철-크롬 흐름전지의 작동 원리와 전해액 안정화 전략 모식도. 연구그림 UNIST 제공폭발 없는 대용량 전기 저장장치(ESS)인 '철-크롬계 흐름 전지'의 수명을 늘릴 수 있는 기술이 개발됐다.
울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 이현욱 교수 연구팀은 29일 철-크롬 흐름 전지의 성능을 저하시키는 원인을 밝혀냈다며 이같이 밝혔다.
이번 연구에는 한국과학기술원(KAIST) 서동화 교수, 미국 텍사스대학교 귀이화 위(Guihua Yu) 교수가 공동으로 참여했다.
흐름 전지는 일반적인 배터리와 달리 전극 물질이 물에 녹아 있는 전해액 형태로 있다.
전해액 자체가 전극처럼 작동하는 '액체 전극'이다.
전기를 저장하거나 꺼내 쓸 때는 이 전해액을 펌프로 흘려보내기만 하면 된다.
휘발성 전해질이 아닌 물을 사용해 폭발 위험이 없다.
탱크 속 전해액 양만 조절하면 전기 저장 용량을 자유롭게 바꿀 수 있어 풍력이나 태양광처럼 전력
생산이 일정하지 않은 신재생에너지를 저장하는 데 적합하다.
공동 연구팀은 고출력 철-크롬계 흐름 전지의 성능 저하 원인을 밝혀내고 이를 개선할 수 있는 전해액을 설계했다.
철-크롬계 흐름 전지는 가격 경쟁력은 뛰어나다. 하지만 크롬의 반응성이 약한 탓에 충전이 느리고 출력도 약하다.
이는 크롬 이온을 둘러싸고 있는 사이아나이드(CN⁻) 이온이 수산화(OH⁻) 이온으로 교체되는 현상 때문이다.
충전 과정에서 수산화 이온이 과량 발생하게 된다.
수산화 이온이 사이아나이드 이온 자리를 차지해 전해액 구조를 무너뜨리게 되는 것.
사진 왼쪽부터 이현욱 교수, 비디야 무랄리다란 연구원(제1저자), 장지은 박사(제1저자). UNIST 제공연구팀은 전해액 안의 사이아나이드 이온과 수산화 이온 농도 비율을 조절해 이 반응을 억제했다.
또 전해액의 화학 구조를 안정적으로 유지할 수 있는 전해액 배합 비율을 도출했다.
이 비율을 적용한 철-크롬 흐름 전지는 250회 이상 충·방전을 반복해도 용량과 효율 등을 유지했다.
이현욱 교수는 "값싼 철·크롬계 전해액으로도 오래 쓸 수 있는 고출력 흐름 전지를 만들 수 있다는 가능성을 보여준 연구"라고 말했다.
이어 "신재생에너지 발전량이 많고 흐름전지를 설치할 만큼 국토 면적이 넓은 중국, 유럽 국가들이 큰 관심을 보이고 있는 기술"이라고 했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 원천기술 국제협력개발사업, 개인연구사업, 국가과학기술연구회 글로벌 TOP 전략연구단 지원사업으로 수행됐다.
연구 결과는 화학 분야의 권위 학술지인 '앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)'에 7월 2일 온라인 게재됐다.