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오래 가는 유기물 레독스 흐름 전지 - 상용화는 언제 가능할까?



 (Credit: University of Montreal)

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레독스 흐름 전지(Redox Flow Battery, RFB)는 전해액에 용해된 활물질이 멤브레인을 통해 산화·환원 반응을 일으켜 충·방전하는 형태의 배터리입니다. 불에 타지 않는 수용성 전해액을 이용하고 전해액의 용량만 늘리면 매우 쉽게 배터리 용량을 늘릴 수 있을 뿐 아니라 장기 에너지 저장이 가능한 형태의 배터리로 차세대 에너지 저장 장치 (ESS)로 오래전부터 주목 받아 왔습니다.

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하지만 ESS 시장에서 기존의 리튬 이온 배터리를 완전히 대체하지 못한데는 그럴 만한 이유가 있습니다. 이론적으로 보면 대규모의 에너지를 저장할 때 리튬 이온 배터리보다 훨씬 안전하고 오래가지만 현재 상용화된 레독스 흐름 전지는 바나듐을 이용하고 있어 사실 단가가 그렇게 저렴하지 않고 독성이 있습니다.

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이 문제를 극복하기 위한 대안이 유기물 레독스 흐름 전지입니다. 독성이 없고 쉽게 만들 수 있는 유기물을 이용해서 흐름 전지를 만들면 단가도 대폭 낮출 수 있고 독성이나 자원 고갈 문제도 없습니다. 하지만 현재까지 개발된 유기물 레독스 흐름전지는 상용화를 가로 막는 여러 가지 제한점이 있습니다.

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우선 기존의 유기 분자들은 충·방전 과정(산화-환원 반응) 중에 화학 구조가 변형되거나 파괴되는 경우가 많습니다. 바나듐 같은 금속은 원소 자체가 변하지 않지만, 유기 화합물은 결합이 끊어지면 더 이상 전기를 저장할 수 없는 상태가 됩니다.10년 이상 운용해야 하는 ESS 입장에선 매우 곤란한 일입니다.

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더구나 유기 분자는 크기가 크기 때문에 물(용매)에 잘 녹지 않는 경우가 많습니다. 분자가 조금만 녹으면 전해액 속에 저장할 수 있는 에너지가 적어지고, 결과적으로 똑같은 전기를 저장하기 위해 거대한 탱크가 필요하게 됩니다. 이는 비용 증가로 이어집니다.

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이 한계를 극복하기 위해 몬트리올 대학교 화학과 연구팀이 콩코디아 대학교 연구진과 공동으로 아조비파이(AzoBiPy)라는 새로운 유기물 레독스 흐름 전지 분자를 개발했습니다. 이 연구 결과는 미국화학회지(Journal of the American Chemical Society) 에 발표 되었습니다.

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연구팀은 실험실에서 70일 동안 레독스 흐름 전지를 사용하여 아조비파이 분자를 테스트했습니다. 이 분자는 놀라울 정도로 안정적이어서 하루에 용량이 0.02%밖에 감소하지 않았습니다. 대부분의 유기물 배터리 소재보다 두 배나 많은 에너지를 저장하며, 물에 대한 용해도도 매우 높아 대규모 에너지 저장 시스템의 효율을 극대화하는 데 적합한 특징을 지니고 있습니다. 보통의 유기물 분자가 전자 1개를 주고받을 때 아조비파이는 2전자 반응(Two-electron exchange)을 통해 2개를 처리하므로 이론적으로 에너지 밀도를 2배 높일 수 있습니다.

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물론 아직은 실험실을 벗어나지 못한 단계이지만, 이렇게 유기물 레독스 흐름 전지의 단점을 개선해 나가다보면 언젠가는 상당한 성능의 유기물 레독스 흐름 전지가 개발되어 ESS 시장에 큰 변화를 가져올 수도 있습니다. 현재 풍력, 태양광 같은 신재생 에너지의 가장 큰 약점이 전력을 저장하지 못한다는 것인데, 저렴한 ESS가 이 판도를 바꿀 수 있기 때문입니다.

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과연 실제 상용화가 진행되는 것은 언젠가 될지 궁금합니다.

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참고

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https://techxplore.com/news/2026-02-molecule-renewable-energy-stability-paving.html

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Hélène Lebel et al, 4,4′-Hydrazobis(1-methylpyridinium) as a Two-Electron Posolyte Molecule for Aqueous Organic Redox Flow Batteries, Journal of the American Chemical Society (2025). DOI: 10.1021/jacs.5c03524

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