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2025년 12월 2일 (화) 21:26 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : VRFB의 에너지 고효율화를 위한 양극 전해질의 Redox Targeting 연구

영문 : Redox Targeting Study of Anodic Electrolyte for High Energy Efficiency of VRFB

과제 팀명

에코레독스

지도교수

이두환 교수님

개발기간

2025년 9월 ~ 2025년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 화학공학과 2020340021 심홍섭 (팀장)

서울시립대학교 화학공학과 2021340050 최진아

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

• VRFB는 리튬이온 배터리에 비해 화재 위험이 낮고, 에너지 저장과 출력의 분리 설계가 가능하다. 다만 바나듐의 높은 원가와 전지 효율의 한계가 상용화의 병목으로 작용하고 있다. 이를 극복하기 위해 전해질 내 매개체로 고체 활물질의 저장 특성을 활용하는 Targeting(RT) 기술이 필요하다.

• 본 연구는 RT 원리의 타당성을 검증하고 VRFB 적용에 적합한 후보 물질 도출을 목표로 한다. 동일 전해질에서 RT 물질의 형식전위를 정량화하여 V(IV)/V(V) 평균 전위(0.88 V vs Ag/AgCl)와의 구동력을 확인하고, RT 적용 유무에 따른 반응성을 분석한다.

• DP, BQDS를 후보로 선정하고, Cyclic Voltammetry와 UV–vis 등 전기화학적 측정을 통해 전위, 반응 속도, 화학적 RT 반응을 분석하여 VRFB용 RT 최적 후보군을 도출한다.

• RT 물질을 사용하여 바나듐 사용량이 절감되며, 이로써 원가 하락과 CE/EE 개선, rate 성능 및 수명 향상이 기대된다. 결과적으로 대규모 ESS 적용 가능성이 확대될 것으로 예상한다.

개발 과제의 배경

• VRFB는 수계 전해질을 사용하여 화재 위험이 낮고, 출력과 용량을 독립적으로 설계할 수 있어 대용량 에너지 저장에 유리하다. 그러나 바나듐 원료 비용 부담과 전극-전해질 계면 부반응에 따른 손실로 인해 상용화에 어려움을 겪고 있다. 단순히 전해질 농도나 용해도를 높이는 것만으로는 에너지 밀도 향상에 한계가 있어, 저비용으로 추가적인 전하를 저장할 수 있는 새로운 메커니즘이 요구된다.

• 이 프로젝트는 고체 활물질과 전해질이 탱크 내에서 화학적 전자 교환을 수행하는 'Redox Targeting(RT)' 개념을 VRFB에 적용한다다. 이를 위해 3 M H₂SO₄ 전해질 내에서도 안정성을 유지하며, V(IV)/V(V) 산화환원 전위(약 0.88 V vs Ag/AgCl)와 유사한 유기 분자를 RT 물질로 선정할 것이다. 이 유기 분자는 전극과 탱크 내 고체 활물질(V₂O₅) 사이에서 산화환원 매개체(Redox Mediator) 역할을 수행하여, 기존 방식의 한계를 극복하고 손실을 최소화하는 장점을 가진다. 결과적으로 안전성을 유지하면서 고체 저장체의 용량을 활용해 실효 에너지 밀도를 획기적으로 높일 수 있을 것이라 예상된다.

• RT 물질 도입 시, 고가의 바나듐 사용량을 줄일 수 있어 시스템 운영 비용이 절감된다. 또한, 반응 효율과 선택성이 높아져 CE/EE가 개선되고, 고부하 전류 운전 시에도 안정적인 Rate 특성을 확보 가능하다. 화학적 스트레스 분산 효과를 통해 배터리 수명을 연장하고 열적 안정성까지 확보함으로써, 향후 시스템 단가 절감과 고효율, 장수명을 동시에 달성하는 차세대 대규모 ESS 설계를 가능하게 만들 수 있다.

개발 과제의 목표 및 내용

<최종 목표>

VRFB의 에너지 고효율화를 위한 양극 전해질의 Redox Targeting 연구

<세부 목표>

• VRFB의 선행 논문을 분석하며 산화환원 반응의 원리를 이용한 RFB의 특징을 확인한다.

• RT 물질로 사용 가능한 유기 물질들을 파악하고 각 유기 물질의 평균 전위값을 Cyclic Voltammetry으로 확인하며 바나듐 이온과의 적합도를 확인한다.

• 3 M H₂SO₄의 VRFB의 환경을 고려하여 선정한 RT 물질들과 V₂O₅와의 반응성을 Titration, UV-vis를 통해 확인한다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

◇ 전 세계적인 기술현황

• Prussian Blue Analysis 기반 RT-VRFB (2019)

- 구성 및 개념

양극 탱크에 VOPBA를 적재하고, 셀 내부에서는 VO²⁺/VO₂⁺가 매개체로 작동해 VOPBA를 산화,환원시키는 방식이다.

- 핵심 성과

• 양극 전해질 농도 0.6M로 낮춰도 용량 유지 → 에너지밀도 손실 없이 안정성의 개선 여지 확인. • PBA 이론 채적용량 ~ 135 Ah/L (기존 VRFB 대비 3배 이상 가능성 제시) • 전해질 농도 하향으로 인한 V(V) 종의 열적 안정성 향상 및 운전 온도 창 확대

- 의의

RT-VRFB의 출발점이 된 연구로 이후 다양한 Redox mediated flow battery의 발판이 되었다.

• Lignin 기반 Vanadium Redox-mediated Flow Battery (2023)

- 아이디어 및 구성

고온 안정성 확보를 위해 바나듐 농도를 0.9M로 낮추고, 손실된 용량은 lLgnin+MWCNT 고체를 탱크에 투입하여 Redox Targeting 반응으로 보정하였다.

- 성능

• 10 ~ 45℃에서 28 Ah/L의 체적용량을 안정적으로 달성 • 저농도 전해질(0.9M)에서도 1.8M 전해액과 유사한 용량 달성 • 전지 효율 및 용량 유지율 향상 → 고온 운전 시스템으로의 확장 가능성 확보

- 의의

바이오 소재를 Redox Target 물질로 활용한 최초의 사례로 지속가능한 소재 기반의 VRFB 기술 방향을 제시하였다.

• PB/PW 기반 SMRT in RFBs (2025)

- 개념과 연구 배경

최근 레독스 타게팅 기술에서는 Prussian Blue와 Prussian White를 활용한 단일 매개체(Single Mediator Redox Targeting) 구조가 주목받고 있다. 이 시스템은 하나의 매개체, 주로 [Fc(CN)6]3-/4- 이온이 전극과 고체 활성 물질(PB/PW) 사이에서 전하를 주고받는 방식으로 작동한다. 이를 통해 전위 손실을 줄이고 반응 경로를 단순화하여, 기존의 이중 매개체 방식보다 효율적이고 안정적인 전지 구동이 가능해졌다.

- 재료적 장점과 특징

PB/PW는 구조적으로 개방형 프레임워크를 가지고 있어 이온이 쉽게 삽입, 탈수될 수 있고, 전기 화학적 반응 속도가 빠르다. 또한 Fe 중심의 전위 조절이 용이해 다양한 매개체 전위에 맞춰 설계할 수 있다. 특히 K+, Na+ 같은 카운터 이온 조절을 통해 용액의 전도도와 안정석을 향상시킬 수 있어, 중성 수계에서도 높은 성능을 유지한다.

- 최근 연구 동향

최근 연구에서는 PB/PW-SMRT 시스템을 활용한 중성 수계 유동전지에서 에너지 밀도 약 90 Wh/L이상, 7,000회 이상의 안정적인 사이클 수명을 달성한 결과가 보고되었다.

- 의의

PB/PW-SMRT는 Redox Targeting 기술의 단일 매개체화, 고효율화를 이끈 핵심 트랜드로, VRFB를 포함한 다양한 유동전지 플래솜에 적용 가능성이 높다.

◇ 특허조사 및 특허 전략 분석

• 중성 수계에서 Redox Targeting을 통한 고체 리튬 활물질의 고용량 RFB

다음 특허에서는 수용성 레독스 매개체를 중성 전해질에 용해한 이후, 탱크 내 LFP/LTO 등 고체 활물질과 화학적 산화, 환원을 유도한다. 셀에서 전극 반응을 통해 매개체를 재생하고 매개체-활물질 간의 전위 매칭하며, 크로스오버를 위한 막을 선정함으로써 이용 가능성과 반응 속도를 높였다.이를 통해 가연성, 부식성 위험을 낮추며 이전보다 높은 충전 용량이 가능함을 보여준다. 높은 CE, EE, 장기 사이클 안정성을 토대로 대규모 에너지 저장에의 실용 가능성을 입증하였다.

• Redox Targeting 기반의 수계 산화환원 흐름전지용 에너지 저장 시스템

다음 특허에서는 셀 구동 시 전극에서는 용해성 레독스 활성 물질인 RACs가 전기화학적으로 산화, 환원된다. 이때 음극 슬러리 내에서는 RACs가 전해질을 화학적으로 redox targeting 되며 전하를 전달한다. 수계 배터리는 비가연성의 성질을 지니며, 유기 물질인 RACs와 불용성 슬러리의 조합을 통해 안전성을 유지하고 이전보다 에너지 저장 용량을 크게 높일 수 있다.

• 수계 레독스 흐름 전지 (CARB)

다음 특허에서는 불용성 Prussian Blue(PB) 고체를 음극 저장 물질로 사용한다. 전해질 내에 녹은 바나듐 이온(VO²⁺/VO₂⁺)이 전극에서 산화, 환원된 후 PB 입자와 Redox Targeting함으로써 전하를 저장 및 방출한다. 실제 활성 바나듐 농도를 약 6.3M까지 증가시킬 수 있으며, 기존 VRFB 대비 3~4배 높은 용량을 달성할 수 있다. 이를 통해 에너지 밀도와 출력 밀도가 크게 향상되고 수명 안정성과 비용 절감 효과까지 지니게 된다. VRFB의 낮은 에너지 밀도와 용량 감쇠 문제를 해결할 수 있으며 앞으로의 ESS 솔루션으로 평가되고 있다.

• Polyarene를 활용한 Redox Targeting 흐름 전지

다음 특허에서는 폴리아렌(aromatic organic)을 이용하여 RT 반응을 유도하는 방식으로, 고체 활물질의 산화환원 전위를 고려하여 설계한다. 매개체는 다전자 산화환원이 가능하고 전위 조정이 용이한 유기 화합물로 구성되어 있으며, 시스템의 안정성과 전압의 호환성을 개선할 수 있다. 이를 통해 고전압, 고에너지 밀도의 RT 배터리를 구현하고 셀 전압 및 효율을 향상시킬 수 있다.

• Polyoxometalate 기반의 이중 Redox targeting 흐름 전지

다음 특허에서는 두 종류의 가용성 Redox targeting 물질을 넣고, 탱크에 불용성 고체 저장체(Polyoxometalate)를 배치한다. 충전 시, 첫 번째 RT 물질이 전극에서 환원되어 고체를 환원시키고, 방전 시 두 번째 매개체가 고체를 산화시켜 다시 전극으로 전하를 전달하게 된다. 이와 같은 구조는 RFB와 고체 배터리의 장점을 결합한 하이브리드 형태로, 고체 기반의 높은 에너지 밀도를 활용하면서도 유동성 전해질을 통한 에너지 분리 설계가 가능해 재생에너지 저장 등 대용량 응용에 적합한 효율적인 시스템으로 평가된다.

◇ 기술 로드맵

• VRFB는 전 세계적으로 2차전지 시장에서 주목받고 있는 물질이다. 바나듐을 사용한 배터리는 화재의 위험성이 매우 낮아 대용량 에너지 저장 장치(ESS)에 주로 사용되고 있다. 최근 연구에서는 바나듐이 리튬 이온 배터리의 양극재로 쓰이는 새로운 유형의 배터리 개발이 가능할 것이란 추세이다. 한국 또한 바나듐 사업에 뛰어들어 연구 범위를 넓혀가고 있다. 스탠다드에너지는 바나듐이온 배터리(VIB)를 본격 양산 중이며, 한화솔루션이 투자한 한국의 VRFB 제조사 에이치투 역시 미국 캘리포니아에서 20㎿h짜리 장주기 ESS 프로젝트를 수주한 데 이어 3월 스페인에도 8.8㎿h 장주기 ESS를 수출하기로 결정하였다.미국과 중국 기업들도 VRFB 양산을 서두르고 있다. 중국 후난인펑 신에너지는 내몽골에 대규모 제조 시설을 건립하기 위해 115억 위안(16억3000만달러)을 투자할 계획이다. 이 밖의 중국 기업들은 쓰촨성, 산시성 등에도 대규모 생산 시설을 조성할 예정이며, 미국 기업에 투자해 북미에도 생산 시설 건립을 시도하고 있다.

• RFB 시장은 매년 성장성이 높은 시장으로서, 연평균 성장률(CAGR): 15% (2026–2035)으로 예측된다. 2025년 기준으로 미화 3억 2,200만 달러가 예상되며, 2035년에는 미화 13억 달러에 육박할 것으로 분석된다. 바나듐 전해질은 교차오염 없으며 거의 무한한 재활용성을 지니고 있다. 이에 우수한 안정성을 바탕으로 예측기간 동안 매출 점유율 50.3%를 차지할 것으로 예상된다. 특히, 아시아와 태평양 인근 국가들은 재생에너지 인프라 투자 확대, 각국의 에너지 전환 정책 지원과 그리드 규모의 에너지저장 프로젝트 증가에 힘입어 2035년 글로벌 시장의 35.8%를 차지할 전망이다.

• 그러나 바나듐은 다른 물질 대비 비교적 높은 비용과 25–30 Wh/L이란 낮은 에너지 밀도를 가진다. 또한, 40–45 °C 이하의 좁은 작동 온도 범위 등이 걸림돌로 작용한다. 이는 본질적으로 낮은 바나듐 용해도와 고온에서 양극 전해액의 열적 안정성 저하에 의한 문제로, 양극 전해액의 열적 안정성을 안정시키면서 에너지 밀도를 높일 수 있는 방안을 고안해야한다.

• 최근 RFLB에서 redox targeting 개념이 고안되었다. 이는 에너지를 탱크에 보관된 고체 물질에 저장하고 적절한 쌍을 이루는 redox 매개체들이 배터리 스택에서 전력을 생성하게 된다. 고체 물질과 쌍을 이루는 redox 매개체 사이의 redox targeting 반응을 통해, RFLB는 고체 물질의 활용도에 따라 500–1000 Wh/L의 에너지 밀도를 달성하였다. 이를 활용하여 VRFB에서는 RT 물질로 PBA, TEMPO계 물질 등을 통해 양극 슬러리의 에너지 저장 물질로 사용한다. RT 물질이 VO₂⁺에 의해 화학적으로 산화되어 RT 물질*이 되고, RT 물질*은 VO²⁺에 의해 화학적으로 환원되어 기존의 RT 물질로 돌아가는 반응이 자발적으로 일어나게 된다. PBA를 이용한 연구 결과로는 RT-VRB의 쿨롱 효율(CE)이 97% 이상을 달성하였으며, 충전 용량은 0.28Ah, 방전 용량은 0.27Ah만큼 증가하였다. 즉, Redox Targeting을 통해 고체 물질의 활용률은 약 70%에 달함을 알 수 있다.

• 다음과 같이 VRFB에 대한 시장은 점차 확대되고 있으며, 바나듐 물질을 위한 대체제인 RT 물질을 탐색 및 연구하는 논문 및 특허가 늘어나고 있다. 본 연구를 통해 RT 물질 여부를 판별하는 명확한 기준점을 마련함으로써 객관적인 검증 체계를 구성할 수 있다. 이로써 바나듐의 에너지 밀도를 높이고, CE/EE 유지율과 같은 실험 지표를 표준화할 수 있다.

시장상황에 대한 분석

◇ 경쟁제품 조사 비교

바나듐은 전 세계적으로 2차전지 시장에서 주목받고 있는 물질이다. 바나듐을 사용한 배터리 VRFB는 화재의 위험성이 매우 낮아 대용량 에너지 저장 장치(ESS)에 주로 사용되고 있다. 최근 연구에 따르면 바나듐이 리튬 이온 배터리의 양극재로 쓰이는 새로운 유형의 배터리 개발이 가능할 것이란 보도가 있다. 한국은 현재 바나듐 사업에 참여하며 연구 범위를 넓혀가고 있는 중이다. 기업 '스탠다드에너지'는 바나듐이온 배터리(VIB)를 본격 양산 중이며, 한화솔루션이 투자한 한국의 VRFB 제조사 '에이치투' 역시 미국 캘리포니아에서 20㎿h짜리 장주기 ESS 프로젝트를 수주한 데 이어, 3월 스페인에서도 8.8㎿h 장주기 ESS를 수출하기로 결정하였다.미국과 중국 기업들 또한 VRFB 양산을 서두르고 있다. 중국의 '후난인펑 신에너지'는 몽골 내에 대규모 제조 시설을 건립하기 위해 115억 위안(16억3000만달러)을 투자할 계획이다. 이 밖의 중국 기업들은 쓰촨성, 산시성 등에도 대규모 생산 시설을 조성할 예정이며, 미국 기업에 투자해 북미에도 생산 시설 건립을 시도하고 있다.

• 마케팅 전략 제시

내용

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

• 에너지 밀도 향상

Redox Targeting 기술은 용액상 전해질과 고체 전하 저장 물질 간의 전자 전달을 매개체를 통해 이루어지게 함으로써, 기존 수계 흐름 전지의 용해도 한계를 극복할 수 있다. 이를 통해 더 높은 단위 부피 당 에너지 밀도를 달성할 수 있으며, 동일한 전해질 부피로도 더 많은 에너지를 저장할 수 있다.

• 설계 유연성 확보

전기화학 반응이 전극 표면에서만 일어나는 기존 전지와는 달리, Redox Targeting 시스템은 탱크 내 고체와 용액 간 화학적 반응을 활용하므로 전극 구조, 전해질 농도, 전극 면적 등의 제약이 줄어들고 설계 자유도가 커진다.

• 긴 수명과 높은 안정성

전극 내에서 직접적인 고체 반응이 일어나지 않아 기계적 스트레스나 부피 변화가 적고 전해질 손상도 최소화된다. 그 결과 장기 안정성 및 수명향상이 가능하며, 유지보수가 용이하다.

• 다양한 전해질계 적용 가능성

Redox Targeting 개념은 수계뿐 아니라 비수계 유기계 등 다양한 전해질 시스템에도 적용될 수 있다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

• 재료 비용 절감

Redox Targeting 기술은 고농도 전해질이 필요하지 않으며, 비교적 저가의 고체 저장 물질과 매개체를 활용할 수 있어 시스템 전체의 제조 비용을 낮출 수 있다.

• 설비 확장성 및 유지보수 비용 절감

전지 구조가 기존 흐름 전지와 유사해 기존 인프라를 그대로 활용 가능하고, 고체 용액 분리형 구조로 인해 부품 교체와 정비가 간편하다.

• 장주기 ESS 시장 진입 가능성

높은 에너지 밀도와 안정성을 바탕으로 ESS 시장에 적합하며, 재생에너지 연계형 저장 시스템으로의 상용화 가능성이 높다.

• 탄소 중립 실현을 위한 핵심 에너지 저장 기술

Redox Targeting 기술은 재생에너지의 불안정한 출력 문제를 해결해 전력망 안정화와 탄소 중립 사회 구현에 중요한 역할을 할 수 있다.

• 자원 의존도 완화와 공급망 안정화

특정 희귀금속에 대한 의존도를 줄이고, 다양한 금속 유기 기반 소재로의 대체가 가능하므로 국가 차원의 에너지 자립도 향상에 기여할 수 있다.

• 친환경적 시스템 구축

낮은 독성의 전해질과 재활용 가능한 구성요소를 사용함으로써 환경오염 위험이 적고 지속 가능한 에너지 저장 기술로 발전할 수 있다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

내용

구성원 및 추진체계

• VRFB 관련 논문 조사 및 원리 파악 • 원리에 입각한 물질 선정의 조건 설정 • 바나듐 이온과 RT 물질간의 반응성 확인 실험 • 실험 결과 분석, 장단점 및 현실성 확인

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

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개념설계안

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이론적 계산 및 시뮬레이션

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상세설계 내용

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결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

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관련사업비 내역서

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완료작품의 평가

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향후계획

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특허 출원 내용

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