KR101677107B1 - 레독스 흐름전지용 전해액 첨가제 및 이를 포함하는 레독스 흐름전지 - Google Patents

레독스 흐름전지용 전해액 첨가제 및 이를 포함하는 레독스 흐름전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 바나듐 레독스 흐름전지용 전해액 첨가제 및 이를 포함하는 레독스 흐름전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 디베이직 피로인산나트륨을 첨가제로 포함하는 레독스 흐름전지 전해액 및 이를 포함하는 레독스 흐름전지에 관한 것이다.
상기 레독스 흐름전지는 전지 구동시 발생하는 바나듐 화합물의 석출을 효과적으로 억제하여 전지의 효율 및 용량 저하를 방지하며, 고온에서도 안정적으로 구동이 가능하고, 전지의 수명을 연장시킬 수 있다.

Description

레독스 흐름전지용 전해액 첨가제 및 이를 포함하는 레독스 흐름전지{ELECTROLYTE ADDITIVE FOR REDOX FLOW BATTERY AND REDOX FLOW BATTERY COMPRISING THEREOF}
본 발명은 온도 변화에 따른 안정성을 향상시켜 우수한 성능을 확보할 수 있는 레독스 흐름전지용 전해액 첨가제 및 이를 포함하는 레독스 흐름전지에 관한 것이다.
환경오염 문제로 화석 연료의 사용이 제한됨에 따라 최근 신재생 에너지의 개발 비중이 확대되고 있다. 이에 따라 신재생 에너지 전력 생산의 변동성과 수급시점의 불일치 문제를 극복하기 위하여 전력 저장장치의 개발이 불가피한 상황이다.
대용량의 전력저장을 위한 이차전지로는 납축전지, NaS전지, 레독스 흐름전지 (RFB, redox flow battery) 등이 있다. 납축전지는 다른 전지에 비해 상업적으로 널리 사용되고 있으나 낮은 효율 및 주기적인 교체로 인한 유지 보수의 비용과 전지 교체 시 발생하는 산업폐기물의 처리문제 등의 단점이 있다. NaS 전지의 경우 에너지 효율이 높은 것이 장점이나 300 ℃ 이상의 고온에서 작동하는 단점이 있다.
이에 비해 레독스 흐름전지는 유지보수 비용이 적고 상온에서 작동 가능하기 때문에 각광받고 있다. 여기에 더해서 기존의 Li, Na를 사용한 이차전지와는 달리, 레독스 플로우 전지의 경우 용매 속에 활물질이 녹아 있는 상태로 양극과 음극에서 각각의 활물질이 산화·환원 반응을 거치면서, 충전되고 방전되는 용량 발현 메커니즘을 가진다. 따라서 각각의 전해액에 사용하는 활물질의 레독스쌍의 표준 환원 전위를 달리하게 되면, 이 각각의 전위의 차이로 인하여 셀의 작동 전압이 결정되기 때문에 용량과 출력을 각기 독립적으로 설계할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 외부 탱크에서 공급되는 전해액의 산화 환원 반응으로 용량이 발현되므로, 외부의 저장 탱크의 크기 조절을 통한 전체 셀의 용량 조절이 용이하다는 장점이 존재한다. 이것에 더하여, 활물질인 레독스 커플의 산화·환원 반응이 양극과 음극의 표면에서 발생하므로, 전극 활물질 내부로 이온이 삽입/탈리되는 반응을 거치는 기존의 전지(예; 리튬 이온전지)에 비하여 전극의 퇴화가 적어 수명 특성이 우수한 장점이 있다.
레독스 흐름전지의 활물질로 사용될 수 있는 물질은 V, Fe, Cr, Cu, Ti, Sn, Zn, Br 등이 있으며, 이외에도 다양한 산가를 가지는 전이금속 등이 이용가능하다. 초기 흐름전지의 전해액은 Fe/Cr계의 전해액을 사용하였으나, Cr 반전지의 가역성 및 분리막을 통한 혼합 현상(crossover)에 의해 흐름전지로서의 수명단축 및 효율을 저하시키는 문제점이 발생되고 있다.
반면에 활물질로 바나듐 화합물을 사용하는 전바나듐계 레독스 흐름전지는 Fe/Cr계 레독스 흐름전지보다 전극 반응속도가 빠를 뿐만 아니라 기전력 및 용해도가 높은 효과로 인하여 전지의 용량을 향상시킬 수 있고, 또한 혼합 현상이 발생하였을 때 같은 물질로서 양극과 음극으로 다시 나뉠 수 있는 이점이 있어 최근 많은 연구가 진행되고 있다. 전바나듐계 레독스 흐름전지에 사용되는 바나듐 이온은 V2+, V3+, VO2+, VO2 + 등으로 산화·환원이 가능하다. 구체적으로, 전바나듐계 레독스 흐름전지의 하기 반응식 1은 다음과 같다.
[반응식 1]
음극(Negative electrode): V3+ + e- ↔ V2+, E°= -0.26 V
양극(Positive electrode): VO2+ + H2O ↔ VO2 + + 2H+ + e-, E°= 1.00 V
전지 반응(Cell reaction): V3+ + VO2+ + H2O ↔ V2+ + VO2 + + 2H+, E°= 1.26 V
사용가능한 바나듐 화합물로는 VCl3, V2O5, VOSO4 등이 있다. 그러나 VCl3인 경우 화합물이 전해질과 반응되어 염소가스가 생성되는 문제점이 있고, V2O5의 경우 낮은 용해도로 인하여 용량이 작은 문제점이 있다. 그래서 현재 VOSO4가 많이 사용되고 있다.
바나듐 화합물은 용매에 용해하여 사용하는데 이때 바나듐 이온은 가수는 4가이다. 이 4가 바나듐 이온(VO2+)은 양극전해액에 사용되며, 전해·환원을 통해 만들어진 3가 바나듐 이온(V3+)은 음극전해액으로 사용된다. 구체적으로 충전시에는 양극에서 4가 바나듐 이온(VO2+)이 5가(VO2+)로, 음극에서는 3가 바나듐 이온(V3+)이 2가(V2+)로 변환되어 충전이 진행되며, 방전시에는 역으로 바나듐 이온의 가수가 변화하여 방전이 진행된다.
그러나 전바나듐계 전해액은 충·방전이 진행되고, 황산 농도 및 전해액의 온도가 변화됨에 따라 전해액 상에 불용성의 석출물이 생성되는 현상이 발생된다. 석출물은 전극의 표면에 붙어 산화·환원을 일으키는 반응사이트를 감소시켜 저항은 증가하고 효율은 감소하며 이는 나아가 레독스 흐름전지의 용량 저하 및 구동온도의 제한을 초래한다.
이러한 석출 현상은 바나듐 농도, 황산 농도 및 사용온도에 따라 달라지며 이를 억제하기 위한 방법으로 충전전압을 낮추어 5가 바나듐 이온을 생성시키지 않는 범위로 운전하는 방법, 바나듐 및 황산의 농도를 제어하기 위한 방법 등이 있다. 하지만, 충전전압을 낮출 경우 전지의 출력 및 용량이 저하되고, 바나듐 및 황산의 농도를 제어해야 할 경우 부수적으로 농도를 맞추기 위한 장비가 필요하다는 것이 단점으로 부각되고 있다.
따라서 석출로 인해서 생기는 문제점을 개선하기 위해서 다양한 첨가 물질을 포함하는 전해액이 제안되었다.
일례로, 일본특허 공개 제2001-102080호(KASHIMAKITA KYODO HATSUDEN KK, 2001.04.13)는 바나듐 레독스 플로우 전지용 전해액에 안정제로 황산암모늄과 인산과의 혼합계 또는 인산암모늄(ammonium phosphate)을 함께 사용하는 방법이 개시되어 있다.
또한, 일본특허 공개 제2014-229520호 (ASAHI KASEI E-MATERIALS CORP, 2014.12.08) 및 일본특허 공개 제2014-235946호(ASAHI KASEI E-MATERIALS CORP, 2014.12.15)는 레독스 플로우 전지의 작동 중에 바나듐 화합물의 석출을 방지하기 위해 각각 설폰산기 및/또는 포스폰산기를 가지는 고분자 및 음이온 계면활성제를 첨가제로 포함하는 전해액 조성을 제시하고 있다.
이들 특허는 전술한 조성을 사용하여 석출 및 이로 인한 여러 문제점의 개선을 꾀하고 있으나, 전해액에 포함되는 안정제나 첨가제가 충분한 석출 억제 효과를 가지지 못하기 때문에 전지 효율 및 용량 저하 방지를 동시에 만족스럽게 개선하지 못한다.
일본특허 공개 제2001-102080호(KASHIMAKITA KYODO HATSUDEN KK, 2001.04.13) 일본특허 공개 제2014-229520호 (ASAHI KASEI E-MATERIALS CORP, 2014.12.08) 일본특허 공개 제2014-235946호(ASAHI KASEI E-MATERIALS CORP, 2014.12.15)
이에 레독스 흐름전지의 구동에 따른 전해액 내 바나듐 화합물의 석출 억제를 위해 다각적으로 연구한 결과, 본 출원인은 레독스 흐름전지용 전해액에 피로인산 화합물을 첨가제로 사용할 경우, 상기 문제점을 해결할 수 있음을 확인하여 본 발명을 완성하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 바나듐 이온을 안정화시켜 석출 지연 및 억제 효과를 갖는 레독스 흐름전지용 전해액 첨가제 및 이를 포함하는 레독스 흐름전지를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은
양극 및 양극전해액을 포함하는 양극셀;
음극 및 음극전해액을 포함하는 음극셀;
상기 양극셀과 음극셀 사이에 위치하는 이온교환막을 포함하고, 상기 양극셀, 이온교환막 그리고 음극셀이 적층되는 레독스 흐름전지에 있어서,
상기 양극전해액 및 음극전해액은 활물질, 용매, 지지 전해질 및 첨가제를 포함하며,
상기 첨가제는 디베이직 피로인산나트륨(sodium pyrophosphate dibasic, SPD)인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지를 제공한다.
이때 상기 첨가제는 전해액 내 0.0001M 내지 0.5M 범위로 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 활물질은 VCl3, V2O5, VOSO4, V2O3, V2O4, 및 NH4VO3로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 용매는 H2SO4, HCl, H3PO4 및 HNO3로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 지지 전해질은 LiBF4, LiPF6, LiClO4, LiCH3SO3, Li(CF3SO2)2N, TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoroborate), TBABF4(tetrabuthyl ammonium tetrafluoroborate), NaBF4, NaPF6, CH3ClO2S 및 (NH4)2SO4로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 레독스 흐름전지용 전해액 첨가제는 바나듐 화합물이 전극 표면에 석출되는 것을 억제하거나 석출 시간을 지연시키며 이를 포함한 레독스 흐름전지는 기존의 레독스 흐름전지보다 안정성이 우수하고, 개선된 효율과 용량을 나타내어 전지의 성능 및 수명을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 레독스 흐름전지를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 비교예 1 내지 5에서 황산 농도에 따른 석출 시간을 보여주는 사진이다.
도 3은 실시예 1 내지 3 및 비교예 5 내지 8에서 첨가제 종류 및 농도에 따른 석출 시간을 보여주는 사진이다.
도 4는 본 발명의 충·방전 특성 평가 결과를 나타낸 그래프이다.
본 발명은 레독스 흐름전지 구동시 발생하는 바나듐 화합물의 석출을 효과적으로 억제하는 레독스 흐름전지용 전해액 첨가제 및 이를 포함한 레독스 흐름전지를 제시한다.
활물질로 바나듐을 사용하는 레독스 흐름전지에서 전해액의 안정성은 전지 성능과 직결되며 이는 바나듐 농도, 황산 농도, 온도 등의 영향을 받는다. 전해액 내 바나듐 이온은 V2+, V3+, VO2+, VO2 + 로 2가 내지 5가의 다양한 가수를 가지며 각 가수에 따라 안정성이 상이하다. 특히, 5가 바나듐 이온(VO2+)은 황산 농도가 낮거나 온도가 상승하면 탈수 축합 반응을 일으켜 석출물을 생성시킨다. 반면에 다른 가수를 갖는 V2+, V3+, VO2+은 황산 농도 하락 또는 온도 상승에 상대적으로 안정적이다. 레독스 흐름전지의 구동에 있어서, 바나듐과 황산의 초기 농도는 동일하지만 충방전을 반복함에 따라 전지의 반응열로 인해 전해액의 온도가 상승하고 전해액 중 이온의 조성이 불균일해짐에 따라 전해액 5가 바나듐 이온은 석출물을 생성하며 석출 생성물은 쉽게 침전되기 때문에 전지 성능이 저하될 뿐 아니라 구동 온도가 제한되며 석출물이 전지 내 전해액 흐름 방해하여 구동 신뢰도가 저하되는 문제점이 발생하게 된다.
이에 본 발명에서는 레독스 흐름전지용 전해액에 피로인산 화합물을 첨가제로 사용하여 바나듐 화합물의 석출을 억제하고 전해액의 고온 안정성을 향상시킬 수 있도록 한다.
이하 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
본 발명은 양극 및 양극전해액을 포함하는 양극셀; 음극 및 음극전해액을 포함하는 음극셀; 상기 양극셀과 음극셀 사이에 위치하는 이온교환막을 포함하고, 상기 양극셀, 이온교환막 그리고 음극셀이 적층되는 레독스 흐름전지에 있어서, 상기 양극전해액 및 음극전해액은 활물질, 용매, 지지 전해질 및 첨가제를 포함하며, 상기 첨가제는 디베이직 피로인산나트륨(sodium pyrophosphate dibasic, 이하 SPD)인 것을 특징으로 한다.
이때 상기 첨가제는 전해액 상의 바나듐 이온을 안정화시키며 특히, 고온 영역에 있어서 5가 바나듐 이온의 안정성을 향상시켜 바나듐 화합물의 석출을 억제하거나 석출 시간을 지연시키는 역할을 한다.
전술한 바와 같이 본 발명에서의 첨가제는 SPD로 종래 레독스 흐름전지 전해액에 석출 방지를 위해 테트라베이직 피로인산나트륨(sodium pyrophosphate tetrabasic, 이하 SPT)에 비해 현저히 개선된 석출 억제 및 지연 효과를 얻을 수 있다. 구체적으로, 기존 SPT의 경우 나트륨 이온이 전해액의 pH 변화를 작게 해줘 침전을 억제한 반면, SPD는 나트륨 이온과 함께 2개의 수산기를 함께 가지고 있으며 이는 바나듐 이온의 안정화에 보다 효과적으로 작용한다. 보다 상세히 설명하면, SPD는 5가 바나듐 이온(VO2 +)의 수화물 형태인 [VO2(H2O)3]+ 을 형성하여 V2O5 석출물 발생을 억제하며 전극 표면에서 수산기와 4가 및 5가 바나듐 이온 사이의 전하이동을 활발하게 하여 양극 전해액의 수명 안정성과 전기화학적 가역성을 향상시킨다.
이러한 첨가제는 전해액 내 0.0001M 내지 0.5M 범위이며 바람직하기로 0.001M 내지 0.3M 범위이다. 만약 그 농도가 상기 범위 미만이면 상기 언급한 바의 효과를 충분히 확보할 수 없고, 반대로 상기 농도를 초과하여 사용할 경우 전해액 내 첨가제 자체가 용해되지 않아 사용이 불가능하므로, 상기 범위 내에서 적절히 사용한다.
본 발명의 레독스 흐름전지에 사용되는 양극전해액 및 음극전해액은 앞서 언급한 첨가제와 함께 활물질, 용매 및 지지전해질을 포함한다.
상기 활물질은 후술하는 용매 상에 해리되어 산화·환원 반응을 일으키며 이를 통해 레독스 흐름전지가 충·방전된다.
본 발명에서 사용되는 활물질은 특별히 한정되지 않으며, 당해 기술 분야에서 통상적으로 사용되는 활물질을 사용할 수 있다. 예를 들면, V, Fe, Cr, Cu, Ti, Sn, Zn, Br 등을 들 수 있다. 이러한 활물질은 산화·환원 차이에 의한 조합에 의해 V/V, Zn/Br, Fe/Cr 등 다양한 레독스쌍을 얻을 수 있는데 본 발명에서는 V/V로 이루어진 레독스쌍을 사용한다. 이와 같이 양극과 음극에서 동일 종류의 레독스쌍을 사용하여 두 전극 사이에서의 혼합 현상에 의한 비가역적 오염을 극복할 수 있는 이점이 있으며, 예를 들어 양극전해액은 V4+/V5+을 사용하고, 음극전해액은 V2+/V3+ 을 레독스쌍으로 사용할 수 있다.
구체적으로 상기 활물질은 VCl3, V2O5, VOSO4, V2O3, V2O4, 및 NH4VO3로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 바람직하기로 VOSO4를 사용할 수 있다.
상기 활물질은 당해 기술 분야에서 일반적으로 사용되는 범위 내에서 사용될 수 있으며, 예를 들어 상기 활물질은 전해액 중 0.5M 내지 8M의 농도로 사용될 수 있다.
상기 용매는 전술한 활물질을 이온화시키기 위한 것으로 본 발명의 양극전해액 및 음극전해액을 구성하는 용매는 수계 용매이며, 구체적으로 H2SO4, HCl, H3PO4 및 HNO3로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 바람직하기로 H2SO4를 사용할 수 있다.
상기 용매는 당해 기술 분야에서 일반적으로 사용되는 범위 내에서 사용될 수 있으며, 일례로 상기 용매로 H2SO4를 사용하는 경우 전해액 중 0.5M 내지 9M의 농도로 사용될 수 있다.
상기 지지 전해질은 전술한 활물질의 산화·환원 반응을 원활하게 도울 뿐만 아니라 레독스쌍이 산화 상태가 변할 때 반쪽 이온(count ion)으로도 레독스쌍과 이온쌍(ion pair)를 이루는 역할을 한다.
상기 지지 전해질로는 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 공지된 바의 것이면 모두 사용이 가능하다. 구체적으로, LiBF4, LiPF6, LiClO4, LiCH3SO3, Li(CF3SO2)2N, TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoroborate), TBABF4(tetrabuthyl ammonium tetrafluoroborate), NaBF4, NaPF6, CH3ClO2S 및 (NH4)2SO4로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 지지 전해질은 당해 기술 분야에서 일반적으로 사용되는 범위 내에서 사용될 수 있으며, 예를 들어 상기 지지 전해질은 전해액 중 0.1M 내지 2M의 농도로 사용될 수 있다.
전술한 조성의 레독스 흐름전지용 전해액의 제조는 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 공지된 바의 제조방법을 따른다.
이러한 레독스 흐름전지용 전해액은 레독스 흐름전지에 바람직하게 적용이 가능하다. 일반적으로, 레독스 흐름전지는 도 1에 도시된 바와 같이 양극 및 양극전해질을 포함하는 양극셀(210), 음극 및 음극전해질을 포함하는 음극셀(220) 및 상기 양극셀(210)과 음극셀(220) 사이에 위치하는 이온교환막(230), 펌프(281)의 구동에 의해 상기 양극셀(210)에 양극전해액을 공급하기 위한 양극전해액이 저장된 양극전해액 탱크(280) 및 펌프(291)의 구동에 의해 상기 음극셀(220)에 음극전해액을 공급하기 위한 음극전해액이 저장된 음극전해액 탱크(290)를 포함한다. 또한, 상기 양극셀(210)과 음극셀(220)의 분리막 등을 직렬 또는 병렬로 다수 적층하고 최외측의 양극셀(210)과 음극셀(220) 측면에는 집전체와 엔드플레이트가 놓인 구조로 되어 있다.
상기 양극 및 음극 전해액 탱크(280, 290)로부터 펌프(281, 291)의 구동에 의해 전해액이 이동하게 되며, 이때 상기 양극셀(210)에는 양극전해액이, 음극셀(220)에는 음극전해액이 스택으로 이동하게 된다. 상기 양극셀(210)과 음극셀(220)은 통상적으로 각각 전극 및 전해질과 더불어 바이폴라 플레이트와 유로를 포함하는 매니폴드로 구성되어 있다.
상기 레독스 흐름전지를 구성하는 여러 요소, 구체적으로, 이온교환막, 양극전해액 탱크, 및 음극전해액 탱크와 같은 구성요소는 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 공지된 바의 내용을 따른다.
상기 양극 및 음극은 전해액의 산화·환원을 위한 활성 사이트를 제공하는 것으로 통상의 전극 재질이 가능하며, 일례로 탄소부직포, 탄소섬유, 탄소페이퍼 등 특별히 한정하지 않으며, 바람직하기로 탄소섬유 펠트전극이 사용될 수 있다.
상기 이온교환막은 양극전해액과 음극전해액을 분리시키고, 전지 구동시 발생하는 이온을 선택적으로 이동시키는 역할을 한다. 사용가능한 이온교환막으로는 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 공지된 바의 재질을 따른다.
상기 양극전해액 탱크 및 음극전해액 탱크는 각각의 전해액을 저장하기 위한 것으로, 이들은 이들과 연결된 펌프를 통해 연결라인을 따라 양극셀 및 음극셀에 각각의 전해액을 공급한다.
상기 구성을 갖는 레독스 흐름전지는 양극용 펌프 및 음극용 펌프의 구동에 의해 양극전해액 탱크와 음극전해액 탱크의 양극전해액과 음극전해액이 각각 양극셀과 음극셀로 이송되고, 양극셀과 음극셀로 이송된 각각의 양극전해액 및 음극전해액은 산화·환원 반응을 거친 후 다시 양극전해액 탱크 및 음극전해액 탱크로 이송된다.
이때 본 발명에 따라 양극전해액 및 음극전해액에 첨가제로 SPD를 사용할 경우 전해액 내 바나듐 이온의 안정성을 향상시켜 전해액 내 불용성의 바나듐 화합물이 석출되는 것을 효과적으로 억제할 수 있다. 또한, 상기 첨가제는 양극 및 음극 전해액 모두에 사용해도 효과를 갖지만 특히, 5가 바나듐 이온을 포함하는 양극 전해액에 사용하는 경우 향상된 석출 억제 효과를 얻을 수 있다.
따라서 본 발명은 레독스 흐름전지용 전해액에 SPD를 첨가제로 사용함을 통해 전해액의 안정성을 개선하였으며 이로써 레독스 흐름전지의 효율 및 용량을 향상시키고 전지 수명을 연장하는 효과를 얻을 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 8
[실시예 1]
2M VOSO43.5H2O(Wako사, 99.9%)와 3M의 H2SO4을 혼합하여 바나듐 4가 전해액을 제조하고 이를 전해환원법을 이용하여 SOC(state of charge) 95% 인 바나듐 5가 전해액을 제조하였으며, 준비된 전해액에 SPD 0.05M을 첨가하여 제조하였다.
[실시예 2]
상기 실시예 1의 SPD를 0.1M 첨가한 것 외에는 동일한 방법으로 제조하였다.
[실시예 3]
상기 실시예 1의 SPD를 0.2M 첨가한 것 외에는 동일한 방법으로 제조하였다.
[비교예 1]
상기 실시예 1의 SPD를 첨가하지 않고 H2SO4을 2.0M 첨가한 것 외에는 동일한 방법으로 제조하였다.
[비교예 2]
상기 실시예 1의 SPD를 첨가하지 않고 H2SO4을 2.4M 첨가한 것 외에는 동일한 방법으로 제조하였다.
[비교예 3]
상기 실시예 1의 SPD를 첨가하지 않고 H2SO4을 2.6M 첨가한 것 외에는 동일한 방법으로 제조하였다.
[비교예 4]
상기 실시예 1의 SPD를 첨가하지 않고 H2SO4을 2.8M 첨가한 것 외에는 동일한 방법으로 제조하였다.
[비교예 5]
상기 실시예 1의 SPD를 첨가하지 않은 것 외에는 동일한 방법으로 제조하였다.
[비교예 6]
상기 실시예 1의 SPD 대신 SPT 0.05M을 첨가한 것 외에는 동일한 방법으로 제조하였다.
[비교예 7]
상기 실시예 1의 SPD 대신 SPT 0.1M을 첨가한 것 외에는 동일한 방법으로 제조하였다.
[비교예 8]
상기 실시예 1의 SPD 대신 SPT 0.2M을 첨가한 것 외에는 동일한 방법으로 제조하였다.
실험예 1. 평가
1. 석출 발생
레독스 흐름전지 전해액의 황산 농도에 따른 석출물 발생을 확인하기 위해 상기 비교예 1 내지 5에서 제조한 전해액을 40 ℃ 오븐에 넣고 석출물의 생성 여부를 시간별로 육안으로 확인하였다. 얻어진 결과는 도 2에 나타내었다.
2. 석출 억제
상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 5 내지 8에서 제조한 전해액을 40 ℃ 오븐에 넣고 석출물의 생성 여부를 시간별로 육안으로 확인하였다. 얻어진 결과는 도 3에 나타내었다.
실험예 2. 충·방전 특성 평가
첨가제에 따른 충·방전 특성 평가를 위해 30cm2 전극 면적을 가지는 단위 셀을 구성하였다. 이때 사용된 분리막은 양이온 교환막을 사용하였으며, 전해액은 2M VOSO4/3M H2SO4를 사용하였으며, 첨가제를 사용하지 않은 경우와 0.1M SPD를 사용한 경우에 대해서 전류밀도는 60 mA/cm2 , 전압범위는 1.0 내지 1.6V, 온도는 40℃에서 충·방전을 진행하였다. 이때 얻어진 결과는 하기 표 1 및 도 4에 나타내었다.
사이클
(No.)		 방전용량 손실
(%)		 전류효율
(CE)
(%)		 전압효율 (VE)
(%)		 에너지효율 (EE)
(%)		 셀 저항
(Ω)
첨가제
없음		 100 81.0 96.1 84.4 81.1 0.10
200 62.3 96.8 83.7 81.0 0.10
300 48.5 97.2 83.2 80.9 0.10
400 30.9 97.4 83.6 81.4 0.10
500 12.3 97.1 83.5 81.1 0.11
600 1.5 91.6 82.1 75.3 0.12
610 0.9 87.8 80.4 70.7 0.13
620 0.4 77.8 76.5 59.5 0.14
630 0.1 46.5 63.6 29.6 0.17
640 0.0 9.3 56.3 5.2 0.18
650 0.0 8.1 54.9 4.5 0.19
0.1M
SPD 첨가		 100 60.2 96.3 84.2 81.1 0.10
200 53.1 96.7 82.9 80.2 0.11
300 51.7 96.9 81.9 79.4 0.11
400 50.1 97.1 80.8 78.4 0.12
500 45.8 97.3 80.4 78.2 0.12
600 42.0 97.4 79.9 77.8 0.13
610 41.7 97.4 79.8 77.8 0.13
620 41.4 97.4 79.8 77.8 0.13
630 41.1 97.5 79.8 77.8 0.13
640 40.8 97.5 79.8 77.8 0.13
650 40.4 97.5 79.7 77.7 0.13
하기 도 2를 통해 황산 농도가 2.0M인 비교예 1은 석출이 3시간 경과 후에, 황산 농도가 3.0M인 비교예 5는 석출이 12시간 후에 발생하였고 이를 통해 레독스 흐름전지 전해액의 황산 농도 변화에 따른 석출물 생성 시간이 달라짐을 확인할 수 있었다.
하기 도 3을 참조하면, 동일한 황산 농도에서 첨가제를 사용하지 않은 비교예 5는 0.5일에 석출이 발생하였고, 종래 첨가제인 SPT를 사용한 비교예 6 내지 8는 최대 12일에 석출이 발생한 것과 비교하여 첨가제로 SPD를 사용한 실시예 1 내지 3은 최대 15일 정도 석출이 지연됨을 확인할 수 있었다. 따라서 첨가제 SPD가 개선된 석출 억제 시간을 나타냄을 알 수 있었다.
상기 표 1 및 도 4에 나타낸 바와 같이, SPD를 첨가제로 사용하여 충·방전 테스트를 진행하였을 때 첨가제를 사용하지 않은 경우에 비해 석출을 억제 효과로 인해 방전용량의 유지가 뛰어났고 효율의 변화 정도가 적음을 확인할 수 있었다. 구체적으로 도 4는 첨가제 유무에 따른 충방전 횟수에 따른 용량 및 효율 변화를 보여주는 그래프이다. 방전용량손실은 초기 방전용량 대비 잔여 용량을 나타내는 지표로 도 4를 통해 첨가제를 사용하지 않은 경우 지속적으로 방전용량이 급격하게 감소되며 640 사이클을 지나면서 잔존 용량이 0 이 되는 것에 비해 SPD를 사용한 경우 640 사이클 이후로도 방전용량 손실이 40% 이상 유지됨을 확인할 수 있었다. 이에 더해서, 전류 효율, 전압 효율, 에너지 효율면에서도 첨가제를 사용하지 않았을 때는 600 사이클 이후 급락한 것에 비해 SPD를 사용하였을 때는 사이클 수에 무관하게 일정 수준을 유지함을 확인할 수 있었다.
본 발명에 따른 레독스 흐름전지는 전해액 조성 내 디베이직 피로인산나트륨을 포함하여 전지 구동시 발생하는 바나듐 화합물의 석출을 효과적으로 억제 또는 지연시켜 전지의 성능을 향상시키고, 고에너지 밀도를 가질 수 있을 뿐 아니라 수명이 증가되어 대용량 전력 저장 시스템에 활용될 수 있다.
210 : 양극셀 220 : 음극셀
230 : 이온교환막 280 : 양극전해액 탱크
281 : 양극전해액 펌프 290 : 음극전해액 탱크
291 : 음극전해액 펌프

Claims (6)

  1. 양극 및 양극전해액을 포함하는 양극셀;
    음극 및 음극전해액을 포함하는 음극셀;
    상기 양극셀과 음극셀 사이에 위치하는 이온교환막을 포함하고, 상기 양극셀, 이온교환막 그리고 음극셀이 적층되는 레독스 흐름전지에 있어서,
    상기 양극전해액 및 음극전해액은 활물질, 용매, 지지 전해질 및 첨가제를 포함하며,
    상기 첨가제는 디베이직 피로인산나트륨(sodium pyrophosphate dibasic, SPD)인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 첨가제는 전해액 내 0.0001M 내지 0.5M 범위로 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.
  3. 청구항 3은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제1항에 있어서, 상기 첨가제는 전해액 내 0.001M 내지 0.3M 범위로 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.
  4. 제1항에 있어서, 상기 활물질은 VCl3, V2O5, VOSO4, V2O3, V2O4, 및 NH4VO3로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.
  5. 제1항에 있어서, 상기 용매는 H2SO4, HCl, H3PO4 및 HNO3로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.
  6. 제1항에 있어서, 상기 지지 전해질은 LiBF4, LiPF6, LiClO4, LiCH3SO3, Li(CF3SO2)2N, TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoroborate), TBABF4(tetrabuthyl ammonium tetrafluoroborate), NaBF4, NaPF6, CH3ClO2S 및 (NH4)2SO4로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.
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