KR102264516B1 - Ion exchanging membrane, method for manufacturing the same and energy storage system comprising the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이온 교환막, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 에너지 저장 장치에 관한 것으로서, 상기 이온 교환막은 지지체 층, 상기 지지체 층 일면에 위치하며, 이온 전도체를 포함하는 고분자 전해질 막, 그리고 상기 지지체 층과 상기 고분자 전해질 막 사이에 위치하는 계면 접착층을 포함한다.
상기 이온 교환막은 지지체 층을 포함함으로써, 이온 투과 경로가 증가되어 바나듐 이온과 브롬 이온의 이동이 억제되고, 이로 인하여 이들 이온이 고분자 전해질 막 내에서 열화 반응을 일으키거나 전압 효율을 낮추는 문제가 방지되면서도, 상기 지지체 층과 고분자 전해질 막의 계면간 결착력이 높고, 지지체 층의 팽윤성과 고분자 전해질 막의 팽윤성 차이가 최소화되어 구조적 안정성이 우수하다.The present invention relates to an ion exchange membrane, a method for manufacturing the same, and an energy storage device including the same, wherein the ion exchange membrane includes a support layer, a polymer electrolyte membrane disposed on one surface of the support layer, and including an ion conductor, and the support layer and the and an interfacial adhesive layer positioned between the polymer electrolyte membranes.
Since the ion exchange membrane includes a support layer, the ion permeation path is increased and the movement of vanadium ions and bromine ions is suppressed, thereby preventing these ions from causing a degradation reaction in the polymer electrolyte membrane or lowering the voltage efficiency. , the interfacial bonding force between the support layer and the polymer electrolyte membrane is high, and the difference between the swelling property of the support layer and the swelling property of the polymer electrolyte membrane is minimized, so that the structural stability is excellent.
Description
본 발명은 이온 교환막, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 에너지 저장 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 바나듐 이온과 브롬 이온의 이동이 억제되고, 구조적 안정성이 우수한 이온 교환막, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 에너지 저장 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an ion exchange membrane, a method for manufacturing the same, and an energy storage device including the same, and more particularly, to an ion exchange membrane in which movement of vanadium ions and bromine ions is suppressed and structural stability is excellent, a manufacturing method thereof, and energy comprising the same It's about storage.
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 problems of depletion of fossil fuels and environmental pollution, efforts are being 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 are being used more efficiently than ever before, but these energy sources are intermittent and unpredictable. Due to these characteristics, dependence on these energy sources is limited, and the proportion 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.Rechargeable batteries provide a simple and efficient method of storing electricity, so efforts are being made to miniaturize them and increase their mobility to use them as intermittent auxiliary power sources or as power sources for small household appliances such as laptops, tablet PCs, and mobile phones.
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 store and use energy for a long period of time by repeating charging and discharging by an electrochemical reversible reaction of an electrolyte. The stack and electrolyte tank, which 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 small.
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 sudden increase in power demand by installing it in a power plant, power system, or building, and a function to compensate or suppress power failure or instantaneous low voltage, etc., and can be freely combined as needed. It is a very promising energy storage technology and is 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 is generally composed of two separate electrolytes. One stores the electroactive material in the negative electrode reaction and the other is used in the positive electrode reaction. In an actual redox flow battery, the electrolyte reaction is different between the anode and the cathode, and since the electrolyte flow phenomenon exists, a pressure difference occurs between the anode side and the cathode side. In the all-vanadium-based redox flow battery, which is a representative redox flow battery, the reactions of the positive and negative electrolytes are shown in Schemes 1 and 2, respectively.
[반응식 1][Scheme 1]
[반응식 2][Scheme 2]
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, an ion exchange membrane with improved physical and chemical durability is required to overcome the pressure difference at both electrodes and to exhibit excellent battery performance even after repeated charging and discharging, and 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 such, in the redox flow battery, the ion exchange membrane is a key component that determines the battery life and price. For the commercialization of the redox flow battery, the selective permeability of the ion exchange membrane is high, so that the crossover of vanadium ions is It should be low, electrical resistance should be small, ionic conductivity should be high, and mechanical and chemical stability should be 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.Meanwhile, the polymer electrolyte membrane, which is currently commercialized as an ion exchange membrane, has been used for several decades and is a field that is being continuously studied. Recently, direct methanol fuel cell (DMFC) or polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) Numerous studies on ion exchange membranes as a medium for transferring ions used in electrolyte membrane fuel cells, proton exchange membrane fuel cells, redox flow batteries, and water purification are being actively conducted.
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 a perfluorinated sulfonic acid group, manufactured by DuPont, USA. When this membrane has a saturated moisture content, it has ion conductivity of 0.08 S/cm at room temperature, excellent mechanical strength and chemical resistance, and has stable performance as an electrolyte membrane enough to be used in fuel cells for automobiles. In addition, commercially available membranes of a similar type include Aciplex-S membranes manufactured by Asahi Chemicals, Dow membranes manufactured by Dow Chemicals, and Asahi Glass Ltd. There are Flemion membranes and GoreSelect membranes from Gore & Associates, and polymers perfluorinated in alpha or beta form by Ballard Power System of Canada. It is under development research.
그러나, 상기 막들은 가격이 고가이며 합성 방법이 까다로워 대량 생산의 어려움이 있을 뿐만 아니라, 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 there is a difficulty in mass production, and the efficiency as an ion exchange membrane is greatly reduced, such as having low ionic conductivity at high or low temperatures.
또한, 상기 막들은 레독스 흐름전지 운전시 전달하고자 하는 하이드로늄 이온 외에 바나듐 이온 또는 브롬 이온이 함께 투과되는 크로스오버 현상이 발생하고, 이들 이온들은 상기 막들 내에서 열화 반응을 일으키거나 전압 효율을 낮추는 문제를 발생시킨다.In addition, the membranes undergo a crossover phenomenon in which vanadium ions or bromine ions in addition to the hydronium ions to be transferred are transmitted during operation of the redox flow battery, and these ions cause a degradation reaction in the membranes or lower voltage efficiency. cause problems
본 발명의 목적은 바나듐 이온과 브롬 이온의 이동이 억제되고, 구조적 안정성이 우수한 이온 교환막을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide an ion exchange membrane in which the movement of vanadium ions and bromine ions is suppressed and the structural stability is excellent.
본 발명의 다른 목적은 상기 이온 교환막의 제조 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing the ion exchange membrane.
본 발명의 또 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, 지지체 층, 상기 지지체 층 일면에 위치하며, 이온 전도체를 포함하는 고분자 전해질 막, 그리고 상기 지지체 층과 상기 고분자 전해질 막 사이에 위치하는 계면 접착층을 포함하며, 상기 계면 접착층은 상기 지지체 층, 상기 고분자 전해질 막 및 이 둘 모두로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나가 용융된 후 고화되면서 상기 지지체 층과 상기 고분자 전해질 막을 접착시키는 것인 이온 교환막을 제공한다.According to an embodiment of the present invention, it includes a support layer, a polymer electrolyte membrane positioned on one surface of the support layer and including an ion conductor, and an interfacial adhesive layer positioned between the support layer and the polymer electrolyte membrane, the interface The adhesive layer provides an ion exchange membrane that adheres the support layer and the polymer electrolyte membrane while any one selected from the group consisting of the support layer, the polymer electrolyte membrane, and both is melted and then solidified.
상기 계면 접착층은 상기 고분자 전해질 막의 일부가 용융되어 상기 지지체 층의 공극에 침투한 후 고화되면서 상기 지지체 층과 상기 고분자 전해질 막을 접착시킨 것일 수 있다.The interfacial adhesive layer may be one in which a portion of the polymer electrolyte membrane is melted and penetrated into the pores of the support layer and then solidified while bonding the support layer and the polymer electrolyte membrane.
상기 계면 접착층은 상기 지지체 층의 일부가 용융되어 상기 고분자 전해질 막에 부착된 후 고화되면서 상기 지지체 층과 상기 고분자 전해질 막을 접착시킨 것일 수 있다.The interfacial adhesive layer may be formed by bonding the support layer and the polymer electrolyte membrane while a part of the support layer is melted and attached to the polymer electrolyte membrane and then solidified.
상기 계면 접착층은 상기 지지체 층과 상기 고분자 전해질 막이 용융되어 혼합된 후 고화되면서 상기 지지체 층과 상기 고분자 전해질 막을 접착시킨 것일 수 있다.The interfacial adhesive layer may be formed by bonding the support layer and the polymer electrolyte membrane while the support layer and the polymer electrolyte membrane are melted and mixed and then solidified.
상기 지지체 층은 폴리부틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리우레탄, 폴리부텐, 폴리락트산, 폴리비닐 알코올, 폴리비닐 클로라이드, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리설폰, 폴리에틸렌-코-비닐아세테이트, 폴리아크릴로니트릴, 사이클릭 폴리올레핀, 폴리옥시메틸렌, 폴리올레핀계 열가소성 탄성중합체, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 이들의 유도체, 이들의 공중합체, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 포함할 수 있다.The support layer is polybutylene, polypropylene, polyethylene, polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, polyamide, polyimide, polyurethane, polybutene, polylactic acid, polyvinyl alcohol, polyvinyl chloride, polyphenylene sulfide. , polysulfone, polyethylene-co-vinyl acetate, polyacrylonitrile, cyclic polyolefin, polyoxymethylene, polyolefin-based thermoplastic elastomer, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), their It may include any one selected from the group consisting of derivatives, copolymers thereof, and mixtures thereof.
상기 고분자 전해질 막은 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 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), 술폰화된 폴리퀴녹살린(sulfonated polyquinoxaline), 술폰화된 폴리케톤(sulfonated polyketone), 술폰화된 폴리페닐렌옥사이드(sulfonated polyphenylene oxide), 술폰화된 폴리에테르술폰(sulfonated polyether sulfone), 술폰화된 폴리에테르케톤(sulfonated polyether ketone), 술폰화된 폴리페닐렌술폰(sulfonated polyphenylene sulfone), 술폰화된 폴리페닐렌설파이드(sulfonated polyphenylene sulfide), 술폰화된 폴리페닐렌설파이드술폰(sulfonated polyphenylene sulfide sulfone), 술폰화된 폴리페닐렌설파이드술폰니트릴(sulfonated polyphenylene sulfide sulfone nitrile), 술폰화된 폴리아릴렌에테르(sulfonated polyarylene ether), 술폰화된 폴리아릴렌에테르니트릴(sulfonated polyarylene ether nitrile), 술폰화된 폴리아릴렌에테르에테르니트릴(sulfonated polyarylene ether ether nitrile), 폴리아릴렌에테르술폰케톤(sulfonated polyarylene ether sulfone ketone), 이들의 유도체, 이들의 공중합체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 이온 전도체를 포함할 수 있다.The polymer electrolyte membrane is poly(perfluorosulfonic acid), poly(perfluorocarboxylic acid), a copolymer of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether containing a sulfonic acid group, defluorinated sulfided polyetherketone, sulfonated sulfonated polyimide (S-PI), sulfonated polyarylethersulfone (S-PAES), sulfonated polyetheretherketone (SPEEK), sulfonated polybenzimidazole (S-PAES) polybenzimidazole (SPBI), sulfonated polysulfone (S-PSU), sulfonated polystyrene (S-PS), sulfonated polyphosphazene, sulfonated polyquinoxaline ( sulfonated polyquinoxaline, sulfonated polyketone, sulfonated polyphenylene oxide, sulfonated polyether sulfone, sulfonated polyether ketone , sulfonated polyphenylene sulfone, sulfonated polyphenylene sulfide, sulfonated polyphenylene sulfide sulfone, sulfonated polyphenylene sulfide sulfone Sulfonated polyphenylene sulfide sulfone nitrile, sulfonated polyarylene ether, sulfonated polyarylene ether nitrile, sulfonated polyarylene ether nitrile ed polyarylene ether ether nitrile), polyarylene ether sulfone ketone (sulfonated polyarylene ether sulfone ketone), derivatives thereof, copolymers thereof, and mixtures thereof may include any one ion conductor selected from the group consisting of.
상기 고분자 전해질 막은 다수의 공극(pore)을 포함하는 다공성 지지체, 및 상기 다공성 지지체의 공극을 채우고 있는 상기 이온 전도체를 포함할 수 있다.The polymer electrolyte membrane may include a porous support including a plurality of pores, and the ion conductor filling the pores of the porous support.
상기 고분자 전해질 막과 상기 지지체 층의 부피비는 1:0.1 내지 1:2.0일 수 있다.The volume ratio of the polymer electrolyte membrane and the support layer may be 1:0.1 to 1:2.0.
상기 고분자 전해질 막과 상기 지지체 층의 팽윤비 차이는 10 % 이하일 수 있다.A difference in swelling ratio between the polymer electrolyte membrane and the support layer may be 10% or less.
상기 고분자 전해질 막은 이온 교환 그룹으로 치환된 무기 입자를 포함할 수 있다.The polymer electrolyte membrane may include inorganic particles substituted with ion exchange groups.
상기 고분자 전해질 막은 상기 이온 교환 그룹으로 치환된 무기 입자를 상기 이온 전도체 100 중량부에 대하여 0.001 중량부 내지 0.5 중량부로 포함할 수 있다.The polymer electrolyte membrane may include the inorganic particles substituted with the ion exchange group in an amount of 0.001 parts by weight to 0.5 parts by weight based on 100 parts by weight of the ion conductor.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 지지체 층 일면에 이온 전도체를 포함하는 고분자 전해질 막을 위치시키고, 상기 지지체 층, 상기 고분자 전해질 막 및 이 둘 모두로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 용융시킨 후 고화시키면서, 상기 지지체 층과 상기 고분자 전해질 막을 접착시키는 계면 접착층을 형성하는 단계를 포함하는 이온 교환막의 제조 방법을 제공한다.According to another embodiment of the present invention, a polymer electrolyte membrane including an ion conductor is placed on one surface of a support layer, and any one selected from the group consisting of the support layer, the polymer electrolyte membrane, and both is melted and then solidified It provides a method of manufacturing an ion exchange membrane comprising the step of forming an interfacial adhesive layer for adhering the support layer and the polymer electrolyte membrane.
상기 계면 접착층은 상기 고분자 전해질 막의 일부가 용융되어 상기 지지체 층의 공극에 침투한 후 고화되면서 상기 지지체 층과 상기 고분자 전해질 막을 접착시키는 것일 수 있다.The interfacial adhesive layer may be to adhere the support layer and the polymer electrolyte membrane while a part of the polymer electrolyte membrane is melted and penetrated into the pores of the support layer and then solidified.
상기 계면 접착층은 상기 지지체 층의 일부가 용융되어 상기 고분자 전해질 막에 부착된 후 고화되면서 상기 지지체 층과 상기 고분자 전해질 막을 접착시키는 것일 수 있다.The interfacial adhesive layer may be one in which a portion of the support layer is melted and attached to the polymer electrolyte membrane and then solidified to adhere the support layer and the polymer electrolyte membrane.
상기 계면 접착층은 상기 지지체 층과 상기 고분자 전해질 막이 용융되어 혼합된 후 고화되면서 상기 지지체 층과 상기 고분자 전해질 막을 접착시키는 것일 수 있다.The interfacial adhesive layer may be to adhere the support layer and the polymer electrolyte membrane while the support layer and the polymer electrolyte membrane are melted and mixed and then solidified.
상기 이온 교환막의 제조 방법은 이온 교환 그룹으로 치환된 무기 입자를 포함하는 고분자 전해질 막을 제조하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method of manufacturing the ion exchange membrane may further include preparing a polymer electrolyte membrane including inorganic particles substituted with ion exchange groups.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 이온 교환막을 포함하는 에너지 저장 장치를 제공한다.According to another embodiment of the present invention, there is provided an energy storage device including the ion exchange membrane.
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 지지체 층을 포함함으로써, 이온 투과 경로가 증가되어 바나듐 이온과 브롬 이온의 이동이 억제되고, 이로 인하여 이들 이온이 고분자 전해질 막 내에서 열화 반응을 일으키거나 전압 효율을 낮추는 문제가 방지되면서도, 상기 지지체 층과 고분자 전해질 막의 계면간 결착력이 높고, 지지체 층의 팽윤성과 고분자 전해질 막의 팽윤성 차이가 최소화되어 구조적 안정성이 우수하다.Since the ion exchange membrane of the present invention includes a support layer, the ion permeation path is increased and the movement of vanadium ions and bromine ions is suppressed, thereby causing deterioration of these ions in the polymer electrolyte membrane or lowering the voltage efficiency. While being prevented, the bonding force between the interface between the support layer and the polymer electrolyte membrane is high, and the difference between the swelling property of the support layer and the swelling property of the polymer electrolyte membrane is minimized, so that the structural stability is excellent.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 교환막을 모식적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전바나듐계 레독스 전지를 개략적으로 나타내는 모식도이다.1 is a cross-sectional view schematically showing an ion exchange membrane according to an embodiment of the present invention.
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 발명의 일 실시예에 따른 이온 교환막은 지지체 층, 상기 지지체 층 일면에 위치하며, 이온 전도체를 포함하는 고분자 전해질 막, 그리고 상기 지지체 층과 상기 고분자 전해질 막 사이에 위치하는 계면 접착층을 포함한다.An ion exchange membrane according to an embodiment of the present invention includes a support layer, a polymer electrolyte membrane disposed on one surface of the support layer, and an ion conductor, and an interfacial adhesive layer positioned between the support layer and the polymer electrolyte membrane.
도 1은 일 실시예에 따른 상기 이온 교환막을 모식적으로 도시한 단면도이다. 이하, 도 1을 참고하여 상기 이온 교환막에 대하여 설명한다.1 is a cross-sectional view schematically showing the ion exchange membrane according to an embodiment. Hereinafter, the ion exchange membrane will be described with reference to FIG. 1 .
상기 이온 교환막(104)은 상기 지지체 층(10), 상기 지지체 층(10) 일면에 위치하는 고분자 전해질 막(20), 그리고 상기 지지체 층(10)과 상기 고분자 전해질 막(20) 사이에 위치하는 계면 접착층(30)을 포함한다.The
상기 지지체 층(10)은 원치 않는 이온들의 크로스오버를 방지하고, 상기 이온 교환막(104)의 치수안정성을 향상시키는 역할을 한다. 구체적으로, 상기 지지체 층(10)은 이온의 투과 경로를 증가시켜 바나듐 이온과 브롬 이온의 이동을 억제시킴으로써, 이들 이온이 상기 고분자 전해질 막(20) 내에서 열화 반응을 일으키거나 전압 효율을 낮추는 문제를 방지할 수 있다.The
상기 지지체 층(10)은 내부에 다수의 공극을 가지며 강도가 우수한 재료, 예컨대, 직포, 부직포, 메쉬, 네트, 스펀지, 폼, 금속 다공재, 금속 메쉬 등의 다양한 형태일 수 있고, 폴리에스테르, 폴리아미드, 아라미드 수지, 폴리이미드, 불소 수지, 초고분자량 폴리에틸렌, 금속 등의 다양한 재질로 이루어질 수 있다.The
구체적으로, 상기 지지체 층(10)이 무작위로 배향된 복수개의 섬유로 이루어지는 상기 부직포인 경우를 예시하면, 상기 부직포는 인터레이드(interlaid)되지만, 직포 천과 동일한 방식이 아닌, 개개의 섬유 또는 필라멘트의 구조를 갖는 시트를 의미한다. 상기 부직포는 카딩(carding), 가네팅(garneting), 에어-레잉(air-laying), 웨트-레잉(wet-laying), 멜트 블로잉(melt blowing), 스펀본딩(spunbonding), 써멀본딩(thermal bonding) 및 스티치 본딩(stitch bonding)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 방법에 의하여 제조될 수 있다.Specifically, if the
상기 부직포를 이루는 섬유는 하나 이상의 고분자 재료를 포함할 수 있고, 일반적으로 섬유 형성용 고분자 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 또는 나일론-6,6 등); 폴리이미드; 폴리우레탄; 폴리부텐; 폴리락트산; 폴리비닐 알코올; 폴리비닐 클로라이드; 폴리페닐렌 설파이드; 폴리설폰; 유체 결정질 중합체; 폴리에틸렌-코-비닐아세테이트; 폴리아크릴로니트릴; 사이클릭 폴리올레핀; 폴리옥시메틸렌; 폴리올레핀계 열가소성 탄성중합체; 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE); 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF); 이들의 유도체; 이들의 공중합체; 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 포함할 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되지 않는다.The fibers constituting the nonwoven fabric may include one or more polymer materials, and may be used as long as they are generally used as polymer materials for fiber formation, and specifically, hydrocarbon-based fiber-forming polymer materials may be used. For example, the fiber-forming polymeric material may include polyolefins such as polybutylene, polypropylene and polyethylene; polyesters such as polyethylene terephthalate and polybutylene terephthalate; polyamides (such as nylon-6 or nylon-6,6); polyimide; Polyurethane; polybutene; polylactic acid; polyvinyl alcohol; polyvinyl chloride; polyphenylene sulfide; polysulfone; fluid crystalline polymers; polyethylene-co-vinyl acetate; polyacrylonitrile; cyclic polyolefins; polyoxymethylene; polyolefin-based thermoplastic elastomers; polytetrafluoroethylene (PTFE); polyvinylidene fluoride (PVDF); derivatives thereof; copolymers thereof; and any one selected from the group consisting of mixtures thereof, but the present invention is not limited thereto.
상기 고분자 전해질 막(20)은 상기 이온 전도체를 포함한다.The
상기 이온 전도체는 프로톤과 같은 양이온을 전달할 수 있는 양이온 교환 그룹을 가지는 양이온 전도체이거나, 또는 하이드록시 이온, 카보네이트 또는 바이카보네이트와 같은 음이온을 전달할 수 있는 음이온 교환 그룹을 가지는 음이온 전도체일 수 있다.The ion conductor may be a cation conductor having a cation exchange group capable of transporting a cation such as a proton, or an anion conductor having an anion exchange group capable of transporting an anion 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 combinations thereof, and generally 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 may include a fluorine-based polymer including the cation exchange group and including 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; sulfone imides and the like.
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, 이들의 유도체, 이들의 공중합체 및 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), 술폰화된 폴리퀴녹살린(sulfonated polyquinoxaline), 술폰화된 폴리케톤(sulfonated polyketone), 술폰화된 폴리페닐렌옥사이드(sulfonated polyphenylene oxide), 술폰화된 폴리에테르술폰(sulfonated polyether sulfone), 술폰화된 폴리에테르케톤(sulfonated polyether ketone), 술폰화된 폴리페닐렌술폰(sulfonated polyphenylene sulfone), 술폰화된 폴리페닐렌설파이드(sulfonated polyphenylene sulfide), 술폰화된 폴리페닐렌설파이드술폰(sulfonated polyphenylene sulfide sulfone), 술폰화된 폴리페닐렌설파이드술폰니트릴(sulfonated polyphenylene sulfide sulfone nitrile), 술폰화된 폴리아릴렌에테르(sulfonated polyarylene ether), 술폰화된 폴리아릴렌에테르니트릴(sulfonated polyarylene ether nitrile), 술폰화된 폴리아릴렌에테르에테르니트릴(sulfonated polyarylene ether ether nitrile), 폴리아릴렌에테르술폰케톤(sulfonated polyarylene ether sulfone ketone), 이들의 유도체, 이들의 공중합체, 및 이들의 혼합물을 포함하는 탄화수소계 고분자를 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.More specifically, when the cation conductor is a hydrogen ion cation conductor, the polymer 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 derivatives thereof in the side chain, Specific examples include poly(perfluorosulfonic acid), poly(perfluorocarboxylic acid), copolymers of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether containing sulfonic acid groups, defluorinated sulfided polyether ketones, derivatives thereof, fluorine-based polymers including copolymers thereof and mixtures thereof; Sulfonated polyimide (S-PI), sulfonated polyarylethersulfone (S-PAES), sulfonated polyetheretherketone (SPEEK), sulfonated polybenzimi Sulfonated polybenzimidazole (SPBI), sulfonated polysulfone (S-PSU), sulfonated polystyrene (S-PS), sulfonated polyphosphazene, sulfonated poly Sulfonated polyquinoxaline, sulfonated polyketone, sulfonated polyphenylene oxide, sulfonated polyether sulfone, sulfonated polyether ketone polyether ketone), sulfonated polyphenylene sulfone, sulfonated polyphenylene sulfide, sulfonated polyphenylene sulfide sulfone, sulfonated polyphenyl Sulfonated polyphenylene sulfide sulfone nitrile, sulfonated polyarylene ether, sulfonated polyarylene ether nitrile, sulfonated polyarylene ether nitrile ( sulfonated polyarylene ether ether nitrile), polyarylene ether sulfone ketone (sulfonated polyarylene ether sulfone ketone), derivatives thereof and hydrocarbon-based polymers including sieves, copolymers thereof, and mixtures thereof, but 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 anions such as hydroxy ions, carbonate or bicarbonate, and the anion conductor is commercially available in the form of a hydroxide or halide (usually chloride), and the anion conductor is an industrial essence (water purification), metal separation or catalytic processes, and the like.
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 anion conductor, a polymer doped with a metal hydroxide may be generally used, and specifically, poly(ethersulfone) doped with a metal hydroxide, polystyrene, vinyl-based polymer, poly(vinyl chloride), poly(vinylidene fluoride) , poly(tetrafluoroethylene), poly(benzimidazole), or poly(ethylene glycol) may be used.
한편, 상기 고분자 전해질 막(20)은 e-PTFE와 같은 불소계 다공성 지지체 또는 전기 방사 등에 의하여 제조된 다공성 나노웹 지지체 등의 다공성 지지체의 공극(pore)을 상기 이온 전도체가 채우고 있는 강화막 형태일 수도 있다.On the other hand, the
상기 계면 접착층(30)은 상기 지지체 층(10)과 상기 고분자 전해질 막(20) 사이에 위치하며, 상기 지지체 층(10)과 상기 고분자 전해질 막(20)을 접착시킨다.The
상기 지지체 층(10)을 도입하면서, 이를 상기 고분자 전해질 막(20)에 물리적으로 결합하는 경우 계면간 결착력이 낮은 문제가 있다. 또한, 상기 지지체 층(10)과 상기 고분자 전해질 막(20)을 접착제를 이용하여 접착하는 경우 접착제의 용해 등으로 인해 탈리가 일어날 수 있고, 구조적 안정성을 가지기 어렵다.When the
이에 본 발명에서, 상기 계면 접착층(30)은 상기 지지체 층(10), 상기 고분자 전해질 막(20) 및 이 둘 모두로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나가 용융된 후 고화되면서 상기 지지체 층과 상기 고분자 전해질 막을 접착시킨 것이다. 이로 인하여, 상기 이온 교환막(104)은 상기 지지체 층(10)과 상기 고분자 전해질 막(20)의 계면간 결착력이 높고, 상기 지지체 층(10)과 상기 고분자 전해질 막(20)의 팽윤도 차이를 최소화시켜 구조적 안정성을 더욱 향상시킬 수 있다.Therefore, in the present invention, the
구체적으로, 하나의 예시에서 상기 계면 접착층(30)은 상기 고분자 전해질 막(20)의 일부가 용융되어 상기 지지체 층(10)의 공극에 침투한 후 고화되면서 상기 지지체 층(10)과 상기 고분자 전해질 막(20)을 접착시킨 것일 수 있다.Specifically, in one example, the
이때, 상기 고분자 전해질 막(20)은 상기 예시한 이온 전도체들 중 열 또는 유기 용매에 의하여 용융이 가능한 것을 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 이온 전도체가 상기 플루오르계 고분자인 경우 일반적으로 열에 의하여 용융시킬 수 있고, 상기 이온 전도체가 상기 탄화수소계 고분자인 경우 일반적으로 용매에 의하여 용해시킬 수 있다. 이때, 상기 지지체 층(10)은 상기 고분자 전해질 막(20) 보다 용융 온도가 높은 폴리페닐렌 설파이드(PPS) 등을 예시할 수 있다.In this case, the
상기 용융되는 고분자 전해질 막의 일부는 상기 고분자 전해질 막의 한쪽 표면에서 일정 깊이까지일 수 있고, 상기 일정 깊이는 형성하고자 하는 상기 계면 접착층(30)의 두께 및 상기 지지체 층(10)의 다공도를 고려하여 상기 지지체 층(10)의 공극에 침투되는 이온 전도체의 함량에 따라 조절할 수 있다. 한편, 상기 고분자 전해질 막(20) 전체가 용융된 후 이 중 일부만이 상기 지지체 층(10)의 공극에 침투되는 것일 수도 있다.A portion of the polymer electrolyte membrane to be melted may be up to a certain depth from one surface of the polymer electrolyte membrane, and the predetermined depth is the thickness of the
다른 하나의 예시에서 상기 계면 접착층(30)은 상기 지지체 층(10)의 일부가 용융되어 상기 고분자 전해질 막(20)에 부착된 후 고화되면서 상기 지지체 층(10)과 상기 고분자 전해질 막(20)을 접착시킨 것일 수 있다.In another example, the
이때, 상기 지지체 층(10)은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌과 같이 상기 고분자 전해질 막(20) 보다 용융 온도가 낮은 고분자로 이루어질 수 있다.In this case, the
또는, 상기 지지체 층(10)은 써멀본딩 부직포일 수 있다. 상기 써멀본딩 부직포는 고융점 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)로 이루어진 제 1 파이버와, 저융점 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)로 이루어진 제 2 파이버를 포함하는 것으로, 상기 제 1 파이버와 상기 제 2 파이버를 혼합 방사하여 제조될 수 있다. 상기 고융점 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)는 240 ℃ 이상의 용융점을 가지는 것일 수 있고, 상기 저융점 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)는 120 ℃ 내지 230 ℃의 용융점을 가지는 것일 수 있다. 이때, 상기 써멀본딩 부직포 전체 중량에 대하여 상기 제1 파이버의 함량은 10 중량% 내지 90 중량%, 구체적으로 30 중량% 내지 70 중량%이고, 상기 제2 파이버의 함량은 10 중량% 내지 90 중량%, 구체적으로 30 중량% 내지 70 중량%일 수 있다.Alternatively, the
이때, 상기 용융되는 지지체 층의 일부는 상기 지지체 층의 한쪽 표면에서 일정 깊이까지일 수 있고, 상기 일정 깊이는 형성하고자 하는 상기 계면 접착층(30)의 두께를 고려하여 상기 용융되는 지지체 층의 함량에 따라 조절할 수 있다.At this time, a portion of the support layer to be melted may be up to a certain depth from one surface of the support layer, and the predetermined depth is based on the content of the melted support layer in consideration of the thickness of the
또 다른 하나의 예시에서 상기 계면 접착층(30)은 상기 지지체 층(10)과 상기 고분자 전해질 막(20)이 용융되어 혼합된 후 고화되면서 상기 지지체 층(10)과 상기 고분자 전해질 막(20)을 접착시킨 것일 수 있다. 이에 따라, 상기 계면 접착층(30)은 상기 지지체 층(10)을 이루는 고분자 물질과 상기 고분자 전해질 막(20)을 이루는 이온 전도체의 혼합물로 이루어질 수 있다. 이때, 상기 지지체 층(10)과 상기 고분자 전해질 막(20)의 재질은 상기한 바와 동일하며, 다만 용융 접착시 상기 지지체 층(10)과 상기 고분자 전해질 막(20)이 동시에 녹을 수 있는 온도 이상으로 열을 가해주거나, 상기 지지체 층(10)과 상기 고분자 전해질 막(20)을 동시에 녹일 수 있는 용매를 사용하면 된다.In another example, the
한편, 상기한 바와 같이, 상기 계면 접착층(30)이 상기 지지체 층(10)와 상기 고분자 전해질 막(20)이 용융 접착된 것임에 따라, 상기 지지체 층(10)과 상기 고분자 전해질 막(20)의 팽윤도 차이를 최소화시켜 구조적 안정성을 더욱 향상시킬 수 있는데, 이때, 상기 지지체 층(10)과 상기 고분자 전해질 막(20) 자체의 팽윤도 차이가 작도록하여 상기 이온 교환막(104)의 치수안정성 및 구조적 안정성을 더욱 향상시킬 수 있다.On the other hand, as described above, as the
구체적으로, 상기 고분자 전해질 막(20)과 상기 지지체 층(10)의 팽윤비 차이는 10 % 이하일 수 있고, 보다 상세하게는 5 % 이하일 수 있다.Specifically, the difference in swelling ratio between the
이때, 상기 고분자 전해질 막(20)과 상기 지지체 층(10)의 팽윤비는 상기 고분자 전해질 막(20) 또는 상기 지지체 층(10)를 80 ℃의 증류수에 24 시간 동안 침지시킨 후 꺼내어 젖은 상태의 두께 및 면적을 측정하고, 이를 80 ℃의 진공 상태에서 24 시간 동안 건조시킨 후 두께 및 면적을 측정한다. 상기 고분자 전해질 막(20) 또는 상기 지지체 층(10)의 젖은 상태의 두께(Twet) 및 면적(Lwet)과 건조 상태의 두께(Tdry) 및 면적(Ldry)을 하기 수학식 1 및 수학식 2에 대입하여 두께에 대한 팽윤비 및 면적에 대한 팽윤비를 측정할 수 있다.At this time, the swelling ratio of the
[수학식 1][Equation 1]
(Twet - Tdry / Tdry) × 100 = △T(두께에 대한 팽윤비, %)(T wet - T dry / T dry ) × 100 = △T(Swell ratio to thickness, %)
[수학식 2][Equation 2]
(Lwet - Ldry / Ldry) × 100 = △L(면적에 대한 팽윤비, %)(L wet - L dry / L dry ) × 100 = △L(Swell ratio to area, %)
상기 팽윤비 차이는 하기 수학식 3에 의하여 계산할 수 있다. 이때, 상기 고분자 전해질 막(20)과 상기 지지체 층(10)의 팽윤비는 두께에 대한 팽윤비, 면적에 대한 팽윤비 또는 이 둘 모두일 수 있다.The difference in the swelling ratio can be calculated by
[수학식 3][Equation 3]
팽윤비 차이(%) = 고분자 전해질 막의 팽윤비 - 지지체 층의 팽윤비Difference in swelling ratio (%) = swelling ratio of polymer electrolyte membrane - swelling ratio of support layer
상기 고분자 전해질 막(20)과 상기 지지체 층(10)의 팽윤비 차이가 10 %를 초과하는 경우 상기 두 층간의 물리적 탈리가 발생할 수도 있다.When the difference in swelling ratio between the
한편, 상기 지지체 층(10)과 상기 고분자 전해질 막(20) 자체의 팽윤비 차이가 작도록 하기 위하여, 상기 고분자 전해질 막(20)은 이온 교환 그룹으로 치환된 무기 입자를 더 포함할 수 있다.Meanwhile, in order to make the difference in the swelling ratio between the
상기 무기 입자는 구조적으로 수분을 다량 함유하도록 형성된 미세 기공을 포함함으로써 수분 또는 용매를 다량 함유하면서도 구조적 안정성을 가진다. 이에, 상기 무기 입자를 상기 고분자 전해질 막(20)에 도입 시 흡수된 수분 또는 용매를 저장하는 저장소의 역할을 수행함으로써 상기 팽윤비 차이를 더욱 작도록 할 수 있고, 상기 무기 입자가 상기 이온 교환 그룹으로 치환됨에 따라 치수안정성, 내구성 및 상기 고분자 전해질 막(20)에의 분산성이 더욱 개선될 수 있다.The inorganic particles have structural stability while containing a large amount of moisture or solvent by including micropores that are structurally formed to contain a large amount of moisture. Accordingly, when the inorganic particles are introduced into the
구체적으로, 상기 무기 입자는 술폰산기, 카르복실기, 보론산기, 인산기, 이미드기, 포스포닌산기, 술폰이미드기, 술폰아미드기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 양이온 교환 그룹으로 치환될 수 있고, 바람직하게 술폰산기 또는 카르복실기로 치환될 수 있다.Specifically, the inorganic particles are substituted with any one cation exchange group 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 phosphonic acid group, a sulfonimide group, a sulfonamide group, and combinations thereof. and may be preferably substituted with a sulfonic acid group or a carboxyl group.
상기 무기 입자는 이온 전도체(ionic conductor), 라디칼 스캐빈저(radical scavenger), 산소 발생 반응(oxygen evolution reaction, OER) 촉매, 가스 배리어(gas barrier) 입자 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.The inorganic particles may be selected from the group consisting of ionic conductors, radical scavengers, oxygen evolution reaction (OER) catalysts, gas barrier particles, and mixtures thereof. can be one
상기 이온 전도체는 상기 지지체 층(10)과 상기 고분자 전해질 막(20)의 팽윤비 차이를 작도록 해 줄 뿐만 아니라, 상기 고분자 전해질 막(20) 내에서 분산성이 우수하여 상기 고분자 전해질 막(20)의 이온 전도성을 향상시킬 수 있다. 상기 이온 전도체는 친수성 무기 첨가제로서, 구체적으로는 SnO2, 실리카(silica), 알루미나(alumina), 지르코니아(zirconia), 운모(mica), 제올라이트(zeolite), 포스포텅스텐산(phosphotungstic acid), 실리콘 텅스텐산(silicon tungstic acid), 지르코늄 하이드로겐 포스페이트(zirconiumhydrogen phosphate), 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.The ion conductor not only makes the difference in the swelling ratio between the
상기 라디칼 스캐빈저는 과산화수소를 물 및 산소로 분해하여 하이드록시 라디칼의 발생을 억제할 수 있는 천이 금속의 이온으로서, 구체적으로 세륨, 텅스텐, 루테늄, 팔라듐, 은, 로듐, 세륨, 지르코늄, 이트륨, 망간, 몰리브덴, 납, 바나듐, 티타늄 등을 들 수 있고, 상기 금속 자체, 이들의 이온 형태, 이들의 산화물 형태, 이들의 염 형태 또는 다른 형태인 것도 가능하다.The radical scavenger is an ion of a transition metal capable of inhibiting the generation of hydroxy radicals by decomposing hydrogen peroxide into water and oxygen, specifically, cerium, tungsten, ruthenium, palladium, silver, rhodium, cerium, zirconium, yttrium, and manganese. , molybdenum, lead, vanadium, titanium, and the like, and the metal itself, its ionic form, their oxide form, their salt form, or other forms are also possible.
상기 산소 발생 반응 촉매는 백금계 금속 또는 비백금계 금속 활성 물질을 포함할 수 있다. 상기 백금계 금속은 백금, 금, 팔라듐, 로듐, 이리듐, 루테늄, 오스뮴, 백금 합금, 이들의 합금 및 이들의 혼합물으로 이루어진 군에서 선택되는 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.The oxygen evolution reaction catalyst may include a platinum-based metal or a non-platinum-based metal active material. The platinum-based metal may be used alone or in combination of two or more selected from the group consisting of platinum, gold, palladium, rhodium, iridium, ruthenium, osmium, platinum alloys, alloys thereof, and mixtures thereof.
상기 가스 배리어 입자는 클레이(clay), 몬모릴로나이트(momtmorillonite), 사포나이트(saponite), 라포나이트(laponite), 마이카(mica), 플루오르헥토라이트(fluorohetorite), 카올리나이트(kaolinite), 버미큘리트(vermiculite) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.The gas barrier particles include clay, montmorillonite, saponite, laponite, mica, fluorohetorite, kaolinite, vermiculite. And it may be any one selected from the group consisting of mixtures thereof.
상기 고분자 전해질 막(20)은 상기 이온 교환 그룹으로 치환된 무기 입자를 상기 이온 전도체 100 중량부에 대하여 0.001 중량부 내지 0.5 중량부로 포함할 수 있고, 보다 상세하게는 0.05 중량부 내지 0.2 중량부로 포함할 수 있다. 상기 이온 교환 그룹으로 치환된 무기 입자의 함량이 상기 이온 전도체 100 중량부에 대하여 0.001 중량부 미만인 경우 상기 무기 입자 도입으로 인한 팽윤성 개선 효과가 발현되기 어려울 수 있고, 0.5 중량부를 초과하는 경우 상기 고분자 전해질 막(20)의 형성이 어렵고 기계적 물성이 저하될 수 있다.The
상기 고분자 전해질 막(20)과 상기 지지체 층(10)의 부피비는 1:0.1 내지 1:2.0일 수 있고, 보다 상세하게는 1:0.5 내지 1:0.10일 수 있다. 상기 지지체 층(10)의 부피비가 상기 고분자 전해질 막(20)의 부피비 1에 대하여 0.1 미만인 경우 상기 고분자 전해질 막(20) 자체의 팽윤성이 크게 발현되어 상기 지지체 층(10)을 도입하는 효과가 미미할 수 있고, 2.0을 초과하는 경우 상기 지지체 층(10)이 상기 고분자 전해질 막(20)에 의해 전달되어야 하는 물질에 대한 저항으로 작용할 수 있다.The volume ratio of the
또한, 상기 고분자 전해질 막(20)과 상기 계면 접착층(30)의 부피비는 1:0.001 내지 1:0.2일 수 있고, 보다 상세하게는 1:0.005 내지 1:0.01일 수 있다. 상기 계면 접착층(30)의 부피비가 상기 고분자 전해질 막(20)의 부피비 1에 대하여 0.001 미만인 경우 계면의 탈리가 발생할 수 있고, 0.2를 초과하는 경우 계면에서 발생하는 저항으로 인해 프로톤 전달 효율이 감소할 수 있다.In addition, the volume ratio of the
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 이온 교환막의 제조 방법은 지지체 층 일면에 이온 전도체를 포함하는 고분자 전해질 막을 위치시키고, 상기 지지체 층, 상기 고분자 전해질 막 및 이 둘 모두로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 용융시킨 후 고화시키면서, 상기 지지체 층과 상기 고분자 전해질 막을 접착시키는 계면 접착층을 형성하는 단계를 포함한다.In the method for manufacturing an ion exchange membrane according to another embodiment of the present invention, a polymer electrolyte membrane including an ion conductor is placed on one surface of a support layer, and any one selected from the group consisting of the support layer, the polymer electrolyte membrane, and both and forming an interfacial adhesive layer for adhering the support layer and the polymer electrolyte membrane while melting and solidifying.
구체적으로, 하나의 예시에서 상기 계면 접착층은 상기 고분자 전해질 막의 일부가 용융되어 상기 지지체 층의 공극에 침투한 후 고화되면서 상기 지지체 층과 상기 고분자 전해질 막을 접착시킬 수 있다.Specifically, in one example, the interfacial adhesive layer may adhere the support layer and the polymer electrolyte membrane while a part of the polymer electrolyte membrane is melted and penetrated into the pores of the support layer and then solidified.
이때, 상기 고분자 전해질 막은 상기 고분자 전해질 막을 이루는 상기 이온 전도체의 융점 이상의 온도로 열 용융될 수 있다. 상기 열 용융 온도는 80 ℃ 내지 250 ℃일 수 있고, 보다 상세하게는 90 ℃ 내지 230 ℃일 수 있다. 상기 열 용융 온도가 80 ℃ 미만인 경우 상기 고분자 전해질 막과 지지체 층 사이의 접합이 불균일할 수 있고, 250 ℃를 초과하는 경우 상기 고분자 전해질 막 및 상기 지지체 층의 손상이 발생할 수 있다.In this case, the polymer electrolyte membrane may be thermally melted at a temperature greater than or equal to the melting point of the ion conductor constituting the polymer electrolyte membrane. The thermal melting temperature may be 80 °C to 250 °C, and more specifically, 90 °C to 230 °C. If the thermal melting temperature is less than 80 °C, the bonding between the polymer electrolyte membrane and the support layer may be non-uniform, and if it exceeds 250 °C, damage to the polymer electrolyte membrane and the support layer may occur.
한편, 상기 고분자 전해질 막을 유기 용매를 이용하여 용해시키는 경우, 상기 상기 고분자 전해질 막을 용해시킬 수 있는 유기 용매로는 N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidine, NMP), 디메틸포름아마이드(dimethylformamide, DMF), 디메틸 아세트아마이드(dimethylacetamide, DMA), 디메틸설폭사이드(dimethylsulfoxide, DMSO) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있다. 이때, 상기 유기 용매를 상기 고분자 전해질 막 표면에 스프레이 등을 이용하여 도포하여 상기 고분자 전해질 막의 표면을 용해시킬 수 있다.On the other hand, when the polymer electrolyte membrane is dissolved using an organic solvent, as an organic solvent capable of dissolving the polymer electrolyte membrane, N-methyl-2-pyrrolidine (NMP), dimethyl Any one selected from the group consisting of formamide (dimethylformamide, DMF), dimethylacetamide (DMA), dimethylsulfoxide (DMSO), and combinations thereof may be used. In this case, the organic solvent may be applied to the surface of the polymer electrolyte membrane using a spray or the like to dissolve the surface of the polymer electrolyte membrane.
또한, 상기 용융된 이온 전도체는 상기 지지체 층의 공극에 중력에 의하여 스스로 침투하게 할 수 있지만, 상기 침투가 보다 효율적으로 이루어질 수 있도록 일정 압력을 가할 수도 있다. 상기 압력은 0.1 bar 내지 5 bar일 수 있고, 보다 상세하게는 1 bar 내지 3 bar 일 수 있다. 상기 압력이 0.1 bar 미만인 경우 가압의 효과를 기대하기 어렵고, 5 bar를 초과하는 경우 고압으로 인해 상기 지지체 층의 손상이 발생하거나 침투가 불균일할 수 있다.In addition, the molten ion conductor may allow itself to permeate into the pores of the support layer by gravity, but may also apply a certain pressure to make the permeation more efficient. The pressure may be 0.1 bar to 5 bar, and more specifically, 1 bar to 3 bar. When the pressure is less than 0.1 bar, it is difficult to expect the effect of pressurization, and when it exceeds 5 bar, damage to the support layer may occur or the penetration may be non-uniform due to the high pressure.
다른 하나의 예시에서 상기 계면 접착층은 상기 지지체 층의 일부가 용융되어 상기 고분자 전해질 막에 부착된 후 고화되면서 상기 지지체 층과 상기 고분자 전해질 막을 접착시킬 수 있다.In another example, the interfacial adhesive layer may adhere the support layer and the polymer electrolyte membrane while a part of the support layer is melted and attached to the polymer electrolyte membrane and then solidified.
이때, 상기 지지체 층은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌과 같이 상기 고분자 전해질 막 보다 용융 온도가 낮은 고분자로 이루어질 수 있다. 상기 지지체 층의 열 용융 온도는 80 ℃ 내지 150 ℃일 수 있고, 보다 상세하게는 90 ℃ 내지 140 ℃일 수 있다. 상기 열 용융 온도가 80 ℃ 미만인 경우 두 계면 사이의 접합이 불균일할 수 있고, 150 ℃를 초과하는 경우 상기 지지체 층의 손상이 발생할 수 있다.In this case, the support layer may be made of a polymer having a lower melting temperature than the polymer electrolyte membrane, such as polyethylene or polypropylene. The thermal melting temperature of the support layer may be 80 °C to 150 °C, and more specifically, 90 °C to 140 °C. If the thermal melting temperature is less than 80 °C, the bonding between the two interfaces may be non-uniform, and if it exceeds 150 °C, damage to the support layer may occur.
또는, 상기 지지체 층은 써멀본딩 부직포일 수 있다. 이때, 상기 써멀본딩 부직포는 상기 제 1 파이버와 상기 제 2 파이버의 융점 사이의 온도에서 열 용융될 수 있다.Alternatively, the support layer may be a thermal bonding nonwoven fabric. In this case, the thermal bonding nonwoven fabric may be thermally melted at a temperature between the melting points of the first fiber and the second fiber.
또한, 상기 용융된 지지체 층은 상기 고분자 전해질 막에 스스로 부착될 수 있지만, 접착력을 보다 향상시키기 위하여 상기 용융된 지지체 층이 상기 고분자 전해질 막에 압착되도록 일정 압력을 가할 수도 있다. 상기 압력은 0.1 bar 내지 5 bar일 수 있고, 보다 상세하게는 1 bar 내지 3 bar일 수 있다. 상기 압력이 0.1 bar 미만인 경우 가압의 효과를 기재하기 어렵고, 접합면이 불균일할 수 있고, 5 bar를 초과하는 경우 상기 지지체 층의 손상이 발생할 수 있다.In addition, the molten support layer may be attached to the polymer electrolyte membrane by itself, but a certain pressure may be applied so that the molten support layer is compressed to the polymer electrolyte membrane in order to further improve adhesion. The pressure may be 0.1 bar to 5 bar, and more specifically, 1 bar to 3 bar. When the pressure is less than 0.1 bar, it is difficult to describe the effect of the pressure, the bonding surface may be non-uniform, and if it exceeds 5 bar, damage to the support layer may occur.
또 다른 하나의 예시에서 상기 계면 접착층은 상기 지지체 층과 상기 고분자 전해질 막이 용융되어 혼합된 후 고화되면서 상기 지지체 층과 상기 고분자 전해질 막을 접착시킬 수 있다.In another example, the interfacial adhesive layer may adhere the support layer and the polymer electrolyte membrane while the support layer and the polymer electrolyte membrane are melted and mixed and then solidified.
이때, 상기 고분자 전해질 막과 상기 지지체 층은 열 용융될 수 있고, 상기 열 용융 온도는 80 ℃ 내지 250 ℃일 수 있고, 보다 상세하게는 90 ℃ 내지 230 ℃일 수 있다. 상기 열 용융 온도가 80 ℃ 미만인 경우 상기 고분자 전해질 막과 상기 지지체 층 사이의 접착면이 불균일할 수 있고, 250 ℃를 초과하는 경우 상기 고분자 전해질 막과 상기 지지체 층의 손상이 발생할 수 있다.In this case, the polymer electrolyte membrane and the support layer may be thermally melted, and the thermal melting temperature may be 80°C to 250°C, and more specifically, 90°C to 230°C. When the thermal melting temperature is less than 80 °C, the adhesive surface between the polymer electrolyte membrane and the support layer may be non-uniform, and when it exceeds 250 °C, damage to the polymer electrolyte membrane and the support layer may occur.
또한, 상기 용융된 고분자 전해질 막과 상기 용융된 지지체 층이 서로 잘 혼합되어 상기 계면 활성층을 형성할 수 있도록 하기 위하여 일정 압력을 가할 수도 있다. 상기 압력은 0.1 bar 내지 5 bar일 수 있고, 보다 상세하게는 1 bar 내지 3 bar일 수 있다. 상기 압력이 0.1 bar 미만인 경우 접착면이 불균일할 수 있고, 5 bar를 초과하는 경우 상기 고분자 전해질 막과 상기 지지체 층에 손상이 발생할 수 있다.In addition, a certain pressure may be applied so that the molten polymer electrolyte membrane and the molten support layer are well mixed with each other to form the surfactant layer. The pressure may be 0.1 bar to 5 bar, and more specifically, 1 bar to 3 bar. If the pressure is less than 0.1 bar, the adhesive surface may be non-uniform, and if it exceeds 5 bar, damage may occur to the polymer electrolyte membrane and the support layer.
한편, 상기 이온 교환막의 제조 방법은 상기 지지체 층과 상기 고분자 전해질 막 자체의 팽윤비 차이가 작도록 하기 위하여, 상기 이온 교환 그룹으로 치환된 무기 입자를 포함하는 고분자 전해질 막을 제조하는 단계를 더 포함할 수 있다.On the other hand, the method of manufacturing the ion exchange membrane may further include the step of preparing a polymer electrolyte membrane including inorganic particles substituted with the ion exchange group so that the difference in the swelling ratio between the support layer and the polymer electrolyte membrane itself is small. can
상기 이온 교환 그룹으로 치환된 무기 입자를 포함하는 고분자 전해질 막을 제조하는 단계는 구체적으로, 무기 입자의 표면을 이온 교환 그룹으로 치환시키는 단계, 상기 이온 교환 그룹으로 치환된 무기 입자와 상기 이온 전도체를 혼합하여 고분자 전해질 막 형성용 조성물을 제조하는 단계, 및 상기 고분자 전해질 막 형성용 조성물을 이용하여 상기 고분자 전해질 막을 제조하는 단계를 포함한다.The step of preparing the polymer electrolyte membrane including the inorganic particles substituted with the ion exchange group is specifically, the step of replacing the surface of the inorganic particles with an ion exchange group, mixing the inorganic particles substituted with the ion exchange group with the ion conductor to prepare a composition for forming a polymer electrolyte membrane, and preparing the polymer electrolyte membrane using the composition for forming a polymer electrolyte membrane.
상기 무기 입자를 이온 교환 그룹으로 치환시키는 방법과 관련하여, 일 예로 상기 이온 교환 그룹이 양이온 교환 그룹인 술폰산기인 경우에 대하여 구체적으로 설명하면, 술폰화제를 이용하여 상기 무기 입자를 술폰화시킴으로써 상기 무기 입자에 이온 교환 그룹을 도입할 수 있다.Regarding the method of substituting the inorganic particle with an ion exchange group, for example, if the ion exchange group is a sulfonic acid group that is a cation exchange group, the inorganic particles are sulfonated using a sulfonating agent. Ion exchange groups can be introduced into the particle.
상기 술폰화제로는 황산을 사용할 수 있으나, 다른 예로는 상기 제조된 중합체를 과량의 클로로술포닉산(chlorosulfonic acid)의 존재 하에 디클로로메탄(dichloromethane), 클로로포름(chloroform), 1,2-디클로로에탄(1,2-dichloroethane) 등의 염소화(chlorinated) 용매에서 반응을 진행하여 수소 이온 전도 그룹으로 치환된 무기 입자를 제조할 수 있다.Sulfuric acid may be used as the sulfonating agent, but as another example, the prepared polymer is mixed with dichloromethane, chloroform, 1,2-dichloroethane (1) in the presence of an excess of chlorosulfonic acid. Inorganic particles substituted with hydrogen ion conducting groups can be prepared by conducting the reaction in a chlorinated solvent such as ,2-dichloroethane).
다음으로, 상기 이온 교환 그룹으로 치환된 무기 입자와 상기 이온 전도체를 혼합하여 고분자 전해질 막 형성용 조성물을 제조한다.Next, a composition for forming a polymer electrolyte membrane is prepared by mixing the inorganic particles substituted with the ion exchange group and the ion conductor.
상기 고분자 전해질 막 형성용 조성물은 상기 이온 전도체를 0.1 % 내지 30 %의 농도로 포함할 수 있고, 1 % 내지 10 %의 농도로 포함할 수 있다. 본 발명의 명세서에서 농도는 퍼센트 농도를 의미하는 것으로서, 퍼센트 농도는 용액의 질량에 대한 용질의 질량의 백분율로 구할 수 있다.The composition for forming a polymer electrolyte membrane may include the ion conductor in a concentration of 0.1% to 30%, and may include the ion conductor in a concentration of 1% to 10%. In the specification of the present invention, the concentration means a percent concentration, and the percent concentration can be obtained as a percentage of the mass of the solute with respect to the mass of the solution.
이때, 상기 이온 교환 그룹으로 치환된 무기 입자의 첨가량은 상기 고분자 전해질 막 형성용 조성물을 이용하여 제조된 고분자 전해질 막 내에서 상기 이온 교환 그룹으로 치환된 무기 입자의 함량이 상기 이온 전도체 100 중량부에 대하여 0.001 중량부 내지 0.5 중량부, 보다 상세하게는 0.05 중량부 내지 0.2 중량부가 되도록 적절하게 조절할 수 있다.In this case, the amount of the inorganic particles substituted with the ion exchange group is the amount of the inorganic particles substituted with the ion exchange group in 100 parts by weight of the ion conductor in the polymer electrolyte membrane prepared using the composition for forming a polymer electrolyte membrane. It may be appropriately adjusted to be 0.001 parts by weight to 0.5 parts by weight, more specifically 0.05 parts by weight to 0.2 parts by weight.
상기 용매로는 에탄올, 이소프로필알코올, n-프로필알코올, 부틸알코올 등과 같은 알코올, 물, 디메틸아세트아마이드, 디메틸술폭사이드, N-메틸피롤리돈, 테트라하이드로퓨란 등이 바람직하게 사용될 수 있다.As the solvent, alcohol such as ethanol, isopropyl alcohol, n-propyl alcohol, butyl alcohol, water, dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, N-methylpyrrolidone, tetrahydrofuran, etc. may be preferably used.
상기 고분자 전해질 막은 상기 고분자 전해질 막 형성용 조성물을 이용하여 일반적인 제막 방법에 의하여 제조할 수 있고, 예를 들면 상기 고분자 전해질 막 형성용 조성물을 기판 등에 도포한 후 건조하여 형성될 수 있다. 상기 상기 고분자 전해질 막 형성용 조성물을 도포하는 방법으로는, 슬롯다이 코팅, 바 코팅, 콤마 코팅, 스크린 프린팅, 스프레이 코팅, 닥터 블레이드 코팅, 브러시 등의 방법을 이용할 수 있다.The polymer electrolyte membrane may be manufactured by a general film forming method using the composition for forming a polymer electrolyte membrane, for example, may be formed by applying the composition for forming a polymer electrolyte membrane to a substrate and drying the composition. As a method of applying the composition for forming the polymer electrolyte membrane, a method such as slot die coating, bar coating, comma coating, screen printing, spray coating, doctor blade coating, or a brush may be used.
상기 건조 공정은 25 ℃ 내지 90 ℃에서 12 시간 이상 건조시키는 것일 수 있다. 상기 건조 온도가 25 ℃ 미만이고 건조 시간이 12 시간 미만인 경우에는 충분히 건조된 고분자 전해질 막을 형성하지 못할 수 있고, 90 ℃를 초과하는 온도에서 건조시키면 고분자 전해질 막에 균열이 발생할 수 있다.The drying process may be drying at 25 °C to 90 °C for 12 hours or more. If the drying temperature is less than 25 ℃ and the drying time is less than 12 hours, a sufficiently dried polymer electrolyte membrane may not be formed, and if it is dried at a temperature exceeding 90 ℃, cracks may occur in the polymer electrolyte membrane.
본 발명의 또 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.The energy storage device according to another embodiment of the present invention includes the ion exchange membrane. Hereinafter, a case in which 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 바나듐 이온 등을 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, etc., so that when applied to a vanadium redox flow battery, the vanadium active material crosses over to improve energy efficiency. Since high energy efficiency can be achieved by solving the degradation problem, 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 be charged and discharged by supplying a positive electrolyte and a negative 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 is 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 electrolyte and a V(II)/V(III) redox couple as a negative electrolyte; a polysulfide bromine redox battery using a halogen redox couple as a positive electrolyte and a sulfide redox couple as a negative electrolyte; Or 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 in which 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
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
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 an anode electrolyte inlet and a cathode electrolyte outlet at the top and bottom of the
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
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.Similarly, the negative electrolyte stored in the negative
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
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
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 electrolyte and the negative electrolyte 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 a vanadium divalent ion (V 2+ ) or a vanadium trivalent ion (V 3+ ) as a negative electrolyte ion, and the positive electrode electrolyte includes a vanadium tetravalent ion (V 4 ) as a positive electrolyte ion. + ) or a vanadium pentavalent ion (V 5+ ).
상기 양극 전해질 및 음극 전해질에 포함되는 상기 금속 이온의 농도는 0.3 M 내지 5 M인 것이 바람직하다.The concentration of the metal ions included in the positive electrolyte and the negative electrolyte is preferably 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 of the positive electrolyte and the negative electrolyte, 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 4 , HNO 3 , KNO 3 and NaNO 3 Any one selected from the group consisting of may be used. Since all of the metal ions serving as the positive and negative active materials are water-soluble, aqueous solutions may be suitably used as solvents 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, stability, reactivity and solubility of the metal ion may 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.On the other hand, 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 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 carry out the present invention. However, the present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.
[제조예: 이온 교환막의 제조][Preparation Example: Preparation of Ion Exchange Membrane]
(실시예 1)(Example 1)
EW가 725 g/eq인 불소계 이오노머 폴리(퍼플루오로술폰산)(PFSA)를 5 중량% 및 H2O/2-프로판올 용액을 나머지 중량으로 혼합하여 고분자 전해질 막 형성용 조성물을 제조한 후 제막하여 50 ㎛ 두께의 고분자 전해질 막을 제조하였다.A composition for forming a polymer electrolyte membrane was prepared by mixing 5% by weight of fluorine-based ionomer poly(perfluorosulfonic acid) (PFSA) having an EW of 725 g/eq and a H 2 O/2-propanol solution with the remaining weight, followed by film formation. A 50 μm thick polymer electrolyte membrane was prepared.
상기 제조된 고분자 전해질 막을 폴리페닐렌 설파이드(PPS) 부직포 위에 위치시키고, 핫 프레스를 이용하여 상기 폴리(퍼플루오로술폰산)의 용융 개시 온도 이상의 온도인 130 ℃에서 1.0 bar의 압력을 가하여, 상기 용융된 고분자 전해질 막을 상기 지지체 층의 공극에 침투한 후 고화시켜 2.5 ㎛ 두께의 계면 접착층을 형성하였다.The prepared polymer electrolyte membrane is placed on a polyphenylene sulfide (PPS) nonwoven fabric, and a pressure of 1.0 bar is applied at 130 ° C., which is a temperature higher than the melting initiation temperature of the poly (perfluorosulfonic acid) using a hot press, and the melt The polymer electrolyte membrane infiltrated into the pores of the support layer and then solidified to form an interfacial adhesive layer having a thickness of 2.5 μm.
이때, 상기 고분자 전해질 막, 상기 지지체 층 및 상기 계면 접착층의 부피비는 1:0.05:0.3이었다.In this case, the volume ratio of the polymer electrolyte membrane, the support layer, and the interfacial adhesive layer was 1:0.05:0.3.
(실시예 2)(Example 2)
EW가 725 g/eq인 불소계 이오노머 폴리(퍼플루오로술폰산)(PFSA)를 5 중량% 및 H2O/2-프로판올 용액을 나머지 중량으로 혼합하여 고분자 전해질 막 형성용 조성물을 제조한 후 제막하여 50 ㎛ 두께의 고분자 전해질 막을 제조하였다.A composition for forming a polymer electrolyte membrane was prepared by mixing 5% by weight of fluorine-based ionomer poly(perfluorosulfonic acid) (PFSA) having an EW of 725 g/eq and a H 2 O/2-propanol solution with the remaining weight, followed by film formation. A 50 μm thick polymer electrolyte membrane was prepared.
상기 제조된 고분자 전해질 막을 폴리에틸렌(PE) 부직포 위에 위치시키고, 핫 프레스를 이용하여 상기 폴리에틸렌(PE) 부직포의 용융 개시 온도 이상의 온도인 100 ℃에서 1.0 bar 의 압력을 가하여, 상기 용융된 지지체 층의 한쪽 표면을 상기 고분자 전해질 막에 압착시킨 후 고화시켜 2.5 ㎛ 두께의 계면 접착층을 형성하였다.The prepared polymer electrolyte membrane is placed on a polyethylene (PE) nonwoven fabric, and a pressure of 1.0 bar is applied at 100° C. or higher, which is a temperature higher than the melting initiation temperature of the polyethylene (PE) nonwoven fabric, using a hot press, so that one side of the molten support layer The surface was pressed to the polymer electrolyte membrane and then solidified to form an interfacial adhesive layer having a thickness of 2.5 μm.
이때, 상기 고분자 전해질 막, 상기 지지체 층 및 상기 계면 접착층의 부피비는 1:0.05:0.3이었다.In this case, the volume ratio of the polymer electrolyte membrane, the support layer, and the interfacial adhesive layer was 1:0.05:0.3.
(실시예 3)(Example 3)
EW가 725 g/eq인 불소계 이오노머 폴리(퍼플루오로술폰산)(PFSA)를 5 중량% 및 H2O/2-프로판올 용액을 나머지 중량으로 혼합하여 고분자 전해질 막 형성용 조성물을 제조한 후 제막하여 50 ㎛ 두께의 고분자 전해질 막을 제조하였다.A composition for forming a polymer electrolyte membrane was prepared by mixing 5% by weight of fluorine-based ionomer poly(perfluorosulfonic acid) (PFSA) having an EW of 725 g/eq and a H 2 O/2-propanol solution with the remaining weight, followed by film formation. A 50 μm thick polymer electrolyte membrane was prepared.
한편, 일반 PET와 저융점 PET가 50:50의 중량비로 혼합된 써멀본드 부직포를 지지체 층으로 준비하였다.On the other hand, a thermal bond nonwoven fabric in which general PET and low melting point PET were mixed in a weight ratio of 50:50 was prepared as a support layer.
상기 제조된 고분자 전해질 막을 폴리에틸렌(PE) 부직포 위에 위치시키고, 핫 프레스를 이용하여 상기 써멀본딩 부직포의 써멀본딩 온도 이상의 온도인 140 ℃에서 1.0 bar의 압력을 가하여, 상기 용융된 지지체 층의 한쪽 표면을 상기 고분자 전해질 막에 압착시킨 후 고화시켜 5 ㎛ 두께의 계면 접착층을 형성하였다.The prepared polymer electrolyte membrane is placed on a polyethylene (PE) nonwoven fabric, and a pressure of 1.0 bar is applied at 140° C. or higher, which is a temperature higher than the thermal bonding temperature of the thermal bonding nonwoven fabric, using a hot press, and one surface of the molten support layer is applied. After pressing on the polymer electrolyte membrane, it was solidified to form an interfacial adhesive layer having a thickness of 5 μm.
이때, 상기 고분자 전해질 막, 상기 지지체 층 및 상기 계면 접착층의 부피비는 1:0.1:0.3이었다.In this case, the volume ratio of the polymer electrolyte membrane, the support layer, and the interfacial adhesive layer was 1:0.1:0.3.
(실시예 4)(Example 4)
EW가 725 g/eq인 불소계 이오노머 폴리(퍼플루오로술폰산)(PFSA)를 5 중량%, 술폰산기로 치환된 SiO2 무기 입자를 10 중량%, 및 H2O/2-프로판올 용액을 나머지 중량으로 혼합하여 고분자 전해질 막 형성용 조성물을 제조한 후 제막하여 50 ㎛ 두께의 고분자 전해질 막을 제조하였다.5 wt% of fluorine-based ionomer poly(perfluorosulfonic acid) (PFSA) having an EW of 725 g/eq, 10 wt% of SiO 2 inorganic particles substituted with a sulfonic acid group, and H 2 O/2-propanol solution with the remaining weight A composition for forming a polymer electrolyte membrane was prepared by mixing, and then a film was formed to prepare a polymer electrolyte membrane having a thickness of 50 μm.
상기 제조된 고분자 전해질 막을 폴리페닐렌 설파이드(PPS) 부직포 위에 위치시키고, 핫 프레스를 이용하여 상기 폴리(퍼플루오로술폰산)의 용융 개시 온도 이상의 온도인 130 ℃에서 1.0 bar 의 압력을 가하여, 상기 용융된 고분자 전해질 막을 상기 지지체 층의 공극에 침투한 후 고화시켜 0.25 ㎛ 두께의 계면 접착층을 형성하였다.The prepared polymer electrolyte membrane is placed on a polyphenylene sulfide (PPS) nonwoven fabric, and a pressure of 1.0 bar is applied at 130° C., which is a temperature higher than the melting initiation temperature of the poly (perfluorosulfonic acid) using a hot press, and the melt The polymer electrolyte membrane was solidified after penetrating into the pores of the support layer to form an interfacial adhesive layer with a thickness of 0.25 μm.
이때, 상기 고분자 전해질 막, 상기 지지체 층 및 상기 계면 접착층의 부피비는 1:0.05:0.3이었다.In this case, the volume ratio of the polymer electrolyte membrane, the support layer, and the interfacial adhesive layer was 1:0.05:0.3.
(비교예 1)(Comparative Example 1)
EW가 725 g/eq인 불소계 이오노머 폴리(퍼플루오로술폰산)(PFSA)를 5 중량% 및 H2O/2-프로판올 용액을 나머지 중량으로 혼합하여 고분자 전해질 막 형성용 조성물을 제조한 후 제막하여 50 ㎛ 두께의 고분자 전해질 막을 제조하였다.A composition for forming a polymer electrolyte membrane was prepared by mixing 5% by weight of fluorine-based ionomer poly(perfluorosulfonic acid) (PFSA) having an EW of 725 g/eq and a H 2 O/2-propanol solution with the remaining weight, followed by film formation. A 50 μm thick polymer electrolyte membrane was prepared.
(비교예 2)(Comparative Example 2)
EW가 725 g/eq인 불소계 이오노머 폴리(퍼플루오로술폰산)(PFSA)를 5 중량% 및 H2O/2-프로판올 용액을 나머지 중량으로 혼합하여 고분자 전해질 막 형성용 조성물을 제조한 후 제막하여 50 ㎛ 두께의 고분자 전해질 막을 제조하였다.A composition for forming a polymer electrolyte membrane was prepared by mixing 5% by weight of fluorine-based ionomer poly(perfluorosulfonic acid) (PFSA) having an EW of 725 g/eq and a H 2 O/2-propanol solution with the remaining weight, followed by film formation. A 50 μm thick polymer electrolyte membrane was prepared.
상기 제조된 고분자 전해질 막과 폴리페닐렌 설파이드(PPS) 부직포를 그라비아 코터를 이용하여 폴리우레탄계 습기경화형 핫멜트 접착제로 합지하였고, 상기 접착제의 습기 경화를 위하여 35 ℃, 습도 85 %인 숙성실에서 24 시간 동안 숙성시켰다.The prepared polymer electrolyte membrane and polyphenylene sulfide (PPS) nonwoven fabric were laminated with a polyurethane-based moisture-curing hot melt adhesive using a gravure coater, and for moisture curing of the adhesive, in an aging room at 35° C. and 85% humidity for 24 hours. matured.
이때, 상기 고분자 전해질 막, 상기 지지체 층 및 상기 접착층의 부피비는 1:0.1:0.3이었다.In this case, the volume ratio of the polymer electrolyte membrane, the support layer, and the adhesive layer was 1:0.1:0.3.
(비교예 3)(Comparative Example 3)
EW가 725 g/eq인 불소계 이오노머 폴리(퍼플루오로술폰산)(PFSA)를 5 중량%, 술폰산기로 치환된 SiO2 무기 입자를 10 중량%, 및 H2O/2-프로판올 용액을 나머지 중량으로 혼합하여 고분자 전해질 막 형성용 조성물을 제조한 후 제막하여 50 ㎛ 두께의 고분자 전해질 막을 제조하였다.5 wt% of fluorine-based ionomer poly(perfluorosulfonic acid) (PFSA) having an EW of 725 g/eq, 10 wt% of SiO 2 inorganic particles substituted with a sulfonic acid group, and H 2 O/2-propanol solution with the remaining weight A composition for forming a polymer electrolyte membrane was prepared by mixing, and then a film was formed to prepare a polymer electrolyte membrane having a thickness of 50 μm.
상기 제조된 고분자 전해질 막과 폴리페닐렌 설파이드(PPS) 부직포를 그라비아 코터를 이용하여 폴리우레탄계 습기경화형 핫멜트 접착제로 합지하였고, 상기 접착제의 습기 경화를 위하여 35 ℃, 습도 85 %인 숙성실에서 24 시간 동안 숙성시켰다.The prepared polymer electrolyte membrane and polyphenylene sulfide (PPS) nonwoven fabric were laminated with a polyurethane-based moisture-curing hot melt adhesive using a gravure coater, and for moisture curing of the adhesive, in an aging room at 35° C. and 85% humidity for 24 hours. matured.
이때, 상기 고분자 전해질 막, 상기 지지체 층 및 상기 접착층의 부피비는 1:0.1:0.3이었다.In this case, the volume ratio of the polymer electrolyte membrane, the support layer, and the adhesive layer was 1:0.1:0.3.
[실험예 1: 제조된 이온 교환막의 바나듐 투과도 분석][Experimental Example 1: Analysis of Vanadium Permeability of the Prepared Ion Exchange Membrane]
상기 실시예 및 비교예에서 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 and Comparative Examples, 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 of the amount of vanadium ions transmitted over time by placing the membrane between the MgSO 4 solution and the vanadium solution.
상기 표 1을 참조하면, 상기 실시예들에서 제조된 이온 교환막의 경우, 비교예들에서 제조된 이온 교환막에 비하여, 상기 지지체 층을 포함함에 따라, 바나듐 5가 이온의 투과가 방지되는 것을 확인할 수 있다.Referring to Table 1, it can be seen that in the case of the ion exchange membranes prepared in the Examples, permeation of vanadium pentavalent ions is prevented by including the support layer, compared to the ion exchange membranes prepared in Comparative Examples. have.
[실험예 2: 제조된 이온 교환막의 치수안정성 측정][Experimental Example 2: Measurement of dimensional stability of the prepared ion exchange membrane]
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 이온 교환막에 대하여 80 ℃, 상대 습도 95 %인 조건, 80 ℃, 상대 습도 50 %인 조건에서 치수안정성을 측정하였고, 그 결과는 하기 표 2에 나타내었다.For the ion exchange membranes prepared in Examples and Comparative Examples, dimensional stability was measured at 80 ° C., at a relative humidity of 95%, and at 80 ° C., at a relative humidity of 50%, and the results are shown in Table 2 below.
상기 치수안정성은 제조된 이온 교환막을 80 ℃의 증류수에 24 시간 동안 침지시킨 후 젖은 상태의 고분자 전해질 막을 꺼내어 두께 및 면적을 측정하고, 상기 이온 교환막을 80 ℃의 진공 상태에서 24 시간 동안 건조시킨 후 두께 및 면적을 측정한 후, 상기 고분자 전해질 막의 젖은 상태의 두께(Twet) 및 면적(Lwet)과 건조 상태의 두께(Tdry) 및 면적(Ldry)을 하기 수학식 1 및 2에 대입하여 두께에 대한 팽윤비 및 면적에 대한 팽윤비를 측정하였다.The dimensional stability is determined by immersing the prepared ion exchange membrane in distilled water at 80° C. for 24 hours, taking out the wet polymer electrolyte membrane, measuring the thickness and area, and drying the ion exchange membrane in a vacuum at 80° C. for 24 hours. After measuring the thickness and area, the thickness (T wet ) and area (L wet ) and the thickness (T dry ) and area (L dry ) in the wet state of the polymer electrolyte membrane are substituted into the following Equations 1 and 2 Thus, the swelling ratio to the thickness and the swelling ratio to the area were measured.
[수학식 1][Equation 1]
(Twet - Tdry / Tdry) × 100 = △T(두께에 대한 팽윤비, %)(T wet - T dry / T dry ) × 100 = △T(Swell ratio to thickness, %)
[수학식 2][Equation 2]
(Lwet - Ldry / Ldry) × 100 = △L(면적에 대한 팽윤비, %)(L wet - L dry / L dry ) × 100 = △L(Swell ratio to area, %)
1) 상기 고분자 전해질 막과 상기 지지체 층의 팽윤비는 상기 수학식 2에 따른 면적에 대한 팽윤비를 측정한 결과이다.1) The swelling ratio of the polymer electrolyte membrane and the support layer is the result of measuring the swelling ratio with respect to the area according to Equation 2 above.
상기 표 2에 나타난 바와 같이, 상기 실시예에서 제조된 이온 교환막은 상기 지지체 층과 상기 고분자 전해질 막의 계면간 결착력이 높고, 상기 지지체 층의 팽윤성과 상기 고분자 전해질 막의 팽윤성 차이가 최소화되어 구조적 안정성이 우수한 것을 알 수 있다.As shown in Table 2, the ion exchange membrane prepared in the above Example has a high bonding force between the interface between the support layer and the polymer electrolyte membrane, and the difference between the swelling property of the support layer and the swelling property of the polymer electrolyte membrane is minimized, so that the structural stability is excellent. it can be seen that
특히, 상기 실시예 4에서 제조된 이온 교환막은 상기 고분자 전해질 막이 상기 이온 교환 그룹으로 치환된 무기 입자를 포함함에 따라, 상기 지지체 층과 상기 고분자 전해질 막 자체의 팽윤비 차이가 더욱 작아져, 치수안정성이 더욱 향상되는 것을 확인할 수 있다.In particular, in the ion exchange membrane prepared in Example 4, as the polymer electrolyte membrane includes the inorganic particles substituted with the ion exchange groups, the difference in the swelling ratio between the support layer and the polymer electrolyte membrane itself becomes smaller, so that dimensional stability It can be seen that this is further improved.
반면, 상기 비교예 2 및 비교예 3에서 제조된 이온 교환막은 상기 지지체 층과 상기 고분자 전해질 막이 접착제에 의하여 접착됨에 따라, 상기 접착제의 용해 등으로 인해 탈리가 일어날 수 있고, 이에 의하여 치수안정성 등의 구조적 안정성이 저하되는 것을 확인할 수 있다.On the other hand, in the ion exchange membranes prepared in Comparative Examples 2 and 3, as the support layer and the polymer electrolyte membrane are adhered by an adhesive, desorption may occur due to dissolution of the adhesive, thereby reducing dimensional stability and the like. It can be seen that structural stability is reduced.
[실험예 3: 제조된 이온 교환막의 성능 분석][Experimental Example 3: Performance analysis of the prepared ion exchange membrane]
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 이온 교환막에 대하여 전압 효율, 전류 효율 및 시스템 효율을 측정하였고, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.Voltage efficiency, current efficiency, and system efficiency were measured for the ion exchange membranes prepared in Examples and Comparative Examples, and the results are shown in Table 3 below.
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 constructing the following device and measuring its 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 4를 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. As the anolyte, a solution containing 30 mL of 1.7 M VOSO 4 and 2.5 MH 2 SO 4 (aqueous tetravalent vanadium solution) was used, and as the catholyte, an aqueous solution obtained by electrolytic reduction of the anolyte (trivalent vanadium aqueous solution) was used. The anolyte was used in a slightly larger amount than the catholyte to suppress overcharging. The measurement unit cell was composed of a film to be measured, a heat treated carbon felt (Heat treated Carbon Felt, manufactured by Nippon Carbon, Inc.) having a size of 25 cm 2 , and a current collector. A potentiostat/constant current device was used for charging/discharging the unit cell for measurement, and the charge/discharge current density was measured at 60 mA/cm 2 . In addition, the charging/discharging of the unit cell was performed in a cur-off method by setting the charging 1.6 V and the discharging 1.0 V, and charging/discharging was performed 5 times, using Equation 4 below to determine current efficiency (CE) and voltage efficiency. (VE) and energy efficiency (EE) were calculated.
[수학식 4][Equation 4]
CE=QD/QC CE=Q D /Q C
VE=EAD/EAC VE=E AD /E AC
EE=CE×VEEE=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 the coulombic amounts during charging and discharging, and E AC [V] and E AD [V] are the cell voltages during charging and discharging.
(V.E)voltage efficiency
(VE)
(C.E)current efficiency
(CE)
(E.E)system efficiency
(EE)
상기 표 3을 참조하면, 상기 실시예들에서 제조된 이온 교환막의 경우, 비교예들에서 제조된 이온 교환막에 비하여, 바나듐 이온과 브롬 이온의 이동이 억제되고, 구조적 안정성이 향상됨에 따라, 전압 효율이 향상되고 열화가 방지되었음을 확인할 수 있다.Referring to Table 3, in the case of the ion exchange membranes prepared in the Examples, compared to the ion exchange membranes prepared in Comparative Examples, the movement of vanadium ions and bromine ions is suppressed and the structural stability is improved, so that the voltage efficiency It can be confirmed that this 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 embodiment of the present invention has been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements by those skilled in the art using the basic concept of the present invention as defined in the following claims are also provided. is within the scope of the
10: 지지체 층
20: 고분자 전해질 막
30: 계면 접착층
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/부하10: support layer
20: polymer electrolyte membrane
30: interfacial adhesive layer
102: cell housing
102A:
104: ion exchange membrane
106: positive electrode
108: cathode
110: anode electrolyte storage tank
112: negative electrolyte storage tank
114, 116: pump
118: power / load
Claims (18)
상기 지지체 층 일면에 위치하는 강화막, 그리고
상기 지지체 층과 상기 강화막 사이에 위치하는 계면 접착층을 포함하며,
상기 계면 접착층은 상기 지지체 층, 상기 강화막 및 이 둘 모두로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나가 용융된 후 고화되면서 상기 지지체 층과 상기 강화막을 접착시키는 것이고,
상기 지지체 층은, 직포, 부직포, 메쉬, 네트, 스펀지, 또는 폼의 형태를 가지며, 폴리부틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리우레탄, 폴리부텐, 폴리락트산, 폴리비닐 알코올, 폴리비닐 클로라이드, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리설폰, 폴리에틸렌-코-비닐아세테이트, 폴리아크릴로니트릴, 사이클릭 폴리올레핀, 폴리옥시메틸렌, 폴리올레핀계 열가소성 탄성중합체, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 이들의 유도체, 이들의 공중합체, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 포함하고,
상기 강화막은 다수의 공극(pore)을 포함하는 다공성 지지체 및 상기 다공성 지지체의 공극을 채우고 있는 이온 전도체를 포함하는,
이온 교환막.support layer for preventing ionic crossover;
a reinforcing film located on one surface of the support layer, and
An interfacial adhesive layer positioned between the support layer and the reinforcing film,
The interfacial adhesive layer is to adhere the support layer and the reinforcing film while any one selected from the group consisting of the support layer, the reinforcing film, and both is melted and then solidified,
The support layer has the form of a woven fabric, non-woven fabric, mesh, net, sponge, or foam, polybutylene, polypropylene, polyethylene, polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, polyamide, polyimide, polyurethane, Polybutene, polylactic acid, polyvinyl alcohol, polyvinyl chloride, polyphenylene sulfide, polysulfone, polyethylene-co-vinyl acetate, polyacrylonitrile, cyclic polyolefin, polyoxymethylene, polyolefin-based thermoplastic elastomer, polytetra containing any one selected from the group consisting of fluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), derivatives thereof, copolymers thereof, and mixtures thereof,
The reinforcing membrane comprises a porous support including a plurality of pores and an ion conductor filling the pores of the porous support,
ion exchange membrane.
상기 계면 접착층은 상기 강화막의 일부가 용융되어 상기 지지체 층의 공극에 침투한 후 고화되면서 상기 지지체 층과 상기 강화막을 접착시킨 것인 이온 교환막.The method of claim 1,
The interfacial adhesive layer is an ion exchange membrane wherein a portion of the reinforcement membrane is melted and penetrated into the pores of the support layer and then solidified while adhering the support layer and the reinforcement membrane.
상기 계면 접착층은 상기 지지체 층의 일부가 용융되어 상기 강화막에 부착된 후 고화되면서 상기 지지체 층과 상기 강화막을 접착시킨 것인 이온 교환막.The method of claim 1,
The interfacial adhesive layer is an ion exchange membrane wherein a portion of the support layer is melted and adhered to the reinforcement film and then solidified while bonding the support layer and the reinforcement film.
상기 계면 접착층은 상기 지지체 층과 상기 강화막이 용융되어 혼합된 후 고화되면서 상기 지지체 층과 상기 강화막을 접착시킨 것인 이온 교환막.The method of claim 1,
The interfacial adhesive layer is an ion exchange membrane wherein the support layer and the reinforcing membrane are melted and mixed and then solidified while adhering the support layer and the reinforcing membrane.
상기 이온 전도체는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 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), 술폰화된 폴리퀴녹살린(sulfonated polyquinoxaline), 술폰화된 폴리케톤(sulfonated polyketone), 술폰화된 폴리페닐렌옥사이드(sulfonated polyphenylene oxide), 술폰화된 폴리에테르술폰(sulfonated polyether sulfone), 술폰화된 폴리에테르케톤(sulfonated polyether ketone), 술폰화된 폴리페닐렌술폰(sulfonated polyphenylene sulfone), 술폰화된 폴리페닐렌설파이드(sulfonated polyphenylene sulfide), 술폰화된 폴리페닐렌설파이드술폰(sulfonated polyphenylene sulfide sulfone), 술폰화된 폴리페닐렌설파이드술폰니트릴(sulfonated polyphenylene sulfide sulfone nitrile), 술폰화된 폴리아릴렌에테르(sulfonated polyarylene ether), 술폰화된 폴리아릴렌에테르니트릴(sulfonated polyarylene ether nitrile), 술폰화된 폴리아릴렌에테르에테르니트릴(sulfonated polyarylene ether ether nitrile), 폴리아릴렌에테르술폰케톤(sulfonated polyarylene ether sulfone ketone), 이들의 유도체, 이들의 공중합체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인, 이온 교환막.The method of claim 1,
The ion conductor is poly(perfluorosulfonic acid), poly(perfluorocarboxylic acid), a copolymer of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether containing a sulfonic acid group, defluorinated sulfided polyetherketone, sulfonated sulfonated polyimide (S-PI), sulfonated polyarylethersulfone (S-PAES), sulfonated polyetheretherketone (SPEEK), sulfonated polybenzimidazole (S-PAES) polybenzimidazole (SPBI), sulfonated polysulfone (S-PSU), sulfonated polystyrene (S-PS), sulfonated polyphosphazene, sulfonated polyquinoxaline ( sulfonated polyquinoxaline, sulfonated polyketone, sulfonated polyphenylene oxide, sulfonated polyether sulfone, sulfonated polyether ketone , sulfonated polyphenylene sulfone, sulfonated polyphenylene sulfide, sulfonated polyphenylene sulfide sulfone, sulfonated polyphenylene sulfide sulfone Sulfonated polyphenylene sulfide sulfone nitrile, sulfonated polyarylene ether, sulfonated polyarylene ether nitrile, sulfonated polyarylene ether nitrile Any one selected from the group consisting of polyarylene ether ether nitrile), polyarylene ether sulfone ketone (sulfonated polyarylene ether sulfone ketone), derivatives thereof, copolymers thereof, and mixtures thereof, the ion exchange membrane.
상기 강화막과 상기 지지체 층의 부피비는 1:0.1 내지 1:2.0인 것인 이온 교환막.The method of claim 1,
The volume ratio of the reinforcement membrane and the support layer is 1:0.1 to 1:2.0 of the ion exchange membrane.
상기 강화막과 상기 지지체 층의 팽윤비 차이는 10 % 이하인 것인 이온 교환막.The method of claim 1,
The difference in swelling ratio between the reinforcement membrane and the support layer is 10% or less of the ion exchange membrane.
상기 강화막은 이온 교환 그룹으로 치환된 무기 입자를 더 포함하는 것인 이온 교환막.10. The method of claim 9,
The reinforcing membrane is an ion exchange membrane further comprising inorganic particles substituted with ion exchange groups.
상기 강화막은 상기 이온 교환 그룹으로 치환된 무기 입자를 상기 이온 전도체 100 중량부에 대하여 0.001 중량부 내지 0.5 중량부로 포함하는 것인 이온 교환막.11. The method of claim 10,
The reinforcing membrane is an ion exchange membrane comprising 0.001 parts by weight to 0.5 parts by weight of the inorganic particles substituted with the ion exchange group based on 100 parts by weight of the ion conductor.
상기 지지체 층, 상기 강화막 및 이 둘 모두로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 용융시킨 후 고화시키면서,
상기 지지체 층과 상기 강화막을 접착시키는 계면 접착층을 형성하는 단계를 포함하되,
상기 지지체 층은, 직포, 부직포, 메쉬, 네트, 스펀지, 또는 폼의 형태를 가지며, 폴리부틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리우레탄, 폴리부텐, 폴리락트산, 폴리비닐 알코올, 폴리비닐 클로라이드, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리설폰, 폴리에틸렌-코-비닐아세테이트, 폴리아크릴로니트릴, 사이클릭 폴리올레핀, 폴리옥시메틸렌, 폴리올레핀계 열가소성 탄성중합체, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 이들의 유도체, 이들의 공중합체, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 포함하고,
상기 강화막은 다수의 공극(pore)을 포함하는 다공성 지지체 및 상기 다공성 지지체의 공극을 채우고 있는 이온 전도체를 포함하는,
이온 교환막의 제조 방법.Positioning the reinforcing membrane on one side of the support layer for preventing ion crossover,
While solidifying after melting any one selected from the group consisting of the support layer, the reinforcing film, and both,
Comprising the step of forming an interfacial adhesive layer for adhering the support layer and the reinforcing film,
The support layer has the form of a woven fabric, non-woven fabric, mesh, net, sponge, or foam, polybutylene, polypropylene, polyethylene, polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, polyamide, polyimide, polyurethane, Polybutene, polylactic acid, polyvinyl alcohol, polyvinyl chloride, polyphenylene sulfide, polysulfone, polyethylene-co-vinyl acetate, polyacrylonitrile, cyclic polyolefin, polyoxymethylene, polyolefin-based thermoplastic elastomer, polytetra containing any one selected from the group consisting of fluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), derivatives thereof, copolymers thereof, and mixtures thereof,
The reinforcing membrane comprises a porous support including a plurality of pores and an ion conductor filling the pores of the porous support,
A method for manufacturing an ion exchange membrane.
상기 계면 접착층은 상기 강화막의 일부가 용융되어 상기 지지체 층의 공극에 침투한 후 고화되면서 상기 지지체 층과 상기 강화막을 접착시키는 것인 이온 교환막의 제조 방법.13. The method of claim 12,
The interfacial adhesive layer is a method of manufacturing an ion exchange membrane that a part of the reinforcing membrane is melted and penetrated into the pores of the support layer and then solidified while adhering the support layer and the reinforcing membrane.
상기 계면 접착층은 상기 지지체 층의 일부가 용융되어 상기 강화막에 부착된 후 고화되면서 상기 지지체 층과 상기 강화막을 접착시키는 것인 이온 교환막의 제조 방법.13. The method of claim 12,
The interfacial adhesive layer is a method of manufacturing an ion exchange membrane to which a part of the support layer is melted and attached to the reinforcement membrane and then solidified to adhere the support layer and the reinforcement membrane.
상기 계면 접착층은 상기 지지체 층과 상기 강화막이 용융되어 혼합된 후 고화되면서 상기 지지체 층과 상기 강화막을 접착시키는 것인 이온 교환막의 제조 방법.13. The method of claim 12,
The interfacial adhesive layer is a method of manufacturing an ion exchange membrane that adheres the support layer and the reinforcing membrane while the support layer and the reinforcing membrane are melted and mixed and then solidified.
상기 강화막은 이온 교환 그룹으로 치환된 무기 입자를 더 포함하는, 이온 교환막의 제조 방법.13. The method of claim 12,
The reinforcing membrane further comprises inorganic particles substituted with an ion exchange group, the method of manufacturing an ion exchange membrane.
상기 에너지 저장 장치는 레독스 플로우 전지(redox flow battery)인 것인 에너지 저장 장치.
18. The method of claim 17,
The energy storage device is an energy storage device that is a redox flow battery (redox flow battery).
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