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대표적인 2차전지인 리튬-이온 전지를 대체할 수 있는 수계 레독스 흐름 전지는 낮은 원가, 낮은 발화 위험,
그리고 20년 이상의 장수명 특성을 가져 신재생 에너지와 연계한 에너지저장장치(ESS)로 활용할 수 있다.

한국과학기술원(KAIST)는 화학과 변혜령·백무현 교수 연구팀, POSTECH 화학과 서종철 교수팀이 공동연구를 통해
수계 레독스 흐름전지에 활용할 높은 용해도의 안정한 유기 활성 분자를 개발했다고 23일 밝혔다.

연구팀은 유기 분자의 설계를 통한 수계 레독스 흐름 전지 개발 연구에 집중했다.
유기 분자는 다양한 합성 디자인을 통해 용해도, 전기화학적 레독스 전위 등을 조절할 수 있어
바나듐보다 높은 에너지 저장이 가능한 유망한 활성물질의 후보군이다.

대부분의 유기 레독스 활성 분자들은 낮은 용해도를 가지거나 레독스 반응 시 화학적 안정성이 낮은 문제점을 가지고 있다.
활성 분자들의 용해도가 낮으면 에너지 저장 용량이 낮아지며, 분자의 화학적 안정성이 낮으면 사이클 성능의 감소가 나타난다.

연구팀은 나프탈렌 다이이미드(naphthalene diimide, NDI)를 활성분자로 사용했는데,
NDI는 높은 전기화학적 안정성을 가짐에도 수계 전해액에서 낮은 용해도를 가져 지금까지 연구가 많이 이루어지지 않았다.

NDI 분자는 물에 거의 용해되지 않지만, 연구팀은 NDI에 4개의 암모늄 기능기를 도입해 용해도를 최대 1.5M까지 상승시켰다.
또한, 1M의 개발된 NDI 분자를 중성의 수계 레독스 흐름전지에 사용시 500사이클 동안 약 98%의 용량이 유지됨을 확인했다.

이는 한 사이클 당 약 0.004%의 용량만이 감소하며 총 45일간 작동 시 처음의 용량 대비 오로지 2%만이 감소됨을 의미한다.
또한 개발된 NDI는 한 분자당 2개의 전자를 저장할 수 있어 1M의 NDI를 사용 시 약 2M의 전자 저장이 가능함을 증명했다.

싱 비크람 연구교수, 권성연, 최윤섭 박사과정 연구원이 1 저자로 참여한 이번 연구는
국제 학술지 '어드밴스 머터리얼즈(Advanced Materials)' 2월 7일에 온라인으로 출판됐다.
또한 전자상자성 공명 분석의 KAIST 화학과 이예림 박사과정 연구원 및 임미희 교수팀이 함께 연구를 수행했다.