화학연구원, 차세대 에너지저장장치 ‘바나듐 레독스흐름 배터리’ 핵심 소재 개발

한국화학연구원 홍영택·김태호·이장용 박사팀은 차세대 에너지저장장치(ESS)*로 주목받고 있는 ‘바나듐* 레독스흐름 배터리’의 핵심 소재인 이온전달막을 개발해 기업에 기술이전하고 상용화에 착수한다. 이번에 개발된 이온전달막은 뛰어난 가격경쟁력과 우수한 성능을 가지고 있다.

에너지저장장치로 현재 국내에서는 주로 리튬이온 배터리가 많이 쓰이는데, 출력 용량이 높지만 안전에 취약하다는 단점이 있다.

최근 리튬이온 배터리 에너지저장장치가 잇따라 폭발함*에 따라, 이를 대체할 수 있는 차세대 에너지저장장치 기술 개발 필요성이 커지고 있다.

바나듐 레독스흐름 배터리는 최근 차세대 에너지저장장치로 주목받고 있는 전지다. 대용량으로 만들 수 있으며 수명이 평균 20년 이상으로 길고 화재 위험이 없어 안전하다. 향후 비상 전력 공급 및 신재생에너지 발전 분야와 연계할 수 있을 것으로 기대된다. 해외에서는 이미 레독스흐름 배터리 점유율이 높으며, 미국과 일본, 중국에서 관련 기술개발과 장치 도입에 적극적인 투자가 이루어지고 있다.

바나듐 레독스흐름 배터리는 황산에 바나듐을 녹인 전해액*이 산화, 환원 반응을 일으키면서 전위차를 발생시켜 에너지가 충전, 방전되는 배터리다. 배터리 안에는 ‘이온전달막’이라는 소재가 있는데, 화학반응에 필요한 수소 이온을 통과·전달하는 역할을 한다.

레독스흐름 배터리의 핵심 소재로 배터리의 성능과 수명을 좌우한다. 현재 주로 과불화탄소계 이온전달막* 소재를 쓰고 있는데, 특정 이온을 선택해서 전달하는 성능이 낮고 가격이 비싸며 환경에 유해하다는 단점이 있다. 따라서 전 세계적으로 가격이 저렴하고 성능이 우수한 비과불화탄소계 이온전달막 소재를 개발하기 위한 연구가 지속되고 있다.

화학(연) 연구팀은 세계에서 처음으로 비과불화탄소계 이온전달막을 개발해 상용화에 착수한다. 연구팀은 술폰산기를 갖는 새로운 폴리페닐렌 구조의 멀티블록 공중합체를 설계한 후, 분자구조의 연결고리를 튼튼히 하고 강화 복합막 형태로 제조하여 내구성을 극대화했다. 새로운 소재는 높은 전류밀도에서도 강한 내구성과 우수한 성능을 유지했다.

화학(연)은 작년 11월, 본 기술을 바나듐 레독스흐름 배터리 전문기업 스탠다드에너지사에 이전했다. 새로운 이온전달막 기술은 이미 배터리 완제품에 적용해 수명 테스트를 포함한 기초 성능 시험을 완료했고, 그 결과 높은 효율 및 안정적인 용량 특성을 확인했다. 향후 스탠다드에너지사와 공동으로 시제품의 안전성 평가와 제조공정 최적 가동 조건 검증 등을 거쳐 상용화에 박차를 가할 계획이다.

스탠다드에너지사는 KAIST와 MIT 박사 출신들이 설립한 배터리 전문기업으로 혁신적인 완전 모듈형 바나듐 레독스흐름 배터리 (WAVE Battery)를 세계 최초로 개발하여 국내외에서 큰 주목을 받고 있다. 현재 화학(연)이 개발한 이온전달막을 적용한 신제품 라인업을 구상 중이다.

바나듐 레독스흐름 배터리는 2025년 ESS용 대용량 배터리 시장에서 20% 이상의 점유율을 확보할 것으로 기대된다. 전 세계 에너지저장장치(ESS) 시장 규모는 2011년부터 2020년까지 누적 70조원이며 2020년 연간 시장규모는 약 21조원으로 예상된다. 국내 에너지저장장치(ESS) 시장 규모는 2020년 8,600억원 정도로 추산된다*

연구책임자 홍영택 박사는 “본 비과불화탄소계 이온전달막은 성능이 우수하고 가격이 저렴하다.

특히 배터리 생산 비용을 kWh 당 300달러 이하로 낮추는 데 크게 기여할 것으로 예상된다"면서 "향후 새로운 이온전달막을 적용한 바나듐 레독스흐름 배터리를 통해, 출력변동성이 심한 신재생에너지를 고품질 전력으로 전환해 전력망에 공급할 수 있을 것으로 기대된다"고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 한국화학연구원 주요사업으로 수행되었다.

■용어설명
*에너지저장장치(ESS, Energy Storage System) : 생산된 전기나 쓰고 남은 전기를 배터리에 저장했다가 전력이 필요할 때 방출하는 장치.

*바나듐 : 원자번호 23번의 원소(V)로, 배터리와 철강 제조 등에 쓰인다. 최근 국내 옥천 지질대에 10조원 상당의 바나듐이 묻혀 있다는 조사 결과가 나와 주목받음.

*2017년 이후 20건 이상 발생했으며, 가장 최근 사례로 올해 1월 울산 공장 리튬계 ESS 폭발·화재 사건이 있었음.

*전해액 : 전기분해할 때 전해조에 넣어서 이온 전도의 매체 역할을 하는 용액. 전해질용액의 약칭.

*산화/환원 반응 : 물질간의 전자 이동으로 나타나는 화학 반응으로, 전자를 잃은 쪽은 산화가, 얻는 쪽은 환원이 일어남.

[e-mail] 조석장 기자