흐름 전지(Flow Battery)는 이차전지의 한 종류이며 충전과 방전의 원리는 전기에너지를 화학에너지 형태로 바꿔주는 원리는 동일합니다. 다만 기존 배터리와는 다르게 전기 에너지를 저장하는 형태가 다르다는 점이 큰 특징입니다.
흐름 전지(Flow Battery) 원리
흐름 전지(Flow Battery)란 명칭의 의미는 외부 탱크 안에 있는 액체 전해질을 강제 펌프를 통해 셀(멤브레인, 전극)을 통과시키면서 전기 에너지를 만들어내는 원리이기 때문에 흐름 전지란 명칭을 사용하고 있습니다.
기존 배터리는 단일 셀의 한쪽은 양극과 한쪽은 음극의 형태에서 에너지 변환과 저장 메커니즘으로 분리되지만, 레독스 흐름 전지는 에너지 저장 물질인 전해질이 펌프와 같은 에너지 변환기와 같은 메커니즘을 이용하여 이동하고 운반된다는 점에서 3차 전지인 연료전지와 유사한 부분이 있습니다. 결국 전해질 재료를 이용하여 전자를 얻고 잃는 산화와 환원반응을 통해 전력을 생산하는 원리입니다.
대표적인 원리를 정리하면 활물질을 녹인 전해액을 외부탱크에 저장한 후 펌프를 이용하여 강제 순환을 함으로써 전극에 전해액을 공급하는 형태입니다. 이때 전극 표면에 산화반응과 환원반응이 일어나고 이때 발생하는 전기 에너지를 전해질에 저장하는 원리입니다.
흐름전지 종류와 특징
흐름 전지의 전해질은 대표적으로 바나듐을 사용하고 있으며, 이외에 철-크롬, 철-철, 아연-브롬 등을 사용하고 있습니다. 전해질에 따라 작동 원리가 달라지는데 일반적으로 3가지 메커니즘으로 구분됩니다.
레독스 흐름 전지(Redox Flow Battery)
흐름전지의 일반적인 형태가 바나듐 전해질을 사용하여 산화 반응과 환원 반응을 이용한 기술입니다. 대표적인 레독스 흐름전지가 바나듐 레독스 흐름 전지이며, 바나듐의 4가지 산화상태인 음극역할(V2+/V3+), 양극역할(V5+/V4+)이 산화, 환원반응에 활용되면서 충전과 방전의 메커니즘을 만들어 냅니다.
하이브리드 흐름전지(Hybrid Flow Battery)
액체-고체의 전이반응을 이용한 기술입니다. 즉, 액상의 전해질과 한쪽은 고체 전극을 사용하는 것이며, 대표적으로 아연-브롬 흐름 배터리입니다. 추가로 아연은 과거부터 1차 전지의 음극재로 사용되고 있는 소재이기 때문에 저렴하고 안정적인 금속에 속합니다.
아연-브롬 흐름 배터리는 양극에 브롬화 아연 전해질이 세팅되어 있으며 충전할 때는 아연이 양극에 전기도금이 되는 과정으로 음극에서는 브롬이 생성됩니다. 방전할 때는 반대되는 과정으로 이루어집니다.
아연-브롬 흐름전지의 특징으로 보면 고정식 에너지 저장장치에 적용하기에 더 적합하다고 알려져 있습니다.
- 과거부터 사용하던 소재이기 때문에 저렴하고 안정적으로 구현가능하다는 것이 장점입니다. 또한 쿨링 시스템이 필요 없기 때문에 공정상 상대적으로 저렴합니다.
- 다만 에너지 밀도가 낮으며 충전과 방전의 속도면에서 다른 이차전지보다 느립니다.
- 수명 유지관리를 하기 위해서는 주기적으로 완전히 방전을 해야만 수상돌기로 인한 배터리 손상을 줄일 수 있습니다.
레독스 흐름전지와 하이브리드 흐름전지는 이온 투과성을 갖는 멤브레인이 적용되며, 양극의 전해질과 음극의 전해질을 분리하는 방법은 동일합니다. 따라서 전해질이 섞이는 것을 방지해야 하기 때문에 잘 설계된 멤브레인이 필수적입니다.
멤브레인리스 흐름전지(Membrane-less Flow Battery)
전해질 분리가 필요 없거나 분리 자체가 자연스럽게 가능한 차단제 같은 원리로 맴브레인이 없는 기술이 적용된 흐름전지 입니다. 아직까지는 리튬 이온 배터리와 같이 활성화된 기술이 아니기 때문에 다양한 기술개발이 필요할 것으로 알려져 있습니다.