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에너지부 산하 태평양북서부국립연구소(Pacific Northwest National Laboratory) 연구팀은 전력망 에너지 저장에 최적화된 설계의 플로우 배터리가 1년 이상 연속 충전과 방전에도 에너지를 저장하고 방출하는 능력을 유지했다고 보고했다.
최근 저널에 발표된 연구 줄, 배터리 수명과 용량을 높이기 위해 전분 파생물인 β-사이클로덱스트린이라는 용해된 단순 설탕을 처음으로 사용하는 방법을 자세히 설명합니다. 일련의 실험에서 과학자들은 최대 전력이 60% 더 높아질 때까지 시스템의 화학 물질 비율을 최적화했습니다. 그런 다음 그들은 1년 넘게 배터리를 계속해서 순환시켰고, 플라스틱 튜브가 고장났을 때만 실험을 중단했습니다. 그 동안 플로우 배터리는 재충전을 위한 활동을 거의 잃지 않았습니다. 이는 용량 손실을 최소화하면서 1년 이상 연속 사용을 보고한 최초의 실험실 규모 플로우 배터리 실험입니다.
β-사이클로덱스트린 첨가제는 또한 균질 촉매작용이라고 불리는 과정에서 플로우 배터리 에너지를 저장했다가 방출하는 전기화학 반응을 가속화한 최초의 첨가제입니다. 이는 설탕이 표면에 고체로 도포되는 것이 아니라 용액에 용해되어 있는 동안 작업을 수행한다는 것을 의미합니다.
이것은 플로우 배터리 전해질을 개발하는 새로운 접근 방식입니다.'라고 오랫동안 PNNL 배터리 연구원이자 이번 연구의 주요 조사자인 Wei Wang은 말했습니다. '우리는 에너지 변환을 가속화하도록 설계된 완전히 다른 유형의 촉매를 사용할 수 있음을 보여주었습니다. 또한 액체 전해질에 용해되기 때문에 고체가 떨어져 나가거나 시스템을 오염시킬 가능성이 제거됩니다.\
플로우 배터리란 무엇입니까?
이름에서 알 수 있듯이 흐름 배터리는 두 개의 챔버로 구성되며 각 챔버에는 서로 다른 액체가 채워져 있습니다. 배터리는 전기화학 반응을 통해 충전되며 화학 결합을 통해 에너지를 저장합니다. 외부 회로에 연결되면 전기 장치에 전력을 공급할 수 있는 에너지를 방출합니다. 흐름 배터리는 시스템의 '혈액 공급'과 같은 전해질을 공급하기 위해 끊임없이 순환하는 액체의 외부 공급 탱크 2개가 있다는 점에서 고체 배터리와 다릅니다. 전해질 공급 탱크가 클수록 플로우 배터리가 저장할 수 있는 에너지는 더 많아집니다.
축구장 크기 이상으로 확장되면 흐름 배터리는 전력망의 백업 발전기 역할을 할 수 있습니다. 흐름 배터리는 재생 에너지 자원에서 에너지를 저장하기 위한 탈탄소화 전략의 핵심 기둥 중 하나입니다. 이들의 장점은 PNNL 연구에서와 같이 실험실 벤치 규모부터 도시 블록 크기까지 모든 규모로 구축할 수 있다는 것입니다.
새로운 종류의 플로우 배터리가 필요한 이유는 무엇입니까?
대규모 에너지 저장 장치는 전력망 중단에 대비한 일종의 보험 정책을 제공합니다. 악천후나 높은 수요로 인해 가정과 기업에 전력을 공급하는 능력이 저하되는 경우 대규모 흐름 배터리 시설에 저장된 에너지는 중단을 최소화하거나 서비스를 복원하는 데 도움이 될 수 있습니다. 풍력, 태양광, 수력과 같은 재생 에너지원에서 발전이 점점 더 많이 이루어짐에 따라 이러한 플로우 배터리 시설에 대한 필요성은 더욱 커질 것으로 예상됩니다. 이와 같은 간헐적 전원은 소비자 수요를 충족할 때까지 에너지를 저장할 장소가 필요합니다.
많은 플로우 배터리 설계와 일부 상업용 설치가 있지만 기존 상업 시설은 비용이 많이 들고 얻기 어려운 바나듐과 같은 채굴 광물에 의존합니다. 이것이 바로 연구팀이 쉽게 합성되고 안정적이며 무독성인 보다 일반적인 재료를 사용하는 효과적인 대체 기술을 찾고 있는 이유입니다.
우리는 항상 새로운 물질을 얻기 위해 지구를 파낼 수는 없습니다.'라고 DOE 전기국 에너지 저장 연구 책임자인 임레 규크(Imre Gyuk)는 말했습니다. '우리는 제약 및 식품 산업과 마찬가지로 대량으로 합성할 수 있는 화학 물질에 대한 지속 가능한 접근 방식을 개발해야 합니다.\
플로우 배터리에 대한 작업은 2024년 PNNL의 그리드 스토리지 런치패드(Grid Storage Launchpad) 개장과 함께 가속화될 그리드 규모 에너지 저장을 위한 새로운 기술을 개발하고 테스트하기 위한 PNNL의 대규모 프로그램의 일부입니다.
온화한 '설탕수'는 효과적인 흐름 배터리를 위해 냄비를 달게 합니다.
이 새로운 배터리 디자인을 개발한 PNNL 연구팀에는 유기 및 화학 합성에 대한 배경 지식을 갖춘 연구원이 포함되어 있습니다. 이러한 기술은 팀이 배터리 연구에 사용되지 않았지만 이미 다른 산업 용도로 생산된 재료로 작업하기로 결정했을 때 유용했습니다.
새로운 연구의 첫 번째 저자인 Ruozhu Feng은 “우리는 수성 전해질에 더 많은 플루오레놀을 용해시키는 간단한 방법을 찾고 있었습니다.”라고 말했습니다. 'β-사이클로덱스트린은 어느 정도 도움이 되었지만 실제 이점은 이 놀라운 촉매 능력이었습니다.'
그런 다음 연구원들은 촉매 부스트의 기초가 되는 화학 반응에 대한 선도적인 권위자인 예일 대학의 공동 저자인 Sharon Hammes-Schiffer와 협력하여 이것이 어떻게 작동하는지 설명했습니다.
연구 조사에 설명된 바와 같이, 설탕 첨가물은 양전하를 띤 양성자를 수용하여 배터리가 방전될 때 음전자의 이동 균형을 맞추는 데 도움이 됩니다. 세부 사항은 좀 더 복잡하지만 설탕이 냄비를 달게 하여 다른 화학 물질이 화학적 춤을 완성할 수 있도록 하는 것과 같습니다.
이 연구는 2021년 사이언스(Science) 저널에 처음 기술된 차세대 PNNL 특허 흐름 배터리 설계입니다. 그곳에서 연구원들은 플루오레논(flurenone)이라는 또 다른 일반적인 화학 물질이 효과적인 흐름 배터리 구성 요소임을 보여주었습니다. 하지만 초기 혁신에는 상용화된 플로우 배터리 기술에 비해 공정이 느리기 때문에 개선이 필요했습니다. 이 새로운 발전으로 인해 배터리 설계가 확장 가능한 후보가 되었다고 연구원들은 말합니다.
동시에 연구팀은 베타-사이클로덱스트린과 유사하지만 크기가 더 작은 다른 화합물을 실험하여 시스템을 더욱 개선하기 위해 노력하고 있습니다. 꿀과 마찬가지로 β-사이클로덱스트린을 첨가하면 액체가 더 걸쭉해지며 이는 흐르는 시스템에 이상적이지 않습니다. 그럼에도 불구하고 연구자들은 그 장점이 단점보다 더 크다는 것을 발견했습니다.
새로운 플로우 배터리 설계 내부에서 일어나는 복잡한 화학을 이해하려면 Ying Chen, Xin Zhang, Peiyuan Gao, Ping Chen, Sebastian Mergelsberg, Lirong Zhong, Aaron Hollas, Yangang Lian, Vijayakumar Murugesan, Qian Huang, Eric을 포함한 많은 과학자의 전문 지식이 필요했습니다. Feng과 Wang 외에도 PNNL의 Walter와 Yuyan Shao, Yale의 Benjamin JG Rousseau와 Hammes-Schiffer가 있습니다.