균형상태전해질이 바나듐 레독스 흐름전지의 크로스오버를 해결한다Balanced-state electrolytes overcome crossover in vanadium redox flow batteries

막이 아니라 전해질을 비대칭으로 만든다는 발상

바나듐 레독스 흐름전지(VRFB)는 대규모 에너지저장에 가장 유망한 기술 중 하나로 꼽힌다. 양극액과 음극액 모두 바나듐 하나의 원소를 서로 다른 산화수로 쓰기 때문에, 이온이 막을 넘나들어도 활물질 자체가 오염되지 않는다는 독특한 이점이 있다. 문제는 이 막(양이온교환막)의 성능이다. 양성자는 잘 통과시키면서 바나듐 이온은 막아야 하는데, 이 둘은 근본적으로 트레이드오프 관계에 있다. 지금까지 업계는 거의 예외 없이 “더 선택적인 막을 만들자”는 방향으로 이 문제에 접근해왔다.

홍콩과기대·남방과기대 연구팀이 2026년 Nature Communications에 발표한 이 논문은 다른 길을 택한다. 막을 바꾸는 대신, 양극액과 음극액의 농도와 평균 바나듐 원자가를 의도적으로 비대칭화한 “균형상태전해질(BSE, balanced-state electrolyte)“을 제안한다. 그 결과 183µm 두께의 업계표준 Nafion117 막보다 12배 가까이 얇은 15µm 보강막(NC700)을 쓰면서도, 1000사이클 동안의 용량감쇠율을 0.061%/cycle에서 0.015%/cycle로 75.4% 낮췄다.

이 방법은 이온선택성과 양성자전도도 사이의 전통적인 트레이드오프를 극복하며, 1MW/4MWh 흐름전지 시스템의 자본비용을 41.7% 넘게 낮출 잠재력을 보여준다.

이 글은 논문 원문(Article 본문 11쪽)을 전체 통독하고 정리한 것이다. 배경 개념은 본문에 풀어 쓰고, 분석기법 설명은 글 맨 끝 부록에 모아뒀다.

배경 — 크로스오버는 막의 문제만이 아니다

VRFB에서 양극액은 VO2+/VO2+ 산화환원쌍을, 음극액은 V2+/V3+ 산화환원쌍을 쓴다. 이 넷 중 어느 이온이든 막을 넘어 반대편으로 새어나가면 크로스오버가 일어나고, 이는 쿨롱효율과 용량유지율을 갉아먹는 만성적 문제다. 픽의 법칙(J = -D∇C, J는 확산유량, D는 확산계수, ∇C는 막 양쪽의 농도구배)에 따르면 크로스오버는 두 변수의 곱으로 결정된다. 하나는 확산계수(막의 물성)고, 다른 하나는 농도구배(전해질의 조성)다. 그런데 기존 연구는 거의 전부 확산계수를 낮추는 데만 매달렸고, 농도구배 쪽은 상대적으로 주목받지 못했다.

연구팀은 먼저 VRFB를 사이클링하면서 전해질이 어떻게 변하는지 이론적으로 분석했다. Nafion막을 통과하는 바나듐 이온들의 확산속도는 V2+ > VO2+ > VO2+ > V3+ 순인데, 이 속도 차이 때문에 순유량(net flux)이 항상 음극에서 양극 쪽으로 흐른다. 사이클을 반복할수록 양극액은 부피와 농도가 늘고 음극액은 줄어드는 비대칭이 누적되는 것이다.

그림 출처: Wang, Z. et al., Nature Communications 17, 4470 (2026), Fig. 1, DOI: 10.1038/s41467-026-70872-8, CC BY-NC-ND 4.0

N212(51µm) 막을 쓴 셀은 400사이클 후 용량이 67.9% 감쇠했는데, 전해질을 완전히 새것으로 교체하자 용량과 전압효율이 원래 수준으로 거의 회복됐다 — 이는 열화의 상당 부분이 막이나 전극 자체의 영구적 손상이 아니라 전해질의 비대칭 축적 때문이라는 직접적 증거였다. 막을 두껍게 하면 크로스오버 자체는 줄지만 저항이 크게 늘어 전압효율을 해친다는 것도 함께 확인했다.

무엇을 다뤘나 — “균형상태”를 실험적으로 정의하고 역산한다

연구팀의 접근은 반직관적이다. 기존 방식이 양극액과 음극액의 농도·원자가를 대칭으로 맞춰 크로스오버를 억제하려 했다면, 이 논문은 오히려 그 비대칭을 의도적으로 키운다. 양극액 농도를 높이고 음극액 농도를 낮추면, 이 농도구배 자체가 바나듐 이온을 양극에서 음극 쪽으로 밀어내는 역방향 유량을 만든다. 기존의 순유량(음극→양극)과 이 역방향 유량이 서로 상쇄되면 순유량이 최소화되고 전해질의 동적 평형이 유지된다는 논리다.

문제는 “얼마나 비대칭으로 만들어야 균형이 맞는가”를 사전에 계산하기가 매우 어렵다는 점이다. SOC(충전상태)에 따라 순유량 자체가 계속 바뀌고, 전류밀도에 따라 SOC 범위도 달라지기 때문이다. 연구팀은 이를 수학적으로 풀지 않고 실험적으로 정의했다. VRFB를 일정 조건에서 계속 사이클링하다 보면 용량감쇠율이 시간에 따라 서서히 0에 가까워지는 구간(수평구간)이 나타나는데, 이 구간에 도달했을 때의 전해질 조성을 “균형상태”로 규정하고, 그 시점의 농도를 측정해 역산하는 방식이다.

N212 막의 경우 200사이클(107.56시간) 시점의 균형상태 조성을 측정하니 양극액 1.91M(V3.55+), 음극액 1.17M(V3.50+)이 나왔다 — 초기 대칭 조성(양쪽 다 1.70M)에서 양극액은 농축하고 음극액은 희석한 방향이다. 여기에 산화반응 부반응으로 계속 늘어나는 평균 원자가까지 보정하기 위해, 양극액에 VO2+를 추가로 넣어 원자가를 미리 높여뒀다.

그림 출처: Wang, Z. et al., Nature Communications 17, 4470 (2026), Fig. 2, DOI: 10.1038/s41467-026-70872-8, CC BY-NC-ND 4.0

대표 결과 — 얇은 막이 두꺼운 막을 이긴다

이렇게 만든 BSE(P 1.91M V3.55+; N 1.17M V3.50+)를 N212 막에 적용하자, 400사이클 동안 용량감쇠율이 0.182%/cycle에서 0.025%/cycle로 86.3% 줄었고 누적 방전용량은 71.0% 늘었다(256.97→439.35Ah). 쿨롱효율도 특히 저전류밀도 구간에서 크게 개선됐다.

그림 출처: Wang, Z. et al., Nature Communications 17, 4470 (2026), Fig. 3, DOI: 10.1038/s41467-026-70872-8, CC BY-NC-ND 4.0

분자동역학 시뮬레이션으로 그 이유도 확인했다. BSE를 쓰면 V2+와 VO2+ 두 이온의 Nafion막 통과 확산속도가 비슷해지고, V3+의 확산속도는 뚜렷이 줄어든다. 이는 술폰산기와 바나듐 이온 사이의 상호작용 에너지가 전해질 조성에 따라 달라지기 때문으로 설명된다. 흥미로운 점은 전력밀도가 BSE를 써도 줄지 않고 오히려 늘었다는 것이다 — 막을 두껍게 하는 기존 전략과 달리, 이 방법은 저항을 늘리지 않으면서 크로스오버만 억제하기 때문이다.

가장 얇은 막인 NC700(15µm, 보강 복합막)에 같은 BSE 전략을 적용한 것이 이 논문의 헤드라인이다. 업계표준인 N117(183µm)과 나란히 놓고 675.72시간(1000사이클) 동안 비교하면, NC700+BSE의 감쇠율은 시간당 0.038%로 N117+TE(0.214%/시간)보다 한 자릿수 낮았다. 활성물질 순유량으로 봐도 1000사이클 후 BSE 조합은 4.59%만 이동한 반면, TE 조합은 그 4분의 1도 안 되는 시간(175.67시간)만에 38.94%가 이동했다.

그림 출처: Wang, Z. et al., Nature Communications 17, 4470 (2026), Fig. 4, DOI: 10.1038/s41467-026-70872-8, CC BY-NC-ND 4.0

상용화로 가는 길 — 자본비용 41.7% 절감 계산과 철-바나듐 확장

이 논문이 이번 배치 5편 중 유일하게 실제 그리드 스케일 시스템의 자본비용까지 계산했다. NC700+BSE 조합을 현재 널리 쓰이는 N212+전통전해질 조합과 비교하면, 동일 방전용량 기준으로 누적용량이 116.0% 늘고 전해질 비용은 53.7% 줄었다. 이를 1MW/4MWh급 시스템에 적용하면, 저항이 낮으면서 저렴한 보강복합막(NC700, PFSA/PTFE)과 BSE의 조합으로 시스템 자본비용을 41.7% 넘게 낮출 수 있다는 계산이 나온다 — 이 정도면 흐름전지의 단위 자본비용(€/kWh)이 리튬이온전지와 경쟁할 수 있는 수준에 가까워진다는 것이 저자들의 주장이다.

그림 출처: Wang, Z. et al., Nature Communications 17, 4470 (2026), Fig. 5, DOI: 10.1038/s41467-026-70872-8, CC BY-NC-ND 4.0

연구팀은 이 전략이 바나듐 하나의 화학에만 국한되지 않는다는 것도 보이려 했다. 크로스오버 문제가 특히 심한 철-바나듐 흐름전지(IVFB)에 같은 BSE 사고방식을 적용해, 전통전해질(P 1.70M V2+; N 1.70M Fe3+) 대신 균형조성(P 1.072M V2+ + 0.876M Fe2+; N 1.324M Fe3+ + 0.914M VO2+)을 쓰자 400사이클 누적 방전용량이 388.37Ah에서 607.25Ah로 56.36% 늘었다.

고찰 — 이 논문이 안 보여준 것

이 논문의 논리는 세 층위에서 검증된다. 이론(픽의 법칙 기반 계산) → 실험(N212 막에서의 BSE 검증) → 재현성(N211·NC700 등 더 얇은 막, 그리고 철-바나듐 화학으로 확장) 순으로 같은 원리가 반복 확인된다는 점이 이 논문의 설득력이다.

다만 이 논문만 보고는 판단하기 어려운 지점도 있다. 첫째, “균형상태”를 찾는 절차 자체가 사후적이다 — 일단 셀을 100시간 넘게 돌려보고 감쇠율이 임계값 아래로 떨어지는 지점을 찾아 그 조성을 역산하는 방식이라, 막 종류·전류밀도·온도 조합이 바뀔 때마다 이 캘리브레이션을 반복해야 한다. 사전 예측 모델은 아직 없다. 둘째, 크로스오버는 크게 억제됐지만 전극 자체의 열화(흑연펠트 산화·흑연화도 감소)는 여전히 남아있다 — 1000사이클 후 전압효율이 3.40% 떨어졌고, 이는 전해질을 새것으로 갈아도 회복되지 않았다. 셋째, 41.7%라는 자본비용 절감치는 특정 techno-economic 모델(선행연구의 비용가정)을 차용한 추정이며, 실제 파일럿이나 상용 규모에서 검증된 실측 비용이 아니다. 바나듐 원자재가가 최근 수년간 크게 변동했다는 점을 고려하면, 이 숫자의 강건성은 별도로 검증할 필요가 있다.

My Take

“크로스오버는 막의 문제”라는 업계의 오랜 전제 자체를 다시 물었다는 점이, 이 논문에서 가장 인상적이다. 픽의 법칙을 다시 들여다보면 확산계수 말고도 농도구배라는 변수가 있었는데, 그동안 거의 아무도 이 두 번째 변수를 적극적으로 조작하지 않았다. 이 시리즈에서 앞서 다룬 케임브리지의 적층압력 논문과 마찬가지로, “새 소재를 개발하는 대신 이미 있는 변수를 정밀하게 통제한다”는 접근이 여기서도 반복된다.

동시에 이 방법의 실용성은 “균형상태를 얼마나 쉽게 찾을 수 있는가”에 달려있다고 본다. 지금처럼 매번 100시간 넘는 캘리브레이션 사이클링이 필요하다면, 실제 공장에서 새 전해질 배치를 조제할 때마다 이 과정을 반복해야 하는지가 남은 질문이다. 이 절차를 예측 모델로 대체할 수 있다면, 이 전략은 훨씬 빠르게 산업에 이식될 수 있을 것이다.

Battery Lab 시리즈는 이 편을 포함해 vault에 원문 PDF가 확보된 논문을 순차적으로 계속 리뷰한다. 다음 편은 바나듐 없이 철 하나만으로 완전가용성 흐름전지를 구현한 논문으로 이어간다.

부록 — 이 글을 이해하는 데 필요한 배경지식과 용어

1. 레독스 흐름전지의 핵심 개념

• 레독스 흐름전지(RFB, redox flow battery): 활물질이 고체 전극이 아니라 액체 전해질(양극액·음극액) 상태로 탱크에 저장돼 있다가, 펌프로 순환시켜 전극 표면에서 산화환원 반응을 일으키는 전지. 용량은 전해질 탱크 크기로, 출력은 전극·스택 크기로 독립적으로 설계할 수 있어 대용량 장주기 저장에 유리하다.
• 양극액(catholyte)·음극액(anolyte): 흐름전지에서 각각 양극·음극 역할을 하는 액체 전해질. VRFB에서는 양쪽 모두 바나듐이지만 산화수가 다르다(양극액 VO2+/VO2+, 음극액 V2+/V3+).
• 크로스오버(crossover): 이온교환막의 선택성이 완벽하지 않아, 의도한 양성자 외에 활물질 이온까지 막을 통과해 반대편으로 넘어가는 현상. VRFB의 만성적 용량감쇠 원인이다.
• 쿨롱효율(CE)·전압효율(VE): 쿨롱효율은 방전용량을 충전용량으로 나눈 값(에너지 손실 없이 얼마나 많은 전하를 되찾았는가), 전압효율은 방전전압을 충전전압으로 나눈 값(내부저항으로 인한 전압손실이 얼마나 적은가)이다. 두 값을 곱하면 에너지효율이 된다.

2. 이 논문에 새로 쓰인 분석기법

• 자가방전(self-discharge) 시험: 충전된 셀을 회로에서 분리한 채 방치했을 때 전압이 얼마나 오래 유지되는지 측정하는 시험. 크로스오버가 심하면 자가방전이 빨리 일어난다.
• 분자동역학(MD) 시뮬레이션(GROMACS): 원자·분자 하나하나의 움직임을 뉴턴역학으로 계산해, 나노초 단위의 짧은 시간규모에서 물질의 미시적 거동(이온의 확산·배위구조 등)을 재현하는 계산기법. 이 논문에서는 Nafion막 안에서 바나듐 이온이 술폰산기와 어떻게 상호작용하며 이동하는지를 시뮬레이션했다.
• 평균제곱변위(MSD, mean squared displacement): 시간에 따라 입자가 원래 위치에서 얼마나 멀리 이동했는지를 제곱해 평균낸 값. MD 시뮬레이션에서 이 값의 시간에 대한 기울기로부터 확산계수를 구한다.
• 반경분포함수(RDF, radial distribution function): 특정 원자(예: 바나듐 이온)를 중심으로 주변에 다른 원자가 거리별로 얼마나 밀집해 있는지를 나타내는 통계함수. 이온의 배위구조(주변에 어떤 원자가 몇 개나 붙어있는지)를 파악하는 데 쓰인다.
• ICP-OES(유도결합플라스마 광방출분광): 시료를 고온 플라스마로 이온화시켜 방출되는 빛의 파장으로 원소 종류와 농도를 정량하는 기법. 이 논문에서는 철-바나듐 전해질의 이온 농도를 측정하는 데 썼다.