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KAIST, '거대한 배터리' 상용화 앞당긴다
(왼쪽부터)KAIST 생명화학공학과 김희탁 교수, 생명화학공학과 박사과정 석경화(제 1저자), 생명화학공학과 박사과정 강민성 (제 2저자) /KAIST 제공
[투데이에너지 장재진 기자] KAIST 생명화학공학과 김희탁 교수 연구팀이 대용량 에너지저장장치(ESS) 핵심 소재인 바나듐 V3.5+ 전해질의 생산 시간을 기존보다 67% 단축하는 공정 기술을 개발했다.
이번 성과는 AI 데이터센터 등 대규모 전력수요를 안정적으로 뒷받침할 ‘초대형 배터리’ 상용화의 큰 걸림돌을 해소할 것으로 기대된다.
5일 KAIST에 따르면, 연구진은 전해질 생산 과정에서 속도론적 병목이 발생하는 지점을 규명했다. 기존 화학적 환원 공정이 평균 산화수 약 +4.1 부근에서 급격히 느려지는 현상을 세계 최초로 밝혀내고, 그 지점에서 전기화학적 환원 대신 백금-탄소(Pt/C) 촉매를 이용한 촉매 환원 공정으로 전환하도록 생산 공정을 재설계했다. 마치 병목 구간에서 우회도로를 이용하는 방식으로 전체 공정 효율을 높인 것이다.
공정 재설계 결과 V3.5+ 전해질 생산 시간이 기존의 약 1/3 수준으로 단축되었고, 생산 과정에서 문제로 지적되던 잔류 옥살산(전해질 불순물) 문제도 함께 해소되었다. 또한, Pt/C 촉매를 동일 조건에서 2,500회 이상 반복 사용해도 성능 저하 없이 안정적으로 전해질을 생산할 수 있음을 가속 수명 평가를 통해 확인했다. 이는 산업 현장 적용 가능성을 크게 높이는 결과로 평가된다.
연구팀은 촉매의 열화 거동(탄소 지지체 부식, 백금 입자 성장)을 열역학·속도론 관점에서 규명해 촉매가 안정적으로 작동 가능한 산화수 범위를 제시했고, 이를 공정 설계에 직접 반영했다. 이 같은 ‘촉매 안정성 기반 공정 설계’ 접근은 단순한 공정 대체를 넘어 생산성·경제성 개선의 실질적 해법으로 제시된다.
이번 연구 성과는 롯데케미칼과의 공동 연구 및 기술이전에 관한 국내 특허 등록을 마쳤고, 해외 특허도 출원 중이다.
학술적으로는 에너지 분야 권위지인 Advanced Energy Materials에 온라인 게재됐으며 표지논문으로 선정되는 등 학계의 주목을 받았다. 연구진은 이 기술이 재생에너지 연계형 대용량 ESS 및 AI 데이터센터용 초대형 배터리 보급을 앞당기는 데 기여할 것이라고 밝혔다.
■ 용어설명
바나듐 레독스 흐름전지(VRFB)=바나듐 이온의 산화수 변화로 전기를 저장·방출하는 흐름전지로, 저장 매체(전해질)를 외부 탱크에 보관·순환시켜 용량을 탱크 크기로 쉽게 확장할 수 있는 대용량 ESS 후보 기술이다.
V3.5+ 전해질=바나듐의 평균 산화수가 +3.5인 전해질로, V3+와 V4+가 1:1로 혼합된 상태의 초기 구동용 전해질이다. VRFB 초기 충·방전에 필요한 출발 전해질로 사용된다.
화학 환원(Chemical reduction)=옥살산 등 환원제를 사용해 바나듐 이온의 산화수를 화학적으로 낮추는 방식이다. 설비·장비 요구가 적지만 산화수가 낮아질수록 반응 속도가 느리고 환원제 잔류 문제가 발생할 수 있다.
전기분해(전기화학적 환원)=전기를 이용해 바나듐 이온의 전자 상태를 조절해 목표 산화수로 만드는 공정으로, 정밀 제어가 가능하지만 시간과 비용이 많이 들어 대량 생산 시 병목이 될 수 있다.
촉매 환원(Catalytic reduction, Pt/C)=백금-탄소(Pt/C) 촉매 표면에서 환원 반응을 진행시켜 화학 환원이 느려지는 구간에서도 빠른 반응 속도를 얻는 방식이다. 다만 강한 산화성 전해액 환경에서 촉매 열화를 고려한 설계가 필수이다.
Pt/C 촉매=탄소 지지체에 백금 입자를 담지한 촉매로 활성은 높지만 산화 환경에서 탄소 지지체 부식과 백금 입자 응집에 의해 성능이 저하될 수 있어, 안정성 평가가 중요하다.
평균 산화수(oxidation state)=용액 내 금속 이온(예: 바나듐)의 전자 소실 정도를 나타내는 값으로, 전해질의 전기화학적 특성과 반응 속도를 좌우한다.
잔류 옥살산(옥살산 잔류물)=화학 환원에서 사용된 환원제 잔류로 전해질 및 배터리 성능을 저하시킬 수 있는 불순물이다.
가속 수명 평가(Accelerated lifetime test)=실제보다 가혹한 조건에서 반복 시험을 수행하고 반응 속도식을 이용해 장기 내구성을 예측·평가하는 방법이다.