주정민 교수, 차세대 대용량 에너지 저장 장치 개발 앞당겨

비수계 유기 레독스 흐름 전자의 새 디자인 전략 제시

재생 에너지원에서 발생하는 전기 에너지를 안정적으로 저장하기 위해 개발된 대용량 에너지 저장 시스템 중 하나인 '레독스 흐름 전자'의 안정성과 용해도를 향상시킴으로써 차세대 대용량 에너지 저장 장치의 상용화를 앞당긴 연구가 발표됐다. 

화학과 주정민 교수팀이 최근 비수계 레독스 흐름 전지용 유기 음극 활물질 개발에 성공했다. 그간 비수계 레독스 흐름 전지 개발에 걸림돌로 지적돼 온 산화환원활성 유기 물질의 안정성 및 용해도를 크게 향상시킨 연구다. 

레독스 흐름 전지 제작에는 저렴한 비용과 높은 안정성이 요구되지만, 상용화된 바나듐 레독스 흐름 전지*는 전지의 용량이 리튬 이온 전지 대비 20배나 낮아 낮은 에너지 밀도가 문제점으로 지적됐다. 이에 고용량·고전압·저비용의 새로운 산화환원활성(redox-active) 유기 물질을 개발해 고정된 전위의 금속 이온인 바나듐을 대체하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다.

* 바나듐 레독스 흐름 전지: 충전식 레독스 흐름 전지의 한 유형으로 전하 운반자로 바나듐 이온을 사용하는 전지.

다양한 산화환원활성 유기 물질 중 대표적으로 피리딘의 질소 자리에 치환기를 가진 피리디늄 양이온이 있으며, 세계 각국의 연구팀에서 피리디늄 유도체를 사용하는 연구를 진행하고 있다. 

하지만 알려진 피리디늄 화합물은 유기 용매에서의 안정성과 용해도가 제한적이어서, 고농도로 장시간 구동할 수 있는 배터리 구성에는 어려움을 겪어 왔다. 더불어 유기 흐름 전지의 주된 용량 저하의 문제점 중 하나인 교차흐름 현상*을 막는 것이 관련 연구자들의 목표로 여겨졌다.

* 교차흐름 현상: 배터리에서 양쪽 전극에 존재하는 전해액 및 전해질들이 분리막을 투과해 서로 이동하는 현상.

주정민 교수팀은 안정성·용해도, 그리고 교차흐름 현상이라는 흐름 전지 개발에 있어 주요 문제를 해결하기 위해 피리디늄 산화환원활성 물질을 체계적으로 합성했고, 벤조싸이아졸이 치환된 새로운 피리디늄 유기 활물질을 이용해 유기 용매에서의 전기화학적 안정성을 얻는 데 성공했다. 

* 벤조싸이아졸: 벤젠 고리와 싸이아졸 고리가 접합된 두 개의 고리 구조를 특징으로 하는 분자식 C7H5NS인 방향족 헤테로고리 화합물.

또한 상대 음이온으로 bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (TFSI)를 사용해 유기 용매에서의 용해도를 높이고, 피리딘에 3-(trimethylammonium)propyl 양이온성 치환기를 도입, 음이온 교환막을 사용하는 유기 흐름 전지 시스템에서 교차 흐름 현상을 최소화하고 원하지 않는 분자 간의 상호 작용을 억제했다. 

연구진은 합성한 피리디늄을 실제 흐름 전지 시스템으로 구축했다. 0.1 M*의 고농도의 전해액 조건으로 셀 구축이 가능함을 보였고, 교차흐름 현상도 성공적으로 억제해 대칭 셀에서 -0.0083%/cycle, 완전 셀에서 -0.08%/cycle의 높은 효율로 각각 250, 500 사이클의 구동에 성공했다.

* M(몰농도, Molarity): ㏖/ℓ, 용액 1 L에 녹아 있는 용질의 mol 수. mol은 분자의 수량. 

해당 연구 성과는 에너지 분야의 세계적인 권위지인 『ACS Energy Letters』 2021년 9월 10일자로 출판됐으며, 연구의 우수성을 인정받아 추가표지논문(Supplementary Cover)으로 선정됐다.

- 논문 제목: Systematic Designs of Dicationic Heteroarylpyridiniums as Negolytes for Nonaqueous Redox Flow Batteries(비수계 유기 레독스 흐름 전지용 양이온성 헤테로아릴피리디늄 음극 활물질의 체계적 디자인)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1021/acsenergylett.1c01623 

이번 연구 결과는 유기 분자를 산화환원활성 물질로 개발할 때 사용할 수 있는 체계적인 분자 디자인 전략을 제시해 유기 레독스 흐름 전지 상용화를 앞당겼다. 향후 연구진은 음극 및 양극 산화환원활성 물질 개발을 비롯해 비수계뿐만 아니라 수계 레독스 흐름 전지 개발도 진행할 계획이다.

이번 연구는 부산대 화학과 박사과정 장진혁(공동 제1저자)·서지아 학생과 주정민 교수(교신저자)와 KAIST 변혜령 교수팀이 공동 수행했으며, 삼성미래기술육성사업의 지원을 받았다.

주정민 교수는 “실용적인 유기 레독스 흐름 전지의 개발을 위해 유기화학과 전기화학 분야의 공동 연구가 필수적”이라고 강조하며 “전반적인 배터리 성능 향상을 위해 새로운 산화환원활성 유기 물질 디자인과 배터리 시스템 구축을 협업을 통해 계속 시도할 것”이라고 밝혔다.