KBSI, 안전·성능 모두 확보한 '레독스 플로 전지' 기술 개발

서울대 공동연구, 이온성 액체 기반 분리막 활용

VRFB 성능 크게 높일 새 분리막 기술…국제학술지 게재

기존 대비 30% 이상 높은 충·방전 효율 확보

[대전=뉴시스] 이온성 액체 분리막 VRFB의 작동원리 모식도(a)와 기존 나피온 분리막 VRFB와의 성능 비교(b~d). *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 국내 연구진이 화재 위험이 낮은 차세대 배터리 '바나듐 레독스 플로 전지(VRFB)'의 성능을 크게 높일 새 분리막 기술을 개발했다.
 
한국기초과학지원연구원(KBSI)은 서울서부센터 이영주 박사팀이 서울대학교 화학생물공학부 이규태 교수팀과 함께 독특한 특성을 갖는 이온성 액체의 다공성 고분자막을 이용, 고효율의 VRFB 분리막 기술을 개발했다고 6일 밝혔다. 이 기술은 자연방전 걱정없이 2800시간 이상 안정하면서도 기존 대비 30% 이상 높은 충·방전 효율을 보인다.

최근 물을 전해질로 사용하는 수성 배터리(수계 전지)가 리튬이온전지를 대체할 유력한 후보로 부상 중이다. 수성 배터리는 산화·환원에 관여하는 금속이온의 종류에 따라 여러 가지가 있으며 이 중 VRFB가 현재 산업화에 가장 가까운 단계까지 연구 개발되고 있다.

VRFB는 전해질이 2개의 저장소에 분리·저장돼 있는 배터리로 각 저장소에 서로 다른 금속이온이 녹아 있어 양극과 음극이 접촉할 가능성이 없고 전해질이 물이기 때문에 화재 가능성을 원천 차단할 수 있다.
 
VRFB는 양극액과 음극액으로 사용되는 산화바나듐과 바나듐 금속이온이 충·방전에 관여하고 고분자 분리막에 의해 서로 나눠져 있다.
 
하지만 기존 분리막 소재로 많이 쓰이는 불소화 고분자 물질인 나피온은 양극과 음극 사이에서 바나듐 이온의 교차를 발생시켜 자연방전이 빠르게 일어나 전지의 수명을 단축시키는 문제점이 있다.
 
이번 연구에서 공동연구팀은 바나듐의 투과성은 낮추면서도 이온전도도와 전기화학적 안정성을 높일 수 있는 분리막 소재로 이온성 액체(hexyl methyl imidazolium)를 사용했다. 이 액체는 긴 탄소사슬을 갖는 양이온과 약염기성 음이온으로 이뤄진 양이온-음이온 복합체다.

공동연구팀은 이 액체를 다공성 고분자막에 담지한 후 막표면을 나피온으로 박막 코팅처리하는 방법으로 분리막을 제조했다. 이 분리막은 소수성을 지녀 양극액과 음극액 사이에서 바나듐 이온의 투과를 막아주고 수소 이온의 전도도는 높게 유지시키는 특성이 있다.

새 이온성 액체 분리막 기술을 적용한 VRFB의 자연방전 시간은 2800시간 이상 유지됐다. 이는 기존 나피온 분리막이 적용된 VRFB의 200시간 미만 보다 14배 가량 향상한 수치다.
 
또 충·방전 효율도 개선돼 100회 충·방전시 98.8%의 쿨롱 효율을 유지했으며 기존 나피온 분리막 대비 전지 용량도 30% 이상 높게 향상돼 VRFB의 성능을 크게 향상 시켰다.

연구팀은 고용량·장수명·고안정성을 지닌 차세대 수계 전지 개발에 속도가 붙어 향후 에너지저장장치(ESS) 등 대규모 전력 수급 및 신재생 에너지 보급에 기여할 것으로 예상하고 있다.

연구 결과는 재료과학분야 세계적 권위 학술지 'Advanced Functional Materials' 온라인판에 최근 게재됐다.(논문명:Contrasting Miscibility of Ionic Liquid Membranes for Nearly)

KBSI 이영주 박사는 "이번 연구는 이온의 투과도와 전도성을 선택적으로 조절할 수 있는 분리막 기술을 레독스 플로 전지에 적용한 획기적 방법"이라며 "이 분야에서 기술적 우위를 유지키 위해 신규 난연성 액체전해질 개발 등 후속 연구를 이어 가겠다"고 말했다.


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