한국에너지기술연구원(원장 김종남) 에너지소재연구실 이신근 박사 연구진은 KAIST, 연세대학교, ㈜이에스와 공동으로 차세대 에너지저장장치(ESS : Energy Storage System,)로 주목받는 바나듐 레독스 흐름전지의 핵심 소재인 바나듐 전해액 대량생산이 가능한 촉매반응 시스템을 개발했다.

현재 가장 널리 이용되는 ESS기술은 리튬이온전지로, 리튬기반 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.

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

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 연구진이 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.

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

연구진은 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.

여기에 더해, 연구진은 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 1/5이하로 줄일 수 있었다.

또한 연구진은 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.

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

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

 이신근 책임연구원은 “바나듐 전해액 제조기술은 대용량 ESS에 있어서 화재위험성이 높은 기존 리튬배터리를 대체할 바나듐 레독스 흐름전지의 핵심 소재기술”이라며, “이번에 개발한 대용량 촉매 반응기는 전량 해외에 의존하던 바나듐 전해액을 국산화 할 수 있고, 실험실 규모로 가능성을 확인한 원천기술을 대량생산이 가능한 수준으로 실증을 했다는 것에 의의가 있다”고 밝혔다.

연구진은 향후 확보된 대용량 바나듐 전해액 제조기술을 기반으로 국내 ESS시장에 진출 할 예정이다.