KAIST 연구진이 대용량 에너지저장장치(ESS)의 유력 후보인 바나듐 레독스 흐름전지(VRFB)의 핵심 전해질 생산시간을 기존보다 67% 줄이는 공정 기술을 개발했다.
KAIST는 생명화학공학과 김희탁 교수 연구팀이 바나듐 레독스 흐름전지의 핵심 전해질을 빠르고 안정적으로 생산하는 공정을 개발했다고 5일 밝혔다.
최근 24시간 가동되는 인공지능(AI) 데이터센터가 늘어나면서 태양광과 풍력 등 재생에너지로 생산한 전기를 대량으로 저장한 뒤 필요할 때 안정적으로 공급하는 대용량 ESS의 중요성이 커지고 있다.
바나듐 레독스 흐름전지는 화재 위험이 거의 없고 전해질을 담는 탱크 크기를 확대하면 저장 용량도 늘릴 수 있어 AI 데이터센터와 재생에너지용 초대형 배터리로 주목받고 있다. 다만 배터리의 연료 역할을 하는 바나듐 전해질을 최적 상태인 V3.5+로 만드는 데 긴 시간과 높은 비용이 필요해 상용화의 걸림돌로 작용해 왔다.
기존 공정은 환원제를 이용해 바나듐 이온이 전자를 얻도록 하는 화학적 환원으로 전해질을 만든 뒤, 전기를 흘려 바나듐 이온의 전자 상태를 조절하는 전기화학적 환원을 거쳐 최종 전해질을 생산한다. 이 가운데 마무리 단계인 전기화학적 환원 공정에 많은 시간과 비용이 투입됐다.
연구팀은 화학 반응으로 전해질을 만드는 과정에서 특정 단계에 이르면 반응 속도가 급격히 느려지는 현상을 세계 최초로 규명했다. 바나듐 전해질이 V3.5+ 상태로 변하는 중간 단계에서 평균 산화수가 약 +4.1에 도달하는 지점이 반응의 병목 구간인 것으로 확인됐다.
연구팀은 해당 구간에서 기존 전기화학적 환원 대신 백금-탄소(Pt/C) 촉매를 이용한 촉매 환원 공정을 적용하도록 생산 공정을 설계했다. 가장 오랜 시간이 걸리던 마지막 공정을 촉매 기반 방식으로 대체한 것이다.
그 결과 바나듐 레독스 흐름전지에서 전기 에너지를 저장하는 핵심 소재인 V3.5+ 전해질의 생산시간이 기존보다 67% 단축됐다. 공정 과정에 남아 배터리 성능을 떨어뜨릴 수 있는 잔류 옥살산도 함께 제거됐다.
연구팀은 동일한 촉매를 2500회 이상 반복 사용해도 성능 저하 없이 안정적으로 전해질을 생산할 수 있다는 점을 확인했다.
이번 연구는 KAIST 생명화학공학과 석경화 박사과정이 제1저자로 주도했으며 강민성 KAIST 연구원이 제2저자, 김희탁 교수가 교신저자로 참여했다. 롯데케미칼의 지원을 받아 수행됐다.
연구 결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’에 5월 7일 온라인 게재됐다. 학술적 중요성을 인정받아 34호 표지논문으로 선정됐으며 해당 호는 9월 초 온라인 공개될 예정이다.
김희탁 교수는 “이번 연구는 대용량 배터리 상용화의 가장 큰 숙제였던 전해질 생산 과정을 반응공학적으로 정밀 분석해 새롭게 설계한 성과”라며 “촉매가 전해액 환경에서 손상되지 않고 안정적으로 작동하는 조건을 과학적으로 규명해 산업 현장의 생산 병목을 해결한 만큼 대용량 에너지저장 기술의 상용화를 크게 앞당길 것으로 기대한다”고 말했다.
헬로티 이동재 기자 |
