울산과학기술원(UNIST)은 에너지화학공학과 이현욱 교수팀과 한국과학기술원(KAIST) 서동화 교수팀이 성능이 크게 개선된 새로운 '레독스 흐름 전지'를 개발했다고 22일 밝혔다.

연구팀에 따르면 레독스 흐름 전지는 배터리 양극재와 음극재에서 에너지를 만들어내는 활물질을 통해 산화-환원 반응이 일어나면서 에너지를 저장하는 시스템이다.

리튬 이온 배터리보다 폭발 위험이 낮아 안전한 배터리로 주목받고 있다.

그러나 레독스 흐름 전지는 핵심 소재인 바나듐이 특정 국가에 매장량이 한정돼 있어 가격 변동성이 크다.

또 낮은 작동 전압과 느린 산화-환원 반응 속도로 배터리 성능 향상에는 한계성을 보였다.

이에 연구팀은 산화-환원하는 물질에 안정한 리간드를 붙여 성능을 크게 개선하는 데 성공했다.

연구팀은 철, 크롬, 망간 등 전이금속 이온에 사이아나이드 리간드가 여섯 개 붙어 있는 팔면체 모양의 '헥사시아노메탈레이트'를 활용했다.

연구팀은 헥사시아노메탈레이트로 철-크롬, 철-망간 등 두 가지 종류의 레독스 흐름 전지를 구동했다.

철-크롬 레독스 흐름 전지는 500번 이상 반복 충·방전 실험에서 99% 이상의 높은 쿨롱 효율(배터리 성능을 예측하는 단일 지표)을 유지하고, 1.5V 이상의 높은 전압을 달성해 기존보다 1.3배 이상 높은 에너지 밀도를 보였다.

헥사시아노메탈레이트의 한 종류인 헥사시아노망가네이트가 음극 전해액으로 사용된 철-망간 레독스 흐름 전지는 산화-환원 반응을 두 번 일으키는 '2전자 반응'이 가능해 동일 농도 대비 에너지 밀도를 2배 향상할 수 있는 것으로 나타났다.

철-크롬, 철-망간 레독스 흐름 전지는 기존 바나듐에 비해 값이 싸고 원소가 풍부한 점도 장점이다.

제1저자인 UNIST 장지은 석·박사통합과정 연구원은 "이번 연구는 지금까지 보고된 크롬 계열 신물질을 이용한 레독스 흐름 전지 중 가장 우수한 성능을 나타냈다"며 "빠른 산화-환원 반응과 2전자 반응이 가능한 물질을 제안함으로써 레독스 흐름 전지의 시스템 다양성 확보에 기여할 것"이라고 말했다.

연구 결과는 에너지 분야 국제 학술지인 '어드밴스드 에너지 머티리얼스'(Advanced Energy Materials)와 'ACS 에너지 레터스'(ACS Energy Letters)에 각각 7월 7일과 8월 8일 온라인으로 게재됐다.

연구는 UNIST, 과학기술정보통신부 한국연구재단 개인연구사업, 한국에너지기술평가원 에너지인력양성사업의 지원을 받아 이뤄졌다.