바나듐 이온 배터리 Vanadium Ion Battery
시작
2021년
제조업체
스탠다드에너지
영어로 Vanadium Ion Battery (VIB)라고 하는 바나듐이온 배터리는 바나듐 전해액을 사용하는 새로운 이차전지로 한국의 배터리 전문업체 스탠다드에너지가 세계최초로 개발했다. VIB는 바나듐 전해액의 전기화학 반응을 통해 전기를 충전하고 방전한다. 바나듐 레독스 흐름전지(Vanadium Redox Flow Battery, VRFB)와는 전해액을 빼곤 완전히 다른 배터리다. 리튬 이온 전지(Lithium Ion Battery, LIB)랑은 당연히 소재부터 다르고, 구조, 성능, 특성 등 차이가 많다.3 화재 위험성이 없고 SOH 열화 없이 20년 이상 사용가능하며, 에너지 효율이 높다는 특징을 갖고 있다. 또 재활용률이 높아 환경 친화적 이라는 평가를 받는다.
배터리 특성
배터리 성능
97.5% 의 효율
배터리에 전기를 충전하고 방전할 때 전기 손실이 적을수록 효율이 높은 배터리인데, VIB는 전기를 100 넣으면 96을 쓸 수 있다. 손실이 4%다. 위스키 만들 때 일년에 2%씩 날아가는걸 angel’s share라고 하는데, 거의 그 수준에 가깝다.
4C의 고출력
리튬이온전지의 2배 가까이 되는 출력이라고 한다. 리튬이온이 2-3C가 최고 출력이라고 통상 알려져 있으니 바나듐이온 배터리는 4-6C 정도이다.5 특히 ESS로 활용할 경우 타 배터리 대비 공조장치가 최소화되어 더욱 효과적이다.
배터리 내구성
수명과 용량 안정성(SOH)
VIB는 5만 번 이상 완전 충전과 방전(DOD 100%)을 반복할 수 있으며, 이 정도의 수명의 리튬이온 기준으로 보면 약 25배에 달한다.6 50회 충방전을 끝낸 배터리 용량은 최초 대비 99%이다. 배터리의 노화가 거의 없다고나 할까, 마치 뱀파이어처럼 늙지 않는 배터리다.7 즉, 이론상 수명은 무한대에 가까우며 보수적으로 보더라도 최소 20년 이상 운용이 가능하다. 리튬이온 전지 중 NCM 계열은 충방전을 반복 시 대략 Cycle 수명이 2,500회 이하이며, LFP는 그 보다 낫지만 Cycle 수명이 5,000회가 넘어가면 초기 SOH의 60% 이하로 떨어진다. 스마트폰 새로사고 1-2년 뒤에 배터리 health(SOH)가 80-90%대로 떨어지는 것을 다들 경험해 봤을 것이다. 스마트폰은 대부분 리튬이온전지이다.
배터리의 안전성
열발생 거의 없음
VIB는 충전 및 방전할 때 열이 거의 안 나서 따로 열을 식히지 않아도 된다. 리튬이온 배터리가 들어간 노트북이나 핸드폰을 충전하거나 사용할때, 기기가 뜨끈뜨끈해지는 현상이 바나듐이온 배터리에서는 발생하지 않는다.8 그렇다고 바나듐 이온 배터리가 노트북이나 핸드폰에 쓰이지는 않을 것이다. 개발 목적이 ESS용 대용량 고정형 배터리이다. 대용량 배터리라서 크고 무거운데, 이걸 노트북이나 핸드폰에 넣으려고 모바일 기기를 지금보다 크게 만들지는 않을 것이기 때문에.
화재 가능성 0%
VIB는 전해액으로 물을 사용해서 불이 안 붙는다. H2O 그 물 맞다. 안전하다는 점이 배터리를 대량으로 연결해서 만드는 ESS(에너지 저장 장치)에 더욱 적합하다고 한다. 불이 안나니까 대도시 건물 내부에 설치해도 되고, 최근 언론 보도에 따르면 전기차 초고속 충전을 위해 충전소에 설치될 예정이라고 한다.10 2차전지는 외부 충격으로부터 안전성 여부를 검증하기 위해 드릴 관통시험이라는 것을 하는데, 최근 외부인을 초청해 드릴로 배터리를 뚫어도 폭발하지 않는 안정성을 입증하고 이를 언론에 공개했다.1112
자유로운 설치 방식
VIB는 발열이나 화재 위험이 없어서 배터리를 상하좌우 원하는 방향으로 연결할 수 있다. VIB를 ESS용 시스템 단위로 구성하는 경우에도, 리튬이온처럼 배터리 열을 식히기 위한 선풍기나 에어컨을 설치할 별도의 공간을 따로 만들 필요가 없다. 최근에 나온 제품은 타일형으로 자유자재로 설치가 가능하다.
생산
버티컬 구조
스탠다드에너지는 한 언론사와의 인터뷰에서 배터리 생산에 있어 소재부터 완제품까지 모두 자체적으로 생산한다고 밝혔다. 이는 리튬이온배터리 생산 과정과 비교했을 때 상당한 차이점 이라고 할 수 있다. 리튬이온의 경우 음극과 양극제는 자체 생산을 하지 않는 경우가 대부분이다.
소재
바나듐 원자재
VIB 주 재료인 바나듐은 철강산업에서 사용되는 원재료인데, 바나듐 수급은 안정적이고, 바나듐 가격도 큰 변동이 없다.16
종류
VIB ESS
스탠다드에너지가 소재부터 시스템까지 직접 개발하고 생산한 세계 최초의 ESS로, 타 ESS 대비 고출력으로 장시간 안정적으로 운용 가능하며, 내부설비 최소화로 공간효율성과 에너지밀도를 증대시킨 초혁신적인 ESS이다.
에너지타일
2024년에 개발된 신제품으로 타일형태로 제작되어 실내 어디에서나 자유자재로 설치가 가능하다.17 2025 CES 혁신상을 수상하였다.
현황
바나듐 이온 배터리는 2023년 단체표준이 제정되었고 2024년 인증을 취득하였다. 한국내 다수의 고객사들이 사용하고 있으며, 바나듐 이온 배터리를 제조하는 스탠다드에너지는 생산시설 확장 및 해외시장 진출을 구상하고 있다.
용도
AI 데이터센터
AI 데이터센터의 증가로 전력 수요가 폭발적으로 증가하고 전력 사용의 변동성도 커지게 된다. 한편 데이터 센터는 한번의 화재로도 천문학적인 손실이 발생하므로 절대적인 안전성이 요구된다. VIB ESS는 급격한 전력수요의 변동성과 화재가능성이 0%여서 데이터센터에 필수요소이다.
전기차 충전소
주유소 수준의 전기차 충전을 위해서는 15분 이내에 충전 가능한 초급속 충전기가 필요하다. 이 경우 전기차 1대의 초급속 충전을 위해 일시적으로 수백 가구가 쓰는 전력을 사용하게 되고, 이는 그리드망을 불안정하게 한다. VIB ESS는 초급속으로 충방전이 가능하면서, 도심에 설치해도 안전하므로 전기차 충전소에 제격이다.
LS계열의 E1이 전국 LPG충전소에 초급속 전기차 충전기를 설치하고, 스탠다드에너지의 바나듐 이온 배터리 기반 ESS와 연계하여 미래차 충전 인프라를 조성할 것이라고 발표했다. 2022년 5월 18일 양사가 업무협약(MOU)을 체결했다.24 점차 전기택시 숫자가 급증하면서 전기 택시가 충전을 할 공간에 대한 수요가 늘어나고 있어, E1이 자체 보유 LPG 충전소에 스탠다드에너지의 VIB ESS를 연계한 전기차 급속 충전시설을 설치하겠다는 계획으로 보인다.
가정 및 소규모 점포(사업장)
과거와 달리 가정에서 다양한 가전제품을 사용하여 전기 사용량이 2000년 초 대비 30% 이상 증가하였다. 그로 인해 전기요금에 대한 부담이 커지고 있으며, 노후 주택 및 아파트의 경우 용량 포화 등 문제점이 발생하고 있다. 또한 무인 점포 등 전기를 많이 사용하는 곳에서는 일정 이상 사용 시 누진제에 의해 전기요금이 기하급수적으로 상승한다.
일본, 호주, 미국 등 해외에서는 이미 가정 및 소규모용 ESS가 많이 상용화되어 있다. 문제는 이러한 가정, 소규모 ESS는 배터리 열폭주에 의한 화재 발생 시 이를 예방하거나 소화 할 수 있는 안전장치가 전무하거나 거의 없다는 것이다. 실제로 가정용 ESS가 많이 설치 된 호주 및 일본에서는 연간 최소 10건 이상의 가정용 ESS 화재가 발생하고 있으며, 이로 인해 재산 및 인명 피해가 발생하고 있다.
하여, 배터리 열폭주가 발생하지 않으며 화재로부터 절대 안전한 VIB ESS를 사용하면 전기요금을 절감하면서 안전하게 전력을 공급받을 수 있을 것으로 기대된다.
한편 스탠다드에너지는 다수의 건설사와 VIB ESS를 이용한 태양광 연계형 제로에너지빌딩을 구축 중에 있다.25
재생에너지
태양광, 풍력 발전 등 재생에너지 발전은 불안정성이 높고, 수요와 공급의 불일치가 발생한다. ESS를 이용하면 이러한 불안정성을 해소할 수 있다. 한편 도심지에 ESS를 활용하기 위해서는 안전성이 중요한데, 오직 화재가 나지 않는 VIB ESS만이 도심지 등 인구밀집지역에 설치된 재생에너지를 보조할 수 있다.
선박
선박 화재 발생 시 인명피해는 물론이고 대규모 재산피해 및 해양 생태계에 심각한 악영향을 미칠 수 있다. 리튬이온배터리는 화재의 위험성 때문에 선박에 사용하기 부적합하다. 선박에 화재에 안전한 VIB를 활용하면 안전한 선박을 만들 수 있다.
2022년 1월 한국조선해양은 바나듐이온 배터리 기반으로 차세대 선박용 ESS 솔루션을 개발하기로 했다. 바나듐이온 배터리 개발사인 스탠다드에너지와 선박용 고안전성 ESS 개발 및 상용화, 소형 선박 해상 실증, 선급 인증 및 규정 완화, 전기추진선, 전력운송선 등 차세대 선박 개발에 상호 협력한다는 것이다.26 롯데케미칼의 사내벤처인 라이콘(LICORN: LOTTE CHEMICAL INVENTIVE UNICORN)은 '가능성호'라는 보트를 제작하였는데, 이 보트 안에 스탠다드에너지가 제작한 ESS가 실제 탑재됐다.27 이 보트는 서울 잠실 롯데타워 앞 아레나 광장에 전시된 바 있다.
산업
통신 기지국
전력망 연계형
군사
향후 전망
바나듐 이온 배터리는 고성능 장수명에 리튬인산철 배터리(LFP) 대비 25%가 저렴하기 때문에 스탠다드에너지는 바나듐 이온 배터리가 ESS시장의 대표 배터리가 될 것으로 전망하고 있으며, 바나듐 이온 배터리를 통해 전력시장의 새로운 기준을 세우고 에너지 평등을 실현할 계획이다.
Vanadium ion batteries (ViBs), also known as vanadium redox batteries (VRBs) or vanadium flow batteries (VFBs), are a type of rechargeable flow battery that utilizes vanadium ions as charge carriers. They offer several advantages over lithium-ion batteries, including higher energy efficiency, longer lifespan, and greater safety.
Key Features and Advantages:
High Energy Efficiency:
ViBs boast an energy efficiency of 96%, allowing them to store and deliver energy with minimal loss.
Long Lifespan:
They are engineered to last 25+ years, even under demanding renewable energy storage applications, whereas other technologies typically require replacement within 5-10 years, according to Invinity Energy Systems [4, 10].
Safety:
ViBs use water-based electrolysis, eliminating the fire risks associated with lithium-ion batteries. They are also safe under various stress conditions, including overvoltage, overcharge, and high temperatures, according to STANDARD ENERGY .
Scalability:
They store energy in liquid electrolytes, making them easily scalable by increasing the size of the storage tanks, according to Sumitomo Electric.
Versatility:
They are suitable for both short-term and long-term energy storage systems, and can be used for grid stabilization and renewable energy integration.
Low Degradation:
Some ViBs, like those developed by Standard Energy, have shown very low degradation rates, with only 1% degradation after 20,000 testing cycles.
Sustainability:
They are considered a promising energy storage technology due to their safety, longevity, and environmental benefits, according to ScienceDirect Topics.
Applications:
Grid Energy Storage:
They are particularly well-suited for large-scale energy storage applications, such as grid stabilization and renewable energy integration.
Urban Energy Storage:
They can be used in urban environments to transform buildings into virtual power plants, integrating seamlessly with power grids.
AI Data Centers:
They can provide reliable power supply and optimized operations for AI data centers.
Renewable Energy Integration:
They help integrate renewable energy sources like solar and wind into the grid.
에너지저장장치(ESS) 시장 내 리튬이온전지를 대체할 배터리 개발이 활발한 가운데, ‘차세대 전지’로 불리는 바나듐 배터리가 성능을 획기적으로 높일 기술로 주목받고 있다.
9일 코트라와 시장조사기관 블룸버그 뉴에너지파이낸스(BNEF)에 따르면 글로벌 ESS 시장은 2030년에 2620억 달러(340조원) 규모로 예측된다. 현재는 리튬이온, 리튬인산철(LFP) 배터리를 주요 저장 장치로 사용하고 있지만, 바나듐배터리, 수소연료전지 등이 앞으로 성장할 것으로 예상하고 있다.
주요 조사 기관마다 추정치는 다르지만 2030년께 바나듐배터리의 ESS 시장 내 점유율을 30% 안팎으로 가정하고 있는 만큼 바나듐 ESS의 성장 잠재력은 높이 평가 받고 있다.
무엇보다 현재 많은 산업 현장에서 널리 쓰이는 리튬이온전지는 △저온 환경에서의 성능 저하 △반복되는 충방전에 의한 수명 단축 △높은 중국 원자재 의존도 △화재·폭발 위험 등의 취약한 단점이 있다.
이에 대한 대안으로 바나듐 배터리가 급부상 중이다. LFP는 화재 위험을 줄였으나 효율면에서 열위에 있다. 바나듐 배터리는 출력이 리튬이온전지보다 두 배 가까이 높고 배터리 효율성도 97%에 달한다. 저온 환경에서도 성능이 저하되지 않으며, 충·방전 사이클이 1만 5000회 이상으로 1200회인 리튬전지보다 수명이 10배 이상 길다.
또 리튬은 대부분을 해외 수입하는 비싼 원자재이지만 바나듐은 국내에도 매장량이 많고 저렴해 안정적 조달이 가능하다. 물 기반 전해액을 사용, 인체 유해성·화재 위험이 낮으며 전력을 장시간 충·방전할 수 있다.
특히 국내 연구진은 최근 바나듐 배터리 성능을 큰 폭 향상시킬 새 분리막 기술을 개발했다. 이 기술을 적용한 바나듐 레독스 플로 전지(VRFB)는 자연방전 걱정없이 2800시간 동안 안정적이면서도 기존 대비 30% 이상 높은 충·방전 효율을 보였다.
바나듐 배터리는 전기차 충전소, ESS, 전력망 고도화, 선박 등 다양한 분야에 활용될 전망이다. 특히 보급이 빠르게 늘고 있지만 화재에는 취약한 전기차 충전소와 ESS분야에서 게임체인저가 될 것으로 기대를 받고 있다.
현재 글로벌 기업들 중심으로 성장하고 있지만 국내 기업들의 바나듐 배터리 시장 공략 속도도 빨라지고 있다.
국내 기업 중에선 롯데케미칼이 지난 2019년 바나듐 이온 배터리용 전해액 사업을 시작해 여수에 바나듐 배터리 전해액 공장을 준비 중이다. 지난해는 바나듐이온배터리(VIB) 제조업체인 스탠다드에너지의 지분을 확보했다. 스탠다드에너지는 세계 최초로 VIB를 개발한 업체다. 스탠다드에너지는 E1과 LPG 충전소 내 전기차 충전소용 VIB ESS를 설치할 계획이며 현대중공업과 선박용 ESS 솔루션 개발 협업을 진행하고 있다.
한화솔루션은 VRFB 전문기업인 에이치투에 전략적 투자를 단행했다. 에이치투는 내년 상업 운전을 목표로 2020년부터 미국 캘리포니아에 美 최대 규모인 20MW급 VRFB 발전소를 짓고 있다. 또 울산 화력발전소를 비롯해 폴란드 신재생에너지국책연구소(KEZo) 등 14곳에 ESS를 공급했으며 국내 ESS 화재 안전 기준의 규제 샌드박스 실증 특례를 승인받았다.
코센은 최근 바나듐 배터리를 신성장동력으로 삼고 VRFB 전문기업 엑스알비의 지분 28%를 취득해 2대주주로 올라섰다. 이 업체가 특허 출원중인 확장형레독스배터리(XRB)는 기존 VRFB의 단점을 보완한 제품이다. XRB는 설계 특성상 고출력·고효율의 장주기 ESS용으로 사용이 가능하다. 또 기존 VRFB의 적용을 통해 종래 수준의 2~3배 이상 높은 고출력 특성을 구현했다.
엑스알비는 현재 국내에서 유일하게 국산 기술과 국산 장비를 통해 사업화를 진행 중이다. 현재 공인기관으로부터 자체 개발한 바나듐 배터리 시험 성적 승인을 기다리고 있다. 용량을 키운 상용화 제품도 출시할 예정이다.
바나듐 / 반듐
Vanadium / Vandium
주기율표에서 첫번째로 5족에 속하는 전이 원소로, 1830년 스웨덴의 화학자 N.G.세프스트룀이 스웨덴산 철광석에서 새로운 원소를 발견하여, 스칸디나비아의 사랑과 미(美)의 여신 바나디스(Vanadis)의 이름을 따서 명명하였다. 잘 모르는 사람이 보면 바나나라고 착각하기도 한다
전 세계 바나듐 생산량의 50%는 중국에서 생산되며 그 양은 약 950만 톤에 달한다. 러시아는 25%를 생산하며 남아프리카 공화국에서 17%를 생산한다.
역사
1801년에 델 리오에 의해 발견된 원소이다. 발견 당시, 델 리오는 화합물의 색이 다채로워서 그리스어로 Pan(Παν)(모든)+Kroma(κρωμα)(색)에서 유래된 '판크로뮴(Panchromium)'이라는 이름으로 새로운 원소의 발견을 신고했는데, 화합물 대부분이 가열시 적갈색으로 변하는 것을 보며, 적갈색이라는 의미의 Erythron(Ἐρυθρόν)를 어원으로 한 에리트로늄(Erythronium)으로 변경했다. 하지만 어른의 사정으로 인해 정식으로 발표하지는 못했다. 게다가 '이것은 새 원소가 아니라 크로뮴이다'라는 지적을 받게 되어, 자신을 잃은 그는 스스로 발견을 철회하기에 이른다. 그로부터 약 30년 후, 새 원소는 스웨덴의 과학자 세프스트룀에 의해 다시 발견되어 '바나듐'이라고 명명되었다. 후에, 그 원소는 델 리오가 발견한 판크로뮴과 동일물이라는 것이 확인되어 델 리오야말로 최초의 발견자라는 것이 확증되었다.
용도
철과 각종 합금의 첨가물로 많이 쓰인다. 내충격성과 내진동성이 강해지므로 스프링 등에 쓰이기도 하고, 특히 탄소강에 첨가할 경우 바나듐이 탄소와 결합해 대단히 경도 높은 카바이드를 형성하여 내마모성이 극히 강해지므로 공구강이나 고급 도검용 강재에는 몰리브데넘 등과 함께 반쯤 필수로 들어간다. 다마스쿠스 강을 만드는 우츠 철광석에도 바나듐과 몰리브데넘이 들어있어서 특유의 강도와 무늬를 낸다고.
다만, 외연, 내연 불문하고 각종 열기관에서 고온부식이라고 하는 현상을 일으키는 문제가 있는데, 바나듐 산화물이 고온상태에서 금속표면의 보호피막을 녹여버릴뿐만 아니라, 중유연소시에 생기는 황산부식을 부채질하기 때문이다. 따라서 이러한 기관에 사용하는 연료유에는 반드시 고온부식 방지 첨가제를 넣는다.
한때는 경도가 높고 변형이 잘 일어나지 않는다는 물리적 특성 때문에 임플란트의 주 재료로 쓰여졌으나, 체액과 반응하여 독성을 띤다는 사실이 발견된 이후로는 전혀 쓰이지 않는다.
또, 자연계에는 특정한 원소를 빨아들여 농축시키는 생물이 존재한다. 군소나 갯민숭달팽이, 멍게 등은 '바나듐 세포'라는 것을 가지고 있는데, 거기에는 산화바나듐과 단백질이 결합해서 생긴 색소가 다량 포함되어 있다. 이 세포는 헤모글로빈과 마찬가지로 산소운반능력을 갖고 있다고 여겨지지만 아직까지 명백히 밝혀지지는 않았다. 바나듐은 당뇨병환자의 회복을 돕는 작용이 있다는 것이 확인되었다.
오산화바나듐은 황산 제조시 촉매나 도자기의 유약으로 쓰인다.
흐름전지(플로우 배터리)라는 산업용 대형 축전지 또는 에너지 저장시설에서 전해액으로 쓰인다. 바나듐은 화학적 기계적으로 강한 금속이라 플로우 배터리의 충방전 수명이 매우 길어져 유망한 재료. 바나듐 흐름 전지와 바나듐 이온 전지가 차세대 ESS로 여겨지는 관계로 사용처가 늘어날 것으로 보인다. 화성 일차전지 제조공장 화재 사고와 인천 청라동 아파트 지하주차장 전기차 화재 사고로 리튬 이온 전지4에 대한 경각심이 높아진 만큼 대체 배터리에 대한 수요가 높아질 것으로 보여 주목받고 있다.
화산지형에서 나오는 물에는 바나듐이 포함되어 있는 경우가 있다. 제주 삼다수 역시 바나듐이 미량 함유되어 있으며 일본에서는 인위적으로 바나듐을 첨가한 물을 팔기도 한다. 리튬과 함께 유이하게 인체 질병과 상관관계가 있는 연구 결과로 미네랄 워터가 정제수보다 낫다는 몇 안되는 근거로 쓰였지만 이후 모든 바나듐 화합물이 인체에 해롭다는 것이 밝혀지면서 주춤하고 있다. 미네랄이든 정제수든 둘 다 사람에게 해롭다 애초에 바나듐은 음용으로는 인체에 흡수되지 않는다.
바나듐 시세는 국제 고장력 강관의 수요에 비례한다. 사용처가 넓지 않아서 그런데, 그 덕에 수요 예측이 상대적으로 쉬운 편이다. 그러나 2000년대 들어 플로우 배터리 등 바나듐의 수요가 폭증하여 이전의 10배 넘게 폭등 하는 등 극심한 변동을 겪었고 여전히 수급불안을 겪고 있다. 이는 바나듐 전지의 앞날을 어둡게 하고 있다.
바나듐은 그 수용액의 산화상태(V(V), V(IV), V(III), V(II))에 따라 색깔이 변하는 특징을 가지고 있으며, 각 산화 상태 역시 안정적인 상태이다. 각각 노란색, 파란색, 남색, 보라색을 보인다.
국내 바나듐 매장량이 상당한 것으로 알려져 있으며 포천, 옥천 지대에 밀집되어 있는 것으로 알려져 있다