KAIST, AI 데이터센터 전력 수요 대응할 대용량 ESS 핵심 공정 개발

바나듐 전해질 생산시간 67% 단축…롯데케미칼과 국내 특허 등록

인공지능 산업의 확산으로 대규모 데이터센터의 전력 사용량이 빠르게 증가하는 가운데, 국내 연구진이 초대형 에너지저장장치의 핵심 소재를 보다 신속하게 생산할 수 있는 기술을 개발했다. 장시간 가동되는 AI 데이터센터와 재생에너지 설비에 필요한 대용량 전력 저장 기술의 상용화 속도를 높일 수 있을지 주목된다.

한국과학기술원은 생명화학공학과 김희탁 교수 연구팀이 바나듐 레독스 흐름전지에 사용되는 전해질의 생산 과정에서 발생하던 병목 현상을 규명하고, 이를 해결할 수 있는 새로운 촉매 환원 공정을 마련했다고 밝혔다.

바나듐 레독스 흐름전지는 전기를 저장하는 전해질과 전력을 변환하는 전지 장치를 분리해 운영하는 방식의 에너지저장장치다. 전해질 저장 탱크의 규모를 조절해 저장 용량을 확대할 수 있고, 화재 위험이 상대적으로 낮다는 점 때문에 대규모 전력 저장이 필요한 산업 현장에서 주목받고 있다.

특히 태양광과 풍력 같은 재생에너지는 날씨와 시간에 따라 발전량이 달라질 수 있어 생산된 전력을 저장했다가 필요한 시점에 공급하는 설비가 중요하다. 24시간 가동되는 AI 데이터센터 역시 안정적인 전력 공급이 필수적이기 때문에, 대용량 ESS의 역할은 앞으로 더욱 커질 것으로 예상된다.

그러나 바나듐 레독스 흐름전지를 실제 산업 현장에 대규모로 적용하기 위해서는 전해질 생산에 드는 시간과 비용을 줄여야 한다. 전해질은 배터리 내부에서 전기를 저장하고 방출하는 핵심 물질로, 적정한 산화 상태를 갖춰야 안정적인 성능을 낼 수 있다.

기존 방식은 화학적 환원 반응을 통해 전해질을 만든 뒤 추가적인 전기화학적 환원 과정을 거치는 구조였다. 이 가운데 마지막 전기화학적 환원 단계는 많은 시간이 필요하고 설비 운용 비용도 커 대량 생산을 어렵게 만드는 요인으로 지적돼 왔다.

김희탁 교수 연구팀은 전해질이 배터리 작동에 적합한 상태로 변화하는 과정에서 반응 속도가 급격하게 낮아지는 구간을 분석했다. 연구진은 바나듐의 산화 상태가 변하는 중간 단계에서 반응이 지연되는 현상을 확인하고, 해당 구간이 전체 생산시간을 늘리는 핵심 원인이라고 판단했다.

연구팀은 이 병목 구간을 해결하기 위해 기존의 전기화학적 환원 방식 대신 백금과 탄소를 결합한 Pt/C 촉매를 활용했다. 전기를 이용해 추가 환원을 진행하는 방식에서 벗어나 촉매 반응으로 필요한 전해질 상태를 구현하도록 공정 구조를 바꾼 것이다.

실험 결과 새로운 공정을 적용했을 때 바나듐 레독스 흐름전지용 전해질 생산시간은 기존 방식보다 67% 감소했다. 생산시간을 줄이는 동시에 전해질 내부에 남아 배터리 성능에 영향을 줄 수 있는 잔류 옥살산도 제거할 수 있었다.

촉매의 장기적인 사용 가능성도 확인됐다. 연구진은 동일한 촉매를 2,500회 이상 반복 사용한 뒤에도 뚜렷한 성능 저하 없이 전해질을 안정적으로 생산할 수 있었다고 설명했다. 촉매를 자주 교체하지 않고 지속적으로 사용할 수 있다는 점은 실제 산업 공정에서 비용 부담을 낮추는 요소가 될 수 있다.

이번 기술은 단순히 실험실에서 반응 속도를 높이는 데 그치지 않고, 전해질 생산 공정 전체를 산업 적용 관점에서 다시 설계했다는 점에서 의미가 있다. 대용량 ESS가 경제성을 확보하려면 전지 성능뿐 아니라 핵심 소재의 생산성과 공정 안정성, 반복 사용 가능성을 함께 충족해야 하기 때문이다.

연구팀이 개발한 관련 공정 기술은 롯데케미칼과 공동으로 국내 특허 등록을 마쳤다. 해외 특허도 출원 절차가 진행 중이다. 기업과의 공동 특허 확보는 이번 연구가 상용화를 고려한 기술 개발이라는 점을 보여주는 대목이다.

바나듐 레독스 흐름전지는 전해질이 외부 탱크에 저장되는 구조여서 장시간 전력 공급이 필요한 대규모 설비에 적합한 기술로 평가된다. AI 데이터센터, 재생에너지 발전단지, 전력망 안정화 설비처럼 많은 전력을 장시간 저장해야 하는 환경에서 활용 가능성이 거론되는 이유다.

다만 이번 연구는 핵심 전해질의 생산 효율을 높인 기술에 해당하며, 실제 상용화 과정에서는 전체 시스템의 구축 비용과 장기 운전 안정성, 전해질 관리, 설비 규모와 같은 요소도 함께 검토돼야 한다. 연구진은 새 공정이 바나듐 전해질 대량 생산을 설계하는 데 실질적인 기준을 제공할 수 있을 것으로 보고 있다.

김희탁 교수는 이번 연구가 산업 현장에서 장시간 소요되던 생산 단계를 개선한 성과라며, 대용량 에너지저장 기술의 상용화 시기를 앞당기는 데 도움이 될 것으로 전망했다.

연구는 KAIST 생명화학공학과 석경화 박사과정 연구원이 제1저자로 참여해 수행했다. 연구 결과는 에너지 소재 분야 국제학술지인 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼스’ 온라인판에 게재됐다.

AI 데이터센터의 전력 수요 확대와 재생에너지 보급이 동시에 진행되면서 전기를 안정적으로 저장하고 공급하는 기술의 중요성은 계속 높아지고 있다. 이번에 개발된 촉매 기반 전해질 생산 공정은 대용량 ESS의 제조시간과 생산비용을 줄일 수 있는 기반 기술로서, 향후 바나듐 레독스 흐름전지의 산업 적용 확대에 기여할 것으로 기대된다.