울산과학기술원(UNIST)은 전극 표면에 비스무트(Bi)를 코팅해 철-크롬 레독스 흐름전지의 성능을 크게 향상시키는 기술을 개발했다고 2일 밝혔다.

이현욱 교수 연구팀은 이 방식으로 크롬의 반응 속도를 10배 이상 높이고 기생 부반응을 억제해 배터리 에너지 효율을 끌어올렸다. 폭발 위험이 없고 저렴한 차세대 대용량 에너지 저장 장치(ESS)인 철-크롬 레독스 흐름전지의 상용화 가능성이 한층 높아졌다는 평가다.

철-크롬 레독스 흐름전지는 전기 저장 물질인 철과 크롬이 녹아 있는 수용액을 별도 탱크에 보관했다가 필요할 때 전극으로 흘려보내는 방식의 차세대 배터리다. 휘발성 전해질 대신 물을 사용해 폭발 위험이 낮고, 철과 크롬은 값싸고 매장량도 풍부해 다른 금속 기반 레독스 흐름전지보다 원가 경쟁력이 뛰어나다.

그러나 크롬의 낮은 반응성, 부반응이 문제였다. 크롬 반응이 낮아 더 높은 전압으로 배터리를 충전해야 했고, 수소 생산 부반응은 충전 시 저장돼야 할 전자를 소모시켰다. 충전으로 저장한 에너지 중 실제로 꺼내 쓸 수 있는 에너지 비율이 충·방전을 거듭하며 낮아지는 문제가 있었다.

연구팀은 전극에 비스무트를 코팅하는 방식으로 두 문제를 동시에 해결했다. 비스무트가 크롬의 산화·환원 반응은 빠르게 만들면서 수소 발생 반응은 오히려 억제하는 '선택적 반응 조절자' 역할을 한 덕분이다.

실험 결과, 비스무트 코팅을 적용한 전지는 500회 이상의 충·방전 실험에서도 에너지 효율을 평균 75.22% 수준으로 유지했다.

일반적인 철-크롬 레독스 흐름전지는 수백회 충·방전 전 에너지 효율이 40%대로 떨어지는 경우가 많다. 크롬의 반응 속도 상수도 기존 전극보다 약 10배 증가했으며 수소 발생 부반응이 크게 줄어 쿨롱 효율도 99.29%에 달했다.

연구팀은 선택적 반응 조절자 역할을 할 수 있는 후보 금속군인 비스무트, 인듐(In), 주석(Sn)을 먼저 선별한 뒤 실제 전극에 코팅해 비교 분석했다. 이 가운데 비스무트가 반응 속도 개선과 부반응 억제 측면에서 가장 균형 잡힌 성능을 보였다.

이현욱 교수는 "철-크롬 흐름전지의 상용화를 가로막던 낮은 반응성과 부반응 문제를 전극 코팅이라는 간단한 공정으로 해결할 수 있음을 입증했다"며 "데이터 센터 등 급증하는 전력 수요에 대응할 수 있는 저비용·고효율 대용량 ESS 구축에 기여할 것"이라고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 나노·미래소재원천기술 개발사업, 개인 연구 사업, 국가과학기술 연구회 글로벌 TOP 전략연구단 지원 사업으로 수행됐다. 연구 결과는 국제 학술지 '저널 오브 머터리얼즈 케미스트리 에이(Journal of Materials Chemistry A)'에 지난달 7일 온라인 게재됐다.