바나듐흐름전지 (Vanadium redox flow battery)의 장점, 단점

바나듐흐름전지 (Vanadium redox flow battery)는 리튬이온배터리와는 다른 시스템으로 전지가 구동되는 메커니즘을 갖고 있다. 전기차용 배터리보다는 전력저장장치용 배터리 후보로 소개되고 있다. 위 차세대 배터리의 원리와 장점, 단점등을 알아보자.

 

 

 

1. 바나듐 흐름전지 구조

바나듐흐름전지 구조 (출처 :  Reprinted with permission of Nano Lett. Copyright (2013) American Chemical Society.)

전해액 : 바나듐 + 황산(H2SO4) 수용액

전극 : Carbon felt 

분리막 : Naifon (polymer)

바나듐흐름전지는 리튬이온배터리와 달리 활물질(바나듐이온)이 전해액 내부에 녹여져 작동한다. 양극활물질로 바나듐 4+, 5+이온을 사용하고 음극으로는 바나듐 2+, 3+이온을 사용한다. 양극활물질과 음극활물질 사이에 양이온교환막은 Nafion을 사용하여 활물질 mixing을 방지하고 있다. 

 

 

 

2.반응메커니즘

바나듐흐름전지 화학반응식

충전과정에서 바나듐흐름전지는 양극에서 바나듐 4+이온이 물과반응하여 5+이온으로 산화되어 2개의 proton(수소이온)과 전자를 배출한다. 이때 생겨난 전자는 음극에서 바나듐3+이온과 반응하여 바나듐2+이온으로 환원된다. 

방전과정에서 음극에서 바나듐 2+이온이 3+이온으로 산화되고, 양극에서 산화된 전자와 바나듐 5+이온이 반응하여 바나듐4+이온이 생성된다.

 

 

 

3. 장점

안전성 : 바나듐흐름전지의 가장 큰 장점은 안전성이다. 수계전해액을 사용하기 때문에 발화위험이 없어 현재 폭발위험성을 갖는 리튬이온배터리의 단점을 극복할 수 있다.

 

-> 리튬이온배터리 화재 메커니즘 이해링크

https://sm10053.tistory.com/entry/%EB%A6%AC%ED%8A%AC%EC%9D%B4%EC%98%A8%EB%B0%B0%ED%84%B0%EB%A6%AC%EC%9D%98-%EB%8B%A8%EC%A0%90-%ED%99%94%EC%9E%AC-%EB%A9%94%EC%BB%A4%EB%8B%88%EC%A6%98%EB%8D%B4%EB%93%9C%EB%9D%BC%EC%9D%B4%ED%8A%B8-SEI%EB%B6%84%ED%95%B4

 

높은수명 : 바나듐흐름전지는 양극활물질과 음극활물질을 모두 바나듐 이온을 사용하기 때문에 반영구적(약 20년)으로 사용할 수 있는 장점이 있다. 

 

 

 

4. 단점

에너지밀도 : 바나듐흐름전지는 에너지밀도가 매우 낮다. 리튬이온배터리는 단위중량당 에너지밀도가 매우 높아 전기차용 배터리로 사용되지만, 바나듐흐름전지는 에너지밀도가 매우 낮기 때문에 같은 중량대비 높은 에너지밀도 구현이 어렵다. 결과적으로 큰용량의 탱크 수준의 배터리를 제조하여 전기차용 배터리보다는 전력저장장치 (ESS)용으로 많이 사용된다. 

 

바나듐이온 크로스오버 모식도

바나듐크로스오버 : 바나듐흐름전지의 고질적인 문제로 바나듐이온 크로스오버가 있다. 활물질인 바나듐이온의 투과를 차단해야할 분리막(Nafion)이 바나듐이온을 통과시켜 부반응(Side reaction)을 발생시킨다. 결과적으로 전지 용량이 감소하는 문제를 갖고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 Naifon을 대체할만한 분리막들의 연구가 집중적으로 이루어지고 있다.

 

 

 

바나듐흐름전지는 폭발위험이 없다는 점에서 매우 매력적이지만, 높은 에너지밀도를 요구하는 전기차용 배터리로서는 사용이 어렵다. 전기에너지의 사용이 증가하는 시점에서, 고에너지밀도를 갖는 바나듐흐름전지의 출현을 기대해본다.