에코레독스

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.

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

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.

• 마케팅 전략 제시

내용

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

내용

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

내용

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

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

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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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