특정 질소 관능기 부착 전극 촉매 소재 합성 모식도

순천향대는 에너지시스템학과 안욱 교수가 고효율 전극 기술을 개발했다고 9일 밝혔다.

현재 배터리 시장에서 널리 사용되는 ESS(Energy Storage System)기술은 리튬 기반 대용량에너지 저장장치로 저장용량이 크지만 높은 인화성과 낮은 수명이 문제다.

이러한 문제를 해결하기 위해 수계전해질을 이용하는 차세대 에너지 저장장치인 바나듐 레독스 흐름 전지에 관한 관심이 매우 높다.

바나듐 레독스 흐름 전지는 리튬이온전지와 비교해 인체 유해성, 인화성, 화학 반응성의 위험도가 낮아 안정적이며, 전지 수명이 20년 이상으로 긴 장점이 있다.

또 에너지를 직접적으로 저장하는 전해질 탱크 용량의 유연한 설계가 가능해 전지 용량의 한계가 없어 대용량에너지 저장장치에 유용하다는 장점이 있다.

그러나 현재 바나듐 레독스 흐름 전지의 상용화를 위해서는 고용량, 고출력의 전지 특성에 필수적인 높은 활성도를 갖는 전극 소재의 개발이 필요하며, 많은 연구자가 고효율의 전극 촉매 소재 개발 연구에 노력하고 있다.

이런 문제를 해결하기 위해 안욱 교수 연구팀은 한국생산기술연구원 임성남 책임연구원, 부산대학교 강준희 교수 연구팀과 함께 특정 질소 관능기(피리도닉 질소; Pyridonic Nitrogen)가 전해질에 녹아있는 바나듐의 산화/환원(V2+/V3+)에 높은 활성도를 나타내는 가설을 토대로 흑연에 특정 관능기를 부착하는 기술을 개발해 전지에 적용한 결과 고출력, 장수명의 전지 특성을 나타낸다는 것을 확인했다.

또 범밀도함수이론(DFT: Density Functional Theory)를 이용한 화학 계산식을 통해 특정 질소 관능기가 높은 반응성을 나타낸다는 것도 입증했다.

이번 연구 결과는 그 우수성을 인정받아 ‘바나듐 레독스 흐름 전지용 특정 질소 관능기 부착 전기화학 금속 촉매 음극 기술 개발(Superior electrocatalytic negative electrode with tailored nitrogen functional group for vanadium redox flow battery)’이라는 제목으로 해당 분야 최고의 국제학술지인 Journal of Energy Chemistry (IF: 13.599, CHEMISTRY, APPLIED 분야 상위 0.68%, 2021 JCR 기준) 11월호에 게재됐다.

안욱 교수는 “현재의 리튬이온전지를 넘어서는 용량 구현과 시장 확대를 목표로 저렴하면서도 제조성이 우수한 전극 소재를 개발하고자 많은 연구자가 노력하고 있다”고 전했다.

그는 이어 “연구를 통해 개발된 전극 촉매 소재는 제조가 비교적 간단하고 고효율의 전극을 제조할 수 있어 바나듐 레독스 흐름 전지에 적용한다면 리튬이온전지와 가격경쟁력이 준수한 수준으로 상용화할 수 있을 것”이라고 말했다.