AI 데이터센터 ‘초대형 배터리’ 상용화 걸림돌 해결

KAIST, ESS 핵심 소재 ‘전해질’ 생산 시간 67% 단축 공정개발 반응 속도 늦어지는 병목현상 해결...2500회 이상 후 성능 유지 대용량 배터리 핵심 소재의 생산 시간을 대폭 줄이는 공정 기술이 개발됐다. 인공지능(AI)의 핵심 인프라인 AI 데이터센터 등의 대용량 에너지저장치(ESS)에 활용할 수 있을 전망이다. KAIST는 김희탁 생명화학공학과 교수 연구팀이 ESS의 유력 후보인 ‘바나듐 레독스 흐름전지’(VRFB)의 전해질을 빠르고 안정적으로 생산하는 공정을 개발했다고 5일 밝혔다. 대용량 ESS는 태양광과 풍력 등 재생에너지로 생산한 전기를 대량으로 저장한 뒤 필요할 때 안정적으로 공급한다. 이 가운데 바나듐 레독스 흐름전지는 화재 위험이 낮고 전해질을 담는 탱크를 크게 만들면 저장 용량도 쉽게 늘릴 수 있다. 이 때문에 AI 데이터센터와 재생에너지용 초대형 배터리로 주목받고 있다. 하지만 배터리 연료 역할을 하는 바나듐 전해질을 최적 상태로 만드는 과정이 오래 걸리고 비용도 많이 들어 대량 생산과 상용화에 걸림돌이 돼 왔다. 연구팀은 화학반응으로 전해질을 만드는 과정 중 반응 속도가 급격히 느려진다는 사실을 밝혀냈다. 바나듐 전해질이 배터리 구동에 최적화된 상태로 변해가는 중간 단계인 평균 산화수(바나듐 이온이 전자를 잃은 정도를 나타내는 값)가 약 +4.1 지점에서 반응 속도가 느려진 것을 확인했다. 연구팀은 기존 전기화학적 환원 공정을 백금-탄소 촉매를 이용한 촉매 환원 공정을 바꿔 생산 공정을 설계했다. 마치 정체된 도로에서 자동차가 우회도로를 찾아 병목 현상 없이 빠르게 이동하도록 한 것이다. 그 결과, 바나듐 레독스 흐름전지(VRFB)에서 전기 에너지를 저장하는 핵심 소재인 전해질 생산 시간이 기존보다 67% 단축됐다. 이 과정에서 공정 중 남아 배터리 성능을 떨어뜨릴 수 있는 잔류 옥살산(불순물)도 함께 제거됐다. 아울러 같은 촉매를 2500회 이상 반복 사용해도 성능 저하 없이 안정적으로 전해질을 생산해 실제 산업 현장에서 활용 가능성을 입증했다. 김희탁 교수는 “대용량 배터리 상용화의 가장 큰 숙제였던 전해질 생산 과정을 반응공학적으로 새롭게 설계한 성과”라며 “대용량 에너지저장 기술의 상용화를 앞당기는 기여할 것”이라고 말했다. 연구결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼스’ 표지논문으로 선정돼 9월 온라인에 공개될 예정이다.