▲ 바나듐레독스-흐름전지의 사이클 용량 특성

국내 연구진이 산화그래핀 골격체 분리막 개발을 통해 바나듐레독스-흐름전지의 수명을 대폭 늘렸다.

KAIST는 정희태, 김희탁 생명화학공학과 교수 공동 연구팀(차세대배터리센터)이 용량 유지율 15배, 수명을 5배 향상시킨 바나듐레독스-흐름전지를 개발했다고 7일 밝혔다.

바나듐레독스-흐름전지는 폭발 위험이 없는 이차전지로 대용량화에 적합해 기존 에너지 저장장치를 대체할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 하지만 과불소계 분리막의 활물질 투과도가 높아 충․방전 효율과 용량 유지율이 매우 낮은 한계가 있다.

낮은 활물질 투과도를 가진 탄화수소계 분리막을 적용하는 시도가 있었지만 활물질인 바나듐5의 열화 현상으로 전지 수명이 급감하는 문제가 있었다. 따라서 활물질인 바나듐 이온 보다 작으면서 전하 운반체인 수소 이온보다는 큰 기공 크기를 가지는 분리막 개발이 필요한 실정이었다.

이에 공동연구팀은 산화그래핀 간의 가교 반응을 통해 바나듐레독스-흐름전지에 적합한 기공 크기를 갖는 산화그래핀 골격체 분리막을 구현하는 데 성공했다.

가교에 의해 수화 팽창(습기나 물을 흡수해 팽창하는 현상)이 제한된 산화그래핀 간 층간 간격을 선택적 이온의 투과를 위한 기공으로 활용하는 원리이다.

이 산화그래핀 골격체는 기공 크기를 통한 분리 성능이 뛰어나 매우 높은 수소 이온-바나듐 이온 선택성을 갖는다.

연구팀의 분리막은 바나듐레독스-흐름전지의 용량 유지율을 기존 과불소계 분리막의 15배, 충․방전 사이클 수명 또한 기존 탄화수소계 분리막에 비해 5배 이상 향상시켰다.

연구팀의 산화그래핀 골격체를 통한 기공 크기 조절 기술은 다양한 크기의 이온을 활용하는 이차전지, 센서 등의 전기화학적 시스템에 적용 가능할 것으로 보인다.

김희탁 교수는 “레독스 흐름전지 분야의 고질적인 문제인 활물질의 분리막을 통한 크로스오버 및 이에 따른 분리막 열화문제를 나노기술을 통해 해결할 수 있음을 보여줬다”며 “바나듐레독스-흐름전지 뿐만 아니라 다양한 대용량 에너지 저장장치용 이차전지에 적용될 수 있을 것”이라고 말했다.

또한, 이번 연구는 한국화학연구원 주요사업, 에너지기술평가원과 기후변화연구허브사업의 지원을 통해 수행됐다. 김수현, 최정훈 박사과정이 공동 1저자로 참여했으며 국제 학술지 ‘나노 레터스(Nano letters)’ 5월3일자 온라인 판에 게재됐다.