신재생에너지의 확대와 전력망의 안정적 운영을 위해 대용량 에너지저장시스템(ESS)의 도입이 필수적이며, 리튬이차전지에 비해서 바나듐 레독스 흐름전지(Vanadium Redox Flow Battery, VRFB)는 에너지 용량과 출력을 독립적으로 설계할 수 있고, 긴 수명과 우수한 안전성, 환경 친화성 등의 장점으로 차세대 ESS로 각광받고 있다. 그러나 VRFB의 핵심 부품인 분리막은 바나듐 이온의 크로스오버로 인한 효율 저하와 수명 단축이 상용화의 큰 걸림돌로 작용해 왔다.
기존에 널리 사용되는 상용성 막인 나피온(Nafion)은 높은 바나듐 이온 투과율로 인해 셀 효율과 용량이 감소하고, 고가의 가격으로 인해 대규모 ESS 적용에 경제적 한계가 있었다. 저가형 대체막의 경우에도 화학적·기계적 안정성이 부족해 수명이 짧고, 프로톤 전도도가 낮아 전력 밀도가 떨어지는 문제가 있었다.
경상국립대와 KIST유럽, 잘란트대학 공동연구팀은 이러한 한계점을 극복하기 위해 폴리벤지미다졸(Polybenzimidazole, PBI) 기반의 고분자에 이온성 액체인 EMIM-DCA를 도입한 복합막(PBI-EMIM-DCA)을 개발했다. PBI는 우수한 열적·화학적 안정성을 제공하고, EMIM-DCA는 프로톤 전도도를 높이면서도 바나듐 이온의 이동을 효과적으로 차단해 크로스오버 현상을 크게 줄였다.
개발된 복합막은 300사이클 이후에도 85% 이상의 에너지 효율을 유지했고, 화학적 분해에 대한 저항성도 크게 향상되어 장기 수명 확보에 성공했다.
이 기술개발로 VRFB의 에너지 효율과 사이클 수명이 크게 개선됐으며, 저비용·고내구성 분리막의 구현으로 ESS 시스템의 경제성도 확보할 수 있게 돼 신재생에너지의 대규모 보급과 전력망 안정화, 그리고 탄소중립 실현에 크게 기여할 것으로 기대된다.
남상용 교수는 "이번 연구는 경상국립대가 가진 고분자 합성 및 분리막 제조 기술과 독일의 연구소 및 대학이 가진 재료설계와 분석기술 그리고 흐름전지 평가의 노하우가 결합돼 얻은 성과다"라고 설명했다.
또한 남 교수는 "이번 연구는 나노신소재융합공학과 석사과정 졸업생 이동준 씨(GNU 지능형첨단소재개척인재인력양성 교육연구단)가 파견 기간 동안 주도적으로 실험을 설계하고 파견 후에도 적극적인 소통을 통해 국제공동연구의 가교역할을 성실하게 수행한 덕분에 얻은 성과다"며 "연구에 집중할 수 있도록 해 준 경상국립대의 적극적인 지원과 산업통상자원부의 해외연계 산업혁신인재성장지원사업, 교육부의 이공계 중점연구소 지원사업에 감사한다"고 말했다.
이 논문은 전자·광학 소재, 물리화학, 표면 코팅 분야의 세계적 학술지 '미국화학회 물리화학 저널 C (ACS The Journal of Physical Chemistry C)'에 '바나듐 레독스 흐름전지의 효율 및 수명 향상을 위한 고성능 PBI-EMIM-DCA 멤브레인(High-performance PBI-EMIM-DCA Membrane for Enhanced Efficiency and Longevity in Vanadium Redox Flow Batteries)'이라는 제목으로 5월 11일 발표됐다.
진주=강연만 기자 kk77@kukinews.com
