 자체의 여러 장점에도 불구하고 양극을 분리하는 기존 분리막 소재로 인해 일부 한계를 드러내는 상황
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- VRFB 내 2개 저장소에 분리 및 저장된 전해질에는 각기 다른 금속이온이 녹아 있는데 양극과 음극이 상호 접촉할 가능성이 없고 물이라는 전해질을 사용하고 있어 화재 가능성이 없다는 장점이 존재
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- 그러나 양극액과 음극액으로 사용되는 산화바나듐(VO2+, VO2+)과 바나듐(V2+, V3+) 금속이온이 분리막에 의해 상호 분리되어 있음에도 기존 분리막 소재의 성질로 인해 배터리 수명이 장기간 유지되지 못하는 문제가 있었음
- 분리막 소재로 주로 활용되었던 나피온이라는 물질은 양극-음극 사이에서 바나듐 이온의 교차를 발생시키면서 자연방전이 빠르게 일어나 배터리의 수명을 단축
- 그러나 양극액과 음극액으로 사용되는 산화바나듐(VO2+, VO2+)과 바나듐(V2+, V3+) 금속이온이 분리막에 의해 상호 분리되어 있음에도 기존 분리막 소재의 성질로 인해 배터리 수명이 장기간 유지되지 못하는 문제가 있었음
- 연구진은 분리막 소재로 다른 물질을 활용하되 여기에 나피온을 일부 활용하는 형태로 새 분리막 제조에 돌입했으며 기존 VRFB 대비 향상된 결과값을 얻어 냄
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- 연구진은 바나듐 이온의 투과를 방지하면서도 이온전도도와 전기화학적 안정성을 향상시킬 수 있는 분리막 소재로서 이온성 액체(hexyl methyl imidazolium)를 활용
- 이온성 액체는 긴 탄소사슬을 보유한 양이온과 약염기성의 음이온으로 구성된 양이온-음이온 복합체
- 연구진은 바나듐 이온의 투과를 방지하면서도 이온전도도와 전기화학적 안정성을 향상시킬 수 있는 분리막 소재로서 이온성 액체(hexyl methyl imidazolium)를 활용
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- 연구진은 해당 액체를 다공성 고분자막에 담은 다음 막 표면을 나피온으로 박막 코팅 처리하는 방식으로 분리막을 제조
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- 이온성 액체 분리막 기술을 VRFB에 적용한 결과 VRFB의 자연방전 시간이 2,800시간 이상 유지되었는데, 이는 기존 나피온 분리막이 적용된 VRFB의 약 200시간 대비 14배 정도 향상된 수치
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- 충·방전 효율의 경우, 100회 충·방전 시 98.8%의 쿨롱 효율(최근 충전을 완료한 용량이 바로 직전 완충 용량 대비 차지하는 비율)을 보였고, 배터리 용량 또한 나피온 분리막이 활용된 VRFB와 비교 시 30% 이상 향상
- 연구진은 이번 연구가 이온의 투과도와 전도성을 선택적으로 조절할 수 있는 분리막 기술을 VRFB에 적용한 데에 의의가 있다고 밝히고 해당 기술이 차세대 배터리 개발 등에서도 비중 있게 활용될 것으로 기대
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- 연구진은 이번 기술 개발에 적용된 기법이 이온 및 분자의 이동 속도 관찰은 물론 차세대 배터리에 활용될 여러 전해질 발굴에 필요한 분석기술로서, 이 분야에서 기술적 우위를 지속 확보하기 위한 신규 난연성 액체 전해질 개발 등 후속 연구를 수행하겠다고 언급
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- 또한 이번 신기술 확보에 따라 고용량 및 높은 안정성과 함께 수명이 긴 차세대 수성배터리 개발이 가능해져, 해당 기술이 향후 에너지저장장치 등 대규모 전력 수급과 신재생 에너지 보급에도 기여할 수 있을 것으로 예상
[시사점]
- 최근 리튬이온배터리를 대체할 유력 후보로 비가연성인 물을 전해질로 활용하는 수성배터리가 거론되는데, 그중 VRFB는 현재 산업화에 가장 근접한 단계까지 활발한 연구 개발이 이루어지는 중임
- 국내 연구진의 이번 분리막 기술 확보는 VRFB의 성능을 한 단계 끌어올린 의미가 있는 것으로서 VRFB의 상용화를 보다 앞당길 수 있는 기술 개발로서 의미가 있음
[출처]
- 연합뉴스, 안전·성능 모두 잡은 차세대 ‘레독스 플로 전지’ 기술 개발, 2023.12.6.
- 조선비즈, 차세대 배터리 안전성·효율성 높이는 기술 나와, 2023.12.6.
