‘배터리액 순환식 전지’ 대량생산 길 열었다··· “초대용량 ESS 실용화 물꼬”

연구 이미지 [사진=KAIST]

[이뉴스투데이 김진성 기자]  배터리 속 액체(배터리액)을 순환시켜 사용하는 ‘바나듐 레독스 흐름 전지(VRFB)’를 실용화 할 수 있는 기술이 새롭게 등장했다.  

VRFB는 배터리 속 전해액을 별도 탱크에 보관하고 순환시켜가며 전기를 보관하거나 내보낸다. 최근 인공지능(AI) 데이터센터 등의 급증으로 전기를 대량으로 저장했다가 필요할 때 안정적으로 공급하는 대용량 ESS의 중요성이 커지고 있으며, 작은 크기로 많은 전력을 공급할 수 있어 차세대 ‘대용량 에너지저장장치(ESS)’로 주목받고 있다. 그러나 핵심 소재인 ‘바나듐 전해질’을 대량 생산하기 어려워 실용화가 이뤄지지 않고 있었다.

김희탁 한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 교수팀이 VRFB용 바나듐 전해질의 생산 효율을 큰 폭으로 높일 수 있는 기술을 새롭게 개발했다고 5일 밝혔다.

지금까지 VRFB용 배터리액을 제조하기 위해선 화학적 환원(바나듐 이온이 전자를 얻도록 하는 화학 반응)과정을 통해 전해질을 만든 뒤, 다시 전기화학적 환원(바나듐 이온의 전자 상태를 원하는 수준으로 조절하는 공정)을 거쳐야 했다. 그러나 마무리 단계인 전기화학적 환원은 시간이 오래 걸리고 비용이 많이 들어 대량 생산 과정에서 걸림돌이 돼 왔다.

김희탁 교수팀은 배터리액 제조 시 특정 단계에서 화학 반응의 속도가 급격히 느려진다는 사실을 처음으로 밝혀내고, 이 ‘병목 단계’를 백금-탄소(Pt/C) 촉매를 이용한 촉매 환원 공정 대체하는 방법을 고안해 냈다. 이 공정을 적용한 결과 생산 시간이 기존 대비 67% 감소했다. 촉매를 사용하면 효율이 높아지지만, 촉매 자체의 수명이 문제가 되는 경우가 많지만, 연구팀이 새롭게 개발한 촉매는 2500회 이상을 반복 사용해도 성능 저하 없이 안정적으로 전해질을 생산할 수 있었다.

연구팀은 이번 성과가 실제 공정에 적용되면 VRFB의 생산비용과 시간문제가 해소되면서 대용량 ESS 보급에 속도가 붙을 것으로 보고 있다. ESS 보급이 늘어나면 풍력, 태양광 등 신재생 에너지 활용성이 높아지며, 정전 위험 감소, 전기요금 변동성 완화 등 다양한 효과도 기대할 수 있다.

김 교수는 “VRFB 상용화의 숙제였던 전해질 생산 과정을 반응공학적으로 분석해 새롭게 설계한 성과”라며 “대용량 에너지저장 기술의 상용화를 크게 앞당길 것으로 기대한다”고 말했다.