서울대 공대 김성재 교수팀-강기석 교수팀,

레독스 흐름 배터리 실시간 동작 중 가시화 분석 플랫폼 개발

- 레독스 배터리 분석 플랫폼 개발 성공, ‘미국국립과학원회보’ 논문 선정

- 복잡한 배터리시스템의 효과적인 분석 플랫폼으로 세계서 주목

▲ (왼쪽부터) 서울대 전기정보공학부 김성재 교수, 서울대 재료공학부 강기석 교수,

서울대 전기정보공학부 박형주 박사과정, 서울대 재료공학부 권기윤 박사,

제주대학교 생명화학공학부 이효민 교수

서울대학교 공과대학(학장 이병호)은 전기정보공학부 김성재 교수팀과 재료공학부 강기석 교수팀이 공동 연구를 통해 막이 없이도(membrane-free) 전해질들이 이온교환을 할 수 있는 레독스 흐름 배터리 시스템을 구현하고 이를 복합적으로 분석할 수 있는 플랫폼을 검증했다고 25일 밝혔다.

연구진은 서울대학교 재료공학부 강기석 교수팀이 자체 개발한 친환경 유기전해질을 사용함으로써 기존의 레독스 흐름 배터리에서 사용되는 바나듐(Vanadium, 자원이 한정되어있고, 독성을 나타냄)을 대체했을 뿐 아니라, 전해질이 가지고 있는 전자의 상태에 따른 2단계 색 변화 특성과 유체역학에서 나타나는 유체가 서로 섞이지 않고 나란히 흐르는 층류 현상(laminar flow)을 결합하여 체계적으로 분석한 끝에 결과를 얻을 수 있었다.

이 연구 내용은 실험값과 더불어 수치해석 해와 분석 해를 통합적으로 제시하며, 레독스 흐름 배터리 시스템뿐만 아니라 액체 전해질을 사용하는 다른 배터리 시스템의 분석에도 적용시킬 수 있는 점이 우수하게 평가되었다.

레독스 흐름 배터리는 양극성 전해질과 음극성 전해질의 산화ㆍ환원 반응에 기반하여 전기 에너지와 화학에너지를 상호 변환 및 저장하는 장치이다. 배터리 내에서 양극성, 음극성 전해질들은 물리적인 막을 통해 서로 섞이지 않게 분리되어 있고 막을 통해 이온 교환을 한다. 하지만 이 막은 배터리 시스템에서 많은 비용을 차지하고 있고 내부에서 결함을 유발할 수 있다는 단점이 있다.

이번 연구는 기존에 상용화되어 있는 레독스 흐름 전지가 가지고 있는 물리적 막의 단점을 극복하였기에 의미가 있을 뿐만 아니라, 매우 복잡한 시스템인 배터리 장치의 분석에 있어서도 실시간 동작 중 유체역학적, 전기화학적 현상을 가시화하고 실험값, 수치해석 및 분석 해를 통합적으로 제시하며 중요한 분석 플랫폼임을 검증했다는 데 있어 중요성이 크다.

그림 a. 막이 없는 레독스 배터리칩

이번 연구를 응용하면 배터리 셀 내부에서 막을 배제하여도 이온 교환을 일으킬 수 있으며(그림 a), 전기화학 반응을 실시간 동작 중에 가시화하여 전기화학 반응의 정도를 확인하고(그림 b), 배터리 성능에 악영향을 주는 이온 공핍층(그림 c)을 시각화하여서 효율적인 배터리 셀의 설계를 도출할 수 있을 것으로 전망된다.

그림 b. 전류와 유속에 따른 산화환원 배터리의 충전 실험 동작 중 시각화

그림 c. 배터리 성능에 영향을 주는 이온 결핍층 시각화 사진

서울대 김성재 교수와 강기석 교수는 “미세유체장치 (microfluidics) 특징 가운데 가장 효용가치가 높은 가시화 장점을 십분 활용하여 배터리 성능을 높이는 설계 도구로 재탄생시킨 연구”라며, “현재 공동 연구팀은 이 기술을 활용해 다른 차세대 배터리 응용과 해수담수화 장치에 적용하는 플랫폼을 개발 중”이라고 밝혔다.

한편, 이번 연구 결과는 세계 최고의 융ㆍ복합 학술지인 미국국립과학원회보(Proceedings of National Academy of Science, PNAS)에 2022년 2월 24일 온라인으로 게재되었다.

In operando visualization of redox flow battery in membrane-free microfluidic platform, PNAS, 119(9), e2114947119

https://www.pnas.org/content/119/9/e2114947119