KR102000659B1 - Preparation method for composite separator for redox flow batterry and composite separator for redox flow batterry - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 1,000,000 내지 10,000,000의 중량평균분자량을 갖는 다공성 고분자 수지막의 적어도 일면에 양이온 교환 작용기가 1이상 치환된 불소계 수지 또는 탄화수소계 수지가 포함된 코팅 조성물을 도포하는 단계; 및 상기 코팅 조성물이 도포된 다공성 고분자 수지막을 과산화수소 용액, 황산 용액 또는 탈이온수 내에 10분 이상 체류시키는 단계;를 포함하는 레독스 흐름 전지용 복합 분리막의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for preparing a porous polymeric resin film, comprising the steps of: applying a coating composition comprising at least one surface of a porous polymeric resin film having a weight average molecular weight of 1,000,000 to 10,000,000, And retaining the porous polymer resin film coated with the coating composition in a hydrogen peroxide solution, a sulfuric acid solution, or deionized water for 10 minutes or more.

Description

레독스 흐름 전지용 복합 분리막의 제조 방법 및 레독스 흐름 전지용 복합 분리막{PREPARATION METHOD FOR COMPOSITE SEPARATOR FOR REDOX FLOW BATTERRY AND COMPOSITE SEPARATOR FOR REDOX FLOW BATTERRY}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a composite separator for a redox flow cell, and a composite separator for a redox flow battery. BACKGROUND ART [0002]

본 발명은 레독스 흐름 전지용 복합 분리막의 제조 방법 및 레독스 흐름 전지용 복합 분리막에 관한 것이다.The present invention relates to a process for producing a composite separator for redox flow cells and a composite separator for redox flow cells.

화석 연료를 사용하여 대량의 온실 가스 및 환경 오염 문제를 야기하는 화력 발전이나 시설 자체의 안정성이나 폐기물 처리의 문제점을 갖는 원자력 발전 등의 기존 발전 시스템들이 다양한 한계점을 들어내면서 보다 친환경적이고 높은 효율을 갖는 에너지의 개발과 이를 이용한 전력 공급 시스템의 개발에 대한 연구가 크게 증가하고 있다. Existing power generation systems, such as thermal power generation using nuclear fossil fuels and large-scale greenhouse gas and environmental pollution problems, and nuclear power generation, which have the problems of stability of the facility itself or waste disposal problems, have various limitations and are more environmentally friendly and highly efficient Research on the development of energy and the development of power supply system using it has been greatly increased.

특히, 전력 저장 기술은 외부 조건에 큰 영향을 받는 재생 에너지를 보다 다양하고 넓게 이용할 수 있도록 하며 전력 이용의 효율을 보다 높일 수 있어서, 이러한 기술 분야에 대한 개발이 집중되고 있으며, 이들 중 2차 전지에 대한 관심 및 연구 개발이 크게 증가하고 있는 실정이다. Particularly, the power storage technology makes it possible to utilize renewable energy which is greatly influenced by external conditions in a wider and wider range, and the efficiency of power utilization can be further increased. And research and development have been increasing.

레독스 흐름 전지는 활성 물질의 화학적 에너지를 직접 전기 에너지로 전환할 수 있는 산화/환원 전지를 의미하며, 태양광, 풍력등 외부 환경에 따라 출력변동성이 심한 신재생에너지를 저장하여 고품질 전력으로 변환할 수 있는 에너지 저장시스템이다. 구체적으로, 레독스 흐름 전지에서는 산화/환원 반응을 일으키는 활물질을 포함한 전해액이 반대 전극과 저장 탱크 사이를 순환하며 충방전이 진행된다. The redox flow cell is an oxidation / reduction cell that can convert the chemical energy of the active material directly into electrical energy. It stores renewable energy with high output fluctuation depending on the external environment such as sunlight and wind power and converts it into high quality power Energy storage system. Specifically, in the redox flow cell, the electrolyte containing the active material causing the oxidation / reduction reaction circulates between the opposite electrode and the storage tank, and charging / discharging proceeds.

이러한 레독스 흐름 전지는 기본적으로 산화상태가 각각 다른 활물질이 저장된 탱크와 충/방전시 활물질을 순환시키는 펌프, 그리고 분리막으로 분획되는 단위셀을 포함하며, 상기 단위셀은 전극, 전해질 및 분리막을 포함한다. The redox flow cell basically includes a tank storing different active materials in oxidation states, a pump circulating the active material during charging / discharging, and a unit cell divided into a separation membrane. The unit cell includes an electrode, an electrolyte, and a separation membrane do.

레독스 흐름 전지의 분리막은 충전 방전시 양극과 음극전해질에 반응되어 생성되는 이온의 이동을 통해 전류의 흐름을 발생시키는 핵심소재이다. 현재 레독스 흐름 전지에는 전지 종류에 따라, 납축 전지용 분리막 또는 연료전지용 이온 교환막을 사용하는 것이 일반적이나, 이러한 이전의 분리막은 양극과 음극 전해액 간의 이온의 크로스 오버를 발생시키고 전지의 에너지효율을 저하시키며 사용되는 전해액에 대한 내성이 충분하지 않아서 전지의 수명을 충분히 확보하기 어려우며, 가격 경쟁력 확보에도 한계를 가지고 있다.The separator of the redox flow cell is a core material that generates current flow through the movement of ions generated in response to the anode and cathode electrolyte during charge discharge. Current redox flow cells generally use lead-acid battery separators or fuel cell ion-exchange membranes, depending on the type of battery, but these prior separator membranes cause crossover of ions between the positive and negative electrode electrolytes and degrade the energy efficiency of the cells It is difficult to sufficiently secure the life of the battery because the resistance to the electrolytic solution used is not sufficient and the price competitiveness is also limited.

본 발명은 향상된 이온 교환 능력 및 친수성을 가지며, 전해질 용액 내 충전된 활물질의 크로스 오버 및 전지의 에너지 밀도의 저하 현상을 효과적으로 감소시킬 수 있으며, 내구성과 내화학성이 우수한 레독스 흐름 전지용 복합 분리막의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다. The present invention relates to a composite separator for a redox flow cell having improved ion exchange capacity and hydrophilicity and capable of effectively reducing the crossover of the charged active material in the electrolyte solution and the degradation of the energy density of the battery and having excellent durability and chemical resistance Method.

또한, 본 발명은, 향상된 이온 교환 능력 및 친수성을 가지며, 전해질 용액 내 충전된 활물질의 크로스 오버 및 전지의 에너지 밀도의 저하 현상을 효과적으로 감소시킬 수 있으며, 내구성과 내화학성이 우수한 레독스 흐름 전지용 복합 분리막을 제공하기 위한 것이다. The present invention also provides a composite material for a redox flow cell having improved ion exchange ability and hydrophilicity and capable of effectively reducing crossover of the active material packed in the electrolyte solution and lowering of the energy density of the battery and having excellent durability and chemical resistance To provide a separation membrane.

또한, 본 발명은 상기 복합 분리막을 포함하는 레독스 흐름 전지를 제공하기 위한 것이다.The present invention also provides a redox flow cell comprising the composite separator.

본 발명은, 다공성 고분자 수지막에 적어도 일면에 양이온 교환 작용기가 1이상 치환된 불소계 수지 또는 탄화수소계 수지가 포함된 코팅 조성물을 도포하는 단계; 및 상기 코팅 조성물이 도포된 다공성 고분자 수지막을 과산화수소 용액, 황산 용액 또는 탈이온수 내에 체류시키는 단계;를 포함하는, 레독스 흐름 전지용 복합 분리막의 제조 방법을 제공한다. The present invention relates to a method for producing a porous polymeric resin film, comprising the steps of: applying a coating composition containing a fluorine resin or a hydrocarbon resin having at least one cation exchange functional group substituted on at least one surface thereof; And retaining the porous polymer resin film coated with the coating composition in a hydrogen peroxide solution, a sulfuric acid solution, or deionized water.

또한, 본 발명은, 다공성 고분자 수지막; 및 상기 다공성 고분자 수지막의 적어도 일면에 형성되고, 양이온 교환 작용기가 1이상 치환된 불소계 수지를 포함하는 코팅층;을 포함하는, 레독스 흐름 전지용 복합 분리막을 제공한다. The present invention also relates to a porous polymeric resin film; And a coating layer formed on at least one surface of the porous polymeric resin film and comprising a fluorine resin substituted with at least one cation exchange functional group.

또한, 본 발명은 상기 복합 분리막을 포함하는 레독스 흐름 전지를 제공한다.The present invention also provides a redox flow cell comprising the composite separator.

이하에서는 발명의 구체적인 구현예에 따른 레독스 흐름 전지용 복합 분리막의 제조 방법에 관하여 보다 상세하게 설명하기로 한다. Hereinafter, a method of manufacturing a composite separator for a redox flow cell according to a specific embodiment of the present invention will be described in detail.

발명의 일 구현예에 따르면, 다공성 고분자 수지막에 적어도 일면에 양이온 교환 작용기가 1이상 치환된 불소계 수지 또는 탄화수소계 수지가 포함된 코팅 조성물을 도포하는 단계; 및 상기 코팅 조성물이 도포된 다공성 고분자 수지막을 과산화수소 용액, 황산 용액 또는 탈이온수 내에 체류시키는 단계;를 포함하는, 레독스 흐름 전지용 복합 분리막의 제조 방법이 제공될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, there is provided a method of manufacturing a porous polymeric resin film, comprising: coating a porous polymeric resin film with a coating composition comprising a fluorine resin or a hydrocarbon resin having at least one cation exchange functional group substituted on at least one surface thereof; And a step of retaining the porous polymer resin film coated with the coating composition in a hydrogen peroxide solution, a sulfuric acid solution or deionized water, and a method for producing a composite separator membrane for a redox flow battery.

본 발명자들은, 다공성 고분자 수지막의 일면 또는 양면에 양이온 교환 작용기가 1이상 치환된 불소계 수지가 포함된 코팅 조성물을 도포하고, 상기 코팅 조성물이 도포된 다공성 고분자 수지막을 과산화수소 용액, 황산 용액 또는 탈이온수 내에 10분 이상 체류시키는 단계를 통하여 레독스 흐름 전지용 복합 분리막을 제조하였으며, 이러한 레독스 흐름 전지용 복합 분리막은 상기 코팅층의 표면 특성과 전기적 특성과 각각 성분에 의한 특성으로 인하여 충전된 활물질의 크로스오버 감소, 양이온 혹은 음이온의 이동 속도 향상, 친수성 및 전도도 향상 등의 효과가 있다는 점을 실험을 통하여 확인하고 발명을 완성하였다. The present inventors have found that when a coating composition containing a fluorine resin having one or more cation exchange functional groups substituted on one or both surfaces of a porous polymer resin film is applied and the porous polymer resin film coated with the coating composition is immersed in a hydrogen peroxide solution, The composite membrane for a redox flow battery was prepared through a step of staying for 10 minutes or longer. The composite membrane for a redox flow battery was characterized in that the surface properties, electrical characteristics, and characteristics of the coating layer were used to reduce crossover of the charged active material, It has been confirmed through experiments that the effect of improving the migration speed of cation or anion, hydrophilicity and conductivity is improved and the invention is completed.

특히, 상기 레독스 흐름 전지용 복합 분리막의 코팅층은 양이온 교환 작용기가 1이상 치환된 고분자을 포함하여, 상기 복합 분리막으로 분획되는 레독스 흐름 전지의 음극 부분 및 양극 부분 간의 밸런스 조절을 용이하게 할 수 있다. Particularly, the coating layer of the composite separator for a redox flow battery includes a polymer having at least one cation exchange functional group substituted thereon, thereby facilitating the balance between the cathode portion and the anode portion of the redox flow cell fractionated by the composite separator.

이에 따라, 상기 레독스 흐름 전지용 복합 분리막은 보다 향상된 이온교환능력을 가질 수 있으며, 충전된 활물질의 크로스오버 및 전지의 에너지 밀도의 저하 현상을 방지할 수 있고, 높은 내구성과 내화학성을 가진 고분자 수지를 사용함으로써 전지의 수명 확보가 용이하다. Accordingly, the composite separator for redox flow battery can have improved ion exchange capacity, can prevent the crossover of the charged active material and the energy density of the battery, and the polymer resin having high durability and chemical resistance It is easy to secure the lifetime of the battery.

상기 다공성 고분자 수지막의 적어도 1면에 형성되고, 양이온 교환 작용기가 1이상 치환된 고분자를 포함하는 코팅층은 1 내지 300㎛의 두께를 가질 수 있다. The coating layer formed on at least one surface of the porous polymeric resin film and including a polymer having one or more cation exchange functional groups substituted therein may have a thickness of 1 to 300 탆.

한편, 상기 양이온 교환 작용기가 1이상 치환된 불소계 혹은 탄화수소계 수지에는 술폰산기, 카르복실산기 또는 인산기의 양이온 교환 작용기가 1이상 치환될 수 있다. On the other hand, one or more cation exchange functional groups of sulfonic acid group, carboxylic acid group, or phosphoric acid group may be substituted in the fluorine-based or hydrocarbon-based resin in which the cation exchange functional group is substituted by one or more.

이러한 불소계 수지의 구체적인 종류로는, 불소계 수지는 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE), 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 테트라플루오르에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체(FEP), 에틸렌-테트라플루오로에틸렌 코폴리머 수지(ETFE), 테트라플루오로에틸렌- 클로로트리플루오로에틸렌 공중합체(TFE/CTFE) 및 에틸렌-클로로트리플루오로에틸렌 수지(ECTFE)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 고분자를 들 수 있다. 또한, 상기 양이온 교환 작용기가 1이상 치환된 불소계 수지의 상용화된 제품으로는 Nafion® (Dupont), Equivion® (Solvay), FlemionTM (AGC chemicals company), AciplexTM (Asahi Kasei) 등을 들 수 있다.Specific examples of the fluororesin include fluororesins such as polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP) , Ethylene-tetrafluoroethylene copolymer resin (ETFE), tetrafluoroethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer (TFE / CTFE) and ethylene-chlorotrifluoroethylene resin (ECTFE) And the like. Further, as commercially available products of the fluorine-based resin substituted at least said cation-exchange functional groups. 1 and the like can be mentioned Nafion ® (Dupont), Equivion ® (Solvay), Flemion TM (AGC chemicals company), Aciplex TM (Asahi Kasei) .

이러한 탄화수소계 수지의 구체적인 종류로는 폴리에틸렌, 폴리설폰, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리페닐렌, 폴리-에테르-에테르-케톤, 폴리비닐블로라이드로 이루어진 군에서 선택된 1 종 이상의 고분자를 들 수 있다. Specific examples of such a hydrocarbon resin include at least one polymer selected from the group consisting of polyethylene, polysulfone, polyphenylene oxide, polyphenylene, poly-ether-ether-ketone and polyvinyl chloride.

상기 양이온 교환 작용기가 1이상 치환된 불소계 수지 또는 탄화수소계 수지의 중량평균분자량이 크게 한정되는 것은 아니나, 예를 들어 10,000 내지 300,000 의 중량평균분자량을 가질 수 있다. 상기 중량 평균 분자량은 GPC법에 의해 측정한 폴리스티렌 환산의 중량 평균 분자량을 의미한다.The weight average molecular weight of the fluorine-based resin or the hydrocarbon-based resin having at least one cation exchange functional group substituted therein is not particularly limited, but may have a weight average molecular weight of, for example, 10,000 to 300,000. The weight average molecular weight means the weight average molecular weight in terms of polystyrene measured by GPC method.

상기 양이온 교환 작용기(-)는 상기 코팅층 표면의 친전해액성 높여 주며, 전해액내의 징크 이온(+)과의 인력을 통해 빠른 이온 이동을 가능케 하여 전압 효율을 향상시키며, 또한 상기 고분자 자체의 양이온 교환 작용기가 브롬 (Brn -) 등의 활물질의 crossover 억제의 역할도 할 수 있어 전하량 효율 또한 향상시킬 수 있다.The cation exchange function (-) enhances the electrophilic electrolyte property on the surface of the coating layer. The cation exchange functional group (-) improves the voltage efficiency by enabling rapid ion transfer through attraction with zinc ions (+) in the electrolytic solution, Can also act as a crossover suppressor of an active material such as bromine (Br n - ), thereby improving the charge efficiency.

상기 양이온 교환 작용기는 술폰산기, 카르복실산기 또는 인산기를 포함할 수 있다. 이러한 양이온 교환 작용기의 존재로 인하여, 상기 구현예의 레독스 흐름 전지용 복합 분리막 표면의 전해액 친화도가 높아지고, 또한 전지의 전해액 내 징크 이온과 양이온 교환 작용기 간의 상호작용을 통해 전해액 내 이온 이동을 빠르게 하여 전해액과 레독스 흐름 전지용 복합 분리막 사이의 저항을 감소시켜 전압 효율을 향상될 수 있다.The cation exchange functional group may include a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, or a phosphoric acid group. Due to the presence of such a cation exchange functional group, the electrolyte affinity of the surface of the composite separator membrane for the redox flow battery of the above embodiment is increased, and ion exchange in the electrolyte is accelerated through interaction between the zinc ion and the cation exchange functional group in the electrolyte of the battery, And the resistance between the redox flow cell composite separator membrane can be reduced to improve the voltage efficiency.

상기 양이온 교환 작용기가 1이상 치환된 불소계 수지 또는 탄화수소계 수지가 포함된 코팅 조성물은 상기 양이온 교환 작용기가 1이상 치환된 불소계 수지 또는 탄화수소계 수지 1 내지 30중량%를 포함할수 있다. The coating composition containing the fluorine resin or the hydrocarbon resin having at least one cation exchange functional group substituted therein may contain 1 to 30% by weight of the fluorine resin or the hydrocarbon resin substituted by one or more of the cation exchange functional groups.

상기 코팅 조성물은 상기 양이온 교환 작용기가 1이상 치환된 불소계 수지 또는 탄화수소계 수지 이외로 유기 용매, 수용성 용매 또는 이들의 혼합 용매 등을 포함할 수 있으며, 보다 구체적으로 상기 코팅 조성물에서 상기 양이온 교환 작용기가 1이상 치환된 불소계 수지 또는 탄화수소계 수지는 아이소프로판올(isopropanol)과 탈 이온수(deionized water)의 혼합용매, N- 메틸 피롤리돈, 디메틸아세트아미드, 디메틸포름아미드, 디메틸설폭사이드, 또는 에틸렌 글리콜 등에 분산 혹은 용해되어 있을 수 있다. The coating composition may contain an organic solvent, a water-soluble solvent or a mixed solvent thereof in addition to the fluorine-based resin or the hydrocarbon-based resin in which the cation exchange functional group is substituted by one or more of the cation exchange functional groups. More specifically, The fluorinated resin or the hydrocarbon resin having at least one substituent may be a mixed solvent of isopropanol and deionized water, a mixed solvent of N-methylpyrrolidone, dimethylacetamide, dimethylformamide, dimethylsulfoxide, or ethylene glycol May be dispersed or dissolved.

상기 양이온 교환 작용기가 1이상 치환된 불소계 수지 또는 탄화수소계 수지가 포함된 코팅 조성물이 상기 다공성 고분자 수지막에 코팅되는 두께는 최종 제조되는 레독스 흐름 전지용 복합 분리막의 구체적인 용도나 목적에 따라서 달라질 수 있는데, 예를 들어 상기 코팅 조성물은 다공성 고분자 수지막 상에 0.1 내지 1,000 ㎛의 두께로 코팅될 수 있다. The thickness of the coating composition containing the fluorocarbon resin or the hydrocarbon resin having the cation exchange functional groups substituted on the porous polymeric resin film may be varied depending on the specific application or purpose of the final separator for redox flow battery , For example, the coating composition may be coated on the porous polymeric resin film to a thickness of 0.1 to 1,000 mu m.

한편, 상기 코팅 조성물이 도포된 다공성 고분자 수지막을 과산화수소 용액, 황산 용액 또는 탈이온수 내에 10분 이상, 또는 0.5시간 이상, 또는 1시간 이상, 또는 3시간 이상 체류시키는 단계를 통하여, 분리막 내부의 형상을 변화 시켜 배터리 내부 저항과 자가 방전을 초래하는 활물질의 교차혼합을 최소화 하는 분리막을 제공할 수 있다. On the other hand, the shape of the inside of the separation membrane is maintained through a step of retaining the porous polymer resin film coated with the coating composition in a hydrogen peroxide solution, a sulfuric acid solution or deionized water for 10 minutes or more, or 0.5 hours or more, or 1 hour or more, Thereby providing a separator that minimizes cross-mixing of the active material that causes the internal resistance of the battery and the self-discharge.

구체적으로, 상기 코팅 조성물이 도포된 다공성 고분자 수지막을 과산화수소 용액, 황산 용액 또는 탈이온수 내에 10분 이상 체류시키는 단계는 상기 코팅 조성물이 도포된 다공성 고분자 수지막을 30 내지 100℃의 온도를 갖는 과산화수소 용액, 황산 용액 또는 탈이온수 내에 0.5시간 내지 80시간 체류시키는 단계를 포함할 수 있다. Specifically, the step of allowing the porous polymer resin film coated with the coating composition to remain in the hydrogen peroxide solution, the sulfuric acid solution, or the deionized water for 10 minutes or more may be performed by a method comprising: applying the porous polymer resin film coated with the coating composition to a hydrogen peroxide solution having a temperature of 30 to 100 ° C, Sulfuric acid solution or deionized water for 0.5 to 80 hours.

상기 코팅 조성물이 도포된 다공성 고분자 수지막이 체류하는 과산화수소 용액, 황산 용액 또는 탈이온수의 온도가 크게 한정되는 것은 아니지만, 과산화수소 용액, 황산 용액 또는 탈이온수의 온도가 너무 낮은 경우 분리막 내부 불순물 존재, ion cluster swelling의 불충분 등의 이유로 분리막 내부의 형상에 변화가 없거나 활물질의 교차혼합을 방지하지 못하는등으로 기대되는 효과가 달성되지 않을 수 있다. Although the temperature of the hydrogen peroxide solution, the sulfuric acid solution or the deionized water in which the porous polymer resin film coated with the coating composition is present is not limited to a great extent, if the temperature of the hydrogen peroxide solution, the sulfuric acid solution or the deionized water is too low, there is no change in the shape of the interior of the separator due to insufficient swelling or the like, or the cross-mixing of the active materials can not be prevented.

또한, 상기 코팅 조성물이 도포된 다공성 고분자 수지막을 과산화수소 용액, 황산 용액 또는 탈이온수 내에 체류하는 시간이 크게 한정되는 것은 아니지만, 상기 체류 시간이 너무 짧은 경우 분리막 내부 불순물 존재, ion cluster swelling의 불충분 등의 이유로 분리막 내부의 형상에 변화가 없거나 활물질의 교차혼합을 방지하지 못하는등으로 기대되는 효과가 달성되지 않을 수 있다.In addition, although the time for residence of the porous polymer resin film coated with the coating composition in the hydrogen peroxide solution, the sulfuric acid solution or the deionized water is not limited, the presence of impurities in the membrane, insufficient ion cluster swelling There is no change in the shape of the inside of the separator or the cross-mixing of the active material can not be prevented, so that the expected effect may not be achieved.

상기 과산화수소 용액과 황산 용액은 멤브레인 내부의 불순물 제거의 역할도 할 수 있다. 상기 과산화수소 용액은 1 내지 10중량%의 농도를 가질 수 있다. 상기 황산 용액은 1M 내지 3M의 농도를 가질 수 있다. The hydrogen peroxide solution and the sulfuric acid solution can also serve to remove impurities from the inside of the membrane. The hydrogen peroxide solution may have a concentration of 1 to 10% by weight. The sulfuric acid solution may have a concentration of 1M to 3M.

상기 탈이온수는 분리막 내의 ion cluster를 팽윤(swelling)시키는 역할을 할 수 있다.The deionized water may serve to swell ion clusters in the separation membrane.

한편, 상기 다공성 고분자 수지막은 상기 레독스 흐름 전지용 복합 분리막의 기재 역할을 하며, 상기 다공성 고분자 수지막의 재질로는 화학 흐름 전지의 분리막으로 사용될 수 있는 것으로 알려진 고분자 수지를 다양하게 사용할 수 있다. Meanwhile, the porous polymer resin membrane serves as a base material of the composite separator membrane for the redox flow cell, and the porous polymer resin membrane may be made of a polymer resin known to be used as a separation membrane of a chemical flow battery.

상기 다공성 고분자 수지막은 1㎚ 내지 10 ㎛, 또는 10㎚ 내지 1 ㎛ 의 최대 직경을 갖는 기공을 포함할 수 있다. 상기 기공의 형상은 크게 한정되는 것은 아니며, 상기 다공성 고분자 수지막의 단면을 기준으로 상기 기공의 단면의 형상이 원형, 타원형, 3이상의 다각형, 또는 이웃하는 내각 중 어느 하나가 예각이고 다른 하나가 둔각인 6이상의 다각형일 수 있다. The porous polymer resin film may include pores having a maximum diameter of 1 nm to 10 mu m, or 10 nm to 1 mu m. The shape of the pores is not limited to a specific one. The cross-sectional shape of the porous polymeric resin film may be circular, elliptical, polygonal with three or more angles, It may be a polygon of 6 or more.

상기 다공성 고분자 수지막은 100,000 내지 10,000,000의 중량평균분자량을 갖는 고분자 수지를 포함할 수 있다. 상기 다공성 고분자 수지막의 고분자 수지의 중량평균분자량이 너무 작으면, 상기 레독스 흐름 전지용 분리막의 내구성이나 내화학성 등의 충분히 확보되기 어려울 수 있다. 또한, 상기 다공성 고분자 수지막의 고분자 수지의 중량평균분자량이 너무 크면, 분리막 상에 형성되는 기공의 분포도나 기공 자체의 크기가 불균일 해질 수 있다.The porous polymer resin membrane may include a polymer resin having a weight average molecular weight of 100,000 to 10,000,000. If the weight average molecular weight of the polymer resin of the porous polymeric resin film is too small, it may be difficult to sufficiently ensure the durability and chemical resistance of the separable membrane for the redox-flowable battery. In addition, if the weight average molecular weight of the polymer resin of the porous polymeric resin film is too large, the distribution of the pores formed on the separation membrane and the size of the pores themselves may become uneven.

구체적으로, 상기 다공성 고분자 수지막은 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 선형저밀도 폴리에틸렌(LLDPE), 에틸렌비닐아세테이트 공중합체(EVA), 폴리프로필렌(PP), 폴리카보네이트(PC), 폴리아크릴로니트릴(PAN) 및 폴리테트라플루오르에틸렌 (PTFE), 폴리비닐리덴플로라이드 (PVDF), 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride), 폴리비닐리덴클로라이드(polyvinylidene chloride), 폴리에테르술폰(polyethersulfone), 폴리술폰(polysulfone), 폴리에테르케톤 (polyetherketone), 폴리-에테르-에테르-케톤 (poly-ether-ethere-ketone), 폴리에틸렌에테르나이트릴(polyethylene ether nitrile), 또는 이들의 2종 이상의 혼합물을 포함할 수 있다. Specifically, the porous polymeric resin film may be formed of a high molecular weight polyethylene (HDPE), a low density polyethylene (LDPE), a linear low density polyethylene (LLDPE), an ethylene vinyl acetate copolymer (EVA), a polypropylene (PP), a polycarbonate (PAN) and polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinylchloride, polyvinylidene chloride, polyethersulfone, polysulfone ), Polyetherketone, poly-ether-ether-ketone, polyethylene ether nitrile, or a mixture of two or more thereof.

상기 다공성 고분자 수지막의 표면에는 폴리도파민(polydopamine)이 결합될 수 있다. 이러한 폴리도파민은 상기 다공성 고분자 수지막의 표면에 부분적으로 결합될 수 있으며, 또는 폴리도파민을 포함하는 고분자 수지층이 상기 다공성 고분자 수지막의 표면에 형성될 수 있다. 상기 폴리도파민은 1㎚ 내지 100㎚의 두께로 고분자 수지층을 형성하여 상기 다공성 고분자 수지막의 표면에 결합될 수 있다. Polydopamine may be bonded to the surface of the porous polymeric resin film. Such polypodamine may be partially bonded to the surface of the porous polymeric resin film, or a polymer resin layer containing polypodamine may be formed on the surface of the porous polymeric resin film. The polypodamine may be bonded to the surface of the porous polymer resin film by forming a polymer resin layer to a thickness of 1 nm to 100 nm.

상기 다공성 고분자 수지막은 적용되는 레독스 흐름 전지의 형상, 크기 및 특성에 따라 그 두께가 결정될 수 있으며, 예를 들어 10㎛ 내지 600㎛, 두께를 가질 수 있다. The thickness of the porous polymeric resin film may be determined according to the shape, size, and characteristics of the redox-flow battery to be applied, and may be, for example, 10 to 600 탆.

한편, 상기 다공성 고분자 수지막은 내부에 분산된 무기 입자 0.5 내지 75중량%를 더 포함할 수 있다. 이러한 무기 입자는 실리카, 개질 실리카, 유기 실란 화합물 및 티타늄 화합물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. On the other hand, the porous polymer resin film may further include 0.5 to 75% by weight of inorganic particles dispersed therein. These inorganic particles may include at least one member selected from the group consisting of silica, modified silica, organosilane compound and titanium compound.

상기 개질 실리카의 예로는 하기 화학식1 내지 화학식4의 화합물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 들 수 있다. Examples of the modified silica include at least one compound selected from the group consisting of compounds represented by Chemical Formulas 1 to 4 below.

[화학식1][Chemical Formula 1]

Figure 112017115164730-pat00001
Figure 112017115164730-pat00001

상기 화학식1에서, Y1은 불소가 하나 이상 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 10의 직쇄 또는 분지쇄의 알킬렌기이고, X1은 할로겐기이며, R1, R2 및 R3는 각각 탄소수 1 내지 4의 직쇄 또는 분지쇄의 알킬기이다. Wherein Y 1 is a straight or branched alkylene group having 1 to 10 carbon atoms in which at least one of fluorine is substituted or unsubstituted, X 1 is a halogen group, and R 1 , R 2 and R 3 are each a carbon number of 1 Lt; / RTI > is a straight or branched chain alkyl group of 1 to 4 carbon atoms.

[화학식2](2)

Figure 112017115164730-pat00002
Figure 112017115164730-pat00002

상기 화학식2에서, Y2 및 Y3은 불소가 하나 이상 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 10의 직쇄 또는 분지쇄의 알킬렌기이고, R4, R5, R6 및 R7는 각각 탄소수 1 내지 4의 직쇄 또는 분지쇄의 알킬기이다. Y 2 and Y 3 are straight or branched alkylene groups having 1 to 10 carbon atoms in which at least one of fluorine is substituted or unsubstituted and R 4 , R 5 , R 6 and R 7 are each a straight or branched alkylene group having 1 to 10 carbon atoms, 4 < / RTI > linear or branched alkyl group.

[화학식3](3)

Figure 112017115164730-pat00003
Figure 112017115164730-pat00003

상기 화학식3에서, Y4 및 Y5은 불소가 하나 이상 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 10의 직쇄 또는 분지쇄의 알킬렌기이고, R8 및 R9는 각각 탄소수 1 내지 4의 직쇄 또는 분지쇄의 알킬기이다. Y 4 and Y 5 are straight or branched alkylene groups of 1 to 10 carbon atoms in which at least one of fluorine is substituted or unsubstituted and R 8 and R 9 are each a straight or branched chain having 1 to 4 carbon atoms Lt; / RTI >

[화학식4] [Chemical Formula 4]

Figure 112017115164730-pat00004
Figure 112017115164730-pat00004

상기 화학식4에서, Y5은 탄소수 1 내지 10의 직쇄 또는 분지쇄의 알킬렌기이다. In Formula 4, Y < 5 > is a linear or branched alkylene group having 1 to 10 carbon atoms.

상기 다공성 수지막에 분산된 특정의 개질 실리카 입자를 포함하는 레독스 흐름 전지용 분리막은 화학식1 내지 화학식4의 화합물에 포함되는 말단의 작용기로 인하여 양이온과 음이온의 이동 속도 및 전도도 등을 보다 향상시킬 수 있다. The separator for a redox flow cell containing specific modified silica particles dispersed in the porous resin film can improve the migration rate and conductivity of cations and anions due to the terminal functional groups contained in the compounds represented by Chemical Formulas 1 to 4 have.

상기 개질 실리카는 1㎚ 내지 600㎚의 수평균입경을 가질 수 있다. 상기 개질 실리카 입자의 수평균입경이 너무 작으면, 상기 레독스 흐름 전지용 분리막의 함수율의 증가로 인한 이온 크로스 오버 현상 심화될 수 있다. 또한, 상기 개질 실리카 입자의 수평균입경이 너무 크면, 상기 개질 실리카 입자의 분산성이 떨어질 수 있으며, 상기 레독스 흐름 전지용 분리막의 이온 전도도가 낮아 질 수 있어서 기술적으로 불리하다.The modified silica may have a number average particle diameter of 1 nm to 600 nm. If the number average particle size of the modified silica particles is too small, the ion crossover phenomenon due to the increase of the water content of the separator for the redox flow battery can be intensified. If the number average particle size of the modified silica particles is too large, the dispersibility of the modified silica particles may be deteriorated and the ion conductivity of the separator for the redox flow battery may be lowered, which is technically disadvantageous.

상기 개질 실리카 표면에는 폴리도파민(polydopamine)이 결합될 수 있다. 이러한 폴리도파민은 개질 실리카 표면에 부분적으로 결합될 수 있으며, 또는 폴리도파민을 포함하는 고분자 수지층을 형성할 수 있다. 상기 폴리도파민은 1㎚ 내지 100㎚의 두께로 개질 실리카 표면에 결합되어 고분자 수지층을 형성할 수 있다. Polydopamine may be bonded to the surface of the modified silica. Such polypodamine may be partially bonded to the surface of the modified silica, or may form a polymer resin layer containing polypodamine. The above-mentioned polypodamine can be bonded to the surface of the modified silica with a thickness of 1 nm to 100 nm to form a polymer resin layer.

한편, 상기 유기 실란 화합물의 구체적인 예로 Tetraethyl orthosilicate(TEOS), 3-glycidyloxypropyltrimethoxysilane(GOTMS), monophenyl triethoxysilane(MPh), 또는 polyethoxysilane(PEOS) 등을 들 수 있다. Specific examples of the organosilane compound include tetraethyl orthosilicate (TEOS), 3-glycidyloxypropyltrimethoxysilane (GOTMS), monophenyl triethoxysilane (MPh), and polyethoxysilane (PEOS).

상기 티타늄계 화합물의 구체적인 예로 titanium dioxide(TiO2), titanium(II) oxide(TiO), 또는 titanium(III) oxide(Ti2O3)등을 들 수 있다.Specific examples of the titanium-based compound include titanium dioxide (TiO 2), titanium (II) oxide (TiO 2), and titanium (III) oxide (Ti 2 O 3).

한편, 상술한 바와 같이, 상기 제조 방법에 따라 제공되는 레독스 흐름 전지용 복합 분리막은 상기 코팅층의 표면 특성과 전기적 특성과 각각 성분에 의한 특성으로 인하여 충전된 활물질의 크로스오버 감소, 양이온 혹은 음이온의 이동 속도 향상, 친수성 및 전도도 향상 등의 효과가 있다. 특히, 상기 레독스 흐름 전지용 복합 분리막의 코팅층은 양이온 교환 작용기가 1이상 치환된 고분자을 포함하여, 상기 복합 분리막으로 분획되는 레독스 흐름 전지의 음극 부분 및 양극 부분 간의 밸런스 조절을 용이하게 할 수 있다. As described above, the composite membrane for a redox-flow battery provided according to the above-described method is characterized in that the surface properties, electrical characteristics, and characteristics of each component of the coating layer reduce crossover of the charged active material, Speed improvement, hydrophilicity and conductivity improvement. Particularly, the coating layer of the composite separator for a redox flow battery includes a polymer having at least one cation exchange functional group substituted thereon, thereby facilitating the balance between the cathode portion and the anode portion of the redox flow cell fractionated by the composite separator.

이에 따라, 상기 레독스 흐름 전지용 복합 분리막은 보다 향상된 이온교환능력을 가질 수 있으며, 양극과 음극 전해액 간의 충전된 활물질의 크로스 오버 및 전지의 에너지 밀도의 저하 현상을 방지할 수 있고, 높은 내구성과 내화학성을 가진 고분자 수지를 사용함으로써 전지의 수명 확보가 용이하다. Accordingly, the composite separator for a redox flow battery can have a more improved ion exchange capacity, can prevent a crossover of a charged active material between the anode and the anode electrolyte and a decrease in the energy density of the battery, By using a polymer resin having chemical properties, it is easy to secure the lifetime of the battery.

상기 다공성 고분자 수지막의 적어도 1면에 형성되고, 양이온 교환 작용기가 1이상 치환된 고분자를 포함하는 코팅층은 1 내지 300㎛의 두께를 가질 수 있다. The coating layer formed on at least one surface of the porous polymeric resin film and including a polymer having one or more cation exchange functional groups substituted therein may have a thickness of 1 to 300 탆.

한편, 발명의 다른 구현예에 따르면, 다공성 고분자 수지막; 및 상기 다공성 고분자 수지막의 적어도 일면에 형성되고, 양이온 교환 작용기가 1이상 치환된 불소계 수지를 포함하는 코팅층;을 포함하는, 레독스 흐름 전지용 복합 분리막이 제공될 수 있다. According to another embodiment of the present invention, there is provided a porous polymeric resin film; And a coating layer formed on at least one surface of the porous polymeric resin film and including a fluorine resin having one or more cation exchange functional groups substituted thereon, and a composite separator for a redox flow cell.

본 발명자들은, 다공성 고분자 수지막의 일면 또는 양면에 양이온 교환 작용기가 1이상 치환된 불소계 혹은 탄화수소계 수지가 포함된 코팅층을 형성하여 제조된 레독스 흐름 전지용 복합 분리막이 상기 코팅층의 표면 특성과 전기적 특성과 각각 성분에 의한 특성으로 인하여 충전된 활물질의 크로스오버 감소, 양이온 혹은 음이온의 이동 속도 향상, 친수성 및 전도도 향상 등의 효과가 있다는 점을 실험을 통하여 확인하고 발명을 완성하였다. The inventors of the present invention have found that the composite membrane for a redox flow cell produced by forming a coating layer containing a fluorine-based or hydrocarbon-based resin having one or more cation exchange functional groups substituted on one or both surfaces of a porous polymeric resin film, It has been confirmed through experiments that the crossover of the charged active material is improved, the migration speed of the cation or the anion is increased, the hydrophilicity and the conductivity are improved owing to the characteristics of the respective components.

특히, 상기 레독스 흐름 전지용 복합 분리막의 코팅층은 양이온 교환 작용기가 1이상 치환된 고분자을 포함하여, 상기 복합 분리막으로 분획되는 레독스 흐름 전지의 음극 부분 및 양극 부분 간의 밸런스 조절을 용이하게 할 수 있다. Particularly, the coating layer of the composite separator for a redox flow battery includes a polymer having at least one cation exchange functional group substituted thereon, thereby facilitating the balance between the cathode portion and the anode portion of the redox flow cell fractionated by the composite separator.

이에 따라, 상기 레독스 흐름 전지용 복합 분리막은 보다 향상된 이온교환능력을 가질 수 있으며, 양극과 음극 전해액 간의 충전된 활물질의 크로스 오버 및 전지의 에너지 밀도의 저하 현상을 방지할 수 있고, 높은 내구성과 내화학성을 가진 고분자 수지를 사용함으로써 전지의 수명 확보가 용이하다. Accordingly, the composite separator for a redox flow battery can have a more improved ion exchange capacity, can prevent a crossover of a charged active material between the anode and the anode electrolyte and a decrease in the energy density of the battery, By using a polymer resin having chemical properties, it is easy to secure the lifetime of the battery.

상기 다공성 고분자 수지막의 적어도 1면에 형성되고, 양이온 교환 작용기가 1이상 치환된 고분자를 포함하는 코팅층은 1 내지 300㎛의 두께를 가질 수 있다. The coating layer formed on at least one surface of the porous polymeric resin film and including a polymer having one or more cation exchange functional groups substituted therein may have a thickness of 1 to 300 탆.

상기 양이온 교환 작용기가 1이상 치환된 불소계 혹은 탄화수소계 수지에는 설포닉산 (Sulfonic acid)을 포함하는 양이온 교환 작용기가 1이상 치환될 수 있다. One or more cation exchange functional groups including a sulfonic acid may be substituted for the fluorine-based or hydrocarbon-based resin in which the cation exchange functional group is substituted by one or more.

이러한 불소계 수지의 구체적인 종류로는, 불소계 수지는 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE), 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 테트라플루오르에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체(FEP), 에틸렌-테트라플루오로에틸렌 코폴리머 수지(ETFE), 테트라플루오로에틸렌- 클로로트리플루오로에틸렌 공중합체(TFE/CTFE) 및 에틸렌-클로로트리플루오로에틸렌 수지(ECTFE)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 고분자를 들 수 있다. 또한, 상기 양이온 교환 작용기가 1이상 치환된 불소계 수지의 상용화된 제품으로는 Nafion® (Dupont), Equivion® (Solvay), FlemionTM (AGC chemicals company), AciplexTM (Asahi Kasei) 등을 들 수 있다. Specific examples of the fluororesin include fluororesins such as polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP) , Ethylene-tetrafluoroethylene copolymer resin (ETFE), tetrafluoroethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer (TFE / CTFE) and ethylene-chlorotrifluoroethylene resin (ECTFE) And the like. Examples of commercialized products of the fluorine-based resin having one or more cation exchange functional groups include Nafion (Dupont), Equivion (Solvay), Flemion (AGC chemicals company) and Aciplex (Asahi Kasei).

이러한 탄화수소계 수지의 구체적인 종류로는 폴리에틸렌, 폴리설폰, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리페닐렌, 폴리-에테르-에테르-케톤, 폴리비닐블로라이드로 이루어진 군에서 선택된 1 종 이상의 고분자를 들 수 있다. Specific examples of such a hydrocarbon resin include at least one polymer selected from the group consisting of polyethylene, polysulfone, polyphenylene oxide, polyphenylene, poly-ether-ether-ketone and polyvinyl chloride.

상기 양이온 교환 작용기가 1이상 치환된 불소계 혹은 탄화수소계 수지의 중량평균분자량이 크게 한정되는 것은 아니나, 예를 들어 10,000 내지 300,000 의 중량평균분자량을 가질 수 있다. 상기 중량 평균 분자량은 GPC법에 의해 측정한 폴리스티렌 환산의 중량 평균 분자량을 의미한다.The weight average molecular weight of the fluorine-containing or hydrocarbon-based resin having one or more cation exchange functional groups substituted therein is not particularly limited, but may have a weight average molecular weight of 10,000 to 300,000, for example. The weight average molecular weight means the weight average molecular weight in terms of polystyrene measured by GPC method.

상기 다공성 고분자 수지막은 100,000 내지 10,000,000의 중량평균분자량을 갖는 고분자 수지를 포함할 수 있다. 상기 다공성 고분자 수지막의 중량평균분자량이 너무 작으면, 상기 레독스 흐름 전지용 분리막의 내구성이나 내화학성 등의 충분히 확보되기 어려울 수 있다. 또한, 상기 다공성 고분자 수지막의 중량평균분자량이 너무 크면, 분리막 상에 형성되는 기공의 분포도나 기공 자체의 크기가 불균일 해질 수 있다.The porous polymer resin membrane may include a polymer resin having a weight average molecular weight of 100,000 to 10,000,000. If the weight average molecular weight of the porous polymeric resin film is too small, it may be difficult to secure sufficient durability and chemical resistance of the separable membrane for redox flow battery. Also, if the weight average molecular weight of the porous polymeric resin film is too large, the distribution of the pores formed on the separation membrane and the size of the pores themselves may become uneven.

상기 다공성 고분자 수지막은 1㎚ 내지 1 ㎛의 최대 직경을 갖는 기공을 포함하고 1㎛ 내지 600㎛의 두께를 가질 수 있다. The porous polymer resin film may include pores having a maximum diameter of 1 nm to 1 占 퐉 and may have a thickness of 1 占 퐉 to 600 占 퐉.

상기 다공성 고분자 수지막은 내부에 분산된 무기 입자 0.5 내지 75중량%를 더 포함할 수 있다. The porous polymeric resin film may further include 0.5 to 75% by weight of inorganic particles dispersed therein.

상기 무기 입자는 실리카, 개질 실리카, 유기 실란 화합물 및 티타늄 화합물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. The inorganic particles may include at least one member selected from the group consisting of silica, modified silica, organosilane compound, and titanium compound.

상술한 내용 이외로 상기 레독스 흐름 전지용 복합 분리막에 관한 내용은 상술한 일 구현예의 레독스 흐름 전지용 복합 분리막의 제조 방법에서 기재한 내용을 포함한다. Other than the above-mentioned contents, the contents of the composite separator for a redox-flow battery include those described in the production method of a composite separator for a redox-flow battery according to the embodiment described above.

한편, 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 복합 분리막과 전극을 포함하는 단위 셀; 산화상태가 각각 다른 활물질이 저장된 탱크; 및 충전 및 방전시 상기 단위셀과 탱크 사이에서 활물질을 순환시키는 펌프;를 포함하는 레독스 흐름 전지가 제공될 수 있다. According to another embodiment of the present invention, there is provided a unit cell including the composite separator and the electrode. A tank in which different active materials are stored in oxidation states; And a pump for circulating the active material between the unit cell and the tank at the time of charging and discharging.

상기 레독스 흐름 전지는 상기 단위 셀을 1이상 포함하는 모듈(module)을 포함할 수 있다. The redox flow cell may include a module including at least one unit cell.

상기 레독스 흐름 전지는 양극 전해질로 V4+/V5+ 커플을 사용하고 음극 전해질로 V2+/V3+ 커플을 사용할 수 있다. The redox flow cell may use a V 4+ / V 5+ couple as a positive electrode electrolyte and a V 2+ / V 3+ couple as a negative electrode electrolyte.

또한, 상기 레독스 흐름 전지는 양극 전해질로 브로민 레독스 커플을 사용하고, 음극 전해질로 설파이드 레독스 커플을 사용할 수 있다. Also, the redox flow cell may use a bromine redox couple as a positive electrode electrolyte and a sulfide redox couple as a negative electrode electrolyte.

또한, 상기 레독스 흐름 전지는 양극 전해질로 바나듐 레독스 커플을 사용하고, 음극 전해질로 브로민 레독스 커플을 사용할 수 있다. In addition, the redox flow cell may use a vanadium redox couple as a positive electrode electrolyte and a bromine redox couple as a negative electrode electrolyte.

또한, 상기 레독스 흐름 전지는 양극 및 음극 전해질로 아연-브로민 레독스 커플을 사용할 수 있다.Also, the redox flow battery may use a zinc-bromine redox couple as a cathode and a cathode electrolyte.

상기 레독스 흐름 전지의 시스템은 플로우 프레임 (Flow frame)을 더 포함할 수 있다. The system of the redox flow cell may further include a flow frame.

상기 플로우 프레임은 전해질의 이동 통로 역할을 할 뿐만 아니라, 실제 전지의 전기 화학 반응이 잘 일어날 수 있도록 전극과 분리막 사이로 전해액의 고른 분포를 제공할 수 있다. The flow frame not only serves as a passage for the electrolyte but also provides an even distribution of the electrolyte between the electrode and the separator so that the electrochemical reaction of the actual cell can be performed well.

상기 플로우 프레임은 0.1 mm 내지 10.0 mm의 두께를 가질 수 있고, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 또는 폴리염화비닐 등의 고분자로 이루어질 수 있다. The flow frame may have a thickness of 0.1 mm to 10.0 mm and may be made of a polymer such as polyethylene, polypropylene, or polyvinyl chloride.

본 발명에 따르면, 향상된 이온 교환 능력 및 친수성을 가지며, 전해질 용액 내 양극과 음극 전해액 간의 충전된 활물질의 크로스 오버 및 전지의 에너지 밀도의 저하 현상을 효과적으로 감소시킬 수 있으며, 내구성과 내화학성이 우수한 레독스 흐름 전지용 복합 분리막의 제조 방법과 이로부터 제조되는 레독스 흐름 전지용 복합 분리막이 제공되며, 아울러 상기 복합 분리막을 포함하는 레독스 흐름 전지 또한 제공된다. According to the present invention, it is possible to effectively reduce crossover of the charged active material between the positive electrode and the negative electrode electrolyte in the electrolyte solution and decrease in the energy density of the battery, which has improved ion exchange ability and hydrophilicity and is excellent in durability and chemical resistance. There is provided a method for producing a composite separator for a toxic flow cell and a composite separator for a redox flow battery manufactured from the same, and a redox flow cell including the composite separator is also provided.

도 1 은 비교예1(위)과 실시예 1(아래)에서 제조된 레독스 흐름 전지용 복합 분리막의 표면의 SEM 사진을 나타낸 것이다.
도2은 실시예1에서 제조된 레독스 흐름 전지용 복합 분리막의 코팅층이 포함된 단면의 SEM 사진을 나타낸 것이다.
도3는 실시예2 및 비교예1의 레독스 흐름 전지용 복합 분리막의 브롬 투과도를 각각 나타낸 것이다.
도4은 실시예 3 및 비교예2의 레독스 흐름 전지용 복합 분리막을 포함한 단전지의 충방전 시험시 각각 측정된 충전 전압(실선)과 방전 전압(점선)을 나타낸 것이다.
도5는 실시예 2 및 비교예1의 레독스 흐름 전지용 복합 분리막을 포함한 단전지의 충방전 시험시 각각 측정된 충전 전압(실선)과 방전 전압(점선)을 나타낸 것이다.
도 6는 실험예에서 제조된 단전지의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
1 is a SEM photograph of the surface of a composite separator for a redox flow cell manufactured in Comparative Example 1 (above) and Example 1 (below).
FIG. 2 is a SEM photograph of a cross section of a composite separator for a redox flow cell prepared in Example 1 including a coating layer.
3 shows the bromine permeability of the composite separator for the redox flow cell of Example 2 and Comparative Example 1, respectively.
4 is a graph showing charge voltages (solid lines) and discharge voltages (dotted lines) measured in the charge and discharge tests of the single cells including the composite separator for redox flow battery of Example 3 and Comparative Example 2, respectively.
FIG. 5 shows charge voltages (solid lines) and discharge voltages (dotted lines) measured in the charge and discharge tests of the single cells including the composite separator for the redox flow battery of Example 2 and Comparative Example 1, respectively.
6 schematically shows the structure of the single cell produced in the Experimental Example.

발명을 하기의 실시예에서 보다 상세하게 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다. The invention will be described in more detail in the following examples. However, the following examples are illustrative of the present invention, and the present invention is not limited by the following examples.

[[ 실시예Example  And 비교예Comparative Example : : 레독스Redox 흐름 전지용 복합 분리막의 제조] Preparation of composite separator for flow cell]

실시예1Example 1

Dupont사의 DE521 (Nafion 5 wt% in IPA/water)를 80℃ 오븐에서 건조하여 고체화된 나피온 수지를 획득하였다. 그리고, 상기 수지를 N-Methylpyrrolidone 용매에 녹여서 10 wt% 용액을 제조하였다. 상기 용액을 75 ㎛의 wet thickness로 Asahi 사의 SF-601 (실리카를 포함하는 polyethylene 다공성 분리막: 중량평균분자량:약 700,000 g/mol, 두께 약 600㎛)에 코팅하였다. 상기 코팅된 분리막을 80 ℃ 오븐에서 6시간 건조하였다. 그리고, 상기 건조 후 얻어진 코팅된 분리막을 80 ℃ 온도의 DI water에 6시간 함침하였다. DE521 (Nafion 5 wt% in IPA / water) from DuPont was dried in an oven at 80 ° C to obtain a solidified Nafion resin. Then, the resin was dissolved in N-methylpyrrolidone solvent to prepare a 10 wt% solution. The solution was coated on a Asahi SF-601 (polyethylene porous separator containing silica: weight average molecular weight: about 700,000 g / mol, thickness about 600 μm) with a wet thickness of 75 μm. The coated separator was dried in an oven at 80 캜 for 6 hours. Then, the coated membrane obtained after drying was impregnated in DI water at 80 DEG C for 6 hours.

실시예2Example 2

Dupont사의 DE521 (Nafion 5 wt% in IPA/water)를 75 ㎛의 wet thickness로 Asahi 사의 SF-601 (실리카를 포함하는 polyethylene 다공성 분리막: 중량평균분자량: 약700,000 g/mol, 두께 약 600㎛)의 일면에 코팅하였다. 상기 코팅된 분리막을 25℃의 온도에서 10시간 동안 건조하고, 다른 일면을 동일하게 코팅하고 동일한 방법으로 10시간 동안 건조하였다. (Polyethylene porous separator containing silica: weight average molecular weight: about 700,000 g / mol, thickness about 600 탆) of Asahi under the conditions of a wet thickness of 75 탆, Coated on one side. The coated separator was dried at a temperature of 25 DEG C for 10 hours, coated on the other surface in the same manner, and dried in the same manner for 10 hours.

그리고, 상기 코팅된 분리막을 50 ℃ 오븐에서 1시간 건조하였다. 그리고, 상기 건조 후 얻어진 코팅된 분리막을 80℃ 온도의 DI water에 6시간 함침하였다.Then, the coated separator was dried in an oven at 50 ° C for 1 hour. Then, the coated membrane obtained after drying was impregnated in DI water at 80 DEG C for 6 hours.

실시예3Example 3

Dupont사의 DE521 (Nafion 5 wt% in IPA/water)를80℃ 오븐에서 건조하여 고체화된 나피온 수지를 획득하였다. 그리고, 상기 수지를 N-Methylpyrrolidone 용매에 녹여서 10 wt% 용액을 제조하였다. 상기 용액을 75 ㎛의 wet thickness로 실리카를 포함하는 polyethylene 다공성 분리막(중량평균분자량: 약 6,000,000 g/mol, 두께 약 175 ㎛)의 일면에 코팅하였다. DE521 (Nafion 5 wt% in IPA / water) from DuPont was dried in an oven at 80 ° C to obtain a solidified Nafion resin. Then, the resin was dissolved in N-methylpyrrolidone solvent to prepare a 10 wt% solution. The solution was coated on one side of a polyethylene porous separator (weight average molecular weight: about 6,000,000 g / mol, thickness about 175 μm) containing silica with a wet thickness of 75 μm.

상기 코팅된 분리막을 80 ℃ 오븐에서 6시간 건조하였다. 그리고, 상기 건조 후 얻어진 코팅된 분리막을 80℃ 온도의 DI water에 6시간 함침하였다.The coated separator was dried in an oven at 80 캜 for 6 hours. Then, the coated membrane obtained after drying was impregnated in DI water at 80 DEG C for 6 hours.

비교예1Comparative Example 1

SF-601 (실리카를 포함하는 polyethylene 다공성 분리막)에 별도의 처리를 하지 않고 분리막으로 사용하였다. SF-601 (silica-containing polyethylene porous separator) was used as a separator without any additional treatment.

비교예2Comparative Example 2

실리카를 포함하는 polyethylene 다공성 분리막(중량평균분자량: 약 6,000,000 g/mol, 두께 약 175 ㎛)에 별도의 처리를 하지 않고 분리막으로 사용하였다.A polyethylene porous separator containing silica (weight average molecular weight: about 6,000,000 g / mol, thickness: about 175 μm) was used as a separator without any additional treatment.

<< 실험예Experimental Example : : 레독스Redox 흐름전지용For flow cell 분리막의 물성 측정> Measurement of Physical Properties of Membrane>

1. 코팅층 표면 분석 방법1. Surface analysis method of coating layer

실시예 및 비교예의 분리막의 표면 균일성과 코팅층 두께를 확인하기 위해 분리막 표면 및 단면을 FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope, HITACHI SU8220)으로 분석하였다.In order to confirm the surface uniformity of the membranes of Examples and Comparative Examples and the thickness of the coating layer, the surface and cross-sections of the membranes were analyzed by FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope, HITACHI SU8220).

FE-SEM으로 표면 관찰 결과 도 1에서 확인되는 바와 같이 실시예 1(아래)의 코팅 분리막이 비교예 1(위)의 분리막과 비교 치밀한 표면 구조를 보였다. Surface observation with FE-SEM As shown in Fig. 1, the coating membrane of Example 1 (below) showed a comparatively dense surface structure with the membrane of Comparative Example 1 (above).

그리고, 도2에서 확인되는 바와 같이, FE-SEM으로 단면 관찰 결과 실시예 1의 코팅 분리막 표면에 base film 에 탈리 없는 코팅층이 형성되었음이 확인되었다. As shown in FIG. 2, it was confirmed by FE-SEM that a coating layer free of release was formed on the base film on the surface of the coating separator of Example 1.

2. 2. BrBr 22 투과도 측정 Permeability measurement

실시예 및 비교예의 분리막의 분리막을 통과하는 Br2의 농도를 시간에 따라 측정하였다. The concentration of Br 2 passing through the separation membrane of the separation membranes of Examples and Comparative Examples was measured with time.

구체적으로, Diffusion 셀의 두 용기 사이에 분리막을 위치시키고, 한 용기는 deionized water (DI water) 로 채우고 다른 용기는 ZnCl2 (0.55 M), MEP-Br (0.80 M), Br2 (2.285 M)을 채웠다. DI water 로 채워진 용기로부터 지정된 시간에 획득한 샘플의 Br2 농도를 측정하여 분리막의 Br2 투과도를 아래의 식을 이용하여 계산하였다:Specifically, by placing the membrane between two containers of Diffusion cell, a container is deionized water fills in (DI water) other container ZnCl 2 (0.55 M), MEP -Br (0.80 M), Br 2 (2.285 M) Respectively. The Br 2 concentration of the sample obtained at a given time from the vessel filled with DI water was measured and the Br 2 permeability of the membrane was calculated using the following equation:

Figure 112017115164730-pat00005
Figure 112017115164730-pat00005

P := 분리막 투과도, VB := DI water 쪽 용기의 용액 부피, d := 분리막의 두께, CA := 고농도 용액 용기의 Br2 농도, d := 분리막의 두께, A := 용액에 노출되어 있는 분리막 표면의 넓이D: = membrane thickness, C A : = Br 2 concentration in the high concentration solution vessel, d: = thickness of the membrane, A: = exposure to the solution, P = membrane permeability, V B = The width of the membrane surface

도3에서 확인되는 바와 같이, Br2 투과도 분석 결과 실시예 2의 코팅 분리막이 비교예 1의 분리막에 비해 감소된 Br2 투과도를 보였다.As can be seen in FIG. 3, the Br 2 permeability analysis showed that the coating membrane of Example 2 had reduced Br 2 permeability as compared to the membrane of Comparative Example 1.

3. 3. 징크Zinc -- 브로민Bromine 레독스Redox 흐름  flow 단전지의Of a single cell 내부 저항 측정 Internal resistance measurement

비교예 및 실시예에서 각각 제조한 분리막의 Zn-Br CFB의 적합성을 평가하기 위해 단전지에 조립한 후 state of charge (SOC) 0% 의 전해액 circulation 3시간 이후에 DC저항측정기 이용해서 측정하였다. 상기 단전지는 도6에 나타난 낸 바와 같은 구조로 채결하였다. In order to evaluate the suitability of Zn-Br CFB in the separator prepared in each of the comparative example and the example, it was assembled into a single cell, and then measured with a DC resistance meter after 3 hours of circulation of electrolyte with 0% state of charge (SOC). The unit cell was stuck to the same structure as shown in Fig.

내부 저항 측정 결과 실시예 2의 코팅 분리막 (223 mΩ)이 비교예 1의 분리막(273 mΩ)에 비해 낮은 값을 보였다. As a result of measuring the internal resistance, the coating separator (223 m?) Of Example 2 was lower than that of the separator (273 m?) Of Comparative Example 1.

4. 4. 충방전Charging and discharging 효율 측정 Measure efficiency

도6에 따라 준비된 단전지에 대하여 충방전기를 사용하여 상온 조건하에서 시스템 총 충전량 2.98Ah, 충전 20mA/cm2, 방전 20mA/cm2 의 조건으로 진행 하였으며, 또한, 충방전 1회 진행 후 1회 stripping을 1 Cycle로 설정 test를 진행하였다.The single cell prepared according to FIG. 6 was charged and discharged under the conditions of room temperature, 2.98 Ah of charge, 20 mA / cm 2 of charge and 20 mA / cm 2 of discharge under the condition of charge and discharge. 1 cycle.

* Energy Efficiency (E.E.) = 방전 에너지 / 충전 에너지* Energy Efficiency (E.E.) = discharge energy / charge energy

* Columbic Efficiency (C.E.) = 방전 전하량(Ah) /충전 전하량(Ah)* Columbic Efficiency (C.E.) = discharge charge (Ah) / charge charge (Ah)

* Voltage Efficiency (V.E.) = Energy Efficiency / Voltage Efficiency* Voltage Efficiency (V.E.) = Energy Efficiency / Voltage Efficiency

하기 표1에서 확인되는 바와 같이, 내부 저항 측정 결과 실시예 2의 코팅 분리막이 비교예 1의 분리막에 비해 낮은 값을 보였고, 이는 충방전 시험 결과 개선된 전압 효율 및 에너지 효율로 이어졌다.As shown in the following Table 1, the coating separator of Example 2 had a lower value than the separator of Comparative Example 1 as a result of internal resistance measurement, which resulted in improved voltage efficiency and energy efficiency as a result of charge / discharge test.

SampleSample 내부 저항
(mΩ)
Internal resistance
(mΩ)
효율 (%)efficiency (%)
에너지energy 전압Voltage 전하량Charge quantity 비교예 1Comparative Example 1 273273 73.373.3 81.181.1 90.490.4 실시예 2Example 2 223223 77.777.7 84.084.0 92.692.6

아울러, 도 5에 나타난 바와 같이 실시예 2의 코팅 분리막이 비교예 1의 분리막에 비해 높은 방전 전압과 증가한 방전 전하량을 보였다. 또한 도 4에 나타난 바와 같이 충방전 시험 결과 실시예 3의 코팅 분리막이 비교예 2의 분리막에 비해 높은 방전 전압과 증가한 방전 전하량을 보였다. 위의 두 실험 결과 다공성 고분자 수지막의 두께가 얇고 기공율이 높을수록 코팅의 효과가 증대됨을 확인하였다.In addition, as shown in FIG. 5, the coating separator of Example 2 exhibited a higher discharge voltage and an increased discharge charge as compared with the separator of Comparative Example 1. As shown in FIG. 4, the coating separator of Example 3 exhibited a higher discharge voltage and an increased discharge charge as compared with the separator of Comparative Example 2 as a result of the charge-discharge test. As a result of the above two experiments, it was confirmed that the effect of the coating is increased as the thickness of the porous polymer resin film is small and the porosity is high.

1: 앤드 플레이트
2: 흑연 집전체
3: 플로우 프레임
4: 스페이서
5: 분리막
6: 전극 활성층
7: 카본펠트
1: End plate
2: graphite collector
3: Flow frame
4: Spacer
5: Membrane
6: electrode active layer
7: Carbon felt

Claims (17)

다공성 고분자 수지막에 적어도 일면에 양이온 교환 작용기가 1이상 치환된 불소계 수지 또는 탄화수소계 수지가 포함된 코팅 조성물을 도포하는 단계; 및
상기 코팅 조성물이 도포된 다공성 고분자 수지막을 과산화수소 용액, 황산 용액 또는 탈이온수로 처리하는 단계;를 포함하고,
상기 코팅 조성물은 상기 양이온 교환 작용기가 1이상 치환된 불소계 수지 또는 탄화수소계 수지 1 내지 30중량%를 포함하며,
상기 코팅 조성물은 다공성 고분자 수지막 상에 0.1 내지 1,000 ㎛의 두께로 코팅되는,
상기 코팅 조성물이 도포된 다공성 고분자 수지막을 과산화수소 용액, 황산 용액 또는 탈이온수 로 처리하는 단계는 10분 이상 침지하여 수행되는,
레독스 흐름 전지용 복합 분리막의 제조 방법.
Coating a porous polymer resin film with a coating composition containing a fluorine resin or a hydrocarbon resin having at least one cation exchange functional group substituted on at least one surface thereof; And
Treating the porous polymer resin film coated with the coating composition with a hydrogen peroxide solution, a sulfuric acid solution or deionized water,
Wherein the coating composition comprises 1 to 30% by weight of a fluorine-based resin or a hydrocarbon-based resin having one or more cation exchange functional groups substituted thereon,
Wherein the coating composition is coated on the porous polymeric resin film to a thickness of 0.1 to 1,000 占 퐉,
Wherein the step of treating the porous polymer resin film coated with the coating composition with a hydrogen peroxide solution, a sulfuric acid solution or deionized water is performed by immersing for 10 minutes or more,
(Method for producing composite separator for redox flow battery).
제1항에 있어서,
상기 다공성 고분자 수지막은 100,000 내지 10,000,000의 중량평균분자량을 갖는 고분자 수지를 포함하는, 레독스 흐름 전지용 복합 분리막의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the porous polymer resin membrane comprises a polymer resin having a weight average molecular weight of 100,000 to 10,000,000.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 양이온 교환 작용기는 술폰산기, 카르복실산기 또는 인산기인, 레독스 흐름 전지용 복합 분리막의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the cation exchange functional group is a sulfonic acid group, a carboxylic acid group or a phosphoric acid group, (Method for producing composite separator for redox flow battery).
제1항에 있어서,
상기 불소계 수지는 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE), 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 테트라플루오르에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체(FEP), 에틸렌-테트라플루오로에틸렌 코폴리머 수지(ETFE), 테트라플루오로에틸렌- 클로로트리플루오로에틸렌 공중합체(TFE/CTFE) 및 에틸렌-클로로트리플루오로에틸렌 수지(ECTFE)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 고분자를 포함하고,
상기 탄화수소계 수지는 폴리에틸렌, 폴리설폰, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리페닐렌, 폴리-에테르-에테르-케톤, 폴리비닐플루오라이드로 이루어진 군에서 선택된 1 종 이상의 고분자를 포함하는, 레독스 흐름 전지용 복합 분리막의 제조 방법.
The method according to claim 1,
The fluororesin may be at least one selected from the group consisting of polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), ethylene-tetrafluoroethylene copolymer At least one polymer selected from the group consisting of polymer resin (ETFE), tetrafluoroethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer (TFE / CTFE) and ethylene-chlorotrifluoroethylene resin (ECTFE)
Wherein the hydrocarbon resin comprises at least one polymer selected from the group consisting of polyethylene, polysulfone, polyphenylene oxide, polyphenylene, poly-ether-ether-ketone and polyvinyl fluoride, &Lt; / RTI &gt;
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 침지는 코팅 조성물이 도포된 다공성 고분자 수지막을 30 내지 100℃의 온도를 갖는 과산화수소 용액, 황산 용액 또는 탈이온수 내에 0.5 시간 내지 80시간 체류시키는 단계는 포함하는, 레독스 흐름 전지용 복합 분리막의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the immersion is carried out by allowing the porous polymer resin film coated with the coating composition to stagnate in a hydrogen peroxide solution, sulfuric acid solution or deionized water having a temperature of 30 to 100 DEG C for 0.5 to 80 hours, .
제1항에 있어서,
상기 과산화수소 용액은 1 내지 10중량%의 농도를 가지며,
상기 황산 용액은 1M 내지 3M의 농도를 갖는, 레독스 흐름 전지용 복합 분리막의 제조 방법.
The method according to claim 1,
The hydrogen peroxide solution has a concentration of 1 to 10% by weight,
Wherein the sulfuric acid solution has a concentration of 1M to 3M.
제1항에 있어서,
상기 다공성 고분자 수지막은 1㎚ 내지 1 ㎛의 최대 직경을 갖는 기공을 포함하고 10㎛ 내지 600㎛의 두께를 갖는, 레독스 흐름 전지용 복합 분리막의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the porous polymeric resin film contains pores having a maximum diameter of 1 nm to 1 占 퐉 and has a thickness of 10 占 퐉 to 600 占 퐉.
제1항에 있어서,
상기 다공성 고분자 수지막은 다공성 고분자 수지막 총 중량에 대하여, 내부에 분산된 무기 입자 0.5 내지 75중량%를 더 포함하는, 레독스 흐름 전지용 복합 분리막의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the porous polymeric resin film further comprises 0.5 to 75% by weight of inorganic particles dispersed therein, based on the total weight of the porous polymeric resin film.
제10항에 있어서,
상기 무기 입자는 실리카, 개질 실리카, 및 티타늄 화합물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는, 레독스 흐름 전지용 복합 분리막의 제조 방법.
11. The method of claim 10,
Wherein the inorganic particles comprise at least one member selected from the group consisting of silica, modified silica, and titanium compounds.
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