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2025년 12월 2일 (화) 23:50 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

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

VRFB는 높은 안전성과 장주기 특성을 바탕으로 ESS 시장에서 빠르게 성장하고 있으며, 전 세계적으로 제조 인프라 확장과 기술 경쟁이 본격적으로 진행 중에 있다. 그러나 상대적으로 낮은 에너지 밀도와 높은 바나듐 원가는 시장 확대의 결정적인 제약 요인으로 작용한다. 이에 대한 해결 방안으로 'Redox Targeting(RT) 기반 차세대 고용량 RFB'는 기존 VRFB의 한계를 극복할 수 있는 유망한 기술이다. 본 기술은 전해질 내 레독스 매개체가 탱크 속 고체 활물질과 화학적으로 반응하여 에너지를 저장하는 방식으로, 기존 VRFB 시스템 대비 3~4배 이상의 획기적인 에너지 밀도 향상을 기대할 수 있다.

이러한 장점을 활용하여“고용량·고안정성·저비용의 차세대 전해질 플랫폼”이라는 주제를 앞세워 다음과 같은 마케팅 전략을 세웠다.

첫째, 정량적 데이터를 통해 차별화된 배터리임을 강조한다. RT 시스템 도입 시 달성 가능한 용량 증대 효과 활용률 70% 이상, 시스템 에너지 밀도 획기적 개선 등, 구체적인 수치로 제시하여 기술적 우위를 입증한다.

둘째, 경제성과 효율성의 동시 달성을 강조한다. 바나듐 가격 변동성에 민감한 시장 상황을 고려하여, 동일 용량 대비 바나듐 사용량 절감 효과와 전기화학적 효율(CE/EE) 향상을 핵심 가치 제안한다.

셋째, 기술적 확장성을 갖춘 소재 솔루션을 제공한다. PBA, TEMPO계 등 다양한 RT 후보군과 SBA-15 고정화 기술 등을 결합한 유연한 소재 플랫폼을 강조하여, 고객사가 요구하는 사양에 맞춰 최적화가 가능함을 강조한다.

넷째, 글로벌 장주기 ESS 프로젝트를 중점적으로 계획한다. 미국, 중국, 유럽 등 화재 안전성이 중시되는 대규모 ESS 시장을 타깃으로, 수계 배터리의 고안정성을 유지하면서도 용량 한계를 극복했다는 점을 내세워 B2B 진입 전략을 추진한다.

마지막으로, 기술 신뢰성 확보를 위한 표준화를 선도한다. 본 연구에서 정립한 RT 물질 판별 기준과 정량적 평가 체계(UV–vis, Titration 기반)를 함께 제공함으로써, 기술 검증의 불확실성을 제거하고 시장의 빠른 채택을 유도한다.

다음과 같은 전략을 통해 VRFB에 RT 물질 사용에 대한 기대 효과와 수요를 높일 수 있을 것이라 생각한다.

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

심홍섭 : VRFB 관련 논문 조사 및 원리 파악, 원리에 입각한 물질 선정의 조건 설정

최진아 : 바나듐 이온과 RT 물질 간의 반응성 확인 실험, 실험 결과 분석, 장단점 및 현실성 확인

설계

설계사양

제품의 요구사항

1. 전해질 3 M H₂SO₄ 내에서도 안정성을 유지할 것

2. V(IV)/V(V) 산화환원 전위(약 0.88 V vs Ag/AgCl)와 유사한 유기 분자일 것.

3. 전극과 탱크 내 고체 활물질(V₂O₅) 사이에서 산화환원 매개체(Redox Mediator) 역할을 수행할 것.

설계 사양

1. RT 물질 선정

유기 물질 선정 : BQDS, DP

- V(IV)/V(V) 평균 전위(0.88 V vs Ag/AgCl))와 유사한 구동력 확보 - 3M H₂SO₄ 내 안정성 고려

2. 소재 합성 전략

고정화 지지체 : SBA-15

- RT 물질의 용출 방지 - 넓은 비표면적으로 반응성 증대

Grafting : Silane coupling reaction

- RT 물질을 SBA-15 기공 내 화학적으로 결합

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용

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 ====설계 사양====
-내용
+. RT 물질 선정
+* 유기 물질 선정 : '''BQDS, DP'''
+- V(IV)/V(V) 평균 전위(0.88 V vs Ag/AgCl))와 유사한 구동력 확보
+- 3M H₂SO₄ 내 안정성 고려
+. 소재 합성 전략
+* 고정화 지지체 : '''SBA-15'''
+- RT 물질의 용출 방지
+- 넓은 비표면적으로 반응성 증대
+* Grafting : Silane coupling reaction
+- RT 물질을 SBA-15 기공 내 화학적으로 결합
 ===개념설계안===