안전·성능 모두 잡은 ‘레독스 플로 전지’ 기술 개발

   이온성 액체 기반 분리막 활용해 이온 선택성 높여 효율 Up! 자연방전성 Down!

KBSI-서울대 공동연구, 재료과학의 세계적 권위의 학술지 Acvanced Functional Materials 게재

 리튬이온전지의 단점을 극복할 새로운 소재의 배터리 개발이 활발히 진행중인 가운데, 국내 연구진이 화재 위험이 낮은 차세대 배터리인 ‘바나듐 레독스 플로 전지(VRFB)’의 성능을 크게 높일 새 분리막 기술을 개발했다. 

한국기초과학지원연구원(원장 양성광, 이하 KBSI)은 서울서부센터 이영주 박사 연구팀이 서울대학교(총장 유홍림, 이하 서울대) 화학생물공학부 이규태 교수 연구팀과 공동으로 독특한 특성을 갖는 이온성 액체를 담지한 다공성 고분자막을 이용, 자연방전 걱정없이 2,800시간 이상 안정하면서도 기존 대비 30% 이상 높은 충·방전 효율을 보인 VRFB 분리막 기술을 개발했다고 6일 밝혔다.

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

VRFB는 전해질이 2개의 저장소에 분리돼 저장돼 있는 배터리이다. 각 저장소에는 서로 다른 금속이온이 녹아 있어 양극과 음극이 접촉할 가능성이 없으며, 전해질이 물이기 때문에 화재 가능성을 원천적으로 막을 수 있다. 

VRFB는 양극액과 음극액으로 사용되는 산화바나듐(VO2+, VO2+)과 바나듐(V2+, V3+) 금속이온이 충·방전에 관여하고, 고분자 분리막에 의해 서로 나뉘어져 있다. 다만, 기존에 분리막 소재로 많이 쓰였던 불소화 고분자 물질인 나피온은 양극과 음극 사이에서 바나듐 이온의 교차를 발생시켜, 자연방전이 빠르게 일어나 전지의 수명을 단축시키는 문제점이 있었다. 

본 연구에서는 바나듐의 투과성은 낮추면서도, 이온전도도와 전기화학적 안정성을 높일 수 있는 분리막 소재로 이온성 액체(hexyl methyl imidazolium)를 사용했다. 이 액체는 긴 탄소사슬을 가지는 양이온과 약염기성 음이온으로 이루어진 양이온-음이온 복합체이다.

그림2. 이온성 액체의 구조(a), 1H NMR 측정 결과(b) 및 이온성 액체와 수소 이온 (H3O+)의 확산계수_b) 순수한 이온성 액체(i)에 비해 황산(ii), 음극액·양극액의 방전(iii), 충전(iV) 상태를 거치면 새로운 시그널이 생성됨(*로 표시). 이는 전해액에서 수소 이온(H3O+)이 이온성 액체로 이동해 왔음을 보여줌, © 수소이온이 이온성 액체의 양·음이온보다 빠르게 움직이는 주요 전하 이동 기작임을 보여줌.

공동연구팀은 이 액체를 다공성 고분자막에 담지한 후 막표면을 나피온으로 박막 코팅 처리하는 방법으로 분리막을 제조했다. 이 분리막은 소수성을 지녀, 양극액과 음극액 사이에서 바나듐 이온의 투과를 막아주고, 수소 이온의 전도도는 여전히 높게 유지시키는 특성이 있음을 관찰했다.  

그 결과, 이온성 액체 분리막 기술을 적용한 VRFB의 자연방전 시간이 2,800시간 이상 유지되는 것으로 나타났다. 이는 기존 나피온 분리막이 적용된 VRFB의 200시간 미만 보다 14배 가량 향상된 수치다. 

충·방전 효율도 개선됐다. 100회 충·방전시 98.8%의 쿨롱 효율*을 유지했으며, 기존 나피온 분리막 대비 전지 용량도 30% 이상 높게 향상된 점에서 VRFB의 성능을 한 단계 끌어올린 의미가 있다.

* 쿨롱 효율 : 최근 충전을 완료한 용량이 바로 직전에 충전을 완료한 용량과 대비해 차지하는 비율

이러한 VRFB의 상용화를 앞당길 수 있는 기술 확보로 고용량·장수명·고안정성을 지닌 차세대 수계 전지 개발이 가능해, 향후 에너지저장장치(ESS) 등 대규모 전력 수급 및 신재생 에너지 보급에 기여할 것으로 예상된다.

사진. 공동연구자 사진. (왼쪽부터) KBSI 이영주 선임연구원(공동교신저자), 서울대 이규태 교수(공동교신저자)

KBSI 이영주 박사 연구팀은 PFG NMR과 고체 NMR 분석법을 이용해 이온성 액체 분리막을 통해 이동하는 이온 전도의 주된 기작과 오랜 시간 충·방전을 거쳐 나타나는 전지 내부 구조 변화를 규명했으며, 서울대 이규태 교수 연구팀은 초기 아이디어 제시, 전기화학적 특성 분석과 본 연구의 총괄을 맡았다.

본 연구결과는 한국연구재단의 기본연구사업의 지원으로 진행됐으며, 재료과학분야 세계적 권위 학술지인 Advanced Functional Materials지 온라인판[논문명 : Contrasting Miscibility of Ionic Liquid Membranes for Nearly, IF: 19.0, 서울대 이정호(제1저자), KBSI 이영주(공동교신저자), 서울대 이규태(공동교신저자)]에 9월 12일 게재됐다.

KBSI 이영주 박사는 “이번 연구는 이온의 투과도와 전도성을 선택적으로 조절할 수 있는 분리막 기술을 레독스 플로 전지에 적용한 획기적 방법”이라며, “이번 기술 개발에 적용된 PFG NMR 기법은 이온 및 분자의 이동 속도 관찰은 물론, 차세대 전지 개발에 필요한 다양한 전해질 발굴에 활용될 수 있는 분석기술로, 이 분야에서 기술적 우위를 유지해 나가기 위한 신규 난연성 액체전해질 개발 등 후속 연구를 이어 가겠다”고 밝혔다.