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[신기술]바나듐 레독스 흐름전지용 전해액 생산비 40% 낮춰

2019-12-01

바나듐 레독스 흐름전지용 전해액 생산비 40% 낮춰 KAIST, 한국에너지기술연구원 신공정 개발 최근 잇따른 ESS 폭발과 화재로 배터리의 안전성에 대한 관심이 높아지고 있다. ESS는 태양광이나 풍력 등 재생에너지 로 생산된 전기를 저장했다가 필요할 때 내보내는 장치로, 리튬이온 전지에 기반한 대용량 에너지저장장치에서의 화재사 고로 인해 전지의 안전한 생산방식에 관심이 높아지고 있는 것이다. 물론 화재의 직접적 원인으로 리튬이온 전지를 특정하여 지목할 수는 없는 상태다. 정부는 지난 6월 ESS 화재의 원인으 로 일부 제조 결함과 배터리 보호 시스템, 운영환경 관리 미흡 등이 복합적으로 작용했다고 조사결과를 발표했고, 품질 인증·위험 관리회사인 디엔브이지엘(DNV GL)도 11월 보험회사의 의뢰로 화재 1건에 대한 심층조사를 실시했는데, 다른 나라보다 미흡한 안전관리가 화재의 원인이라는 보고서를 내기도 했다. 화재의 정확한 원인이야 어찌 되었건 전력시장에서 안전하면서도 효율적인 배터리 생산이 그 어느 때보다 강조되고 있는 가운데, 최근 발표된 배터리에 대한 두 가지 연구사례를 소개한다. (메인 사진 : 촉매반응을 통한 3.5가 바나듐 전해액의 생산 및 기존 전기분해를 이용한 3.5가 전해액 생산 비교) 글 편집부 \| 자료제공 KAIST·한국에너지기술연구원 안전하고 효율 높은 에너지저장장치(ESS) 신개념 배터리 연구가 관건이다 ESS(Energy Storage System, 에너지 저장 시스템)은 에너지를 효율적으로 사용할 수 있도록 저장·관리하 는 시스템으로, 쓰고 남은 전력을 저장해 두었다가 수 요가 많은 시간대에 저장해 둔 전력을 사용함으로써, 정전 피해를 최소화하고 전력의 낭비를 막도록 해준다. 또, 발전소에서는 태양광, 풍력, 수력 등과 같이 계절 적·시간적·지역적으로 불규칙하게 생산될 수밖에 없 는 재생에너지를 저장·관리하여 에너지의 이용 효율 을 높이는 설비다. ESS는 에너지를 저장하는 방법에 따라 리튬전지(LiB), 레독스 흐름전지(redox flow battery), 나트륨 유황 전 지(NaS), 슈퍼 커패시터 등 2차전지를 이용하는 배터리 방식과 압축 공기 저장(CAES: Compressed Air Energy Storage), 플라이휠(flywheel) 등을 이용하는 비배터리 방식으로 구분된다. 안전성, 내구성 뛰어난 바나듐 레독스 흐름전지 지난 10월 KAIST와 한국에너지기술연구원 공동연구 팀이 생산 비용을 40% 줄인 바나듐 레독스(Vanadium redox) 흐름전지용 고순도 전해액 생산 공정을 개발했 다고 밝혔다. 바나듐 레독스 흐름전지는 안전성뿐 아니라 내구성 및 대용량화할 수 있다는 장점이 있어서 대용량 에너지 저 장장치인 ESS에 응용될 경우 안정적인 에너지 효율을 기대할 수 있는 전지로 알려져 있다. 그런데 문제는 리 튬이온 전지에 비해 생산단가가 높아 시장 확대에 걸림 돌로 작용되어 왔다. 바나듐 레독스 흐름전지의 용량과 수명, 성능을 결정하는 핵심 소재인 바나듐 전해액 은 전체 전지 가격의 50% 이상을 차지하게 된다. 따라 서 바나듐 전해액의 저가격화는 바나듐 레독스 흐름전 지 시장을 확대할 수 있는 핵심이라 할 수 있다. 상업적으로 이용되는 바나듐 전해액은 3.5가의 산화수 를 가지며, 이는 5가의 바나듐옥사이드(V2O5) 전구체 를 전기분해해 환원시켜 제조된다. 그러나 전기분해 방 식은 고가의 전기분해 장치가 필요하고 에너지 소비가 크며 전기분해를 하는 중에 생성되는 높은 산화수의 전해액을 재처리해야 하는 문제가 필요하다. 따라서 전기분해 방식을 벗어나 화학적으로 바나듐을 환원시키는 공정이 전 세계적으로 연구되어 왔지만, 환 원제의 잔류물에 의한 전해액 오염으로 인해 상업화에 성공한 사례가 아직까지 없었다. 연구팀은 이 기술을 이용해 시간당 2리터(L)급 촉매 반응기를 개발했고 연 속 공정을 통한 고순도의 3.5가 바나듐 전해액 생산에 성공했다. 이번에 개발한 촉매반응을 이용한 제조공정은 전기분해 방식에 비해 훨씬 효율적인 공정 구조로 생산 비용 을 40% 줄일 수 있다. 또한, 촉매 반응기를 통해 생산된 전해액은 기존 전기분해 방식으로 만들어지는 전해액 과 동등한 성능을 보이는 것으로 검증됐다. KAIST 나노융합연구소 차세대배터리센터장 김희탁 교 수는 “촉매를 이용한 화학적 전해액 제조기술은 원천 성을 가지고 있어, 비발화성 대용량 에너지 저장장치 분야의 국가 경쟁력을 높일 수 있다”고 말했다. 한국에너지기술연구원 에너지소재연구실 이신근 박사 는 “한국에너지기술연구원에서 개발된 촉매 반응기를 통해 기술의 산업화가 촉진될 것으로 기대한다”고 말 했다. 촉매 반응기를 통해 생산된 전해액과 기존 전기분해법을 이용해 만든 전해액의 바나듐 레독스 흐름전지 성능 비교 고비용 전기분해 방식 석유 자원의 고갈에 따라 신재생 에너지 및 이를 통해 생산된 에너지를 저장할 대용량 에너지 저장장치에 대 한 거대시장이 형성되고 있다. 바나듐 레독스 흐름전지 는 폭발에 대한 위험이 없고, 장기간 구동에 적합한 전 지 안정성 및 높은 에너지 효율 등을 장점으로 가지고 있어 리튬이온 전지와 더불어 대용량 에너지 저장장치 용 2차전지 중 가장 산업화에 근접해 있는 시스템이다. 바나듐 레독스 흐름전지는 전해액에 에너지를 저장하는 독특한 특성을 가지고 있어 바나듐 전해액은 바나 듐 레독스 흐름전지의 핵심 부품이며, 효율적인 전지의 구동을 위해선 3.5가의 산화수를 갖는 전해액이 양극 및 음극 전해액으로 이용된다. 바나듐 전해액은 바나 듐 전구체 중 가장 가격이 저렴한 바나듐 옥사이드 (V2O5)가 이용되며, 바나듐 옥사이드는 5가의 높은 산 화수를 가지므로 3.5가 산화수의 전해액 제조를 위해 서는 환원 공정이 수반되어야 한다. 현재 상업화에 성공한 바나듐 전해액 생산 공정은 바 나듐 레독스 흐름전지 스택(stack)을 이용한 전기분해 공정이 유일하다. 전기분해 공정은 전기 에너지를 이용 한 산화 환원 반응을 통해 원하는 산화수의 전해액을 생산한다. 이 공정은 고순도의 전해액 생산이 가능하 지만, 정밀한 산화수 제어를 위한 낮은 생산속도의 문 제와 부산물로 생성되는 높은 산화수의 전해액을 재처 리해야 하는 비효율적인 공정 구조를 가지고 있어, 높 은 전해액 가격의 원인이 되고 있다. 본 연구에서 개발된 촉매 반응기 및 이를 이용한 전해액 연속 제조 유기물질 이용한 촉매 기술 도입 이러한 고비용의 전기분해 방식을 탈피하고자, 다양한 환원제를 이용한 화학공정들이 제안되었으나 아직까 지 상업화에 성공한 사례가 없었다. 금속 환원제를 이용한 공정에서는 금속 환원제의 부산물이 전해액의 성 능을 저하시키는 문제가 발생하였다. 옥살산과 같은 유 기 환원제를 사용하는 경우, 금속 환원제와는 달리 제 거 가능한 CO₂부산물이 형성되는 장점이 있으나, 유기 환원제의 낮은 환원력의 문제로 산화수가 3.5가에 이 르지 못하는 문제를 가지고 있다. 이처럼 화학적 반응 으로 고순도의 3.5가 산화수를 갖는 바나듐 전해액을 생산하는 것은 매우 기술적인 난제였다. 공동연구팀은 이러한 화학적 환원 공정의 문제를 극복 하고자 유기물질을 이용하는 연료전지의 촉매 기술을 도입하였다. 고순도의 전해액 생산을 위해 반응 후 생 성물이 기체(CO2) 형태인 유기 환원제를 사용하였고, 유기 환원제의 한계였던 낮은 환원력을 적합한 촉매의 사용을 통해 극복할 수 있었다. 또한 2L/h급 촉매 반응기를 제작하여 순수 화학적 공 정만으로 고순도 3.5가 바나듐 전해액을 연속 생산할 수 있는 공정을 성공시켰다. 촉매 반응기를 통해 생산 된 바나듐 전해액은 기존 전기분해 방식으로 생산되는 바나듐과 동일한 성능을 보였고, 생산단가를 이전보다 40%나 줄일 수 있었다. 이번 연구는 새로운 방식의 전해액 생산법을 제시하여 바나듐 레독스 흐름전지의 상용화에 기여할 것으로 기 대된다. 이 연구는 산업통상자원부 한국에너지기술평 가원 ESS 기술개발 사업의 지원을 받아 KAIST, 에너지 기술연구원, 연세대학교, ㈜이에스가 참여한 컨소시엄 을 통해 개발됐다. < Energy News >