KR101698845B1 - 계면활성제를 포함하는 레독스 플로우 전지용 전해액 - Google Patents

계면활성제를 포함하는 레독스 플로우 전지용 전해액 Download PDF

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Abstract

본 발명은 계면활성제를 포함하는 전해액을 이용하여 산화환원 반응을 하는 레독스 플로우 전지용 전해액에 관한 것으로, 전후 오일상에 저장되어 있는 브롬 착화합물의 분산도를 높이고 전극과 접촉면적을 증가시킨다. 이에 방전시 브롬 착화합물이 전극과 상호작용을 하고 수용액 상의 브롬화 이온으로 효율적으로 환원되도록 유도하여 효율적인 산화환원반응을 통해 전지의 성능을 향상시킬 수 있다.

Description

계면활성제를 포함하는 레독스 플로우 전지용 전해액 {ELECTROLYTE CONTAINING SURFACE ACTIVE AGENT }
본 발명은 레독스 플로우 전지용 전해액에 관한 것으로, 특히 브롬/브롬화 이온의 효율적인 산화/환원반응을 유도하는 계면활성제를 포함하는 레독스 플로우 전지용 전해액에 관한 것이다.
레독스 플로우 전지는 기존 이차 전지와는 달리 전해액 중의 활물질(active material)이 산화 환원되어 충방전되는 시스템으로, 전해액의 화학적 에너지를 직접 전기 에너지로 저장시키는 전기화학적 축전 장치이다. 레독스 플로우 전지에 대한 연구는 1974년 미국 나사(NASA; National Aeronautics and Space Admi-nistration)의 LRC(Lewis Research Center)에서 시작되었다. 레독스 플로우 전지는 레독스 커플, 전기화학 반응 메카니즘, 이온교환막 개발, 성능 시험 등의 연구가 활발하게 진행되어, 2000년경부터 스미토모 전기공업이 판매를 개시해 전력 저장용 시스템으로서 주야간 부하 변동의 평준화, 순간 저전압 보상, 풍력 발전의 출력 균등화 등에 이용되고 있다.
레독스 플로우 전지는 외부 태양광, 풍력 등과 같은 전원 공급 장치에서 전기를 공급받아 충전을 수행한다. 또한 레독스 플로우 전지의 방전은 부하에 전기적으로 연결함으로써 이루어진다.
이러한 레독스 플로우 전지는 사용하는 레독스 커플 물질에 따라서 고유의 충전전압과 방전전압을 갖는다. 특히 아연/브롬 레독스 플로우 전지와 같이 브롬/브롬화 이온의 산화환원반응이 동반되는 경우에는, 브롬의 크로스오버(cross-over)에 의하여 전지의 성능이 감소하는 것이 일반적이다. 이에 대한 대책으로 이온교환막을 사용하거나 착제를 전해액에 넣어주고 브롬 착화합물을 형성함으로써 브롬이 반대편 전해액으로 넘어가는 것을 방지하기도 한다. 특히, 후자의 경우가 가장 일반적으로 사용되는 방법이다.
그러나 생성된 착화합물은 친유성의 액체로서 브롬화 이온이 녹아있는 수용액으로부터 상분리가 된다. 즉 충전하기 전에는 수용액에 녹아있던 활물질이 충전후에는 오일상으로 자리를 옮긴다. 이에 방전시에는 오일상에 저장되어 있는 브롬 착화합물이 전극과 상호작용을 하여 수용액 상의 브롬화 이온으로 효율적으로 환원되어야 한다.
종래의 레독스 플로우 전지용 전해액의 브롬착화합물은 친유성 성질을 갖기 때문에 오일상에 저장되어 전극과 상호작용이 일어나기 어렵다는 문제가 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2012-012569호 (2012.11.06.)
따라서, 본 발명의 목적은 충전후 오일상에 저장되어 있는 브롬 착화합물이 방전시 전극과 상호작용을 하고 수용액 상의 브롬화 이온으로 효율적으로 환원되어 레독스 플로우 전지의 성능을 향상시키는 계면활성제를 포함하는 레독스 플로우 전지용 전해액을 제공하는데 있다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 레독스 플로우 전지용 전해액은 계면활성제를 포함한다.
본 발명의 레독스 플로우 전지용 전해액은 상기 계면활성제는 비이온성, 음이온성, 양이온성, 양쪽성 계면활성제 및 이들 성분 중 두 개 이상의 성분으로 이루어진 혼합물 중 어느 하나인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 전해액은 계면활성제를 0.0001 내지 10 중량%를 함유하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 비이온성 계면활성제는 폴리옥시에틸렌알킬에테르(RO(CH₂CH₂O)mH), 지방산솔비탄에스테르, 지방산디에탄올아민(RCON(CH₂CH₂OH)₂), 알킬모노글리세릴에테르(ROCH₂CH(OH)CH₂OH) 및 이들 성분 중 두 개 이상의 성분을 포함한 혼합물 중 어느 하나인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 폴리옥시에틸렌알킬에테르(RO(CH₂CH₂O)mH)는 m값이 1 내지 100 중 어느 하나의 값을 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 폴리옥시에틸렌알킬에테르(RO(CH₂CH₂O)mH)는 폴리옥시에틸렌(20)솔비탄모노라우레이트(Polyoxyethylene (20) sorbitan monolaurate), 폴리옥시에틸렌 (20)솔비탄모노파미테이트(Polyoxyethylene (20) sorbitan monopalmitate), 폴리옥시에틸렌(20)솔비탄모노스테아레이트(Polyoxyethylene (20) sorbitan monostearate) 또는 폴리옥시에틸렌(20)솔비탄모노올레이트(Polyoxyethylene (20) sorbitan monoleate)를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 지방산솔비탄에스테르는 다가알코올 에스테르인 솔비탄라우레이트(Sorbitan laurate), 솔비탄파미테이트(Sorbitan palmitate), 솔비탄 스테아레이트(Sorbitan stearate), 솔비탄 올레이트(Sorbitan oleate) 또는 솔비탄 트리올레이트(Sorbitan trioleate)를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 음이온성 계면활성제는 지방산 나트륨(RCOO
Figure 112014088023077-pat00001
Na
Figure 112014088023077-pat00002
), 모노알킬황산염(ROSO₃
Figure 112014088023077-pat00003
M
Figure 112014088023077-pat00004
), 알킬폴리옥시에틸렌황산염(RO(CH₂CH₂O)mSO₃
Figure 112014088023077-pat00005
M
Figure 112014088023077-pat00006
), 알킬벤젠술폰산염(RR'CH₂CHC6H₄SO₃
Figure 112014088023077-pat00007
M
Figure 112014088023077-pat00008
), 모노알킬인산염(ROPO(OH)O
Figure 112014088023077-pat00009
M
Figure 112014088023077-pat00010
) 및 이들 성분중의 두 개 이상의 성분을 포함한 혼합물 중 어느 하나인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 양이온성 계면활성제는 모노알킬트리메틸암모늄염(RN
Figure 112014088023077-pat00011
(CH₃)₃X
Figure 112014088023077-pat00012
), 디알킬디메틸암모늄염(RR'N
Figure 112014088023077-pat00013
(CH₃)₂X
Figure 112014088023077-pat00014
), 알킬벤질메틸암모늄염(RN
Figure 112014088023077-pat00015
(CH₂Ph)(CH₃)₂X
Figure 112014088023077-pat00016
) 및 이들 성분 중 두 개 이상의 성분으로 이루어진 혼합물 중 어느 하나인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 양쪽성 계면활성제는 알킬설포베타인(RR'R''N
Figure 112014088023077-pat00017
(CH₂)nSO₃), 알킬카르복시베타인(R(CH₃)₂N
Figure 112014088023077-pat00018
CH₂COO
Figure 112014088023077-pat00019
) 및 이들 성분 중 두 개 이상의 성분으로 이루어진 혼합물 중 어느 하나인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에서 레독스 플로우 전지용 전해액은 지지전해질; 브롬화 이온; 물; 및 브롬화 착제를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에서 지지전해질은 산성 화합물, 금속염 및 이들 성분 중 두 개 이상의 성분으로 이루어진 혼합물 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에서 브롬화 착제는 사차암모늄염(quaternary ammonium salt)로 이루어진 것을 특징으로 할 수 있다.
*본 발명에서 레독스 플로우 전지는 본 발명의 계면활성제를 함유하는 레독스 플로우 전지용 전해액을 포함한다.
본 발명에서 레독스 플로우 전지는 이온교환막, 이온 교환막의 일면에 위치하는 양극 및 이온 교환막의 다른 일면에 위치하는 음극으로 이루어진 단전지; 양극과 연결된 양극 전해조; 음극과 연결된 음극 전해조; 양극과 양극 전해조간에 전해액을 순환시키는 양극 펌프; 및 음극과 음극 전해조간에 전해액을 순환시키는 음극 펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에서 레독스 플로우 전지는 상기 전해액이 브롬과 브롬화 이온의 산화환원 반응을 동반하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에서 레독스 플로우 전지는 양극 및 음극이 표면을 친수성 처리한 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에서 적층형 레독스 플로우 전지는 이온교환막, 이온 교환막의 일면에 위치하는 양극 및 이온 교환막의 다른 일면에 위치하는 음극으로 이루어진 복수개의 단전지; 양극과 연결된 양극 전해조; 음극과 연결된 음극 전해조; 양극과 양극 전해조간에 전해액을 순환시키는 양극 펌프; 및 음극과 음극 전해조간에 전해액을 순환시키는 음극 펌프를 포함하며 상기 전해액은 계면활성제를 포함한다.
본 발명에 따르면, 계면활성제를 포함한 전해액은 충전 후 오일상에 저장되어 있는 브롬 착화합물의 분산도를 높이고 전극과 접촉면적을 증가시킨다. 이에 방전시 브롬 착화합물이 전극과 상호작용을 하고 수용액 상의 브롬화 이온으로 효율적으로 환원되도록 유도하여 효율적인 산화환원반응을 통해 레독스 플로우 전지의 성능이 향상된다.
도 1은 본 발명의 계면활성제를 포함한 전해액을 이용하는 레독스 플로우 전지를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 계면활성제를 전해액에 첨가한 경우와 첨가하지 않은 경우 전류효율을 비교한 그래프이다.
도 3은 계면활성제를 전해액에 첨가한 경우와 첨가하지 않은 경우의 전압효율을 비교하는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 적층형 레독스 플로우 전지에 있어서 복수개의 단전지를 설명하기 위한 도면이다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시 예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
본 발명에 따른 레독스 플로우 전지에 대하여 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명의 계면활성제를 포함한 전해액을 이용하는 레독스 플로우 전지를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 레독스 플로우 전지는 이온교환막(15), 이온 교환막(15)의 일면에 위치하는 양극(13) 및 상기 이온 교환막의 다른 일면에 위치하는 음극(11)으로 이루어진 단전지(10), 양극(13)과 연결된 양극 전해조(30), 음극(11)과 연결된 음극 전해조(20), 양극(13)과 양극 전해조(30)간에 전해액을 순환시키는 양극 펌프(50), 음극(11)과 음극 전해조(20)간에 전해액을 순환시키는 음극 펌프(40) 및 레독스 플로우 전지용 전해액을 포함한다.
또한, 레독스 플로우 전지는 단전지(10)로 부터 양극전해액 전해조(30) 및 양극펌프(50)에 전해액을 유입시키는 양극유입구(65), 단전지(10)로 부터 음극전해액 전해조(20) 및 음극펌프(40)에 전해액을 유입시키는 음극유입구(60), 양극펌프(50)로부터 양극(13)에 전해액을 유출시키는 양극유출구(75) 및 음극펌프(40)로부터 음극(11)에 전해액을 유출시키는 음극유출구(60)를 더 포함할 수 있다.
양극 전해조(30)와 음극 전해조(20)는 필요한 경우 전해액을 인출할 수 있도록 이를 저장한다. 양극전해조(30)는와 양극펌프(40)에 제공하기 위한 양극 전해액을 저장하며, 음극 전해조(20)는 음극펌프(40)에 제공하기 위한 음극 전해액을 저장한다.
양극 전해조(30) 및 음극 전해조(20)는 단전지(10)의 양극(13) 및 음극(11)에 대응하여 단전지(10)의 좌우에 배치된다. 또한, 양극 전해조(30) 및 음극 전해조(30)는 양극 유입구(65) 및 음극 유입구(60)를 통해 양극 펌프(50) 및 음극 펌프(40)와 연결된다.
또한, 펌프(Pump)(40,50)는 양극 전해조(30) 및 음극 전해조(20)로부터 전해액을 인출하여 단전지(10)에 공급하기 위한 것이며, 각각의 양극 전해조(30) 및 음극 전해조(20)와 단전지(10) 사이에 개재되는 것이다. 또한, 양극펌프(50) 및 음극펌프(40)는 각각 양극 유출구(75) 및 음극 유출구(70)를 통해 양극(13) 및 음극(11)에 연결된다.
단전지(10)는 이온 교환막(15)과 이온교환막(15) 일면에 위치하는 양극(13) 및 다른 일면에 위치하는 음극(11)을 포함한다. 단전지(10)에서 유무기 화합물 또는 금속 이온의 산화환원 반응이 이루어진다. 산화환원반응은 양극(13) 및 음극(11)의 전극 상호 간에 이루어지며, 이러한 산화환원반응에 의해 충방전이 이루어진다.
본 발명에 따른 양극(13) 및 음극(11)은 표면을 친수성 처리한 것일 수 있으며, 이는 수용액에 녹아있는 활물질과 효율적인 상호 작용을 위하여 처리한다.
양극 전해액은 양극 펌프(50)를 통해서 단전지(10)와 양극전해액 전해조(30)를 순환한다. 동일하게 음극 전해액은 음극 펌프(40)를 통하여 단전지(10)와 음극전해액 전해조(20)를 순환한다.
본 발명에 따른 전해액은 비이온성, 음이온성, 양이온성, 양쪽성 계면활성제 및 이들 성분 중 두 개 이상의 성분으로 이루어진 계면활성제 중 어느 하나를 포함하는 레독스 플로우 전지용 전해액이다.
전해액은 지지전해질, 브롬화 이온, 물 및 브롬 착제를 더 포함할 수 있다.
계면활성제는 하나의 분자 안에 친수성과 소수성을 동시에 지니고 있으며, 액체의 표면에 흡착되어 계면의 활성을 크게 하고 성질을 현저하게 변화시킨다. 활성을 나타내는 부분의 전하 종류에 따라 음이온계, 양이온계, 비이온계, 양성이온계 등 4가지 형으로 분류된다.
본 발명에 따른 비이온성 계면활성제는 물에 이온화되지 않고 용해되는 폴리옥시에틸렌알킬에테르(RO(CH₂CH₂O)mH), 지방산솔비탄에스테르, 지방산디에탄올아민(RCON(CH₂CH₂OH)₂), 알킬모노글리세릴에테르(ROCH₂CH(OH)CH₂OH) 및 이들 성분 중 두 개 이상의 성분을 포함한 혼합물 중 어느 하나일 수 있으며 이에 한하지 않는다.
본 발명에 따른 폴리옥시에틸렌알킬에테르(RO(CH₂CH₂O)mH)는 비이온성 계면활성제의 일종으로 폴리옥시에틸렌에 고급 알코올이 에테르와 결합한 것으로 m값이 1 내지 100 중 어느 하나의 값을 갖을 수 있으며, 폴리옥시에틸렌(20)솔비탄모노라우레이트(Polyoxyethylene (20) sorbitan monolaurate), 폴리옥시에틸렌 (20)솔비탄모노파미테이트(Polyoxyethylene (20) sorbitan monopalmitate), 폴리옥시에틸렌(20)솔비탄모노스테아레이트(Polyoxyethylene (20) sorbitan monostearate) 또는 폴리옥시에틸렌(20)솔비탄모노올레이트(Polyoxyethylene (20) sorbitan monoleate)를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 지방산솔비탄에스테르는 친유성 계면활성제이며 다가알코올 에스테르인 솔비탄라우레이트(Sorbitan laurate), 솔비탄파미테이트(Sorbitan palmitate), 솔비탄 스테아레이트(Sorbitan stearate), 솔비탄 올레이트(Sorbitan oleate) 또는 솔비탄 트리올레이트(Sorbitan trioleate)를 포함할 수 있다
본 발명에 따른 음이온성 계면활성제는 물에 용해되어 이온으로 해리되고, 계면활성을 나타내는 원자단이 음이온이 되는 것으로, 지방산 나트륨(RCOO
Figure 112014088023077-pat00020
Na
Figure 112014088023077-pat00021
), 모노알킬황산염(ROSO₃
Figure 112014088023077-pat00022
M
Figure 112014088023077-pat00023
), 알킬폴리옥시에틸렌황산염(RO(CH₂CH₂O)mSO₃
Figure 112014088023077-pat00024
M
Figure 112014088023077-pat00025
), 알킬벤젠술폰산염(RR'CH₂CHC6H₄SO₃
Figure 112014088023077-pat00026
M
Figure 112014088023077-pat00027
), 모노알킬인산염(ROPO(OH)O
Figure 112014088023077-pat00028
M
Figure 112014088023077-pat00029
) 및 이들 성분 중 두 개 이상의 성분을 포함한 혼합물 중 어느 하나 일 수 있다.
본 발명에 따른 양이온성 계면활성제는 수용액 속에서 이온화하여 생성된 양이온 부분이 계면활성을 나태는 것으로 모노알킬트리메틸암모늄염(RN
Figure 112014088023077-pat00030
(CH₃)₃X
Figure 112014088023077-pat00031
), 디알킬디메틸암모늄염(RR'N
Figure 112014088023077-pat00032
(CH₃)₂X
Figure 112014088023077-pat00033
), 알킬벤질메틸암모늄염(RN
Figure 112014088023077-pat00034
(CH₂Ph)(CH₃)₂X
Figure 112014088023077-pat00035
) 및 이들 성분 중 두 개 이상의 성분으로 이루어진 혼합물 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명에 따른 양쪽성 계면활성제는 양쪽성 전해질의 성질이 있는 것으로 동일 분자 중에 음이온성과 양이온성의 해리를 갖는다. 이는 알킬설포베타인(RR'R''N
Figure 112014088023077-pat00036
(CH₂)nSO₃), 알킬카르복시베타인(R(CH₃)₂N
Figure 112014088023077-pat00037
CH₂COO
Figure 112014088023077-pat00038
) 및 이들 성분 중 두 개 이상의 성분으로 이루어진 혼합물 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명에 따른 전해액은 계면활성제를 0.0001 내지 10중량%를 함유하는 것으로 할 수 있다. 전해액에 첨가하는 계면활성제의 종류에 따라서 최적의 농도가 달라질 수 있으며, 전체적인 관점에서 계면활성제의 농도는 0.0001 내지 10중량%를 함유하는 것이 전지성능 향상에 대한 효과가 좋다. 위와 같은 범위를 초과한 다량의 계면활성제를 첨가한 경우에는 전해액에 다량의 기포가 발생하여 전압효율을 떨어뜨리고 기포발생에 의한 공정운전에 어려움이 따르며, 위와 같은 범위에 미달하는 소량의 계면활성제를 첨가한 경우에는 계면활성제에 의한 전지성능 향상 효과가 미미하다.
본 발명에 따른 지지전해질은 수용액과 비수용액의 전해질을 사용하는 전기화학 반응장치에 전해질의 저항을 낮출 목적으로 용해하는 염으로서 산성화합물, 금속염 및 이들 성분 중 두 개 이상의 성분으로 이루어진 혼합물 중 어느 하나로 이루어질 수 있다. 산성 화합물은 황산, 염산, 질산 등을 말하며 이에 한하지 않는다. 금속염은 염화나트륨, 염화아연, 황산아연, 질산아연, 질산나트륨 등으로 이에 한하지 않는다.
본 발명에 따른 브롬화 착제는 사차암모늄염으로 이루어질 수 있다. 사차암모늄염은 R₄N
Figure 112014088023077-pat00039
X
Figure 112014088023077-pat00040
형의 염이며, N-에틸-N-메틸모폴리늄브로마이드(N-ethyl-N-methyl morpholinium bromide), N-에틸-N-메틸피롤리디늄브로마이드(N-ethyl-N-methyl pyrrolidinium bromide), N-클로로-N-메틸-몰포리늄브로마이드 (N-chloro-N-methyl morpholinium bromide) 및 N-클로로-N-메틸-피롤리디늄 브로마이드(N-chloro-N-methyl Pyrrolidinium bromide) 중 어느 하나 일 수 있다.
본 발명에 따른 전지의 효율성 향상을 판단하기 위해서, 아래와 같은 실시예로 실험을 하였다. 다만, 본 실시예에 한정되지 않으며 다른 유형의 브롬/브롬화 이온의 산화환원반응을 동반한 레독스 플로전지에 적용할 수 있음은 물론이다.
[실시예]
음극전해액 및 양극전해액으로 ZnBr₂(2M), Zncl₂(0.5M), 1-methyl-1-ethyl pyrrolidinium bromide (0.8M) 및 Polyoxyethyllene (20) sorbitan monolaurate(0.05M)을 사용하였다. 음극전해액의 산화환원반응은 Zn²
Figure 112014088023077-pat00041
이온과 Zn 메탈 사이에 이루어졌으며, 양극전해액의 산화환원반응은 브롬화 이온(Br
Figure 112014088023077-pat00042
)과 브롬(Br₂) 사이에 이루어졌다.
충전시 양극전해액은 Br
Figure 112014088023077-pat00043
가 Br₂로 산화되는데, 이때 전해액에 용해되어 있는 사차암모늄, 예를 들어 1-methyl-1-ethyl pyrrolidinium bromide와 결합하여 착화합물을 형성한다. 착화합물은 친유성 성질을 보이기 때문에 브롬화 이온이 녹아있는 수용액 상과 상분리가 일어난다. 특히 착화합물은 밀도가 물보다 높기 때문에, 용액의 순환을 멈출 경우 아래쪽으로 가라앉는다.
하지만, 방전시에는 친유성 상을 형성한 브롬 착화합물이 다시 전극표면에서 전자전달반응을 거쳐 브롬화 이온으로 환원되어야 한다. 이때 친수성 처리가 되어 있는 전극표면과 친유성 성질을 갖는 착화합물 사이에 상호작용을 증진시키기 위하여 폴리옥시에틸렌알킬에테르, 예를 들어, polyoxyethylene (20) sorbitan monolaurate를 첨가한다.
polyoxyethylene (20) sorbitan monolaurate는 계면활성제의 하나로서 오일과 물의 혼합을 증진시키는 역할을 한다. 따라서 착화합물과 전극표면사이의 상호작용을 증진시킬 수 있다. 또한, 수용액에 분산되어있는 오일상(브롬 착화합물)의 분산정도를 증진시켜 전해액 활물질과 양극 및 음극 사이의 접촉면적이 증가 될 수있다. 즉, 작은 입자 크기의 에멀젼을 형성하기 때문에 브롬 착화합물이 전극표면에 노츨되는 빈도를 증가시킨다.
따라서 폴리옥시에틸렌알킬에테르는 브롬 착화합물의 효율적인 환원반응을 유도하여 방전 효율을 높일 수 있다.
본 발명에 따른 전지 성능 향상 효과를 설명한다. 도 2는 계면활성제를 전해액에 첨가한 경우와 첨가하지 않은 경우 전류효율을 비교한 그래프이다. 도 3은 계면활성제를 전해액에 첨가하 경우와 첨가하지 않은 경우의 전압효율을 비교하는 그래프이다.
도 2를 참조하면, 폴리옥시에틸렌알킬에테르, 예를 들어, polyoxyethylene (20) sorbitan monolaurat를 첨가한 경우 전류효율이 증진되는 것을 확인할 수 있다. 계면활성제를 넣지 않는 경우 초기 사이클에서의 전류효율이 약 88 내지 92%인데 반해, 계면활성제를 소량 넣는 경우에는 96 내지 98%로 향상하였다. 이는 브롬 착화합물이 전극표면에서 용이하게 환원되었음을 나타낸다.
계면활성제를 넣지 않은 경우에는 전류효율이 점차적으로 감소하였다. 반면에 계면활성제를 넣은 경우, 전류효율이 일정하게 유지한다. 즉, 전해액의 비활성화 관점에서도 계면활성제는 긍정적인 역할을 수행한다.
도 3을 참조하면, 계면활성제를 넣은 경우와 그렇지 않은 경우의 전압효율은 큰 차이를 보이지 않는다.
또한, 복수 개의 단전지가 적층되어 적층형 레독스 플로우 전지를 구성할 수 있다. 도 4는 본 발명의 적층형 레독스 플로우 전지에 있어서 복수개의 단전지를 설명하기 위한 도면이다. 이하에서 본 발명에 따른 적층형 레독스 플로우 전지를 설명한다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 적층형 레독스 플로우 전지는 복수개의 단전지(10), 양극(13)과 연결된 양극 전해조(30), 음극(11)과 연결된 음극 전해조(20), 양극(13)과 양극 전해조(30)간에 전해액을 순환시키는 양극 펌프(50), 음극(11)과 음극 전해조(20)간에 전해액을 순환시키는 음극 펌프(40) 및 레독스 플로우 전지용 전해액을 포함한다. 단전지(10)는 이온교환막(15), 이온교환막 일면에 위치한 양극(13) 및 다른 일면에 위치한 음극(11)을 포함한다.
이상에서 상세하게 설명한 바에 의하면, 계면활성제를 포함한 전해액은 충전후 오일상에 저장되어 있는 브롬 착화합물의 분산도를 높이고 전극과 접촉면적을 증가시킨다. 이에 방전시 브롬 착화합물이 양극 및 음극과 상호작용을 하고 수용액 상의 브롬화 이온으로 효율적으로 환원되도록 유도하여 효율적인 산화환원반응을 통해 전지의 성능을 향상시킬 수 있다.
한편, 본 도면에 개시된 실시예는 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.
10. . . 단전지 11. . . 음극
13. . . 양극 15. . . 이온교환막
20. . . 음극전해액 전해조 30. . . 양극전해액 전해조
40. . . 음극펌프 50. . . 양극펌프
60. . . 음극유입구 65. . . 양극유입구
70. . . 음극유출구 75. . . 양극유출구

Claims (14)

  1. 브롬화 이온, 물, 브롬화 착제 및 계면활성제를 포함하는 레독스 플로우 전지용 전해액.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 계면활성제는 비이온성, 음이온성, 양이온성, 양쪽성 계면활성제 및 이들 성분 중 두 개 이상의 성분으로 이루어진 혼합물 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 전지용 전해액.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 계면활성제 0.0001 내지 10중량%를 함유하는 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 전지용 전해액.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 비이온성 계면활성제는 폴리옥시에틸렌알킬에테르(RO(CH₂CH₂O)mH), 지방산솔비탄에스테르, 지방산디에탄올아민(RCON(CH₂CH₂OH)₂), 알킬모노글리세릴에테르(ROCH₂CH(OH)CH₂OH) 및 이들 성분 중 두 개 이상의 성분을 포함한 혼합물 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 전지용 전해액.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 폴리옥시에틸렌알킬에테르(RO(CH₂CH₂O)mH)는 m값이 1 내지 100 중 어느 하나의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 전지용 전해액.
  6. 제 4항에 있어서
    상기 폴리옥시에틸렌알킬에테르(RO(CH₂CH₂O)mH)는 폴리옥시에틸렌(20)솔비탄모노라우레이트(Polyoxyethylene(20)sorbitan monolaurate), 폴리옥시에틸렌(20)솔비탄모노파미테이트(Polyoxyethylene (20)sorbitan monopalmitate), 폴리옥시에틸렌(20)솔비탄모노스테아레이트(Polyoxyethylene (20) sorbitan monostearate) 또는 폴리옥시에틸렌(20)솔비탄모노올레이트(Polyoxyethylene (20) sorbitan monoleate)를 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 전지용 전해액.
  7. 제 4항에 있어서 ,
    상기 지방산솔비탄에스테르는 다가알코올 에스테르인 솔비탄라우레이트(Sorbitan laurate), 솔비탄파미테이트(Sorbitan palmitate), 솔비탄 스테아레이트(Sorbitan stearate), 솔비탄 올레이트(Sorbitan oleate) 또는 솔비탄 트리올레이트(Sorbitan trioleate)를 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 전지용 전해액.
  8. 제 2항에 있어서,
    상기 음이온성 계면활성제는 지방산 나트륨(RCOO
    Figure 112014088023077-pat00044
    Na
    Figure 112014088023077-pat00045
    ), 모노알킬황산염(ROSO₃
    Figure 112014088023077-pat00046
    M
    Figure 112014088023077-pat00047
    ), 알킬폴리옥시에틸렌황산염(RO(CH₂CH₂O)mSO₃
    Figure 112014088023077-pat00048
    M
    Figure 112014088023077-pat00049
    ), 알킬벤젠술폰산염(RR'CH₂CHC6H₄SO₃
    Figure 112014088023077-pat00050
    M
    Figure 112014088023077-pat00051
    ), 모노알킬인산염(ROPO(OH)O
    Figure 112014088023077-pat00052
    M
    Figure 112014088023077-pat00053
    ) 및 이들 성분 중 두 개 이상의 성분을 포함한 혼합물 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 전지용 전해액.
  9. 제 2항에 있어서,
    상기 양이온성 계면활성제는 모노알킬트리메틸암모늄염(RN
    Figure 112014088023077-pat00054
    (CH₃)₃X
    Figure 112014088023077-pat00055
    ), 디알킬디메틸암모늄염(RR'N
    Figure 112014088023077-pat00056
    (CH₃)₂X
    Figure 112014088023077-pat00057
    ), 알킬벤질메틸암모늄염(RN
    Figure 112014088023077-pat00058
    (CH₂Ph)(CH₃)₂X
    Figure 112014088023077-pat00059
    ) 및 이들 성분 중 두 개 이상의 성분으로 이루어진 혼합물 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 전지용 전해액.
  10. 제 2항에 있어서,
    상기 양쪽성 계면활성제는 알킬설포베타인(RR'R''N
    Figure 112014088023077-pat00060
    (CH₂)nSO₃), 알킬카르복시베타인(R(CH₃)₂N
    Figure 112014088023077-pat00061
    CH₂COO
    Figure 112014088023077-pat00062
    ) 및 이들 성분 중 두 개 이상의 성분으로 이루어진 혼합물 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 전지용 전해액.
  11. 제 1항에 있어서,
    지지전해질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 전지용 전해액.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 브롬화 착제는 사차암모늄염(quaternary ammonium salt)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 전지용 전해액.
  13. 제 1항 내지 제 12항 중 어느 한 항의 레독스 플로우 전지용 전해액을 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 전지.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 전해액은 브롬과 브롬화 이온의 산화환원 반응을 동반하는 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 전지.
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