정부의 ‘재생에너지 3020’과, ‘그린뉴딜’ 정책에 따라 풍력, 태양광 등 재생에너지가 발전시장에서 차지하는 비중이 커지고 있다. 이에 따라 출력의 안정화와 발전 효율 제고 측면에서 ESS의 중요성은 커지고 있으며, 재생에너지로의 전환에 있어 중요한 연결고리 구실을 할 핵심 인프라로 주목받고 있다.

한국에너지기술연구원(원장 김종남) 에너지소재연구실 이신근 박사 연구진은 KAIST, 연세대학교, ㈜이에스와 공동으로 차세대 에너지저장장치(ESS)로 주목받는 바나듐 레독스 흐름전지의 핵심 소재인 바나듐 전해액 대량생산이 가능한 촉매반응 시스템 개발에 성공했다.

에너지저장장치(Energy Storage System, ESS)는 생산된 전기를 ‘전력 계통(Grid Energy Storage)’에 저장했다가 전기가 가장 필요한 시기에 공급해 에너지 효율을 높이는 시스템이다. 또한, 바나듐(Vanadium)은 화학 원소로 기호는 V이고 원자 번호는 23. 단단하고 연성과 전성이 뛰어난 전이 금속으로, 철 합금 광물로 다양한 산업군에서 사용되고 있으며, 최근에는 바나듐 기반의 배터리인 레독스 흐름전지용으로 주목받고 있는 소재이다.

현재 가장 널리 이용되는 ESS기술은 리튬이온전지로, 리튬기반 대용량 에너지저장장치는 저장 용량이 높지만, 발화사고가 빈번하게 발생한다. 이를 극복하기 위해 물 성분의 수계 전해질을 이용하는 레독스 흐름전지에 대한 관심이 커지고 있으며, 바나듐 레독스 흐름전지가 대표적이다.

바나듐 레독스 흐름전지는 양극과 음극에 사용되는 바나듐 전해액의 산화, 환원 반응으로 충전과 방전이 되는 에너지저장장치다. 리튬이온전지와 비교해 인체유해성, 인화성, 화학반응성의 위험도가 낮아 안정하며, 수명이 20년 이상으로 길고 용량 설계가 유연해 재생에너지 발전 분야와의 연계가 쉽지만 리튬이온전지 대비 높은 가격은 시장 확대에 걸림돌이 되고 있다.

이에 연구진은 고순도 바나듐 전해액을 대량으로 생산하기 위해 V2O5 혹은 VOSO4 전구체로부터 촉매 반응기를 이용하여 V3.5+ 전해액을 40L/h (1000L/day)의 생산속도로 연속적으로 제조하는 기술을 개발했다. 본 기술은 기존 멀티 스텝 전해액 제조공정 (electrolysis 및 금속환원법)과는 달리, 잉여 5가 전해액 및 환원제 잔여물을 남기지 않는 연속 전해액 제조의 혁신 기술이다. 본 기술을 이용하여 제조된 3.5가 바나듐 전해액에 대해 상용 바나듐 전해액을 능가하는 전기화학적 성능을 구현하여 상용 바나듐 레독스 전지에 적용 가능하며 이를 기반으로 경제적/고성능의 바나듐 전해액의 공급이 가능하다.

국내 ESS용 전해액은 수입에 의존하고 있으므로 국내 판매량은 수입 대체로 직결된다. 따라서 국내의 독자적인 전해액 제조기술 확보와 더불어 가격 및 성능이 우수한 전해액을 공급할 수 있으므로 국내 ESS사업 시장에서의 시장 창출 및 기존 ESS시장에서의 점유율을 확보할 수 있을 것으로 예상한다. 또한, 전해질 제조 공장인력 및 지속적 R&D를 위한 연구인력 확충을 통해 고용 창출에 기여하며 국내 에너지 정책에 부합하는 재생에너지의 확산에 이바지함으로써 기후변화 대응의 공공적 가치를 높일 수 있다.

연구진은 향후 확보된 대용량 바나듐 전해액 제조기술을 기반으로 국내 ESS시장에 진출할 예정이다. 우선 해당 기술을 기업에 이전해 전해액 가격 비용을 최소화하는 것을 최우선 목표로 하며, 기존 리튬이온배터리로 구성된 ESS시장에서 바나듐 레독스 흐름전지의 비중을 높여 대용량의 안정적인 에너지 그리드를 확보하는데 주력할 예정이다.

박소연 기자 다른기사 보기