|
|
|
|
|
폭발 위험은 없고 저렴한 차세대 대용량 에너지저장장치(ESS)인 ‘철-크롬 레독스 흐름전지’의 성능을 끌어올린 기술이 나왔다. AI 데이터센터 처럼 막대한 전력을 소비하는 시설에 안전하고 저렴한 비상 전력을 공급할 수 있는 기반이 마련됐다는 평가다. UNIST 에너지화학공학과 이현욱 교수팀은 전극 표면에 비스무트(Bi)를 코팅하는 방식으로 철-크롬 레독스 흐름전지에서 크롬의 반응 속도를 10배 이상 높이고, 동시에 기생 부반응을 억제해 배터리 에너지 효율을 개선했다고 2일 밝혔다. 철-크롬 레독스 흐름전지는 전기 저장물질인 철과 크롬이 녹아 있는 수용액을 별도 탱크에 보관했다가 필요할 때 전극으로 흘려보내는 방식으로 충·방전이 이뤄지는 차세대 배터리다. 휘발성 전해질 대신 물을 써 폭발 위험이 낮은데다 철과 크롬은 저렴하고 매장량도 풍부해, 다른 금속 기반 레독스 흐름전지보다 원가 경쟁력이 높다. 문제는 크롬의 낮은 반응성과 부반응이다. 크롬의 반응이 낮은 탓에 더 높은 전압을 걸어 배터리를 충전해야 했고, 수소 생산 부반응은 충전 시 저장되어야 할 전자를 부반응을 일으키는 데 소모하게 만든다. 충전으로 저장한 에너지 중에서 실제로 꺼내쓸 수 있는 에너지 비율이 충·방전을 거듭할수록 낮아지게 된다. 연구팀은 전극에 비스무트를 코팅하는 방식으로 이 두 가지 문제를 동시에 해결해 에너지 효율을 높였다. 비스무트가 크롬의 산화·환원 반응은 빠르게 만들어 주는 반면, 수소 발생 반응은 오히려 억제하는 ‘선택적 반응 조절자’ 역할을 하는 덕분이다. 실제 실험 결과, 비스무트 코팅이 전용된 전지는 500회 이상의 충·방전 실험에서도 에너지 효율을 평균 75.22% 수준으로 유지했다. 일반적인 철-크롬 레독스 흐름전지는 수백 회 충·방전을 거치기 전에 에너지 효율이 40%대로 떨어지는 경우가 많다. 크롬의 반응 속도 상수도 기존 전극보다 약 10배 증가했다. 또 수소 발생 부반응이 크게 줄어, 충전 시 투입된 전자가 실제 배터리 반응에 사용되는 비율인 쿨롱 효율도 99.29%에 달했다. 연구팀은 이 선택적 반응 조절자 역할을 할 수 있는 후보 금속군인 비스무트, 인듐(In), 주석(Sn)을 먼저 선별한 뒤 이를 실제 전극에 코팅해 비교 분석했으며, 그중 비스무트가 반응 속도 개선과 부반응 억제 측면에서 가장 균형 잡힌 성능을 보였다고 설명했다. 이현욱 교수는 “철-크롬 흐름전지의 상용화를 가로막던 낮은 반응성과 부반응 문제를 전극 코팅이라는 간단한 공정으로 해결할 수 있음을 입증했다”며 “데이터센터 등 급증하는 전력 수요에 대응할 수 있는 저비용·고효율 대용량 ESS 구축에 기여할 것”이라고 말했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 나노·미래소재원천기술개발사업, 개인연구사업, 국가과학기술연구회 글로벌 TOP 전략연구단 지원사업으로 수행됐다. 연구 결과는 국제학술지 ‘저널 오브 머터리얼즈 케미스트리 에이((Journal of Materials Chemistry A)에 1월 7일에 온라인 게재됐다. (논문명: Electrocatalyst-induced kinetic modulation of anion-based redox mediators in aqueous iron-chromium redox flow batteries) |
|
|
|
[붙임] 연구결과 개요 |
|
1.연구배경 철–크롬 레독스 흐름 전지는 물에 용해된 산화·환원 물질을 이용하는 수계 레독스 흐름 전지로, 높은 안전성과 철·크롬 원료의 풍부함으로 인해 대규모 에너지 저장 시스템으로 주목받아 왔다. 그러나 음이온 기반 레독스 매개체로 작동하는 크롬 레독스 반응은 전하 전달 속도가 느리고, 충전 과정에서 수소 발생 반응이 경쟁적으로 일어나 전지 효율과 장기 사이클 안정성을 제한하는 주요 요인으로 작용해 왔다. 기존 연구들은 이러한 문제를 해결하기 위해 활성 물질, 전해질 조성 및 전극 구조의 개선에 주로 초점을 맞추어 왔으나, 반응 속도와 부반응이 강하게 연계되어 있어 근본적인 한계가 존재하였다. 2.연구내용 본 연구에서는 수계 철–크롬 레독스 흐름 전지 음극에서 작동하는 음이온 기반 크롬 레독스 매개체([Cr(CN)₆]³⁻/⁴⁻)의 반응 속도 거동을 전극 계면에서 선택적으로 조절하는 전략을 제안했다. 연구진은 비스무트(Bi), 주석(Sn), 인듐(In)을 선택적 속도 조절 후보 물질로 선별해 전극 표면에 전기화학적으로 도입하고, 이들이 크롬 레독스 반응과 수소 발생 반응에 미치는 영향을 비교 분석했다. 그 결과, 비스무트가 도입된 전극에서는 크롬 레독스 반응의 표준 전하 전달 속도 상수가 3.1×10⁻³ cm s⁻¹로 증가해, 기존 탄소 전극 대비 약 10배 이상 향상된 반응 속도를 보였다. 동시에 수소 발생 반응의 개시 전위가 음전위 방향으로 이동하며 부반응이 효과적으로 억제됐다. 반면 주석과 인듐은 크롬 레독스 반응 속도 향상 효과는 제한적이었으나, 수소 발생 반응을 억제하는 항촉매적 조절자로 작용함을 확인했다. 비스무트가 도입된 전극을 철–크롬 레독스 흐름 전지 단전지 시스템에 적용한 결과, 100 mA cm⁻² 조건에서 500회 이상의 충·방전 사이클 동안 평균 에너지 효율 75.22%, 쿨롱 효율 99.29%를 유지하며 안정적으로 작동했다. 또한 최대 출력 밀도는 450 mW cm⁻²에 도달해, 계면 반응 제어를 통한 실질적인 성능 개선 효과를 입증했다. 3.기대효과 본 연구에서 제시한 선택적 속도 조절 전략은 활성 물질의 조성이나 구조를 변경하지 않고도 전극에서의 반응 속도를 향상시켜 전지 성능을 개선할 수 있는 새로운 설계 방향을 제시한다. 이를 통해 철–크롬 레독스 흐름 전지의 효율과 장기 작동 안정성을 동시에 향상시킬 수 있을 것으로 기대되며, 수계 에너지 저장 시스템의 실용적 적용과 확산에 기여할 수 있다. 더 나아가, 본 전략은 유사한 경쟁 전기화학 반응 문제를 갖는 다양한 수계 레독스 흐름 전지 시스템에도 확장 적용 가능한 개념적 틀을 제공할 것으로 기대된다. |
|
[붙임] 용어설명 |
|
1.흐름전지(Redox flow battery) 전기를 직접적으로 저장하는 물질(활물질)이 전극 내부에 고정돼 있는 일반 배터리와 달리, 전기 저장 물질이 액체 속에 녹아 있는 형태의 배터리다. 전기 저장 물질이 녹아 있는 전해액을 외부 탱크에 저장해 두고, 이를 전극으로 흘려보내며 충·방전을 하게 된다. 탱크에 저장된 전해액의 용량을 조절하는 간단한 방법으로 배터리 용량을 늘리거나 줄일 수 있어, 전력 생산량이 들쭉날쭉한 신재생에너지 저장에 적합하다. 전해질로 물을 사용할 경우 폭발 위험도 없다. 전해질로 물을 사용하는 경우 수계 흐름전지라고 한다. 2.음이온 기반 레독스 매개체 (Anion-based redox mediator) 음이온 기반 레독스 매개체는 전극과 반응성 물질 사이에서 전자 전달을 매개하는 가역적인 산화환원 종이 음이온 형태로 존재하는 레독스 매개체로, 이온 선택성 막과의 적합성을 높이고 전기화학 반응의 안정성을높다. 3.수소 발생 반응 (Hydrogen Evolution reaction) 수소 발생 반응(HER)은 전극에서 물이 환원되어 수소 가스가 생성되는 전기화학 반응으로, 낮은 전위에서 더욱 활발하게 일어나며 수용액 전해질 환경에서는 배터리 성능에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 4.선택적 속도 조절자 (Selective Kinetic Modulator) 선택적 속도 조절자는 원하는 전기화학 반응의 속도는 선택적으로 향상시키면서 경쟁하는 부반응은 억제하는 물질로, 반응 효율과 전기화학적 안정성 향상에 기여한다.
|
|
[붙임] 그림설명 |
|
그림설명. 비스무트의 크롬 반응 속도 향상과 부반응 억제 효과 크롬 레독스 반응이 수소 발생 반응(HER)과 경쟁하는 전위 영역에서, 비스무트는 전하 전달 속도를 높이면서 HER의 시작 전위를 더 음의 방향으로 이동시켜 부반응 줄인다. 반면 주석과 인듐은 레독스 반응 속도 향상 효과는 크지 않지만, 수소 발생 반응을 억제하는 역할을 한다. 비스무트가 가장 균형 잡힌 선택적 반응 조절자 역할을 수행함을 알 수 있다. |
|
UNIST 홍보팀 news@unist.ac.kr TEL : 052)217-1230FAX : 052)217-1229 |
![[연구그림] 비스무트의 크롬 반응 속도 향상과 부반응 억제 효과](https://news.unist.ac.kr/kor/wp-content/uploads/2026/02/연구그림-비스무트의-크롬-반응-속도-향상과-부반응-억제-효과.png)