기초지원연, 레독스 플로 전지 성능과 효율 높여
이온성 액체 분리막 제조..100회 충방전 98.8% 유지
리튬이온전지를 대체할 차세대 배터리인 '바나듐 레독스 플로 전지(VRFB)'의 성능과 효율을 높이는 새 분리막 기술이 나왔다.
한국기초과학지원연구원은 이영주 박사 연구팀이 이규태 서울대 교수팀과 함께 2800시간 이상 안정하면서 30% 이상 높은 충·방전 효율을 지닌 'VRFB 이온성 액체 분리막'을 개발했다고 6일 밝혔다.
물을 전해질로 사용하는 수계 전지는 리튬이온전지를 대체할 유력한 후보로 주목받고 있다.수계 전지는 산화와 환원에 관여하는 금속이온이 종류에 따라 여러 가지가 있는데, 이 가운데 VRFB는 산업화에 가장 가까운 단계까지 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 원천적으로 막을 수 있다.
연구팀은 바나듐의 투과성은 낮추면서 이온 전도도와 전기화학적 안정성을 높일 수 있는 이온성 액체 기반의 분리막을 개발했다. 이온성 액체는 긴 탄소사슬을 가지는 양이온과 약염기성 음이온으로 이뤄진 양이온·음이온 복합체다. 기존 분리막 소재로 많이 쓰는 불소화 고분자 물질인 나피온은 양극과 음극 사이에서 바나듐 이온을 교차로 발생시켜 자연방전이 빠르게 일어나 전지 수명을 단축시킨다.
연구팀은 이온성 액체를 다공성 고분자막에 넣고 막표면을 나피온 박막으로 코팅해 분리막을 제조했다. 이 분리막은 소수성을 지녀 양극액과 음극액 사이에서 바나듐 이온의 투과를 막아주고, 수소 이온의 전도도를 높게 유지시켜 준다. 실제, 이 분리막을 적용한 VRFB의 자연 방전시간이 2800시간 이상 유지됐다. 이는 기존 나피온 분리막을 적용한 VRFB가 200시간 미만보다 14배 향상됐다. 충방전 효율도 개선돼 100회 충방전 시 98.8%의 쿨롱 효율을 유지했고, 기존 나피온 분리막 대비 전지 용량도 30% 이상 높게 나타났다.
이영주 기초지원연 박사는 "이번 연구는 이온의 투과도와 전도성을 선택적으로 조절할 수 있는 분리막 기술을 레독스 플로 전지에 적용한 것"이라며 "VRFB의 상용화를 앞당겨 고용량, 장수명, 고안정성 차세대 수계 전지 개발에 기여할 것으로 기대한다"고 말했다.
이 연구결과는 재료과학 분야 국제 학술지 '어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(지난 9월 12일)' 온라인에 실렸다.이준기기자 bongchu@dt.co.kr
