김 기 재_ 서울과학기술대학교 에너지환경대학원 신에너지공학과 교수

1. 서론

2015년 12월 12일, 196개국 대표가 모인 가운데 ‘파리 기후 협정’이 극적으로 채택되면서 교토 의정서 체제는 막을 내리고 신 기후체제가 출범하였다. 이전의 기후변화 협약인 교토의정서는 온실가스가 기후 체계에 위험한 영향을 미치지 않을 수준으로 대기 중 농도를 안정화 시키는 것이 목표였으나 위험한 수준이 어느 정도인지에 대한 언급은 없었다. 하지만 파리 기후 협정에서는 지구의 평균 온도가 2℃보다 훨씬 아내로 유지하여야 한다는 온실 가스 배출량을 줄이자는 구체적인 목표가 제시되었다. 따라서 파리 기후 협약의 타결로 세계는 화석연료 0%, 신재생에너지 100% 시대로 진입하게 되었다 [1].
하지만 신재생에너지는 자연에서 발생하는 에너지원(태양, 바람 등)을 원천으로 사용하기 때문에 환경에 따라 출력 변동이 심하며 이로 인해 발전량 조절이 용이하지 않다. 따라서 신재생에너지의 안정적 활용을 위해서는 신재생 에너지의 변동성을 관리 할 수 있는 대안이 필요하며 이를 위해 에너지저장 시스템(ESS)에 대한 필요성이 대두되고 있다. ESS는 생산된 전력을 발전소, 변전소 및 송전선 등을 포함한 각각의 연계 시스템에 저장한 후, 전력이 필요한 시기에 선택적-효율적 사용을 통해 에너지 효율을 극대화 시키는 시스템으로 야간에 유휴 전력을 저장하고 전력소모가 심한 주간에 저장된 전력을 사용함으로써 전력의 효율적 사용이 가능하도록 만든 장치로 정의할 수 있으며 최근 이차전지를 이용한 ESS 연구가 활발히 진행되고 있다 [2-4].
ESS에 적용할 수 있는 이차전지 종류는 매우 다양하지만 그 중에서도 용량 및 출력 설계가 용이하고 전극과 전해질이 분리되어 안전한 레독스 플로우 이차전지(RFB)가 최근 ESS용 이차전지로 많은 관심을 받고 있다 [2-4].
RFB란 reduction(환원), oxidation(산화), flow(흐름)의 단어를 합성한 것으로 작동원리는 산화수가 다양하게 변할 수 있는 전이 금속을 용매에 녹여 전해질을 만든 후 탱크에 저장 한 후 펌프를 이용하여 양극 및 음극 전해질을 전극에 공급하게 되면 전극 표면에서 전해질에 녹아 있는 금속 이온의 산화·환원 반응이 발생하면서 에너지를 저장하는 방식이다(그림 1). 양극 전해질과 음극전해질을 구성하고 있는 레독스 커플의 표준 전극 전위 차이로 기전력이 결정되는 레독스 플로우 이차전지는 1973년 미국 NASA(National Aeronautics and Space Administration)의 LRC(Lewis Research Centre)에서 Fe/Cr[5] RFB를 개발한 것을 시작으로 V/V[6-7], Zn/Br[8], Zn/Ce[9], V/Br[10], V/Fe[11] 등 수계에서 구동 될 수 있는 수많은 종류의 RFB가 개발되었으며 현재도 다양한 종류의 RFB가 개발되고 있다.
RFB의 구성은 그림1 에서 보는 바와 같이 다양한 구성품의 유기적인 결합으로 이루어져 있으며 이중에서도 전극, 이온 교환막, 바이폴라 플레이트 및 전해질은 RFB를 구성하는 주요 부품으로 알려져 있다. 특히 전극은 전해질에 녹아 있는 금속 이온의 산화·환원 반응이 발생하는 가장 중요한 핵심 부품으로 활성화 분극 및 농도 분극이 전극에서 발생하기 때문에 RFB의 에너지 효율과 매우 밀접한 관련이 있다 [12]. 또한, 상기 언급한 분극 현상은 RFB의 출력 특성에도 큰 영향을 미치기 때문에 적절한 전극 소재 선택 및 전극 구조 설계 등을 통해 전극에서 발생하는 분극을 감소시키면 RFB의 스택 슬림화 및 제조비용 감소가 가능해 진다 [13-14]. 종합해 보면 전극 소재 선택, 구조 설계, 표면 특성 연구 등 RFB 전극 관련 연구를 체계적으로 이해하는 것은 고출력 및 고효율 RFB의 기술 개발뿐만 아니라 상업화를 위한 중요 요소라고 말 할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 다양한 RFB 중 가장 상용화에 근접화 되어 있는 전바나듐계 레독스 플로우 이차전지(VRFB) 전극 기술 개발 동향을 중점적으로 다루고자 한다.

자세한 내용은 본지 10월호에서 확인하실 수 있습니다.