전해액 첨가제가 바나듐계 레독스 흐름전지의 열적 안정성에 미치는 영향

Abstract

최근 전력사용량의 증가와 신재생에너지(풍력, 태양광 등)의 보급 증가에 따른 전력품질 불균일의 문제를 해결해줄 수 있는 대안으로 에너지저장시스템(ESS, energy storage system)이 각광받고 있다. 다양한 에너지저장시스템 중에서도 레독스 흐름전지(RFB, redox flow battery)는 액체 전해액 속에 녹아 있는 활물질이 전극표면에서 산화/환원(redox) 반응을 일으키면서 전기에너지를 저장한다. 레독스 흐름전지는 사용하는 활물질에 따라 종류가 다양하며, 이 중에서 음극 및 양극 활물질로 바나듐을 사용하는 바나듐 레독스 흐름전지(VRFB, vanadium RFB)에 대해 연구가 활발히 진행되고 있다. 바나듐 이온은 고농도의 바나듐 및 높은 온도조건(> 40 ℃)에서 석출 현상이 발생되는데, 석출이 많이 될수록 용량 및 효율이 저하되는 문제점이 있고, 특히 5가 바나듐 이온에서 석출 현상이 많이 발생한다. 본 연구에서는 5가 바나듐 이온의 석출 문제를 해결하기 위한 방법으로 바나듐 전해액용 첨가제를 연구하였으며, 첨가제가 바나듐 전해액의 열적 안정성에 미치는 영향을 확인하였다. 특히, 고온 및 5가 바나듐 이온에서 주로 발생하는 석출 현상을 개선하기 위해 다양한 첨가제에 대해 문헌조사 및 선행 실험을 실시하였으며, 그 결과 인산염 계열의 sodium pyrophosphate dibasic (SPD) 첨가제가 석출지연 시간이 가장 우수함을 확인하였다. SPD 첨가제의 최적화를 위해 첨가제의 농도를 0 ~ 0.2 M 범위 내에서 0.05 M씩 달리하여 제조한 전해액으로 성능평가를 진행하였다. 석출지연 시간은 0.1 M SPD를 첨가한 전해액에서 최대 14일 동안 석출이 발생하지 않았고, SPD 농도가 0.2 M 이상인 전해액에서는 첨가제 효과가 감소함을 확인하였다. 또한, 지지전해질인 황산의 농도 변화에 따른 석출 경향을 분석하였다. 황산 농도는 2.0 ~ 3.2 M 범위 내에서 0.2 M씩 농도를 달리하여 실험을 진행하였으며, 황산 농도가 증가함에 따라 석출지연 시간이 증가하였다. 하지만, 황산을 고농도로 사용하면 레독스 흐름전지 시스템에서 소재가 부식될 수 있을 뿐만 아니라, 전해액의 점도가 증가하고 이에 따라 전도도가 감소할 수 있기 때문에 상업적으로 적용되고 있는 최대 농도인 3 M로 결정하였다. 최적의 첨가제 농도 및 황산 농도로 제조된 전해액(2.0 M VOSO4/3.0 M H2SO4/0.1 M SPD)을 단위 전지에 적용하여 고온에서(40 ℃) 충방전 특성을 평가하였으며, 결과로써 SPD를 첨가한 전해액이 첨가하지 않은 전해액에 비해 단위 전지에서 더 우수한 용량 및 효율을 보였다. 또한, 충방전이 끝난 후에 분해하여 전극을 관찰한 결과 SPD가 첨가된 양극 전극에서는 석출물이 현저히 줄어들었는데, 이를 통해 SPD 첨가제는 고온에서 양극 전해액의 석출 현상을 효과적으로 억제함을 알 수 있었다.