카이스트(KAIST) 연구진이 인공지능(AI) 데이터센터 확산 등에 따른 전력 수요 증가를 뒷받침할 대용량 배터리 핵심 소재의 생산 시간을 단축할 수 있는 기술을 개발했다.

카이스트는 김희탁 생명화학공학과 교수 연구팀이 대용량 에너지저장장치(ESS) 유력 후보인 ‘바나듐 레독스 흐름전지(VRFB)’의 핵심 전해질을 빠르고 안정적으로 생산하는 공정을 개발했다고 5일 밝혔다.

바나듐 레독스 흐름전지는 화재 위험이 거의 없고, 전해질을 담는 탱크만 크게 만들면 저장 용량도 쉽게 늘릴 수 있어 AI 데이터센터와 재생에너지용 초대형 배터리로 주목받고 있다. 그러나 배터리 연료 역할을 하는 바나듐 전해질을 최적 상태로 만드는 과정이 오래 걸리고 비용도 많이 드는 것이 상용화의 걸림돌이다.

연구팀은 고속도로를 달리던 차량이 갑자기 병목 구간에서 막히는 것처럼 화학 반응으로 전해질을 만드는 과정에서도 특정 단계에 반응 속도가 급격히 느려지는 병목 구간이 존재한다는 사실을 확인했다. 그리고 병목 구간에서 시간이 오래 걸리던 전기화학적 환원 공정 대신 백금-탄소(Pt/C) 촉매를 이용한 촉매 환원 공정을 적용하도록 생산 공정을 설계해 문제를 해결했다. 자동차가 정체된 도로에서 우회도로를 이용하듯 시간이 오래 걸리던 마지막 공정만 더 효율적인 방식으로 바꿔 생산 시간을 단축했다.

새로운 생산 공정을 적용한 결과 바나듐 레독스 흐름전지에서 전기에너지를 저장하는 핵심 소재인 전해질 생산 시간이 기존 공정보다 67% 단축됐다. 동시에 공정 중에 남아 배터리 성능을 떨어뜨릴 수 있는 잔류 옥살산(불순물)이 함께 제거되고, 같은 촉매를 2500번 이상 반복 사용해도 성능 저하 없이 안정적으로 전해질을 생산할 수 있음을 확인했다.

김 교수는 “최근 24시간 가동되는 AI 데이터센터가 급증하면서 재생에너지로 생산한 전기를 대량 저장하고 안정적으로 공급하는 대용량 ESS의 중요성이 커지고 있다”며 “이번 연구는 대용량 배터리 상용화의 가장 큰 숙제였던 전해질 생산 과정을 반응공학적으로 정밀 분석해 새롭게 설계한 것으로, 생산 병목을 해결해 대용량 에너지저장 기술의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

카이스트 생명화학공학과 석경화 박사과정생이 제1저자로 참여한 이번 연구 결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’ 표지논문으로 선정됐다.