(A new flow battery developed at Harvard University uses only Earth-abundant materials, making it cheaper, safer and greener than previous designs (Credit: Harvard University))
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현재 신재생 에너지의 전력 생산 단가는 상당히 낮춰진 상태입니다. 하지만 풍력이나 태양 에너지에는 여전히 심각한 문제가 있습니다. 항상 에너지가 생산 가능한게 아니라는 점이죠. 바람이 불지 않거나 밤이 되거나 혹은 구름이 끼면 발전이 어렵거나 효율이 크게 떨어질 수 있습니다. 이를 위해서 백업 발전기가 필요하다면 사실 신재생 에너지의 단가는 그렇게 낮지 않을 뿐 아니라 생각보다 친환경도 아닌 셈입니다.
이를 극복하기 위해서 현재 에너지 저장 (ESS) 분야가 급속도로 발전하고 있습니다. 안정적인 보조 전력과 배터리는 갑작스런 정전에서 시스템을 보호해야 하는 데이터 센터나 주요 공장에서 주로 사용되어 왔습니다. 하지만 최근에는 신재생 에너지의 보급과 더불어 불규칙하게 생성되는 에너지를 저장할 수 있는 수단으로 각광을 받고 있습니다.
문제는 현재 배터리의 가격이 매우 비싸다는 것입니다. 경제적인 에너지 저장이 불가능하다면 사실 신재생 에너지의 활용은 보조적인 수단에 그칠 수 밖에 없을 것입니다.
이를 극복하기 위한 여러 가지 연구들이 진행 중인데, 그 중 하나는 바로 플로우 배터리(flow battery)입니다. 두 가지 전해질을 이용한 플로우 배터리는 저장량을 증가시키기 위해서 단순히 저장 탱크만 늘리면 되기 때문에 이상적인 대용량 에너지 저장 수단으로 각광을 받아왔습니다. 그러나 동시에 경제성이나 독성 물질을 사용하지 않은 전해질 개발 등 극복해야 할 과제도 많이 남아있습니다.
하버드 대학의 SEAS의 마이클 아지즈 교수(Prof. Michael Aziz)와 그의 연구팀은 유기물 다이(organic dye)에 새로운 첨가제를 넣어서 기존의 효율을 50% 정도 더 늘린 새로운 유기물 플로우 배터리를 내놓았습니다. 이 새로운 플로우 배터리는 바나듐 같은 독성 물질을 사용하지 않아 환경에 안전하며 리튬 같이 비싸고 한정된 자원을 사용하지 않아서 저렴하게 대량 생산할 수 있습니다.
이 플로우 배터리는 바나듐을 자연에세 쉽게 볼 수 있는 유기물인 퀴논(quinone)으로 대체했고 브롬은 염료 등으로 사용되는 페로시아나이드(ferrocyanide)로 대체된 것입니다. 페로시아나이드는 우리 몸의 철과 결합하는 독성물질인 시아나이드와 유사하지만 이미 철과 결합되어 있어 안전한 화합물입니다. 식품 첨가제로도 사용되죠.
1세대 플로우 배터리는 바나듐, 철, 크롬 등 여러 가지 중금속을 사용해서 제조되어 독성을 지니고 있었습니다. 여기에 효율도 만족스럽지 못했습니다. 새로운 이 유기물 플로우 배터리는 쉽게 구할 수 있는 유기물을 사용해서 안전하고 저렴하게 제조될 수 있는 가능성이 있습니다.
참고로 이번에 개발된 플로우 배터리의 효율은 충방전시 84% 정도이며 충방전 사이클은 1900회 정도 된다고 합니다. 이 정도면 보통 400회 정도인 리튬 이온 배터리 대비 수명이 꽤 긴편입니다. 문제는 에너지 저장밀도로 19 Wh/l 정도인데 이는 리튬 이온 배터리의 1/10도 안되는 것입니다.
따라서 이 유기물 플로우 배터리는 전기차에 사용되기 보다는 대용량 에너지 저장 장치에 적합하다고 하겠습니다. 일단 전해질 탱크에 담을 수 있는 저렴한 물질이면 무게가 좀 나가도 괜찮기 때문이죠. 문제는 얼마나 경제성을 가질 것인가 하는 점입니다. 앞으로 다른 배터리 기술과 경쟁하려면 상당히 저렴해져야 할 것으로 생각합니다.
이 연구는 사이언스에 실렸습니다.
참고
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