바나듐이온 배터리

바나듐이온 배터리.2021년 출시

바나듐이온 배터리 구조

스탠다드에너지㈜(Standard Energy)

김부기 스탠다드에너지㈜ 대표

바나듐이온 배터리(Vanadium Ion Battery, VIB)는 바나듐 전해액을 사용하는 배터리이다. 간략히 바나듐 배터리라고 한다. 한국의 배터리 전문업체 스탠다드에너지㈜가 세계 최초로 개발했다. 바나듐이온 배터리(VIB)는 바나듐(Vanadium) 전해액의 전기화학반응을 통해 전기를 충전하고 방전한다. 바나듐이온 배터리는 바나듐 레독스 흐름 배터리(Vanadium Redox Flow Battery, VRFB)와는 전해액을 빼곤 완전히 다른 배터리이다. 바나듐이온 배터리는 리튬이온 배터리(Lithium Ion Battery, LIB)와 소재부터 다르고, 구조, 성능, 특성 등 차이가 많다.

개요

바나듐이온 배터리는 전기를 전달하는 주성분인 전해질을 바나듐이라는 광물로 만든다. 이를 리튬으로 만들면 휴대폰이나 전기차에 주로 쓰이는 리튬이온 배터리, 납으로 만들면 내연기관 자동차에 들어가는 납 배터리가 된다. 기존에도 바나듐을 이용한 바나듐 레독스 흐름전지가 있었다. 그런데 흐름전지는 바나듐을 담아 두는 일종의 커다란 연료탱크가 필요해 활용도가 떨어졌다. 바나듐이온 배터리는 과학고를 2년 만에 조기 졸업하고 17세 때 카이스트에 입학해 27세에 대학교수가 돼서 28세 때 스타트업 스탠다드에너지㈜를 창업한 김부기 대표가 세계 최초로 만들었다.

스탠다드에너지㈜가 개발한 바나듐이온 배터리는 전해액(이온이 원활하게 이동하도록 돕는 매개체) 주성분이 물이다. 물은 열용량이 높아 고출력으로 사용해도 열이 거의 발생하지 않는다. 일반적으로 배터리에 송곳으로 구멍을 내면 불이 나는 리튬이온 배터리와 달리 바나듐 이온 배터리에는 불이 안 날 정도로 발화될 가능성이 극히 낮다. 스탠다드에너지 바나듐 이온 배터리는 종이 상자처럼 생겼다. 바나듐 이온 배터리는 발화 가능성이 0%라서 외관을 알루미늄 혹은 비닐 등으로 감싼 일반 배터리와 달리 종이로 쌀 수 있다. 바나듐이온 배터리 효율성은 리튬이온 배터리 평균 효율성(90%)보다 높은 96%이며 바나듐이온 배터리는 충전과 방전을 수 천 번 반복해도 출시 상태의 용량 100%에 가까운 99%로 유지된다.

기술적 특징

효율성

• 96% 효율

배터리에 전기를 충전하고 방전할 때 전기 손실이 적을수록 효율이 높은 배터리인데, VIB는 전기를 100 넣으면 96을 쓸 수 있다. 손실이 4%다. 위스키 만들 때 일년에 2%씩 날아가는걸 angel’s share라고 하는데, 거의 그 수준에 가깝다.

• 용량 안정성

VIB는 8천번 이상 충전과 방전을 반복해도 배터리 용량이 초기 대비 99% 라고 한다. 배터리의 노화가 거의 없다고나 할까, 마치 뱀파이어 처럼 늙지 않는 배터리다. 리튬이온 배터리는 충방전 반복하면 대략 수명이 500-1,000회 정도고 초기용량 대비 80%-90% 수준이 된다고 한다. 스마트폰 새로사고 1-2년 뒤에 배터리 health가 80-90%대로 떨어지는 것을 다들 경험해 봤을 것이다. 스마트폰은 대부분 리튬이온전지 이다.

안전성

• 열 발생 문제 없음

VIB는 충전 방전할때 열이 거의 안 나서 따로 열을 식히지 않아도 된다. 리튬이온 배터리가 들어간 노트북이나 핸드폰을 충전할 때나 사용할 때 기기가 뜨끈뜨끈해지는 그런 현상이 바나듐이온 배터리는 발생하지 않는다는 얘기다. 그렇다고 해서 바나듐 이온 배터리가 노트북이나 핸드폰에 쓰이지는 않을 것이다. 애초에 개발 목적이 ESS용 대용량 고정형 배터리이다. 대용량 배터리라서 크고 무거운데, 이걸 노트북이나 핸드폰에 넣기 위해서 모바일 기기를 일부러 크게 만들지는 않을 것이다.

• 화재 및 폭발 없음

VIB는 전해액으로 물을 사용해서 불이 안 붙는다. H₂O 그 물 맞다. 따라서 배터리를 대량으로 연결해서 만드는 ESS(에너지 저장 장치)에 적합하다고 한다. 불이 안나니까 대도시 건물 내부에 설치해도 안전하다고 본다. 최근 언론에 보도되는 것을 보면 전기차 초고속 충전을 위해 충전소에 설치될 예정이라고 한다.

생산적 특징

소재

• 원자재 가격

VIB 주 재료인 바나듐은 철강산업에서 사용되는 원재료인데, 바나듐 수급은 안정적이고, 바나듐 가격도 큰 변동이 없다.

• 패키징 가격

VIB는 불이 안 나서 추가적인 안전 패키징을 할 필요가 없다. 따라서 패키징 재료의 선택이 자유롭다. 보통 배터리는 패키징 재료로 금속이나 플라스틱을 쓰는데, 스탠다드에너지가 출시한 바나듐 이온 배터리의 경우 재활용 종이를 패키징으로 쓴다. 언론에 공개된 제품 사진을 보면 크리넥스 휴지통 사이즈 정도의 크기이고 패키징으로 재활용지를 쓴 것으로 보인다.

부피

VIB는 발열이나 화재 위험이 없어서 배터리를 상하좌우 원하는 방향으로 연결할 수 있다. VIB를 ESS용 시스템 단위로 구성하는 경우에도, 리튬이온 처럼 배터리 열을 식히기 위한 선풍기나 에어컨을 설치할 별도의 공간을 따로 만들 필요가 없다.

응용

• 통신기지국 : 통신기지국에는 정전을 대비해 즉각 전기를 공급할 수 있는 UPS가 필수이다. 전력 사용량이 4G 대비 최대 3.5배 많은 5G 통신기지국에는 비발화성, 고출력, 빠른 반응성 그리고 장수명을 가진 바나듐 이온 배터리가 최적의 솔루션이다. 바나듐이온 배터리의 ESS는 UPS 기능뿐만 아니라 전력 요금을 줄여주는 상시 전력 보조용으로도 사용 할 수 있다.
• 가정용, 상업용 ESS : 주택과 상업건물에서는 높은 전기료를 절감하는 목적으로 에너지저장장치(ESS)를 사용할 수 있다. ESS 설치를 통해 태양광 발전과 연계를 하거나 심야 유휴 전력을 저장한 후 전력 피크시간에 사용한다면 경제적인 운용이 가능하다. 물론 가정용 ESS는 화재위험이 없어야 하고 영하의 날씨에서도 높은 효율을 유지할 수 있어야 한다. 바나듐이온 배터리를 적용한 가정용 ESS는 이것이 가능하다.
• 전기차 충전소 : 350kW 초급속 충전소는 순간적으로 높은 전력이 필요하고 ESS와 연계하면 그리드의 전력상황과 관계없이 언제나 안정적이고 빠른 전기차 충전이 가능하다. 하지만 도심 속 건물 안 초급속 충전기에 ESS를 연결하려면 무엇보다도 ESS의 안전성이 중요하다. 단 1%의 발화위험성도 없는 바나듐이온 배터리가 적용된 ESS는 도심 속 초급속 충전소에 적합하다.
• 산업용 ESS : ESS는 산업 곳곳에 활용된다. RE100 대응을 위한 신재생에너지, 주파수 조정(FR)용과 전력 수요사업(DR)용으로 활용한다. 빠른 반응 속도는 물론, 단주기부터 장주기까지 운용 가능한 바나듐이온 배터리는 산업용 ESS를 위한 최적의 솔루션이다.
• 국가전력망 ESS : ESS는 전력망에서 마이크로그리드와 송배전 보조용으로 사용할 수 있다. 분산전원의 중심인 마이크로그리드에서 전기를 저장하고 장시간 전기를 공급할 수 있다. 또한 다양한 전력수요에 효율적으로 즉각 대응할 수 있다. 경제적인 유지보수가 가능하고 고효율과 고신뢰성을 가진 바나듐이온 배터리는 전력망 연계 ESS에 적합하다.

참고자료

• 스탠다드에너지㈜ 공식 홈페이지 - https://stndenergy.com/
• 〈바나듐 이온 배터리〉, 《위키백과》
• 최연진 기자, 〈27세에 교수 된 천재와 돌연변이들이 세계 최초로 만든 바나듐 이온 배터리〉, 《한국일보》, 2021-04-27
• 신수현 기자, 〈"송곳으로 구멍 내도 절대 불 안 나요"…`바나듐 이온 배터리` 도전 나선 벤처〉, 《매일경제》, 2021-05-31

같이 보기

• 바나듐 배터리
• 스탠다드에너지㈜
• 리튬이온 배터리
• 김부기

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