ITIES를 이용한 멤브레인 프리 레독스 흐름 전지

Abstract

최근 전기 자동차와 에너지 저장 및 관리 시스템(Energy Storage System, ESS) 등 대형 전지 또는 그 이상의 규모를 담당하는 전지 시장이 급성장한 상황으로 전지 시장의 고객이 필요로 하는 용량 및 출력 수준이 기존의 소형 전지를 뛰어넘은 지 오래다. 이런 소형 이차전지의 대용량화의 한계를 극복하는 방안으로 레독스 흐름 전지와 같은 활물질이 전해질에 용해된 액상 기반의 전지 시스템이 그 대안으로 제기되었다. 한정된 부피 안에서 활물질 농도에 따라 저장 용량 증가를 꾀할 수가 있다는 장점이 있지만, 한편으로는 완벽하게 활물질을 분리하지 못하여 발생하는 불안정한 소재의 멤브레인으로 인한 문제점도 뒤따른다. 이에 따라 본 연구에서는 멤브레인 없이도 구동 가능한 새로운 형태의 시스템을 고안하였고, 이를 위해 서로 섞이지 않는 두 전해질 사이에 형성되는 계면 상의 전기화학 반응을 기반으로 한 원리를 도입하였다. 그리고 정전류 충·방전을 통해 이 전기화학 시스템이 이차전지로써 작동 가능한지를 살펴보고자 하였다. 수계 전해질의 활물질로 Fe(II)/(III)을 레독스 커플로 사용하였고, 유기계 전해질은 활물질인 9,10-Phenathrenequinone(PQ)를 유기용매 니트로벤젠에 녹여 구성하였다. 각각의 활물질은 가역적으로 산화·환원되는 것을 확인하였고, 두 전해질은 멤브레인 없이 분리되고 섞이지 않는 상태를 잘 유지함을 확인하였다. 이상의 구성으로 완전지를 제작하여 충·방전 했을 때 전지가 잘 구동함을 확인하였다. 또한, 활물질의 산화수 변화를 통해 가역적으로 활물질의 산화·환원 반응이 일어남을 검증하였다. 이를 통해 액상 기반의 전지 시스템에서 한계로 여겨졌던 멤브레인을 배제한 새로운 형태의 전지를 고안하였고, 이 시스템이 문제없이 구동할 수 있음을 확인할 수 있었다. 또한, 비정상 구동 상황을 가정한 상황에서도 안정한 상태를 유지할 수 있음을 확인하였다.