바나듐 레독스 흐름 배터리(VRFB; Vanadium Redox Flow Battery)는 양극과 음극에 사용된 바나듐 전해액이 산화 또는 환원되면서 충전과 방전이 되는 원리로 작동하는 배터리이다. 바나듐 배터리의 일종이다. 바나듐 레독스 흐름 전지 또는 간략히 바나늄 레독스 배터리(Vanadium redox battery)라고도 한다. 영어 약자로 VRFB라고 한다.
바나듐 레독스 흐름 배터리는 레독스 흐름전지의 일종이다. 레독스(redox)는 '환원'(reduction)과 '산화'(oxidation)의 머리글자를 합친 말로서, '산화환원'(reduction-oxidation)이라는 뜻이다.
레독스 흐름전지는 기존 2차전지와는 달리 전해액(electrolytes) 내의 활물질(active material)이 산화-환원되어 충·방전되는 시스템으로 전기에너지를 전해액의 화학적 에너지로 저장시키는 전기화학적 축전장치이다. 실제 전기 화학적 반응은 스택(stack)에서 일어나고 전해액을 유체펌프를 이용하여 스택 내부에 지속적으로 순환시킴으로써 작동한다. 활물질로 사용되는 레독스쌍으로는 V/V, Zn/Br, Fe/Cr, Zn/air 등이 있는데 이 중 V/V, Zn/Br 레독스쌍이 가장 널리 사용되고 있다.
양극과 음극 모두 바나듐을 사용한 레독스 흐름전지를 바나듐계 레독스 흐름전지(VRFB)라고 하며, VRFB의 기본적인 구조 및 충·방전 원리는 그림과 같다. 전지의 충전 시에 스택 내부의 양극에서는 바나듐 4가 이온이 5가 이온으로 산화되고, 스택 내부의 음극에서는 바나듐 3가 이온이 2가 이온으로 환원되며 방전 시에는 이와 반대로 양극에서는 환원 반응, 음극에서는 산화 반응이 일어난다. VRFB는 크게 스택과 전해질, 그리고 전해질을 순환시키기 위한 펌프로 구성된다. 스택은 전기화학적 반응이 일어나는 곳으로 전체 시스템의 출력은 스택의 크기와 개수에 의해 결정된다. 에너지는 양극과 음극의 전해질에 저장되므로 전지의 에너지 용량은 전해질 탱크에 담긴 전해질의 양에 의해 결정된다.
바나듐 흐름전지에서 가장 중요한 건 전해액이다. 전해액은 전지의 용량, 수명, 성능을 결정한다. 뿐만 아니라 전해액이 전지부품 중 가장 높은 비중을 차지하는데, 전해질의 가격이 전체 전지 가격의 절반을 차지할 정도다. [1]
레독스 흐름전지의 원리. 전해질을 녹인 강산성액이 스택을 순환하며 산화-환원 작용을 통해 충전과 방전을 수행한다.
바나듐 레독스 흐름 배터리는 매우 안정적이다. 또 20년 이상 장기적으로 사용이 가능하다. 용량도 원하는 대로 맞출 수 있어 태양광발전소나 풍력발전소처럼 재생에너지와 연계가 용이하다. 하지만 높은 가격이라는 걸림돌이 있다.
VRFB는 전지의 출력과 용량을 서로 독립적으로 설계할 수 있어 출력/용량에 대한 요구가 다양한 에너지저장장치(ESS)에 매우 적합하다. 특히 대용량 VRFB의 경우 그림과 같이 고출력을 위해 수 십 개의 스택을 컨테이너 등에 적층하고, 에너지저장을 위한 양극 및 음극 전해질은 각각 별도의 탱크에 보관하도록 설계하는 것이 일반적이다.
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