KR102287067B1 - High stability pore-filled ion-exchange membranes for redox flow battery and method for preparing the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 세공 충진 기법으로 제조된 레독스 흐름전지용 음이온 교환막 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 다공성 지지체에 폴리페닐렌옥사이드계 고분자와 가교제를 함침시켜 가교 구조를 이루는 음이온 교환막을 제공함으로써 높은 기계적 강도, 우수한 산화 안정성 및 낮은 전기적 저항과 높은 이온 선택성을 갖도록 하는 레독스 흐름전지용 음이온 교환막 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.The present invention relates to an anion exchange membrane for a redox flow battery manufactured by a pore filling technique and a manufacturing method thereof. More specifically, an anion for a redox flow battery that has high mechanical strength, excellent oxidation stability, low electrical resistance and high ion selectivity by impregnating a porous support with a polyphenylene oxide-based polymer and a crosslinking agent to provide an anion exchange membrane forming a crosslinked structure To provide an exchange membrane and a method for manufacturing the same.

Description

고 안정성 레독스 흐름전지용 세공 충진 음이온 교환막 및 이의 제조 방법{HIGH STABILITY PORE-FILLED ION-EXCHANGE MEMBRANES FOR REDOX FLOW BATTERY AND METHOD FOR PREPARING THE SAME}Pore-filled anion exchange membrane for high stability redox flow battery and manufacturing method thereof

본 발명은 세공 충진 기법으로 제조된 레독스 흐름전지용 음이온 교환막 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 다공성 지지체 필름상에 수지를 함침시켜 가교한 음이온 교환막을 제공함으로써 높은 기계적 강도, 우수한 산화 안정성 및 낮은 전기적 저항과 높은 이온 선택성을 갖도록 하는 레독스 흐름전지용 음이온 교환막 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.The present invention relates to an anion exchange membrane for a redox flow battery manufactured by a pore filling technique and a manufacturing method thereof. More specifically, to provide an anion exchange membrane crosslinked by impregnating a resin on a porous support film to have high mechanical strength, excellent oxidation stability, low electrical resistance, and high ion selectivity for a redox flow battery, and a method for manufacturing the same will do

레독스 흐름전지용 이온교환막은 일반적으로 양이온 및 음이온 교환막이 사용되고 있다. 이 중 음이온 교환막은 바나듐 이온의 투과도를 낮출 수 있기 때문에 선호되며 많은 연구가 진행중에 있다. 이에 레독스 흐름전지용 음이온 교환 상용막 중 하나인 AMX(NEOSEPTA, ASTOM사, 일본)는 기계적, 화학적 안정성이 뛰어나며 낮은 전기적 저항과 우수한 이온선택성을 갖는다는 장점이 있지만, 제조 공정이 복잡하여 제조단가가 높다는 단점이 있다. 이러한 이온교환막은 장시간 가동되는 레독스 흐름전지에 적용되기 위해서는 현재 사용되는 상용막 보다 막 제조 단가를 훨씬 낮춰야하며 전기화학적 성능도 더욱 향상시키는 것이 필요하다. 즉, 상기 AMX 상용막을 대체할 수 있는 우수한 기계적 강도, 화학적 안정성 및 전기화학적 성능을 갖는 레독스 흐름전지용 음이온 교환막에 대한 개발이 필요하다.As an ion exchange membrane for a redox flow battery, cation and anion exchange membranes are generally used. Among them, the anion exchange membrane is preferred because it can lower the permeability of vanadium ions, and many studies are in progress. Accordingly, AMX (NEOSEPTA ⓡ , ASTOM, Japan), one of the commercial anion exchange membranes for redox flow batteries, has the advantages of excellent mechanical and chemical stability, low electrical resistance and excellent ion selectivity, but manufacturing cost is complicated due to the complicated manufacturing process. It has the disadvantage of being high. In order for such an ion exchange membrane to be applied to a redox flow battery that operates for a long time, it is necessary to significantly lower the membrane manufacturing cost compared to the currently used commercial membrane and to further improve the electrochemical performance. That is, it is necessary to develop an anion exchange membrane for a redox flow battery having excellent mechanical strength, chemical stability and electrochemical performance that can replace the AMX commercial membrane.

대한민국 등록특허공보 10-2022676호 (2019.09.10)Republic of Korea Patent Publication No. 10-2022676 (2019.09.10)

본 발명자들은 다공성 지지체 필름상에 고분자 수지와 가교제를 함침시키는 세공 충진 기법으로 레독스 흐름전지용 가교된 음이온 교환막을 제조함으로써, 음이온 교환막의 기계적, 화학적 물성, 이온선택성 및 전기화학적 성능을 현저히 상승시킬 수 있음을 발견하여 본 발명을 완성하였다.The present inventors prepared a crosslinked anion exchange membrane for a redox flow battery using a pore filling technique in which a polymer resin and a crosslinking agent are impregnated on a porous support film, thereby significantly increasing the mechanical and chemical properties, ion selectivity and electrochemical performance of the anion exchange membrane. It was found that the present invention was completed.

즉, 본 발명은 레독스 흐름전지에 적용가능한 음이온 교환막을 제조함에 있어서, 고분자 수지를 브롬화하고 이에 4차 암모늄염기를 갖도록 치환하여 음이온을 교환할 수 있는 장소를 만들고, 가교제와 함께 다공성 지지체에 함침시켜 가교된 음이온 교환막을 제조하였다. 더욱이, 가교제의 사슬 길이 또는 다공성 지지체의 기공율에 따라 음이온 교환막을 제조함으로써 기계적, 화학적 물성 및 전기화학적 성능을 평가하여 가장 우수한 성능을 갖는 음이온 교환막을 개발하게 되었다.That is, in the present invention, in the preparation of an anion exchange membrane applicable to a redox flow battery, the polymer resin is brominated and substituted to have a quaternary ammonium base to create a place where anion can be exchanged, and the porous support is impregnated with a crosslinking agent. A cross-linked anion exchange membrane was prepared. Furthermore, by preparing an anion exchange membrane according to the chain length of the crosslinking agent or the porosity of the porous support, mechanical, chemical properties and electrochemical performance were evaluated to develop an anion exchange membrane having the best performance.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양태는 다공성 지지체의 표면 및 기공 내부에 코팅되어 생성된 가교 음이온 교환수지가 도포된 레독스 흐름전지용 음이온 교환막을 제공하는 것이다.One aspect of the present invention for achieving the above object is to provide an anion exchange membrane for a redox flow battery coated with a cross-linked anion exchange resin produced by coating the surface and the inside of the pores of a porous support.

상기 본 발명의 일 양태에서, 폴리페닐렌옥사이드 고분자를 가교제와 함께 다공성 지지체에 함침시켜 제조한 음이온 교환막의 경우, 상용막인 AMX 보다 인장강도 증가율은 400 % 이상, 좋게는 500 % 이상으로 현저하게 증가된 특성을 가진다. 또한, 인장신율 증가율이 300 % 이상, 좋게는 800 % 이상, 더욱 좋게는 1000 % 이상으로 예상치 못한 범위로 현저하게 증가되었다. In one aspect of the present invention, in the case of an anion exchange membrane prepared by impregnating a polyphenylene oxide polymer in a porous support together with a crosslinking agent, the tensile strength increase rate is significantly higher than that of AMX, which is a commercial membrane, by 400% or more, preferably by 500% or more. have increased properties. In addition, the tensile elongation increase rate was significantly increased in an unexpected range to 300% or more, preferably 800% or more, and more preferably 1000% or more.

또한, 폴리페닐렌옥사이드 고분자를 다이비닐벤젠과 함께 다공성 지지체에 함침시켜 제조한 음이온 교환막의 경우, 레독스 흐름전지에서 충·방전 실험을 한 결과 상용막인 AMX 보다 전압효율이 약 3 % 증가되었다.In addition, in the case of an anion exchange membrane prepared by impregnating a polyphenylene oxide polymer in a porous support with divinylbenzene, as a result of charging and discharging experiments in a redox flow battery, the voltage efficiency was increased by about 3% compared to the commercial membrane, AMX. .

또한, 상기의 방법으로 음이온 교환막을 제조한 경우, 펜톤 산화 실험에서 남아있는 막의 무게 분율이 95 % 이상으로 상용막인 AMX보다 높게 나타났다.In addition, when the anion exchange membrane was prepared by the above method, the weight fraction of the membrane remaining in the Fenton oxidation experiment was 95% or more, which was higher than that of the commercial membrane, AMX.

또한, 상기의 방법으로 음이온 교환막을 제조한 경우, 바나듐 산화 실험에서 막을 투과하는 바나듐 이온의 농도가 0.005 mg/L 이하로 0.16 mg/L 이상인 상용막 AMX보다 훨씬 더 안정정인 산화 안정성을 보였다. In addition, when an anion exchange membrane was prepared by the above method, in the vanadium oxidation experiment, the concentration of vanadium ions passing through the membrane was 0.005 mg/L or less, and showed much more stable oxidation stability than the commercial membrane AMX that was 0.16 mg/L or more.

도 1는 본 발명의 비교예 및 실시예 중 가교제별로 제조한 25 ㎛ 두께의 음이온 교환막의 펜톤 산화 실험에 적용하였을 때의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 2은 본 발명의 비교예 및 실시예 중 가교제별로 제조한 25 ㎛ 두께의 음이온 교환막을 바나듐 산화 실험에 적용하였을 때의 결과를 나타내는 그래프이다.
1 is a graph showing the results when applied to the Fenton oxidation experiment of a 25 μm thick anion exchange membrane prepared for each crosslinking agent in Comparative Examples and Examples of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing results when an anion exchange membrane having a thickness of 25 μm prepared for each crosslinking agent in Comparative Examples and Examples of the present invention was applied to a vanadium oxidation experiment.

이하 첨부된 도면들을 포함한 구체예 또는 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 참조일 뿐 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현 될 수 있다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through embodiments or examples including the accompanying drawings. However, the following examples are only a reference for describing the present invention in detail, and the present invention is not limited thereto, and may be implemented in various forms.

또한 달리 정의되지 않는 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본원에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 효과적으로 기술하기 위함이고, 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다.Also, unless defined otherwise, all technical and scientific terms have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. The terminology used in the description herein is for the purpose of effectively describing particular embodiments only, and is not intended to limit the invention.

본 발명에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.In the present invention, when a part "includes" a certain component, this means that other components may be further included rather than excluding other components unless otherwise stated.

또한 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다.Also, the singular forms used in the specification and appended claims may also be intended to include the plural forms unless the context specifically dictates otherwise.

본 발명의 일 양태는 다공성 지지체의 표면 및 기공 내부에 코팅되어 생성된 페닐렌옥사이드계 가교 음이온 교환수지가 도포된 레독스 흐름전지용 음이온 교환막 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.One aspect of the present invention is to provide an anion exchange membrane for a redox flow battery coated with a phenylene oxide-based cross-linked anion exchange resin produced by coating the surface and the inside of the pores of a porous support, and a method for manufacturing the same.

본 발명의 레독스 흐름전지용 음이온 교환막의 제조방법에 대해 간단하게 설명하면, 종래의 캐스팅법으로 막을 제조하는 것이 아닌 세공 충진기법으로 가교된 음이온 교환막을 제조하는 것이다. 이는 폴리페닐렌옥사이드계(PPO) 고분자를 주쇄로 하여, 브롬화시키는 과정을 거쳐 비닐기를 가진 아민 화합물과 함께 반응시켜 4급 암모늄기를 함유한 PPO 고분자를 합성한다. 이후, 가교제와 함께 다공성 지지체에 함침시켜 광가교하여 음이온 교환막을 제조한다. 본 발명의 폴리페닐렌옥사이드계 고분자는 벤젠고리에 할로겐화할 수 있는 치환기를 가진다면 특별히 제한되지는 않지만, 예를 들면 폴리페닐렌옥사이드(Poly(2,6-dimethyl-1,4-phenylene oxide)) 고분자를 포함하는 것일 수 있으며, 본 명세서에서는 상기와 같은 구조의 폴리페닐렌옥사이드를 사용하는 것으로 기재하였다. 또한, 본 발명에서 사용되는 다공성 지지체는 특별히 제한되는 것은 아니지만, 폴리에틸렌 소재인 다공성 지지체를 사용하였으며 9, 25 및 50 ㎛ 두께를 가지고 각각 기공율이 54 %, 40 % 및 78 %인 것을 사용하였다. 다만, 다공성 지지체의 두께와 기공율은 비례하지 않는다. Briefly describing the manufacturing method of the anion exchange membrane for a redox flow battery of the present invention, the cross-linked anion exchange membrane is manufactured by a pore filling method, rather than by a conventional casting method. This synthesizes a PPO polymer containing a quaternary ammonium group by reacting with an amine compound having a vinyl group through a process of bromination using a polyphenylene oxide-based (PPO) polymer as a main chain. Thereafter, the porous support is impregnated with a crosslinking agent and photocrosslinked to prepare an anion exchange membrane. The polyphenylene oxide-based polymer of the present invention is not particularly limited as long as it has a substituent capable of halogenation on the benzene ring, but for example, polyphenylene oxide (Poly (2,6-dimethyl-1,4-phenylene oxide) ) may include a polymer, and in this specification, it has been described as using polyphenylene oxide having the same structure as above. In addition, the porous support used in the present invention is not particularly limited, but a porous support made of polyethylene was used, and had a thickness of 9, 25 and 50 μm and had a porosity of 54%, 40%, and 78%, respectively. However, the thickness and porosity of the porous support are not proportional.

일 양태에서, 상기 다공성 지지체의 두께는 1 내지 300 ㎛ 인 것일 수 있다.In one aspect, the thickness of the porous support may be 1 to 300 ㎛.

일 양태에서, 상기 다공성 지지체의 기공율은 10 내지 80 % 인 것일 수 있다.In one aspect, the porosity of the porous support may be 10 to 80%.

일 양태에서, 상기 다공성 지지체는 폴리올레핀, 폴리에스테르, 폴리테트라플루오르에틸렌, 폴리비닐클로라이드, 폴리메틸아크릴레이트, 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리우레아, 폴리에테르, 폴리우레탄, 폴리이소시아누레이트 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있다.In one embodiment, the porous support is polyolefin, polyester, polytetrafluoroethylene, polyvinyl chloride, polymethyl acrylate, polymethyl methacrylate, polyurea, polyether, polyurethane, polyisocyanurate, and combinations thereof. It may be selected from the group consisting of.

일 양태에서, 상기 가교 음이온 교환수지는 가교 음이온 교환수지는 할로겐화 폴리페닐렌옥사이드계 중합체와 아민기를 가지는 반응성 단량체를 포함하며, 4차 아민화된 폴리페닐렌옥사이드계 중합체로 제조한 후 가교하여 제조한 것일 수 있다.In one embodiment, the cross-linked anion exchange resin includes a halogenated polyphenylene oxide-based polymer and a reactive monomer having an amine group, the cross-linked anion exchange resin is prepared by crosslinking the quaternary aminated polyphenylene oxide-based polymer may have been

상기 가교 음이온 교환수지는 가교제를 더 포함하고 광가교하여 형성된 것일 수 있다.The crosslinked anion exchange resin may further include a crosslinking agent and be formed by photocrosslinking.

상기 가교제는 상기 가교제는 디비닐벤젠, 에틸렌글리콜디메타크릴레이트, 디에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트, 트리에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트, 1,3-부탄디올 디메타크릴레이트, 1,6-헥산디올 디메타크릴레이트, 네오펜틸글리콜 디메타크릴레이트, 트리프로필렌글리콜디아크릴레이트, 디프로필렌글리콜디아크릴레이트, 트리에틸렌글리콜디아크릴레이트, 트리사이클로데칸디메탄올디아크릴레이트, 트리메틸올프로판트리메타크릴레이트 및 트리메틸올트리아크릴레이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것일 수 있다.The crosslinking agent is divinylbenzene, ethylene glycol dimethacrylate, diethylene glycol dimethacrylate, triethylene glycol dimethacrylate, 1,3-butanediol dimethacrylate, 1,6-hexanediol di Methacrylate, neopentyl glycol dimethacrylate, tripropylene glycol diacrylate, dipropylene glycol diacrylate, triethylene glycol diacrylate, tricyclodecane dimethanol diacrylate, trimethylolpropane trimethacrylate and It may be any one or more selected from the group consisting of trimethylol triacrylate.

상기 반응성 화합물은 폴리페닐렌옥사이드계 중합체와 1급, 2급, 및 3급 아민 화합물 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하여 반응시켜 제조되는 것 일 수 있다.The reactive compound may be prepared by reacting a polyphenylene oxide-based polymer with any one or more selected from primary, secondary, and tertiary amine compounds.

상기 반응성 단량체는 1급, 2급 및 3급 아민기를 가지는 반응성 단량체 화합물 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.The reactive monomer may include at least one selected from reactive monomer compounds having primary, secondary and tertiary amine groups.

또한, 상기 가교 음이온 교환수지는 할로겐화 페닐렌옥사이드계 중합체 및 반응성 단량체의 몰비가 1.5:1 내지 2.5:1 인 것 일 수 있다.In addition, the cross-linked anion exchange resin may have a molar ratio of the halogenated phenylene oxide-based polymer and the reactive monomer of 1.5:1 to 2.5:1.

이하는 본 발명의 각 구성에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.Hereinafter, each configuration of the present invention will be described in more detail.

본 발명은 세공 충진 기법으로 제조된 음이온 교환막과 그 제조방법에 관한 것으로, 제조된 음이온 교환막의 기계적·화학적 물성과 전기화학적 성능을 평가하여 상용막인 AMX와 그 성능을 비교하였다. 세공 충진 기법으로 제조된 음이온 교환막은 다음과 같은 과정을 거쳐 제조되었다. 먼저, 폴리페닐렌옥사이드(Poly(2,6-dimethyl-1,4-phenylene oxide), PPO)를 브롬화시키는 과정을 거쳐 4급 암모늄기를 함유한 PPO를 합성하고, 이를 가교제와 함께 다공성 지지체에 함침시켜 광가교하는 세공 충진 기법으로 음이온 교환막을 제조하였다. 제조된 음이온 교환막은 인장강도 및 인장신율, 펜톤 및 바나듐 산화실험, 그리고 전기화학적 평가를 통하여 상용막인 AMX보다 성능이 뛰어남을 확인할 수 있었다. 특히, 실시예 1의 폴리페닐렌옥사이드 고분자를 가교제(다이비닐벤젠, DVB)와 함께 다공성 지지체에 함침시켜 제조한 음이온 교환막의 경우, 상용막인 AMX 보다 인장강도 증가율은 400 % 이상, 좋게는 500 % 이상으로 현저하게 증가된 특성을 가진다. 또한, 인장신율 증가율이 300 % 이상, 좋게는 800 % 이상, 더욱 좋게는 1000 % 이상으로 예상치 못한 범위로 현저하게 증가되었다. The present invention relates to an anion exchange membrane manufactured by a pore filling technique and a method for manufacturing the same, and the mechanical and chemical properties and electrochemical performance of the manufactured anion exchange membrane were evaluated to compare their performance with AMX, a commercial membrane. The anion exchange membrane prepared by the pore filling technique was manufactured through the following process. First, polyphenylene oxide (Poly(2,6-dimethyl-1,4-phenylene oxide), PPO) is brominated to synthesize PPO containing a quaternary ammonium group, and this is impregnated into a porous support together with a crosslinking agent. An anion exchange membrane was prepared by a pore filling technique of photocrosslinking. It was confirmed that the prepared anion exchange membrane performed better than the commercial membrane AMX through tensile strength and tensile elongation, Fenton and vanadium oxidation tests, and electrochemical evaluation. In particular, in the case of an anion exchange membrane prepared by impregnating the polyphenylene oxide polymer of Example 1 in a porous support together with a crosslinking agent (divinylbenzene, DVB), the tensile strength increase rate is 400% or more, preferably 500% compared to AMX, a commercial membrane. % or more, which has significantly increased properties. In addition, the tensile elongation increase rate was significantly increased in an unexpected range to 300% or more, preferably 800% or more, and more preferably 1000% or more.

또한, 실시예 1의 폴리페닐렌옥사이드 고분자 수지를 다이비닐벤젠과 함께 다공성 지지체에 함침시켜 제조한 음이온 교환막의 경우, 레독스 흐름전지에서 충·방전 실험을 한 결과 상용막인 AMX 보다 전압효율이 약 3 % 증가되었다.In addition, in the case of an anion exchange membrane prepared by impregnating the polyphenylene oxide polymer resin of Example 1 in a porous support together with divinylbenzene, as a result of charging and discharging experiments in a redox flow battery, the voltage efficiency was higher than that of AMX, a commercial membrane. increased by about 3%.

또한, 상기의 방법으로 제조한 음이온 교환막인 실시예 1의 경우, 펜톤 산화 실험에서 남아있는 막의 무게 분율이 95 % 이상으로 상용막인 AMX보다 높게 나타났다.In addition, in the case of Example 1, which is an anion exchange membrane prepared by the above method, the weight fraction of the remaining membrane in the Fenton oxidation experiment was 95% or more, which was higher than that of AMX, a commercial membrane.

또한, 상기의 방법으로 제조한 음이온 교환막인 실시예 1의 경우, 바나듐 산화 실험에서 막을 투과하는 바나듐 이온의 농도가 0.005 mg/L 이하로 0.16 mg/L 이상인 상용막 AMX보다 훨씬 더 안정정인 산화 안정성을 보였다. In addition, in the case of Example 1, which is an anion exchange membrane prepared by the above method, in the vanadium oxidation experiment, the concentration of vanadium ions passing through the membrane is 0.005 mg/L or less, which is much more stable than the commercial membrane AMX that is 0.16 mg/L or more. showed

본 발명은 또한, 가교제의 사슬 길이(분자량)별로 세공 충진 기법을 사용하여 음이온 교환막을 제조하였으며, 이 역시 상용막인 AMX보다 성능이 뛰어났으며, 가교제의 사슬 길이가 가장 짧은 DVB을 사용하여 제조된 음이온 교환막의 인장강도 및 인장신율, 펜톤 및 바나듐 산화도, 그리고 전기화학적 특성이 가장 우수한 것으로 나타났다.The present invention also prepared an anion exchange membrane using a pore filling technique for each chain length (molecular weight) of the crosslinking agent, which also outperformed AMX, a commercial membrane, and produced using DVB with the shortest chain length of the crosslinking agent It was found that the tensile strength and tensile elongation, Fenton and vanadium oxidation degrees, and electrochemical properties of the anion exchange membrane were the best.

더욱이, 본 발명은 다양한 두께와 기공율을 갖는 다공성 지지체를 이용하여 음이온 교환막을 제조하였는데, 막 두께에 대한 경향성 보다는 기공율에 영향을 받아 기공율이 높을수록 막 저항이 낮아지는 것을 확인할 수 있었다.Moreover, in the present invention, anion exchange membranes were prepared using porous supports having various thicknesses and porosities, and it was confirmed that the membrane resistance was lowered as the porosity was higher due to the influence of the porosity rather than the tendency to the thickness of the membrane.

본 발명의 일 양태에서 사용된 상기 다공성 지지체는 필름, 시트, 부직포 등 일 수 있으며, 두께는 특별히 제한되는 것은 아니지만 이온의 통과가 용이한 정도의 두께를 가지는 것이라면 제한없이 사용될 수 있다. 1 내지 300 ㎛, 좋게는 10 내지 100 ㎛, 보다 좋게는 5 내지 100 ㎛, 더욱 좋게는 10 내지 50 ㎛인 것일 수 있다. 상기 범위의 다공성 지지체를 사용하여 음이온 교환막을 제조하였을 시, 특히 막 저항이 낮고 전기화학적 특성 및 에너지효율이 우수하여 바람직하다. The porous support used in one aspect of the present invention may be a film, a sheet, a nonwoven fabric, etc., and the thickness is not particularly limited, but as long as it has a thickness of a degree to facilitate the passage of ions, it may be used without limitation. 1 to 300 μm, preferably 10 to 100 μm, more preferably 5 to 100 μm, even more preferably 10 to 50 μm. When an anion exchange membrane is prepared using the porous support in the above range, it is particularly preferable because of low membrane resistance and excellent electrochemical properties and energy efficiency.

또한, 본 발명의 일 양태에서 사용된 상기 다공성 지지체의 기공율은 반드시 이에 제한되는 것은 아니지만, 10 내지 80 %, 좋게는 20 내지 80 %, 보다 좋게는 40 내지 60 % 인 것일 수 있다. 상기 범위의 기공율을 가진 다공성 지지체를 사용하여 음이온 교환막을 제조하였을 경우, 인장 강도 및 인장신율이 우수하며, 두께상승에 따른 막 저항이 높아지는 것을 줄여, 전기화학적 특성 특히 이온교환용량이 높아져 더 우수한 에너지 효율을 가질 수 있어 바람직하다.In addition, the porosity of the porous support used in one aspect of the present invention is not necessarily limited thereto, but may be 10 to 80%, preferably 20 to 80%, more preferably 40 to 60%. When an anion exchange membrane is prepared using a porous support having a porosity in the above range, it has excellent tensile strength and tensile elongation, and reduces the increase in membrane resistance with increase in thickness, resulting in better energy due to increased electrochemical properties, particularly ion exchange capacity It is preferable because it can have efficiency.

본 발명의 일 양태에서, 상기 다공성 지지체는 상기 음이온 교환 수지 혼합물이 충진된 후 중합이 수행될 수 있도록 기공을 포함하는 경우라면 제한 없이 사용될 수 있으며, 음이온 교환막의 지지가 가능한 재질이라면 특별히 제한되는 것은 아니지만 폴리올레핀, 폴리에스테르, 폴리테트라플루오르에틸렌, 폴리비닐클로라이드, 폴리메틸아크릴레이트, 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리우레아, 폴리에테르, 폴리우레탄, 폴리이소시아누레이트 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있다. In one aspect of the present invention, the porous support can be used without limitation as long as it includes pores so that polymerization can be performed after the anion exchange resin mixture is filled, and if it is a material capable of supporting the anion exchange membrane, it is particularly limited but selected from the group consisting of polyolefin, polyester, polytetrafluoroethylene, polyvinyl chloride, polymethyl acrylate, polymethyl methacrylate, polyurea, polyether, polyurethane, polyisocyanurate, and combinations thereof can

본 발명의 일 양태에서, 상기 가교 음이온 교환수지는 할로겐화 폴리페닐렌옥사이드계 중합체와 아민기를 가지는 반응성 단량체를 포함하며, 4차 아민화된 폴리페닐렌옥사이드계 중합체로 제조한 후 가교하여 제조한 것일 수 있다. 상기 할로겐화 폴리페닐렌옥사이드계 중합체는 도입되는 할로겐 작용기를 이용하여 음이온 교환기를 도입하고자 한 것으로, 사용되는 할로겐 원소가 크게 제한되지는 않으나, 제조되는 막의 크기, 성능 등에 따라 조절될 수 있다. 할로겐 원소로는 예를들면 불소, 염소, 브롬, 요오드 등을 들 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 구체적인 예로 본 명세서에서는 브롬화된 폴리페닐렌옥사이드일 수 있으나, 반드시 이에 제한되지 않는다. 또한, 아민기를 가지는 반응성 단량체는 고분자 수지와 반응 후 음이온 교환을 수행할 수 있는 작용기를 가져야하며, 이는 1급, 2급 및 3급 아민기를 가지는 반응성 단량체 화합물 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다. 또한, 상기 반응성 단량체는 추후 광가교 할 수 있는 반응기를 가진 것이라면 제한 없이 사용될 수 있다. 비한정적인 일 예로, 4급 암모늄염이 치환된 비닐벤젠 일 수 있으며 구체적으로 2-디메틸아미노에틸아크릴레이트(2-(Dimethylamino)ethyl methacrylate(DMAEMA))일 수 있으나 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.In one aspect of the present invention, the cross-linked anion exchange resin includes a halogenated polyphenylene oxide-based polymer and a reactive monomer having an amine group, and is prepared by crosslinking after preparing a quaternary aminated polyphenylene oxide-based polymer. can The halogenated polyphenylene oxide-based polymer is intended to introduce an anion exchange group using the introduced halogen functional group, and the halogen element used is not particularly limited, but may be adjusted according to the size, performance, etc. of the membrane to be manufactured. The halogen element may include, but is not limited to, fluorine, chlorine, bromine, and iodine, for example. As a specific example, the present specification may be a brominated polyphenylene oxide, but is not necessarily limited thereto. In addition, the reactive monomer having an amine group must have a functional group capable of performing anion exchange after reaction with the polymer resin, which includes at least one selected from reactive monomer compounds having primary, secondary and tertiary amine groups. can In addition, the reactive monomer may be used without limitation as long as it has a reactive group that can be photocrosslinked later. As a non-limiting example, the quaternary ammonium salt may be substituted vinylbenzene, and specifically 2-dimethylaminoethyl acrylate (2-(Dimethylamino)ethyl methacrylate (DMAEMA)), but is not necessarily limited thereto.

본 발명의 일 양태에서, 상기 가교 음이온 교환수지는 가교제를 더 포함하고 광가교하여 형성된 것일 수 있으며, 상기 가교제는 디비닐벤젠, 에틸렌글리콜디메타크릴레이트, 디에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트, 트리에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트, 1,3-부탄디올 디메타크릴레이트, 1,6-헥산디올 디메타크릴레이트, 네오펜틸글리콜 디메타크릴레이트, 트리프로필렌글리콜디아크릴레이트, 디프로필렌글리콜디아크릴레이트, 트리에틸렌글리콜디아크릴레이트, 트리사이클로데칸디메탄올디아크릴레이트, 트리메틸올프로판트리메타크릴레이트 및 트리메틸올트리아크릴레이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것일 수 있다. 또한, 광가교의 조건은 본 발명의 목적을 저해하지 않는 범위에서 통상적인 방법으로 실시될 수 있으므로 자세한 방법에 대해서는 생략한다.In one aspect of the present invention, the crosslinked anion exchange resin may further include a crosslinking agent and be formed by photocrosslinking, and the crosslinking agent may be divinylbenzene, ethylene glycol dimethacrylate, diethylene glycol dimethacrylate, triethylene Glycol dimethacrylate, 1,3-butanediol dimethacrylate, 1,6-hexanediol dimethacrylate, neopentyl glycol dimethacrylate, tripropylene glycol diacrylate, dipropylene glycol diacrylate, tri It may be at least one selected from the group consisting of ethylene glycol diacrylate, tricyclodecane dimethanol diacrylate, trimethylolpropane trimethacrylate, and trimethylol triacrylate. In addition, since the conditions of photocrosslinking can be carried out by a conventional method within a range that does not impair the purpose of the present invention, detailed methods are omitted.

본 발명의 일 양태에서, 상기 가교 음이온 교환수지는 할로겐화 페닐렌옥사이드계 중합체 및 반응성 단량체의 몰비가 1.5:1 내지 2.5:1 인 것일 수 있으며 몰비가 크게 제한되는 것은 아니지만 좋게는 1.8:1 내지 2.3:1 인 것일 수 있다. 상기 범위로 제조된 음이온 교환막이 이온교환용량, 함수율 및 전기화학적인 특성이 우수하나 이는 비한정적인 일예일 뿐, 상기 수치범위에 제한받지 않는다. In one aspect of the present invention, the cross-linked anion exchange resin may have a molar ratio of the halogenated phenylene oxide-based polymer and the reactive monomer of 1.5:1 to 2.5:1, and the molar ratio is not particularly limited, but preferably 1.8:1 to 2.3. It may be 1:1. The anion exchange membrane prepared in the above range has excellent ion exchange capacity, moisture content and electrochemical properties, but this is only a non-limiting example, and is not limited by the numerical range.

이하 실시예 및 비교예를 바탕으로 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예 및 비교예는 본 발명을 더욱 상세히 설명하기 위한 하나의 예시일 뿐, 본 발명이 하기 실시예 및 비교예에 의해 제한되는 것은 아니다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on Examples and Comparative Examples. However, the following Examples and Comparative Examples are merely examples for explaining the present invention in more detail, and the present invention is not limited by the following Examples and Comparative Examples.

[물성측정방법][Method of measuring physical properties]

1. 음이온 교환막의 전기화학적 평가1. Electrochemical evaluation of anion exchange membranes

(1) 전기적 저항 (Electrical resistance, ER) : 멤브레인의 전기적 저항은 clip cell로 전기 임피던스 분광법을 사용하여 측정하였다. 수용액은 0.5 M NaCl과 0.5 M H2SO4를 사용하였다. 멤브레인의 임피던스 (│Z│) 및 임피던스(θ)의 위상 각을 측정하고 아래의 방정식을 사용하여 면적 저항(Ω·cm2) 값으로 변환하였다.(1) Electrical resistance (ER): The electrical resistance of the membrane was measured using electrical impedance spectroscopy using a clip cell. The aqueous solution was 0.5 M NaCl and 0.5 MH 2 SO 4 . The impedance (│Z│) and the phase angle of the impedance (θ) of the membrane were measured and converted into area resistance (Ω·cm 2 ) values using the equation below.

Figure 112019111176180-pat00001
Figure 112019111176180-pat00001

(2) 함수율 (Water uptake, WU) : 멤브레인의 함수율은 막의 젖은 상태 및 건조 상태의 무게를 각각 측정하여 아래의 식에 의해 결정되었다.(2) Water uptake (WU): The moisture content of the membrane was determined by the following equation by measuring the weight of the membrane in wet and dry conditions, respectively.

Figure 112019111176180-pat00002
Figure 112019111176180-pat00002

(3) 이온교환용량 (Ion exchange capacity, IEC) : 이온교환 용량은 2×2 cm2 크기로 자른 멤브레인을 0.5 M NaCl에 6 시간 이상 담궈 음이온교환기에 Cl-이 달려 있는 중성 상태로 유지하도록 한다. 멤브레인의 겉에 뭍어 있는 NaCl을 증류수로 깨끗이 씻어낸 후 0.25 M Na2SO4에 3 시간 이상 담궈 SO4 2- 이온이 멤브레인의 음이온교환기에 달려 있던 Cl-와 치환되도록 한다. 막은 꺼내어 건조시킨 후 무게를 측정한다. 막으로부터 치환된 Cl-의 양은 0.01 N AgNO3 용액으로 붉은색 침전물이 형성될 때까지 적정하여 알아내었고, 이 때의 부피를 아래의 식에 적용하여 이온교환용량을 나타내었다. 이 때, 지시약은 1 wt% K2CrO4을 사용하였다.(3) Ion exchange capacity (IEC): For the ion exchange capacity, a membrane cut to a size of 2×2 cm 2 is immersed in 0.5 M NaCl for more than 6 hours to maintain a neutral state with Cl- attached to the anion exchanger. . After washing the NaCl attached to the membrane with distilled water, soak it in 0.25 M Na 2 SO 4 for 3 hours or more so that the SO 4 2- ions are replaced with Cl- attached to the anion exchanger of the membrane. The membrane is taken out, dried, and then weighed. The amount of Cl- substituted from the membrane was found by titration with 0.01 N AgNO 3 solution until a red precipitate was formed, and the volume at this time was applied to the following equation to indicate the ion exchange capacity. In this case, 1 wt% K 2 CrO 4 was used as the indicator.

Figure 112019111176180-pat00003
Figure 112019111176180-pat00003

(4) 이온이동수 (Transport number, TN) : 멤브레인을 통한 음이온 이동수는 2-compartment 셀에 0.001, 0.005 M NaCl을 약 150 ml씩 채워 넣은 후, 한 쌍의 Ag/AgCl wire 전극을 사용하여 디지털 전압계에 연결하여 측정하였다.(4) Transport number (TN): After filling the 2-compartment cell with about 150 ml each of 0.001 and 0.005 M NaCl, the transport number of ions (TN): Using a pair of Ag/AgCl wire electrodes, use a digital voltmeter connected to and measured.

Figure 112019111176180-pat00004
Figure 112019111176180-pat00004

여기에서 Em은 측정된 셀 전위, R은 기체상수, T는 절대온도, F는 Faraday 상수이며 CL과 CH는 NaCl 용액의 농도로 각 각 1 mM 과 5 mM 이었다. Here, Em is the measured cell potential, R is the gas constant, T is the absolute temperature, F is the Faraday constant, and C L and CH are the concentrations of NaCl solution, respectively, 1 mM and 5 mM.

(5) 레독스 흐름 전지 충·방전 실험(5) Redox flow battery charge/discharge experiment

실험에서는 전해액의 탱크가 없는 non-flowing 방식으로 실험하였다. Carbon felt(GF20-3, Nippon Graphite)의 크기는 2.5×5 cm2이고, 열풍기로 30 분 가량 400 내지 500 ℃에서 열처리를 한 뒤, 2 M H2SO4에 용해 시킨 1.6 M V3.5+의 전해액에 30분 이상 담궈 충분히 적신 후 사용한다. 도 1의 순서로 셀 체결을 한 후에, 양극과 음극에 모두 V3.5+의 전해액을 bipolr plate의 주입 구멍으로 가득 채운다. 레독스 흐름 전지 충·방전 실험은 battery cycler(WBCS3000, WonAtech)를 이용하여 0.9 내지 1.9 V 범위에서 충·방전이 이루어졌다.In the experiment, a non-flowing method without an electrolyte tank was used. The size of carbon felt (GF20-3, Nippon Graphite) is 2.5×5 cm 2 , and after heat treatment at 400 to 500 ℃ for 30 minutes with a hot air blower, 1.6 M V3.5+ dissolved in 2 MH 2 SO 4 Soak in the electrolyte for at least 30 minutes and wet thoroughly before use. After the cell is fastened in the order of FIG. 1, the electrolyte of V3.5+ is filled in both the anode and the cathode into the injection hole of the bipolr plate. Redox flow battery charging and discharging experiments were carried out in the range of 0.9 to 1.9 V using a battery cycler (WBCS3000, WonAtech).

2. 음이온 교환막의 기계적·화학적 물성 평가2. Evaluation of mechanical and chemical properties of anion exchange membrane

(1) 펜톤 산화 실험(1) Fenton oxidation experiment

3 wt%의 H2O2와 3 ppm의 FeSO4를 용해시켜 펜톤 용액을 제조한다. 시료는 2×2 cm2의 크기로 준비한다. 실험 전, 막의 무게를 측정한다. 20 ml 용량의 바이알병에 펜톤 용액 10 ml를 채우고 막이 완전히 잠기도록 한다. 바이알병은 밀봉후, 80 ℃에서 8 시간 동안 유지한다. 4 시간 간격으로 막의 무게를 측정하여 산화 조건에서의 막의 변화를 관찰하였다. 도 1에서 볼 수 있듯이, 비교예 1 보다 특히 실시예 1로 제조된 음이온 교환막이 8시간 이후 남아있는 남의 무게 분율이 큰 것을 확인하였다.3 wt% of H 2 O 2 and 3 ppm of FeSO 4 are dissolved to prepare a Fenton solution. The sample is prepared in the size of 2×2 cm 2 . Before the experiment, the membrane is weighed. Fill a 20 ml vial with 10 ml of Fenton's solution and ensure that the membrane is completely submerged. The vial bottle is sealed and kept at 80° C. for 8 hours. Membrane weights were measured at 4 hour intervals to observe changes in the membrane under oxidizing conditions. As can be seen in FIG. 1 , it was confirmed that the anion exchange membrane prepared in Example 1 had a greater weight fraction than Comparative Example 1, which remained after 8 hours.

(2) 바나듐 산화 실험(2) Vanadium oxidation experiment

5 M H2SO4용액에 0.1 M V2O5용액을 제조한다. 막을 2×2 cm2의 크기로 준비하여 바이알병에 V2O5용액을 20 ml 채운 후 막을 완전히 담궈, 밀봉한 후 40 ℃를 유지한다. 정해진 시간마다 용액의 1 ml씩 채취한 후 4 ml의 5 M H2SO4로 희석시킨다. 채취한 샘플은 UV-vis spectrophotometer를 이용하여 바나듐 이온의 농도를 구한다. 동시에 겉보기로 산화가 진행되는 정도(V5+는 노란색, V4+는 파란색)를 관찰한다. 도 2에서 볼 수 있듯이, 비교예 1 보다 실시예 1로 제조된 음이온 교환막이 바나듐 이온의 산화에 훨씬 안정한 것을 확인하였다.A 0.1 MV 2 O 5 solution is prepared in a 5 MH 2 SO 4 solution. Prepare a membrane with a size of 2×2 cm 2 , fill a vial with 20 ml of V 2 O 5 solution, and then completely immerse the membrane, seal it, and maintain 40 ℃. After collecting 1 ml of the solution every set time, it is diluted with 4 ml of 5 MH 2 SO 4 . The concentration of vanadium ions in the collected sample is calculated using a UV-vis spectrophotometer. At the same time, observe the apparent degree of oxidation (V 5+ is yellow, V 4+ is blue). As can be seen in FIG. 2 , it was confirmed that the anion exchange membrane prepared in Example 1 was much more stable to oxidation of vanadium ions than in Comparative Example 1.

(3) 인장강도 및 신율(3) Tensile strength and elongation

세공충진 시스템과 가교에 대한 물리적 특성을 알아보기 위해 지지체를 사용하지 않고 casting으로 제조한 막과 가교제를 사용하지 않은 막을 각각 9, 25 μm로 건조 상태와 젖은 상태로 각각 준비한다. 막을 5×2.5 cm2의 크기로 잘라서 Model 경도계3343(Instron, Norwodd, MA, USA)를 이용해서 인장강도(strength) 및 신장률(elongation)을 측정하였다. 인장강도와 신장률은 아래의 식에 의해서 계산되었다.In order to examine the physical properties of the pore filling system and crosslinking, a membrane made by casting without using a support and a membrane without a crosslinking agent are prepared in a dry and wet state, respectively, with a diameter of 9 and 25 μm, respectively. The membrane was cut into a size of 5×2.5 cm 2 and tensile strength and elongation were measured using a Model durometer 3343 (Instron, Norwodd, MA, USA). Tensile strength and elongation were calculated by the following formula.

식 1) 인장 강도(Tensile strength, MPa) = Maximum tensile force / cross sectional areaEquation 1) Tensile strength (MPa) = Maximum tensile force / cross sectional area

(maximum tensile force는 각각의 필름을 인장시켜 필름이 절단될 때까지의 작용한 가장 큰 힘을 말함.)(Maximum tensile force refers to the greatest force applied to each film until the film is cut.)

식 2) 신장률(Elongation, %) = (ΔL/L) × 100Equation 2) Elongation (%) = (ΔL/L) × 100

(L는 universal testing machine 초기 grip 사이의 거리(mm)를 나타내며, 본 실험에서는 100 mm로 설정함.)(L represents the distance (mm) between the initial grips of the universal testing machine, and in this experiment, it was set to 100 mm.)

[제조예 1] BPPO(Brominated PPO)의 합성 방법[Preparation Example 1] BPPO (brominated PPO) synthesis method

폴리페닐렌옥사이드(Poly(2,6-dimethyl-1,4-phenylene oxide), PPO, Aldrich 社)에 사차암모늄기(NR3+)를 도입하기 위해서 브롬을 치환시킨다. 그 방법으로, 4구 둥근바닥플라스크에 클로로벤젠(Chlorobenzene) 184 g에 총 무게(200 g) 대비 8 wt%의 PPO 16 g을 넣고 hot stirrer의 온도를 131 ℃로 올리면서 용해시킨다. 질소를 흘려주면서, 상기 제조된 PPO 용액에 Bromine 21.31 g을 용매인 클로로벤젠 100 g에 용해시킨 용액을 약 30 내지 40분 동안 적가하고, 환류하여 반응시켰다. 131 ℃의 반응 온도를 유지하면서 계속 교반하며 10 시간 동안 반응시킨다. 합성이 끝난 후, 10×10 cm2 사각 유리소자에 고순도 메탄올을 채우고 교반 자석이 돌아가는 상태에서 합성된 BPPO 용액을 스포이드를 이용하여 소자의 벽면에 대고 흘려주면 합성된 BPPO만이 교반 자석에 감기면서 침전된다. 침전물을 다시 깨끗한 고순도 메탄올을 세 번 이상 갈아주면서 세척하고 80 ℃의 진공오븐에서 24시간 동안 건조시켜 수득한다.Bromine is substituted to introduce a quaternary ammonium group (NR 3+ ) into polyphenylene oxide (Poly (2,6-dimethyl-1,4-phenylene oxide), PPO, Aldrich Co.). In this way, 16 g of 8 wt% of PPO compared to the total weight (200 g) was added to 184 g of chlorobenzene in a four-neck round bottom flask and dissolved while raising the temperature of a hot stirrer to 131 °C. While flowing nitrogen, a solution of 21.31 g of bromine dissolved in 100 g of chlorobenzene as a solvent to the prepared PPO solution was added dropwise for about 30 to 40 minutes, followed by refluxing to react. While maintaining the reaction temperature of 131 ℃, the reaction is continued for 10 hours. After the synthesis is completed, fill a 10×10 cm 2 square glass element with high-purity methanol and pour the synthesized BPPO solution against the wall of the element using a dropper while the stirring magnet is rotating. Only the synthesized BPPO is wound around the stirring magnet and precipitates do. The precipitate is again washed with clean high-purity methanol three or more times, and dried in a vacuum oven at 80° C. for 24 hours.

[실시예 1] 음이온 교환막의 제조 방법[Example 1] Manufacturing method of anion exchange membrane

용매인 다이메틸폼아마이드(DMF)에 상기 제조예 1에서 제조된 BPPO와 2-(Dimethylamino)ethyl methacrylate(DAMEMA)를 용해시켜 용액을 제조하였다. BPPO:DMAEMA의 몰비(단량체 기준 몰비)는 2:1 이며, 고형분의 양은 30 wt%이다. 상기 용액을 80 ℃에서 3 시간 동안 교반하여 용해시키고 상온까지 식힌 후, 가교제인 디비닐벤젠(Divinyl benzene, DVB, 130.19 g/mol)와 광개시제(benzoyl peroxide)를 첨가하여 10 내지 15분간 교반시켜 제조한다. 상기 가교제는 상기 BPPO의 10 wt%이고 개시제는 2 wt%를 추가하였고, 바이알병은 알루미늄호일로 감싼다. 상기 용액에 기공율이 40 %인 25 ㎛의 폴리에틸렌 다공성 지지체를 함침한 후, 진공 오븐에 건조한 후 꺼내서 2장의 유리판 사이에 위치한 후 광가교시켰다. 상기 지지체를 상기 용액에 함침시켜 가교하면, 불투명했던 지지체가 굴절률에 의해 투명해 지는 것으로 음이온 교환막이 제조됨을 확인하였다.A solution was prepared by dissolving BPPO and 2-(Dimethylamino)ethyl methacrylate (DAMEMA) prepared in Preparation Example 1 in dimethylformamide (DMF) as a solvent. The molar ratio of BPPO:DMAEMA (monomer-based molar ratio) is 2:1, and the amount of solid content is 30 wt%. The solution was dissolved by stirring at 80 ° C. for 3 hours, cooled to room temperature, a crosslinking agent divinyl benzene (DVB, 130.19 g / mol) and a photoinitiator (benzoyl peroxide) were added and stirred for 10 to 15 minutes. do. The crosslinking agent was 10 wt% of the BPPO and 2 wt% of the initiator was added, and the vial was wrapped with aluminum foil. After impregnating the solution with a polyethylene porous support having a porosity of 40% of 25 μm, it was dried in a vacuum oven, taken out, placed between two glass plates, and then photocrosslinked. When the support was impregnated in the solution and cross-linked, it was confirmed that the support, which was opaque, became transparent by the refractive index, thereby producing an anion exchange membrane.

[실시예 2] 가교된 음이온 교환막[Example 2] Cross-linked anion exchange membrane

실시예 1과 동일하되,Same as Example 1, but

에틸렌메타크릴레이트(Ethylene glycol dimethacrylate, EGDMA, 198.22 g/mol) 가교제를 사용하여 음이온 교환막을 제조하였다.An anion exchange membrane was prepared using an ethylene glycol dimethacrylate (EGDMA, 198.22 g/mol) crosslinking agent.

[실시예 3] 가교된 음이온 교환막[Example 3] Cross-linked anion exchange membrane

실시예 1과 동일하되,Same as Example 1, but

1,3-부탄디올 디메타크릴레이트(1,3-Butanediol dimethacrylate, BDDMA, 226.27 g/mol) 가교제를 사용하여 음이온 교환막을 제조하였다.An anion exchange membrane was prepared using a 1,3-butanediol dimethacrylate (1,3-Butanediol dimethacrylate, BDDMA, 226.27 g/mol) crosslinking agent.

[실시예 4] 가교된 음이온 교환막[Example 4] Cross-linked anion exchange membrane

실시예 1과 동일하되,Same as Example 1, but

1,6-헥산디올 디메타크릴레이트(1,6-Hexanediol dimethacrylate, HDDMA, 254.32 g/mol) 가교제를 사용하여 음이온 교환막을 제조하였다.An anion exchange membrane was prepared using a 1,6-hexanediol dimethacrylate (1,6-Hexanediol dimethacrylate, HDDMA, 254.32 g/mol) crosslinking agent.

[실시예 5][Example 5]

기공율이 54 %이고 두께가 9 ㎛인 폴리에틸렌 다공성 필름을 지지체로 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 실시하였다.The same procedure as in Example 1 was carried out except that a polyethylene porous film having a porosity of 54% and a thickness of 9 μm was used as a support.

[실시예 6][Example 6]

기공율이 78 %이고 두께가 50 ㎛인 폴리에틸렌 다공성 필름을 지지체로 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 실시하였다.The same procedure as in Example 1 was carried out except that a polyethylene porous film having a porosity of 78% and a thickness of 50 μm was used as a support.

[비교예 1][Comparative Example 1]

상용 음이온 교환막인 Astom사의 AMX 막을 대조군으로 사용하였다. Astom's AMX membrane, which is a commercial anion exchange membrane, was used as a control.

MembranesMembranes Thickness(㎛)Thickness(㎛) ER(Ω·cm2)ER(Ω·cm 2 ) WU(%)WU (%) IEC(meq./g)IEC (meq./g) IN(-)IN(-) In 0.5 M NaClIn 0.5 M NaCl In 0.5M H2SO4 In 0.5MH 2 SO 4 비교예 1Comparative Example 1 AMXAMX 136136 2.472.47 2.932.93 21.721.7 1.511.51 0.9800.980 실시예 1Example 1 DVB 20wt%DVB 20wt% 2222 3.143.14 1.111.11 20.6020.60 1.591.59 0.9810.981 실시예 2Example 2 EGDMA 20wt%EGDMA 20wt% 2222 2.992.99 0.970.97 20.5020.50 1.221.22 0.9800.980 실시예 3Example 3 BDDMA 20wt%BDDMA 20wt% 2222 2.402.40 0.760.76 15.0215.02 1.111.11 0.9780.978 실시예 4Example 4 HDDMA 20wt%HDDA 20wt% 2222 2.162.16 0.560.56 14.5114.51 1.051.05 0.9750.975

상기 표 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예들은 0.5 M H2SO4 수용액에서 비교예 1 대비 현저히 낮은 막 저항값을 나타내었다. 더욱이, 가교제의 분자량이 작을수록, 비교적 짧은 분자구조를 가질수록 막 저항값이 증가하는 경향을 보여 실시예 1의 막 저항이 가장 높은 것을 확인할 수 있다. 이는 가교제의 분자량이 작아질수록 중합체의 사슬 간 거리가 짧아지며 막 내부의 자유 부피가 감소하기 때문임을 시사하는 것이다.As can be seen in Table 1, Examples according to the present invention exhibited significantly lower membrane resistance than Comparative Example 1 in 0.5 MH 2 SO 4 aqueous solution. Moreover, as the molecular weight of the crosslinking agent is small and has a relatively short molecular structure, the membrane resistance value tends to increase, confirming that the membrane resistance of Example 1 is the highest. This suggests that as the molecular weight of the crosslinking agent decreases, the interchain distance of the polymer becomes shorter and the free volume inside the membrane decreases.

MembranesMembranes Thickness(㎛)Thickness(㎛) ER(Ω·cm2)ER(Ω·cm 2 ) WU(%)WU (%) IEC(meq./g)IEC (meq./g) IN(-)IN(-) 비교예 1Comparative Example 1 AMXAMX 136136 2.472.47 21.721.7 1.511.51 0.9800.980 실시예 5Example 5 DVB 20 wt%(54 %)DVB 20 wt% (54 %) 88 0.810.81 24.324.3 2.242.24 0.9850.985 실시예 6Example 6 DVB 20 wt%(78 %)DVB 20 wt% (78 %) 4747 1.091.09 56.756.7 1.521.52 0.9820.982

상기 표 2는 가교제 중 가장 분자량이 작은 DVB를 고정하여 사용하고 다공성 지지체의 두께 및 기공율을 다르게 하여 제조한 음이온 교환막의 전기화학적 특성의 평가 결과를 나타낸 표이다. 상기 표 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 막저항이 실시예들 모두 비교예 1보다 훨씬 낮은 수치인 것을 확인할 수 있다. 또한, 물 함습율, 이온교환용량 및 이온이동수가 비교예 1 보다 높다.Table 2 is a table showing the evaluation results of the electrochemical properties of the anion exchange membrane prepared by fixing and using DVB with the smallest molecular weight among the crosslinking agents and varying the thickness and porosity of the porous support. As can be seen in Table 2, it can be seen that the film resistance of all Examples is much lower than that of Comparative Example 1. In addition, the water content, ion exchange capacity, and ion migration number are higher than those of Comparative Example 1.

MembranesMembranes Columbic efficiency(CE)(%)Columbic efficiency(CE)(%) Voltage efficiency(VE)(%)Voltage efficiency(VE)(%) Energy efficiency(EE)(%)Energy efficiency (EE) (%) 비교예 1Comparative Example 1 AMXAMX 95.995.9 88.488.4 84.884.8 실시예 1Example 1 DVBDVB 94.594.5 92.592.5 87.387.3 실시예 2Example 2 EGDMAEGDMA 93.993.9 92.492.4 87.287.2 실시예 3Example 3 BDDMABDDMA 91.891.8 93.793.7 85.985.9 실시예 4Example 4 HDDMAHDDA 85.685.6 94.594.5 80.980.9

상기 표 3은 기공율 40 %의 지지체를 사용하여 제조된 음이온 교환막을 레독스 흐름전지에 적용하여 충·방전 실험을 한 결과를 나타낸다. 실시예들에서 볼 수 있듯이, 가교제의 분자량이 커질수록 쿨롱효율과 에너지 효율이 감소하는 경향을 보였으며, 에너지 효율은 DVB 가교제를 사용하였을 때인 실시예 1이 87.3 %로 비교예 1 보다 향상되는 효과를 나타내었다.Table 3 shows the results of charging and discharging experiments by applying an anion exchange membrane prepared using a support having a porosity of 40% to a redox flow battery. As can be seen from the Examples, as the molecular weight of the crosslinking agent increased, the coulombic efficiency and energy efficiency tended to decrease, and the energy efficiency was 87.3% in Example 1 when the DVB crosslinking agent was used. was shown.

인장강도(Mpa)Tensile strength (Mpa) MembranesMembranes 인장강도(Mpa)Tensile strength (Mpa) 인장신율(%)Tensile Elongation (%) 비교예 1Comparative Example 1 AMXAMX 31.831.8 10.610.6 실시예 1Example 1 DVB 20 wt% 54%DVB 20 wt% 54% 171.9171.9 52.952.9 실시예 2Example 2 DVB 20 wt% 78%DVB 20 wt% 78% 192.6192.6 156.1156.1

상기 표 4에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1의 인장강도 및 인장신율이 비교예 1 보다 최대 1000 % 이상으로 예상치 못한 범위로 현저하게 증가된 것을 확인할 수 있다. As shown in Table 4, it can be confirmed that the tensile strength and tensile elongation of Example 1 according to the present invention were significantly increased in an unexpected range by up to 1000% or more than Comparative Example 1.

더욱이, 상기 표 4에서 볼 수 있듯이, 54 %의 기공율을 갖는 지지체로 제조한 음이온 교환막인 실시예 1보다 78 %의 기공율을 갖는 지지체로 제조한 음이온 교환막인 실시예 2가 인장강도 및 인장신율이 더 높은 것을 확인할 수 있다.Moreover, as can be seen in Table 4 above, Example 2, an anion exchange membrane prepared with a support having a porosity of 78%, has tensile strength and tensile elongation compared to Example 1, which is an anion exchange membrane prepared with a support having a porosity of 54%. higher can be seen.

이상에서 설명된 본 발명은 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.The present invention described above is merely exemplary, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will appreciate that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Therefore, it will be well understood that the present invention is not limited to the forms recited in the above detailed description. Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the technical spirit of the appended claims.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.Therefore, the spirit of the present invention should not be limited to the described embodiments, and not only the claims to be described later, but also all those with equivalent or equivalent modifications to the claims will be said to belong to the scope of the spirit of the present invention. .

Claims (9)

다공성 지지체,
상기 다공성 지지체의 표면 및 기공 내부에 폴리페닐렌옥사이드계 가교 음이온 교환수지가 충진되며,
상기 폴리페닐렌옥사이드계 가교음이온 교환수지는 할로겐화 폴리페닐렌옥사이드계 중합체와 아민기를 가지는 반응성 단량체를 반응시켜 4차 아민화된 폴리페닐렌옥사이드계 중합체를 제조한 후, 상기 반응성단량체의 반응성기와 반응할 수 있는 가교제를 반응시켜 가교하여 제조한 것인 레독스 흐름전지용 음이온 교환막.
porous support,
A polyphenylene oxide-based cross-linked anion exchange resin is filled on the surface and inside the pores of the porous support,
The polyphenylene oxide-based crosslinked anion exchange resin is reacted with a reactive group of the reactive monomer after preparing a quaternary aminated polyphenylene oxide-based polymer by reacting a halogenated polyphenylene oxide-based polymer with a reactive monomer having an amine group An anion exchange membrane for a redox flow battery that is produced by crosslinking by reacting a crosslinking agent that can be used.
제 1항에 있어서,
상기 다공성 지지체의 두께는 1 내지 300 ㎛ 인 레독스 흐름전지용 음이온 교환막.
The method of claim 1,
The thickness of the porous support is an anion exchange membrane for a redox flow battery of 1 to 300 ㎛.
제 1항에 있어서,
상기 다공성 지지체의 기공율은 10 내지 80 % 인 레독스 흐름전지용 음이온 교환막.
The method of claim 1,
The porosity of the porous support is 10 to 80% anion exchange membrane for a redox flow battery.
제 1항에 있어서,
상기 다공성 지지체는 폴리올레핀, 폴리에스테르, 폴리테트라플루오르에틸렌, 폴리비닐클로라이드, 폴리메틸아크릴레이트, 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리우레아, 폴리에테르, 폴리우레탄, 폴리이소시아누레이트 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 레독스 흐름전지용 음이온 교환막.
The method of claim 1,
The porous support is from the group consisting of polyolefin, polyester, polytetrafluoroethylene, polyvinyl chloride, polymethyl acrylate, polymethyl methacrylate, polyurea, polyether, polyurethane, polyisocyanurate, and combinations thereof. An anion exchange membrane for a redox flow battery of choice.
삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 가교 음이온 교환수지는 가교제를 더 포함하고 광가교하여 형성된 것인 레독스 흐름전지용 음이온 교환막.
The method of claim 1,
The crosslinked anion exchange resin further comprises a crosslinking agent and is formed by photocrosslinking an anion exchange membrane for a redox flow battery.
제 6항에 있어서,
상기 가교제는 디비닐벤젠, 에틸렌글리콜디메타크릴레이트, 디에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트, 트리에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트, 1,3-부탄디올 디메타크릴레이트, 1,6-헥산디올 디메타크릴레이트, 네오펜틸글리콜 디메타크릴레이트, 트리프로필렌글리콜디아크릴레이트, 디프로필렌글리콜디아크릴레이트, 트리에틸렌글리콜디아크릴레이트, 트리사이클로데칸디메탄올디아크릴레이트, 트리메틸올프로판트리메타크릴레이트 및 트리메틸올트리아크릴레이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 레독스 흐름전지용 음이온 교환막.
7. The method of claim 6,
The crosslinking agent is divinylbenzene, ethylene glycol dimethacrylate, diethylene glycol dimethacrylate, triethylene glycol dimethacrylate, 1,3-butanediol dimethacrylate, 1,6-hexanediol dimethacrylate , neopentyl glycol dimethacrylate, tripropylene glycol diacrylate, dipropylene glycol diacrylate, triethylene glycol diacrylate, tricyclodecane dimethanol diacrylate, trimethylol propane trimethacrylate and trimethylol tri An anion exchange membrane for a redox flow battery at least one selected from the group consisting of acrylates.
제 6항에 있어서,
상기 반응성 단량체는 1급, 2급 및 3급 아민기를 가지는 반응성 단량체 화합물 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것인 레독스 흐름전지용 음이온 교환막.
7. The method of claim 6,
The reactive monomer is an anion exchange membrane for a redox flow battery comprising at least one selected from reactive monomer compounds having primary, secondary and tertiary amine groups.
제 1항에 있어서,
상기 가교 음이온 교환수지는 할로겐화 페닐렌옥사이드계 중합체 및 반응성 단량체의 몰비가 1.5:1 내지 2.5:1 인 레독스 흐름전지용 음이온 교환막.
The method of claim 1,
The crosslinked anion exchange resin is an anion exchange membrane for a redox flow battery having a molar ratio of a halogenated phenylene oxide-based polymer and a reactive monomer of 1.5:1 to 2.5:1.
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