 바나듐 전해액 대량생산 가능한 촉매반응 시스템 ESS 화재 해결…에너지 전환의 마중물 역할 기대
‘재생에너지 3020’에 이어 ‘그린뉴딜’정책이 발표됨에 따라 전력 생산에서 재생에너지의 비중은 더욱 확대될 것으로 전망된다. 이와 더불어 자연 변동성을 가진 재생에너지의 출력을 안정화하는 방안 역시 중요해지고 있다. 이 부분에서 가장 큰 역할을 담당하고 있는 분야가 바로 ESS이다. 그러나 대규모 장치를 구축하고 화재 등 사고의 가능성을 최소화해야 하는 과제가 있다. 레독스 흐름전지는 이러한 문제를 해결할 수 있는 대안으로 주목 받고 있다. 이런 점에서 레독스 흐름전지의 핵심 소재인 바나듐 전해액을 대량으로 생산할 수 있는 촉매반응 시스템의 개발은 큰 의미를 갖는다.
글 강창대 기자 자료 한국에너지기술연구원
한국에너지기술연구원 에너지소재연구실 이신근 박사 연구진이 한국과학기술원(KAIST)과 연세대학교, ㈜이에스 등과 공동으로 차세대 ESS로 주목받는 바나듐레독스 흐름전지(Vanadium Redox Flow Battery)의 핵심 소재인 바나듐 전해액의 대량생산이 가능한 촉매반 응 시스템 개발에 성공했다고 밝혔다. 바나듐(화학기호는 V, 원자 번호는 23)은 단단하고 연성과 전성이 뛰어난 전이 금속이다. 철 합금 광물로 다양한 산업군에서 사용되는 물질이다.
전지가격의 절반 차지하는 전해액 현재 가장 널리 이용되는 ESS기술은 리튬이온전지로, 리튬기반 대용량 에너지저장장치는 저장 용량이 높지만 발화사고가 빈번하게 발생한다. 이를 극복하기 위해물 성분의 수계 전해질을 이용하는 레독스 흐름전지에 대한 관심이 커지고 있으며, 바나듐 레독스 흐름전지(이하 VRFB)가 대표적이다. VRFB 부품 중 바나듐 전해액은 전지의 용량, 수명, 성능을 결정하는 핵심소재다.
그러나 바나듐 전해액은 전지가격의 약 절반을 차지할 정도로 고가다. 예를 들어, 1 ㎿/8 ㎿h 시스템의 전해질 가격비중은 52%다.
현재 상용되는 VRFB 시스템에서는 3.5가(VO2+/V3+=1/1)의 전해액을 VRFB 셀의 양극과 음극에 주입하여 운전한다. 따라서 상업적으로 저가이면서 순도가 높은 3.5가 전해액의 개발이 필요하다.
 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.
4가(VO2+) 전해액을 환원시켜 3.5가 전해액을 제조하는 방식은 두 가지가 있다. 첫 번째는 전기분해(electrolysis) 방식으로, 스택을 이용해 4가의 전해액을 충전시켜 3가와 5가의 전해액을 제조 하는 것이다. 그러나 이는 초과분의 5가 전해액을 만들게 돼 전해액의 1/3을 낭비하는 문제가 발생한다. 또한, 스택 설치와 전력 소모, 운전 및 보수비용 등은 전해액 제조비용을 높이는 결과로 이어진다.
두 번째는 환원제를 사용하는 방식이다. 이 방법은 화학적 환원방식으로 아연(Zn)처럼 환원력이 강한 금속을 넣어 4가 전해액을 3가(V3+)로 환원시킨다. 그러나 이 방식은 전해액에 아연 2가 이온(Zn2+) 불순물이 함유될 수밖에 없다. 따라서, 이 불순물을 제거하기 위한 공정비용이 증가하거나 아연 침착(Zn deposition)으로 VRFB의 효율이 저하될 수 있다.
바나듐 레독스 흐름전지는 리튬이온전지와 비교해 인체유해성, 인화성, 화학반응성의 위험도가 낮아 안정하며, 수명이 20년 이상으로 길고 용량 설계가 유연해 재생에너지 발전 분야와의 연계가 용이하지만 리튬이온전지 대비 높은 가격은 시장 확대에 걸림돌이 되고 있다. 그러므로 바나듐 레독스 흐름전지의 가격을 낮추기 위해서는 V2O5 혹은 VOSO4 전구체를 이용하여 불순물이 발생하지 않으면서 전기분해법을 탈피한 새로운 방식으로 높은 순도의 3.5가 바나듐 전해액을 대량으로 제조할 수 있는 기술이 필요하다.
단시간 안에 최소량의 촉매로 반응 이를 극복하기 위해 연구진이 개발한 바나듐 전해액 대량생산 촉매반응 시스템은 기존의 전기분해 및 금속환원법에 비해 ① 잉여 5가의 전해액 및 환원제의 잔여물을 남기지 않아 전해액을 높은 순도로 연속적으로 제조할 수 있는 공정이다. 그리고 ② 기존의 상용 전해액 제조공정인 전기분해법에 비해 시간당 생산 속도가 17LPH에서 40LPH로 약 2.7배 이상 높다. 뿐만 아니라, ③ 시스템의 크기가 작아 부지시설 비용이 저렴하며, ④ 전력소비가 획기적으로 저감되어 전해액의 가격을 획기적으로 낮출 수 있는 기술이라고 한다.
촉매반응 시스템의 핵심 기술은 고활성 촉매, 고성능반응기, 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 짧은 시간 안에 최소의 촉매 양으로 반응을 완료하는 것은 매우 어렵다.
 고순도 바나듐 전해액 생산공정의 효율 향상을 위한 질소퍼징 공정. 에너지연이 개발한 대용량·고순도 바나듐 전해액 제조용 촉매반응기 (a) 촉매반응기 개념도. (b) 촉매반응기 형상 최적화를 위한 전산모사.
연구진은 전해액의 산화를 방지하고 촉매의 불균일한 반응 현상을 줄이면서, 공정의 효율을 향상시키기 위해 질소퍼징(N₂purge) 공정과 촉매반응기 설계 기술을 적용했다. 연구진은 이 기술들을 기반으로 국내 특허출원 2건, 미국특허 출원 2건 및 국내 특허 등록 1건의 성과를 거두었다.
연구진은 촉매와 반응기 사이에 불균일한 흐름 현상을 방지할 수 있는 촉매 반응기를 독자적으로 개발하기도 했다. 일반적인 반응에서 발생할 수 있는 채널링을 억제하고, 반응에 필요한 열을 원활하게 전달하기 위해 반응기 내부를 특수하게 고안했다. 연구진은 이렇게 함으로써 촉매 사용량도 최소화할 수 있었다고 한다. 그리고 개발된 촉매 반응기는 40LPH급 시스템 기준으로, 고가의 귀금속 촉매 사용량을 당초 개발 목표보다도 5분의 1로 줄일 수 있을 정도의 성능을 발휘했다고 한다. 연구진은 이를 기반으로 초소형(파일럿 규모 대비 1/500배로 축소)이면서 대용량 파일럿 규모인 40LPH급 전해액 생산 시스템을 완성했다.
 Pt/C 촉매가 적층된 바나듐 전해액 제조용 촉매반응기의 장기간 내구성 테스트 결과(2,500시간)
 에너지연 에너지소재연구실이 자체개발한 40LPH급 대용량·고순도 바나듐 전해액 제조용 촉매반응 시스템(참여기업 ㈜이에스 협력사업장, 대화공단내 설치.
이처럼 연구진은 바나듐 전해액 제조 효율을 최대로 발휘하기 위해 펌프, 히터, 반응기, 열교환기로 구성된 촉매 반응 시스템을 구축해 에너지 사용량을 기존 목표 대비 50% 이상 줄일 수 있었다. 대량으로 생산된 전해액은 ㈜이에스가 설치한 인비니티(INVINITY Envergy Systems)의 40 ㎾h급 바나듐 흐름전지에 장입해 효성중공업으로부터 성능검증을 완료했다.
소재 국산화 위한 원천기술 연구를 주도한 에너지소재연구실 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 있다”라며 이번 성과의 의의를 밝혔다. 전 세계 재생에너지(풍력, 태양광)-ESS 연계형 시장의 규모는 2024년에 1조 원 이상, 국내 시장은 1,200억 규모로 성장할 것으로 전망된다.
연구진은 향후 확보된 대용량 바나듐 전해액 제조기술을 기반으로 국내 ESS시장에 진출 할 예정이다. 우선 해당 기술을 기업에 이전해 전해액 가격 비용을 최소화하는 것을 최우선 목표로 하며, 기존 리튬이온배터리로 구성된 ESS시장에서 바나듐 레독스 흐름전지의 비중을 높여 대용량의 안정적인 에너지 그리드를 확보하는데 주력할 예정이다.
한편, 이번 연구는 산업통상자원부 한국에너지기술평가원 ESS개발사업의 일환으로 KAIST (김희탁 교수 연구팀), 연세대학교(김한성 교수 연구팀), ㈜이에스(대표 이승주 박사)와의 공동연구를 통해 개발됐다.
<Energy News>
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