▲ 비스무트의 크롬 반응 속도 향상과 부반응 억제 효과 / 크롬 레독스 반응이 수소 발생 반응(HER)과 경쟁하는 전위 영역에서, 비스무트는 전하 전달 속도를 높이면서 HER의 시작 전위를 더 음의 방향으로 이동시켜 부반응 줄인다. 반면 주석과 인듐은 레독스 반응 속도 향상 효과는 크지 않지만, 수소 발생 반응을 억제하는 역할을 한다. 비스무트가 가장 균형 잡힌 선택적 반응 조절자 역할을 수행함을 알 수 있다.(그림 및 설명=UNIST)  © 특허뉴스

폭발 위험이 낮고 원가 경쟁력이 높은 차세대 대용량 에너지저장장치(ESS)로 주목받는 철-크롬 레독스 흐름전지의 성능 한계를 넘어서는 기술이 나왔다. UNIST 연구진이 전극에 비스무트(Bi) 코팅을 적용해 에너지 효율을 대폭 개선하며, AI 데이터센터와 같은 고전력 수요 시설에 안전하고 저렴한 전력 백업 솔루션의 상용화 가능성을 높였다는 평가다.

UNIST 에너지화학공학과 이현욱 교수팀은 철-크롬 흐름전지 전극 표면에 비스무트를 코팅하는 간단한 공정만으로 크롬의 반응 속도를 10배 이상 끌어올리고, 동시에 수소 발생 등 기생 부반응을 억제하는 데 성공했다고 밝혔다. 이 성과는 크롬 반응성을 높이면서도 부반응을 줄이는 ‘선택적 반응 조절자’로서 비스무트의 역할을 실증했다는 점에서 의미가 크다.

철-크롬 레독스 흐름전지는 철과 크롬이 녹아 있는 수용액을 별도 탱크에 저장했다가 필요할 때 전극으로 흘려보내 충·방전하는 방식의 배터리다. 휘발성 전해질 대신 물을 사용해 폭발 위험이 낮고, 철·크롬은 매장량이 풍부하고 저렴해 원가 경쟁력이 높다. 그러나 크롬의 낮은 반응성과 수소 발생 부반응으로 인해 충전 시 더 높은 전압이 필요하고, 저장된 에너지의 실사용 비율이 낮아지는 문제가 상용화의 걸림돌로 지적돼 왔다.

연구팀은 전극에 코팅된 비스무트가 크롬의 산화·환원 반응은 촉진하는 반면, 수소 발생 반응은 억제하는 이중 효과를 낸다는 사실을 확인했다. 그 결과, 비스무트 코팅 전지는 500회 이상의 충·방전 실험에서도 평균 에너지 효율 75.22%를 안정적으로 유지했다. 기존 철-크롬 흐름전지가 수백 회 내에 효율이 40%대로 떨어지는 경우가 잦았던 것과 대비된다. 크롬 반응 속도 상수는 약 10배 증가, 쿨롱 효율은 99.29%에 달해 투입 전자의 대부분이 실제 배터리 반응에 사용됐다.

연구팀은 비스무트 외에도 인듐(In), 주석(Sn) 등 후보 금속을 선별해 비교 분석했으며, 반응 속도 개선과 부반응 억제의 균형 측면에서 비스무트가 최적이라는 결론을 도출했다. 전극 코팅이라는 단순 공정으로 성능 병목을 해소했다는 점은 대량 생산과 비용 절감에도 유리하다.

이현욱 교수는 “철-크롬 흐름전지의 상용화를 가로막아 온 핵심 문제를 간단한 전극 코팅으로 해결할 수 있음을 입증했다”며 “데이터센터 등 급증하는 전력 수요에 대응할 저비용·고효율 대용량 ESS 구축에 실질적으로 기여할 것”이라고 밝혔다.

이번 연구성과는 국제학술지 Journal of Materials Chemistry A에 1월 7일 온라인 게재됐다.

논문명은 Electrocatalyst-induced kinetic modulation of anion-based redox mediators in aqueous iron-chromium redox flow batteries이다.