보도자료

2023. 8. 22 (화) 부터 보도해 주시기 바랍니다.

값싼 물질로 레독스 흐름 전지 시스템의 성능 향상시킨다

UNIST 이현욱 교수팀, 레독스 흐름 전지용 신소재 논문 2편 연달아 발표
값싼 물질로 바나듐 전해액 대비 1.3배 이상 향상된 에너지 밀도 보여

레독스 흐름 전지의 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 소재가 연이어 발표됐다. 새로운 소재 개발의 초석이 될 것으로 기대된다.

UNIST(총장 이용훈) 에너지화학공학과 이현욱 교수팀과 KAIST 서동화 교수팀은 새로운 레독스 흐름 전지를 개발했다. 연구팀은 산화-환원하는 물질에 안정한 리간드를 붙여 레독스 흐름 전지 성능을 크게 개선했다. 연구팀이 제안한 물질은 기존의 바나듐에 비해 값이 싸고 원소가 풍부한 철-크롬과 철-망간 레독스 흐름 전지다.

‘레독스 흐름 전지’는 배터리의 양극재와 음극재에서 에너지를 만들어내는 활물질을 통해 산화-환원 반응이 일어나면서 에너지를 저장하는 시스템이다. 리튬 이온 배터리보다 폭발 위험이 낮아 안전한 배터리로 주목받고 있다.

하지만 레독스 흐름 전지에 핵심적으로 쓰이고 있는 바나듐은 특정 국가에 매장량이 한정되어 있어 가격 변동성이 크다. 또한 낮은 작동 전압과 느린 산화-환원 반응 속도로 인해 배터리의 성능 향상에는 한계성을 보였다.

연구팀은 철, 크롬, 망간과 같은 전이금속 이온에 사이아나이드 리간드(CN-)가 여섯 개 붙어 있는 팔면체 모양의 ‘헥사시아노메탈레이트’를 활용했다. 이는 탁월한 전기화학적 특성을 가지는데, 연구팀은 세계 최초로 헥사시아노메탈레이트를 음극 전해액으로 제안해 안정성 문제를 크게 개선했다.

이현욱 에너지화학공학과 교수는 “에너지 저장장치로 레독스 흐름 전지의 사용을 지속적으로 고려했으나 바나듐의 높은 단가로 대형화 하는데 문제가 있었다”며 “이번 연구를 통해 단가가 저렴하면서 성능이 좋은 소재를 개발함으로써 레독스 흐름 전지의 난제를 조금이나 해결할 수 있게 됐다”고 전했다.

연구팀은 헥사시아노메탈레이트를 이용해 철-크롬 및 철-망간 두 가지 종류의 레독스 흐름 전지를 구동했다. 철-크롬 레독스 흐름 전지의 경우 500번 이상의 반복적인 충·방전 실험에도 99% 이상의 높은 쿨롱 효율을 유지했다. 1.5V 이상의 높은 전압을 달성해 기존 레독스 흐름 전지보다 1.3배 이상 높은 에너지 밀도(38.6 W L-1)를 보였다.

철-망간 레독스 흐름 전지에는 헥사시아노망가네이트가 음극 전해액으로 사용된다. 이는 산화-환원 반응을 두 번 일으키는 ‘2전자 반응’이 가능해 동일 농도 대비 2배의 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다. 물질에 자외선을 조사해 분자의 진동을 나타내는 라만 분석법을 통해 충·방전 과정 중에도 2전자 반응이 원활하게 일어남을 확인했다. 100번 이상의 반복적인 충·방전 실험을 통해 안정성 또한 확인했다.

제 1저자 장지은 석·박사통합과정 연구원은 “이번 연구는 지금까지 보고된 크롬 계열 신물질을 이용한 레독스 흐름 전지 중에서 가장 우수한 성능을 나타냈다”며 “빠른 산화-환원 반응과 2전자 반응이 가능한 물질을 제안함으로써, 레독스 흐름 전지의 시스템의 다양성 확보에 크게 기여할 것”이라고 전망했다.

이번 연구는 울산과학기술원, 과학기술정보통신부 한국연구재단 개인연구사업, 한국에너지기술평가원 에너지인력양성 사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 에너지 분야의 유명 국제학술지인 Advanced Energy Materials 및 ACS Energy Letters에 각각 7월 7일과 8월 8일에 온라인 게재됐다.

(논문명: Full-Hexacyanometallate Aqueous Redox Flow Batteries Exceeding 1.5 V in an Aqueous Solution ; Advanced Energy Materials)

(논문명: A Hexacyanomanganate Negolyte for Aqueous Redox Flow Batteries ; ACS Energy Letters)

자료문의

대외협력팀: 서진혁 팀장, 우종민 담당 (052)217-1232

에너지화학공학과: 이현욱 교수 (052)217-2593

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

신재생에너지 및 에너지 저장소에 대한 관심이 높아지면서 에너지를 효율적으로 저장 및 공급할 수 있는 대용량 에너지 저장장치(ESS)의 필요성이 증가하고 있음. 배터리 기반 ESS로는 리튬 이온 전지 기반 ESS가 대부분을 차지하고 있으나, 가연성이 있는 유기 전해질 사용에서 기인한 빈번한 폭발 사고로 리튬 이온 전지 ESS의 안전성 문제가 대두되었음. 이러한 배경으로 상대적으로 폭발 위험성이 적은 수계 레독스 흐름 전지 (RFB)에 대한 관심이 높아지고 있음.

가장 상용화에 가까운 레독스 흐름 전지로 바나듐 레독스 흐름 전지가 있으나, 원료가 되는 오산화바나듐의 가격이 비싸 범용적으로 이용하기에 어려움이 있음. 또 다른 시스템인 철-크롬 레독스 흐름 전지는 상대적으로 저렴한 원료를 사용하지만 낮은 셀 전압 (1.11 V) 및 크롬 음극 전해액의 낮은 산화/환원 반응 속도로 인해 에너지 밀도를 비롯한 배터리의 성능 향상에 한계가 있음. 이에 따라, 현재 수계 RFB 시스템에서의 문제점을 개선할 저렴하고 성능 좋은 새로운 활물질을 탐색할 필요성이 제기됨.

2. 연구내용

본 연구에서는 새로운 음극 전해액 (Negolyte) 물질로서 Hexacyanochromate ([Cr(CN)6]4-/3-)를 최초로 수계 레독스 흐름 전지에 적용하여 새로운 철-크롬 배터리 시스템을 제안하였음.

Cyanide 계열 지지전해질을 통해 [Cr(CN)6]4-/3- 레독스 물질의 화학적 안정성을 확보하고, 수소 발생 부반응을 억제함. -1.15 V(vs SHE)의 낮은 표준 환원 전위를 가짐에도 불구하고 원활한 산화-환원 반응을 하는 것을 확인함.

[Cr(CN)6]4-/3- 에 붙어 있는 강한 장 리간드인 CN- 리간드에 의해 산화-환원 반응 시 크롬 화합물의 얀-텔러 효과(Jahn-Teller Effects)가 완화됨으로써 기존 크롬 음극 전해액의 낮은 산화/환원 반응성을 획기적으로 개선함. 순환 전압 전류 측정 (Cyclic voltammetry, CV)을 통해 기존 철-크롬 RFB의 Cr 레독스 물질의 산화-환원 반응속도보다 최소 6000배 이상 더 빠른 특성을 가진다는 것을 확인함.

범밀도함수이론 (DFT : Density Functional Theory) 계산을 통해 다양한 종류의 크롬 착화합물의 산화수별 전자배치와 에너지 차이를 Cr(CN)6과 비교하여, Cr(CN)6의 낮은 환원 전위 및 탁월한 산화/환원 반응성이 CN- 리간드의 영향임을 규명함.

Cr(CN)6을 이용한 음극 전해액과 Fe(CN)6 양극 전해액을 이용하여 RFB 셀을 구동했을 때, 99 % 이상의 쿨롱 효율과 70 % 이상의 에너지 효율을 유지하며 500 사이클 이상 구동에 성공함. 수계 전지에도 불구하고 1.5 V 이상의 방전 전압을 보임. 이를 기반으로 고농도 셀에서는 38.6 Wh L-1의 에너지 밀도를 달성하여 바나듐 레독스 흐름 전지의 에너지 밀도 (20-30 Wh L-1)를 상회하였음.

3. 기대효과

레독스 흐름 전지는 적절한 산화/환원 활물질을 선택하는 것이 매우 중요하고, 이는 전체 시스템의 근본적인 특성에 영향을 미침. 따라서 새로운 물질을 성공적으로 제안한 것은 레독스 흐름 전지 분야에서 사용할 수 있는 물질의 폭을 넓혀 잠재적으로 시스템의 다양성을 확보할 수 있다는 점에서 연구적으로 의의가 있음.

본 연구에서 사용된 헥사시아노크롬산염이 낮은 표준 환원 전위 (-1.15 V)를 가지는 것을 이용하여, 더 높은 셀 전압을 가지는 레독스 흐름 전지를 설계할 수 있음.

값싸고 좋은 성능을 낼 수 있는 레독스 물질을 제안한 것은 수계 레독스 흐름 전지가 장주기 ESS의 대안으로서 널리 보급될 수 있는 기반을 마련할 수 있을 것으로 기대됨.

[붙임] 용어설명

1. 레독스 흐름 전지 (Redox Flow Battery, RFB)

반복적인 충/방전이 가능한 이차전지 시스템의 일종. 활물질이 용액 내 녹아 있는 상태로 탱크에 저장 되어 있음. 저장 탱크 내 활물질은 펌프를 통해 탱크에서 전극으로 이동하며, 전극으로 이동한 활물질이 산화/환원 반응에 참여하게 되면서 배터리가 작동됨.

2. 음극 전해액 (Negolyte)

레독스 흐름 전지에서 음극으로 쓰이는 전해액을 일컬음. 지지 전해질에 음극 활물질이 녹아 있음.

3. 양극 전해액 (Posolyte)

레독스 흐름 전지에서 양극으로 쓰이는 전해액을 일컬음. 지지 전해질에 음극 활물질이 녹아 있음.

4. 헥사시아노메탈레이트(Hexacyanometalate)

철, 크롬, 망간과 같은 전이금속 이온에 사이아나이드 리간드(CN-)가 여섯 개 붙어 있는 팔면체 모양의 금속 착화합물.

5. 헥사시아노크롬산염 (Hexacyanochromate)

헥사시아노메탈레이트의 한 종류로, 크롬(Cr2+/3+) 이온에 사이아나이드 리간드 (CN-)가 여섯 개 붙어 있음.

6. 헥사시아노망가네이트 (Hexacyanochromate)

헥사시아노메탈레이트의 한 종류로, 망간(Mn1+/2+/3+) 이온에 사이아나이드 리간드 (CN-)가 여섯 개 붙어 있음.

7. 2전자 반응 (2 electron reaction)

전이금속과 리간드 결합에서 전이금속이 Mn2+/3+로 한번 산화환원 반응을 하는 경우를 1전자 반응, Mn1+/2+/3+로 두 번 산화환원 반응을 하는 경우를 2전자 반응이라고 부른다. 한 번의 산화환원 반응에서 2전자 반응을 하면 1전자 반응보다 2배 정도의 에너지 밀도 향상을 기대할 수 있다.

[붙임] 그림설명