나노에너지공학과 박민준 교수 연구팀이 차세대 ESS(에너지저장장치)용 레독스* 흐름 전지 가격의 40%를 차지하는 이온교환막**을 제거한 새로운 ‘장수명 저비용 아연-망간 레독스 흐름 전지’를 개발했다.

* 레독스 흐름 전지(Redox Flow Battery): 환원(Reduction) + 산화(Oxidation) + 흐름(Flow) + 전지(Battery).

** 이온교환막: 레독스 흐름 전지의 작동을 위해 매개하는 이온(양성자/수소이온)을 선택적으로 투과하는 고분자 막.

최근 ESS 수요가 높아지고 있는 가운데, 대표적으로 사용되는 리튬 이온 전지에서 지속적으로 화재 사고가 발생해 이를 대체하거나 안전성을 높이려는 시도가 이어져 왔다. 

대안으로 레독스 흐름 전지(Redox Flow Battery)가 활발히 개발되고 있으며 용량과 출력을 별개로 설계할 수 있는 특성과 장수명 및 안전성으로 ESS에 적합한 이차전지로 주목받고 있다. 

【(왼쪽부터) 이번 연구를 수행한 박민준 교수, 강준희 교수】

레독스 흐름 전지는 화학적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 충전식 배터리의 한 종류다. 대규모 에너지 저장이 필요한 분야에서 특히 유용하다. 태양광·풍력 발전과 함께 사용해 전력 공급을 안정화하거나, 전력 피크 시간에 공급을 조절해 효율적으로 운영하고, 병원·데이터 센터 등에 장시간 전력 공급이 가능하게 해준다.

기존 리튬 이온 배터리가 고체 전극에서 반응이 일어나는 과정 중 열이 쌓여 과열·발화 가능성이 있고 충·방전을 반복하면서 전극이 손상돼 합선 위험이 있는 반면, 레독스 흐름 전지는 액체 전해질을 사용해 과열되지 않으며 폭발 위험이 없고 전해액(용액) 속에서 화학 반응이 일어나기 때문에 전극이 손상되지 않는다.

하지만 레독스 흐름 전지는 높은 가격으로 상용화가 제한적이었다. 이에, 레독스 흐름 전지 가격의 40% 이상을 차지하는 이온교환막을 제거한 ‘이온교환막 없는 레독스 흐름 전지’에 대한 선행 연구가 있어 왔지만, 대용량화를 위한 펌프 순환형 스택 구조에 대한 체계적인 연구가 부족한 실정이었다.

레독스 흐름 전지는 전해액이 들어있는 배터리다. 일반 배터리는 상자처럼 고정된 형태로 안에서만 반응이 일어나지만, 레독스 흐름 전지는 액체(전해액)가 계속 흐르면서 반응하는 구조다. 이 전해액을 잘 순환시키는 방식이 중요한데, 그 핵심 기술이 ‘펌프 순환형 스택 구조’다. 

전해액은 저장하는 큰 탱크가 따로 있어 펌프가 전해액을 전지 내부로 보내 화학 반응을 일으키면서 전기를 생산한다. 반응이 끝난 전해액은 다시 탱크로 돌아가고 재사용된다. 전해액이 계속 순환하면서 균일한 반응을 유지하고, 전해액을 바꿔주면 쉽게 새것처럼 사용 가능하다. 배터리 크기를 키우지 않아도 전해액 탱크만 키우면 용량이 늘어날 수 있어 대용량화가 가능해진다.

그러나 기존 연구에서는 이온교환막 없이는 펌프 순환 시 전해액이 섞이고, 전극이 불안정해지는 문제를 해결하지 못해 상용화가 어려웠다. 

이번 연구는 기존에 발표된 이온교환막 없는 레독스 흐름 전지에서 구현되지 않았던 펌프 순환형 스택 구조를 3D 프린터로 설계한 격막으로 구현했다.  

【멤브레인(이온교환막)이 없는 아연-망간 레독스 흐름 전지용 아미노산 첨가제의 역할】

또한, 기존에 널리 사용돼 온 바나듐계 레독스 흐름 전지에서 높은 비용을 차지했던 고가의 양이온교환막 및 바나듐 전해액의 사용을 배제하고, 대신 저비용의 아연과 망간을 사용했다. 

아연과 망간은 레독스 흐름 전지의 양극과 음극에서 핵심적으로 사용된다. 아연은 전자를 주고(음극) 망간은 전자를 받으며(양극) 전기를 만든다. 기존 바나듐보다 비용이 저렴하고 안정적이라 화재 위험이 낮다.

연구팀은 양극과 음극에 동시에 작용 가능한 친환경 다기능 아미노산 첨가제를 전해액에 적용해 양극과 음극 모두의 수명과 용량을 끌어올렸다. 

이 같은 연구 결과, 동일 용량의 아연-망간 레독스 흐름 전지 중 최고 수명인 선행 연구 대비 10배의 에너지 밀도를 기록했다. 전지 성능이 10배 높아진 것이다.

【멤브레인(이온교환막)이 없는 아연-망간 레독스 흐름 전지】

박민준 교수는 “이번 연구는 화재 위험이 없는 안전한 ESS의 보급을 위한 큰 도약이 될 것”이라며 “친환경 수계(水系) 레독스 흐름 전지 상용화에 한발 가까워질 것으로 기대한다”고 말했다.

이온교환막 없는 아연-망간 레독스 흐름 전지를 3D 프린터를 활용한 설계로 구현해 초저비용 스택을 설계하고, 친환경 아미노산 첨가제(Aspartic acid)를 사용해 전지의 수명과 용량을 대폭 향상시킨 이번 연구는 에너지 분야 상위 2.9%, IF(Impact Factor, 피인용지수) 24.4인 국제 학술지 『Advanced Energy Materials』 3월 3일자 표지논문(상단 이미지)으로 게재됐다. 

- 논문 제목: Revisiting Membrane-Free Zn-Mn Redox Flow Batteries: An Innovative Universal Aspartic Acid Additive for Superior Stability(이온교환막 없는 아연-망간 산화환원 흐름 전지 재검토: 뛰어난 안정성을 위한 혁신적인 범용 아미노산 첨가제)

- 논문 링크: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202500621?af=R 

이번 연구는 2024년도 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 우수신진연구 사업의 지원을 받아, 부산대 나노에너지공학과 박민준 교수팀과 강준희 교수팀, 국립부경대 오필건 교수 연구팀이 공동으로 진행했다.

[Abstract]

An all-aqueous membrane-free Zn–Mn redox flow battery utilizing deposition chemistry could be an excellent alternative to conventional aqueous redox flow batteries for reducing costs and improving stability. In the neutral/mildly acidic electrolyte environment of aqueous Zn–Mn redox flow batteries, the anode still suffers from issues such as zinc dendrite growth and corrosion, while the cathode struggles with poor reversibility. The same issues arise in membrane-free Zn–Mn redox flow batteries that use a combined electrolyte, where both anolyte and catholyte are combined. Therefore, it is possible to simultaneously address the issues of both the anode and cathode by using a single additive in the combined electrolyte. Here, we introduce aspartic acid as a universal additive for all-aqueous membrane-free Zn–Mn redox flow battery. In the combined electrolyte, aspartic acid bonded to the Zn anode surface, Zn2+ ions, and Mn2+ ions, resolving almost all the side reactions. Impressively, membrane-free Zn–Mn redox flow battery with aspartic acid demonstrated remarkable cycling stability of 300 cycles at an areal capacity of 10 mAh cm–2. We propose a new efficient strategy for controlling overall side reactions by the simple addition of a single additive in the integrated electrolyte with this report.

- Authors (Pusan National University): Hyeokjun Jang (Department of Nano Fusion Technology), Minjoon Park (Department of Nanoenergy Engineering)

- Title of original paper: Revisiting Membrane-Free Zn-Mn Redox Flow Batteries: An Innovative Universal Aspartic Acid Additive for Superior Stability

- Journal: Advanced Energy Materials

- Web link: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202500621?af=R 

- Contact e-mail: mjpark@pusan.ac.kr