AI 데이터센터 시대를 뒷받침할 '거대 배터리' 상용화가 한층 가까워졌다. 한국과학기술원(KAIST·총장 배충식)이 대용량 배터리 핵심 소재 생산 시간을 67% 줄이는 공정 기술을 개발했다.
KAIST는 김희탁 생명화학공학과 교수팀이 대용량 에너지저장장치(ESS) 유력 후보인 바나듐 레독스 흐름전지(VRFB) 핵심 전해질을 빠르고 안정적으로 생산하는 공정을 개발했다고 5일 밝혔다.
태양광·풍력 등 재생에너지로 생산한 전기를 대량 저장했다가 필요할 때 공급하는 대용량 ESS 중요성이 커지고 있다. 특히 VRFB는 화재 위험이 거의 없고, 전해질을 담는 탱크만 크게 만들면 저장 용량도 늘릴 수 있어 초대형 배터리로 주목받고 있다.
다만 배터리 '연료' 역할을 하는 바나듐 전해질을 최적 상태(V3.5+)로 만드는 과정이 난관이다.
기존 공정은 환원제를 이용해 바나듐 이온이 전자를 얻도록 하는 화학적 환원 반응으로 전해질을 만든 뒤, 전기를 흘려 바나듐 이온 전자 상태를 원하는 수준으로 조절하는 전기화학 환원 공정을 거쳐 최종 전해질을 생산했다. 마무리 단계인 전기화학적 환원은 시간이 오래 걸리고 비용이 많이 드는 공정으로, 대량 생산과 상용화의 가장 큰 걸림돌이었다.
연구팀은 특정 단계에서 반응 속도가 급격히 느려진다는 사실을 세계 최초로 밝혀냈다. 바나듐 전해질이 배터리 구동에 최적화된 상태(V3.5+)로 변해가는 중간 단계인 평균 산화수(바나듐 이온이 전자를 잃은 정도를 나타내는 값)가 약 +4.1인 지점이 바로 그 병목 구간이었다.
연구팀은 이 병목 구간에서 시간이 오래 걸리던 기존의 전기화학적 환원 공정 대신, 백금-탄소(Pt/C) 촉매를 이용한 촉매 환원 공정을 적용하도록 생산 공정을 설계했다. 마지막 공정만 더 효율적인 방식으로 바꾼 것이다.
그 결과 VRFB에서 전기 에너지를 저장하는 핵심 소재인 V3.5+전해질의 생산 시간이 기존보다 67% 단축됐다. 또 공정 중 남아 배터리 성능을 떨어뜨릴 수 있는 잔류 옥살산(불순물)도 함께 제거됐으며, 같은 촉매를 2500회 이상 반복 사용해도 성능 저하 없이 안정적으로 전해질을 생산할 수 있었다.
김희탁 교수는 “촉매가 전해액 환경에서 손상되지 않고 안정적으로 작동하는 조건을 과학적으로 규명해 산업 현장의 생산 병목을 해결한 만큼 대용량 에너지저장 기술의 상용화를 크게 앞당길 것으로 기대한다”고 말했다.
이번 연구는 석경화 KAIST 생명화학공학과 박사과정이 제1저자로 연구를 주도했다. 연구 결과는 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈'에 5월 7일 온라인 게재됐다. 특히 연구 중요성을 인정받아 34호 표지논문으로 선정됐다. 해당 호는 9월 초 온라인 공개될 예정이다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
