울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 이현욱 교수 연구팀이 폭발 위험이 없는 대용량 전기 저장장치인 '철-크롬계 흐름 전지'의 수명을 증가시킬 수 있는 핵심 기술을 개발했다고 밝혔다.

연구팀은 KAIST 서동화 교수, 미국 텍사스대학교 귀이화 위(Guihua Yu) 교수와의 공동 연구를 통해 철-크롬 흐름 전지의 성능 악화 메커니즘을 규명하고, 전해질 조성 최적화를 통해 반복적인 충·방전 과정에서도 용량을 보존하는 전지를 구현했다.

흐름 전지는 기존 배터리와 다르게 전극 물질이 물에 용해된 전해액 상태로 존재한다. 전해액 자체가 '액체 전극'으로 기능하며 전기 저장이나 사용 시 펌프를 통해 전해액을 순환시키는 방식으로 작동한다.

이 시스템은 휘발성 전해질 대신 물을 사용해 폭발 가능성이 없고, 탱크 내 전해액 양 조절만으로 전기 저장 용량을 자유롭게 변경할 수 있어 전력 생산이 불규칙한 풍력이나 태양광 같은 신재생 에너지 저장에 최적화돼 있다.

철-크롬계 흐름 전지는 경제성은 우수하나 크롬의 낮은 반응성에 따라 충전 속도가 느리고 출력이 약한 단점이 있다. 헥사시아노크로메이트([Cr(CN)6]4-/3-) 물질 첨가로 출력과 충전 속도 향상이 가능하지만, 충·방전 진행에 따른 용량 급감 문제가 발생한다.

연구진은 이런 현상이 크롬 이온 주변의 사이아나이드 이온이 수산화 이온으로 치환되는 현상에서 비롯됨을 밝혀냈다. 충전 과정에서 과다 생성된 수산화 이온이 사이아나이드 이온 위치를 대체해 전해액 구조를 파괴하는 것이다.

연구팀은 전해액 내 사이아나이드 이온과 수산화 이온의 농도 비율 조절을 통해 이런 반응을 억제하고, 전해액의 화학 구조 안정성을 확보할 수 있는 전해액 배합 비율을 제시했다. 이 비율을 적용한 철-크롬 흐름 전지는 250회 이상의 충·방전 반복에도 용량과 효율을 유지하는 성과를 보였다.

이현욱 교수는 "저가의 철·크롬계 전해액으로도 장수명 고출력 흐름 전지 제작 가능성을 입증한 연구"라며 "신재생 에너지 발전량이 많고, 흐름전지 설치 가능한 국토 면적을 보유한 중국, 유럽 국가들의 높은 관심을 받고 있는 기술"이라고 설명했다.

현재 흐름전지 중 바나늄 흐름전지가 상용화에 가장 근접해 있지만, 바나늄은 고가이며 매장량이 특정 지역에 편중된 지하자원이라는 한계가 있다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 원천 기술 국제협력개발사업, 개인연구사업, 국가과학 기술 연구회 글로벌 TOP 전략연구단 지원사업의 후원으로 진행됐다. 연구 성과는 화학 분야 권위 학술지인 앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)에 7월 2일 온라인으로 발표됐다.