▲ 산화그래핀 골격체를 통한 수화 바나듐 이온과 수소 이온의 선택적 이온 투과에 대한 모식도와 산화그래핀 골격체의 분자 구조

KAIST 생명화학공학과 정희태, 김희탁 교수 공동 연구팀이 용량 유지율 15배, 수명을 5배 향상시킨 바나듐레독스-흐름전지를 개발했다.

바나듐레독스-흐름전지는 바나듐 이온을 활물질로 사용하여 에너지를 저장·방출하는 이차전지로써, 높은 에너지 효율, 폭발 위험이 없는 안전성, 출력과 용량의 독립적인 설계 등의 장점으로 인해 리튬-이온 배터리를 대체할 대용량 에너지 저장장치이다.

다른 이차전지와는 달리 바나듐레독스-흐름전지는 전극이 아닌 전해질에 에너지를 저장하는 독특한 시스템 구성을 가진다. 따라서 바나듐레독스-흐름전지용 분리막은 전지의 성능을 결정하는 가장 중요한 구성요소이디.

기존의 바나듐레독스-흐름전지는 과불소계 분리막의 활물질 투과도가 높아 충․방전 효율과 용량 유지율이 매우 낮다는 한계가 있다.

이를 해결하기 위해 낮은 활물질 투과도를 갖는 탄화수소계 분리막을 적용시키고자 했지만 활물질인 바나듐5가 이온에 의해 열화 현상이 발생하고 전지 수명이 급감하는 문제가 있었다.

따라서 활물질인 바나듐 이온의 크기보다는 작으면서 전하 운반체인 수소 이온보다는 큰 기공 크기를 갖는 분리막 개발의 필요성이 커지고 있다.

공동 연구팀은 산화그래핀 간의 가교 반응을 통해 바나듐레독스-흐름전지에 적합한 기공 크기를 갖는 산화그래핀 골격체 분리막을 구현하는 데 성공했다.

산화그래핀 골격체 분리막은 층상구조의 산화그래핀 간 가교 반응을 통해 제작되었다.

기존 산화그래핀 분리막은 수화되었을 시에 물분자의 과도한 침투에 의하여 층간 간격이 매우 크게 증가하는 반면, 개발된 산화그래핀 골격체 분리막은 가교에 의하여 의한 층간 간격의 팽창이 억제된다.

이 때 산화그래핀 골격체 분리막의 층간 간격에 의해 발생하는 기공 크기는 바나듐 이온과 수소 이온의 크기의 중간값을 가지게 되고, 이를 선택적 이온 투과를 위한 기공으로 활용하였다.

가교에 의해 수화 팽창(moisture expansion, 습기나 물을 흡수해 팽창하는 현상)이 제한된 산화그래핀 간 층간 간격을 선택적 이온의 투과를 위한 기공으로 활용하는 원리이다.

이 산화그래핀 골격체는 기공 크기를 통한 분리 성능이 뛰어나 매우 높은 수소 이온-바나듐 이온 선택성을 갖는다.

연구팀의 분리막은 바나듐레독스-흐름전지의 용량 유지율을 기존 과불소계 분리막의 15배, 충․방전 사이클 수명 또한 기존 탄화수소계 분리막에 비해 5배 이상 향상시켰다.

연구팀의 산화그래핀 골격체를 통한 기공 크기 조절 기술은 다양한 크기의 이온을 활용하는 이차전지, 센서 등의 전기화학적 시스템에 적용 가능할 것으로 보인다.

김희탁 교수는 “레독스 흐름전지 분야의 고질적인 문제인 활물질의 분리막을 통한 크로스오버 및 이에 따른 분리막 열화문제를 나노기술을 통해 해결할 수 있음을 보여줬다”며 “바나듐레독스-흐름전지 뿐만 아니라 다양한 대용량 에너지 저장장치용 이차전지에 적용될 수 있을 것이다”고 말했다.

김수현, 최정훈 박사과정이 공동 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘나노 레터스(Nano letters)’ 5월 3일자 온라인 판에 게재됐다. (논문명 : Pore Size-Tuned Graphene Oxide Framework as lon-Selective and Protective Layers on Hydrocarbon Membranes for Vanadium Redox Flow Batteries)