KR102088601B1 - Membraneless redox flow battery - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 테트라부틸암모늄 클로라이드를 포함하는 제1 전해액; 및 테트라에틸암모늄 클로라이드를 포함하는 제2 전해액을 포함하는, 레독스 흐름 전지로서, 상기 레독스 흐름 전지는 세퍼레이터를 포함하지 않는 것인, 레독스 흐름 전지에 관한 것이다.The present invention is a first electrolyte solution containing tetrabutylammonium chloride; And a second electrolyte solution comprising tetraethylammonium chloride, wherein the redox flow cell does not contain a separator.
레독스 흐름전지 (Redox Flow Battery; RFB)는 고용량 에너지 저장장치(large-scale energy storage)로서 태양에너지와 풍력 에너지와 같은 신재생에너지의 핵심 기술로 주목받고 있다. 기존의 리튬, 소듐을 사용한 이차전지와는 달리, 레독스 플로우 전지의 경우 전해질 용액 중에 활물질이 용해되어 있는 상태로 양극과 음극에서 각각의 활물질이 산화 환원 반응을 거치면서, 충전되고 방전되는 용량 발현 메커니즘을 가진다. 외부 저장소에서 공급되는 전해질 중의 활물질간의 산화 환원 반응으로 전지의 용량 및 전압이 결정되므로 이를 자유롭게 설정할 수 있다는 장점을 갖고, 외부의 저장소의 크기 조절을 통한 전체 전지의 용량 조절이 가능하다는 장점을 갖는다. 또한, 활물질인 레독스 커플(redox couple)의 산화 환원 반응이 양극과 음극의 표면에서 발생하므로, 전극 활물질 내부로 이온이 삽입/탈리되는 반응을 거치는 리튬 이온전지과 같은 기존의 전지에 비해 전지의 수명이 더 길다는 장점을 갖는다. 또한, 레독스 흐름 전지는 전극 자체가 반응하는 것이 아니기 때문에 전극의 수명을 증가시킬 수 있다. Redox Flow Battery (RFB) is attracting attention as a core technology of renewable energy such as solar energy and wind energy as a large-scale energy storage device. Unlike the existing lithium and sodium secondary batteries, in the case of the redox flow battery, the active material is dissolved in the electrolyte solution, and each active material in the positive electrode and the negative electrode undergoes a redox reaction, thereby expressing the capacity to be charged and discharged. Has a mechanism. Since the capacity and voltage of the battery are determined by the redox reaction between the active materials in the electrolyte supplied from the external storage, it has the advantage that it can be freely set, and the capacity of the entire battery can be controlled by adjusting the size of the external storage. In addition, since the redox reaction of the redox couple, which is an active material, occurs on the surfaces of the positive electrode and the negative electrode, the life of the battery compared to a conventional battery such as a lithium ion battery that undergoes a reaction in which ions are inserted / detached inside the electrode active material This has the advantage of being longer. In addition, the redox flow battery may increase the life of the electrode because the electrode itself does not react.
레독스 흐름 전지는 레독스 활물질을 포함하는 전해액 종류에 따라 수계와 비수계로 나뉠 수 있다. 전해액의 용매로서 물을 이용하는 수계 레독스 흐름전지(Aqueous Redox Flow Battery; ARFB)는 높은 이온전도성과 안정성 및 경제적인 측면에서 장점을 가져, 수계 레독스 흐름 전지에 대한 연구가 많이 이루어지고 있다. 이러한 수계 레독스 흐름 전지는 수계 전해질에 대한 용해도가 높은 금속을 주로 활물질로 이용하고 있다. 대표적으로 바나듐 이온이 가장 많이 이용되고 있으나, 이의 경제성, 자원 희소성 및 환경적인 측면을 고려하여 이를 대체할 수 있는 물질에 대한 수요가 있으며, 대체제로서 유기 활물질이 주목받고 있다. 유기활물질을 이용하는 경우 자연 친화적이고 금속보다 경제적이며, 다양한 관능기의 도입을 통해 레독스 전위차 및 용해도를 보다 용이하게 변화시킬 수 있다는 장점이 있다.Redox flow batteries may be divided into an aqueous system and a non-aqueous system according to the type of electrolyte solution containing the redox active material. Aqueous Redox Flow Battery (ARFB), which uses water as the solvent of the electrolyte, has advantages in terms of high ionic conductivity, stability, and economics, and many studies have been conducted on water-based redox flow batteries. The water-based redox flow battery mainly uses a metal having high solubility in an aqueous electrolyte as an active material. Typically, vanadium ions are most frequently used, but there is a demand for materials that can replace them in consideration of their economic feasibility, resource scarcity, and environmental aspects, and organic active materials are attracting attention as substitutes. When using an organic active material, it is natural-friendly and more economical than metal, and has the advantage of being able to more easily change the redox potential difference and solubility through the introduction of various functional groups.
통상적인 레독스 흐름 전지의 구조가 도 1에 나타나 있다. 이러한 레독스 흐름 전지의 성능에 영향을 주는 핵심요소는 크게 3가지로, 전극, 전해질 및 이온교환막, 즉 세퍼레이터이다. 특히 이온교환막은 레독스 흐름 전지의 자가방전 및 과전압에 영향을 주는 요소로서, 양극 전해액과 음극 전해액 사이에 위치하여 화학적, 물리적 특성을 통해 특정 극성 및 크기의 이온을 교환시키는 역할을 한다. 전지의 지속적인 레독스 반응을 얻어내기 위해 양극 전해액과 음극 전해액이 섞이지 않고 전자를 이동시켜주는 이온들만이 이러한 이온교환막을 통과할 수 있어야 한다. 그렇기 때문에 일반적인 레독스 흐름 전지에서 이온교환막은 필수적인 구성이다. 하지만 이러한 이온교환막은 전지 설계의 유연함을 방해하고 가격 높아 전지 제작 비용을 증가시키는 문제가 존재한다. The structure of a typical redox flow cell is shown in FIG. 1. There are three key factors influencing the performance of the redox flow battery, which are electrodes, electrolytes, and ion exchange membranes, that is, separators. In particular, the ion exchange membrane is an element that affects self-discharge and overvoltage of the redox flow battery, and is located between the positive electrode electrolyte and the negative electrode electrolyte to exchange ions of a specific polarity and size through chemical and physical properties. In order to obtain a continuous redox reaction of the battery, only the ions that transfer electrons without mixing the positive electrode electrolyte and the negative electrode electrolyte must be able to pass through the ion exchange membrane. Therefore, the ion exchange membrane is an essential component in a typical redox flow cell. However, such an ion exchange membrane interferes with the flexibility of the battery design and has a problem of increasing the battery manufacturing cost due to its high price.
이에 본 발명자들은 이온교환막이 없는 형태의 레독스 흐름 전지를 제공하고자 한다. Accordingly, the present inventors intend to provide a redox flow battery having no ion exchange membrane.
본 발명의 목적은 세퍼레이터를 포함하지 않는 레독스 흐름 전지를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a redox flow battery that does not contain a separator.
상기의 목적을 달성하기 위한 하나의 양태로서, 본 발명은 As one aspect for achieving the above object, the present invention
테트라부틸암모늄 클로라이드를 포함하는 제1 전해액; 및A first electrolyte solution comprising tetrabutylammonium chloride; And
테트라에틸암모늄 클로라이드를 포함하는 제2 전해액을 포함하는, 레독스 흐름 전지로서, 상기 레독스 흐름 전지는 세퍼레이터를 포함하지 않는 것인, 레독스 흐름 전지를 제공한다.A redox flow cell comprising a second electrolyte solution comprising tetraethylammonium chloride, wherein the redox flow cell does not include a separator, thereby providing a redox flow cell.
이하, 본 발명에서의 레독스 흐름 전지를 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the redox flow battery in the present invention will be described in detail.
레독스 흐름 전지의 세퍼레이터로 인한 문제점을 해결하기 위해 본 개시에서는 세퍼레이터 또는 멤브레인이 없는 형태의 레독스 흐름 전지를 제공한다. In order to solve the problems caused by the separator of the redox flow battery, the present disclosure provides a redox flow battery having no separator or membrane.
본 개시에 따른 레독스 흐름 전지의 두 전해액인 제1 전해액 및 제2 전해액은 서로 상이한 밀도를 가진다. 이러한 밀도 차이와, 전해액 내 포함된 테트라부틸암모늄 클로라이드 및 테트라에틸암모늄 클로라이드의 특수한 조합으로 인해, 상기 제1 전해액과 상기 제2 전해액은 서로 섞이지 않고, 상층부 및 하층부의 2개 층의 용액으로 나뉘게 된다. 이러한 상층부 및 하층부의 용액 사이에는 액체-액체 계면이 형성될 수 있다. 이러한 액체-액체 계면을 통해 전하 균형을 위한 이온 또는 염 등의 이동이 자유롭게 일어날 수 있다. 그러나, 액체-액체 계면을 통해 전해액 중의 활물질의 이동으로 인한 자가 방전이 억제되어 전지의 구동이 가능하다. 따라서, 세퍼레이터 없는 레독스 흐름 전지를 제공하는 것이 가능하다. The two electrolytes of the redox flow battery according to the present disclosure, the first electrolyte and the second electrolyte, have different densities. Due to this difference in density and a special combination of tetrabutylammonium chloride and tetraethylammonium chloride contained in the electrolyte, the first electrolyte and the second electrolyte are not mixed with each other, and are divided into two layers of solutions in the upper part and the lower part. . A liquid-liquid interface may be formed between the solutions of the upper and lower layers. Through such a liquid-liquid interface, the movement of ions or salts for charge balance can occur freely. However, self-discharge due to movement of the active material in the electrolytic solution through the liquid-liquid interface is suppressed, so that the battery can be driven. Therefore, it is possible to provide a redox flow battery without a separator.
보통 레독스 흐름 전지의 활물질의 용해 특성에 따라 전해액이 산 염기인 경우가 많으나, 본 개시에 따른 전해액은 중성 pH 조건을 가져, 본 개시에 따른 레독스 흐름 전지는 중성 pH 조건에서 구동이 가능할 수 있다. 따라서 다른 산성 및 염기성 전지와는 다르게 위험성 감소 및 전지의 내구성 증가를 꾀할 수 있다.Normally, depending on the dissolution characteristics of the active material of the redox flow battery, the electrolyte is often an acid base, but the electrolyte according to the present disclosure has a neutral pH condition, and the redox flow battery according to the present disclosure may be capable of operating under a neutral pH condition. have. Therefore, unlike other acidic and basic batteries, it is possible to reduce the risk and increase the durability of the battery.
상기 제1 전해액은 테트라부틸암모늄 클로라이드를 약 0.1 내지 약 15M, 약 1M 내지 약 10M, 약 2M 내지 약 8M, 약 3M 내지 약 7M, 또는 약 5M의 농도로 포함할 수 있다. 상기 제2 전해액은 테트라에틸암모늄 클로라이드를 약0.1 내지 약 20M, 약 1M 내지 약 15M, 약 5M 내지 약 15M, 약 7M 내지 약 12M, 또는 약 10M의 농도로 포함할 수 있다. 상기 제1 전해액 내 테트라부틸암모늄 클로라이드의 농도는 상기 제2 전해액 내 테트라에틸암모늄 클로라이드의 농도보다 낮을 수 있다. 상기 테트라부틸암모늄 클로라이드의 농도에 대한 테트라에틸암모늄 클로라이드의 농도의 비는 1 내지 10, 1 내지 5, 1 초과 및 5 이하, 1 초과 및 3 이하, 또는 약 2일 수 있다. The first electrolyte solution may include tetrabutylammonium chloride at a concentration of about 0.1 to about 15M, about 1M to about 10M, about 2M to about 8M, about 3M to about 7M, or about 5M. The second electrolyte may include tetraethylammonium chloride at a concentration of about 0.1 to about 20M, about 1M to about 15M, about 5M to about 15M, about 7M to about 12M, or about 10M. The concentration of tetrabutylammonium chloride in the first electrolyte may be lower than the concentration of tetraethylammonium chloride in the second electrolyte. The ratio of the concentration of tetraethylammonium chloride to the concentration of tetrabutylammonium chloride may be 1 to 10, 1 to 5, more than 1 and 5 or less, more than 1 and 3 or less, or about 2.
구체적으로, 본 개시에 따른 레독스 흐름 전지에서 상기 전해액은 각각 활물질을 포함한다. 상기 제1 전해액이 양극 활물질을 포함하는 양극 전해액이고 상기 제2 전해액이 음극 활물질을 포함하는 음극 전해액일 수 있고, 그 반대도 가능하다. 상기 전해액들 내에 포함되는 활물질은 레독스 흐름 전지에서 흔히 사용될 수 있는 임의의 활물질이 사용가능하다. 일 실시예에서는 활물질로 페리시아나이드/페로시아나이드를 포함할 수 있다. 상기 활물질은 각각 전해질 용액 중에 0.05 M 내지 3.0 M의 농도로 존재할 수 있으며, 구체적으로 0.05M 내지 2M의 농도, 더욱 구체적으로 0.1M 내지 1.5M의 농도로 존재할 수 있다.Specifically, in the redox flow battery according to the present disclosure, each of the electrolyte solutions includes an active material. The first electrolyte solution may be a positive electrode electrolyte solution containing a positive electrode active material, and the second electrolyte solution may be a negative electrode electrolyte solution containing a negative electrode active material, and vice versa. The active material included in the electrolyte may be any active material that can be commonly used in redox flow batteries. In one embodiment, the active material may include ferricyanide / ferrocyanide. Each of the active materials may be present in the electrolyte solution at a concentration of 0.05 M to 3.0 M, specifically, at a concentration of 0.05M to 2M, and more specifically, at a concentration of 0.1M to 1.5M.
상기 전해액은 수계 전해액일 수 있다. 상기 수계 전해액의 용매는 수계 용매일 수 있다. 상기 수계 용매는 물 또는, 물과 친수성 용매의 혼합물일 수 있다. 여기서 친수성 용매는 메탄올, 에탄올, n-프로판올, 이소프로필알코올, n-부탄올, t-부탄올, 에틸렌글리콜 및 디에틸렌글리콜로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다. The electrolyte may be an aqueous electrolyte. The solvent of the aqueous electrolyte solution may be an aqueous solvent. The water-based solvent may be water or a mixture of water and a hydrophilic solvent. Here, the hydrophilic solvent may include one or more selected from the group consisting of methanol, ethanol, n-propanol, isopropyl alcohol, n-butanol, t-butanol, ethylene glycol and diethylene glycol.
상기 전해액은 각각 테트라에틸암모늄 클로라이드 및 테트라부틸암모늄 클로라이드 중 하나씩을 포함하고, 활물질 및 용매를 모두 포함하며, 이외에도 추가로 전해질을 포함할 수 있다. 상기 전해액은 H2SO4, Li2SO4, Na2SO4, K2SO4, LiCl, KOH, KCl, H3PO4, HNO3 및 이들의 조합으로부터 선택된 하나 이상의 금속염을 전해질로서 포함할 수 있다. 이러한 금속염은 전해액 용액 중에 0.05 M 내지 3 M의 농도로 존재할 수 있으며, 구체적으로 0.1M 내지 2M의 농도, 더욱 구체적으로 0.1M 내지 1.5M의 농도로 존재할 수 있다.The electrolyte solution includes one of tetraethylammonium chloride and tetrabutylammonium chloride, and contains both an active material and a solvent, and may further include an electrolyte. The electrolyte solution may include at least one metal salt selected from H 2 SO 4 , Li 2 SO 4 , Na 2 SO 4 , K 2 SO 4 , LiCl, KOH, KCl, H 3 PO 4 , HNO 3 and combinations thereof as an electrolyte. Can. The metal salt may be present in the electrolyte solution at a concentration of 0.05 M to 3 M, specifically 0.1 M to 2 M, and more specifically 0.1 M to 1.5 M.
상기 레독스 흐름 전지는 전극으로서 양극 및 음극을 포함할 수 있다. 또한, 상기 전지는 양극 전해질 용액 및 음극 전해질 용액을 각각 수용하는 양극 전해질 저장소 및 음극 전해질 저장소를 포함할 수 있으며, 이들을 각각 펌핑하는 펌프를 포함할 수 있다. 상기 펌프는 10 내지 50 rpm, 바람직하게는 20 내지 40 rpm의 작동 조건이 되도록 설정하여, 10 내지 50 mL/min, 바람직하게는 20 내지 30 mL/min의 유속 조건이 되도록 설정할 수 있다.The redox flow battery may include an anode and a cathode as electrodes. In addition, the battery may include a positive electrode electrolyte reservoir and a negative electrode electrolyte reservoir that respectively receive the positive electrode electrolyte solution and the negative electrode electrolyte solution, and may include a pump for pumping them respectively. The pump may be set to an operating condition of 10 to 50 rpm, preferably 20 to 40 rpm, to be set to a flow rate of 10 to 50 mL / min, preferably 20 to 30 mL / min.
본 발명의 양극 및 음극은 금(Au), 주석(Sn), 티타늄(Ti), 백금-티타늄(Pt-Ti), 산화이리듐-티타늄(IrO-Ti) 및 카본으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상일 수 있다. 전극은 전기 전도도와 기계적 강도가 우수해야 하며, 화학적, 전기화학적으로 안정해야 한다. 또한 전지에 적용하였을 때, 높은 효율을 보일 수 있어야 하고, 가격이 저렴하며, 활물질과의 산화/환원 반응이 가역적으로 이루어지는 물질이어야 한다. 이러한 기준을 고려하여, 상기와 같이, 금(Au), 주석(Sn), 티타늄(Ti), 백금-티타늄(Pt-Ti), 산화이리듐-티타늄(IrO-Ti) 및 탄소 재료로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상을 전극으로 이용할 수 있으며, 그 밖에 상기 기준을 만족하면서 산 및 염기에서 안정성을 유지하는 다른 물질이 전극으로 이용될 수 있다. 상기 탄소 재료는 가격이 저렴하고, 산 및 염기의 전해질에서 높은 내화학성을 지니고 있으며, 표면처리가 용이한 장점이 있다. 특히, 탄소재료 중 탄소펠트의 경우, 내화학성, 넓은 전압 범위에서의 안정성, 고강도 특성을 가진 것을 장점으로 한다. 또한, 이러한 전극 물질의 강도를 높이기 위해 폴리바이닐이덴(Polyvinylidene) (PVDF), 고 밀도 폴리에틸렌(high density polyethylene)(HDPE), 폴리바이닐 아세테이트(polyvinyl acetate) (PVA), 폴리올레핀(polyolefine) 등의 바인더를 카본 블랙(carbon black), 그래파이트 섬유(graphite fiber) 등의 전도성 물질과 혼합하여 카본 고분자 복합형 전극(carbon polymer composite electrode)이 이용될 수 있다. The anode and cathode of the present invention may be any one or more selected from the group consisting of gold (Au), tin (Sn), titanium (Ti), platinum-titanium (Pt-Ti), iridium-titanium oxide (IrO-Ti), and carbon. You can. The electrode must have excellent electrical conductivity and mechanical strength, and must be chemically and electrochemically stable. In addition, when applied to a battery, it should be able to show high efficiency, be inexpensive, and be a material that reversibly undergoes an oxidation / reduction reaction with an active material. In consideration of these criteria, as described above, from the group consisting of gold (Au), tin (Sn), titanium (Ti), platinum-titanium (Pt-Ti), iridium-titanium oxide (IrO-Ti) and carbon materials Any one or more selected ones may be used as an electrode, and other materials that maintain stability in acids and bases while satisfying the above criteria may be used as electrodes. The carbon material has an advantage of low cost, high chemical resistance in acid and base electrolytes, and easy surface treatment. In particular, in the case of the carbon felt among the carbon materials, it has advantages such as chemical resistance, stability in a wide voltage range, and high strength. In addition, in order to increase the strength of these electrode materials, polyvinylidene (PVDF), high density polyethylene (HDPE), polyvinyl acetate (PVA), polyolefine, etc. A carbon polymer composite electrode may be used by mixing the binder with a conductive material such as carbon black or graphite fiber.
용어 “약(about)”은 동일한 기능 또는 결과를 달성하는 측면에서, 당업자가 기재된 값과 균등한 것으로 고려할 숫자들의 범위를 가리키는 것을 이해된다. It is understood that the term “about” refers to a range of numbers that a person skilled in the art will consider to be equivalent to the stated value in terms of achieving the same function or result.
본 개시에 따른 레독스 흐름 전지는 세퍼레이터를 포함하지 않으므로 이로 인한 문제점을 제거할 수 있다. 예를 들면 본 개시에 따른 레독스 흐름 전지는 세퍼레이터에 대한 비용을 절감시킬 수 있고 전지 설계에 있어 보다 자유로운 형태가 가능하게 한다. Since the redox flow battery according to the present disclosure does not include a separator, problems caused by the redox flow battery can be eliminated. For example, the redox flow battery according to the present disclosure can reduce the cost for the separator and allow a more free form in battery design.
도 1은 통상적인 레독스 흐름 전지의 구조를 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 세퍼레이터 없는 레독스 흐름 전지의 구조를 나타낸다.
도 3은 실험예 1에서 확인한 전해액의 층분리 및 NMR 분석 결과를 나타낸다.
도 4는 실험예 2에서 확인한 3전극 실험의 결과를 나타낸다.
도 5는 실험예 3에서 확인한 레독스 흐름 전지의 전극 활성을 확인한 것이다. 1 shows the structure of a typical redox flow cell.
Figure 2 shows the structure of a redox flow battery without a separator according to the present invention.
Figure 3 shows the results of layer separation and NMR analysis of the electrolyte solution confirmed in Experimental Example 1.
Figure 4 shows the results of the three-electrode experiment confirmed in Experimental Example 2.
Figure 5 confirms the electrode activity of the redox flow battery confirmed in Experimental Example 3.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, various changes may be made to the embodiments, and the scope of the patent application right is not limited or limited by these embodiments. It should be understood that all modifications, equivalents, or substitutes for the embodiments are included in the scope of rights.
실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the examples are for illustrative purposes only and should not be construed as limiting. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this specification, the terms "include" or "have" are intended to indicate the presence of features, numbers, steps, actions, components, parts or combinations thereof described herein, one or more other features. It should be understood that the existence or addition possibilities of fields or numbers, steps, operations, components, parts or combinations thereof are not excluded in advance.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by a person skilled in the art to which the embodiment belongs. Terms such as those defined in a commonly used dictionary should be interpreted as having meanings consistent with meanings in the context of related technologies, and should not be interpreted as ideal or excessively formal meanings unless explicitly defined in the present application. Does not.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.In addition, in the description with reference to the accompanying drawings, the same reference numerals are assigned to the same components regardless of reference numerals, and redundant descriptions thereof will be omitted. In describing the embodiments, when it is determined that detailed descriptions of related known technologies may unnecessarily obscure the subject matter of the embodiments, detailed descriptions thereof will be omitted.
본 명세서 전체에 걸쳐, 특정 물질의 농도를 나타내기 위하여 사용되는 "%"는 별도의 언급이 없는 경우, 고체/고체는 (중량/중량) %, 고체/액체는 (중량/부피) %, 그리고 액체/액체는 (부피/부피) %이다.Throughout this specification, "%" used to indicate the concentration of a specific substance, unless otherwise specified, solids / solids (weight / weight)%, solids / liquids (weight / volume)%, and The liquid / liquid is (volume / volume)%.
제조예 1: 전해액의 제조Production Example 1: Preparation of electrolyte
10 M 농도를 갖는 증류수 중의 테트라에틸암모늄 클로라이드 용액을 제조하였다. 또한 5 M 농도를 갖는 증류수 중의 테트라부틸암모늄 클로라이드 용액을 제조하였다. 이들 용액을 서로 혼합하여 혼합 용액을 형성한 후, 이에 활물질로서 페로시아나이드(Ferrocyanide)와, 페리시아나이드(Ferricyanide)를 각각 0.01 M가 되도록 상기 혼합 용액에 첨가하여 전해액을 제조하였다. A solution of tetraethylammonium chloride in distilled water having a concentration of 10 M was prepared. In addition, a solution of tetrabutylammonium chloride in distilled water having a concentration of 5 M was prepared. After mixing these solutions with each other to form a mixed solution, ferrocyanide and ferricyanide as active materials were added to the mixed solution so that they were each 0.01 M, thereby preparing an electrolytic solution.
상기 전해액을 1시간 이상 충분히 교반시켰다. 교반 후 하루 동안 30 ℃에서 그래도 두었다. 그러자 도 3에서 확인되는 것과 같이 2개 층으로 완전히 나뉘는 것을 확인하였다. 이렇게 나뉘어진 상층액과 하층액을 분리하여 각각 보관하였다. 이 때 상층액과 하층액 모두에 페로시아나이드와 페리시아나이드가 녹아 있다는 것을 아래의 실험예 2 및 3에서 확인가능하다.The electrolytic solution was sufficiently stirred for 1 hour or more. After stirring, it was still placed at 30 ° C for one day. Then it was confirmed that it is completely divided into two layers, as shown in FIG. The divided supernatant and lower layer were separated and stored respectively. At this time, it can be confirmed in Experimental Examples 2 and 3 that ferrocyanide and ferricyanide are dissolved in both the supernatant and the lower layer.
실험예 1: 전해액의 HExperimental Example 1: H of electrolyte 1One -NMR 분석-NMR analysis
제조예 1에서 얻어진 두 전해액 각각의 H1-NMR 분석을 수행하였다(Agilent technologies(USA), DD2 700 이용). 또한, 비교를 위해 테트라에틸암모늄 클로라이드와, 테트라부틸암모늄 클로라이드에 대해서도 H1-NMR 분석을 수행하였다. 얻어진 NMR 결과를 도 3에 나타냈다. H 1 -NMR analysis of each of the two electrolytes obtained in Preparation Example 1 was performed (using Agilent technologies (USA), DD2 700). In addition, for comparison, tetraethylammonium chloride and tetrabutylammonium chloride were also subjected to H 1 -NMR analysis. Fig. 3 shows the obtained NMR results.
도 3의 오른쪽 상단에는 상층액 용액과 테트라부틸암모늄 클로라이드의 NMR 분석 결과를 함께 나타냈고, 도 3의 오른쪽 하단에는 하층액 용액과 테트라에틸암모늄 클로라이드의 NMR 분석 결과를 함께 나타냈다. 상층액의 결과를 보면, 전해액 중 상층액에는 테트라부틸암모늄 클로라이드가 포함되고, 테트라에틸암모늄 클로라이드는 포함되지 않음을 알 수 있다. 한편, 하층액의 결과를 보면, 전해액 중 하층액에는 테트라에틸암모늄 클로라이드가 포함되고, 테트라부틸암모늄 클로라이드는 포함되지 않음을 알 수 있다. The upper right of FIG. 3 shows the results of NMR analysis of the supernatant solution and tetrabutylammonium chloride, and the lower right solution of FIG. 3 shows the results of NMR analysis of the lower layer solution and tetraethylammonium chloride. Looking at the results of the supernatant, it can be seen that the supernatant in the electrolytic solution contained tetrabutylammonium chloride, and not tetraethylammonium chloride. On the other hand, looking at the results of the lower layer solution, it can be seen that the lower layer solution in the electrolytic solution contains tetraethylammonium chloride and does not include tetrabutylammonium chloride.
실험예 2: 3전극 실험을 전극 활성 확인Experimental Example 2: 3-electrode experiment to confirm electrode activity
제조예 1에서 얻어진 전해액을 이용하여 삼전극 실험을 수행하였다.A three-electrode experiment was performed using the electrolyte obtained in Preparation Example 1.
기준전극으로 Ag/AgCl(RE-1B, Japan)전극을 사용하고 상대전극으로는 Pt 와이어(wire)를 사용하고, 작동 전극으로는 유리상 탄소 전극 (Glassy Carbon Electrdoe; GCE)를 사용하였다. 이렇게 제조된 삼전극을 전해액에 담근 후, 순환전압전류 (Cyclic voltammetry) 시험을 수행하였다. 외부 장치에서 전압을 변화시켜주어 해당 전압에서 발생하는 전류량을 측정하였다. 해당 실험을 전해액 중 상층액을 이용하여 수행하고, 하층액을 이용하여 동일하게 반복하여 수행하였다. 각각의 결과를 도 4에 나타냈다. An Ag / AgCl (RE-1B, Japan) electrode was used as a reference electrode, a Pt wire was used as a counter electrode, and a glassy carbon electrode (Glassy Carbon Electrdoe; GCE) was used as a working electrode. After immersing the three electrodes thus prepared in an electrolyte, a cyclic voltammetry test was performed. The voltage was changed in an external device to measure the amount of current generated at that voltage. The experiment was carried out using the supernatant in the electrolytic solution, and the same was repeated using the lower layer. Each result is shown in FIG. 4.
상층액을 이용한 경우와 하층액을 이용한 경우 모두 전극반응이 일어나는 것을 확인할 수 있다. 즉, 상층액과 하층액 모두에 활물질인 페로시아나이드와 페리시아나이드가 존재하는 것을 확인할 수 있다. It can be confirmed that the electrode reaction occurs in both the case of using the supernatant and the case of using the lower layer. That is, it can be confirmed that ferrocyanide and ferricyanide as active materials exist in both the supernatant and the lower layer.
실험예 3: 레독스 흐름 전지의 제조Experimental Example 3: Preparation of redox flow battery
제조예 2에서 얻어진 전해액을 이용하여 전지를 제조하였다. A battery was manufactured using the electrolyte obtained in Production Example 2.
도 2에 나타난 것과 같이, 집전판, 양극판(환원극), 플로우 프레임, 다시 양극판(산화극), 집전판 순으로 적층하고 조립하여 전지를 제조하였다. 양극 음극 모두 흑연 전극을 사용하였다. 양극 전해액과 음극 전해액이 동일한 대칭적인 셀 구조를 이용하여 전지 활성을 확인하였다 (Goulet M-A, Aziz MJ. Flow Battery Molecular Reactant Stability Determined by Symmetric Cell Cycling Methods . Journal of The Electrochemical Society. 2018;165 (7) :A1466-A1477). As shown in FIG. 2, a current collector plate, a positive electrode plate (reduction electrode), a flow frame, and a positive electrode plate (oxide electrode), and a current collector plate were stacked and assembled in this order to prepare a battery. Graphite electrodes were used for both anodes and cathodes. Battery activity was confirmed using a symmetric cell structure in which the positive electrode electrolyte and the negative electrode electrolyte were identical (Goulet MA, Aziz MJ.Flow Battery Molecular Reactant Stability Determined by Symmetric Cell Cycling Methods.Journal of The Electrochemical Society. 2018; 165 (7) : A1466-A1477).
제조예 1에서 얻어진 상·하층부 전해액을 각각의 전해액 저장소에 넣은 후 전지에 펌프를 이용하여 전해액을 순환시켰다. 이후 외부장치로부터 일정 전류를 공급하여 전지의 충전 및 방전에서의 전압변화를 측정하였다. After the electrolyte solution of the upper and lower layers obtained in Preparation Example 1 was placed in each of the electrolyte reservoirs, the electrolyte was circulated using a pump in the battery. Thereafter, a constant current was supplied from an external device to measure voltage change in charging and discharging of the battery.
10mAcm-2의 전류밀도에서 단일 셀 시험을 실시하였다. 충전은0.6V까지, 방전은 -0.6V까지 이루어졌다. 실험 결과 사이클 당 충/방전시간의 감소(용량의 감소) 없이 지속적으로 전지가 구동 되었다. 이의 결과를 도 5에 나타냈다. 상층액과 하층액에 녹여진 활물질을 토대로 전지 시스템이 정상적으로 구동됨을 확인할 수 있었다. 이는 본 명세서의 멤브레인 없는 레독스 흐름 전지가, 멤브레인을 포함하지 않음에도 불구하고, 정상적인 구동이 가능하다는 것을 의미한다. 즉, 멤브레인 없이도, 상층부 용액 및 하층부 용액 간의 활물질의 이동이 억제되어 전지가 구동된다는 것을 확인한 것이다. A single cell test was performed at a current density of 10 mA cm-2. Charging was carried out to 0.6V, and discharge was performed to -0.6V. As a result of the experiment, the battery was continuously operated without a decrease in charge / discharge time per cycle (decrease in capacity). The results thereof are shown in FIG. 5. It was confirmed that the battery system was normally operated based on the active material dissolved in the supernatant and the lower layer. This means that the redox flow cell without a membrane of the present specification can operate normally even though it does not contain a membrane. That is, it was confirmed that even without a membrane, the movement of the active material between the upper layer solution and the lower layer solution was suppressed and the battery was driven.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.As described above, although the embodiments have been described by a limited drawing, a person skilled in the art can apply various technical modifications and variations based on the above. For example, the described techniques are performed in a different order than the described method, and / or the components of the described system, structure, device, circuit, etc. are combined or combined in a different form from the described method, or other components Alternatively, even if replaced or substituted by equivalents, appropriate results can be achieved.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also within the scope of the following claims.
Claims (5)
테트라에틸암모늄 클로라이드를 포함하는 제2 전해액을 포함하는, 레독스 흐름 전지로서, 상기 레독스 흐름 전지는 세퍼레이터를 포함하지 않는 것인, 레독스 흐름 전지.
A first electrolyte solution comprising tetrabutylammonium chloride; And
A redox flow battery comprising a second electrolyte comprising tetraethylammonium chloride, wherein the redox flow battery does not contain a separator.
The redox flow battery of claim 1, wherein a liquid-liquid interface is formed between the first electrolyte solution and the second electrolyte solution.
The redox flow battery of claim 1, wherein the first electrolyte solution and the second electrolyte solution are both aqueous electrolyte solutions.
The redox flow battery of claim 1, wherein the concentration of tetrabutylammonium chloride in the first electrolyte is lower than the concentration of tetraethylammonium chloride in the second electrolyte.
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