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  • 기사등록 2021-01-22 14:47:37
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[기계신문] 한국에너지기술연구원 에너지소재연구실 이신근 박사 연구팀이 KAIST, 연세대학교, ㈜이에스와 공동으로 차세대 에너지저장장치(ESS)로 주목받는 바나듐 레독스 흐름전지의 핵심 소재인 바나듐 전해액 대량생산이 가능한 촉매반응 시스템 개발에 성공했다.


바나듐(Vanadium)은 단단하고 연성과 전성이 뛰어난 전이 금속으로, 철 합금 광물로 다양한 산업군에서 사용되고 있으며, 최근에는 바나듐 기반의 배터리인 레독스 흐름전지용으로 주목받고 있다.



▲ 바나듐 레독스 흐름전지 기본구조



현재 가장 널리 이용되는 ESS기술은 리튬이온전지로, 리튬 기반 대용량 에너지저장장치는 저장 용량이 높지만 발화사고가 빈번하게 발생한다. 이를 극복하기 위해 물 성분의 수계 전해질을 이용하는 레독스 흐름전지에 대한 관심이 커지고 있으며, 바나듐 레독스 흐름전지가 대표적이다.


바나듐 레독스 흐름전지는 양극과 음극에 사용되는 바나듐 전해액의 산화, 환원 반응으로 충전과 방전이 되는 에너지저장장치다. 리튬이온전지와 비교해 인체유해성, 인화성, 화학반응성의 위험도가 낮아 안정적이며, 수명이 20년 이상으로 길고 용량 설계가 유연해 재생에너지 발전 분야와의 연계가 용이하지만 리튬이온전지 대비 높은 가격은 시장 확대에 걸림돌이 되고 있다.


상업적으로 이용되는 바나듐 전해액은 3.5가의 산화수를 가지며 충전 시 양극에서는 5가로 산화가 진행되고, 음극에서는 2가로 환원됨에 따라 발생되는 전위차를 이용해 전기를 저장한다.



▲ 에너지연 에너지소재연구실이 자체 개발한 대용량/고순도 바나듐 전해액 제조용 촉매반응기. (a) 촉매반응기 개념도, (b) 촉매반응기 형상 최적화를 위한 전산모사



바나듐 레독스 흐름전지의 부품 중 바나듐 전해액은 전지의 용량, 수명, 성능을 결정하는 핵심소재다. 이는 전체 전지가격의 약 절반을 차지하기 때문에 바나듐 레독스 흐름전지 시장의 확대를 위해서는 성능이 우수한 바나듐 전해액을 값싸게 만드는 것이 핵심이다.


이를 극복하기 위해 연구팀이 개발한 바나듐 전해액 대량생산 촉매반응 시스템은 기존의 전기분해 및 금속환원법에 비해 잉여 5가의 전해액 및 환원제의 잔여물을 남기지 않아 3.5가의 전해액을 고순도로 연속적으로 제조할 수 있다. 전기분해법에 비해 시간당 생산 속도가 약 2.7배 높고, 시스템의 크기가 작아 부지시설 비용과 전력소비가 저감돼 전해액의 가격을 혁신적으로 낮출 수 있다.



▲ 대용량/고순도 3.5가 바나듐 전해액 생산기술의 기본 원리. (a) 촉매반응을 통한 바나듐 3가 형성 개념도 (b) 연료전지 촉매(PtRu/C)를 이용한 바나듐 4가의 환원반응 촉진 원리



촉매반응 시스템의 핵심 기술은 고활성 촉매, 고성능 반응기, 고효율 시스템이다. 촉매는 귀금속을 카본펠트에 코팅해 사용했으며, KAIST와 공동으로 촉매성능 검증을 완료했다.


촉매 반응기는 투입된 촉매를 최대한 활용함과 동시에 촉매 사용량을 최소화하기 위한 설계가 중요하고, 시스템은 효율을 극대화하기 위해 필요한 에너지공급 및 잉여에너지 회수를 고려한 설계가 필요하다. 하지만 바나듐 전해액과 같이 액상 물질을 단시간과 최소 촉매 양으로 반응을 완료하는 것은 매우 어렵다.


이러한 점에 착안해 연구팀은 촉매반응 중 전해액의 산화방지와 반응효율 증진을 위한 질소 퍼징 공정과 더불어, 촉매의 불균일 흐름 현상을 방지할 수 있는 촉매 반응기를 독자 개발했다. 여기에 유기 연료전지의 촉매 기술을 응용해 잔류물이 남지 않는 환원제인 포름산을 기반으로 바나듐의 전해액 환원반응이 이루어지게 했다.


또, 연구팀이 도입한 질소 퍼징 공정으로 3.5가로 환원되는 도중 4가로 산화될 수 있는 공정을 안정적으로 3.5가의 전해액을 생산할 수 있고, 질소의 산화방지 효과에 의해 생산된 전해액의 장기간 안정성 확보에도 유리하다.



▲ 고순도 바나듐 전해액 생산공정의 효율 향상을 위한 질소퍼징 공정



여기에 더해, 연구팀은 일반적인 반응기에서 흔히 발생하는 반응 불균일 현상 및 열분배 등을 극복할 수 있도록 반응기를 특수하게 고안했다. 그 결과 반응효율을 급격히 증가시켜 고가의 귀금속 촉매 사용량을 개발 목표대비 1/5 이하로 줄일 수 있었다.


또한 연구팀은 바나듐 전해액 제조 효율을 최대로 발휘하기 위해 펌프, 히터, 반응기, 열교환기로 구성된 촉매 반응 시스템을 구축해 에너지 사용량을 기존 목표대비 50% 이상 줄일 수 있었다.


아울러 기존 전기분해법보다 약 2.7배 향상된 40LPH급 촉매반응 시스템을 구축해 고순도 바나듐 전해액을 안정적으로 생산하는 데 성공했으며, 파일럿 규모 대비 1/500배로 축소한 반응기를 사용해 2,500시간 내구성 검증도 마쳤다.



▲ Pt/C 촉매가 적층된 바나듐 전해액 제조용 촉매반응기의 장기간 내구성 테스트 결과(2500시간)



대량으로 생산된 전해액은 ㈜이에스가 설치한 INVINITY사의 40kWh급 바나듐 흐름전지에 장입해 효성중공업으로부터 성능검증을 완료했다.


한국에너지기술연구원 이신근 책임연구원은 “바나듐 전해액 제조기술은 대용량 ESS에 있어서 화재 위험성이 높은 기존 리튬 배터리를 대체할 바나듐 레독스 흐름전지의 핵심 소재기술”이라며 “이번에 개발한 대용량 촉매 반응기는 전량 해외에 의존하던 바나듐 전해액을 국산화할 수 있고, 실험실 규모로 가능성을 확인한 원천기술을 대량생산이 가능한 수준으로 실증을 했다는 데 의의가 있다”고 밝혔다.


연구팀은 향후 확보된 대용량 바나듐 전해액 제조기술을 기반으로 국내 ESS 시장에 진출할 예정이다. 우선 해당 기술을 기업에 이전해 전해액 가격 비용을 최소화하는 것을 최우선 목표로 하며, 기존 리튬이온배터리로 구성된 ESS 시장에서 바나듐 레독스 흐름전지의 비중을 높여 대용량의 안정적인 에너지 그리드를 확보하는 데 주력할 예정이다.


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권혁재 기자 hjk@mtnews.net

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