KR102248996B1 - Ion exchanging membrane, and energy storage system comprising the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이온 교환막 및 이를 포함하는 에너지 저장 장치에 관한 것으로서, 상기 이온 교환막은 이온 전도체를 포함하는 고분자 막, 그리고 기둥 형상을 가지며, 상기 기둥의 높이 방향을 따라 연장되며 상기 기둥을 관통하는 복수개의 기공을 포함하는 다공성 금속 산화물을 포함한다.
상기 이온 교환막은 바나듐 5가 이온의 투과가 일어나는 채널의 크기를 제한함으로써 바나듐 5가 이온의 투과를 방지하고, 이를 통해 전압 효율이 향상되고 열화가 방지된다.
The present invention relates to an ion exchange membrane and an energy storage device including the same, wherein the ion exchange membrane has a polymer membrane including an ion conductor, and a column shape, extending along the height direction of the column, and penetrating the column. It includes a porous metal oxide containing pores.
The ion exchange membrane prevents the penetration of vanadium pentavalent ions by limiting the size of the channel through which vanadium pentavalent ions permeate, thereby improving voltage efficiency and preventing deterioration.

Description

이온 교환막 및 이를 포함하는 에너지 저장 장치{ION EXCHANGING MEMBRANE, AND ENERGY STORAGE SYSTEM COMPRISING THE SAME}Ion exchange membrane and energy storage device including the same {ION EXCHANGING MEMBRANE, AND ENERGY STORAGE SYSTEM COMPRISING THE SAME}

본 발명은 이온 교환막 및 이를 포함하는 에너지 저장 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 바나듐 5가 이온의 투과가 일어나는 채널의 크기를 제한함으로써 바나듐 5가 이온의 투과를 방지하고, 이를 통해 전압 효율이 향상되고 열화가 방지된 이온 교환막, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 에너지 저장 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an ion exchange membrane and an energy storage device including the same, and more specifically, by limiting the size of a channel through which vanadium pentavalent ions permeate, the penetration of vanadium pentavalent ions is prevented, thereby improving voltage efficiency. It is a deterioration-prevented ion exchange membrane, a method for manufacturing the same, and to an energy storage device including the same.

화석 연료의 고갈과 환경 오염에 대한 문제를 해결하기 위하여 사용 효율을 향상시킴으로써 화석 연료를 절약하거나 재생 가능한 에너지를 보다 많은 분야에 적용하고자 하는 노력이 이루어지고 있다. In order to solve the problem of fossil fuel depletion and environmental pollution, efforts have been made to save fossil fuels or apply renewable energy to more fields by improving use efficiency.

태양열 및 풍력과 같은 재생 가능한 에너지원은 이전보다 더 많이 효율적으로 사용되고 있으나, 이들 에너지원은 간헐적이며 예측 불가능하다. 이러한 특성으로 인해 이들 에너지원에 대한 의존도가 제한되며, 현재 일차전력원 중 재생에너지원이 차지하는 비율은 매우 낮다.Renewable energy sources such as solar and wind power are being used more efficiently than before, but these energy sources are intermittent and unpredictable. Due to these characteristics, dependence on these energy sources is limited, and the ratio of renewable energy sources among the current primary power sources is very low.

재충전 가능한 전지(rechargeable battery)는 단순하고 효율적인 전기 저장 방법을 제공하므로 이를 소형화하여 이동성을 높여 간헐적 보조 전원이나 랩탑, 태블릿 PC, 휴대전화 등의 소형가전의 전원으로 활용하고자하는 노력이 지속되고 있다.Since a rechargeable battery provides a simple and efficient method of storing electricity, efforts to use it as an intermittent auxiliary power supply or a power source for small home appliances such as laptops, tablet PCs, and mobile phones continue to increase mobility by miniaturizing them.

그 중 레독스 플로우 전지(RFB; Redox Flow Battery)는 전해질의 전기 화학적인 가역 반응에 의한 충전과 방전을 반복하여 에너지를 장기간 저장하여 사용할 수 있는 2차 전지이다. 전지의 용량과 출력 특성을 각각 좌우하는 스택과 전해질 탱크가 서로 독립적으로 구성되어 있어 전지 설계가 자유로우며 설치 공간 제약도 적다.Among them, a redox flow battery (RFB) is a secondary battery that can be used by storing energy for a long period of time by repeating charging and discharging through an electrochemical reversible reaction of an electrolyte. The stack and the electrolyte tank, which each determine the capacity and output characteristics of the battery, are configured independently of each other, so the design of the battery is free and the installation space is limited.

또한, 상기 레독스 플로우 전지는 발전소나 전력계통, 건물에 설치해 급격한 전력 수요 증가에 대응할 수 있는 부하 평준화 기능, 정전이나 순간저전압을 보상하거나 억제하는 기능 등을 가지고 있으며 필요에 따라 자유롭게 조합할 수 있는 매우 유력한 에너지 저장 기술이며 대규모 에너지 저장에 적합한 시스템이다.In addition, the redox flow battery has a load leveling function that can respond to a rapid increase in power demand by installing it in a power plant, power system, or building, and a function of compensating or suppressing a power outage or an instantaneous low voltage, and can be freely combined as needed. It is a very powerful energy storage technology and a system suitable for large-scale energy storage.

상기 레독스 플로우 전지는 일반적으로 두 개의 분리된 전해질로 구성된다. 하나는 음성 전극 반응에서 전기 활성 물질을 저장하며 다른 하나는 양성 전극 반응에 사용된다. 실제 레독스 플로우 전지에서 전해질 반응은 양극과 음극에서 서로 상이하며 전해질액 흐름 현상이 존재하므로 양극 쪽과 음극 쪽에서 압력차가 발생한다. 대표적인 레독스 플로우 전지인 전바나듐계 레독스 플로우 전지에서 양극 및 음극 전해질의 반응은 각각 하기 반응식 1 및 반응식 2와 같다.The redox flow battery generally consists of two separate electrolytes. One stores the electroactive material in the negative electrode reaction and the other is used for the positive electrode reaction. In an actual redox flow battery, the electrolyte reaction is different between the positive electrode and the negative electrode, and since there is an electrolyte flow phenomenon, a pressure difference occurs between the positive electrode and the negative electrode. In a typical redox flow battery, a full vanadium-based redox flow battery, the reactions of the positive electrode and the negative electrode electrolyte are as shown in Scheme 1 and Scheme 2, respectively.

[반응식 1][Scheme 1]

Figure 112018021000387-pat00001
Figure 112018021000387-pat00001

[반응식 2][Scheme 2]

Figure 112018021000387-pat00002
Figure 112018021000387-pat00002

따라서, 상기 양 전극에서의 압력차를 극복하고 충전과 방전을 반복하여도 우수한 전지 성능을 나타내기 위해서는 물리적, 화학적 내구성이 향상된 이온 교환막을 필요로 하며, 상기 레독스 플로우 전지에서 상기 이온 교환막은 시스템 중 약 10% 수준에 이르는 가격을 차지하고 있는 핵심 소재이다.Therefore, in order to overcome the pressure difference at both electrodes and to exhibit excellent battery performance even when charging and discharging are repeated, an ion exchange membrane with improved physical and chemical durability is required. In the redox flow battery, the ion exchange membrane is a system It is a core material that accounts for about 10% of the price.

이처럼, 상기 레독스 플로우 전지에서 상기 이온 교환막은 전지 수명과 가격을 결정하는 핵심 부품으로 상기 레독스 플로우 전지의 상용화를 위해서는 상기 이온 교환막의 이온의 선택 투과성이 높아서 바나듐 이온의 크로스오버(crossover)가 낮아야 하고, 전기적 저항이 작아서 이온 전도도가 높아야 하고, 기계적 및 화학적으로 안정하여 내구성이 높으면서도 가격이 저렴해야 한다. As described above, in the redox flow battery, the ion exchange membrane is a key component that determines battery life and price, and for commercialization of the redox flow battery, the selective permeability of ions of the ion exchange membrane is high, so that crossover of vanadium ions is possible. It should be low, its electrical resistance should be low, so its ionic conductivity should be high, and it should be mechanically and chemically stable to have high durability and low price.

한편, 현재 이온 교환막으로 상용화된 고분자 전해질 막은 수 십 년 동안 사용되었을 뿐 아니라 꾸준히 연구되고 있는 분야로서, 최근에도 직접메탄올 연료전지(DMFC; direct methanol fuel cell)나 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC; polymer electrolyte membrane fuel cell, proton exchange membrane fuel cell), 레독스 플로우 전지, 수처리 장치(Water purification) 등에 사용되는 이온을 전달하는 매개체로서 이온 교환막에 대한 수많은 연구가 활발히 진행되고 있다.On the other hand, polymer electrolyte membranes commercialized as ion exchange membranes have been used for several decades and are being studied steadily. Recently, direct methanol fuel cells (DMFCs) or polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs; polymers) Numerous studies on ion exchange membranes have been actively conducted as a medium for transferring ions used in electrolyte membrane fuel cells, proton exchange membrane fuel cells), redox flow cells, and water purification devices.

현재 이온 교환막으로 널리 사용되는 물질은 미국 듀퐁사의 과불화 술폰산기 함유 고분자인 나피온(Nafion)™ 계열막이 있다. 이 막은 포화 수분 함량일 때, 상온에서 0.08 S/㎝의 이온 전도성과 우수한 기계적 강도 및 내화학성을 가지며, 자동차용 연료전지에 이용될 만큼 전해질막으로서 안정적인 성능을 가지고 있다. 또한, 이와 유사한 형태의 상용막으로는 아사히 케미칼스(Asahi Chemicals)사의 아시플렉스-에스(Aciplex-S)막, 다우케미칼스(Dow Chemicals)사의 다우(Dow)막, 아사히 글래스(Asahi Glass)사의 플레미온(Flemion)막, 고어 & 어쏘시에이트(Gore & Associate)사의 고어셀렉트(GoreSelcet)막 등이 있으며, 캐나다의 발라드 파워 시스템(Ballard Power System)사에서 알파 또는 베타 형태로 과불소화된 고분자가 개발 연구 중에 있다.Currently, a material widely used as an ion exchange membrane is a Nafion™-based membrane, a polymer containing perfluorinated sulfonic acid groups from DuPont in the United States. This membrane has an ionic conductivity of 0.08 S/cm at room temperature, excellent mechanical strength, and chemical resistance when it has a saturated moisture content, and has stable performance as an electrolyte membrane enough to be used in fuel cells for automobiles. In addition, as a similar type of commercial film, Asahi Chemicals' Aciplex-S film, Dow Chemicals' Dow film, Asahi Glass's There are Flemion film, Gore & Associate's GoreSelcet film, etc., and a polymer that is perfluorinated in alpha or beta form by Ballard Power System of Canada Development research is underway.

그러나, 상기 막들은 가격이 고가이며 합성 방법이 까다로워 대량 생산의 어려움이 있을 뿐만 아니라, 레독스 흐름전지와 같은 전기에너지 시스템에서 크로스오버 현상, 높은 온도나 낮은 온도에서 낮은 이온 전도도를 갖는 등의 이온 교환막으로서 효율성이 크게 떨어지는 단점을 가지고 있다.However, the membranes are expensive and difficult to synthesize, so that mass production is difficult. In addition, ions such as crossover phenomenon in electric energy systems such as redox flow batteries and having low ionic conductivity at high or low temperatures. As an exchange membrane, it has a disadvantage that its efficiency is greatly reduced.

본 발명의 목적은 바나듐 5가 이온의 투과가 일어나는 채널의 크기를 제한함으로써 바나듐 5가 이온의 투과를 방지하고, 이를 통해 전압 효율이 향상되고 열화가 방지된 이온 교환막을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide an ion exchange membrane in which the penetration of vanadium pentavalent ions is prevented by limiting the size of a channel in which pentavalent vanadium ions permeate, thereby improving voltage efficiency and preventing deterioration.

본 발명의 다른 목적은 상기 이온 교환막을 포함하는 에너지 저장 장치를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide an energy storage device including the ion exchange membrane.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 이온 전도체를 포함하는 고분자 막, 그리고 기둥 형상을 가지며, 상기 기둥의 높이 방향을 따라 연장되며 상기 기둥을 관통하는 복수개의 기공을 포함하는 다공성 금속 산화물을 포함하는 이온 교환막을 제공한다.According to an embodiment of the present invention, a polymer membrane including an ion conductor, and an ion comprising a porous metal oxide having a column shape and extending along the height direction of the column and including a plurality of pores penetrating the column Provide an exchange membrane.

상기 다공성 금속 산화물의 기공 크기는 0.35 nm 내지 1.2 nm일 수 있다.The pore size of the porous metal oxide may be 0.35 nm to 1.2 nm.

상기 기둥 형상의 다공성 금속 산화물은 높이가 3 nm 내지 200 nm일 수 있다.The pillar-shaped porous metal oxide may have a height of 3 nm to 200 nm.

상기 기둥 형상의 다공성 금속 산화물은 종횡비가 1 : 0.1 내지 1 : 1일 수 있다.The pillar-shaped porous metal oxide may have an aspect ratio of 1:0.1 to 1:1.

상기 다공성 금속 산화물은 실리카, 유기 실리카, 실리카 이외의 금속 산화물 및 실리카 이외의 금속 산화물-실리카 복합체로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.The porous metal oxide may be any one selected from the group consisting of silica, organic silica, metal oxides other than silica, and metal oxides other than silica-silica composite.

상기 다공성 금속 산화물은, 상기 기둥의 높이 방향과 수직한 방향의 단면에서 상기 복수개의 기공이 육각형 형상으로 배열되는, 육각 기둥 형상일 수 있다.The porous metal oxide may have a hexagonal column shape in which the plurality of pores are arranged in a hexagonal shape in a cross section in a direction perpendicular to the height direction of the column.

상기 육각 기둥 형상의 다공성 금속 산화물은 d100 값이 18 Å 이상인 육각 전자 회절 패턴(hexagonal electron diffraction pattern)을 가지고, 벤젠 흡착 용량(benzene adsorption capacity, @ 50 torr, 25 ℃)이 15 g/100 g(벤젠의 grams/다공성 금속 산화물의 grams) 이상일 수 있다.The hexagonal columnar porous metal oxide has a hexagonal electron diffraction pattern having a d 100 value of 18 Å or more, and a benzene adsorption capacity (@ 50 torr, 25° C.) of 15 g/100 g (Grams of benzene/grams of porous metal oxide) or more.

상기 이온 교환막은 상기 다공성 금속 산화물을 상기 이온 전도체 1 중량부에 대하여 0.01 중량부 내지 0.50 중량부로 포함할 수 있다.The ion exchange membrane may include 0.01 parts by weight to 0.50 parts by weight of the porous metal oxide based on 1 part by weight of the ion conductor.

상기 다공성 금속 산화물은 상기 이온 전도체와 혼합되어 상기 고분자 막 내부에 분산된 것일 수 있다.The porous metal oxide may be mixed with the ion conductor and dispersed in the polymer membrane.

상기 이온 교환막은 상기 이온 전도체를 포함하는 고분자 막, 그리고 상기 고분자 막 일면 또는 양면의 표면에 위치하며, 상기 다공성 금속 산화물을 포함하는 코팅층을 포함할 수 있다.The ion exchange membrane may include a polymer membrane including the ion conductor, and a coating layer disposed on one or both surfaces of the polymer membrane and including the porous metal oxide.

상기 다공성 금속 산화물을 포함하는 코팅층은 상기 고분자 막 1 부피부에 대하여 0.05 부피부 내지 1.0 부피부일 수 있다.The coating layer including the porous metal oxide may be 0.05 part by volume to 1.0 part by volume with respect to 1 part by volume of the polymer film.

상기 이온 교환막은 상기 이온 전도체를 포함하는 제 1 고분자 막과, 상기 이온 전도체 및 상기 이온 전도체와 혼합되어 분산된 상기 다공성 금속 산화물을 포함하는 제 2 고분자 막이 적층된 것일 수 있다.The ion exchange membrane may include a first polymer membrane including the ion conductor, and a second polymer membrane including the ion conductor and the porous metal oxide mixed and dispersed with the ion conductor.

상기 제 2 고분자 막은 상기 제 1 고분자 막 1 부피부에 대하여 0.05 부피부 내지 1.0 부피부일 수 있다.The second polymer membrane may be 0.05 part by volume to 1.0 part by volume with respect to 1 part by volume of the first polymer membrane.

상기 고분자 막은 다수의 공극(pore)을 포함하는 다공성 지지체, 및 상기 다공성 지지체의 공극을 채우고 있는 상기 이온 전도체를 포함할 수 있다.The polymer membrane may include a porous support including a plurality of pores, and the ion conductor filling the pores of the porous support.

본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 상기 이온 교환막을 포함하는 에너지 저장 장치를 제공한다.According to another embodiment of the present invention, an energy storage device including the ion exchange membrane is provided.

상기 에너지 저장 장치는 레독스 플로우 전지(redox flow battery)일 수 있다.The energy storage device may be a redox flow battery.

본 발명의 이온 교환막은 바나듐 5가 이온의 투과가 일어나는 채널의 크기를 제한함으로써 바나듐 5가 이온의 투과를 방지하고, 이를 통해 전압 효율이 향상되고 열화가 방지된다.The ion exchange membrane of the present invention prevents the penetration of vanadium pentavalent ions by limiting the size of the channel through which vanadium pentavalent ions permeate, thereby improving voltage efficiency and preventing deterioration.

도 1은 제 1 고분자 막과 제 2 고분자 막이 적층된 형태의 이온 교환막에서 이온의 선택적인 투과를 모식적으로 도시한 그림이다.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전바나듐계 레독스 전지를 개략적으로 나타내는 모식도이다.
1 is a diagram schematically showing the selective permeation of ions in an ion exchange membrane in which a first polymer membrane and a second polymer membrane are stacked.
2 is a schematic diagram schematically showing an all-vanadium-based redox battery according to another embodiment of the present invention.

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 명세서에서 특별한 언급이 없는 한 알킬기는 1차 알킬기, 2차 알킬기 및 3차 알킬기를 포함하고, 직쇄(straint chain) 또는 분지쇄(branched chain)의 탄소수 1 내지 10인 알킬기, 할로겐화 알킬기는 직쇄 또는 분쇄의 탄소수 1 내지 10인 할로겐화 알킬기, 알릴기는 탄소수 2 내지 10인 알릴기, 아릴기는 탄소수 6 내지 30인 아릴기, 알콕시기는 탄소수 1 내지 10인 알콕시기, 알킬 설포닐기는 탄소수 1 내지 10인 알킬 설포닐기, 아실기는 탄소수 1 내지 10인 아실기, 및 알데하이드기는 탄소수 1 내지 10인 알데하이드기를 의미한다.Unless otherwise specified in the specification, an alkyl group includes a primary alkyl group, a secondary alkyl group and a tertiary alkyl group, and a straight chain or branched chain alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, and a halogenated alkyl group The pulverized halogenated alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, the allyl group is an allyl group having 2 to 10 carbon atoms, the aryl group is an aryl group having 6 to 30 carbon atoms, the alkoxy group is an alkoxy group having 1 to 10 carbon atoms, and the alkyl sulfonyl group is an alkyl having 1 to 10 carbon atoms The sulfonyl group, the acyl group means an acyl group having 1 to 10 carbon atoms, and the aldehyde group means an aldehyde group having 1 to 10 carbon atoms.

본 명세서에서 특별한 언급이 없는 한 아미노기는 1차 아미노기, 2차 아미노기 및 3차 아미노기를 포함하고, 2차 아미노기 또는 3차 아미노기는 탄소수 1 내지 10인 아미노기이다.Unless otherwise specified in the specification, the amino group includes a primary amino group, a secondary amino group, and a tertiary amino group, and the secondary or tertiary amino group is an amino group having 1 to 10 carbon atoms.

본 명세서에서 모든 화합물 또는 치환기는 특별한 언급이 없는 한 치환되거나 비치환된 것일 수 있다. 여기서, 치환된이란 수소가 할로겐 원자, 하이드록시기, 카르복실기, 시아노기, 니트로기, 아미노기, 사이오기, 메틸사이오기, 알콕시기, 나이트릴기, 알데하이드기, 에폭시기, 에테르기, 에스테르기, 에스테르기, 카르보닐기, 아세탈기, 케톤기, 알킬기, 퍼플루오로알킬기, 시클로알킬기, 헤테로시클로알킬기, 알릴기, 벤질기, 아릴기, 헤테로아릴기, 이들의 유도체 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나로 대체된 것을 의미한다.In the present specification, all compounds or substituents may be substituted or unsubstituted unless otherwise specified. Here, substituted means that hydrogen is a halogen atom, a hydroxy group, a carboxyl group, a cyano group, a nitro group, an amino group, a thio group, a methylthio group, an alkoxy group, a nitrile group, an aldehyde group, an epoxy group, an ether group, an ester group, an ester group. , Carbonyl group, acetal group, ketone group, alkyl group, perfluoroalkyl group, cycloalkyl group, heterocycloalkyl group, allyl group, benzyl group, aryl group, heteroaryl group, derivatives thereof, and combinations thereof. It means that it has been replaced by one.

본 명세서에서 화학식의 양 말단에 표시된 *는 인접하는 다른 화학식과 연결됨을 표시한 것이다.In the present specification, * indicated at both ends of a chemical formula indicates a connection with another adjacent chemical formula.

본 명세서에서 하나의 일반식으로 표시되는 반복 단위를 포함하는 이온 전도체는 상기 일반식에 포함되는 어느 한 종의 화학식으로 표시되는 반복 단위만을 포함하는 것을 의미하는 것뿐만 아니라, 상기 일반식에 포함되는 여러 종의 화학식으로 표시되는 반복 단위들을 포함하는 것을 의미할 수도 있다.In the present specification, the ion conductor including a repeating unit represented by one general formula is not only meant to include only repeating units represented by any one of the formulas included in the general formula, but also included in the general formula. It may be meant to include repeating units represented by various types of chemical formulas.

본 발명의 일 실시예에 따른 이온 교환막은 이온 전도체를 포함하는 고분자 막, 그리고 다공성 금속 산화물을 포함한다.The ion exchange membrane according to an embodiment of the present invention includes a polymer membrane including an ion conductor and a porous metal oxide.

상기 이온 전도체는 프로톤과 같은 양이온 교환 그룹을 가지는 양이온 전도체이거나, 또는 하이드록시 이온, 카보네이트 또는 바이카보네이트와 같은 음이온 교환 그룹을 가지는 음이온 전도체일 수 있다. The ion conductor may be a cationic conductor having a cation exchange group such as a proton, or an anion conductor having an anion exchange group such as a hydroxy ion, carbonate, or bicarbonate.

상기 양이온 교환 그룹은 술폰산기, 카르복실기, 보론산기, 인산기, 이미드기, 술폰이미드기, 술폰아미드기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있고, 일반적으로 술폰산기 또는 카르복실기일 수 있다.The cation exchange group may be any one selected from the group consisting of a sulfonic acid group, a carboxyl group, a boronic acid group, a phosphoric acid group, an imide group, a sulfonimide group, a sulfonamide group, and a combination thereof, and generally may be a sulfonic acid group or a carboxyl group. have.

상기 양이온 전도체는 상기 양이온 교환 그룹을 포함하며, 주쇄에 불소를 포함하는 플루오르계 고분자; 벤즈이미다졸, 폴리아미드, 폴리아미드이미드, 폴리이미드, 폴리아세탈, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 아크릴 수지, 폴리에스테르, 폴리술폰, 폴리에테르, 폴리에테르이미드, 폴리에스테르, 폴리에테르술폰, 폴리에테르이미드, 폴리카보네이트, 폴리스티렌, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르케톤, 폴리아릴에테르술폰, 폴리포스파젠 또는 폴리페닐퀴녹살린 등의 탄화수소계 고분자; 폴리스티렌-그라프트-에틸렌테트라플루오로에틸렌 공중합체, 또는 폴리스티렌-그라프트-폴리테트라플루오로에틸렌 공중합체 등의 부분 불소화된 고분자; 술폰 이미드 등을 들 수 있다.The cation conductor includes the cation exchange group, and a fluorine-based polymer containing fluorine in a main chain; Benzimidazole, polyamide, polyamideimide, polyimide, polyacetal, polyethylene, polypropylene, acrylic resin, polyester, polysulfone, polyether, polyetherimide, polyester, polyethersulfone, polyetherimide, poly Hydrocarbon-based polymers such as carbonate, polystyrene, polyphenylene sulfide, polyetheretherketone, polyetherketone, polyarylethersulfone, polyphosphazene or polyphenylquinoxaline; Partially fluorinated polymers such as polystyrene-graft-ethylenetetrafluoroethylene copolymer or polystyrene-graft-polytetrafluoroethylene copolymer; And sulfone imide.

보다 구체적으로, 상기 양이온 전도체가 수소 이온 양이온 전도체인 경우 상기 고분자들은 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 포함할 수 있으며, 그 구체적인 예로는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤 또는 이들의 혼합물을 포함하는 플루오르계 고분자; 술폰화된 폴리이미드(sulfonated polyimide, S-PI), 술폰화된 폴리아릴에테르술폰(sulfonated polyarylethersulfone, S-PAES), 술폰화된 폴리에테르에테르케톤(sulfonated polyetheretherketone, SPEEK), 술폰화된 폴리벤즈이미다졸(sulfonated polybenzimidazole, SPBI), 술폰화된 폴리술폰(sulfonated polysulfone, S-PSU), 술폰화된 폴리스티렌(sulfonated polystyrene, S-PS), 술폰화된 폴리포스파젠(sulfonated polyphosphazene) 및 이들의 혼합물을 포함하는 탄화수소계 고분자를 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.More specifically, when the cationic conductor is a hydrogen ion cationic conductor, the polymers may include a cation exchange group selected from the group consisting of a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphoric acid group, a phosphonic acid group, and a derivative thereof in the side chain, and the Specific examples include poly(perfluorosulfonic acid), poly(perfluorocarboxylic acid), a copolymer of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether containing a sulfonic acid group, defluorinated sulfurized polyether ketone, or a mixture thereof. Fluorine-based polymer containing; Sulfonated polyimide (S-PI), sulfonated polyarylethersulfone (S-PAES), sulfonated polyetheretherketone (SPEEK), sulfonated polybenzimi Dazole (sulfonated polybenzimidazole (SPBI)), sulfonated polysulfone (S-PSU), sulfonated polystyrene (S-PS), sulfonated polyphosphazene and mixtures thereof Hydrocarbon-based polymers may be mentioned, but the present invention is not limited thereto.

상기 음이온 전도체는 하이드록시 이온, 카보네이트 또는 바이카보네이트와 같은 음이온을 이송시킬 수 있는 폴리머로서, 음이온 전도체는 하이드록사이드 또는 할라이드(일반적으로 클로라이드) 형태가 상업적으로 입수 가능하며, 상기 음이온 전도체는 산업적 정수(water purification), 금속 분리 또는 촉매 공정 등에 사용될 수 있다.The anion conductor is a polymer capable of transporting an anion such as hydroxy ion, carbonate or bicarbonate, and the anion conductor is commercially available in the form of hydroxide or halide (generally chloride), and the anion conductor is an industrial integer. (water purification), metal separation, or catalytic processes.

상기 음이온 전도체로는 일반적으로 금속 수산화물이 도핑된 폴리머를 사용할 수 있으며, 구체적으로 금속 수산화물이 도핑된 폴리(에테르술폰), 폴리스티렌, 비닐계 폴리머, 폴리(비닐 클로라이드), 폴리(비닐리덴 플루오라이드), 폴리(테트라플루오로에틸렌), 폴리(벤즈이미다졸) 또는 폴리(에틸렌글리콜) 등을 사용할 수 있다.As the anionic conductor, a polymer doped with a metal hydroxide may be generally used, and specifically, poly(ethersulfone), polystyrene, a vinyl-based polymer, poly(vinyl chloride), and poly(vinylidene fluoride) doped with a metal hydroxide. , Poly(tetrafluoroethylene), poly(benzimidazole), poly(ethylene glycol), and the like can be used.

일 예로, 상기 이온 전도체는 친수성 반복 단위 및 소수성 반복 단위를 포함하는 탄화수소계 중합체일 수 있다.For example, the ion conductor may be a hydrocarbon-based polymer including a hydrophilic repeating unit and a hydrophobic repeating unit.

상기 친수성 반복 단위를 이루는 하나 이상의 모노머는 상기 이온 교환 그룹으로 치환되고, 상기 소수성 반복 단위를 이루는 모노머는 상기 이온 교환 그룹으로 치환되지 않거나 상기 친수성 반복 단위에 비하여 적은 수의 이온 교환 그룹으로 치환되어 있을 수 있다. 또한, 상기 친수성 반복 단위를 이루는 모든 모노머가 상기 이온 교환 그룹을 포함할 수도 있지만, 상기 친수성 반복 단위는 상기 이온 교환 그룹으로 치환된 모노머와 상기 이온 교환 그룹으로 치환되지 않은 모노머로 이루어질 수도 있다.At least one monomer constituting the hydrophilic repeating unit is substituted with the ion exchange group, and the monomer constituting the hydrophobic repeating unit is not substituted with the ion exchange group or is substituted with a small number of ion exchange groups compared to the hydrophilic repeating unit. I can. In addition, although all the monomers constituting the hydrophilic repeating unit may contain the ion exchange group, the hydrophilic repeating unit may be made of a monomer substituted with the ion exchange group and a monomer not substituted with the ion exchange group.

상기 이온 전도체는 상기 친수성 반복 단위와 상기 소수성 반복 단위가 무작위적으로 연결된 랜덤 공중합체이거나, 상기 친수성 반복 단위들로 이루어진 친수성 블록들 및 상기 소수성 반복 단위들로 이루어진 소수성 블록들로 이루어진 소수성 블록들을 포함하는 블록 공중합체일 수 있다. The ionic conductor is a random copolymer in which the hydrophilic repeating unit and the hydrophobic repeating unit are randomly connected, or includes hydrophobic blocks made of hydrophilic blocks made of the hydrophilic repeating units and hydrophobic blocks made of the hydrophobic repeating units. It may be a block copolymer.

보다 구체적으로, 상기 이온 전도체는 상기 친수성 반복 단위가 하기 화학식 2로 표시되는 모노머를 포함할 수 있다.More specifically, the ion conductor may include a monomer in which the hydrophilic repeating unit is represented by Formula 2 below.

[화학식 2][Formula 2]

Figure 112018021000387-pat00003
Figure 112018021000387-pat00003

상기 화학식 2에서, 상기 R111 내지 R114, R121 내지 R124, R131 내지 R134 및 R141 내지 R144은 각각 독립적으로 수소 원자, 할로겐 원자, 이온 교환 그룹(ion conducting group), 전자 공여기(electron donation group) 및 전자 흡인기(electron withdrawing group)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.In Formula 2, R 111 to R 114 , R 121 to R 124 , R 131 to R 134 and R 141 to R 144 are each independently a hydrogen atom, a halogen atom, an ion conducting group, an electron ball It may be any one selected from the group consisting of excitation (electron donation group) and electron withdrawing group (electron withdrawing group).

상기 할로겐 원자는 브롬, 불소 및 염소로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다. The halogen atom may be any one selected from the group consisting of bromine, fluorine, and chlorine.

상기 이온 교환 그룹은 상기한 바와 같이 술폰산기, 카르복실산기 및 인산기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 양이온 교환 그룹일 수 있고, 상기 양이온 교환 그룹은 바람직하게 술폰산기일 수 있다. 또한, 상기 이온 교환 그룹은 아민기 등의 음이온 교환 그룹일 수 있다.As described above, the ion exchange group may be any one cation exchange group selected from the group consisting of a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, and a phosphoric acid group, and the cation exchange group may preferably be a sulfonic acid group. In addition, the ion exchange group may be an anion exchange group such as an amine group.

또한, 상기 전자 공여기는 전자를 내주는 유기 그룹으로서 알킬기, 알릴기, 아릴기, 아미노기, 하이드록시기 및 알콕시기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있고, 상기 전자 흡인기는 전자를 끌어 당기는 유기 그룹으로서 알킬 설포닐기, 아실기, 할로겐화 알킬기, 알데하이드기, 니트로기, 니트로소기 및 니트릴기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.In addition, the electron donating group may be any one selected from the group consisting of an alkyl group, an allyl group, an aryl group, an amino group, a hydroxy group, and an alkoxy group as an organic group that gives electrons, and the electron withdrawing group is an organic group that attracts electrons. As examples, it may be any one selected from the group consisting of an alkyl sulfonyl group, an acyl group, a halogenated alkyl group, an aldehyde group, a nitro group, a nitroso group, and a nitrile group.

상기 알킬기는 메틸기, 에틸기, 프로필기, 부틸기, 이소부틸기, 아밀기, 헥실기, 사이클로헥실기, 옥틸기 등일 수 있고, 상기 할로겐화 알킬기는 트리플루오로메틸기, 펜타플루오로에틸기, 퍼플루오로프로필기, 퍼플루오로부틸기, 퍼플루오로펜틸기, 퍼플루오로헥실기 등일 수 있고, 상기 알릴기는 프로페닐기 등일 수 있고, 상기 아릴기는 페닐기, 펜타플루오로페닐기 등일 수 있다. 상기 퍼플루오로알킬기는 일부의 수소 원자 또는 전체 수소 원자가 플루오르로 치환된 알킬기를 의미한다.The alkyl group may be a methyl group, an ethyl group, a propyl group, a butyl group, an isobutyl group, an amyl group, a hexyl group, a cyclohexyl group, an octyl group, and the like, and the halogenated alkyl group may be a trifluoromethyl group, pentafluoroethyl group, perfluoro It may be a propyl group, a perfluorobutyl group, a perfluoropentyl group, a perfluorohexyl group, and the like, the allyl group may be a propenyl group, and the aryl group may be a phenyl group, a pentafluorophenyl group, or the like. The perfluoroalkyl group refers to an alkyl group in which some hydrogen atoms or all hydrogen atoms are substituted with fluorine.

상기 Z11은 2가의 유기 그룹으로서, -O- 또는 -S-일 수 있고, 바람직하게 -O-일 수 있다.Z 11 is a divalent organic group, and may be -O- or -S-, and preferably -O-.

이때, 상기 화학식 2로 표시되는 모노머를 포함하는 반복 단위가 상기 친수성 반복 단위가 되기 위해서는, 상기 화학식 2로 표시되는 모노머에서 상기 R111 내지 R114, R121 내지 R124, R131 내지 R134, 및 R141 내지 R144 중 적어도 어느 하나 이상은 이온 교환 그룹일 수 있다.At this time, in order for the repeating unit including the monomer represented by Formula 2 to become the hydrophilic repeating unit, the R 111 to R 114 , R 121 to R 124 , R 131 to R 134 , in the monomer represented by Formula 2 And at least one or more of R 141 to R 144 may be an ion exchange group.

구체적으로, 상기 친수성 반복 단위는 하기 화학식 2-1 또는 화학식 2-2로 표시될 수 있다.Specifically, the hydrophilic repeating unit may be represented by the following Formula 2-1 or Formula 2-2.

[화학식 2-1][Formula 2-1]

Figure 112018021000387-pat00004
Figure 112018021000387-pat00004

상기 화학식 2-1에서, 상기 R111 내지 R114, R121 내지 R124, R131 내지 R134, R141 내지 R144, 및 Z11에 대한 구체적인 설명은 상기한 바와 동일하므로 반복적인 설명은 생략한다.In Formula 2-1, the detailed descriptions of R 111 to R 114 , R 121 to R 124 , R 131 to R 134 , R 141 to R 144 , and Z 11 are the same as described above, so a repetitive description is omitted. do.

상기 R211 내지 R214, R221 내지 R224 및 R231 내지 R234은 각각 독립적으로 수소 원자; 할로겐 원자; 알킬기, 알릴기, 아릴기, 아미노기, 하이드록시기 및 알콕시기로 이루어진 군에서 선택되는 전자 공여기(electron donation group); 및 알킬 설포닐기, 아실기, 할로겐화 알킬기, 알데하이드기, 니트로기, 니트로소기 및 니트릴기로 이루어진 군에서 선택되는 전자 흡인기(electron withdrawing group)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다. 상기 치환기들에 대한 구체적인 설명은 상기한 바와 동일하므로 반복적인 설명은 생략한다.R 211 to R 214 , R 221 to R 224 and R 231 to R 234 are each independently a hydrogen atom; Halogen atom; An electron donation group selected from the group consisting of an alkyl group, allyl group, aryl group, amino group, hydroxy group and alkoxy group; And an electron withdrawing group selected from the group consisting of an alkyl sulfonyl group, an acyl group, a halogenated alkyl group, an aldehyde group, a nitro group, a nitroso group, and a nitrile group. Since detailed descriptions of the substituents are the same as described above, a repetitive description will be omitted.

상기 X21 및 X22는 각각 독립적으로 단일 결합 또는 2가의 유기기일 수 있다. 상기 2가의 유기기는 전자를 끌어당기거나 전자를 내주는 2가의 유기기로서, 구체적으로 -CO-, -SO2-, -CONH-, -COO-, -CR'2-, -C(CH3)2-, -C(CF3)2- 및 -(CH2)n-로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다. 이때, 상기 R'는 수소 원자, 할로겐 원자, 알킬기 및 할로겐화 알킬기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이고, 상기 n은 1 내지 10의 정수일 수 있다. 상기 X21 또는 X22이 단일 결합인 경우, 상기 X의 양 옆에 존재하는 페닐기가 직접 연결됨을 의미하여, 이의 대표적인 예로 바이페닐기를 들 수 있다.Each of X 21 and X 22 may independently be a single bond or a divalent organic group. The divalent organic group is a divalent organic group that attracts or releases electrons, specifically -CO-, -SO 2 -, -CONH-, -COO-, -CR' 2 -, -C(CH 3 ) 2 -, -C(CF 3 ) 2 -and -(CH 2 ) n -may be any one selected from the group consisting of. In this case, R'is any one selected from the group consisting of a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group, and a halogenated alkyl group, and n may be an integer of 1 to 10. When X 21 or X 22 is a single bond, it means that phenyl groups present on both sides of X are directly connected, and a representative example thereof may be a biphenyl group.

상기 Z21은 2가의 유기 그룹으로서, -O- 또는 -S-일 수 있고, 바람직하게 -O-일 수 있다.Z 21 is a divalent organic group, may be -O- or -S-, preferably -O-.

[화학식 2-2][Formula 2-2]

Figure 112018021000387-pat00005
Figure 112018021000387-pat00005

상기 화학식 2-2에서, 상기 R111 내지 R114, R121 내지 R124, R131 내지 R134, R141 내지 R144, 및 Z11에 대한 구체적인 설명은 상기한 바와 동일하므로 반복적인 설명은 생략한다.In Formula 2-2, the detailed description of R 111 to R 114 , R 121 to R 124 , R 131 to R 134 , R 141 to R 144 , and Z 11 is the same as described above, so a repetitive description is omitted. do.

상기 R311 내지 R314 및 R321 내지 R324는 각각 독립적으로 수소 원자; 할로겐 원자; 이온 교환 그룹(ion conducting group); 알킬기, 알릴기, 아릴기, 아미노기, 하이드록시기 및 알콕시기로 이루어진 군에서 선택되는 전자 공여기(electron donation group); 및 알킬 설포닐기, 아실기, 할로겐화 알킬기, 알데하이드기, 니트로기, 니트로소기 및 니트릴기로 이루어진 군에서 선택되는 전자 흡인기(electron withdrawing group)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다. 상기 치환기들에 대한 구체적인 설명은 상기한 바와 동일하므로 반복적인 설명은 생략한다.R 311 to R 314 and R 321 to R 324 are each independently a hydrogen atom; Halogen atom; Ion conducting group; An electron donation group selected from the group consisting of an alkyl group, allyl group, aryl group, amino group, hydroxy group and alkoxy group; And an electron withdrawing group selected from the group consisting of an alkyl sulfonyl group, an acyl group, a halogenated alkyl group, an aldehyde group, a nitro group, a nitroso group, and a nitrile group. Since detailed descriptions of the substituents are the same as described above, a repetitive description will be omitted.

상기 X31은 단일 결합, -CO-, -SO2-, -CONH-, -COO-, -CR'2-, -(CH2)n-, 시클로헥실리덴기, 이온 교환 그룹을 포함하는 시클로헥실리덴기, 플루오레닐리덴기, 이온 교환 그룹을 포함하는 플루오레닐리덴기, -C(CH3)2-, -C(CF3)2-, -O- 및 -S-로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 2가의 유기기이고, 상기 R'는 수소 원자, 할로겐 원자, 알킬기 및 할로겐화 알킬기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이고, 상기 n은 1 내지 10의 정수일 수 있다. 상기 치환기들에 대한 구체적인 설명은 상기한 바와 동일하므로 반복적인 설명은 생략한다.Wherein X 31 is a single bond, -CO-, -SO 2 -, -CONH-, -COO-, -CR' 2 -, -(CH 2 ) n -, a cyclohexylidene group, a cyclo containing an ion exchange group Selected from the group consisting of a hexylidene group, a fluorenylidene group, a fluorenylidene group including an ion exchange group, -C(CH 3 ) 2 -, -C(CF 3 ) 2 -, -O-, and -S- Is any one divalent organic group, wherein R'is any one selected from the group consisting of a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group, and a halogenated alkyl group, and n may be an integer of 1 to 10. Since detailed descriptions of the substituents are the same as described above, a repetitive description will be omitted.

다만, 상기 이온 교환 그룹을 포함하는 시클로헥실리덴기 또는 상기 이온 교환 그룹을 포함하는 플루오레닐리덴기는 상기 시클로헥실리덴기 또는 상기 플루오레닐덴기의 수소가 술폰산기, 카르복실산기, 인산기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 이온 교환 그룹으로 치환된 것을 의미한다.However, in the cyclohexylidene group containing the ion exchange group or the fluorenylidene group containing the ion exchange group, the hydrogen of the cyclohexylidene group or the fluorenylden group is a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphoric acid group, and these It means substituted with any one ion exchange group selected from the group consisting of a combination of.

상기 Z31는 2가의 유기 그룹으로서, -O- 또는 -S-일 수 있고, 바람직하게 -O-일 수 있다.Z 31 is a divalent organic group, and may be -O- or -S-, preferably -O-.

상기 n31은 0 내지 10의 정수일 수 있고, 바람직하게 0 또는 1의 정수일 수 있다.The n 31 may be an integer of 0 to 10, preferably 0 or 1.

한편, 상기 이온 전도체는 상기 소수성 반복 단위가 하기 화학식 3으로 표시되는 모노머를 포함할 수 있다.Meanwhile, the ionic conductor may include a monomer represented by the following formula (3) in the hydrophobic repeating unit.

[화학식 3][Formula 3]

Figure 112018021000387-pat00006
Figure 112018021000387-pat00006

상기 화학식 3에서, 상기 R211 내지 R214, R221 내지 R224 및 R231 내지 R234, X21, X22 및 Z21에 대한 구체적인 설명은 상기한 바와 동일하므로 반복적인 설명은 생략한다.In Chemical Formula 3, since detailed descriptions of R 211 to R 214 , R 221 to R 224 and R 231 to R 234 , X 21 , X 22 and Z 21 are the same as described above, a repetitive description will be omitted.

구체적으로 상기 소수성 반복 단위는 하기 화학식 3-1로 표시될 수 있다.Specifically, the hydrophobic repeating unit may be represented by the following Formula 3-1.

[화학식 3-1][Chemical Formula 3-1]

Figure 112018021000387-pat00007
Figure 112018021000387-pat00007

상기 화학식 3-1에서, 상기 R211 내지 R214, R221 내지 R224 및 R231 내지 R234, X21, X22 및 Z21에 대한 구체적인 설명은 상기한 바와 동일하므로 반복적인 설명은 생략한다.In Formula 3-1, the detailed descriptions of R 211 to R 214 , R 221 to R 224 and R 231 to R 234 , X 21 , X 22 and Z 21 are the same as described above, so a repetitive description will be omitted. .

상기 R411 내지 R414 및 R421 내지 R424은 각각 독립적으로 수소 원자; 할로겐 원자; 알킬기, 알릴기, 아릴기, 아미노기, 하이드록시기 및 알콕시기로 이루어진 군에서 선택되는 전자 공여기(electron donation group); 및 알킬 설포닐기, 아실기, 할로겐화 알킬기, 알데하이드기, 니트로기, 니트로소기 및 니트릴기로 이루어진 군에서 선택되는 전자 흡인기(electron withdrawing group)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다. 상기 치환기들에 대한 구체적인 설명은 상기한 바와 동일하므로 반복적인 설명은 생략한다.R 411 to R 414 and R 421 to R 424 are each independently a hydrogen atom; Halogen atom; An electron donation group selected from the group consisting of an alkyl group, allyl group, aryl group, amino group, hydroxy group and alkoxy group; And an electron withdrawing group selected from the group consisting of an alkyl sulfonyl group, an acyl group, a halogenated alkyl group, an aldehyde group, a nitro group, a nitroso group, and a nitrile group. Since detailed descriptions of the substituents are the same as described above, a repetitive description will be omitted.

상기 X41은 단일 결합, -CO-, -SO2-, -CONH-, -COO-, -CR'2-, -(CH2)n-, 시클로헥실리덴기, 플루오레닐리덴기, -C(CH3)2-, -C(CF3)2-, -O- 및 -S-로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 2가의 유기기이고, 상기 R'는 수소 원자, 할로겐 원자, 알킬기 및 할로겐화 알킬기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이고, 상기 n은 1 내지 10의 정수일 수 있다. 상기 치환기들에 대한 구체적인 설명은 상기한 바와 동일하므로 반복적인 설명은 생략한다.X 41 is a single bond, -CO-, -SO 2 -, -CONH-, -COO-, -CR' 2 -, -(CH 2 ) n -, cyclohexylidene group, fluorenylidene group, -C (CH 3 ) 2 -, -C(CF 3 ) 2 -, -O- and -S- is any one divalent organic group selected from the group consisting of, and R'is a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group, and Any one selected from the group consisting of a halogenated alkyl group, and n may be an integer of 1 to 10. Since detailed descriptions of the substituents are the same as described above, a repetitive description will be omitted.

상기 Z41은 2가의 유기 그룹으로서, -O- 또는 -S-일 수 있고, 바람직하게 -O-일 수 있다.Z 41 is a divalent organic group, may be -O- or -S-, preferably -O-.

상기 n41은 0 내지 10의 정수일 수 있고, 바람직하게 0 또는 1의 정수일 수 있다.The n 41 may be an integer of 0 to 10, preferably 0 or 1.

또한, 상기 이온 전도체는 상기 소수성 반복 단위가 하기 화학식 4로 표시되는 모노머를 포함할 수 있다.In addition, the ion conductor may include a monomer in which the hydrophobic repeating unit is represented by Formula 4 below.

[화학식 4][Formula 4]

Figure 112018021000387-pat00008
Figure 112018021000387-pat00008

상기 화학식 4에서, 상기 R511 내지 R513는 각각 독립적으로 수소 원자; 할로겐 원자; 알킬기, 알릴기, 아릴기, 아미노기, 하이드록시기 및 알콕시기로 이루어진 군에서 선택되는 전자 공여기(electron donation group); 및 알킬 설포닐기, 아실기, 할로겐화 알킬기, 알데하이드기, 니트로기, 니트로소기 및 니트릴기로 이루어진 군에서 선택되는 전자 흡인기(electron withdrawing group)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다. 상기 치환기들에 대한 구체적인 설명은 상기한 바와 동일하므로 반복적인 설명은 생략한다.In Formula 4, R 511 to R 513 are each independently a hydrogen atom; Halogen atom; An electron donation group selected from the group consisting of an alkyl group, allyl group, aryl group, amino group, hydroxy group and alkoxy group; And an electron withdrawing group selected from the group consisting of an alkyl sulfonyl group, an acyl group, a halogenated alkyl group, an aldehyde group, a nitro group, a nitroso group, and a nitrile group. Since detailed descriptions of the substituents are the same as described above, a repetitive description will be omitted.

상기 Z51은 2가의 유기 그룹으로서, -O- 또는 -S-일 수 있고, 바람직하게 -O-일 수 있다.Z 51 is a divalent organic group, and may be -O- or -S-, preferably -O-.

구체적으로 상기 소수성 반복 단위는 하기 화학식 4-1로 표시될 수 있다.Specifically, the hydrophobic repeating unit may be represented by the following Formula 4-1.

[화학식 4-1][Formula 4-1]

Figure 112018021000387-pat00009
Figure 112018021000387-pat00009

상기 화학식 4-1에서, 상기 R511 내지 R513, 및 Z51에 대한 구체적인 설명은 상기한 바와 동일하므로 반복적인 설명은 생략한다.In Formula 4-1, since specific descriptions of R 511 to R 513 , and Z 51 are the same as described above, a repetitive description will be omitted.

상기 R611 내지 R614 및 R621 내지 R624은 각각 독립적으로 수소 원자; 할로겐 원자; 알킬기, 알릴기, 아릴기, 아미노기, 하이드록시기 및 알콕시기로 이루어진 군에서 선택되는 전자 공여기(electron donation group); 및 알킬 설포닐기, 아실기, 할로겐화 알킬기, 알데하이드기, 니트로기, 니트로소기 및 니트릴기로 이루어진 군에서 선택되는 전자 흡인기(electron withdrawing group)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다. 상기 치환기들에 대한 구체적인 설명은 상기한 바와 동일하므로 반복적인 설명은 생략한다.R 611 to R 614 and R 621 to R 624 are each independently a hydrogen atom; Halogen atom; An electron donation group selected from the group consisting of an alkyl group, allyl group, aryl group, amino group, hydroxy group and alkoxy group; And an electron withdrawing group selected from the group consisting of an alkyl sulfonyl group, an acyl group, a halogenated alkyl group, an aldehyde group, a nitro group, a nitroso group, and a nitrile group. Since detailed descriptions of the substituents are the same as described above, a repetitive description will be omitted.

상기 X61는 단일 결합, -CO-, -SO2-, -CONH-, -COO-, -CR'2-, -(CH2)n-, 시클로헥실리덴기, 플루오레닐리덴기, -C(CH3)2-, -C(CF3)2-, -O- 및 -S-로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 2가의 유기기이고, 상기 R'는 수소 원자, 할로겐 원자, 알킬기 및 할로겐화 알킬기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이고, 상기 n은 1 내지 10의 정수일 수 있다. 상기 치환기들에 대한 구체적인 설명은 상기한 바와 동일하므로 반복적인 설명은 생략한다.X 61 is a single bond, -CO-, -SO 2 -, -CONH-, -COO-, -CR' 2 -, -(CH 2 ) n -, cyclohexylidene group, fluorenylidene group, -C (CH 3 ) 2 -, -C(CF 3 ) 2 -, -O- and -S- is any one divalent organic group selected from the group consisting of, and R'is a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group, and Any one selected from the group consisting of a halogenated alkyl group, and n may be an integer of 1 to 10. Since detailed descriptions of the substituents are the same as described above, a repetitive description will be omitted.

상기 Z61은 각각 독립적으로 2가의 유기 그룹으로서, -O- 또는 -S-일 수 있고, 바람직하게 -O-일 수 있다.Each of Z 61 is independently a divalent organic group, and may be -O- or -S-, preferably -O-.

상기 n61은 0 내지 10의 정수일 수 있고, 바람직하게 0 또는 1의 정수일 수 있다.The n 61 may be an integer of 0 to 10, and preferably may be an integer of 0 or 1.

한편, 상기 이온 전도체는 상기 소수성 반복 단위가 하기 화학식 5-1로 표시되는 모노머를 포함할 수도 있다.On the other hand, the ion conductor may include a monomer represented by the following formula 5-1 in the hydrophobic repeating unit.

[화학식 5-1][Chemical Formula 5-1]

Figure 112018021000387-pat00010
Figure 112018021000387-pat00010

상기 화학식 5-1에서, 상기 R311 내지 R314, R321 내지 R324, R411 내지 R414, R421 내지 R424, X31, X41, Z31, Z41, n31, 및 n41에 대한 구체적인 설명은 상기한 바와 동일하므로 반복적인 설명은 생략한다. 다만, 이때 상기 X31과 상기 X41은 서로 다를 수 있다.In Formula 5-1, the R 311 to R 314 , R 321 to R 324 , R 411 to R 414 , R 421 to R 424 , X 31 , X 41 , Z 31 , Z 41 , n 31 , and n 41 Since the detailed description of is the same as described above, a repetitive description will be omitted. However, in this case, X 31 and X 41 may be different from each other.

상기 화학식 3-1, 화학식 4-1 및 화학식 5-1로 표시되는 반복 단위가 소수성 반복 단위가 되기 위해서는, 상기 화학식 3-1, 화학식 4-1 및 화학식 5-1로 표시되는 반복 단위에서 상기 R211 내지 R214, R221 내지 R224, R231 내지 R234, R311 내지 R314, R321 내지 R324, R411 내지 R414, R421 내지 R424, R511 내지 R513, R611 내지 R614, 및 R621 내지 R624은 실질적으로 이온 교환 그룹을 포함하지 않는 것이 바람직하다. 여기서 실질적으로 이온 교환 그룹을 포함하지 않는다는 의미는 상기 치환기들이 이온 교환 그룹을 소량 포함할 수도 있으나, 그 수량이 친수성 영역과 소수성 영역의 상분리를 방해하지 않는 정도를 의미한다.In order for the repeating unit represented by Formula 3-1, Formula 4-1, and Formula 5-1 to become a hydrophobic repeating unit, in the repeating units represented by Formulas 3-1, 4-1, and 5-1, R 211 to R 214 , R 221 to R 224 , R 231 to R 234 , R 311 to R 314 , R 321 to R 324 , R 411 to R 414 , R 421 to R 424 , R 511 to R 513 , R 611 It is preferable that to R 614 and R 621 to R 624 substantially do not contain an ion exchange group. Here, the meaning of substantially not including an ion exchange group means that the substituents may contain a small amount of an ion exchange group, but the quantity does not interfere with the phase separation between the hydrophilic region and the hydrophobic region.

한편, 상기 이온 전도체는 각각 독립적으로 상기 친수성 반복 단위 또는 상기 소수성 반복 단위가 하기 화학식 6으로 표시되는 모노머를 더 포함할 수 있다. Meanwhile, the ionic conductors may each independently further include a monomer in which the hydrophilic repeating unit or the hydrophobic repeating unit is represented by Formula 6 below.

상기 이온 전도체가 상기 화학식 6으로 표시되는 모노머를 더 포함하는 경우, 상기 이온 전도체는 주쇄에 함질소 방향족 고리기를 포함하고 있어 라디칼 공격에 대한 내구성 및 산-염기의 상호 작용(interaction)이 향상된다. 이에 따라, 상기 이온 전도체는 캐소드 쪽에서 형성된 라디칼들의 공격에 의하여 상기 이온 교환막의 방향족 고리에 첨가 반응이 일어나거나 방향족 고리가 끊어지는 현상이 발생하지 않으며, 이온 교환 그룹의 기능을 극대화함으로써, 저가습 상태에서의 운전 성능을 개선시킬 수 있다.When the ion conductor further includes a monomer represented by Formula 6, the ion conductor includes a nitrogen-containing aromatic ring group in the main chain, thereby improving durability against radical attack and an acid-base interaction. Accordingly, the ion conductor does not cause an addition reaction to the aromatic ring of the ion exchange membrane or breakage of the aromatic ring due to the attack of radicals formed on the cathode side, and the function of the ion exchange group is maximized, so that it is in a low-humidity state. Can improve the driving performance of the car.

[화학식 6][Formula 6]

Figure 112018021000387-pat00011
Figure 112018021000387-pat00011

상기 화학식 6에서, 상기 Z는 -O- 또는 -S-이고, 바람직하게 -O-일 수 있다.In Formula 6, Z may be -O- or -S-, preferably -O-.

상기 Y는 2가의 함질소 방향족 고리기이다. 상기 함질소 방향족 고리기는 방향족 고리에 헤테로 원자로서 질소 원자를 적어도 하나 포함하는 것을 의미한다. 또한, 상기 질소 원자와 함께 다른 헤테로 원자로서 산소 원자, 황 원자 등을 포함할 수도 있다.Y is a divalent nitrogen-containing aromatic cyclic group. The nitrogen-containing aromatic ring group means containing at least one nitrogen atom as a hetero atom in the aromatic ring. In addition, an oxygen atom, a sulfur atom, and the like may be included as other heteroatoms together with the nitrogen atom.

구체적으로, 상기 2가의 함질소 방향족 고리기는 피롤, 티아졸, 이소티아졸, 옥사졸, 이소옥사졸, 이미다졸, 이미다졸린, 이미다졸리딘, 피라졸, 트리아진, 피리딘, 피리미딘, 피리다진, 피라진, 인돌, 퀴놀린, 이소퀴놀린, 테트라졸, 테트라진, 트리아졸, 카르바졸, 퀴녹살린, 퀴나졸린, 인돌리진, 이소인돌, 인다졸, 프탈라진, 나프티리딘, 바이피리딘, 벤즈이미다졸, 이미다졸, 피롤리딘, 피롤린, 피라졸린, 피라졸리딘, 피페리딘, 피페라진 및 인돌린으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 함질소 방향족 고리 화합물의 2가기일 수 있다.Specifically, the divalent nitrogen-containing aromatic cyclic group is pyrrole, thiazole, isothiazole, oxazole, isoxazole, imidazole, imidazoline, imidazolidine, pyrazole, triazine, pyridine, pyrimidine, Pyridazine, pyrazine, indole, quinoline, isoquinoline, tetrazole, tetrazine, triazole, carbazole, quinoxaline, quinazoline, indolizine, isoindole, indazole, phthalazine, naphthyridine, bipyridine, benz It may be a divalent group of any one nitrogen-containing aromatic ring compound selected from the group consisting of imidazole, imidazole, pyrrolidine, pyrroline, pyrazoline, pyrazolidine, piperidine, piperazine, and indoline.

상기 이온 전도체는 10,000 g/mol 내지 1,000,000 g/mol의 중량 평균 분자량을 가질 수 있고, 바람직하게 100,000 g/mol 내지 500,000 g/mol의 중량 평균 분자량을 가질 수 있다. 상기 이온 전도체의 중량 평균 분자량이 100,000 g/mol 미만일 경우, 균일한 막 형성이 어렵고 내구성이 떨어질 수 있다. 상기 이온 전도체의 중량 평균 분자량이 500,000 g/mol을 초과하는 경우, 용해도가 감소할 수 있다.The ion conductor may have a weight average molecular weight of 10,000 g/mol to 1,000,000 g/mol, and preferably may have a weight average molecular weight of 100,000 g/mol to 500,000 g/mol. When the weight average molecular weight of the ion conductor is less than 100,000 g/mol, it is difficult to form a uniform film and durability may decrease. When the weight average molecular weight of the ion conductor exceeds 500,000 g/mol, solubility may decrease.

상기 이온 전도체는 상기 친수성 반복 단위와 상기 소수성 반복 단위를 각각 제조한 후, 상기 친수성 반복 단위와 상기 소수성 반복 단위를 친핵성 치환 반응(nucleophilic substitution reaction)시켜 제조할 수 있다.The ionic conductor may be prepared by preparing the hydrophilic repeating unit and the hydrophobic repeating unit, respectively, and then performing a nucleophilic substitution reaction between the hydrophilic repeating unit and the hydrophobic repeating unit.

또한, 상기 친수성 반복 단위와 상기 소수성 반복 단위도 친핵성 치환 반응에 의하여 제조될 수 있는데, 예를 들어, 상기 친수성 반복 단위가 상기 화학식 2-2로 표시되는 반복 단위인 경우, 상기 화학식 2-2로 표시되는 반복 단위를 구성하는 2가지 성분의 활성 디할라이드 모노머와 디하이드록사이드 모노머의 방향족 친핵성 치환 반응에 의해 제조할 수 있고, 상기 소수성 반복 단위가 상기 화학식 3-1로 표시되는 반복 단위인 경우, 상기 화학식 3-1로 표시되는 반복 단위를 구성하는 2가지 성분의 활성 디할라이드 단량체와 디하이드록사이드 단량체의 방향족 친핵성 치환 반응에 의해 제조할 수 있다.In addition, the hydrophilic repeating unit and the hydrophobic repeating unit may also be prepared by a nucleophilic substitution reaction. For example, when the hydrophilic repeating unit is a repeating unit represented by Chemical Formula 2-2, the Chemical Formula 2-2 It can be prepared by an aromatic nucleophilic substitution reaction of two components of the active dihalide monomer and the dihydroxide monomer constituting the repeating unit represented by, and the hydrophobic repeating unit is a repeating unit represented by Formula 3-1. In the case of, it can be prepared by an aromatic nucleophilic substitution reaction between the active dihalide monomer of the two components and the dihydroxide monomer constituting the repeating unit represented by Chemical Formula 3-1.

일례로, 상기 친수성 반복 단위가 상기 화학식 2-2로 표시되는 반복 단위인 경우, 상기 활성 디할라이드 단량체로 SDCDPS(sulfonated dichlorodiphenyl sulfone), SDFDPS(sulfonated difluorodiphenyl sulfone), SDCDPK(sulfonated dichlorodiphenyl ketone), DCDPS(dichlorodiphenyl sulfone), DFDPS(difluorodiphenyl sulfone or Bis-(4-fluorophenyl)-sulfone) 또는 DCDPK(dichlorodiphenyl ketone) 등과, 상기 활성 디하이드록시 단량체로 SHPF(sulfonated 9,9'-bis(4-hydroxyphenyl)fluorine or sulfonated 4,4'-(9-Fluorenylidene biphenol)) 또는 HPF(9,9'-bis(4-hydroxyphenyl)fluorine or 4,4'-(9-Fluorenylidene biphenol)) 등을 친핵성 치환 반응시킴으로써 제조할 수 있다.For example, when the hydrophilic repeating unit is a repeating unit represented by Formula 2-2, as the active dihalide monomer, SDCDPS (sulfonated dichlorodiphenyl sulfone), SDFDPS (sulfonated difluorodiphenyl sulfone), SDCDPK (sulfonated dichlorodiphenyl ketone), DCDPS ( dichlorodiphenyl sulfone), DFDPS (difluorodiphenyl sulfone or Bis-(4-fluorophenyl)-sulfone) or DCDPK (dichlorodiphenyl ketone), etc., as the active dihydroxy monomer SHPF (sulfonated 9,9'-bis (4-hydroxyphenyl) fluorine or sulfonated 4,4'-(9-Fluorenylidene biphenol)) or HPF(9,9'-bis(4-hydroxyphenyl)fluorine or 4,4'-(9-Fluorenylidene biphenol)) I can.

또한, 상기 소수성 반복 단위가 상기 화학식 3-1로 표시되는 반복 단위인 경우, 상기 활성 디할라이드 단량체로 1,3-비스(4-플루오로벤조일)벤젠(1,3-bis(4-fluorobenzoyl)benzene) 등과, 상기 활성 디하이드록시 단량체로 DHDPS(dihydroxydiphenyl sulfone), DHDPK(dihydroxydiphenyl ketone or dihydroxybenzophenone) 또는 BP(4,4'-biphenol) 등을 친핵성 치환 반응시킴으로써 제조할 수 있다.In addition, when the hydrophobic repeating unit is a repeating unit represented by Formula 3-1, 1,3-bis(4-fluorobenzoyl)benzene (1,3-bis(4-fluorobenzoyl) as the active dihalide monomer benzene), etc., as the active dihydroxy monomer, dihydroxydiphenyl sulfone (DHDPS), dihydroxydiphenyl ketone or dihydroxybenzophenone (DHDPK), or BP (4,4'-biphenol), etc., can be prepared by a nucleophilic substitution reaction.

또한, 상기 소수성 반복 단위가 상기 화학식 4-1로 표시되는 반복 단위인 경우, 상기 활성 디할라이드 단량체로 2,6-디플루오로벤조니트릴(2,6-difluorobenzonitrile) 등과, 상기 활성 디하이드록시 단량체로 DHDPS(dihydroxydiphenyl sulfone), DHDPK(dihydroxydiphenyl ketone or dihydroxybenzophenone) 또는 BP(4,4'-biphenol) 등을 친핵성 치환 반응시킴으로써 제조할 수 있다.In addition, when the hydrophobic repeating unit is a repeating unit represented by Formula 4-1, as the active dihalide monomer, 2,6-difluorobenzonitrile, etc., and the active dihydroxy monomer DHDPS (dihydroxydiphenyl sulfone), DHDPK (dihydroxydiphenyl ketone or dihydroxybenzophenone) or BP (4,4'-biphenol) can be prepared by a nucleophilic substitution reaction.

마찬가지로, 상기 제조된 친수성 반복 단위와 상기 소수성 반복 단위를 친핵성 치환 반응시키는 경우에도, 상기 친수성 반복 단위의 양말단이 하이드록시기이고 상기 소수성 반복 단위의 양말단이 할라이드기로 조절하거나, 상기 소수성 반복 단위의 양말단이 하이드록시기이고 상기 친수성 반복 단위의 양말단이 할라이드기로 조절함으로써, 상기 친수성 반복 단위와 상기 소수성 반복 단위를 친핵성 치환 반응시킬 수 있다.Likewise, in the case of nucleophilic substitution reaction between the prepared hydrophilic repeating unit and the hydrophobic repeating unit, both ends of the hydrophilic repeating unit are hydroxyl groups, and both ends of the hydrophobic repeating unit are controlled by a halide group, or the hydrophobic repeating unit When both ends of the unit are hydroxy groups and both ends of the hydrophilic repeating unit are controlled by a halide group, the hydrophilic repeating unit and the hydrophobic repeating unit can be subjected to a nucleophilic substitution reaction.

이때, 상기 친핵성 치환 반응은 알칼리성 화합물의 존재하에서 실시되는 것이 바람직할 수 있다. 상기 알칼리성 화합물은 구체적으로 수산화나트륨, 수산화칼륨, 탄산나트륨, 탄산칼륨 또는 탄산수소나트륨 등일 수 있으며, 이들 중 1종 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. At this time, the nucleophilic substitution reaction may be preferably carried out in the presence of an alkaline compound. The alkaline compound may be specifically sodium hydroxide, potassium hydroxide, sodium carbonate, potassium carbonate or sodium hydrogen carbonate, and one of them may be used alone or in combination of two or more.

또한, 상기 친핵성 치환 반응은 용매 중에서 실시될 수 있는데, 이때 상기 용매로서 구체적으로, N,N-디메틸 아세트아미드(dimethyl acetamide), N,N-디메틸 포름아미드(dimethyl formamide), N-메틸(methyl)-2-피롤리돈(pyrrolidone), 디메틸 술폭시드(dimethyl sulfoxide), 술포란(sulfolane), 또는 1,3-디메틸(dimethyl)-2-이미다졸리디논 등의 비양성자성 극성용매를 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.In addition, the nucleophilic substitution reaction may be carried out in a solvent. In this case, as the solvent, specifically, N,N-dimethyl acetamide, N,N-dimethyl formamide, N-methyl ( Aprotic polar solvents such as methyl)-2-pyrrolidone, dimethyl sulfoxide, sulfolane, or 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone These may be mentioned, and one of them may be used alone or in combination of two or more.

이때, 상기 비양성자성 용매와 함께 벤젠(benzene), 톨루엔(toluene), 크실렌(xylene), 헥산(hexane), 시클로헥산(cyclohexane), 옥탄(octane), 클로로 벤젠(chloro benzene), 디옥산(dioxane), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran), 아니솔, 페네톨 등의 용매를 공존시킬 수 있다.At this time, together with the aprotic solvent, benzene, toluene, xylene, hexane, cyclohexane, octane, chloro benzene, dioxane ( dioxane), tetrahydrofuran, anisole, and a solvent such as phenethyl may coexist.

선택적으로, 상기 이온 전도체에 이온 교환 그룹을 도입하는 단계를 더 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 이온 교환 그룹이 양이온 교환 그룹인 술폰산기인 경우, 상기 이온 전도체에 이온 교환 그룹을 도입하는 단계는 다음 2 가지 방법을 예시할 수 있다. Optionally, it may further comprise introducing an ion exchange group into the ion conductor. For example, when the ion exchange group is a sulfonic acid group, which is a cation exchange group, the step of introducing the ion exchange group into the ion conductor may include the following two methods.

첫째로, 상기 이온 전도체의 친수성 반복 단위를 제조할 때, 이미 이온 교환 그룹을 포함하는 단량체를 이용하여 중합시킴으로써 제조된 중합체에 이온 교환 그룹을 도입하는 방법이다. 이 경우, 상기 친핵성 치환 반응의 단량체로서, 이온 교환 그룹을 포함하는 SDCDPS(sulfonated dichlorodiphenyl sulfone), SDFDPS(sulfonated difluorodiphenyl sulfone), SDCDPK(sulfonated dichlorodiphenyl ketone), 또는 SHPF(sulfonated 9,9'-bis(4-hydroxyphenyl)fluorine or sulfonated 4,4'-(9-Fluorenylidene biphenol)) 등을 이용할 수 있다.First, when preparing the hydrophilic repeating unit of the ion conductor, it is a method of introducing an ion exchange group into a polymer prepared by polymerization using a monomer already containing an ion exchange group. In this case, as a monomer of the nucleophilic substitution reaction, SDCDPS (sulfonated dichlorodiphenyl sulfone) containing an ion exchange group, SDFDPS (sulfonated difluorodiphenyl sulfone), SDCDPK (sulfonated dichlorodiphenyl ketone), or SHPF (sulfonated 9,9'-bis ( 4-hydroxyphenyl)fluorine or sulfonated 4,4'-(9-Fluorenylidene biphenol)) can be used.

또한, 이 경우 상기 술폰산기를 대신에 술폰산 에스테르(ester)기를 가지는 단량체를 반응시켜, 상기 술폰산 에스테르기를 가지는 상기 중합체를 제조한 후, 상기 술폰산 에스테르(ester)기를 탈 에스테르시킴으로써, 상기 술폰산 에스테르(ester)기를 술폰산기로 변환시키는 방법을 이용할 수도 있다. In addition, in this case, a monomer having a sulfonic acid ester group is reacted instead of the sulfonic acid group to prepare the polymer having the sulfonic acid ester group, and then the sulfonic acid ester is deesterified by the sulfonic acid ester group. A method of converting a group to a sulfonic acid group can also be used.

둘째로, 상기 이온 교환 그룹을 포함하지 않는 단량체를 이용하여 중합체를 제조한 후, 술폰화제를 이용하여 술폰화함으로써, 상기 친수성 반복 단위에 이온 교환 그룹을 도입할 수도 있다. Second, an ion exchange group may be introduced into the hydrophilic repeating unit by preparing a polymer using a monomer not containing the ion exchange group and then sulfonating it using a sulfonating agent.

상기 술폰화제로는 황산을 사용할 수 있으나, 다른 예로는 상기 제조된 중합체를 과량의 클로로술포닉산(chlorosulfonic acid, 상기 중합체의 전체 중량에 대하여 1 내지 10 배, 바람직하게 4 내지 7 배)의 존재 하에 디클로로메탄(dichloromethane), 클로로포름(chloroform), 1,2-디클로로에탄(1,2-dichloroethane) 등의 염소화(chlorinated) 용매에서 반응을 진행하여 수소 이온 전도성을 가지는 이온 전도체를 제조할 수 있다.Sulfuric acid may be used as the sulfonating agent, but as another example, the prepared polymer is used in the presence of an excess of chlorosulfonic acid (1 to 10 times, preferably 4 to 7 times the total weight of the polymer). An ion conductor having hydrogen ion conductivity may be prepared by performing a reaction in a chlorinated solvent such as dichloromethane, chloroform, or 1,2-dichloroethane.

상기 이온 전도체가 이온 교환 그룹으로 술폰산기를 포함하는 경우, 상기 이온 전도체는 술폰화도가 1 내지 100몰%, 바람직하게는 50 내지 100몰%일 수 있다. 즉, 상기 이온 전도체는 술포네이션될 수 있는 사이트(site)에 100몰% 술포네이션이 될 수도 있으며, 100몰% 술포네이션 되더라도 상기 이온 전도체의 블록 공중합체의 구조로 인하여 치수 안정성 및 내구성이 저하되지 않는 효과가 있다. 또한, 상기 이온 전도체가 상기와 같은 범위의 술포화도를 가질 때 치수안정성 저하없이 우수한 이온 전도도를 나타낼 수 있다.When the ion conductor includes a sulfonic acid group as an ion exchange group, the ion conductor may have a sulfonation degree of 1 to 100 mol%, preferably 50 to 100 mol%. That is, the ion conductor may be 100 mol% sulfonation at a site that can be sulfonated, and even if 100 mol% sulfonation is performed, dimensional stability and durability are not reduced due to the structure of the block copolymer of the ion conductor. Does not have an effect. In addition, when the ion conductor has a degree of sulfation in the above range, excellent ionic conductivity may be exhibited without deteriorating dimensional stability.

상기 이온 전도체가 상기 친수성 반복 단위 및 상기 소수성 반복 단위를 포함하는 경우, 상기 친수성 반복 단위와 상기 소수성 반복 단위를 올리고머(oligomer) 상태로 1차 합성 후, 상기 친수성 반복 단위와 상기 소수성 반복 단위를 원하는 몰 비율을 가지도록 합성하여 구조 제어를 용이하게 제어할 수 있고, 이를 통하여 이온 전도체로서의 특성을 용이하게 제어할 수 있다. 이러한 구조 제어된 상기 이온 전도체는 상기 친수성 반복 단위와 상기 소수성 반복 단위의 미세 상분리로 인하여 모든 가습 범위 내에서 이온 전도성 및 내구성이 향상된 이온 전도체를 제공할 수 있다. When the ion conductor includes the hydrophilic repeating unit and the hydrophobic repeating unit, after primary synthesis of the hydrophilic repeating unit and the hydrophobic repeating unit in an oligomer state, the hydrophilic repeating unit and the hydrophobic repeating unit are desired. By synthesizing to have a molar ratio, it is possible to easily control the structure, and through this, the characteristics as an ion conductor can be easily controlled. The structure-controlled ion conductor may provide an ion conductor having improved ionic conductivity and durability within all humidification ranges due to fine phase separation between the hydrophilic repeating unit and the hydrophobic repeating unit.

이때, 상기 친수성 반복 단위와 상기 소수성 반복 단위의 몰 비율이란 상기 이온 전도체가 상기 친수성 반복 단위 1몰당 포함하는 상기 소수성 반복 단위의 몰수를 의미하며, 상기 이온 전도체는 상기 친수성 반복 단위와 상기 소수성 반복 단위의 몰 비율이 1 : 0.5 내지 1 : 10일 수 있고, 구체적으로 1 : 1 내지 1 : 5일 수 있고, 더욱 구체적으로 1 : 1.2 초과 내지 1 : 5일 수 있다. 상기 소수성 반복 단위의 몰 비율이 0.5 미만인 경우 함수율이 증가하여 치수 안정성 및 내구성이 저하될 수 있고, 10을 초과하면 이온 전도도 성능이 발현되지 않을 수 있다.At this time, the molar ratio of the hydrophilic repeating unit and the hydrophobic repeating unit means the number of moles of the hydrophobic repeating unit that the ion conductor contains per 1 mole of the hydrophilic repeating unit, and the ion conductor is the hydrophilic repeating unit and the hydrophobic repeating unit The molar ratio of 1: 0.5 to 1: 10 may be, specifically 1: 1 to 1: 5 may be, and more specifically 1: more than 1.2 to 1: 5 may be. When the molar ratio of the hydrophobic repeating unit is less than 0.5, the moisture content increases, thereby reducing dimensional stability and durability, and when it exceeds 10, ionic conductivity performance may not be expressed.

한편, 상기 고분자 막은 상기 이온 전도체로 이루어진 단일막 형태이거나, 상기 이온 전도체가 다공성 지지체에 의하여 지지된 강화막 형태일 수도 있다.Meanwhile, the polymer membrane may be in the form of a single membrane made of the ion conductor, or may be in the form of a reinforced membrane in which the ion conductor is supported by a porous support.

상기 고분자 막이 강화막 형태인 경우, 상기 고분자 막은 다수의 공극(pore)을 포함하는 다공성 지지체, 및 상기 다공성 지지체의 공극을 채우고 있는 상기 이온 전도체를 포함할 수 있다.When the polymer membrane is in the form of a reinforced membrane, the polymer membrane may include a porous support including a plurality of pores, and the ion conductor filling the pores of the porous support.

상기 다공성 지지체는, 하나의 예시로서 열적 및 화학적 분해에 대한 저항성이 우수한 과불소화 중합체를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 다공성 지지체는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 또는 테트라플루오로에틸렌과 CF2=CFCnF2n+1(n은 1 내지 5의 정수) 또는 CF2=CFO-(CF2CF(CF3)O)mCnF2n+1(m은 0 내지 15의 정수, n은 1 내지 15의 정수)과의 공중합체일 수 있다.The porous support may include, as an example, a perfluorinated polymer having excellent resistance to thermal and chemical decomposition. For example, the porous support is polytetrafluoroethylene (PTFE) or tetrafluoroethylene and CF 2 =CFC n F 2n+1 (n is an integer of 1 to 5) or CF 2 =CFO-(CF 2 CF (CF 3 )O) It may be a copolymer with m C n F 2n+1 (m is an integer of 0 to 15, n is an integer of 1 to 15).

상기 PTFE는 상업적으로 이용되고 있어 상기 다공성 지지체로서 적합하게 사용할 수 있다. 또한, 고분자 피브릴의 미세 구조, 또는 피브릴에 의해서 마디가 서로 연결된 미세 구조를 가지는 발포 폴리테트라플루오로에틸렌 폴리머(e-PTFE)도 상기 다공성 지지체로서 적합하게 사용할 수 있으며, 상기 마디가 존재하지 않는 고분자 피브릴의 미세 구조를 가지는 필름도 상기 다공성 지지체로서 적합하게 사용할 수 있다. Since the PTFE is commercially used, it can be suitably used as the porous support. In addition, expanded polytetrafluoroethylene polymer (e-PTFE) having a microstructure of a polymer fibrils or a microstructure in which nodes are connected to each other by fibrils can also be suitably used as the porous support, and the nodes do not exist. Films having a microstructure of non-polymeric fibrils can also be suitably used as the porous support.

상기 과불소화 중합체를 포함하는 다공성 지지체는 분산 중합 PTFE를 윤활제의 존재하에서 테이프에 압출 성형하고, 이에 의하여 얻어진 재료를 연신하여 보다 다공질이며, 보다 강한 다공성 지지체로 제조할 수 있다. 또한, 상기 PTFE의 융점(약 342 ℃)을 초과하는 온도에서 상기 e-PTFE를 열처리함으로써 PTFE의 비정질 함유율을 증가시킬 수도 있다. 상기 방법으로 제조된 e-PTFE 필름은 다양한 지름을 가지는 미세 기공 및 공극율을 가질 수 있다. 상기 방법으로 제조된 e-PTFE 필름은 적어도 35 %의 공극을 가질 수 있으며, 상기 미세 기공의 지름은 약 0.01 ㎛ 내지 1 ㎛일 수 있다. 또한, 상기 과불소화 중합체를 포함하는 다공성 지지체의 두께는 다양하게 변화 가능하나, 일 예로 2 ㎛ 내지 40 ㎛, 바람직하게는 5 ㎛ 내지 20 ㎛일 수 있다. 상기 다공성 지지체의 두께가 2 ㎛ 미만이면 기계적 강도가 현저히 떨어질 수 있고, 반면 두께가 40 ㎛를 초과하면 저항손실이 증가하고, 경량화 및 집적화가 떨어질 수 있다.The porous support comprising the perfluorinated polymer can be produced by extrusion-molding dispersion-polymerized PTFE on a tape in the presence of a lubricant, and stretching the material thus obtained to form a more porous and stronger porous support. In addition, by heat-treating the e-PTFE at a temperature exceeding the melting point of the PTFE (about 342 °C), the amorphous content of PTFE may be increased. The e-PTFE film prepared by the above method may have microporosity and porosity having various diameters. The e-PTFE film prepared by the above method may have at least 35% pores, and the diameter of the micropores may be about 0.01 μm to 1 μm. In addition, the thickness of the porous support including the perfluorinated polymer can be varied in various ways, for example, it may be 2 µm to 40 µm, preferably 5 µm to 20 µm. If the thickness of the porous support is less than 2 µm, mechanical strength may be significantly lowered, whereas if the thickness exceeds 40 µm, resistance loss increases, and weight reduction and integration may fall.

상기 다공성 지지체의 다른 하나의 예시로서, 상기 다공성 지지체는 무작위로 배향된 복수개의 섬유로 이루어지는 부직 섬유질 웹(nonwoven fibrous web)일 수 있다.As another example of the porous support, the porous support may be a nonwoven fibrous web composed of a plurality of randomly oriented fibers.

상기 부직 섬유질 웹은 인터레이드(interlaid)되지만, 직포 천과 동일한 방식이 아닌, 개개의 섬유 또는 필라멘트의 구조를 갖는 시트를 의미한다. 상기 부직 섬유질 웹은 카딩(carding), 가네팅(garneting), 에어-레잉(air-laying), 웨트-레잉(wet-laying), 멜트 블로잉(melt blowing), 스펀본딩(spunbonding) 및 스티치 본딩(stitch bonding)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 방법에 의하여 제조될 수 있다.The non-woven fibrous web is interlaid, but refers to a sheet having a structure of individual fibers or filaments, not in the same manner as a woven fabric. The nonwoven fibrous web includes carding, garneting, air-laying, wet-laying, melt blowing, spunbonding, and stitch bonding ( It can be manufactured by any one method selected from the group consisting of stitch bonding).

상기 섬유는 하나 이상의 중합체 재료를 포함할 수 있고, 일반적으로 섬유 형성 중합체 재료로 사용되는 것이면 어느 것이나 사용 가능하고, 구체적으로 탄화수소계 섬유 형성 중합체 재료를 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 섬유 형성 중합체 재료는 폴리올레핀, 예컨대 폴리부틸렌, 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌; 폴리에스테르, 예컨대 폴리에틸렌 테레프탈레이트 및 폴리부틸렌 테레프탈레이트; 폴리아미드(나일론-6 및 나일론-6,6); 폴리우레탄; 폴리부텐; 폴리락트산; 폴리비닐 알코올; 폴리페닐렌 설파이드; 폴리설폰; 유체 결정질 중합체; 폴리에틸렌-코-비닐아세테이트; 폴리아크릴로니트릴; 사이클릭 폴리올레핀; 폴리옥시메틸렌; 폴리올레핀계 열가소성 탄성중합체; 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 포함하지만 이로 제한되지 않는다.The fibers may include one or more polymer materials, and any one may be used as long as it is generally used as a fiber-forming polymer material, and specifically, a hydrocarbon-based fiber-forming polymer material may be used. For example, the fiber-forming polymeric materials may be polyolefins such as polybutylene, polypropylene and polyethylene; Polyesters such as polyethylene terephthalate and polybutylene terephthalate; Polyamides (nylon-6 and nylon-6,6); Polyurethane; Polybutene; Polylactic acid; Polyvinyl alcohol; Polyphenylene sulfide; Polysulfone; Fluid crystalline polymers; Polyethylene-co-vinyl acetate; Polyacrylonitrile; Cyclic polyolefin; Polyoxymethylene; Polyolefin-based thermoplastic elastomers; And any one selected from the group consisting of combinations thereof, but is not limited thereto.

상기 부직 섬유질 웹 형태의 다공성 지지체의 또 다른 하나의 예시로서, 상기 다공성 지지체는 나노 섬유들이 다수의 기공을 포함하는 부직포 형태로 집적된 나노웹을 포함할 수 있다.As another example of the porous support in the form of a nonwoven fibrous web, the porous support may include a nanoweb in which nanofibers are integrated into a nonwoven fabric including a plurality of pores.

상기 나노 섬유는 우수한 내화학성을 나타내고, 소수성을 가져 고습의 환경에서 수분에 의한 형태 변형 우려가 없는 탄화수소계 고분자를 바람직하게 사용할 수 있다. 구체적으로 상기 탄화수소계 고분자로는 나일론, 폴리이미드, 폴리아라미드, 폴리에테르이미드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리아닐린, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 스티렌 부타디엔 고무, 폴리스티렌, 폴리비닐 클로라이드, 폴리비닐알코올, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리비닐 부틸렌, 폴리우레탄, 폴리벤즈옥사졸, 폴리벤즈이미다졸, 폴리아미드이미드, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 이들의 공중합체, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있으며, 이중에서도 내열성, 내화학성, 및 형태 안정성이 보다 우수한 폴리이미드를 바람직하게 사용할 수 있다.The nanofibers exhibit excellent chemical resistance, have hydrophobicity, and may preferably use a hydrocarbon-based polymer that does not have a fear of shape deformation due to moisture in a high humidity environment. Specifically, the hydrocarbon-based polymer includes nylon, polyimide, polyaramid, polyetherimide, polyacrylonitrile, polyaniline, polyethylene oxide, polyethylene naphthalate, polybutylene terephthalate, styrene butadiene rubber, polystyrene, polyvinyl chloride, Polyvinyl alcohol, polyvinylidene fluoride, polyvinyl butylene, polyurethane, polybenzoxazole, polybenzimidazole, polyamideimide, polyethylene terephthalate, polyphenylene sulfide, polyethylene, polypropylene, copolymers thereof , And a mixture thereof may be used selected from the group consisting of, among them, a polyimide having more excellent heat resistance, chemical resistance, and morphological stability may be preferably used.

상기 나노웹은 전기 방사에 의해 제조된 나노 섬유가 랜덤하게 배열된 나노 섬유의 집합체이다. 이때 상기 나노 섬유는 상기 나노웹의 다공도 및 두께를 고려하여, 전자주사현미경(Scanning Electron Microscope, JSM6700F, JEOL)을 이용하여 50 개의 섬유 직경을 측정하여 그 평균으로부터 계산했을 때, 40 nm 내지 5000 ㎚의 평균 직경을 갖는 것이 바람직하다. 만일 상기 나노 섬유의 평균 직경이 40 ㎚ 미만일 경우 상기 다공성 지지체의 기계적 강도가 저하될 수 있고, 상기 나노 섬유의 평균 직경이 5,000 ㎚를 초과할 경우 다공도가 현저히 떨어지고 두께가 두꺼워질 수 있다. The nanoweb is an aggregate of nanofibers in which nanofibers produced by electrospinning are randomly arranged. At this time, the nanofibers were calculated from the average by measuring the diameter of 50 fibers using a scanning electron microscope (JSM6700F, JEOL) in consideration of the porosity and thickness of the nanoweb, 40 nm to 5000 nm. It is preferable to have an average diameter of. If the average diameter of the nanofibers is less than 40 nm, the mechanical strength of the porous support may be reduced, and if the average diameter of the nanofibers exceeds 5,000 nm, the porosity may be significantly decreased and the thickness may be increased.

상기 부직 섬유질 웹의 두께는 10 ㎛ 내지 50 ㎛일 수 있고, 구체적으로 15 ㎛ 내지 43 ㎛일 수 있다. 상기 부직 섬유질 웹의 두께가 10 ㎛ 미만인 경우 기계적 강도가 떨어질 수 있고, 50 ㎛를 초과하는 경우 저항손실이 증가하고, 경량화 및 집적화가 떨어질 수 있다.The thickness of the nonwoven fibrous web may be 10 µm to 50 µm, and specifically 15 µm to 43 µm. When the thickness of the nonwoven fibrous web is less than 10 μm, mechanical strength may decrease, and when it exceeds 50 μm, resistance loss may increase, and weight reduction and integration may decrease.

상기 부직 섬유질 웹은 평량(basic weight)이 5 g/m2 내지 30 g/m2일 수 있다. 상기 부직 섬유질 웹의 평량이 5 g/m2 미만인 경우 눈에 보이는 기공이 형성되어 다공성 지지체로서 기능을 하기 어려울 수 있고, 30 g/m2을 초과하는 경우에는 포어가 거의 형성되지 않는 종이 또는 직물의 형태처럼 제조될 수 있다.The nonwoven fibrous web may have a basic weight of 5 g/m 2 to 30 g/m 2 . When the basis weight of the nonwoven fibrous web is less than 5 g/m 2 , visible pores may be formed and thus it may be difficult to function as a porous support, and when it exceeds 30 g/m 2 , paper or fabric with almost no pores formed It can be manufactured in the form of

상기 다공성 지지체의 다공도는 45 % 이상일 수 있고, 구체적으로 60 % 이상일 수 있다. 한편, 상기 다공성 지지체는 90 % 이하의 다공도를 갖는 것이 바람직하다. 만일, 상기 다공성 지지체의 다공도가 90 %를 초과할 경우 형태 안정성이 저하됨으로써 후공정이 원활하게 진행되지 않을 수 있다. 상기 다공도는 하기 수학식 1에 따라 상기 다공성 지지체 전체 부피 대비 공기 부피의 비율에 의하여 계산할 수 있다. 이때, 상기 전체 부피는 직사각형 형태의 샘플을 제조하여 가로, 세로, 두께를 측정하여 계산하고, 공기부피는 샘플의 질량을 측정 후 밀도로부터 역산한 고분자 부피를 전체부피에서 빼서 얻을 수 있다.The porosity of the porous support may be 45% or more, and specifically 60% or more. On the other hand, it is preferable that the porous support has a porosity of 90% or less. If the porosity of the porous support exceeds 90%, morphological stability is deteriorated, so that the post-process may not proceed smoothly. The porosity can be calculated by the ratio of the air volume to the total volume of the porous support according to Equation 1 below. At this time, the total volume is calculated by preparing a rectangular sample and measuring the width, length, and thickness, and the air volume can be obtained by subtracting the polymer volume inverted from the density after measuring the mass of the sample.

[수학식 1][Equation 1]

다공도(%) = (다공성 지지체 내 공기부피/다공성 지지체의 전체부피) X 100Porosity (%) = (air volume in porous support/total volume of porous support) X 100

상기 이온 교환막은 상기 다공성 지지체의 공극에 이온 전도체가 채워진 강화 복합막 형태의 이온 교환막이다.The ion exchange membrane is an ion exchange membrane in the form of a reinforced composite membrane in which an ion conductor is filled in the pores of the porous support.

상기 고분자 막이 상기 강화막 형태인 경우, 상기 고분자 막은 상기 다공성 지지체 일면 또는 양면에 위치하는 이온 전도체 층을 더 포함할 수 있다. 상기 이온 전도체 층은 상기 강화막 형태의 고분자 막 제조시 상기 다공성 지지체의 공극에 상기 이온 전도체를 채운 후, 상기 다공성 지지체의 공극을 채우고 남은 상기 이온 전도체가 상기 다공성 지지체 일면 또는 양면 표면에 코팅됨으로써 상기 이온 전도체 층이 형성되는 것일 수 있다.When the polymer membrane is in the form of the reinforced membrane, the polymer membrane may further include an ion conductor layer positioned on one or both sides of the porous support. The ion conductor layer fills the pores of the porous support when the polymer membrane in the form of the reinforcement membrane is prepared, and then the ion conductor remaining after filling the pores of the porous support is coated on one or both surfaces of the porous support. The ion conductor layer may be formed.

또한, 상기 이온 전도체가 상기 예시한 바와 같은 친수성 반복 단위와 소수성 반복 단위로 이루어진 탄화수소계 공중합체인 경우, 상기 다공성 지지체는 탄화수소계 다공성 지지체를 사용하는 것이 이온 교환막의 안정성 측면에서 유리하다. 구체적으로, 서로 다른 성질의 다공성 지지체와 이온 전도체를 조합하는 경우, 예를 들어 불소계 다공성 지지체와 탄화수소계 이온 전도체를 조합하는 경우 이온 전도체가 다공성 지지체에서 쉽게 탈리 또는 배출되거나 함침성이 떨어질 수 있다.In addition, when the ion conductor is a hydrocarbon-based copolymer composed of a hydrophilic repeating unit and a hydrophobic repeating unit as illustrated above, it is advantageous in terms of stability of the ion exchange membrane to use a hydrocarbon-based porous support as the porous support. Specifically, when a porous support having different properties and an ionic conductor are combined, for example, when a fluorine-based porous support and a hydrocarbon-based ion conductor are combined, the ion conductor may be easily detached or discharged from the porous support, or impregnation may be poor.

한편, 수소 이온(H+)이 상기 이온 교환막을 통해 전달되는 과정에서 형성되는 하이드로늄 이온의 크기는 약 320 pm이고, 고분자의 열화와 전압 효율에 영향을 주는 바나듐 5가 이온(VO2 +)의 크기는 약 1.15 nm이다. 레독스 플로우 전지 운전시 형성되는 이온 클러스터의 크기는 2 nm 내지 3 nm 안팎으로, 전달하고자 하는 상기 하이드로늄 이온 외에 상기 바나듐 5가 이온이 통과할 수 있는 크기를 가진다. 이로 인해 바나듐 이온의 투과가 발생하고 이온 교환막 내에서 열화 반응을 일으키거나 전압 효율을 낮추는 문제가 발생한다. 본 발명에서는 상기 다공성 금속 산화물을 이용하여 상기 바나듐 5가 이온이 이동하는 통로의 크기를 제한함으로써 바나듐 이온의 투과를 방지하고자 하는 것이다.Meanwhile, the size of the hydronium ions formed in the process of transporting hydrogen ions (H + ) through the ion exchange membrane is about 320 pm, and the vanadium pentavalent ions (VO 2 + ) that affect the deterioration of the polymer and the voltage efficiency. The size of is about 1.15 nm. The size of the ion cluster formed during operation of the redox flow battery is 2 nm to 3 nm, and has a size that allows the vanadium pentavalent ions to pass in addition to the hydronium ions to be transferred. This causes permeation of vanadium ions, causing a deterioration reaction in the ion exchange membrane, or lowering voltage efficiency. In the present invention, the porous metal oxide is used to limit the size of the passage through which the vanadium pentavalent ions move, thereby preventing the penetration of vanadium ions.

구체적으로, 상기 다공성 금속 산화물은 상기 바나듐 5가 이온(VO2 +)의 크기(1.15 nm)와 유사한 미세 기공을 가짐으로써, 상기 바나듐 이온의 투과를 방지할 수 있다. 한편, 상기 다공성 금속 산화물의 기공의 크기는 전달되어야 하는 프로톤 또는 하이드로늄 이온의 크기(< 0.32 nm)보다는 큼으로써 이온을 선택적으로 투과할 수 있다. 이에 따라, 상기 다공성 금속 산화물은 기공 크기가 0.35 nm 내지 1.2 nm일 수 있고, 구체적으로 0.5 nm 내지 1 nm일 수 있다.Specifically, the porous metal oxide may have micropores similar to the size (1.15 nm) of the vanadium pentavalent ions (VO 2 + ), thereby preventing the penetration of the vanadium ions. Meanwhile, since the pore size of the porous metal oxide is larger than the size of the proton or hydronium ion to be transferred (< 0.32 nm), ions can be selectively transmitted. Accordingly, the porous metal oxide may have a pore size of 0.35 nm to 1.2 nm, and specifically 0.5 nm to 1 nm.

상기 기공 크기를 가지는 상기 다공성 금속 산화물로는 실리카 또는 유기 실리카 등의 실리카계 금속 산화물이나, 지르코니아, 알루미나, 티타니아, 실리카 또는 세리아와 같은 상기 실리카 이외의 금속 산화물이나, 제올라이트, 알루미나-실리카, 티탄니아-실리카 또는 세리아-실라카와 같은 금속 산화물-실리카 복합체로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 예시할 수 있다. 상기 유기 실리카는 지방족 화합물 또는 방향족 화합물이 반복단위에 포함된 모든 실리카를 포함한다.As the porous metal oxide having the pore size, a silica-based metal oxide such as silica or organic silica, or a metal oxide other than the silica such as zirconia, alumina, titania, silica or ceria, zeolite, alumina-silica, titania -Any one selected from the group consisting of silica or metal oxide-silica composites such as ceria-silica may be exemplified. The organic silica includes all silicas in which an aliphatic compound or an aromatic compound is included in the repeating unit.

상기 다공성 금속 산화물은 기둥 형상을 가질 수 있다. 이때, 상기 기공은 상기 기둥의 높이 방향을 따라 연장되며 상기 기둥을 관통하도록 형성될 수 있다. 상기 다공성 금속 산화물이 상기와 같이 기둥 형상을 가지며, 상기 기둥의 높이 방향을 따라 연장되며 상기 기둥을 관통하는 복수개의 기공을 포함하는 경우 배치 방향에 따라 바나듐 이온의 투과 정도를 더욱 조절할 수 있다. 즉, 기공의 방향과 이온의 이동 경로가 일치하지 않도록 경우 상기 다공성 금속 산화물이 배치되는 경우 바나듐 이온의 투과를 더욱 방지할 수 있다. 반면, 기공이 무작위 방향으로 형성되는 경우 상기와 같은 추가적인 효과를 얻을 수 없다.The porous metal oxide may have a pillar shape. In this case, the pores may extend along the height direction of the pillar and may be formed to penetrate through the pillar. When the porous metal oxide has a columnar shape as described above, extends along the height direction of the column and includes a plurality of pores penetrating the column, the degree of permeation of vanadium ions may be further adjusted according to the arrangement direction. That is, when the direction of the pores and the movement path of ions do not coincide, the permeation of vanadium ions can be further prevented when the porous metal oxide is disposed. On the other hand, when the pores are formed in a random direction, the above-described additional effect cannot be obtained.

상기 기둥 형상은 구형이 아닌 형태를 의미하는 것으로서, 실질적으로 면과 면사이의 모서리가 관찰되는 것이면 어떤 형태이든 가능하다. 다만, 여기서 상기 면은 완전한 평면이 아니더라도 실질적으로 면으로 인정될 수 있는 정도이면 족하고, 상기 모서리도 완전하게 모가 져 있지 않고 라운드 져 있더라도 실질적으로 모서리로 인정될 수 있는 정도이면 족하다.The columnar shape means a shape other than a spherical shape, and can be any shape as long as the edge between the surface and the surface is observed. However, here, even if the surface is not completely flat, it is sufficient as long as it can be substantially recognized as a surface, and even if the corner is not completely chamfered and is rounded, it is sufficient as long as it can be substantially recognized as an edge.

예를 들어, 상기 기둥 형상은 원 기둥, 사각 기둥, 오각 기둥, 육각 기둥, 칠각 기둥, 팔각 기둥 및 이들의 유사 형태로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 형태일 수 있고, 바람직하게 육각 기둥 형태일 수 있다. 여기서 예를 들어 육각 기둥의 유사 형태라 함은 완전한 육각 기둥 형태가 아니더라도, 윗면, 아랫면과 주된 6개의 모서리가 관찰되는 경우로서, 실질적으로 육각 기둥 형태인 것으로 인정될 수 있는 형태를 의미한다.For example, the column shape may be any one shape selected from the group consisting of a circular column, a square column, a pentagonal column, a hexagonal column, a heptagonal column, an octagonal column, and similar shapes thereof, preferably a hexagonal column shape. I can. Here, for example, the similar shape of a hexagonal column refers to a shape that can be recognized as a substantially hexagonal column shape as a case in which the top, bottom and main six corners are observed, even if the shape of the hexagonal column is not a complete hexagonal column shape.

상기 기둥 형상의 다공성 금속 산화물은 높이가 3 nm 내지 200 nm일 수 있고, 구체적으로 높이가 4 nm 내지 50 nm일 수 있다. 상기 기둥 형상의 높이라 함은 옆면의 길이를 의미한다. 상기 기둥 형상의 높이가 3 nm 미만인 경우 바나듐 이온의 투과 방지가 효과적으로 일어나지 않을 수 있고, 200 nm를 초과하는 경우 이온 교환막 내 산화물이 이물질로 작용하여 물성을 저하시킬 수 있다.The columnar porous metal oxide may have a height of 3 nm to 200 nm, and specifically, a height of 4 nm to 50 nm. The height of the columnar shape means the length of the side surface. When the height of the columnar shape is less than 3 nm, the transmission of vanadium ions may not be effectively prevented, and when the height of the columnar shape exceeds 200 nm, oxides in the ion exchange membrane may act as foreign substances, thereby reducing physical properties.

상기 기둥 형상의 다공성 금속 산화물은 종횡비가 1 : 0.1 내지 1 : 1일 수 있고, 구체적으로 종횡비가 1 : 0.5 내지 1 : 1일 수 있다. 상기 기둥 형상의 종횡비가 1 : 0.1 미만인 경우 기공이 균일한 구조를 갖지 못할 수 있다.The pillar-shaped porous metal oxide may have an aspect ratio of 1:0.1 to 1:1, and specifically, an aspect ratio of 1:0.5 to 1:1. When the aspect ratio of the columnar shape is less than 1:0.1, the pores may not have a uniform structure.

이때, 상기 다공성 금속 산화물은 상기 기둥의 높이 방향을 따라 연장되며 상기 기둥을 관통하도록 형성된 기공을 포함한다. 상기 다공성 금속 산화물은 상기 기둥의 높이 방향을 따라 연장되며 상기 기둥을 관통하도록 형성된 기공 이외에도 상기 기둥의 높이 방향의 수직한 방향으로 연장되거나 상기 기둥을 관통하지 않는 기공도 포함할 수 있으나, 상기 다공성 금속 산화물은 상기 기둥의 높이 방향을 따라 연장되며 상기 기둥을 관통하도록 형성된 기공을 적어도 복수개 포함한다.In this case, the porous metal oxide extends along the height direction of the pillar and includes pores formed to penetrate the pillar. The porous metal oxide extends along the height direction of the pillar and may include pores extending in a direction perpendicular to the height direction of the pillar or not penetrating the pillar, in addition to pores formed to penetrate the pillar. The oxide extends along the height direction of the pillar and includes at least a plurality of pores formed to pass through the pillar.

상기한 바와 같이, 상기 기공은 상기 바나듐 5가 이온은 통과시키지 않고, 상기 프로톤 또는 하이드로늄 이온은 선택적으로 통과시키기 위하여, 기공 크기가 0.35 nm 내지 1.2 nm일 수 있고, 구체적으로 0.5 nm 내지 1 nm일 수 있다.As described above, the pores may have a pore size of 0.35 nm to 1.2 nm, specifically 0.5 nm to 1 nm, so that the vanadium pentavalent ions do not pass and the proton or hydronium ions selectively pass. Can be

상기 다공성 금속 산화물은, 상기 기둥의 높이 방향과 수직한 방향의 단면에서 상기 복수개의 기공이 육각형 형상으로 배열되는, 육각 기둥 형상일 수 있다. 상기 기공이 육각형 형상으로 배열된다는 것은 수학적으로 완벽한 육각형 대칭을 의미하는 것뿐만 아니라, 이러한 이상 상태로부터 유의미하게 관찰 가능한 편차를 가진 것들도 포함한다. 예를 들어, 상기 육각형 형상으로 배열되는 기공은 6 개의 가장 가까운 이웃 기공들로 둘러 싸여 있을 수 있다. 다만, 제조시 결함과 불완전성으로 인한 상기 다공성 금속 산화물의 품질에 따라 상당한 수의 기공이 이러한 기준을 위반할 수도 있다. 따라서, 상기 다공성 금속 산화물에서 6 개의 가장 가까운 이웃 기공들로 둘러 싸여 있는 기공의 개수가 전체 기공 개수의 50 개수% 이상, 구체적으로 75 개수% 이상이라면 상기 육각 기둥 형상의 정의에 포함될 수 있다.The porous metal oxide may have a hexagonal column shape in which the plurality of pores are arranged in a hexagonal shape in a cross section in a direction perpendicular to the height direction of the column. Arrangement of the pores in a hexagonal shape means not only mathematically perfect hexagonal symmetry, but also includes those having a significant observable deviation from this abnormal state. For example, the pores arranged in a hexagonal shape may be surrounded by six nearest neighboring pores. However, depending on the quality of the porous metal oxide due to defects and imperfections during manufacturing, a significant number of pores may violate this standard. Therefore, if the number of pores surrounded by six nearest neighboring pores in the porous metal oxide is 50% by number or more, specifically 75% by number or more of the total number of pores, it may be included in the definition of the hexagonal column shape.

상기 기공이 육각형 형상으로 배열된 다공성 금속 산화물은 몇 개의 뚜렷한 최대 값을 갖는 X-선 회절 패턴(X-ray diffraction pattern)을 보여주며, 상기 피크(peak)들의 위치는 육각형 격자로부터의 hkO 반사의 위치에 대략적으로 일치한다. 또한, 상기 기공이 육각형 형상으로 배열된 다공성 금속 산화물의 미세 구조는 투과 전자 현미경 및 전자 회절을 통하여 확인할 수도 있다. 상기 기공이 육각형 형상으로 배열된 다공성 금속 산화물은 큰 기공들의 육각형 배열을 보여주고, 이에 대응하는 전자 회절 패턴은 육각 배열을 보여준다. The porous metal oxide in which the pores are arranged in a hexagonal shape shows an X-ray diffraction pattern having several distinct maximum values, and the positions of the peaks are of the hkO reflection from the hexagonal grid. Roughly corresponds to the location. In addition, the microstructure of the porous metal oxide in which the pores are arranged in a hexagonal shape may be confirmed through a transmission electron microscope and electron diffraction. The porous metal oxide in which the pores are arranged in a hexagonal shape shows a hexagonal arrangement of large pores, and an electron diffraction pattern corresponding thereto shows a hexagonal arrangement.

구체적으로, 전자 회절 패턴의 d100 값은 육각형 격자의 hkO 프로젝션(projection)에서 인접한 스폿(spots) 사이의 거리이며, 전자 현미경 사진에서 기공 사이의 반복 거리(repeat distance) ao를 관찰하여, d100 = ao√(3/2) 공식을 통해 얻을 수 있다. 이에 따라 측정된 상기 기공이 육각형 형상으로 배열된 다공성 금속 산화물은 d100 값이 18 Å 이상인 육각 전자 회절 패턴(hexagonal electron diffraction pattern)을 가질 수 있다. Specifically, the d 100 value of the electron diffraction pattern is the distance between adjacent spots in the hkO projection of the hexagonal grating, and by observing the repeat distance a o between the pores in the electron micrograph, d It can be obtained through the formula 100 = a o √(3/2). Accordingly, the porous metal oxide in which the measured pores are arranged in a hexagonal shape may have a hexagonal electron diffraction pattern having a d 100 value of 18 Å or more.

또한, 상기 전자 회절 패턴에서 d100 값은 물질의 X-선 회절 패턴에서의 낮은 각 피크(low angle peak)의 d-spacing에 해당하는 것으로서, 상기 기공이 육각형 형상으로 배열된 다공성 금속 산화물은 10 Å unit d-spacing(8.842 degrees two-theta for Cu K-alpha radiation) 보다 큰 위치에서 2 개 이상의 피크를 갖는 X-선 회절 패턴을 가질 수 있다. 상기 2개 이상의 피크 중 하나 이상은 18 Å unit d-spacing 보다 큰 위치에 있고, 10 Å unit d-spacing 미만의 위치에서는 가장 강한 피크의 약 20 % 이상의 상대 강도를 갖는 피크는 없을 수 있다. In addition, the value of d 100 in the electron diffraction pattern corresponds to d-spacing of the low angle peak in the X-ray diffraction pattern of the material, and the porous metal oxide in which the pores are arranged in a hexagonal shape is 10 It is possible to have an X-ray diffraction pattern having two or more peaks at a position greater than Å unit d-spacing (8.842 degrees two-theta for Cu K-alpha radiation). At least one of the two or more peaks is at a position greater than 18 Å unit d-spacing, and at a position less than 10 Å unit d-spacing, there may be no peak having a relative intensity of about 20% or more of the strongest peak.

상기 X-선 회절 데이터는 theta geometry, Cu K-alpha 방사(Cu K-alpha radiation) 및 에너지 분산 X-선 검출기(energy dispersive X-ray detector)를 사용하는 Scintag PAD X 자동 회절 시스템에서 측정될 수 있다. 이때, 입사 광선 및 회절된 X-선 광선 모두 이중 슬릿 입사 및 회절 콜리메이션 시스템에 의해 콜리메이션될 수 있다. 상기 슬릿의 크기는 각각 0.5 mm, 1.0 mm, 0.3 mm 및 0.2 mm이다. 또한, 회절 데이터는 2θ의 0.04도에서 스텝 스캔에 의해 기록될 수 있고, 여기서 θ는 브래그 각도이고, 각 단계에 대한 계수 시간은 10 초이다.The X-ray diffraction data can be measured in the Scintag PAD X automatic diffraction system using theta geometry, Cu K-alpha radiation and energy dispersive X-ray detector. have. At this time, both the incident ray and the diffracted X-ray ray may be collimated by a double slit incident and diffraction collimation system. The sizes of the slits are 0.5 mm, 1.0 mm, 0.3 mm and 0.2 mm, respectively. Further, the diffraction data can be recorded by step scan at 0.04 degrees of 2θ, where θ is the Bragg angle, and the counting time for each step is 10 seconds.

또한, 상기 기공이 육각형 형상으로 배열된 다공성 금속 산화물은 벤젠 흡착 용량(benzene adsorption capacity, @ 50 torr, 25 ℃)이 15 g/100 g(벤젠의 grams/다공성 금속 산화물의 grams) 이상일 수 있다. 상기 벤젠 흡착 용량은 상기 기공이 육각형 형상으로 배열된 다공성 금속 산화물을 25 ℃ 및 50 torr의 조건에서 평형에 도달할 때까지 벤젠으로 처리한 후, 흡착된 벤젠의 중량을 측정할 수 있다. 선택적으로 상기 벤젠 흡착 용량을 측정하기 전에, 상기 기공이 육각형 형상으로 배열된 다공성 금속 산화물을 탈수 또는 소성할 수 있고, 상기 소성은 일 예로 540 ℃에서 1 시간 동안 이루어질 수 있다.In addition, the porous metal oxide in which the pores are arranged in a hexagonal shape may have a benzene adsorption capacity (@ 50 torr, 25° C.) of 15 g/100 g (grams of benzene/grams of porous metal oxide) or more. The benzene adsorption capacity can be determined by treating the porous metal oxide with the pores arranged in a hexagonal shape with benzene until equilibrium is reached at 25° C. and 50 torr, and then the weight of the adsorbed benzene can be measured. Optionally, before measuring the benzene adsorption capacity, the porous metal oxide having the pores arranged in a hexagonal shape may be dehydrated or calcined, and the firing may be performed at 540° C. for 1 hour, for example.

상기 기공이 육각형 형상으로 배열된 다공성 금속 산화물은 일 예로 알루미나(Al2O3)와 실리카(SiO2)를 0 : 1 내지 0.5 : 1의 중량비, 구체적으로 0.001 : 1 내지 0.5 : 1의 중량비로 포함하는 반응물을 25 ℃ 내지 175 ℃, 구체적으로 50 ℃ 내지 150 ℃의 온도에서 결정화시켜 제조할 수 있다. 이때, pH는 9 내지 14로 유지되는 것이 바람직하다.The porous metal oxide in which the pores are arranged in a hexagonal shape is, for example, alumina (Al 2 O 3 ) and silica (SiO 2 ) in a weight ratio of 0: 1 to 0.5: 1, specifically 0.001: 1 to 0.5: 1 It can be prepared by crystallizing the containing reactant at a temperature of 25°C to 175°C, specifically 50°C to 150°C. At this time, it is preferable that the pH is maintained between 9 and 14.

상기 실리카를 대신하여 실리콘 공급원이 사용될 수 있고, 상기 실리콘 공급원으로는 예를 들어 4차 암모늄 실리케이트와 같은 유기 규산염을 사용할 수 있고, 구체적으로 테트라 메틸 암모늄 실리케이트 또는 테트라 에틸 오르토 실리케이트를 예시할 수 있다.A silicon source may be used in place of the silica, and an organic silicate such as quaternary ammonium silicate may be used as the silicon source, and specifically tetra methyl ammonium silicate or tetra ethyl ortho silicate may be exemplified.

또한, 상기 기공이 육각형 형상으로 배열된 다공성 금속 산화물을 제조하기 위한 반응물은 상기 알루미나와 실리카를 포함하는 반응물과 함께 알칼리 금속이나 알칼리 토금속(M), 또는 유기 유도 첨가제(R)를 더 포함할 수 있고, 상기 반응물은 상기 C1 내지 C6의 알코올, C1 내지 C6의 디올 및/또는 물 등의 용매에 용해된 것일 수 있다. In addition, the reactant for preparing a porous metal oxide in which the pores are arranged in a hexagonal shape may further include an alkali metal or an alkaline earth metal (M), or an organic inducing additive (R) together with the reactant including the alumina and silica. In addition, the reactant may be dissolved in a solvent such as the C 1 to C 6 alcohol, C 1 to C 6 diol and/or water.

상기 알칼리 금속이나 알칼리 토금속(M)은 일 예로 나트늄, 칼륨, 마그네슘 또는 칼슘 등일 수 있다. 상기 유기 유도 첨가제(R)는 결정 구조의 형성을 도와주는 것으로서, 핵 형성 및 성장 과정에서 상기 반응물의 주형으로서 기능한다. 이러한 기능을 할 수 있는 유기 유도 첨가제의 비제한적인 예로는 세틸 트리메틸 암모늄, 세틸 트리메틸 포스포늄, 옥타 데실 트리메틸 포스포늄, 벤질 트리메틸 암모늄, 세틸 피리디늄, 미리스틸 트리메틸 암모늄, 데실 트리메틸 암모늄, 도데실 트리메틸 암모늄 및 디메틸 디도데실 암모늄 등일 수 있다.The alkali metal or alkaline earth metal (M) may be, for example, sodium, potassium, magnesium, or calcium. The organic inducing additive (R) assists in the formation of a crystal structure, and functions as a template of the reactant in the process of nucleation and growth. Non-limiting examples of organic inducing additives capable of this function include cetyl trimethyl ammonium, cetyl trimethyl phosphonium, octadecyl trimethyl phosphonium, benzyl trimethyl ammonium, cetyl pyridinium, myristyl trimethyl ammonium, decyl trimethyl ammonium, dodecyl trimethyl Ammonium and dimethyl didodecyl ammonium, and the like.

상기 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속(M)은 산화물의 몰비인 M2/eO/(SiO2+Al2O3)가 0 내지 5일 수 있고, 구체적으로 0 내지 3일 수 있다. 상기 e는 M의 가중 평균 원자가이다. 또한, 상기 유기 유도 첨가제(R)는 산화물의 몰비인 R2/fO/(SiO2+Al2O3)가 0.01 내지 2일 수 있고, 구체적으로 0.03 내지 1일 수 있다. 상기 f는 R의 가중 평균 원자가이다.The alkali metal or alkaline earth metal (M) may have an oxide molar ratio of M 2 /e O/(SiO 2 +Al 2 O 3 ) of 0 to 5, and specifically 0 to 3. E is the weighted average valence of M. In addition, the organic induction additive (R) may have an oxide molar ratio of R 2 /f O/(SiO 2 +Al 2 O 3 ) of 0.01 to 2, and specifically 0.03 to 1. F is the weighted average valency of R.

상기 기공이 육각형 형상으로 배열된 다공성 금속 산화물의 제조 방법의 일 예를 구체적으로 예시하면, 상기 유기 유도 첨가제(R)를 용매/R2/fO의 몰비가 50 내지 800, 구체적으로 50 내지 500이 되도록 혼합하여 1 차 주형 혼합물을 제조한다. 상기 1 차 주형 혼합물에 R2/fO/(SiO2+Al2O3)의 몰비가 0.01 내지 2.0이 되도록 실리카 및/또는 알루미나와 같은 산화물 공급원을 첨가하여 혼합물을 제조한다. 상기 제조된 혼합물을 20 ℃ 내지 40 ℃에서 5 분 내지 3 시간 동안 교반한 후, 20 ℃ 내지 100 ℃에서 10 분 내지 24 시간 동안 교반시키거나 교반하지 않고 방치시킨다. 상기 교반한 혼합물을 50 ℃ 내지 175 ℃의 온도에서 1 시간 내지 72 시간 동안 결정화시켜 상기 기공이 육각형 형상으로 배열된 다공성 금속 산화물을 제조할 수 있다. 선택적으로 상기 제조된 기공이 육각형 형상으로 배열된 다공성 금속 산화물을 탈수 또는 소성할 수 있고, 상기 소성은 일 예로 540 ℃에서 1 시간 동안 이루어질 수 있다.Specifically illustrating an example of a method of manufacturing a porous metal oxide in which the pores are arranged in a hexagonal shape, the molar ratio of the solvent/R 2 /f O to the organic inducing additive (R) is 50 to 800, specifically 50 to 500 The mixture is mixed to prepare a primary mold mixture. A mixture is prepared by adding an oxide source such as silica and/or alumina so that the molar ratio of R 2/f O/(SiO 2 +Al 2 O 3 ) is 0.01 to 2.0 to the primary template mixture. The prepared mixture is stirred at 20° C. to 40° C. for 5 minutes to 3 hours, and then stirred at 20° C. to 100° C. for 10 minutes to 24 hours or left without stirring. The stirred mixture may be crystallized at a temperature of 50° C. to 175° C. for 1 hour to 72 hours to prepare a porous metal oxide in which the pores are arranged in a hexagonal shape. Optionally, the porous metal oxide having the prepared pores arranged in a hexagonal shape may be dehydrated or calcined, and the firing may be performed at 540° C. for 1 hour, for example.

한편, 상기 이온 교환막은 상기 다공성 금속 산화물을 상기 이온 전도체 1 중량부에 대하여 0.01 중량부 내지 0.50 중량부로 포함할 수 있고, 구체적으로 0.05 중량부 내지 0.25 중량부로 포함할 수 있다. 상기 다공성 금속 산화물의 함량이 상기 이온 전도체 1 중량부에 대하여 0.01 중량부 미만인 경우 바나듐 이온의 투과 방지가 효과적으로 일어나기 어려울 수 있고, 0.50 중량부를 초과하는 경우 이온 교환막 내에서 응집이 되거나 이온 교환막의 물성이 저하될 수 있다.Meanwhile, the ion exchange membrane may include 0.01 parts by weight to 0.50 parts by weight of the porous metal oxide based on 1 part by weight of the ion conductor, and specifically 0.05 parts by weight to 0.25 parts by weight. When the content of the porous metal oxide is less than 0.01 parts by weight based on 1 part by weight of the ion conductor, it may be difficult to effectively prevent permeation of vanadium ions, and when it exceeds 0.50 parts by weight, aggregation in the ion exchange membrane or physical properties of the ion exchange membrane It can be degraded.

상기 다공성 금속 산화물은 상기 이온 교환막에 다양한 형태로 포함될 수 있다. 일 예로, 상기 다공성 금속 산화물은 상기 이온 전도체와 혼합되어 상기 고분자 막 내부에 분산될 수 있다. The porous metal oxide may be included in the ion exchange membrane in various forms. For example, the porous metal oxide may be mixed with the ion conductor and dispersed in the polymer membrane.

상기 다공성 금속 산화물이 분산된 고분자 막은 상기 이온 전도체 용액에 상기 다공성 금속 산화물을 물리적으로 혼합한 후, 상기 이온 전도체 용액을 제막하여 제조할 수 있다.The polymer membrane in which the porous metal oxide is dispersed may be prepared by physically mixing the porous metal oxide with the ion conductor solution and then forming the ion conductor solution.

상기 이온 전도체 용액은 분산액 형태일 수 있으며, 상기 이온 전도체 용액 또는 분산액은 상용화된 이온 전도체 용액 또는 분산액을 구입하여 사용할 수 있고, 상기 이온 전도체를 용매에 분산시켜 제조할 수도 있다. The ion conductor solution may be in the form of a dispersion, and the ion conductor solution or dispersion may be used by purchasing a commercially available ion conductor solution or dispersion, or may be prepared by dispersing the ion conductor in a solvent.

상기 이온 전도체 용액 또는 분산액을 제조하기 위한 용매로는 물, 친수성 용매, 유기용매 및 이들의 하나 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 용매를 이용할 수 있다. 상기 친수성 용매는 탄소수 1 내지 12의 직쇄상, 분지상의 포화 또는 불포화 탄화수소를 주쇄로서 포함하는 알코올, 이소프로필 알코올, 케톤, 알데히드, 카보네이트, 카르복실레이트, 카르복실산, 에테르 및 아미드로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상의 관능기를 가진 것일 수 있으며, 이들은 지환식 또는 방향족 사이클로 화합물을 주쇄의 최소한 일부로 포함할 수 있다. 상기 유기 용매는 N-메틸피롤리돈, 디메틸술폭사이드, 테트라하이드로퓨란 및 이들의 혼합물에서 선택할 수 있다.As a solvent for preparing the ion conductor solution or dispersion, a solvent selected from the group consisting of water, a hydrophilic solvent, an organic solvent, and one or more mixtures thereof may be used. The hydrophilic solvent is a group consisting of alcohols, isopropyl alcohols, ketones, aldehydes, carbonates, carboxylates, carboxylic acids, ethers, and amides containing linear, branched saturated or unsaturated hydrocarbons having 1 to 12 carbon atoms as the main chain. It may have one or more functional groups selected from, and these may include an alicyclic or aromatic cyclo compound as at least a part of the main chain. The organic solvent may be selected from N-methylpyrrolidone, dimethyl sulfoxide, tetrahydrofuran, and mixtures thereof.

상기 이온 전도체 용액을 이용하여 상기 고분자 막을 제막하는 방법은 기재 위에 상기 이온 전도체 용액을 도포한 후, 건조시켜 이루어질 수 있다. 상기 도포는 바 코팅, 콤마 코팅, 슬롯다이, 스크린 프린팅, 스프레이 코팅, 닥터 블레이드, 라미네이팅 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 한 방법을 이용할 수 있다. 상기 건조는 60 ℃ 내지 150 ℃에서 0.5 시간 내지 12 시간 동안 건조시키는 것일 수 있다. The method of forming the polymer film using the ion conductor solution may be performed by applying the ion conductor solution on a substrate and then drying it. The coating may use any one method selected from the group consisting of bar coating, comma coating, slot die, screen printing, spray coating, doctor blade, laminating, and combinations thereof. The drying may be drying at 60° C. to 150° C. for 0.5 to 12 hours.

다른 일 예로, 상기 다공성 금속 산화물은 상기 고분자 막 일면 또는 양면에 코팅층 형태로 포함될 수도 있다. 즉, 상기 이온 교환막은 상기 이온 전도체를 포함하는 고분자 막, 그리고 상기 고분자 막 일면 또는 양면의 표면에 위치하며, 상기 다공성 금속 산화물을 포함하는 코팅층을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 다공성 금속 산화물을 포함하는 코팅층은 상기 고분자 막 1 부피부에 대하여 0.05 부피부 내지 1.0 부피부일 수 있고, 구체적으로 0.05 부피부 내지 0.2 부피부일 수 있다. 상기 코팅층이 상기 고분자 막 1 부피부에 대하여 0.05 부피부 미만인 경우 바나듐 이온의 투과 방지 효과가 저하될 수 있다. As another example, the porous metal oxide may be included in the form of a coating layer on one or both surfaces of the polymer film. That is, the ion exchange membrane may include a polymer membrane including the ion conductor, and a coating layer disposed on one or both surfaces of the polymer membrane and including the porous metal oxide. In this case, the coating layer including the porous metal oxide may be 0.05 part by volume to 1.0 part by volume, and specifically, it may be 0.05 part by volume to 0.2 part by volume, based on 1 part by volume of the polymer film. When the coating layer is less than 0.05 part by volume with respect to 1 part by volume of the polymer film, the effect of preventing the penetration of vanadium ions may be reduced.

상기 이온 교환막은 상기 고분자 막을 제막한 뒤, 그 위에 상기 다공성 금속 산화물을 포함하는 용액을 이용하여 코팅층을 형성하여 제조할 수 있다. 상기 다공성 금속 산화물을 포함하는 용액은 상기 다공성 금속 산화물을 용매에 첨가하여 제조할 수 있고, 상기 용매로는 상기 이온 전도체 용액을 제조하는데 사용할 수 있는 용매인 물, 친수성 용매, 유기용매 및 이들의 하나 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 용매를 동일하게 이용할 수 있다. 또한, 상기 코팅층을 형성하는 방법은 상기 다공성 금속 산화물을 포함하는 용액을 상기 고분자 막 위에 도포한 후, 건조시켜 이루어질 수 있다. 상기 다공성 금속 산화물을 포함하는 용액을 상기 고분자 막 위에 도포하는 방법은 바 코팅, 콤마 코팅, 슬롯다이, 스크린 프린팅, 스프레이 코팅, 닥터 블레이드, 라미네이팅 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 한 방법을 이용할 수 있다. 상기 건조는 60 ℃ 내지 150 ℃에서 0.5 시간 내지 12 시간 동안 건조시키는 것일 수 있다. The ion exchange membrane may be prepared by forming the polymer membrane and then forming a coating layer thereon using a solution containing the porous metal oxide. The solution containing the porous metal oxide may be prepared by adding the porous metal oxide to a solvent, and the solvent may be water, a hydrophilic solvent, an organic solvent, and one of them, which are solvents that can be used to prepare the ion conductor solution. A solvent selected from the group consisting of the above mixtures may be used in the same manner. In addition, the method of forming the coating layer may be performed by applying a solution containing the porous metal oxide on the polymer film and then drying it. The method of applying the solution containing the porous metal oxide on the polymer film may be any one method selected from the group consisting of bar coating, comma coating, slot die, screen printing, spray coating, doctor blade, laminating, and combinations thereof. Can be used. The drying may be drying at 60° C. to 150° C. for 0.5 to 12 hours.

또 다른 일 예로, 상기 이온 교환막은 상기 다공성 금속 산화물이 분산되지 않은 제 1 고분자 막과 상기 다공성 금속 산화물이 분산된 제 2 고분자 막이 적층된 형태일 수도 있다. 즉, 상기 이온 교환막은 상기 이온 전도체를 포함하는 제 1 고분자 막과, 상기 이온 전도체 및 상기 이온 전도체와 혼합되어 분산된 상기 다공성 금속 산화물을 포함하는 제 2 고분자 막이 적층될 수 있다. 상기 제 1 고분자 막과 제 2 고분자 막은 복수개가 교대로 적층될 수도 있다. 이 경우, 상기 제 2 고분자 막은 상기 제 1 고분자 막 1 부피부에 대하여 0.05 부피부 내지 1.0 부피부일 수 있고, 구체적으로 0.05 부피부 내지 0.2 부피부일 수 있다. 상기 제 2 고분자 막이 상기 제 1 고분자 막 1 부피부에 대하여 0.05 부피부 미만인 경우 바나듐 이온의 투과 방지 효과가 저하될 수 있다. As another example, the ion exchange membrane may be in a form in which a first polymer membrane in which the porous metal oxide is not dispersed and a second polymer membrane in which the porous metal oxide is dispersed are stacked. That is, the ion exchange membrane may include a first polymer membrane including the ion conductor, and a second polymer membrane including the ion conductor and the porous metal oxide mixed and dispersed with the ion conductor. A plurality of the first polymer membranes and the second polymer membranes may be alternately stacked. In this case, the second polymer membrane may be from 0.05 part by volume to 1.0 part by volume, and specifically from 0.05 part by volume to 0.2 part by volume with respect to 1 part by volume of the first polymer membrane. When the second polymer film is less than 0.05 part by volume with respect to 1 part by volume of the first polymer film, the effect of preventing permeation of vanadium ions may be reduced.

상기 이온 교환막은 상기 제 1 고분자 막과 상기 제 2 고분자 막을 각각 제막한 뒤 두 고분자 막을 압착하여 제조할 수 있고, 상기 복수개의 고분자 막을 적층시 라미네이팅 방법 등을 적용할 수 있다.The ion exchange membrane may be prepared by forming the first polymer membrane and the second polymer membrane, respectively, and then compressing the two polymer membranes, and a laminating method or the like may be applied when the plurality of polymer membranes are laminated.

도 1은 상기 제 1 고분자 막과 제 2 고분자 막이 적층된 형태의 이온 교환막에서 이온의 선택적인 투과를 모식적으로 도시한 그림이다.1 is a diagram schematically showing the selective permeation of ions in an ion exchange membrane in which the first polymer membrane and the second polymer membrane are stacked.

상기 도 1을 참고하면, 이온 교환막(104)은 제 1 이온 전도체(11)를 포함하는 제 1 고분자 막(10)과, 제 2 이온 전도체(21) 및 상기 제 2 이온 전도체(21)와 혼합되어 분산된 상기 다공성 금속 산화물(22)을 포함하는 제 2 고분자 막(20)이 적층된 형태이다. 상기 도 1에서는 상기 다공성 금속 산화물(22)이 상기 기공이 육각형 형상으로 배열된 육각 기둥 형상인 경우를 도시한다. 상기 다공성 금속 산화물(22)은 바나듐 5가 이온(VO2 +)의 크기(1.15 nm)와 유사한 미세 기공을 가짐으로써 상기 바나듐 이온의 투과를 방지하는 한편, 전달되어야 하는 프로톤(H+) 또는 하이드로늄 이온의 크기(< 0.32 nm)보다는 큼으로써 이온을 선택적으로 투과할 수 있다.Referring to FIG. 1, the ion exchange membrane 104 is mixed with a first polymer membrane 10 including a first ion conductor 11, a second ion conductor 21, and the second ion conductor 21 The second polymer film 20 including the dispersed porous metal oxide 22 is stacked. 1 shows a case in which the porous metal oxide 22 has a hexagonal column shape in which the pores are arranged in a hexagonal shape. The porous metal oxide 22 prevents the penetration of the vanadium ions by having micropores similar to the size (1.15 nm) of the vanadium pentavalent ions (VO 2 + ), while preventing the transmission of the proton (H + ) or hydro By being larger than the size of nium ions (< 0.32 nm), ions can be selectively transmitted.

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 에너지 저장 장치는 상기 이온 교환막을 포함한다. 이하, 상기 에너지 저장 장치가 레독스 플로우 전지인 경우에 대하여 상세하게 설명하나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고, 상기 이온 교환막은 연료 전지 또는 2차 전지 형태의 에너지 저장 장치에도 적용이 가능하다.An energy storage device according to another embodiment of the present invention includes the ion exchange membrane. Hereinafter, a case where the energy storage device is a redox flow battery will be described in detail, but the present invention is not limited thereto, and the ion exchange membrane may be applied to an energy storage device in the form of a fuel cell or a secondary battery.

상기 에너지 저장 장치의 하나의 예시에서, 상기 이온 교환막은 작은 이온 채널로 인하여 바나듐 이온을 블로킹(blocking)함으로써 낮은 바나듐 이온 투과성을 가져 바나듐 레독스 플로우 전지에 적용할 경우 바나듐 활물질이 크로스오버(crossover)되어 에너지 효율을 저하시키는 문제를 해결함으로써 높은 에너지 효율을 달성할 수 있는 바, 상기 에너지 저장 장치는 바람직하게 레독스 플로우 전지(redox flow battery)일 수 있다. In one example of the energy storage device, the ion exchange membrane has low vanadium ion permeability by blocking vanadium ions due to a small ion channel, and when applied to a vanadium redox flow battery, the vanadium active material crossover. As a result, high energy efficiency can be achieved by solving the problem of lowering energy efficiency. The energy storage device may preferably be a redox flow battery.

상기 레독스 플로우 전지는 서로 마주보도록 배치되는 양극과 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 배치되는 상기 이온 교환막을 포함하는 전지 셀에 양극 전해질 및 음극 전해질을 공급하여 충방전을 행할 수 있다. The redox flow battery may perform charging and discharging by supplying a positive electrode electrolyte and a negative electrode electrolyte to a battery cell including a positive electrode and a negative electrode disposed to face each other, and the ion exchange membrane disposed between the positive electrode and the negative electrode.

상기 레독스 플로우 전지는 양극 전해질로 V(IV)/V(V) 레독스 커플을, 음극 전해질로 V(II)/V(III) 레독스 커플을 사용하는 전바나듐계 레독스 전지; 양극 전해질로 할로겐 레독스 커플을, 음극 전해질로 V(II)/V(III) 레독스 커플을 사용하는 바나듐계 레독스 전지; 양극 전해질로 할로겐 레독스 커플을, 음극 전해질로 설파이드 레독스 커플을 사용하는 폴리설파이드브로민 레독스 전지; 또는 양극 전해질로 할로겐 레독스 커플을, 음극 전해질로 아연(Zn) 레독스 커플을 사용하는 아연-브로민(Zn-Br) 레독스 전지일 수 있으나, 본 발명에서 상기 레독스 플로우 전지의 종류가 한정되지 않는다.The redox flow battery includes an all-vanadium-based redox battery using a V(IV)/V(V) redox couple as a positive electrolyte and a V(II)/V(III) redox couple as a negative electrolyte; A vanadium-based redox battery using a halogen redox couple as a positive electrode electrolyte and a V(II)/V(III) redox couple as a negative electrode electrolyte; A polysulfide bromine redox battery using a halogen redox couple as a positive electrolyte and a sulfide redox couple as a negative electrolyte; Alternatively, it may be a zinc-bromine (Zn-Br) redox battery using a halogen redox couple as a positive electrolyte and a zinc (Zn) redox couple as a negative electrolyte, but in the present invention, the type of the redox flow battery is Not limited.

이하, 상기 레독스 플로우 전지가 전바나듐계 레독스 전지인 경우를 예로 들어 설명한다. 그러나, 본 발명의 레독스 플로우 전지가 상기 전바나듐계 레독스 전지에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, a case where the redox flow battery is an all-vanadium-based redox battery will be described as an example. However, the redox flow battery of the present invention is not limited to the all-vanadium-based redox battery.

도 2는 상기 전바나듐계 레독스 전지를 개략적으로 나타내는 모식도이다.2 is a schematic diagram schematically showing the all-vanadium-based redox battery.

상기 도 2를 참고하면, 상기 레독스 플로우 전지는 셀 하우징(102), 상기 셀 하우징(102)을 양극 셀(102A)과 음극 셀(102B)로 양분하도록 설치된 상기 이온 교환막(104), 그리고 상기 양극 셀(102A)과 음극 셀(102B) 각각에 위치하는 양극(106) 및 음극(108)을 포함한다.Referring to FIG. 2, the redox flow battery includes a cell housing 102, the ion exchange membrane 104 installed to divide the cell housing 102 into a positive cell 102A and a negative cell 102B, and the It includes an anode 106 and a cathode 108 positioned in the anode cell 102A and the cathode cell 102B, respectively.

또한, 상기 레독스 플로우 전지는 추가적으로 상기 양극 전해질이 저장되는 양극 전해질 저장 탱크(110) 및 상기 음극 전해질이 저장되는 음극 전해질 저장 탱크(112)를 더 포함할 수 있다.In addition, the redox flow battery may further include a positive electrolyte storage tank 110 in which the positive electrolyte is stored and a negative electrolyte storage tank 112 in which the negative electrolyte is stored.

또한, 상기 레독스 플로우 전지는 상기 양극 셀(102A)의 상단 및 하단에 양극 전해질 유입구 및 양극 전해질 유출구를 포함하고, 상기 음극 셀(102B)의 상단 및 하단에 음극 전해질 유입구 및 음극 전해질 유출구를 포함할 수 있다.In addition, the redox flow battery includes a cathode electrolyte inlet and a cathode electrolyte outlet at the top and bottom of the anode cell 102A, and a cathode electrolyte inlet and a cathode electrolyte outlet at the top and bottom of the cathode cell 102B. can do.

상기 양극 전해질 저장 탱크(110)에 저장된 상기 양극 전해질은 펌프(114)에 의하여 상기 양극 전해질 유입구를 통하여 상기 양극 셀(102A)에 유입된 후, 상기 양극 전해질 유출구를 통하여 상기 양극 셀(102A)로부터 배출된다. The positive electrolyte stored in the positive electrolyte storage tank 110 flows into the positive electrode cell 102A through the positive electrolyte inlet by the pump 114, and then from the positive electrode cell 102A through the positive electrolyte outlet. Is discharged.

마찬가지로, 상기 음극 전해질 저장 탱크(112)에 저장된 상기 음극 전해질은 펌프(116)에 의하여 상기 음극 전해질 유입구를 통하여 상기 음극 셀(102B)에 유입된 후, 상기 음극 전해질 유출구를 통하여 상기 음극 셀(102B)로부터 배출된다.Likewise, the negative electrolyte stored in the negative electrolyte storage tank 112 is introduced into the negative electrode cell 102B through the negative electrolyte inlet by the pump 116, and then the negative electrode cell 102B through the negative electrolyte outlet. ) Is discharged from.

상기 양극 셀(102A)에서는 전원/부하(118)의 동작에 따라 상기 양극(106)을 통한 전자의 이동이 발생하며, 이에 따라 V5+↔V4+의 산화/환원 반응이 일어난다. 마찬가지로, 상기 음극 셀(102B)에서는 전원/부하(118)의 동작에 따라 상기 음극(108)을 통한 전자의 이동이 발생하며, 이에 따라 V2+↔V3+의 산화/환원 반응이 일어난다. 산화/환원 반응을 마친 양극 전해질과 음극 전해질은 각각 양극 전해질 저장 탱크(110)와 음극 전해질 저장 탱크(112)로 순환된다.In the anode cell 102A, movement of electrons through the anode 106 occurs according to the operation of the power/load 118, and accordingly, an oxidation/reduction reaction of V 5+V 4+ occurs. Likewise, in the cathode cell 102B, the movement of electrons through the cathode 108 occurs according to the operation of the power/load 118, and accordingly, an oxidation/reduction reaction of V 2+V 3+ occurs. After the oxidation/reduction reaction is completed, the positive electrolyte and the negative electrolyte are circulated to the positive electrolyte storage tank 110 and the negative electrolyte storage tank 112, respectively.

상기 양극(106)과 음극(108)은 Ru, Ti, Ir. Mn, Pd, Au 및 Pt 중에서 선택되는 1종 이상의 금속과, Ru, Ti, Ir, Mn, Pd, Au 및 Pt 중에서 선택되는 1종 이상의 금속의 산화물을 포함하는 복합재(예를 들어, Ti 기재에 Ir 산화물이나 Ru 산화물을 도포한 것), 상기 복합재를 포함하는 카본 복합물, 상기 복합재를 포함하는 치수 안정 전극(DSE), 도전성 폴리머(예를 들어, 폴리아세틸렌, 폴리티오펜 등의 전기가 통하는 고분자 재료), 그래파이트, 유리질 카본, 도전성 다이아몬드, 도전성 DLC(Diamond-Like Carbon), 카본 파이버로 이루어지는 부직포 및 카본 파이버로 이루어지는 직포로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나로 구성된 형태일 수 있다.The anode 106 and the cathode 108 are Ru, Ti, Ir. A composite material containing oxides of at least one metal selected from Mn, Pd, Au, and Pt, and at least one metal selected from Ru, Ti, Ir, Mn, Pd, Au, and Pt (for example, on a Ti substrate Ir oxide or Ru oxide coated), a carbon composite comprising the composite material, a dimensionally stable electrode (DSE) comprising the composite material, a conductive polymer (e.g., a polymer that conducts electricity such as polyacetylene or polythiophene) Material), graphite, glassy carbon, conductive diamond, conductive DLC (Diamond-Like Carbon), nonwoven fabric made of carbon fiber, and woven fabric made of carbon fiber.

상기 양극 전해질 및 음극 전해질은 티탄 이온, 바나듐 이온, 크롬 이온, 아연 이온, 주석 이온 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 금속 이온을 포함할 수 있다.The positive and negative electrolytes may include any one metal ion selected from the group consisting of titanium ions, vanadium ions, chromium ions, zinc ions, tin ions, and mixtures thereof.

예를 들어, 상기 음극 전해질은 음극 전해질 이온으로서 바나듐 2가 이온(V2+) 또는 바나듐 3가 이온(V3+)을 포함하고, 상기 양극 전해질은 양극 전해질 이온으로서 바나듐 4가 이온(V4+) 또는 바나듐 5가 이온(V5+)을 포함할 수 있다.For example, the negative electrolyte includes vanadium divalent ions (V 2+ ) or vanadium trivalent ions (V 3+ ) as negative electrolyte ions, and the positive electrolyte is vanadium tetravalent ions (V 4) as positive electrolyte ions. + ) Or vanadium pentavalent ion (V 5+) may be included.

상기 양극 전해질 및 음극 전해질에 포함되는 상기 금속 이온의 농도는 0.3 M 내지 5 M인 것이 바람직하다. It is preferable that the concentration of the metal ions contained in the positive and negative electrolytes is 0.3 M to 5 M.

상기 양극 전해질 및 음극 전해질의 용매로는 H2SO4, K2SO4, Na2SO4, H3PO4, H4P2O7, K2PO4, Na3PO4, K3PO4, HNO3, KNO3 및 NaNO3로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있다. 상기 양극 및 음극 활물질이 되는 상기 금속 이온들이 모두 수용성이므로, 상기 양극 전해질 및 음극 전해질의 용매로서 수용액을 적합하게 이용할 수 있다. 특히, 수용액으로서, 상기 황산, 인산, 질산, 황산염, 인산염 및 질산염으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 사용하는 경우 상기 금속 이온의 안정성, 반응성 및 용해도를 향상시킬 수 있다.As a solvent for the positive and negative electrolytes, H 2 SO 4 , K 2 SO 4 , Na 2 SO 4 , H 3 PO 4 , H 4 P 2 O 7 , K 2 PO 4 , Na 3 PO 4 , K 3 PO Any one selected from the group consisting of 4 , HNO 3 , KNO 3 and NaNO 3 may be used. Since all of the metal ions used as the positive and negative active materials are water-soluble, an aqueous solution may be suitably used as a solvent for the positive and negative electrolytes. In particular, when any one selected from the group consisting of sulfuric acid, phosphoric acid, nitric acid, sulfate, phosphate and nitrate is used as the aqueous solution, the stability, reactivity, and solubility of the metal ion can be improved.

한편, 상기 이온 교환막은 연료 전지용 막-전극 어셈블리에도 적용될 수 있으며, 구체적으로 상기 막-전극 어셈블리는 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극, 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 상기한 이온 교환막을 포함할 수 있다.Meanwhile, the ion exchange membrane may also be applied to a membrane-electrode assembly for a fuel cell, and specifically, the membrane-electrode assembly includes an anode electrode and a cathode electrode positioned opposite to each other, and the above-described ions positioned between the anode electrode and the cathode electrode. It may include an exchange membrane.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail so that those of ordinary skill in the art can easily implement the present invention. However, the present invention may be implemented in various different forms and is not limited to the embodiments described herein.

[제조예 1: 이온 전도체의 제조][Production Example 1: Preparation of ion conductor]

(제조예 1-1)(Production Example 1-1)

1) 소수성 반복 단위의 제조1) Preparation of hydrophobic repeating unit

하기 반응식 3과 같이, 비스페놀 A(bisphenol A)와 1,3-비스(4-플루오로벤조일)벤젠(1,3-bis(4-fluorobenzoyol)benzene)을 탄산 칼륨(Potassium carbonate)의 존재 하에 DMAc/Toluene 공용매를 이용하여 160 ℃ 내지 180 ℃ 사이에서 30 시간 동안 반응시킨 뒤, 정제수에 토출하여 씻어낸 뒤 열풍건조 하였다. 이때, 올리고머의 중합도를 조절하기 위해 carother's equation를 이용하였다.DMAc in the presence of potassium carbonate (bisphenol A) and 1,3-bis (4-fluorobenzoyl) benzene (1,3-bis (4-fluorobenzoyol) benzene) as shown in Scheme 3 below. /Toluene was reacted for 30 hours between 160°C and 180°C using a co-solvent, discharged to purified water, washed, and then dried with hot air. At this time, carother's equation was used to control the degree of polymerization of the oligomer.

[반응식 3][Scheme 3]

Figure 112018021000387-pat00012
Figure 112018021000387-pat00012

2) 친수성 반복 단위의 제조2) Preparation of hydrophilic repeating unit

하기 반응식 4와 같이, 4,4'-(9-플루오레닐리덴)디페놀(4,4'-(9-fluorenyliene)diphenol)과 비스(4-플루오로페닐)술폰(bis(4-fluorophenyl)sulfone)을 탄산 칼륨(Potassium carbonate)의 존재 하에 DMAc/Toluene 공용매를 이용하여 160 ℃ 내지 180 ℃ 사이에서 30 시간 동안 반응 뒤, 정제수에 토출하여 씻어낸 뒤 열풍건조 하였다. 이때, 올리고머의 중합도를 조절하기 위해 carother's equation를 이용하였다.As shown in Scheme 4 below, 4,4'-(9-fluorenylidene)diphenol (4,4'-(9-fluorenyliene)diphenol) and bis(4-fluorophenyl)sulfone (bis(4-fluorophenyl) )sulfone) was reacted for 30 hours between 160° C. and 180° C. using a DMAc/Toluene co-solvent in the presence of Potassium carbonate, then discharged to purified water, washed, and then dried with hot air. At this time, carother's equation was used to control the degree of polymerization of the oligomer.

[반응식 4][Scheme 4]

Figure 112018021000387-pat00013
Figure 112018021000387-pat00013

3) 중합체의 제조3) Preparation of polymer

상기 제조된 소수성 반복 단위 및 친수성 반복 단위를 탄산 칼륨(Potassium carbonate)의 존재 하에 DMAc/Toluene 공용매를 이용하여 160 ℃ 내지 180 ℃ 사이에서 30 시간 동안 반응 뒤, 정제수에 토출하여 씻어낸 뒤 열풍건조 하였다. 상기 제조된 중합체의 친수성 반복 단위 : 소수성 반복 단위의 몰 비율은 1 : 3.5이었다.The prepared hydrophobic repeating unit and hydrophilic repeating unit were reacted for 30 hours between 160° C. and 180° C. using a DMAc/Toluene co-solvent in the presence of potassium carbonate, then discharged to purified water, washed, and then dried with hot air. I did. The hydrophilic repeating unit of the prepared polymer: the molar ratio of the hydrophobic repeating unit was 1:3.5.

4) 이온 전도체의 제조4) Preparation of ion conductor

상기 제조된 중합체를 디클로로메탄(dichloromethane)에 용해시킨 후, 5 배 과량의 클로로술포닉산(chlorosulfonic acid)/DCM 용액에 천천히 넣어 24 시간 동안 교반하였다. 상기 용액을 폐기하고 석출된 고형물을 정제수에 씻어낸 뒤 열풍 건조하였다.After dissolving the prepared polymer in dichloromethane, it was slowly added to a 5-fold excess of chlorosulfonic acid/DCM solution and stirred for 24 hours. The solution was discarded, the precipitated solid was washed with purified water, and then dried with hot air.

(제조예 1-2)(Production Example 1-2)

상기 제조예 1-1에서 상기 중합체 제조시 친수성 반복 단위 : 소수성 반복 단위의 몰 비율을 1 : 2.5가 되도록 중합체를 제조한 것을 제외하고는 상기 제조예 1-1과 동일하게 실시하여 이온 전도체를 제조하였다.In Preparation Example 1-1, an ion conductor was prepared in the same manner as in Preparation Example 1-1, except that the polymer was prepared so that the molar ratio of the hydrophilic repeating unit: the hydrophobic repeating unit was 1:2.5. I did.

(제조예 1-3)(Production Example 1-3)

1) 소수성 반복 단위의 제조1) Preparation of hydrophobic repeating unit

하기 반응식 5와 같이, 4,4'-디하이드록시벤조페논(4,4'-dihydroxybenzophenone)와 2,6-디플루오로벤조니트릴(2,6-difluorobenzonitrile)을 탄산 칼륨(Potassium carbonate)의 존재 하에 DMAc/Toluene 공용매를 이용하여 160 ℃ 내지 180 ℃ 사이에서 30 시간 동안 반응 뒤, 정제수에 토출하여 씻어낸 뒤 열풍건조 하였다. 이때, 올리고머의 중합도를 조절하기 위해 carother's equation를 이용하였다.4,4'-dihydroxybenzophenone (4,4'-dihydroxybenzophenone) and 2,6-difluorobenzonitrile in the presence of potassium carbonate as shown in Scheme 5 below. Then, it was reacted for 30 hours between 160° C. and 180° C. using a DMAc/Toluene co-solvent under, and then discharged to purified water, washed, and then dried with hot air. At this time, carother's equation was used to control the degree of polymerization of the oligomer.

[반응식 5] [Scheme 5]

Figure 112018021000387-pat00014
Figure 112018021000387-pat00014

2) 친수성 반복 단위의 제조2) Preparation of hydrophilic repeating unit

하기 반응식 6과 같이, 4,4'-(9-플루오레닐리덴)디페놀(4,4'-(9-fluorenyliene)diphenol)과 비스(4-플루오로페닐)술폰(bis(4-fluorophenyl)sulfone)을 탄산 칼륨(Potassium carbonate)의 존재 하에 DMAc/Toluene 공용매를 이용하여 160 ℃ 내지 180 ℃ 사이에서 30 시간 동안 반응 뒤, 정제수에 토출하여 씻어낸 뒤 열풍건조 하였다. 이때, 올리고머의 중합도를 조절하기 위해 carother's equation를 이용하였다.As shown in Scheme 6 below, 4,4'-(9-fluorenylidene)diphenol (4,4'-(9-fluorenyliene)diphenol) and bis(4-fluorophenyl)sulfone (bis(4-fluorophenyl) )sulfone) was reacted for 30 hours between 160° C. and 180° C. using a DMAc/Toluene co-solvent in the presence of Potassium carbonate, then discharged to purified water, washed, and then dried with hot air. At this time, carother's equation was used to control the degree of polymerization of the oligomer.

[반응식 6][Scheme 6]

Figure 112018021000387-pat00015
Figure 112018021000387-pat00015

3) 중합체의 제조3) Preparation of polymer

상기 제조된 소수성 반복 단위 및 친수성 반복 단위를 탄산 칼륨(Potassium carbonate)의 존재 하에 DMAc/Toluene 공용매를 이용하여 160 ℃ 내지 180 ℃ 사이에서 30 시간 동안 반응 뒤, 정제수에 토출하여 씻어낸 뒤 열풍건조 하였다. 상기 제조된 중합체의 친수성 반복 단위(Y) : 소수성 반복 단위(X)의 몰비는 1 : 3.5 이었다.The prepared hydrophobic repeating unit and hydrophilic repeating unit are reacted for 30 hours at 160° C. to 180° C. using a DMAc/Toluene co-solvent in the presence of potassium carbonate, then discharged to purified water, washed, and then dried with hot air. I did. The molar ratio of the hydrophilic repeating unit (Y) to the hydrophobic repeating unit (X) of the prepared polymer was 1:3.5.

4) 이온 전도체의 제조4) Preparation of ion conductor

상기 제조된 중합체를 디클로로메탄(dichloromethane)에 용해시킨 후, 5 배 과량의 클로로술포닉산(chlorosulfonic acid)/DCM 용액에 천천히 넣어 24 시간 동안 교반하였다. 상기 용액을 폐기하고 석출된 고형물을 정제수에 씻어낸 뒤 열풍 건조하였다.After dissolving the prepared polymer in dichloromethane, it was slowly added to a 5-fold excess of chlorosulfonic acid/DCM solution and stirred for 24 hours. The solution was discarded, the precipitated solid was washed with purified water, and then dried with hot air.

(제조예 1-4)(Production Example 1-4)

상기 제조예 1-3에서 상기 중합체 제조시 친수성 반복 단위 : 소수성 반복 단위의 몰 비율을 1 : 2.5가 되도록 중합체를 제조한 것을 제외하고는 상기 제조예 1-3과 동일하게 실시하여 이온 전도체를 제조하였다.In Preparation Example 1-3, when the polymer was prepared, an ion conductor was prepared in the same manner as in Preparation Example 1-3, except that the polymer was prepared so that the molar ratio of the hydrophilic repeat unit: the hydrophobic repeat unit was 1: 2.5. I did.

(제조예 1-5)(Production Example 1-5)

1) 소수성 반복 단위의 제조1) Preparation of hydrophobic repeating unit

4,4'-디하이드록시벤조페논(4,4'-dihydroxybenzophenone)과 비스(4-플루오로페닐)술폰(bis(4-fluorophenyl)sulfone)을 탄산 칼륨(Potassium carbonate)의 존재 하에 DMAc/Toluene 공용매를 이용하여 160 ℃ 내지 180 ℃ 사이에서 30 시간 동안 반응시킨 뒤, 정제수에 토출하여 씻어낸 뒤 열풍건조 하였다. 이때, 올리고머의 중합도를 조절하기 위해 carother's equation를 이용하였다.4,4'-dihydroxybenzophenone (4,4'-dihydroxybenzophenone) and bis (4-fluorophenyl) sulfone (bis (4-fluorophenyl) sulfone) in the presence of potassium carbonate (Potassium carbonate) DMAc / Toluene After reacting for 30 hours between 160° C. and 180° C. using a co-solvent, it was discharged into purified water, washed, and then dried with hot air. At this time, carother's equation was used to control the degree of polymerization of the oligomer.

2) 친수성 반복 단위의 제조2) Preparation of hydrophilic repeating unit

4,4'-(9-플루오레닐리덴)디페놀(4,4'-(9-fluorenyliene)diphenol)과 1,3-비스(4-플루오로벤조일)벤젠(1,3-bis(4-fluorobenzoyol)benzene)을 탄산 칼륨(Potassium carbonate)의 존재 하에 DMAc/Toluene 공용매를 이용하여 160 ℃ 내지 180 ℃ 사이에서 30 시간 동안 반응 뒤, 정제수에 토출하여 씻어낸 뒤 열풍건조 하였다. 이때, 올리고머의 중합도를 조절하기 위해 carother's equation를 이용하였다.4,4'-(9-fluorenylidene)diphenol (4,4'-(9-fluorenyliene)diphenol) and 1,3-bis(4-fluorobenzoyl)benzene (1,3-bis(4 -fluorobenzoyol)benzene) was reacted with a DMAc/Toluene co-solvent for 30 hours in the presence of potassium carbonate (Potassium carbonate) between 160° C. and 180° C., discharged to purified water, washed, and then dried with hot air. At this time, carother's equation was used to control the degree of polymerization of the oligomer.

3) 중합체의 제조3) Preparation of polymer

상기 제조된 소수성 반복 단위 및 친수성 반복 단위를 탄산 칼륨(Potassium carbonate)의 존재 하에 DMAc/Toluene 공용매를 이용하여 160 ℃ 내지 180 ℃ 사이에서 30 시간 동안 반응 뒤, 정제수에 토출하여 씻어낸 뒤 열풍건조 하여 하기 화학식 8로 표시되는 중합체를 제조하였다. 상기 제조된 중합체의 친수성 반복 단위(X) : 소수성 반복 단위(Y)의 몰비는 1 : 3.5 이었다.The prepared hydrophobic repeating unit and hydrophilic repeating unit were reacted for 30 hours between 160° C. and 180° C. using a DMAc/Toluene co-solvent in the presence of potassium carbonate, then discharged to purified water, washed, and then dried with hot air. Thus, a polymer represented by the following formula (8) was prepared. The molar ratio of the hydrophilic repeating unit (X) to the hydrophobic repeating unit (Y) of the prepared polymer was 1:3.5.

[화학식 8][Formula 8]

Figure 112018021000387-pat00016
Figure 112018021000387-pat00016

4) 이온 전도체의 제조4) Preparation of ion conductor

상기 제조된 중합체를 디클로로메탄(dichloromethane)에 용해시킨 후, 5 배 과량의 클로로술포닉산(chlorosulfonic acid)/DCM 용액에 천천히 넣어 24 시간 동안 교반하였다. 상기 용액을 폐기하고 석출된 고형물을 정제수에 씻어낸 뒤 열풍 건조하였다.After dissolving the prepared polymer in dichloromethane, it was slowly added to a 5-fold excess of chlorosulfonic acid/DCM solution and stirred for 24 hours. The solution was discarded, the precipitated solid was washed with purified water, and then dried with hot air.

(제조예 1-6)(Production Example 1-6)

상기 제조예 1-5에서 상기 중합체 제조시 친수성 반복 단위 : 소수성 반복 단위의 몰 비율을 1 : 2.5가 되도록 중합체를 제조한 것을 제외하고는 상기 제조예 1-5과 동일하게 실시하여 이온 전도체를 제조하였다.In Preparation Example 1-5, an ion conductor was prepared in the same manner as in Preparation Example 1-5, except that the polymer was prepared so that the molar ratio of the hydrophilic repeating unit: the hydrophobic repeating unit was 1:2.5. I did.

[제조예 2: 다공성 지지체의 제조][Production Example 2: Preparation of porous support]

(제조예 2-1)(Production Example 2-1)

폴리아믹산(polyamic acid)을 디메틸포름아마이드에 용해시켜 480 poise의 방사용액 5 L를 제조하였다. 제조된 방사용액을 용액 탱크에 이송한 후, 이를 정량 기어펌프를 통해 노즐이 20개로 구성되고 고전압이 3 kV로 인가된 방사챔버로 공급하여 방사하여 나노섬유 전구체의 웹을 제조하였다. 이때 용액 공급량은 1.5 ml/min이었다. 제조된 나노섬유 전구체의 웹을 350 ℃에서 열처리하여 다공성 지지체(다공도: 40 부피%)를 제조하였다. Polyamic acid was dissolved in dimethylformamide to prepare 5 L of a spinning solution of 480 poise. After transferring the prepared spinning solution to a solution tank, it was supplied to a spinning chamber composed of 20 nozzles and applied at a high voltage of 3 kV through a quantitative gear pump, and spun to prepare a web of nanofiber precursors. At this time, the amount of solution supplied was 1.5 ml/min. The prepared web of the nanofiber precursor was heat-treated at 350° C. to prepare a porous support (porosity: 40% by volume).

상기 다공성 지지체에서 폴리이미드 나노섬유의 단위 면적당 중량은 6.8 gsm이었다. The weight per unit area of the polyimide nanofibers in the porous support was 6.8 gsm.

[제조예 3: 다공성 금속 산화물의 제조][Production Example 3: Preparation of Porous Metal Oxide]

(제조예 3-1)(Production Example 3-1)

100 g의 세틸 트리메틸 암모늄(CTMA) 수산화 용액과 100 g의 테트라 메틸 암모늄(TMA) 실리케이트 용액(10 중량% 실리카)을 교반하면서 혼합하였다. 0.02 ㎛의 입자 크기를 가지는 침강 수화 실리카(precipitated hydrated silica)인 HiSil 25 g을 상기 혼합물에 첨가하였다. 상기 실리카가 첨가된 혼합물을 폴리프로필렌 병에 넣고, 95 ℃의 증기 상자에서 밤새 결정화시켰다. 100 g of cetyl trimethyl ammonium (CTMA) hydroxide solution and 100 g of tetramethyl ammonium (TMA) silicate solution (10% by weight silica) were mixed while stirring. 25 g of HiSil, a precipitated hydrated silica having a particle size of 0.02 μm, was added to the mixture. The silica-added mixture was placed in a polypropylene bottle and crystallized overnight in a vapor box at 95°C.

생성된 고체 생성물을 여과하여 회수하고 주위 온도에서 공기 중에서 건조시켰다. 이어서, 생성물을 540 ℃에서 1 시간 동안 질소 중에서 하소시킨 다음, 공기 중에서 6 시간 동안 하소시켰다.The resulting solid product was recovered by filtration and dried in air at ambient temperature. The product was then calcined at 540° C. for 1 hour in nitrogen and then in air for 6 hours.

상기 하소된 생성물은 표면적이 475 m2/g이고, 벤젠 흡착 용량(benzene adsorption capacity, @ 50 torr, 25 ℃)이 21.5 g/100 g이었다. The calcined product had a surface area of 475 m 2 /g and a benzene adsorption capacity (@ 50 torr, 25° C.) of 21.5 g/100 g.

또한, 상기 생성물의 X-선 회절 패턴을 측정한 결과, 10 Å units d-spacing은 8.842 degrees 2-theta(Cu K-alpha radiation)이었고, 18 Å units d-spacing은 4.909 degrees 2-theta(Cu K-alpha radiation)이었다. 상기 생성물은 37.8±2.0 Å d-spacing에서 매우 강한 피크를 나타내고, 21.6±1.0 및 19.2±1.0 Å d-spacing에서 약한 피크를 가졌다.In addition, as a result of measuring the X-ray diffraction pattern of the product, 10 Å units d-spacing was 8.842 degrees 2-theta (Cu K-alpha radiation), and 18 Å units d-spacing was 4.909 degrees 2-theta (Cu K-alpha radiation). The product showed very strong peaks at 37.8±2.0 Å d-spacing, and weak peaks at 21.6±1.0 and 19.2±1.0 Å d-spacing.

또한, 상기 생성물은 투과 전자 현미경(TEM) 사진에서 균일한 기공이 육각형으로 배열되고, 약 39 Å의 d 100 값을 가지는 육각형 전자 회절 패턴의 이미지를 생성하였다.In addition, the product produced an image of a hexagonal electron diffraction pattern having uniform pores arranged in a hexagonal shape in a transmission electron microscope (TEM) image and having a d 100 value of about 39 Å.

상기 제조된 다공성 금속 산화물의 기공 크기는 1 nm이었고, 높이는 20 nm 이었고, 종횡비는 1 : 1이었다.The pore size of the prepared porous metal oxide was 1 nm, the height was 20 nm, and the aspect ratio was 1:1.

[실시예 1: 단일막 형태의 이온 교환막의 제조][Example 1: Preparation of single membrane type ion exchange membrane]

(실시예 1-1 내지 1-6)(Examples 1-1 to 1-6)

각각 상기 제조예 1-1 내지 제조예 1-6에서 제조된 이온 전도체 0.2 중량부 및 상기 제조예 3-1에서 제조된 다공성 금속 산화물 0.04 중량부를 DMAc 1 중량부에 용해시킨 후 제막하여 단일막 형태의 이온 교환막을 제조하였다.0.2 parts by weight of the ion conductor prepared in Preparation Examples 1-1 to 1-6 and 0.04 parts by weight of the porous metal oxide prepared in Preparation Example 3-1 were dissolved in 1 part by weight of DMAc, respectively, and formed into a single film. An ion exchange membrane was prepared.

상기 제조된 이온 교환막은 상기 다공성 금속 산화물을 상기 이온 전도체 1 중량부에 대하여 0.2 중량부로 포함하였다.The prepared ion exchange membrane contained 0.2 parts by weight of the porous metal oxide based on 1 part by weight of the ion conductor.

(비교예 1-1 내지 1-6)(Comparative Examples 1-1 to 1-6)

각각 상기 제조예 1-1 내지 제조예 1-6에서 제조된 이온 전도체 0.2 중량부를 DMAc 1 중량부에 용해시킨 후 제막하여 단일막 형태의 이온 교환막을 제조하였다.After dissolving 0.2 parts by weight of the ion conductors prepared in Preparation Examples 1-1 to 1-6, respectively, in 1 part by weight of DMAc, the film was formed to prepare an ion exchange membrane in the form of a single membrane.

[실시예 2: 코팅층 형태의 이온 교환막의 제조][Example 2: Preparation of an ion exchange membrane in the form of a coating layer]

(실시예 2-1 내지 2-6)(Examples 2-1 to 2-6)

각각 상기 제조예 1-1 내지 제조예 1-6에서 제조된 이온 전도체 0.2 중량부를 DMAc 1 중량부에 용해시킨 후 제막하여 단일막 형태의 고분자 막을 제조하였다.After dissolving 0.2 parts by weight of the ion conductors prepared in Preparation Examples 1-1 to 1-6, respectively, in 1 part by weight of DMAc, the film was formed to prepare a polymer film in the form of a single film.

상기 제조예 3-1에서 제조된 다공성 금속 산화물 0.2 중량부를 DMAc 1 중량부에 용해시켜 다공성 금속 산화물을 포함하는 용액을 제조하였다. 상기 다공성 금속 산화물을 포함하는 용액을 상기 고분자 막 한면에 1차 도포하고 90 ℃에서 1 시간 동안 1차 건조하고, 상기 1차 건조한 위에 2차 도포하고 90 ℃에서 1 시간 동안 2차 건조하여 코팅층을 형성하였다.0.2 parts by weight of the porous metal oxide prepared in Preparation Example 3-1 was dissolved in 1 part by weight of DMAc to prepare a solution containing the porous metal oxide. The solution containing the porous metal oxide was first applied to one side of the polymer membrane, dried at 90° C. for 1 hour, applied secondly on the first drying, and dried at 90° C. for 1 hour to form a coating layer. Formed.

상기 제조된 이온 교환막은 상기 다공성 금속 산화물을 상기 이온 전도체 1 중량부에 대하여 0.04 중량부로 포함하였고, 상기 다공성 금속 산화물을 포함하는 코팅층은 상기 고분자 막 1 부피부에 대하여 0.2 부피부였다.The prepared ion exchange membrane contained 0.04 parts by weight of the porous metal oxide based on 1 part by weight of the ion conductor, and the coating layer including the porous metal oxide was 0.2 parts by volume based on 1 part by volume of the polymer membrane.

(실시예 2-7)(Example 2-7)

상기 제조예 1-1에서 제조된 이온 전도체 0.2 중량부를 DMAc 1 중량부에 용해시킨 후 제막하여 단일막 형태의 고분자 막을 제조하였다.After dissolving 0.2 parts by weight of the ion conductor prepared in Preparation Example 1-1 in 1 part by weight of DMAc, the film was formed to prepare a polymer film in the form of a single film.

상기 제조예 3-1에서와 동일한 방법을 이용하되 기공 크기가 2 nm가 되도록 제조된 다공성 금속 산화물 0.04 중량부를 DMAc 1 중량부에 용해시켜 다공성 금속 산화물을 포함하는 용액을 제조하였다. 상기 다공성 금속 산화물을 포함하는 용액을 상기 고분자 막 한면에 1차 도포하고 90 ℃에서 1 시간 동안 1차 건조하고, 상기 1차 건조한 위에 2차 도포하고 90 ℃에서 1 시간 동안 2차 건조하여 코팅층을 형성하였다.Using the same method as in Preparation Example 3-1, but dissolving 0.04 parts by weight of a porous metal oxide prepared so that the pore size is 2 nm in 1 part by weight of DMAc, a solution containing the porous metal oxide was prepared. The solution containing the porous metal oxide was first applied to one side of the polymer membrane, dried at 90° C. for 1 hour, applied secondly on the first drying, and dried at 90° C. for 1 hour to form a coating layer. Formed.

상기 제조된 이온 교환막은 상기 다공성 금속 산화물을 상기 이온 전도체 1 중량부에 대하여 0.04 중량부로 포함하였고, 상기 다공성 금속 산화물을 포함하는 코팅층은 상기 고분자 막 1 부피부에 대하여 0.2 부피부였다.The prepared ion exchange membrane contained 0.04 parts by weight of the porous metal oxide based on 1 part by weight of the ion conductor, and the coating layer including the porous metal oxide was 0.2 parts by volume based on 1 part by volume of the polymer membrane.

(비교예 2-1 내지 2-6)(Comparative Examples 2-1 to 2-6)

각각 상기 제조예 1-1 내지 제조예 1-6에서 제조된 이온 전도체 0.2 중량부를 DMAc 1 중량부에 용해시킨 후 제막하여 단일막 형태의 고분자 막을 제조하였다.After dissolving 0.2 parts by weight of the ion conductors prepared in Preparation Examples 1-1 to 1-6, respectively, in 1 part by weight of DMAc, the film was formed to prepare a polymer film in the form of a single film.

3D cubic 형상이며 기공 크기가 1 nm인 실리카(제조사: ACS Materials, 제품명: MCM-48) 0.04 중량부를 DMAc 1 중량부에 용해시켜 다공성 금속 산화물을 포함하는 용액을 제조하였다. 상기 다공성 금속 산화물을 포함하는 용액을 상기 고분자 막 한면에 1차 도포하고 90 ℃에서 1 시간 동안 1차 건조하고, 상기 1차 건조한 위에 2차 도포하고 90 ℃에서 1 시간 동안 2차 건조하여 코팅층을 형성하였다.A solution containing a porous metal oxide was prepared by dissolving 0.04 parts by weight of silica (manufacturer: ACS Materials, product name: MCM-48) having a 3D cubic shape and a pore size of 1 nm in 1 part by weight of DMAc. The solution containing the porous metal oxide was first applied to one side of the polymer membrane, dried at 90° C. for 1 hour, applied secondly on the first drying, and dried at 90° C. for 1 hour to form a coating layer. Formed.

상기 제조된 이온 교환막은 상기 실리카를 상기 이온 전도체 1 중량부에 대하여 0.04 중량부로 포함하였고, 상기 다공성 금속 산화물을 포함하는 코팅층은 상기 고분자 막 1 부피부에 대하여 0.2 부피부였다.The prepared ion exchange membrane contained 0.04 parts by weight of silica based on 1 part by weight of the ion conductor, and the coating layer including the porous metal oxide was 0.2 parts by volume based on 1 part by volume of the polymer membrane.

[실시예 3: 적층막 형태의 이온 교환막의 제조][Example 3: Preparation of an ion exchange membrane in the form of a laminated membrane]

(실시예 3-1 내지 3-6)(Examples 3-1 to 3-6)

각각 상기 제조예 1-1 내지 제조예 1-6에서 제조된 이온 전도체 0.2 중량부를 DMAc 1 중량부에 용해시킨 후 제막하여 두께가 40 ㎛인 제 1 고분자 막을 제조하였다.After dissolving 0.2 parts by weight of the ion conductors prepared in Preparation Examples 1-1 to 1-6, respectively, in 1 part by weight of DMAc, the film was formed to prepare a first polymer film having a thickness of 40 μm.

각각 상기 제조예 1-1 내지 제조예 1-6에서 제조된 이온 전도체 0.2 중량부 및 상기 제조예 3-1에서 제조된 다공성 금속 산화물 0.04 중량부를 DMAc 1 중량부에 용해시킨 후 제막하여 두께가 10 ㎛인 제 2 고분자 막을 제조하였다.0.2 parts by weight of the ion conductor prepared in Preparation Examples 1-1 to 1-6 and 0.04 parts by weight of the porous metal oxide prepared in Preparation Example 3-1 were dissolved in 1 part by weight of DMAc, respectively, and then formed to have a thickness of 10. A second polymer membrane of µm was prepared.

상기 제 1 고분자 막과 상기 제 2 고분자 막을 적층하고 150 ℃, 1500 MPa에서 열 압착하여 이온 교환막을 제조하였다.The first polymer membrane and the second polymer membrane were stacked and then thermally compressed at 150° C. and 1500 MPa to prepare an ion exchange membrane.

상기 제조된 이온 교환막은 상기 다공성 금속 산화물을 상기 이온 전도체 1 중량부에 대하여 0.04 중량부로 포함하였고, 상기 제 2 고분자 막은 상기 제 1 고분자 막 1 부피부에 대하여 0.2 부피부였다.The prepared ion exchange membrane contained 0.04 parts by weight of the porous metal oxide based on 1 part by weight of the ion conductor, and the second polymer membrane was 0.2 parts by volume based on 1 part by weight of the first polymer membrane.

[실시예 4: 강화막 형태의 이온 교환막의 제조][Example 4: Preparation of an ion exchange membrane in the form of a reinforced membrane]

(실시예 4-1 내지 4-6)(Examples 4-1 to 4-6)

각각 상기 제조예 1-1 내지 제조예 1-6에서 제조한 이온 전도체 0.2 중량부 및 상기 제조예 3-1에서 제조된 다공성 금속 산화물 0.04 중량부를 DMAc 1 중량부에 용해시켜 이온 전도체 용액을 제조하였다. An ion conductor solution was prepared by dissolving 0.2 parts by weight of the ion conductor prepared in Preparation Examples 1-1 to 1-6 and 0.04 parts by weight of the porous metal oxide prepared in Preparation Example 3-1, respectively, in 1 part by weight of DMAc. .

다음으로, 상기 제조예 2-1에서 제조한 다공성 지지체를 상기 이온 전도체 용액 중에 2 회에 걸쳐 30 분 동안 함침시킨 후, 감압 하에서 1 시간 동안 방치하고, 80 ℃의 진공에서 10 시간 동안 건조하여 이온 교환막을 제조하였다. Next, the porous support prepared in Preparation Example 2-1 was impregnated in the ion conductor solution twice for 30 minutes, left to stand under reduced pressure for 1 hour, and dried for 10 hours at 80° C. An exchange membrane was prepared.

상기 제조된 이온 교환막은 상기 다공성 금속 산화물을 상기 이온 전도체 1 중량부에 대하여 0.2 중량부로 포함하였다.The prepared ion exchange membrane contained 0.2 parts by weight of the porous metal oxide based on 1 part by weight of the ion conductor.

(비교예 4-1 내지 4-6)(Comparative Examples 4-1 to 4-6)

각각 상기 제조예 1-1 내지 제조예 1-6에서 제조된 이온 전도체 0.2 중량부를 DMAc 1 중량부에 용해시켜 이온 전도체 용액을 제조하였다. An ion conductor solution was prepared by dissolving 0.2 parts by weight of the ion conductors prepared in Preparation Examples 1-1 to 1-6, respectively, in 1 part by weight of DMAc.

다음으로, 상기 제조예 2-1에서 제조한 다공성 지지체를 상기 이온 전도체 용액 중에 2 회에 걸쳐 30 분 동안 함침시킨 후, 감압 하에서 1 시간 동안 방치하고, 80 ℃의 진공에서 10 시간 동안 건조하여 이온 교환막을 제조하였다.Next, the porous support prepared in Preparation Example 2-1 was impregnated in the ion conductor solution twice for 30 minutes, left to stand under reduced pressure for 1 hour, and dried for 10 hours at 80° C. An exchange membrane was prepared.

[실험예 1: 제조된 이온 교환막의 바나듐 투과도 분석][Experimental Example 1: Analysis of vanadium permeability of the prepared ion exchange membrane]

상기 실시예 1-1 내지 실시예 4-6 및 비교예 1-1 내지 비교예 4-6에서 제조된 이온 교환막에 대하여 바나듐 투과도를 측정하였고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.Vanadium permeability was measured for the ion exchange membranes prepared in Examples 1-1 to 4-6 and Comparative Examples 1-1 to 4-6, and the results are shown in Table 1 below.

상기 바나듐 투과도는 MgSO4용액과 바나듐 용액 사이에 막을 위치시켜 시간별로 투과된 바나듐 이온의 양을 UV-vis spectroscopy로 측정하였다.The vanadium permeability was measured by UV-vis spectroscopy by placing a membrane between the MgSO 4 solution and the vanadium solution, and the amount of vanadium ions transmitted over time.

바나듐 투과도(cm2/min)Vanadium transmittance (cm 2 /min) 실시예 1-1Example 1-1 1.57×10-7 1.57×10 -7 실시예 2-1Example 2-1 2.26×10-8 2.26×10 -8 실시예 2-7Example 2-7 9.78×10-8 9.78×10 -8 실시예 3-1Example 3-1 2.40×10-8 2.40×10 -8 비교예 1-1Comparative Example 1-1 9.71×10-7 9.71×10 -7 비교예 2-1Comparative Example 2-1 6.32×10-8 6.32×10 -8 실시예 4-1Example 4-1 6.78×10-9 6.78×10 -9 비교예 4-1Comparative Example 4-1 1.03×10-8 1.03×10 -8 Nafion212
상용막
Nafion212
Commercial film
2.48×10-6 2.48×10 -6

상기 표 1을 참조하면, 상기 실시예들에서 제조된 이온 교환막의 경우, 비교예들에서 제조된 이온 교환막에 비하여, 상기 다공성 금속 산화물을 포함함에 따라, 바나듐 5가 이온의 투과가 방지되는 것을 확인할 수 있다.Referring to Table 1, in the case of the ion exchange membrane prepared in the above examples, it was confirmed that the penetration of vanadium pentavalent ions was prevented by including the porous metal oxide compared to the ion exchange membrane prepared in the comparative examples. I can.

[실험예 2: 제조된 이온 교환막의 성능 분석][Experimental Example 2: Performance Analysis of the Prepared Ion Exchange Membrane]

상기 실시예 1-1 내지 실시예 4-6 및 비교예 1-1 내지 비교예 4-6에서 제조된 이온 교환막에 대하여 전압 효율, 전류 효율 및 시스템 효율을 측정하였고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.Voltage efficiency, current efficiency, and system efficiency were measured for the ion exchange membranes prepared in Examples 1-1 to 4-6 and Comparative Examples 1-1 to 4-6, and the results are shown in Table 2 below. Indicated.

상기 이온 교환막의 시스템 효율(EE, Energy Efficiency)은 하기와 같은 장치를 구성하여 전기 화학적 특성을 측정하였다.The system efficiency (EE, Energy Efficiency) of the ion exchange membrane was measured by configuring the following apparatus to measure electrochemical properties.

상기 에너지 효율을 측정하기 위한 장치는 VRFB에서의 전기 화학적 특성 측정을 위하여 전극 면적 25 cm2의 단위 셀, 2개의 수용액 탱크, 펌프로 구성하였다. 양극액으로 30 mL의 1.7 M VOSO4 및 2.5 M H2SO4를 포함하는 용액(4가 바나듐 수용액)을 사용하였으며, 음극액은 양극액을 전해 환원한 수용액(3가 바나듐 수용액)을 사용하였다. 양극액은 과충전을 억제하기 위해 음극액보다 약간 많은 양을 사용하였다. 측정용 단위 셀은 측정 대상의 막, 25 cm2 크기의 열 처리된 카본 펠트(Heat treated Carbon Felt, Nippon Carbon사 제품), 집전체로 구성하였다. 측정용 단위 셀의 충/방전을 위해 정전위/정전류기를 사용하였으며, 충/방전 전류밀도는 60 mA/cm2에서 측정하였다. 또한 단위 셀의 충/방전은 충전 1.6 V, 방전 1.0 V로 설정하여 cur-off방식으로 진행하였으며, 5회 충/방전을 진행하여, 하기 수학식 2를 활용하여 전류효율(CE), 전압효율(VE), 에너지효율(EE)을 산출하였다.The device for measuring the energy efficiency consisted of a unit cell having an electrode area of 25 cm 2 , two aqueous solution tanks, and a pump for measuring electrochemical properties in VRFB. A solution containing 30 mL of 1.7 M VOSO 4 and 2.5 MH 2 SO 4 (a solution of tetravalent vanadium) was used as the anolyte, and an aqueous solution obtained by electrolytic reduction of the anolyte (aqueous solution of trivalent vanadium) was used as the catholyte. The anolyte was used in an amount slightly larger than that of the catholyte to suppress overcharging. The unit cell for measurement consisted of a film to be measured, a heat treated carbon felt (made by Nippon Carbon, Inc.) having a size of 25 cm 2, and a current collector. For charging/discharging the unit cell for measurement, a static potential/constant current device was used, and the charging/discharging current density was measured at 60 mA/cm 2. In addition, charging/discharging of the unit cell was set to 1.6 V for charging and 1.0 V for discharging and proceeded in a cur-off method, and charging/discharging was performed 5 times, and current efficiency (CE) and voltage efficiency were used by using Equation 2 below. (VE) and energy efficiency (EE) were calculated.

[수학식 2][Equation 2]

CE=QD/QC CE=Q D /Q C

VE=EAD/EAC VE=E AD /E AC

EE=CE×VE EE=CE×VE

여기서, QC[C], QD[C]는 충전과 방전시의 쿨롱 양이고, EAC[V], EAD[V]는 충전과 방전시 셀 전압이다.Here, Q C [C] and Q D [C] are coulomb amounts during charging and discharging, and E AC [V] and E AD [V] are cell voltages during charging and discharging.

막두께(㎛)Film thickness(㎛) 전압효율
(V.E)
Voltage efficiency
(VE)
전류효율
(C.E)
Current efficiency
(CE)
시스템효율
(E.E)
System efficiency
(EE)
실시예 1-1Example 1-1 5555 92%92% 94%94% 86%86% 실시예 2-1Example 2-1 5555 91%91% 94%94% 86%86% 실시예 2-7Example 2-7 5555 92%92% 93%93% 86%86% 실시예 3-1Example 3-1 5555 92%92% 94%94% 86%86% 비교예 1-1Comparative Example 1-1 5555 89%89% 94%94% 84%84% 비교예 2-1Comparative Example 2-1 5555 90%90% 94%94% 85%85% 실시예 4-1Example 4-1 5555 91%91% 93%93% 85%85% 비교예 4-1Comparative Example 4-1 5555 89%89% 94%94% 84%84% Nafion212
상용막
Nafion212
Commercial film
2525 87%87% 94%94% 82%82%

상기 표 2를 참조하면, 상기 실시예들에서 제조된 이온 교환막의 경우, 비교예들에서 제조된 이온 교환막에 비하여, 상기 다공성 금속 산화물을 포함함에 따라, 바나듐 5가 이온의 투과가 방지되어, 전압 효율이 향상되고 열화가 방지되었음을 확인할 수 있다.Referring to Table 2, in the case of the ion exchange membrane prepared in the Examples, as compared to the ion exchange membrane prepared in Comparative Examples, the penetration of vanadium pentavalent ions was prevented, as compared to the ion exchange membrane prepared in Comparative Examples. It can be seen that the efficiency is improved and deterioration is prevented.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements of those skilled in the art using the basic concept of the present invention defined in the following claims are also present. It belongs to the scope of rights of

104: 이온 교환막
10: 제 1 고분자 막
11: 제 1 이온 전도체
20: 제 2 고분자 막
21: 제 2 이온 전도체
22: 다공성 금속 산화물
102: 셀 하우징
102A: 양극 셀 102B: 음극 셀
104: 이온 교환막
106: 양극
108: 음극
110: 양극 전해질 저장 탱크
112: 음극 전해질 저장 탱크
114, 116: 펌프
118: 전원/부하
104: ion exchange membrane
10: first polymer membrane
11: first ion conductor
20: second polymer membrane
21: second ion conductor
22: porous metal oxide
102: cell housing
102A: anode cell 102B: cathode cell
104: ion exchange membrane
106: anode
108: cathode
110: anode electrolyte storage tank
112: cathode electrolyte storage tank
114, 116: pump
118: power/load

Claims (16)

이온 전도체를 포함하는 고분자 막, 그리고
기둥 형상을 가지며, 상기 기둥의 높이 방향을 따라 연장되며 상기 기둥을 관통하는 복수개의 기공을 포함하는 다공성 금속 산화물
을 포함하고,
상기 다공성 금속 산화물의 상기 기공의 크기는 0.35 nm 내지 1.2 nm인,
이온 교환막.
A polymeric membrane containing an ionic conductor, and
Porous metal oxide having a pillar shape, extending along the height direction of the pillar and including a plurality of pores penetrating the pillar
Including,
The pore size of the porous metal oxide is 0.35 nm to 1.2 nm,
Ion exchange membrane.
제 1 항에 있어서,
상기 다공성 금속 산화물의 상기 기공의 크기는 0.5 nm 내지 1 nm인 것인 이온 교환막.
The method of claim 1,
The size of the pores of the porous metal oxide is 0.5 nm to 1 nm of the ion exchange membrane.
제 1 항에 있어서,
상기 기둥 형상의 다공성 금속 산화물은 높이가 3 nm 내지 200 nm인 것인 이온 교환막.
The method of claim 1,
The columnar porous metal oxide is an ion exchange membrane having a height of 3 nm to 200 nm.
제 1 항에 있어서,
상기 기둥 형상의 다공성 금속 산화물은 종횡비가 1 : 0.1 내지 1 : 1인 것인 이온 교환막.
The method of claim 1,
The pillar-shaped porous metal oxide has an aspect ratio of 1: 0.1 to 1: 1. The ion exchange membrane.
제 1 항에 있어서,
상기 다공성 금속 산화물은 실리카, 유기 실리카, 실리카 이외의 금속 산화물 및 실리카 이외의 금속 산화물-실리카 복합체로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것인 이온 교환막.
The method of claim 1,
The porous metal oxide is any one selected from the group consisting of silica, organic silica, metal oxide other than silica, and metal oxide other than silica-silica composite.
제 1 항에 있어서,
상기 다공성 금속 산화물은, 상기 기둥의 높이 방향과 수직한 방향의 단면에서 상기 복수개의 기공이 육각형 형상으로 배열되는, 육각 기둥 형상인 것인 이온 교환막.
The method of claim 1,
The porous metal oxide is an ion exchange membrane having a hexagonal column shape, wherein the plurality of pores are arranged in a hexagonal shape in a cross section in a direction perpendicular to the height direction of the column.
제 6 항에 있어서,
상기 육각 기둥 형상의 다공성 금속 산화물은 d100 값이 18 Å 이상인 육각 전자 회절 패턴(hexagonal electron diffraction pattern)을 가지고,
벤젠 흡착 용량(benzene adsorption capacity, @ 50 torr, 25 ℃)이 15 g/100 g(벤젠의 grams/다공성 금속 산화물의 grams) 이상인 것인 이온 교환막.
The method of claim 6,
The hexagonal columnar porous metal oxide has a hexagonal electron diffraction pattern having a d 100 value of 18 Å or more,
An ion exchange membrane having a benzene adsorption capacity (@ 50 torr, 25 ℃) of 15 g/100 g (grams of benzene/grams of porous metal oxide) or more.
제 1 항에 있어서,
상기 이온 교환막은 상기 다공성 금속 산화물을 상기 이온 전도체 1 중량부에 대하여 0.01 중량부 내지 0.50 중량부로 포함하는 것인 이온 교환막.
The method of claim 1,
The ion exchange membrane is an ion exchange membrane containing the porous metal oxide in an amount of 0.01 parts by weight to 0.50 parts by weight based on 1 part by weight of the ion conductor.
제 1 항에 있어서,
상기 다공성 금속 산화물은 상기 이온 전도체와 혼합되어 상기 고분자 막 내부에 분산된 것인 이온 교환막.
The method of claim 1,
The porous metal oxide is mixed with the ion conductor and dispersed in the polymer membrane.
제 1 항에 있어서,
상기 이온 교환막은
상기 이온 전도체를 포함하는 고분자 막, 그리고
상기 고분자 막 일면 또는 양면의 표면에 위치하며, 상기 다공성 금속 산화물을 포함하는 코팅층을 포함하는 것인 이온 교환막.
The method of claim 1,
The ion exchange membrane
A polymer membrane comprising the ion conductor, and
It is positioned on the surface of one or both surfaces of the polymer membrane, the ion exchange membrane comprising a coating layer containing the porous metal oxide.
제 10 항에 있어서,
상기 다공성 금속 산화물을 포함하는 코팅층은 상기 고분자 막 1 부피부에 대하여 0.05 부피부 내지 1.0 부피부인 것인 이온 교환막.
The method of claim 10,
The coating layer including the porous metal oxide is an ion exchange membrane in which 0.05 parts by volume to 1.0 parts by volume per 1 part by volume of the polymer membrane.
제 1 항에 있어서,
상기 이온 교환막은
상기 이온 전도체를 포함하는 제 1 고분자 막과,
상기 이온 전도체 및 상기 이온 전도체와 혼합되어 분산된 상기 다공성 금속 산화물을 포함하는 제 2 고분자 막이 적층된 것인
이온 교환막.
The method of claim 1,
The ion exchange membrane
A first polymer membrane comprising the ion conductor,
The ion conductor and the second polymer membrane including the porous metal oxide dispersed by being mixed with the ion conductor is stacked
Ion exchange membrane.
제 12 항에 있어서,
상기 제 2 고분자 막은 상기 제 1 고분자 막 1 부피부에 대하여 0.05 부피부 내지 1.0 부피부인 것인 이온 교환막.
The method of claim 12,
The second polymer membrane is an ion exchange membrane in which 0.05 part by volume to 1.0 part by volume with respect to 1 part by volume of the first polymer membrane.
제 1 항에 있어서,
상기 고분자 막은
다수의 공극(pore)을 포함하는 다공성 지지체, 및
상기 다공성 지지체의 공극을 채우고 있는 상기 이온 전도체
를 포함하는 것인 이온 교환막.
The method of claim 1,
The polymer membrane is
A porous support comprising a plurality of pores, and
The ion conductor filling the pores of the porous support
The ion exchange membrane comprising a.
제 1 항에 따른 이온 교환막을 포함하는 에너지 저장 장치.An energy storage device comprising the ion exchange membrane according to claim 1. 제 15 항에 있어서,
상기 에너지 저장 장치는 레독스 플로우 전지(redox flow battery)인 것인 에너지 저장 장치.
The method of claim 15,
The energy storage device is an energy storage device that is a redox flow battery.
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