KR102078303B1 - Method of preparing nitrogen atom doped carbon felt for use in vanadium redox flow battery - Google Patents

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Abstract

Disclosed are a manufacturing method of carbon felts having nitrogen atoms doped thereon, carbon felts manufactured thereby, and a vanadium redox flow battery comprising the same. The manufacturing method comprises the steps of: supporting a carbon felt comprising carbon fibers in a surface treating solution containing monomers having nitrogen atoms, irradiating ultrasonic waves, coating polymers having the monomer polymerized on part or the entire of the carbon fibers and thus, manufacturing a carbon felt containing carbon fibers having the polymers coated thereon; and thermally treating the carbon felt containing the polymers coated thereon and thus, manufacturing a carbon felt containing carbon fibers having nitrogen atoms doped thereon. The manufacturing method has a short surface treating time, is highly likely to be industrially used with a large-scale process and enables uniform surface treatments. In addition, a vanadium redox flow battery containing the carbon felt having nitrogen atoms doped thereon causes reversibly an oxidation-reduction reaction of vanadium through a surface treatment to increase an energy efficiency.

Description

바나듐 레독스 흐름전지에 사용하기 위한 질소 원자가 도핑된 카본펠트의 제조방법{METHOD OF PREPARING NITROGEN ATOM DOPED CARBON FELT FOR USE IN VANADIUM REDOX FLOW BATTERY}METHODS OF PREPARING NITROGEN ATOM DOPED CARBON FELT FOR USE IN VANADIUM REDOX FLOW BATTERY}

본 발명은 질소 원자가 도핑된 카본펠트의 제조방법, 그에 따라 제조된 카본펠트 및 그를 포함하는 바나듐 레독스 흐름전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 소니케이션을 통해 질소 원자를 갖는 단량체가 자가 중합하여 중합체를 형성하고, 상기 중합체로 카본펠트를 코팅한 후 열처리하여 질소 원자가 도핑된 카본펠트를 제조하는 방법, 그에 따라 제조된 카본펠트 및 그를 포함하는 바나듐 레독스 흐름전지에 관한 것이다.The present invention relates to a method for preparing a carbon felt doped with nitrogen atoms, a carbon felt prepared according to the present invention, and a vanadium redox flow battery comprising the same. Forming and coating the carbon felt with the polymer and then heat treatment to produce a carbon felt doped with a nitrogen atom, and a carbon felt and a vanadium redox flow battery comprising the same.

일반적으로 레독스 흐름전지(Redox flow battery)는 수명이 길고 안전하며 출력과 용량의 독립적인 설계가 가능하여 대용량화에 용이한 전기에너지 저장 시스템으로 주목 받고 있다. 특히, 바나듐 레독스 흐름전지는 양/음극 전해액에 바나듐 이온을 동일한 활물질로 사용하기 때문에 다른 종류의 레독스 흐름전지에서 문제가 되는 ion-crossover에 의한 오염문제가 없어 높은 전지효율을 나타낸다. 바나듐 레독스 흐름전지의 경우 활물질의 산화/환원 반응은 전극표면에서만 발생하기 때문에 전극반응성을 높이는 연구가 중요한 부분으로 여겨지고 있다.In general, the redox flow battery is attracting attention as an electric energy storage system that has a long lifespan, is safe, and has an independent design of output and capacity, which facilitates mass storage. In particular, since the vanadium redox flow battery uses vanadium ions in the positive / cathode electrolyte as the same active material, there is no contamination problem caused by ion-crossover, which is a problem in other types of redox flow batteries, and thus shows high battery efficiency. In the case of the vanadium redox flow battery, the oxidation / reduction reaction of the active material occurs only at the electrode surface, so it is considered to be an important part to increase the electrode reactivity.

특히, 바나듐 레독스 흐름전지에서 사용하는 전극은 넓은 표면적과, 높은 전기전도도, 전해액 흐름을 위한 적합한 다공성 구조 그리고 높은 바나듐 산화/환원 활성을 가지고 있어야 한다. 하지만 레독스 흐름전지는 강산 전해액을 사용하기 때문에 내산성을 가진 전극물질을 사용하여야 한다. 따라서 이러한 조건에 가장 적합한 카본펠트가 널리 사용되고 있다.In particular, electrodes used in vanadium redox flow cells should have a large surface area, high electrical conductivity, a suitable porous structure for electrolyte flow and high vanadium oxidation / reduction activity. However, since redox flow battery uses strong acid electrolyte, electrode material having acid resistance should be used. Therefore, the most suitable carbon felt for these conditions is widely used.

하지만 카본펠트 전극표면은 활물질에 대한 전기화학적 활성이 낮기 때문에 전지의 에너지 효율과 방전용량을 증가시키는데 한계가 있다.However, since the surface of the carbon felt electrode has low electrochemical activity on the active material, there is a limit in increasing the energy efficiency and discharge capacity of the battery.

이런 문제점을 해결하기 위해 카본펠트 전극 표면에 작용기를 부여하기 위해 열처리, 산처리, 산화물 코팅, 탄소 기반 물질 코팅, 질소 치환 등의 연구가 진행되었다. 열처리 및 산처리 방법은 C-C 결합을 끊어 표면작용기를 갖도록 하는 방법으로 간단하여 상용화되어 있으나, 탄소 전극 표면이 손상되어 전기전도성 및 내구성의 문제가 있다. 세라믹 표면의 -OH를 사용하기 위해 지르코늄 옥사이드나 망간 옥사이드 등의 산화물을 코팅하는 방법은 전기전도성이 떨어지는 문제점이 있다. 그래핀이나 CNT 등의 탄소 기반 물질을 코팅하는 방법은 고가라는 문제점이 있다.In order to solve this problem, heat treatment, acid treatment, oxide coating, carbon-based material coating, nitrogen substitution, and the like have been conducted to give functional groups to the surface of the carbon felt electrode. Heat treatment and acid treatment methods are simple and commercialized by breaking the C-C bond to have a surface functional group, but there is a problem of electrical conductivity and durability due to damage to the surface of the carbon electrode. The method of coating an oxide such as zirconium oxide or manganese oxide in order to use -OH on the ceramic surface has a problem of inferior electrical conductivity. Coating of carbon-based materials such as graphene or CNTs is expensive.

표면처리 연구 중, 질소 치환의 경우 뛰어난 성능 향상을 보였으나, 현재까지 보고된 질소 치환의 방법은 장시간 공정이 필요하거나, 암모니아 가스 등 인체에 유해한 가스를 사용함으로써 대량 생산 제약 및 환경 문제가 발생한다.During the surface treatment studies, the nitrogen substitution showed an excellent performance, but the nitrogen substitution method reported so far requires a long time process, or the use of harmful gases such as ammonia gas causes mass production constraints and environmental problems. .

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 표면처리 시간이 짧고, 대면적 공정으로 상업적 이용 가능성이 높으며, 균일한 표면처리를 통해 질소 원자가 도핑된 카본펠트의 제조방법을 제공하는 것이다.The present invention is to solve the problems of the prior art as described above, an object of the present invention is to provide a short surface treatment time, high commercial availability in a large-area process, of the carbon felt doped with nitrogen atoms through a uniform surface treatment It is to provide a manufacturing method.

또한, 본 발명의 목적은 표면처리 함으로써 바나듐의 산화환원 반응이 가역적으로 잘 일어나게 하여 에너지 효율이 높은 바나듐 레독스 흐름전지를 제공하는 것이다.In addition, it is an object of the present invention to provide a vanadium redox flow battery having a high energy efficiency by making the redox reaction of vanadium occur reversibly well by surface treatment.

본 발명의 일 측면에 따르면, (a) 질소 원자를 갖는 단량체를 포함하는 표면처리 용액에 탄소섬유를 포함하는 카본펠트를 담지하고 초음파 조사하여 상기 탄소섬유의 일부 또는 전부 상에 상기 단량체가 중합된 중합체를 코팅시켜 상기 중합체가 코팅된 탄소섬유를 포함하는 카본펠트를 제조하는 단계; 및 (b) 상기 중합체가 코팅된 탄소섬유를 포함하는 카본펠트를 열처리하여 질소 원자가 도핑된 탄소섬유를 포함하는 카본펠트를 제조하는 단계;를 포함하는 질소 원자가 도핑된 카본펠트의 제조방법이 제공된다.According to an aspect of the present invention, (a) a carbon felt containing carbon fibers in a surface treatment solution containing a monomer having a nitrogen atom and ultrasonically irradiated to polymerize the monomer on part or all of the carbon fibers Coating a polymer to produce a carbon felt comprising the carbon fiber coated with the polymer; And (b) heat-treating the carbon felt including the polymer-coated carbon fiber to produce a carbon felt including the carbon fiber doped with nitrogen atoms. The method for preparing a carbon felt doped with nitrogen atoms is provided. .

또한 상기 질소 원자를 갖는 단량체가 자가 중합하는 단량체일 수 있다.In addition, the monomer having the nitrogen atom may be a monomer to self-polymerize.

또한 상기 단량체가 도파민일 수 있다.The monomer may also be dopamine.

또한 상기 초음파 처리가 20 내지 100kHz의 주파수로 수행될 수 있다.In addition, the ultrasonic treatment may be performed at a frequency of 20 to 100kHz.

또한 상기 초음파 처리가 10 내지 120분 동안 수행될 수 있다.In addition, the sonication may be performed for 10 to 120 minutes.

또한 상기 초음파 처리가 20 내지 40분 동안 수행될 수 있다.In addition, the sonication may be performed for 20 to 40 minutes.

또한 단계 (a)에서, 상기 중합체 형성 및 상기 코팅이 동시에 수행될 수 있다.Also in step (a), the polymer formation and the coating can be carried out simultaneously.

또한 상기 표면처리 용액은 상기 단량체의 농도가 0.1 내지 3mM일 수 있다.In addition, the surface treatment solution may have a concentration of the monomer is 0.1 to 3mM.

또한 상기 표면처리 용액은 용매 및 완충용액을 포함할 수 있다.In addition, the surface treatment solution may include a solvent and a buffer solution.

또한 상기 용매가 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로필 알코올, tert-부탄올, 이소부탄올, 2-에틸 헥사놀 및 2-에톡시 에탄올로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.In addition, the solvent may include one or more selected from the group consisting of methanol, ethanol, propanol, isopropyl alcohol, tert-butanol, isobutanol, 2-ethyl hexanol and 2-ethoxy ethanol.

또한 상기 표면처리 용액은 pH가 8.0 내지 9.0일 수 있다.In addition, the surface treatment solution may have a pH of 8.0 to 9.0.

또한 단계 (b)에서, 상기 열처리가 질소, 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 제논 및 라돈으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 비활성 기체 분위기에서 수행될 수 있다.Also in step (b), the heat treatment may be carried out in one or more inert gas atmospheres selected from the group consisting of nitrogen, helium, neon, argon, krypton, xenon and radon.

또한 단계 (b)에서, 상기 열처리가 500 내지 1,000℃에서 수행될 수 있다.In addition, in step (b), the heat treatment may be performed at 500 to 1,000 ℃.

본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 상기 제조방법에 의해 제조된 질소 원자가 도핑된 카본펠트가 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a carbon felt doped with a nitrogen atom produced by the production method.

본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 상기 질소 원자가 도핑된 카본펠트를 포함하는 바나듐 레독스 흐름전지가 제공된다.According to another aspect of the invention, there is provided a vanadium redox flow battery comprising a carbon felt doped with the nitrogen atom.

본 발명의 질소 원자가 도핑된 카본펠트의 제조방법은 표면처리 시간이 짧고, 대면적 공정으로 상업적 이용 가능성이 높으며, 균일한 표면처리가 가능한 효과가 있다.The method for producing a carbon felt doped with nitrogen atoms of the present invention has a short surface treatment time, high commercial availability in a large-area process, and has an effect of allowing uniform surface treatment.

또한, 본 발명에 따른 질소 원자가 도핑된 카본펠트를 포함하는 바나듐 레독스 흐름전지는 표면처리를 통해 바나듐의 산화환원 반응이 가역적으로 잘 일어나 에너지 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.In addition, the vanadium redox flow battery comprising a carbon felt doped with a nitrogen atom according to the present invention has the effect that the redox reaction of vanadium through the surface treatment is reversible well to increase the energy efficiency.

도 1은 본 발명에 따른 카본펠트의 제조방법의 모식도이다.
도 2는 실시예 1 내지 4에 따른 질소 원자가 도핑된 카본펠트 및 비교예 1에 따른 카본펠트의 SEM 분석 결과이다.
도 3은 실시예 2, 실시예 5 내지 7에 따른 질소 원자가 도핑된 카본펠트 및 비교예 1에 따른 카본펠트의 SEM 분석 결과이다.
도 4는 실시예 1 내지 4에 따른 질소 원자가 도핑된 카본펠트 및 비교예 1에 따른 카본펠트의 wettability 테스트 결과이다.
도 5는 실시예 2 및 4에 따른 질소 원자가 도핑된 카본펠트 및 비교예 1에 따른 카본펠트의 XPS 결과이다.
도 6a는 실시예 1 내지 4에 따른 질소 원자가 도핑된 카본펠트 및 비교예 1에 따른 카본펠트의 Cyclic Voltammetry(CV) 분석 결과이다.
도 6b는 도 6a에 따른 Delta Ep 및 Ipa/Ipc 값을 나타낸 그래프이다.
도 7a는 실시예 2, 실시예 5 내지 7에 따른 질소 원자가 도핑된 카본펠트 및 비교예 1에 따른 카본펠트의 Cyclic Voltammetry(CV) 분석 결과이다.
도 7b는 도 7a에 따른 Delta Ep 및 Ipa/Ipc 값을 나타낸 그래프이다.
도 8a는 소자실시예 1 내지 4 및 소자비교예 1에 따른 바나듐 레독스 흐름전지의 전류밀도별 전하효율 결과이다.
도 8b는 소자실시예 1 내지 4 및 소자비교예 1에 따른 바나듐 레독스 흐름전지의 전류밀도별 에너지효율 결과이다.
도 8c는 소자실시예 1 내지 4 및 소자비교예 1에 따른 바나듐 레독스 흐름전지의 전류밀도별 에너지효율 상대값 결과이다.
도 8d는 소자실시예 1 내지 4 및 소자비교예 1에 따른 바나듐 레독스 흐름전지의 전류밀도별 전압효율 결과이다.
1 is a schematic diagram of a method for producing a carbon felt according to the present invention.
2 is a SEM analysis result of the carbon felt doped with nitrogen atoms according to Examples 1 to 4 and the carbon felt according to Comparative Example 1.
3 is a SEM analysis result of the carbon felt doped with nitrogen atoms according to Example 2, Examples 5 to 7 and the carbon felt according to Comparative Example 1.
4 is a wettability test results of the carbon felt doped with nitrogen atoms according to Examples 1 to 4 and the carbon felt according to Comparative Example 1.
5 shows XPS results of carbon felts doped with nitrogen atoms according to Examples 2 and 4 and carbon felts according to Comparative Example 1. FIG.
6A is a result of Cyclic Voltammetry (CV) analysis of a carbon felt doped with nitrogen atoms according to Examples 1 to 4 and a carbon felt according to Comparative Example 1. FIG.
6B is a graph showing Delta E p and I pa / I pc values according to FIG. 6A.
7A is a result of Cyclic Voltammetry (CV) analysis of carbon felts doped with nitrogen atoms according to Examples 2 and 5 and 7 and carbon felt according to Comparative Example 1. FIG.
FIG. 7B is a graph showing Delta E p and I pa / I pc values according to FIG. 7A.
8A is a charge efficiency result of current density of vanadium redox flow batteries according to device examples 1 to 4 and device comparison example 1;
8b is an energy efficiency result of each of the current density of the vanadium redox flow battery according to device Examples 1 to 4 and Comparative Example 1.
8c is a result of relative energy efficiency values of current density of vanadium redox flow batteries according to device examples 1 to 4 and device comparison example 1;
FIG. 8D is a voltage efficiency result of current density of a vanadium redox flow battery according to device examples 1 to 4 and device comparison example 1. FIG.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention.

그러나, 이하의 설명은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.However, the following descriptions are not intended to limit the present invention to specific embodiments, and detailed descriptions of well-known technologies related to the present invention will be omitted when it is determined that the present invention may obscure the gist of the present invention. .

본원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this application, the terms "comprise" or "having" are intended to indicate that there is a feature, number, step, operation, component, or combination thereof described in the specification, and one or more other features or It is to be understood that the present invention does not exclude the possibility of adding or presenting numbers, steps, operations, components, or combinations thereof.

도 1은 본 발명에 따른 카본펠트의 제조방법의 모식도이다.1 is a schematic diagram of a method for producing a carbon felt according to the present invention.

이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 질소 원자가 도핑된 카본펠트의 제조방법에 대해 설명하도록 한다.Hereinafter, a method of manufacturing a carbon felt doped with a nitrogen atom of the present invention will be described with reference to FIG. 1.

먼저, 질소 원자를 갖는 단량체를 포함하는 표면처리 용액에 First, a surface treatment solution containing a monomer having a nitrogen atom 탄소섬유를Carbon fiber 포함하는  Containing 카본펠트를Carbon felt 담지하고Supporting 초음파 조사하여 상기  Said by ultrasonic irradiation 탄소섬유의Carbon fiber 일부 또는 전부 상에 상기 단량체가 중합된 중합체를 코팅시켜 상기 중합체가 코팅된  Coating the polymer by polymerizing the monomer on part or all of the polymer 탄소섬유를Carbon fiber 포함하는 카본펠트를 제조한다(단계 a). To prepare a carbon felt comprising (step a).

상기 질소 원자를 갖는 단량체는 자가 중합하는 단량체일 수 있다.The monomer having the nitrogen atom may be a monomer that self-polymerizes.

상기 단량체는 도파민일 수 있다.The monomer may be dopamine.

상기 표면처리 용액은 상기 단량체의 농도가 0.1 내지 3mM일 수 있다.The surface treatment solution may have a concentration of the monomer is 0.1 to 3mM.

상기 표면처리 용액은 용매 및 완충용액을 포함할 수 있다.The surface treatment solution may include a solvent and a buffer solution.

상기 용매는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로필 알코올, tert-부탄올, 이소부탄올, 2-에틸 헥사놀 및 2-에톡시 에탄올로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 메탄올을 포함할 수 있다.The solvent may include one or more selected from the group consisting of methanol, ethanol, propanol, isopropyl alcohol, tert-butanol, isobutanol, 2-ethyl hexanol and 2-ethoxy ethanol, preferably methanol It may include.

상기 표면처리 용액은 pH가 8.0 내지 9.0일 수 있으며, 바람직하게는 8.5일 수 있다.The surface treatment solution may have a pH of 8.0 to 9.0, preferably 8.5.

상기 초음파 처리는 20 내지 100kHz의 주파수로 수행될 수 있다.The ultrasonic treatment may be performed at a frequency of 20 to 100 kHz.

상기 초음파 처리는 10 내지 120분, 바람직하게는 20 내지 40분동안 수행될 수 있다.The ultrasonic treatment may be performed for 10 to 120 minutes, preferably 20 to 40 minutes.

상기 중합체 형성 및 상기 코팅은 동시에 수행될 수 있다.The polymer formation and the coating can be performed simultaneously.

다음으로, 상기 중합체가 코팅된 Next, the polymer is coated 탄소섬유를Carbon fiber 포함하는  Containing 카본펠트를Carbon felt 열처리하여 질소 원자가 도핑된 탄소섬유를 포함하는 카본펠트를 제조한다(단계 b). Heat treatment to prepare a carbon felt comprising a carbon fiber doped with nitrogen atoms (step b).

상기 열처리는 질소, 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 제논 및 라돈으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 비활성 기체 분위기에서 수행될 수 있다.The heat treatment may be performed in one or more inert gas atmospheres selected from the group consisting of nitrogen, helium, neon, argon, krypton, xenon and radon.

또한 상기 열처리는 환원 조건에서 수행될 수 있다.In addition, the heat treatment may be performed under reducing conditions.

상기 열처리는 500 내지 1,000℃에서 수행될 수 있다.The heat treatment may be performed at 500 to 1,000 ° C.

또한 본 발명은 상기 제조방법에 의해 제조된 질소 원자가 도핑된 카본펠트를 제공한다.In another aspect, the present invention provides a carbon felt doped with a nitrogen atom prepared by the above production method.

또한 본 발명은 상기 질소 원자가 도핑된 카본펠트를 포함하는 바나듐 레독스 흐름전지를 제공한다.In another aspect, the present invention provides a vanadium redox flow battery comprising a carbon felt doped with the nitrogen atom.

[실시예]EXAMPLE

이하, 본 발명을 실시예를 들어 더욱 상세하게 설명하도록 한다. 그러나 이는 예시를 위한 것으로서 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, this is for illustrative purposes and the scope of the present invention is not limited thereto.

실시예 1: 질소 원자가 도핑된 카본펠트의 제조Example 1 Preparation of Carbon Felt Doped with Nitrogen Atoms

메탄올과 Tris-buffer 용액의 중량비가 50:50이 되도록 혼합한 후, 도파민의 농도가 0.25mM이 되도록 도파민을 첨가하여 표면처리 용액을 제조하였다. 상기 표면처리 용액에 국내 제이앤티지(JNTG)로부터 구입한 카본펠트(품명: MJNT GF-051CH)를 담지하고 40분 동안 40kHz의 초음파로 소니케이션(sonication)하여 도파민이 자가 중합되어 만들어진 폴리도파민이 코팅된 카본펠트를 제조하였다. 상기 폴리도파민이 코팅된 카본펠트를 질소 분위기에서 700℃로 열처리하여 질소 원자가 도핑된 카본펠트를 제조하였다.After mixing the weight ratio of methanol and Tris-buffer solution to 50:50, dopamine was added so that the concentration of dopamine was 0.25mM to prepare a surface treatment solution. Polydopamine was prepared by loading carbon felt (trade name: MJNT GF-051CH) purchased from JNTG in Korea into the surface treatment solution and sonicating by 40kHz ultrasonic wave for 40 minutes. Coated carbon felt was prepared. The polydopamine-coated carbon felt was heat-treated at 700 ° C. in a nitrogen atmosphere to prepare a carbon felt doped with nitrogen atoms.

실시예 2: 질소 원자가 도핑된 카본펠트의 제조Example 2 Preparation of Carbon Felt Doped with Nitrogen Atoms

도파민의 농도를 0.25mM로 하는 대신에 0.50mM로 하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 질소 원자가 도핑된 카본펠트를 제조하였다.A carbon felt doped with nitrogen atoms was prepared in the same manner as in Example 1 except that the concentration of dopamine was 0.50 mM instead of 0.25 mM.

실시예 3: 질소 원자가 도핑된 카본펠트의 제조Example 3 Preparation of Carbon Felt Doped with Nitrogen Atoms

도파민의 농도를 0.25mM로 하는 대신에 1.00mM로 하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 질소 원자가 도핑된 카본펠트를 제조하였다.A carbon felt doped with nitrogen atoms was prepared in the same manner as in Example 1 except that the concentration of dopamine was 1.00 mM instead of 0.25 mM.

실시예 4: 질소 원자가 도핑된 카본펠트의 제조Example 4 Preparation of Carbon Felt Doped with Nitrogen Atoms

도파민의 농도를 0.25mM로 하는 대신에 2.00mM로 하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 질소 원자가 도핑된 카본펠트를 제조하였다.A carbon felt doped with nitrogen atoms was prepared in the same manner as in Example 1 except that the concentration of dopamine was 2.00 mM instead of 0.25 mM.

실시예 5: 질소 원자가 도핑된 카본펠트의 제조Example 5 Preparation of Carbon Felt Doped with Nitrogen Atoms

도파민의 농도를 0.25mM로 하는 대신에 0.50mM로 하고, 소니케이션 시간을 40분으로 하는 대신에 20분으로 하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 질소 원자가 도핑된 카본펠트를 제조하였다.A carbon felt doped with nitrogen atoms was prepared in the same manner as in Example 1 except that the concentration of dopamine was 0.50 mM instead of 0.25 mM, and 20 minutes instead of 40 minutes of sonication time.

실시예 6: 질소 원자가 도핑된 카본펠트의 제조Example 6 Preparation of Carbon Felt Doped with Nitrogen Atoms

도파민의 농도를 0.25mM로 하는 대신에 0.50mM로 하고, 소니케이션 시간을 40분으로 하는 대신에 60분으로 하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 질소 원자가 도핑된 카본펠트를 제조하였다.A carbon felt doped with nitrogen atoms was prepared in the same manner as in Example 1 except that the concentration of dopamine was 0.50 mM instead of 0.25 mM, and 60 minutes instead of 40 minutes of sonication time.

실시예 7: 질소 원자가 도핑된 카본펠트의 제조Example 7 Preparation of Carbon Felt Doped with Nitrogen Atoms

도파민의 농도를 0.25mM로 하는 대신에 0.50mM로 하고, 소니케이션 시간을 40분으로 하는 대신에 80분으로 하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 질소 원자가 도핑된 카본펠트를 제조하였다.A carbon felt doped with nitrogen atoms was prepared in the same manner as in Example 1 except that the concentration of dopamine was 0.50 mM instead of 0.25 mM, and 80 minutes instead of 40 minutes for the sonication time.

비교예 1: 카본펠트의 제조Comparative Example 1: Preparation of Carbon Felt

국내 제이앤티지(JNTG)로부터 카본펠트(품명: MJNT GF-051CH)를 구입하여 비교예 1로 사용하였다.Carbon felt (trade name: MJNT GF-051CH) was purchased from JNTG in Korea and used as Comparative Example 1.

소자실시예 1: 바나듐 레독스 흐름전지의 제조Device Example 1 Fabrication of Vanadium Redox Flow Battery

실시예 1에 따라 제조된 질소 원자가 도핑된 카본펠트를 바나듐 레독스 흐름전지의 전극으로 사용하였다.A nitrogen atom-doped carbon felt prepared according to Example 1 was used as an electrode of a vanadium redox flow battery.

엔드플레이트, 바이폴라플레이트, 유로프레임, 실시예 1에 따라 제조된 질소 원자가 도핑된 카본펠트 순으로 적층하여 양극셀과 음극셀을 각각 제작하였다. 상기 양극셀과 상기 음극셀을, 이온교환막을 사이에 두고 상기 카본펠트가 서로 마주보게 적층시켜 하나의 셀로 제작하였다. 튜브를 이용해 상기 셀의 한 면에는 양극전해질 탱크, 다른 한 면에는 음극전해질 탱크를 연결시킨 후, 펌프를 이용하여 전해질이 셀 내부를 순환시키게 함으로써 바나듐 레독스 흐름전지를 제작하였다.An anode cell and a cathode cell were prepared by laminating an end plate, a bipolar plate, a flow path frame, and a carbon felt doped with nitrogen atoms prepared according to Example 1. The anode cell and the cathode cell were fabricated as one cell by laminating the carbon felts facing each other with an ion exchange membrane interposed therebetween. A positive electrode electrolyte tank was connected to one side of the cell using a tube, and a negative electrode electrolyte tank was connected to the other side, and a vanadium redox flow battery was manufactured by allowing the electrolyte to circulate inside the cell using a pump.

소자실시예 2: 바나듐 레독스 흐름전지의 제조Device Example 2 Fabrication of Vanadium Redox Flow Cell

실시예 1에 따라 제조된 카본펠트를 사용하는 대신에 실시예 2에 따라 제조된 카본펠트를 사용하는 것을 제외하고는 소자실시예 1과 동일한 방법으로 바나듐 레독스 흐름전지를 제조하였다.A vanadium redox flow battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the carbon felt prepared according to Example 2 was used instead of the carbon felt prepared according to Example 1.

소자실시예 3: 바나듐 레독스 흐름전지의 제조Device Example 3: Fabrication of Vanadium Redox Flow Cell

실시예 1에 따라 제조된 카본펠트를 사용하는 대신에 실시예 3에 따라 제조된 카본펠트를 사용하는 것을 제외하고는 소자실시예 1과 동일한 방법으로 바나듐 레독스 흐름전지를 제조하였다.A vanadium redox flow battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the carbon felt manufactured according to Example 3 was used instead of the carbon felt prepared according to Example 1.

소자실시예 4: 바나듐 레독스 흐름전지의 제조Device Example 4 Fabrication of Vanadium Redox Flow Battery

실시예 1에 따라 제조된 카본펠트를 사용하는 대신에 실시예 4에 따라 제조된 카본펠트를 사용하는 것을 제외하고는 소자실시예 1과 동일한 방법으로 바나듐 레독스 흐름전지를 제조하였다.A vanadium redox flow battery was manufactured in the same manner as in Device Example 1, except that the carbon felt prepared according to Example 4 was used instead of the carbon felt prepared according to Example 1.

소자비교예 1: 바나듐 레독스 흐름전지의 제조Device Comparison Example 1 Fabrication of Vanadium Redox Flow Battery

실시예 1에 따라 제조된 카본펠트를 사용하는 대신에 비교예 1에 따라 제조된 카본펠트를 사용하는 것을 제외하고는 소자실시예 1과 동일한 방법으로 바나듐 레독스 흐름전지를 제조하였다.A vanadium redox flow battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the carbon felt prepared according to Comparative Example 1 was used instead of the carbon felt prepared according to Example 1.

[시험예] [Test Example]

시험예 1: 도파민 함량별 SEM(Scanning Electron Microscope) 분석Test Example 1: SEM (Scanning Electron Microscope) Analysis by Dopamine Content

도 2는 실시예 1 내지 4에 따른 질소 원자가 도핑된 카본펠트 및 비교예 1에 따른 카본펠트의 SEM 분석 결과이다. 도 2를 참조하면, 비교예 1과 비교했을 때 실시예 1 내지 3은 도파민이 중합되어 질소 원자를 포함하는 탄소 물질들이 카본펠트 표면에 점처럼 붙어 있는 것을 확인할 수 있었다. 실시예 4의 경우, 도파민의 함량이 많아 뭉쳐서 중합되는 것을 확인할 수 있었다.2 is a SEM analysis result of the carbon felt doped with nitrogen atoms according to Examples 1 to 4 and the carbon felt according to Comparative Example 1. Referring to FIG. 2, in comparison with Comparative Example 1, in Examples 1 to 3, dopamine was polymerized to confirm that carbon materials including nitrogen atoms adhered to the surface of the carbon felt as dots. In the case of Example 4, it was confirmed that a large amount of dopamine is agglomerated and polymerized.

시험예 2: 소니케이션 시간별 SEM 분석Test Example 2: SEM Analysis by Sony Time

도 3은 실시예 2, 실시예 5 내지 7에 따른 질소 원자가 도핑된 카본펠트 및 비교예 1에 따른 카본펠트의 SEM 분석 결과이다. 도 3을 참조하면, 소니케이션 시간이 60분 이상으로 길어지면 소니케이션 에너지에 의해 표면처리 용액의 온도가 올라가기 때문에 도파민 함량이 많지 않더라도 뭉쳐서 중합되는 것을 확인할 수 있었다.3 is a SEM analysis result of the carbon felt doped with nitrogen atoms according to Example 2, Examples 5 to 7 and the carbon felt according to Comparative Example 1. Referring to FIG. 3, when the sonication time is longer than 60 minutes, since the temperature of the surface treatment solution is increased by sonication energy, it can be confirmed that the dopamine is aggregated even if the dopamine content is not high.

시험예 3: Wettability 분석Test Example 3: Wettability Analysis

도 4는 실시예 1 내지 4에 따른 질소 원자가 도핑된 카본펠트 및 비교예 1에 따른 카본펠트의 wettability 테스트 결과이다. 도 4를 참조하면, 비교예 1은 소수성이므로 표면에 증류수를 떨어뜨렸을 때 물방울이 맺혔으며, 바나듐 전해액 용액에 담갔을 때 뜨는 것을 확인할 수 있었다. 실시예 1 내지 4의 경우 표면처리를 통해 친수성으로 변했기 때문에 증류수를 떨어뜨려도 흡수되어 물방울이 보이지 않았으며, 바나듐 전해액 용액에 담갔을 때 가라앉는 것을 확인할 수 있었다.4 is a wettability test results of the carbon felt doped with nitrogen atoms according to Examples 1 to 4 and the carbon felt according to Comparative Example 1. Referring to FIG. 4, since Comparative Example 1 is hydrophobic, water droplets formed when distilled water was dropped on the surface, and floated when immersed in a vanadium electrolyte solution. In the case of Examples 1 to 4 was changed to hydrophilic through the surface treatment was not absorbed even when distilled water drops, it was confirmed that the water drops when immersed in the vanadium electrolyte solution.

시험예 4: XPS(X-ray photoelectron spectroscopy) 분석Test Example 4: X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis

도 5는 실시예 2 및 4에 따른 질소 원자가 도핑된 카본펠트 및 비교예 1에 따른 카본펠트의 XPS 결과이다. 도 5를 참조하면, 비교예 1은 N 피크가 노이즈라고 판단될 수 있는 피크가 관찰됨으로써 질소 원자가 없다고 볼 수 있으나, 실시예 2 및 4는 N 피크가 뚜렷하게 나타남으로써 표면에 질소 원자가 도핑된 것을 확인할 수 있었다. 5 shows XPS results of carbon felts doped with nitrogen atoms according to Examples 2 and 4 and carbon felts according to Comparative Example 1. FIG. Referring to Figure 5, Comparative Example 1 can be seen that there is no nitrogen atom by the observation of the peak that can be determined that the N peak is noise, Examples 2 and 4 confirmed that the N peak is clearly visible doped with a nitrogen atom on the surface Could.

시험예 5: 도파민 함량별 Cyclic Voltammetry(CV) 분석Test Example 5: Cyclic Voltammetry (CV) Analysis by Dopamine Content

도 6a는 실시예 1 내지 4에 따른 질소 원자가 도핑된 카본펠트 및 비교예 1에 따른 카본펠트의 Cyclic Voltammetry(CV) 분석 결과이고, 도 6b는 도 6a에 따른 Delta Ep 및 Ipa/Ipc 값을 나타낸 그래프이다.FIG. 6A shows the results of Cyclic Voltammetry (CV) analysis of the carbon felt doped with nitrogen atoms according to Examples 1 to 4 and the carbon felt according to Comparative Example 1, and FIG. 6B illustrates Delta E p and I pa / I pc according to FIG. 6A. A graph showing values.

일정 시간 동안 voltage를 조금씩 올려주면 상대전극 기준으로 1.1V 부근에서 산화 반응 peak가 나타나고, voltage를 빼주면 환원 반응 peak가 나타난다. 이 두 peak 사이의 voltage 차이가 Delta Ep 값인데, 차이가 좁을수록 저항이 줄어든다고 볼 수 있다. 도 6b를 참조하면, 도파민 함량이 0.5mM일 때 Delta Ep 값이 가장 작은 것을 확인할 수 있었다.If the voltage is increased little by little for a certain time, the oxidation peak appears around 1.1V relative to the counter electrode, and if the voltage is removed, the reduction peak appears. The difference in voltage between these two peaks is Delta E p It is a value, and the narrower the difference, the lower the resistance. Referring to Figure 6b, when the dopamine content is 0.5mM Delta E p The smallest value was found.

산화 peak에서 최대값에 해당하는 전류 밀도를 Ipa, 환원 peak에서 최솟값에 해당하는 전류 밀도를 Ipc라고 할 때 Ipa/Ipc 값이 1에 가까워질수록 가역반응을 보인다고 볼 수 있다. 도 6b를 참조하면, 도파민 함량이 0.5mM일 때 Ipa/Ipc 값이 1에 가장 가까운 것을 확인할 수 있었다.When the current density corresponding to the maximum value at the oxidation peak is I pa , and the current density corresponding to the minimum value at the reduction peak is I pc , it can be seen that the closer the I pa / I pc value is to 1, the more reversible the reaction is. Referring to FIG. 6B, when the dopamine content was 0.5 mM, it was confirmed that the I pa / I pc value was closest to 1.

시험예 6: 소니케이션 시간별 Cyclic Voltammetry(CV) 분석Test Example 6 Analysis of Cyclic Voltammetry (CV) Over Time by Sonyation

도 7a는 실시예 2, 실시예 5 내지 7에 따른 질소 원자가 도핑된 카본펠트 및 비교예 1에 따른 카본펠트의 Cyclic Voltammetry(CV) 분석 결과이고, 도 7b는 도 7a에 따른 Delta Ep 및 Ipa/Ipc 값을 나타낸 그래프이다. 도 7b를 참조하면, 소니케이션 시간이 40분일 때 Delta Ep 값이 가장 작고, Ipa/Ipc 값이 1에 가장 가까운 것을 확인할 수 있었다.FIG. 7A is a result of Cyclic Voltammetry (CV) analysis of carbon felts doped with nitrogen atoms according to Examples 2 and 5 and 7 and carbon felt according to Comparative Example 1, and FIG. 7B illustrates Delta E p and I according to FIG. 7A. A graph showing pa / I pc values. Referring to FIG. 7B, when the sonication time is 40 minutes, Delta E p The smallest value and I pa / I pc value was found to be close to 1.

시험예 7: 전류밀도별 충/방전 실험Test Example 7: Charge / discharge test by current density

도 8a는 소자실시예 1 내지 4 및 소자비교예 1에 따른 바나듐 레독스 흐름전지의 전류밀도별 전하효율 결과이다. 도 8a를 참조하면, 전하효율은 각 사이클별 방전용량을 충전용량으로 나눠준 값으로, 전하효율은 전기전도성과 관련이 있어 전기전도성이 좋으면 전하를 잘 전달하는데 질소 원자를 도핑한다고 해서 전기전도성이 높아지는 것은 아니므로 전하효율은 거의 유사한 것을 확인할 수 있었다.8A is a charge efficiency result for each current density of vanadium redox flow batteries according to device examples 1 to 4 and device comparison example 1. FIG. Referring to FIG. 8A, the charge efficiency is a value obtained by dividing the discharge capacity of each cycle by the charge capacity, and the charge efficiency is related to the electrical conductivity, so that if the electrical conductivity is good, the electrical conductivity is increased by doping nitrogen atoms to transfer the charge well. Since the charge efficiency is almost the same was confirmed.

도 8b 및 8c는 각각 소자실시예 1 내지 4 및 소자비교예 1에 따른 바나듐 레독스 흐름전지의 전류밀도별 에너지효율 결과 및 에너지효율 상대값 결과이다. 도 8b 및 8c를 참조하면, 비교예 1에 비해 실시예 1 내지 4에 따른 바나듐 레독스 흐름전지의 에너지효율이 증가한 것을 확인할 수 있었다. 도 2b를 참조하면, 비교예 1에 비해 실시예 1의 에너지효율이 약간 상승하고, 실시예 2의 에너지효율이 실시예 1보다 더 많이 상승하고, 실시예 3의 에너지효율은 실시예 2에 비해 감소하고, 실시예 4의 에너지효율은 실시예 3보다 더 감소하는 경향을 보인다. 이는 도 6b에서 도파민 함량이 0.50mM인 실시예 2의 Delta Ep 및 Ipa/Ipc 값이 최저점을 나타낸 뒤 도파민 함량이 1.0mM, 2.0mM로 증가하면서 Delta Ep 및 Ipa/Ipc 값이 증가하는 그래프와 유사하다고 볼 수 있다.8b and 8c show energy efficiency results and relative energy efficiency results according to current densities of vanadium redox flow batteries according to device examples 1 to 4 and device comparison example 1, respectively. 8B and 8C, it was confirmed that the energy efficiency of the vanadium redox flow battery according to Examples 1 to 4 was increased compared to Comparative Example 1. Referring to FIG. 2B, the energy efficiency of Example 1 is slightly higher than that of Comparative Example 1, the energy efficiency of Example 2 is higher than that of Example 1, and the energy efficiency of Example 3 is higher than that of Example 2. Decrease, and the energy efficiency of Example 4 tends to decrease more than Example 3. This is also carried out while the dopamine content in 0.50mM 6b of Example 2 after the dopamine content of the Delta E p and I pa / I pc value showing the lowest point increased to 1.0mM, 2.0mM Delta E p and I pa / I value pc It is similar to this increasing graph.

도 8d는 소자실시예 1 내지 4 및 소자비교예 1에 따른 바나듐 레독스 흐름전지의 전류밀도별 전압효율 결과이다. 도 8d를 참조하면, 전압효율은 에너지효율을 전하효율로 나눠준 값으로 에너지효율 그래프와 유사한 경향을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 이는 본 발명의 질소 원자를 도핑하는 실험이 전하효율을 높이는 것이 아니라 저항을 감소시켜 전압을 상승시킨다는 것을 의미한다.FIG. 8D is a voltage efficiency result of current density of a vanadium redox flow battery according to device examples 1 to 4 and device comparison example 1. FIG. Referring to FIG. 8D, the voltage efficiency is a value obtained by dividing the energy efficiency by the charge efficiency, showing a tendency similar to that of the energy efficiency graph. This means that the experiment of doping the nitrogen atom of the present invention does not increase the charge efficiency but increases the voltage by decreasing the resistance.

이상에서 본 발명의 바람직한 구현예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.Although preferred embodiments of the present invention have been described above, those of ordinary skill in the art may add, change, delete, or eliminate the elements within the scope not departing from the spirit of the present invention described in the claims. The present invention may be variously modified and changed by addition, etc., which will also be included within the scope of the present invention. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as distributed may be implemented in a combined form. The scope of the present invention is shown by the following claims rather than the above description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be construed as being included in the scope of the present invention. do.

Claims (15)

(a) 질소 원자를 갖는 도파민 단량체, 메탄올 및 완충용액을 포함하는 표면처리 용액에 탄소섬유를 포함하는 카본펠트를 담지하고 초음파 조사하여 상기 탄소섬유의 일부 또는 전부 상에 상기 단량체가 중합된 중합체를 코팅시켜 상기 중합체가 코팅된 탄소섬유를 포함하는 카본펠트를 제조하는 단계; 및
(b) 상기 중합체가 코팅된 탄소섬유를 포함하는 카본펠트를 열처리하여 질소 원자가 도핑된 탄소섬유를 포함하는 카본펠트를 제조하는 단계;를 포함하고,
상기 초음파 처리가 20 내지 100kHz의 주파수로 수행되고,
상기 초음파 처리가 20 내지 40분 동안 수행되고,
상기 표면처리 용액은 상기 단량체의 농도가 0.1 내지 3mM이고,
상기 표면처리 용액은 pH가 8.0 내지 9.0인 것인 질소 원자가 도핑된 카본펠트의 제조방법.
(a) Carrying a carbon felt containing carbon fibers in a surface treatment solution containing a dopamine monomer having a nitrogen atom, methanol and a buffer solution and ultrasonically irradiated to polymerize the polymer on the part or all of the carbon fibers Coating to prepare a carbon felt comprising the carbon fiber coated with the polymer; And
(b) heat-treating the carbon felt including the carbon fiber coated with the polymer to produce a carbon felt including the carbon fiber doped with nitrogen atoms;
The sonication is performed at a frequency of 20 to 100 kHz,
The sonication is carried out for 20 to 40 minutes,
The surface treatment solution has a concentration of the monomer is 0.1 to 3mM,
The surface treatment solution is a pH of 8.0 to 9.0 method for producing a carbon atom doped with carbon atoms.
제1항에 있어서,
상기 질소 원자를 갖는 도파민 단량체가 자가 중합하는 것을 특징으로 하는 질소 원자가 도핑된 카본펠트의 제조방법.
The method of claim 1,
A method for producing a carbon felt doped with nitrogen atoms, characterized in that the dopamine monomer having the nitrogen atom self-polymerizes.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
단계 (a)에서,
상기 중합체 형성 및 상기 코팅이 동시에 수행되는 것을 특징으로 하는 질소 원자가 도핑된 카본펠트의 제조방법.
The method of claim 1,
In step (a),
The method for producing carbon felt doped with nitrogen atoms, characterized in that the polymer formation and the coating is performed at the same time.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
단계 (b)에서,
상기 열처리가 질소, 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 제논 및 라돈으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 비활성 기체 분위기에서 수행되는 것을 특징으로 하는 질소 원자가 도핑된 카본펠트의 제조방법.
The method of claim 1,
In step (b),
The heat treatment is a method for producing a nitrogen atom-doped carbon felt, characterized in that carried out in at least one inert gas atmosphere selected from the group consisting of nitrogen, helium, neon, argon, krypton, xenon and radon.
제1항에 있어서,
단계 (b)에서,
상기 열처리가 500 내지 1,000℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 질소 원자가 도핑된 카본펠트의 제조방법.
The method of claim 1,
In step (b),
The heat treatment is carried out at 500 to 1,000 ℃ method for producing a carbon felt doped with a nitrogen atom.
삭제delete 삭제delete
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Journal of The Electrochemical Society, 162 (8) A1675-A1681 (2015) 1부.* *

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