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흐름전지
흐름전지(Redox Flow Battery)는 리튬이온전지와 마찬가지로 전기에너지를 화학 에너지의 형태로 바꿔 저장하는 2차전지이다. 에너지가 저장되는 전해질이 배터리 내 저장탱크에 보관되고, 전기 출력을 담당하는 스택(stack)으로 이동, 순환하며 산화환원 반응이 일어나, 이 과정에서 전기에너지가 화학에너지로 변환되며 충전과 방전을 한다. 이 때, 두 개의 저장탱크에 전해질이 나눠 저장되는데 각각의 전해질에는 서로 다른 금속 이온이 녹아있다.
흐름전지의 전해질에는 아연, 브롬, 바나듐 등 종류는 다양하지만,산화수가 서로 다른 두 바나듐 이온을 이용한 VRFB가 대표적이다.
개발 역사[편집]
- 레독스 플로우 전지(Redox Flow Battery)는 1973년 미국 NASA(National Aeronautics and Space Administration)의 LRC(Lewis Research Centre)에서 Fe, Cr, Ti redox couple을 이용하여 레독스 플로우 이차전지를 개발한 것을 시작으로 한다.
- 80년대까지는 V/V, V/Br, Zn/Br 등 수계에서 구동 될 수 있는 수많은 레독스 커플 개발이 진행되었으나 1990년대부터 2000년대 까지는 Zn/Ce과 같이 레독스 플로우 이차전지의 가장 큰 단점인 낮은 에너지 밀도를 극복하기 위한 고전압계 레독스 커플 개발이 주를 이루게 되었다.
- 2000년대 이후에는 수계 전해액이 아닌 비수계 전해액에서 구동될 수 있는 고전압계 레독스 커플 개발이 진행이 주를 이루게 되었다.
구성[편집]
오른쪽 그림은 레독스 플로우 이차전지를 개략적으로 나타낸 그림으로 그림에서 보는 바와 같이 레독스 플로우 이차전지는 다양한 부품으로 구성되어 있는 것을 확인 할 수 있다.
- 활성물질이 저장되어 있는 탱크, 전해액을 셀로 공급해 주는 펌프와 전해액이 이동하는 배관, 활성물질이 녹아 있는 전해액, 전해액에 녹아 있는 활물질의 산화·환원 반응이 발생하는 전극, 전해액의 원활한 흐름과 전자가 이동하는 통로역할을 수행하는 바이폴라 플레이트와 집전체, 양극과 음극을 물리적으로 분리시키며 양이온 또는 음이온의 이온 전도성이 있는 이온 교환막 그리고 마지막으로 셀의 형태를 유지시켜 주는 프레임으로 구성되어 있다.
상기 살펴 본 바와 같이 레독스 플로우 이차전지는 다양한 구성품의 유기적인 결합을 통해 구동되며 이러한 많은 구성 요소 중 레독스 플로우 이차전지의 성능을 좌우하는 주요소로는 레독스 커플, 전극, 바이폴라 플레이트 및 이온교환막을 꼽을 수 있다.
원리 및 특성[편집]
레독스 플로우 이차전지의 반응 원리는 양극 및 음극 전해액내에 전이금속이나 Lanthan계, Actinide계와 같은 활성물질을 녹여서 양/음극 전해액을 제조하여 탱크에 저장 한 후 펌프를 이용하여 전극에 공급하게 되면 전극 표면에서 전해액 내의 활성 물질의 산화·환원 반응을 이용하여 에너지를 저장한다.
- 레독스 플로우 이차전지의 기전력은 양극전해액과 음극전해액을 구성하고 있는 레독스 커플의 표준전극전위 차이로 결정된다.
- 레독스 플로우 이차전지 중 수계 전해액을 사용하는 경우에는 물분해 전위영역에 한정되기 때문에 2.0V 이하의 작동범위를 보이나 비수계 전해질을 사용한 레독스 플로우 이차전지의 경우에는 물 분해 전위 영역이 존재하지 않기 때문에 2.0V 이상에서도 작동이 가능하게 된다.
- 레독스 플로우 이차전지의 특징을 살펴보면 스택과 전해액이 분리되어 있기 때문에 다른 이차전지와는 다르게 용량 및 출력의 변화가 매우 용이하다.
- 레독스 플로우 이차전지의 용량은 탱크에 저장되는 전해액의 양 또는 전해액내에 녹아 있는 활성물질의 농도에 의해 결정되기 때문에 용량 설계가 매우 용이하다는 장점을 가지고 있다.
- 또한 레독스 플로우 이차전지의 출력은 적용되는 전지 스택 수에 의해 결정되기 때문에 출력 변동 또한 용이하다는 장점을 가지고 있다.
- 또 다른 특징으로는 전지 스택과 전해액을 저장하는 탱크가 분리되기 때문에 공간 활용이 매우 자유롭다는 장점을 가지고 있으며 전해액이 전지에 공급되어 전해액 자체가 충방전 되는 시스템이기 때문에 각 전지 셀의 충전 상태는 동일하며 이로 인해 스택내의 각 전지별로 전압 밸런싱 하는 작업이 불필요하다.
- 하지만 레독스 플로우 이차전지에 사용되는 전해액은 수계 전해질을 사용하기 때문에 구동전압이 물 분해 전위 영역으로 한정된다는 단점을 가지고 있으며 이로 인하여 에너지 밀도가 낮은 단점을 가지고 있다.
- 또한 멤브레인, 베어링, 펌프 등과 같은 부수기기에 대한 유지 보수를 주기적으로 해야 하는 단점을 가지고 있다.
레독스 플로우 전지와 리튬이온 배터리[편집]
레독스 플로우 전지는 리튬이온전지(LIB)에 비해 많은 장점을 갖고 있다. LIB가 짧은 싸이클 수명 등의 제약이 있지만 RFB는 열화율이 낮고, 20,000 사이클의 레독플로우의 출력은 Stack의 갯수와 크기로, 용량은 탱크에 저장되는 전해질의 양에 의해 결정되는데 스택과 탱크는 물리적으로 분리할 수도 있다. 따라서 현장여건에 따라 출력과 에너지 용량을 다양하게 설계할 수 있어 수십 MW까지 다양한 출력이 가능하다. 따라서 레독스는 MWh 단위의 대용량에서 높은 가격 경쟁력을 가진다. 방전시간도 길게 설정할 수 있어 시간 방전이 필요한 장주기 용도에서 큰 강점이 있다. 수명도 20년이상인데 통상적인 태양광과 풍력 등이 20년 사용 연한을 갖기에 중간에 교체가 필요없다.
그러나 뭐니뭐니해도 레독스의 가장 큰 강점은 안전성이다. 리튬이온배터리는 한국뿐만 아니라 2016년 1월 6일 노르웨이 리튬계 전기차 충전소에서도 큰 사고가 일어나 충전소가 전소사건이 있었다. Nas배터리를 주로 사용하는 일본에서는 2013년 일본 이바라키 현에서 큰 NaS 배터리 폭발사건이 있었다. 그러나 레독스는 수계전해질을 사용하기 때문에 화재의 위험성이 없고 중금속을 함유하고 있지 않아 인체에도 안전하다.
참고자료[편집]
- 레독스 플로우 이차전지 개요 - https://www.cheric.org/files/research/ip/p201702/p201702-101.pdf
- 한국중부발전, 〈화재 걱정 없는 ‘바나듐 레독스 흐름전지(RFB)' 〉, 《네이버 블로그》, 20121-04-06
- 김훈, 〈레독스 플로우 전지〉, 《네이버 블로그》, 2019-07-30
- 돌쇠ENG, 〈레독스 플로우 배터리〉, 《네이버 블로그》, 2021-05-02
같이 보기[편집]
