| 초록 |
1.분석자 서문 레독스흐름전지(redox flow batteries, RFBs)는 중대형 규모의 에너지 저장장치, 특히 전력망(grid) 적합한 후보 기술로 각광받고 있다. 재생에너지원을 통해 생산되는 전력의 불연속성으로 인해 다목적 에너지 저장 기술에 대한 필요성이 지속적으로 증가하고 있다. 에너지 저장 기술 개발 및 활발한 시장 적용의 가장 큰 걸림돌은 전해질의 활성물질(active species)로서 값비싼 금속을 사용한다는 점이다. 수계 또는 비수계 전해액의 유기산화-환원쌍(redox couples)을 적용함으로써 장기적으로 전체 비용을 절감할 수 있다. 이와 같은 산화환원쌍은 비교적 저렴하고 풍부할 뿐만 아니라, 이들의 화학구조를 변경하여 성능을 향상시킬 수도 있다. 최근 유기계 레독스흐름전지 분야에 중요한 발전이 이루어졌으며, 이것은 새롭게 소개된 수용성이 높은 유기물 그룹을 통해 전통적인 금속 기반의 시스템과 대등한 수준의 셀 전압과 충전 용량을 제공할 수 있다는 연구 결과이다. 본 분석물에서는 화학 및 재료 관점을 기반으로 유기계 레독스흐름전지의 근본적인 개발 내용과 분석 방법을 논의하고 있다. 또한 최근 소개된 기술과 개발의 문제점, 그리고 향후 연구 방향 등에 대한 내용을 포함하고 있다.[1] 2. 목차 1. 개요 2. 유기 레독스흐름전지 2.1. 유기 금속계(organometallic) 물질 및 유기 리간드 합성물 3. 수계 전해액 적용 유기 산화-환원쌍 3.1. 전-유기계(all-organic) 레독스흐름전지 3.2. 유기-무기 레독스흐름전지 4. 비수계 전해액 적용 유기 산화-환원쌍 4.1. 전-유기계(All-organic) 레독스흐름전지 4.2. 고분자 유기 흐름전지 4.3. 리튬-유기 혼합 흐름전지 5. 분석자 결론 본 분석물은 레독스흐름전지 기술에 대한 전반적인 내용을 다루고 있으며, 특히 전통적인 시스템을 활용한 기존 연구 결과뿐만 아니라 최근 새롭게 고안되고 있는 유기계 산화환원쌍을 적용한 수계/비수계 전해액에 대한 연구 결과를 포함하고 있다. 레독스흐름전지에 적용하는 활성물질에 대한 작은 당량 중량, 빠른 화학반응, 그리고 화학적 안정성 등에 대한 요구가 커지면서 다양한 물질을 도입하였으며, 원하는 특성을 얻기 위해 고분자화, 작용기 치환 등을 통해 분자구조를 제어하는 연구가 활발히 진행되었다. 또한 수계 시스템에서 유기계 물질의 농도가 비교적 낮은 특성을 개선하고 비수계 시스템에서 분리막과 전해액의 저항에서 기인한 낮은 이온전도성을 향상시키는 방안에 대한 논의를 포함하고 있다. 수계/비수계 시스템에 적용하는 전해액은 공통적으로 장기 운전에 대한 내구성을 확보하기 위하여 활성물질에 대한 화학적 안정성과 라디칼을 포함한 물질의 특성이 개선될 필요가 있다. 활성물질의 오염되거나 분해됨에 따라 전해액의 저장 용량이 떨어지고, 결과적으로 연료 사용에 대한 효율이 낮아지게 된다. 따라서 활성물질의 분해 메커니즘을 이해하는 연구가 필수적으로 선행되어야 할 것이다. 이와 더불어 셀의 구조적 최적화 및 용해도를 증대시키기 위한 연구를 통해 시스템 전체의 성능 및 효율을 향상시킬 수 있다. 그리고 분리막과 이와 접촉하고 있는 전극 간의 계면 특성을 이해하고 최적화하여 활성물질의 투과 및 물질 전달 저항을 최소화하는 것이 충전 용량 유지 및 성능 향상에 큰 도움이 될 것으로 예상된다. 유기 레독스흐름전지 상용화의 제약이 되는 요소들은 다음과 같다. (1) 물질의 선택 (2) 안전/친환경성에 대한 이슈 (3) 비용, 저장, 이동 측면의 전해액 및 산화환원쌍 선택 (4) 기존 개발된 레독스흐름전지(수계 전해액 및 무기 산화환원쌍) 대비 성능 우위 (5) 전극 면적, 전류밀도, 전해액 부피 등과 같은 조건에 대한 기존 데이터의 부족 향후 유기 레독스흐름전지 관련 연구/개발 활동을 상기 언급한 제약들을 해결하는 방향으로 진행하는 것이 바람직할 것으로 판단된다. 국내 산업계와 학계에서 레독스흐름전지 관련 기술 개발에 참여하고 있으나, 북미 소재 연구기관 대비 관심도 및 기술 성숙도가 저조한 편이다. 국내 기업 중, 롯데케미칼은 분석물 본문에 언급되었던 아연-브롬 레독스 흐름 전지 상용화 연구에 힘쓰고 있으며 해당 기술을 건설 및 유통 관련 계열사(마트, 백화점, 호텔, 건설 등)들을 통해 적용/운영할 수 있는 방향으로 추진하고 있다. 태양광 발전 관련 전문 업체인 OCI는 레독스흐름전지 개발을 통해 북미 지역 및 호주에 적합한 태양광 발전 지역과 연계하여 간헐적인 전력 공급 및 운영 이슈를 해결하고자 한다. 그 외 LG화학, 삼성SDI 등 전지 사업을 보유하고 있는 기업체 연구소에서도 선행 관점에서 레독스흐름전지에 대한 연구를 진행하지만, 상용화 관련 가시적인 성과는 미미한 것으로 보인다. 학계의 경우 레독스흐름전지 관련 수행과제의 규모가 최근 증가하고 있는 추세이며, 수계 시스템은 직접메탄올 연료전지(direct methanol fuel cells)와 유사한 점이 많기에, 관련 연구 경험자들이 비교적 용이하게 연구/개발을 진행하고 있는 것으로 보인다. 국내의 유기 레독스흐름전지에 대한 연구 관심도는 비교적 낮은 편이지만, 기반 기술 확보 차원에서 전해액 및 활성물질에 대한 기본적인 물성 및 최적화 관련 연구를 지속적으로 진행해야할 필요가 있으며, 장기적 과제로 추진되어야 할 것이다. References 1. P. Leung et al., Recent developments in organic redox flow batteries: A critical review, J. Power Sources, 360 (2017) 243-283. 2. R. Dmello et al., Cost-driven materials selection criteria for redox flow battery electrolytes, J. Power Sources, 330 (2016) 261-272. 3. X. Wei et al., Towards high-performance nonaqueous redox flow electrolyte via ionic modification of active species, Adv. Energy Mater. 5 (2015) 1400678. 4. Y. Ding et al., A high-performance allmetallocene-based non-aqueous redox flow battery, Energy Environ. Sci. 10 (2017) 491-497. 5. Q. Huang et al., New-generation, high-energy-density redox flow batteries, ChemPlusChem, 80 (2015) 312-322. 6. K.X. Lin et al., Alkaline quinone flow battery, Science 349 (2015) 1529-1532. 7. B. Yang et al., An inexpensive aqueous flow battery for large-scale electrical energy storage based on water-soluble organic redox couples, J. Electrochem. Soc., 161 (2014) A1371-A1380. 8. J.D. Milshtein et al., Voltammetry study of quin-oxaline in aqueous electrolyte, Electrochim. Acta, 180 (2015) 695-704. 9. T. Janoschka et al., An aqueous, polymer-based redox-flow battery using non-corrosive, safe, and low-cost materials, Nature 527 (2015) 78-81. 10. T. Liu et al., A total organic aqueous redox flow battery employing a low cost and sustainable methyl viologen anolyte and 4-HO-TEMPO catholyte, Adv. Energy. Mater. 6 (2016) 1501449-1501456. ※ 이 자료의 분석은 현대자동차의 윤석환님께서 수고해주셨습니다 |
