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수명 길고 폭발없는 '차세대 에너지저장장치' 상용화

화학연, 비과불화탄소계 이온전달막 개발
바나듐 레독스 흐름 배터리 전문 기업 스탠다드에너지사에 이전
이온전달막 제조 공정.<사진=한국화학연구원>이온전달막 제조 공정.<사진=한국화학연구원>

사용하고 남은 전기를 저장했다가 다시 활용하는 차세대 에너지저장장치 기술이 기업에 이전돼 상용화에 들어간다.

한국화학연구원은 홍영택·김태호·이장용 박사팀이 차세대 에너지저장장치(ESS)로 주목되는 '바나듐 레독스 흐름 배터리'의 핵심 소재인 이온전달막을 개발, 기업 스탠다드에너지사에 이전하고 상용화에 착수했다고 25일 밝혔다.

에너지저장장치는 생산된 전기나 쓰고 남은 전기를 배터리에 저장했다가 전력이 필요할 때 방출하는 장치다. 국내에서는 주로 리튬이온 배터리가 많이 쓰인다. 하지만 이는 출력 용량은 높지만 안전에 취약해 국내에서도 2017년 이후 20건 이상 폭발사고가 발생하기도 했다.

이에 따라 차세대 에너지저장장치 기술 개발 필요성이 요구돼 왔다. 최근 바나듐 레독스 흐름 배터리가 차세대 에너지저장장치로 주목된다.

바나듐은 원자번호 23번 원소로, 배터리와 철강 제조 등에 쓰인다. 국내 옥천 지질대에 10조원 상당의 바나듐이 묻혀 있다는 결과가 나와 주목되기도 했다.

바나듐 레독스 흐름 배터리는 황산에 바나듐을 녹인 전해액이 산화, 환원 반응을 일으키면서 전위차를 발생, 에너지가 충·방전되는 배터리다. 이는 대용량으로 만들 수 있고 수명이 평균 20년 이상이며 화재 위험도 없다는 게 연구팀의 설명이다.

배터리 안에는 이온전달막이라는 소재가 있는데 화학반응에 필요한 수소 이온을 통과, 전달하는 역할을 한다. 이온전달막은 레독스 흐름 배터리의 핵심소재로 배터리의 성능과 수명을 좌우한다. 현재 과불화탄소계 이온전달막 소재를 사용하고 있다. 특정 이온을 선택해서 전달하는 것으로 성능이 낮고 가격이 비싼 것은 물론 환경에 유해하다. 따라서 가격이 저렴하고 성능이 우수한 비과불화탄소계 이온전달막 소재 개발 연구가 활발하다.
연구팀이 개발한 이온 전달막.<사진=한국화학연구원>연구팀이 개발한 이온 전달막.<사진=한국화학연구원>

연구팀은 비과불화탄소계 이온전달막을 개발해 상용화에 착수하는 것이다. 새로운 폴리페닐렌 구조의 멀티블록 공중합체를 설계한 후 분자구조의 연결고리를 튼튼히 하고 강화해 복합막 형태로 제조하며 내구성을 극대화 했다. 새로운 소재는 실험 결과 높은 전류밀도에서도 강한 내구성과 우수한 성능을 유지한 것으로 확인됐다.

화학연은 지난해 11월 이 기술을 바나듐 레독스 흐름 배터리 전문기업 스탠다드에너지사에 이전했다. 새로운 이온전달막 기술은 배터리 완제품에 적용, 수명 테스트 등 기초 성능 시험을 완료한 상태다. 기술을 이전한 스탠다드에너지사는 KAIST와 MIT 박사 출신이 설립한 배터리 전문기업으로 완전형 모듈형 바나듐 레독스흐름 배터리를 개발, 국내외 주목을 받았다.

스탠다드에너지사와 화학연은 공동으로 시제품 안전성 평가와 제조 공정 최적 가동 조건 검증 등을 거쳐 사용화에 박사를 가할 계획이다.

연구책임자인 홍영택 박사는 "비과불화탄소계 이온전달막은 성능이 우수하고 가격이 저렴하다. 특히 배터리 생산비용을 kWh당 30달러 이하로 낮추는데 기여할 것"이라면서 "향후 새로운 이온전달막을 적용한 바나듐 레독스흐름 배터리를 통해, 출력변동성이 심한 신재생에너지를 고품질 전력으로 전환해 전력망에 공급할 수 있을 것으로 기대된다"고 말했다.

한편 전 세계 ESS 시장규모는 2011년부터 2020년까지 누적 70조원 규모이고 2020년 시장 규모는 21조원(국내 8600억원)으로 예상된다. 바나듐 레독스 흐름 배터리는 2025년 ESS용 대용량 배터리 시장에서 20% 이상의 점유율 확보가 기대된다.
 
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