▲ 철-크롬 흐름전지의 작동 원리와 전해액 안정화 전략 모식도 / 수계 철-크롬 흐름 전지(좌측)의 헥사시아노크로메이트 전해질이 충·방전을 반복하는 과정에서 구조가 점차 무너지는 원인을 보여준다. 충전 중 발생한 수소 반응으로 수산화 이온(OH⁻)이 전해액에 축적되면, 헥사시아노크로메이트에서 원래 자리를 차지하던 사이아나이드 이온(CN⁻)이 OH⁻에 밀려나게 된다. 이로 인해 전해질 구조가 깨지고, 전기화학 반응이 점차 약해지며 전지 성능이 떨어진다. 연구팀은 전해액 내 OH⁻와 CN⁻ 비율을 조절하는 공동 조절 전략을 통해 이런 분해 반응을 억제하고, 전해질 구조를 유지해 반복적인 충·방전 후에도 안정적인 성능을 유지할 수 있었다.(그림 및 설명=UNIST)  © 특허뉴스

전력 생산량이 불안정한 풍력, 태양광 등 신재생에너지의 효율적인 저장을 위한 핵심 기술인 대용량 에너지 저장장치(ESS) 분야에서 획기적인 발전이 이뤄졌다. 폭발 위험이 없는 '철-크롬 흐름전지'의 수명을 획기적으로 늘릴 수 있는 기술이 개발되어 안전하고 안정적인 전력 공급의 길이 열렸다.

고출력 흐름전지, 반복 사용에도 용량 유지 비결 밝혀냈다

UNIST 에너지화학공학과 이현욱 교수 연구팀은 KAIST 서동화 교수, 미국 텍사스대학교 귀이화 위(Guihua Yu) 교수와의 공동 연구를 통해 고출력 철-크롬 흐름전지의 성능 저하 원인을 규명하고, 이를 해결할 수 있는 전해질 조성 기술을 개발했다.

흐름전지는 일반 배터리와 달리 전극 물질이 물에 녹아 있는 전해액 형태로 존재하며, 전해액을 펌프로 흘려보내는 방식으로 전기를 저장하고 사용한다. 휘발성 전해질이 아닌 물을 사용해 폭발 위험이 없고, 전해액 양 조절만으로 전기 저장 용량을 자유롭게 바꿀 수 있어, 불규칙한 신재생에너지의 저장에 최적화된 시스템으로 각광받고 있다.

기존 철-크롬계 흐름전지는 가격 경쟁력이 뛰어나지만, 크롬의 낮은 반응성 때문에 충전이 느리고 출력이 약하다는 단점이 있었다. 연구팀은 헥사시아노크로메이트([Cr(CN)6]4-/3-) 물질을 첨가하여 이 문제를 개선할 수 있음을 확인했지만, 충·방전이 진행될수록 용량이 급격히 감소하는 새로운 문제가 발생했다.

화학 구조 안정화로 250회 이상 충방전 성능 유지

연구진은 이 용량 감소의 원인이 충전 과정에서 과량 발생한 수산화(OH⁻) 이온이 크롬 이온을 둘러싸고 있는 사이아나이드(CN⁻) 이온 자리를 차지하여 전해액 구조를 파괴하는 현상 때문임을 밝혀냈다.

이에 연구팀은 전해액 내 사이아나이드 이온과 수산화 이온의 농도 비율을 정밀하게 조절하여 이러한 반응을 억제하고, 전해액의 화학 구조를 안정적으로 유지할 수 있는 최적의 배합 비율을 찾아냈다. 이 기술을 적용한 철-크롬 흐름전지는 250회 이상 반복되는 충·방전에도 초기 용량과 효율을 안정적으로 유지하는 놀라운 성능을 보였다.

이현욱 교수는 "값싼 철·크롬계 전해액으로도 오래 쓸 수 있는 고출력 흐름전지를 만들 수 있다는 가능성을 보여준 연구"라며, "이는 신재생에너지 발전량이 많고, 흐름전지 설치에 적합한 넓은 국토를 가진 중국, 유럽 국가들이 큰 관심을 보일 기술"이라고 설명했다.

한편, 흐름전지 중에는 바나늄 흐름전지가 가장 상용화에 근접했지만, 바나늄은 비싸고 매장량이 특정 지역에 집중된 지하자원이다. 

이번 연구 결과는 화학 분야의 권위 학술지인 앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)에 7월 2일 온라인 게재되었다.

논문명은 Elucidating Ligand Exchange Dynamics of Hexacyanochromate- Based Redox Mediators in Aqueous Iron-Chromium Redox Flow Batteries이다.