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2025년 11월 26일 (수) 23:10 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 2020XXX0** 심홍섭 (팀장)

서울시립대학교 화학공학과 2021340050 최진아

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

• VRFB는 리튬이온 배터리에 비해 화재 위험성이 낮으며 에너지 저장과 출력의 분리 설계가 가능한 수계 배터리이다. 그러나 VRFB의 전극인 바나듐의 높은 원가와 전지 효율의 한계가 상용화의 병목으로 작용한다. 이를 극복하기 위한 방안으로 전해질의 산화환원 반응을 고체 활물질로 매개하는 'Redox Targeting(RT) 기술'을 연구한다.

• 본 연구는 RT 원리의 타당성 검증과 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.

• 본 연구를 통해 RT 물질을 사용함으로써 바나듐 사용량 절감에 따른 원가 하락, CE/EE 개선, rate 성능 및 수명 향상이 기대된다. 더욱 발전된 연구 과정을 통해 대규모 ESS 적용 가능성이 확대될 것으로 예상된다.

개발 과제의 배경

• VRFB는 수계 배터리로써 화재의 위험성이 낮으며 탱크 용량과 면적을 분리 설계할 수 있어 대용량 저장에 유리하다. 그러나 바나듐의 원료비용과 전극-전해질 계면에서 발생하는 부반응으로 인해 손실이 발생하고, 상용화에 어려움을 겪고 있다. 전해질 농도나 용해도만으로는 에너지 밀도를 크게 증가시킬 수 없어 전하를 저장할 수 있는 메커니즘 해결방안이 요구된다.

• 이 프로젝트는 고체 활물질과 전해질 용액이 탱크에서 화학적 전자교환을 수행하는 'Redox Targeting(RT)' 개념을 VRFB에 적용한다. RT 물질은 전해질인 3 M H₂SO₄에서도 안정하고, V(IV)/V(V) 평균 전위(약 0.88 V vs Ag/AgCl) 값에 유사한 유기 분자이어야 한다는 조건을 지닌다. RT 물질과 V2O5가 전극에서 Redox mediator을 만들어 탱크에서 고체와 반응시키는 이중 단계로 인한 손실을 줄일 수 있다. 또한, 저장용량이 고체 저장체의 활성량에 의해 결정되어 안전성을 유지하면서 실효 에너지 밀도를 확대할 수 있다.

• RT 물질을 사용한다면 기존의 VRFB보다 바나듐 투입량이 절감되며 원가가 하락하게 된다. 또한 전하 이동 경로가 단축되고 선택적 반응으로 인해 CE/EE 개선되어 전류 증가 시 rate 특성이 향상된다. 화학적 stress 분산에 따라 수명 연장이 가능하기 때문에 결과적으로 전지 설계의 자유도와 열적 안정성이 커지게 된다. 따라서 RT 물질의 사용은 시스템 단가, 효율과 내구성의 동시 개선이 가능하며, 나아가 대규모 ESS에 적용 가능하다.

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.

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

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

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특허 출원 내용

내용

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 ====개발 과제의 목표 및 내용====
 최종 목표
 VRFB의 에너지 고효율화를 위한 양극 전해질의 Redox Targeting 연구