KR102294549B1 - Composite comprising post-transition metal and porous carbon, Preparation method thereof and Redox flow cell comprising the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전이후 금속 및 다공성 탄소를 포함하는 복합체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 레독스 흐름 전지에 관한 것으로, 전이후 금속 및 다공성 탄소를 결합한 구조를 가지고, 상기 복합체는 전극 상에 고르게 증착되며, 상기 복합체를 함유하는 전극을 포함하는 레독스 흐름 전지는 용량 보존율 및 에너지 효율이 우수한 장점이 있다.The present invention relates to a composite comprising a metal and porous carbon after the transition, a method for preparing the same, and a redox flow battery including the same, and has a structure in which the metal and porous carbon are combined after the transition, the composite is evenly deposited on an electrode, , The redox flow battery comprising an electrode containing the composite has the advantage of excellent capacity retention and energy efficiency.

Description

전이후 금속 및 다공성 탄소를 포함하는 복합체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 레독스 흐름 전지{Composite comprising post-transition metal and porous carbon, Preparation method thereof and Redox flow cell comprising the same}Composite comprising post-transition metal and porous carbon, manufacturing method thereof, and redox flow battery including same

본 발명은 전이후 금속 및 다공성 탄소를 포함하는 복합체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 레독스 흐름 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a composite comprising a metal and porous carbon after transition, a method for preparing the same, and a redox flow battery comprising the same.

화석연료의 사용으로 인한 환경문제를 완화하기 위하여 최근 신재생 에너지를 에너지원으로써 활용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이에 따라 신재생에너지 저장장치인 에너지 저장 시스템(Energy Saving System,ESS)의 중요성이 대두되고 있으며 현재 리튬이차전지를 에너지 저장 시스템 전지로 사용하고 있다.In order to alleviate the environmental problems caused by the use of fossil fuels, research for using new and renewable energy as an energy source is being actively conducted. Accordingly, the importance of an energy saving system (ESS), a new and renewable energy storage device, is emerging, and a lithium secondary battery is currently used as an energy storage system battery.

그러나 리튬이차전지의 특성으로 인해 화재 및 폭발 사고 등 안전성과 관련된 많은 사고들이 발생하고 있어 에너지 저장 시스템용 리튬이차전지의 대체재로 안정성이 확보된 레독스 흐름 전지가 거론되고 있다. 레독스 흐름 전지는 출력부분과 활물질 보관부분이 분리되어 있어 출력과 용량을 자유롭게 설정할 수 있어 대용량화하기 수월하다는 장점이 있다. 그러나 수계 레독스 흐름 전지의 경우, 충전 시 음극에서 부반응으로 수소가 발생하여 에너지 효율이 낮아지는 단점과 이온불균형으로 인해 용량이 감소하는 문제점이 존재한다. 이를 방지하기 위해 전해질에 비스무스(Bi) 첨가제를 용해하여 전극에 비스무스를 증착하는데 이 방식을 흐름 전지용 스택에 적용할 경우, 전지의 입구(inlet) 주변에 비스무스 첨가제가 쏠려 있어 음극 전극에 고르게 증착하기 어렵다는 문제점이 있고, 비스무스는 상대적으로 낮은 전기전도성으로 활 물질에 대한 반응성이 떨어지는 문제점이 있다.However, due to the characteristics of lithium secondary batteries, many accidents related to safety, such as fire and explosion accidents, occur. Therefore, a redox flow battery with secured stability is being discussed as a substitute for lithium secondary batteries for energy storage systems. The redox flow battery has the advantage that it is easy to increase the capacity because the output part and the active material storage part are separated so that the output and capacity can be freely set. However, in the case of a water-based redox flow battery, there is a problem in that the energy efficiency is lowered due to the generation of hydrogen as a side reaction at the negative electrode during charging and the capacity is reduced due to ion imbalance. To prevent this, bismuth is deposited on the electrode by dissolving the bismuth (Bi) additive in the electrolyte. There is a problem in that it is difficult, and bismuth has a problem in that the reactivity to the active material is poor due to the relatively low electrical conductivity.

대한민국 공개특허공보 제10-2016-0037826호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2016-0037826

본 발명의 목적은, 레독스 흐름 전지의 용량 보존율 증가 및 에너지 효율 향상을 위하여 전기전도성이 우수한 다공성 탄소와 수소 발생을 저해하는 전이후 금속을 결합시킨 복합체, 이의 제조방법 및 레독스 흐름 전지를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a composite in which porous carbon having excellent electrical conductivity and a post-transition metal inhibiting hydrogen generation are combined to increase the capacity retention rate and energy efficiency of the redox flow battery, a manufacturing method thereof, and a redox flow battery will do

본 발명은 일실시예에서, 전이후 금속 및 다공성 탄소를 포함하고, 상기 전이후 금속은 다공성 탄소에 결합되어 있는 복합체를 제공한다.In one embodiment, the present invention provides a composite comprising a post-transition metal and a porous carbon, wherein the post-transition metal is bonded to the porous carbon.

또한, 본 발명은 일실시예에서, 상기 복합체를 제조하는 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention, in one embodiment, provides a manufacturing method for manufacturing the composite.

아울러, 본 발명은 일실시예에서, 상기 복합체를 포함하는 레독스 흐름 전지를 제공한다.In addition, the present invention, in one embodiment, provides a redox flow battery comprising the complex.

본 발명에 따른 복합체는 전이후 금속 및 다공성 탄소를 결합한 구조를 가지고, 상기 복합체는 전극 상에 고르게 증착되며, 상기 복합체를 함유하는 전극을 포함하는 레독스 흐름 전지는 용량 보존율 및 에너지 효율이 우수한 장점이 있다.The composite according to the present invention has a structure in which metal and porous carbon are combined after transition, the composite is evenly deposited on the electrode, and the redox flow battery including the electrode containing the composite has excellent capacity retention and energy efficiency There is this.

도 1은 본 발명에 따른 일 실시예로서 비스무스를 결합한 다공성 탄소 복합체의 형태를 확인하기 위한 TEM(Transmission Electron Microscopy)분석 사진이다.
도 2는 본 발명에 따른 일 실시예로서 비스무스를 결합한 다공성 탄소 하이브리드 촉매의 형태를 확인하기 위한 TEM-EDS(Energy Dispersive x-ray Spectroscopy) 분석 사진이다.
도 3은 본 발명에 따른 일 실시예로서 제조된 복합체를 포함하는 철-크롬 레독스 흐름 전지에서 음극 활물질인 크롬의 산화환원 반응성을 확인하기 위하여 순환전압전류법(cyclic voltammetry, CV)을 진행한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 일 실시예로서 제조된 복합체를 포함하는 철-크롬 레독스 흐름 전지에서 수소 발생 반응에 대한 과전압을 확인하기 위해 선형주사전위법(Linear sweep voltammetry, LSV)을 통해 수소발생전위 변화를 측정한 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 일 실시예로서 제조된 복합체를 포함하는 철-크롬 레독스 흐름 전지의 쿨롱효율을 측정한 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 일 실시예로서 제조된 복합체를 포함하는 철-크롬 레독스 흐름 전지의 전압효율을 측정한 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 일 실시예로서 제조된 복합체를 포함하는 철-크롬 레독스 흐름 전지의 에너지효율을 측정한 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따른 일 실시예로서 제조된 복합체를 포함하는 철-크롬 레독스 흐름 전지의 방전용량을 측정한 그래프이다.
1 is a TEM (Transmission Electron Microscopy) analysis photograph for confirming the shape of a porous carbon composite to which bismuth is bonded as an embodiment according to the present invention.
2 is a TEM-EDS (Energy Dispersive x-ray Spectroscopy) analysis photograph for confirming the form of a porous carbon hybrid catalyst bound to bismuth as an embodiment according to the present invention.
3 is a cyclic voltammetry (CV) method to confirm the redox reactivity of chromium, which is an anode active material, in an iron-chromium redox flow battery including a composite prepared as an embodiment according to the present invention. This is a graph showing the results.
4 is an iron-chromium redox flow battery comprising a composite prepared as an embodiment according to the present invention to confirm the overvoltage for the hydrogen evolution reaction, hydrogen generation through a linear sweep voltammetry (LSV) It is a graph measuring potential change.
5 is a graph measuring the coulombic efficiency of the iron-chromium redox flow battery including the composite prepared as an embodiment according to the present invention.
6 is a graph measuring the voltage efficiency of an iron-chromium redox flow battery including a composite prepared as an embodiment according to the present invention.
7 is a graph measuring the energy efficiency of an iron-chromium redox flow battery including a composite prepared as an embodiment according to the present invention.
8 is a graph measuring the discharge capacity of an iron-chromium redox flow battery including a composite prepared as an embodiment according to the present invention.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다.Since the present invention can have various changes and can have various embodiments, specific embodiments are illustrated in the drawings and will be described in detail in the detailed description.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and it should be understood to include all modifications, equivalents and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.In the present invention, terms such as "comprises" or "have" are intended to designate that the features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification exist, but one or more other features It should be understood that this does not preclude the existence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있다.Therefore, the configuration shown in the embodiment described in this specification is only the most preferred embodiment of the present invention and does not represent all the technical spirit of the present invention, so various equivalents that can be substituted for them at the time of the present application and variations.

본 발명은, 전이후 금속 및 다공성 탄소를 포함하는 분산성이 우수한 복합체로서, 산성 전해질에서 높은 내화학성을 지니면서 전기전도성이 우수하며 활물질에 대한 반응성을 향상시킨 복합체를 제공한다.The present invention provides a composite having excellent dispersibility including a metal and porous carbon after transition, having high chemical resistance in an acidic electrolyte, excellent electrical conductivity, and improved reactivity to an active material.

하나의 예로서, 본 발명의 복합체는 전이후 금속(Post-transition metal)과 다공성 탄소가 결합된 형태를 가질 수 있다.As an example, the composite of the present invention may have a form in which a post-transition metal and porous carbon are combined.

상기 전이후 금속과 다공성 탄소가 결합된 형태는 다공성 탄소의 표면상에 전이후 금속이 고르게 분산되어 있는 형태일 수 있다. 하나의 예로서 상기 전이후 금속과 다공성 탄소의 결합은 환원제에 의해 전이후 금속의 전구체가 환원되어, 상기 다공성 탄소의 표면 및 내부에 전이후 금속이 석출되며 형성된 결합일 수 있다.The form in which the metal and the porous carbon are combined after the transition may be a form in which the metal is evenly dispersed after the transition on the surface of the porous carbon. As an example, the bond between the metal and the porous carbon after the transition may be a bond formed by reducing the precursor of the metal after the transition by a reducing agent, and precipitating the metal after the transition on the surface and inside of the porous carbon.

일반적으로 전이후 금속은 전이 금속과 준금속 사이에 자리하고 있는 금속 원소로서, 전기음성도가 전이 금속보다는 작고  알칼리 금속이나 알칼리 토금속보다는 크다. 전이 금속에 비해 녹는 점과 끓는 점이 낮으며, 무른 특성이 있다.In general, post-transition metals are metallic elements located between transition metals and metalloids, and their electronegativity is smaller than that of transition metals and larger than those of alkali metals or alkaline earth metals. It has lower melting and boiling points than transition metals, and is soft.

상기 전이후 금속은 알루미늄(Aluminium, Al), 갈륨(Gallium, Ga), 인듐(Indium, In), 주석(Tin, Sn), 탈륨(Thallium, Tl), 납(Lead, Pb), 비스무스(Bismuth, Bi), 폴로륨(Polonium, Po), 게르마늄(Germanium, Ge) 및 안티몬(Antimon, Sb)에서 선택된 하나 이상일 수 있다.The metal after the transition is aluminum (Aluminium, Al), gallium (Gallium, Ga), indium (Indium, In), tin (Tin, Sn), thallium (Thallium, Tl), lead (Lead, Pb), bismuth (Bismuth) , Bi), pololium (Polonium, Po), germanium (Germanium, Ge) and antimony (Antimon, Sb) may be one or more selected.

상기 전이후 금속은 안티몬, 납, 탈륨 및 비스무스로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있고, 보다 구체적으로 비스무스일 수 있다.The post-transition metal may be at least one selected from the group consisting of antimony, lead, thallium and bismuth, and more specifically, bismuth.

상기 전이후 금속이 포함된 복합체를 전지에 사용하면, 충전 시 음극 전극에서 발생되는 수소 반응을 억제하는 효과가 있다.When the composite containing the metal after the transition is used in the battery, there is an effect of suppressing the hydrogen reaction generated at the negative electrode during charging.

본 발명의 다공성 탄소는 상기 전이후 금속의 상대적으로 낮은 전기전도성을 보완하고, 상기 전이후 금속의 분산성을 향상시키기 위해, 전기전도성이 높고, 표면적이 넓은 탄소를 사용하는 것이 바람직하다.In the porous carbon of the present invention, in order to compensate for the relatively low electrical conductivity of the metal after the transition and to improve the dispersibility of the metal after the transition, it is preferable to use carbon having high electrical conductivity and a large surface area.

상기 다공성 탄소의 전기전도성과 표면적을 예측할 수 있는 지표로서, 다공성 탄소의 기공 부피(Pore volume), 공극율(Porosity), DBP(Dibutyl phthalate) 흡유량 또는 BET 비표면적 등을 이용할 수 있다.As an index capable of predicting the electrical conductivity and surface area of the porous carbon, the pore volume, porosity, DBP (dibutyl phthalate) oil absorption, or BET specific surface area of the porous carbon may be used.

상기 DBP 흡유량은 탄소의 단위무게당 흡수되는 디부틸프탈레이트의 양을 의미하며, 다공성 탄소의 구조 발달 정도를 의미한다.The DBP oil absorption refers to the amount of dibutyl phthalate absorbed per unit weight of carbon, and refers to the degree of structural development of porous carbon.

상기 DBP 흡유량의 수치가 높을 수록 가지가 많은 구조이며, 다공성 탄소의 비표면적이 넓고, 이에 따라 우수한 전기전도성을 나타낸다.The higher the DBP oil absorption value, the more branched the structure, the larger the specific surface area of the porous carbon, and thus excellent electrical conductivity.

본 발명에 적합한 다공성 탄소의 기공 부피는 0.8cm3/g 이상, 1.0cm3/g 이상, 1.2cm3/g 이상 또는 1.3cm3/g 이상이며, 상기 기공 부피는 가스흡착법(BET)에 의해 측정한 것이다.The pore volume of the porous carbon suitable for the present invention is more than 0.8cm 3 / g or more, 1.0cm 3 / g or more, 1.2cm 3 / g or more than 1.3cm 3 / g, the pore volume by the gas adsorption method (BET) it is measured

본 발명에 적합한 다공성 탄소의 공극율은 40% 이상, 50% 이상, 60% 이상 또는 70% 이상이다.The porosity of the porous carbon suitable for the present invention is 40% or more, 50% or more, 60% or more, or 70% or more.

또한, 본 발명에 적합한 다공성 탄소의 DBP 흡유량은 200㎖/100g 이상, 300㎖/100g 이상, 400㎖/100g 이상 또는 500㎖/100g 이상 이며, 상기 DBP 흡유량은 ASTM D 2414에 따라 측정한 값이다.In addition, DBP oil absorption of porous carbon suitable for the present invention is 200ml/100g or more, 300ml/100g or more, 400ml/100g or more, or 500ml/100g or more, and the DBP oil absorption is a value measured according to ASTM D 2414. .

본 발명에 적합한 BET 비표면적은 700㎡/g 이상, 800㎡/g 이상, 900㎡/g 이상 또는 1,000㎡/g 이상이며, 상기 BET 비표면적은 ASTM D 3037에 따라 측정한 값이다.The BET specific surface area suitable for the present invention is 700 m 2 /g or more, 800 m 2 /g or more, 900 m 2 /g or more, or 1,000 m 2 /g or more, and the BET specific surface area is a value measured according to ASTM D 3037.

본 발명의 다공성 탄소가 상기와 같은 기공 부피, 공극율, DBP 흡유량 또는 BET 비표면적을 가지는 경우, 기공이 많고, 비표면적이 넓으며, 구조가 발달되어, 우수한 전기전도성을 가지게 된다.When the porous carbon of the present invention has the pore volume, porosity, DBP oil absorption, or BET specific surface area as described above, it has many pores, a large specific surface area, and a developed structure to have excellent electrical conductivity.

상기 다공성 탄소가 포함된 본 발명의 복합체를 전지에 적용하면 우수한 전기전도성으로 본 발명의 전이후 금속과 활물질의 반응성을 향상시키며, 본 발명의 다공성 탄소의 넓은 표면적으로 인해, 전이후 금속의 분산이 용이한 장점이 있다. When the composite of the present invention containing the porous carbon is applied to a battery, the reactivity of the metal and the active material after the transition of the present invention is improved due to excellent electrical conductivity, and due to the large surface area of the porous carbon of the present invention, the dispersion of the metal after the transition is reduced It has the advantage of being easy.

다공성 탄소의 종류로는 카본블랙, 활성탄소, 탄소나노튜브, 탄소섬유, 플러렌 및 그래핀 등이 있으며, 본 발명에 개시된 다공성 탄소의 조건을 만족시키기 위하여 카본블랙이 바람직하다.Examples of the porous carbon include carbon black, activated carbon, carbon nanotubes, carbon fibers, fullerene and graphene, and carbon black is preferable in order to satisfy the conditions of porous carbon disclosed in the present invention.

카본블랙으로는 케첸블랙(Ketjenblack) 또는 아세틸렌 블랙(Acetylene black)등의 시판되는 제품을 사용할 수 있고, 표면적 및 전기전도성이 우수한 케첸블랙이 바람직하다.As carbon black, commercially available products such as Ketjenblack or Acetylene black can be used, and Ketjen Black having excellent surface area and electrical conductivity is preferable.

또한, 본 발명에서는 전이후 금속 및 다공성 탄소를 포함하는 복합체의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for preparing a composite including a metal and porous carbon after the transition.

상기 복합체의 제조방법은 전이후 금속 전구체, 다공성 탄소 및 용매가 혼합된 혼합용액을 준비하는 준비단계 및 상기 혼합용액에 환원제를 첨가하여 전이후 금속과 다공성 탄소를 결합하는 결합단계를 포함한다.The method for preparing the composite includes a preparation step of preparing a mixed solution in which a metal precursor, a porous carbon and a solvent are mixed after the transition, and a bonding step of combining the metal and the porous carbon after the transition by adding a reducing agent to the mixed solution.

상기 전이후 금속 전구체는 환원에 의하여 전이후 금속이 다공성 탄소 상에 고르게 석출되며 결합되는 것이라면 제한되지 않으며, 예를 들어, 전이후 금속의 질화물, 황화물, 수산화물, 할로젠화물, 산화물, 수화물 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.The post-transition metal precursor is not limited as long as the post-transition metal is uniformly precipitated and bound on the porous carbon by reduction, for example, nitrides, sulfides, hydroxides, halides, oxides, hydrates, and these metals after the transition. It may be any one selected from the group consisting of a combination of.

상기 전이후 금속은 알루미늄(Aluminium, Al), 갈륨(Gallium, Ga), 인듐(Indium, In), 주석(Tin, Sn), 탈륨(Thallium, Tl), 납(Lead, Pb), 비스무스(Bismuth, Bi), 폴로륨(Polonium, Po), 게르마늄(Germanium, Ge) 및 안티몬(Antimon, Sb)에서 선택된 하나 이상일 수 있다.The metal after the transition is aluminum (Aluminium, Al), gallium (Gallium, Ga), indium (Indium, In), tin (Tin, Sn), thallium (Thallium, Tl), lead (Lead, Pb), bismuth (Bismuth) , Bi), pololium (Polonium, Po), germanium (Germanium, Ge) and antimony (Antimon, Sb) may be one or more selected.

상기 전이후 금속은 안티몬, 납, 탈륨 및 비스무스로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있고, 보다 구체적으로 비스무스일 수 있다.The post-transition metal may be at least one selected from the group consisting of antimony, lead, thallium and bismuth, and more specifically, bismuth.

상기 비스무스의 전구체로는 질산비스무스, 염화비스무스, 황산비스무스 또는 불화비스무스 등이 있으며, 예를 들어, 질산비스무스 5수화물(bismuth nitrate pentahydrate)일 수 있다.The precursor of bismuth may include bismuth nitrate, bismuth chloride, bismuth sulfate or bismuth fluoride, for example, bismuth nitrate pentahydrate.

본 발명의 다공성 탄소는 상기 전이후 금속의 상대적으로 낮은 전기전도성을 보완하고, 상기 전이후 금속의 분산성을 향상시키기 위해, 전기전도성이 높고, 표면적이 넓은 탄소를 사용하는 것이 바람직하다.In the porous carbon of the present invention, in order to compensate for the relatively low electrical conductivity of the metal after the transition and to improve the dispersibility of the metal after the transition, it is preferable to use carbon having high electrical conductivity and a large surface area.

상기 다공성 탄소의 전기전도성과 표면적을 예측할 수 있는 지표로서, 다공성 탄소의 기공 부피(Pore volume), 공극율(Porosity), DBP(Dibutyl phthalate) 흡유량 또는 BET 비표면적 등을 이용할 수 있다.As an index capable of predicting the electrical conductivity and surface area of the porous carbon, the pore volume, porosity, DBP (dibutyl phthalate) oil absorption, or BET specific surface area of the porous carbon may be used.

본 발명에 적합한 다공성 탄소의 기공 부피는 0.8cm3/g 이상, 1.0cm3/g 이상, 1.2cm3/g 이상 또는 1.3cm3/g 이상이며, 상기 기공 부피는 가스흡착법(BET)에 의해 측정한 것이다.The pore volume of the porous carbon suitable for the present invention is more than 0.8cm 3 / g or more, 1.0cm 3 / g or more, 1.2cm 3 / g or more than 1.3cm 3 / g, the pore volume by the gas adsorption method (BET) it is measured

본 발명에 적합한 다공성 탄소의 공극율은 40% 이상, 50% 이상, 60% 이상 또는 70% 이상이다.The porosity of the porous carbon suitable for the present invention is 40% or more, 50% or more, 60% or more, or 70% or more.

또한, 본 발명에 적합한 다공성 탄소의 DBP 흡유량은 200㎖/100g 이상, 300㎖/100g 이상, 400㎖/100g 이상 또는 500㎖/100g 이상이며, 상기 DBP 흡유량은 ASTM D 2414에 따라 측정한 값이다.In addition, DBP oil absorption of porous carbon suitable for the present invention is 200ml/100g or more, 300ml/100g or more, 400ml/100g or more, or 500ml/100g or more, and the DBP oil absorption is a value measured according to ASTM D 2414. .

본 발명에 적합한 BET 비표면적은 700㎡/g 이상, 800㎡/g 이상, 900㎡/g 이상 또는 1,000㎡/g 이상이며, 상기 BET 비표면적은 ASTM D 3037에 따라 측정한 값이다.The BET specific surface area suitable for the present invention is 700 m 2 /g or more, 800 m 2 /g or more, 900 m 2 /g or more, or 1,000 m 2 /g or more, and the BET specific surface area is a value measured according to ASTM D 3037.

본 발명의 다공성 탄소가 상기와 같은 기공 부피, 공극율, DBP 흡유량 또는 BET 비표면적을 가지는 경우, 기공이 많고, 비표면적이 넓으며, 구조가 발달되어, 우수한 전기전도성을 가지게 된다.When the porous carbon of the present invention has the pore volume, porosity, DBP oil absorption, or BET specific surface area as described above, it has many pores, a large specific surface area, and a developed structure to have excellent electrical conductivity.

상기 다공성 탄소가 포함된 본 발명의 복합체를 전지에 적용하면 우수한 전기전도성으로 본 발명의 전이후 금속과 활물질의 반응성을 향상시키며, 본 발명의 다공성 탄소의 넓은 표면적으로 인해, 전이후 금속의 분산이 용이한 장점이 있다. When the composite of the present invention containing the porous carbon is applied to a battery, the reactivity of the metal and the active material after the transition of the present invention is improved due to excellent electrical conductivity, and due to the large surface area of the porous carbon of the present invention, the dispersion of the metal after the transition is reduced It has the advantage of being easy.

다공성 탄소의 종류로는 카본블랙, 활성탄소, 탄소나노튜브, 탄소섬유, 플러렌 및 그래핀 등이 있으며, 본 발명의 다공성 탄소의 조건을 만족하는 면에서 카본블랙이 바람직하다.Examples of the porous carbon include carbon black, activated carbon, carbon nanotubes, carbon fibers, fullerene and graphene, and carbon black is preferable in terms of satisfying the conditions of porous carbon of the present invention.

카본블랙으로는 케첸블랙(Ketjenblack) 또는 아세틸렌 블랙(Acetylene black)등의 시판되는 제품을 사용할 수 있고, 표면적 및 전기전도성이 우수한 케첸블랙이 바람직하다.As carbon black, commercially available products such as Ketjenblack or Acetylene black can be used, and Ketjen Black having excellent surface area and electrical conductivity is preferable.

하나의 예로서, 혼합용액을 준비하는 준비단계는 다공성 탄소인 케첸블랙(Ketjenblack)과 전이후 금속 전구체인 0.5M 내지 1.5M의 질산비스무스 5수화물(bismuth nitrate pentahydrate, Bi(NO3)3·5H2O)을 용매에 혼합하여 50℃내지 100℃의 온도에서 교반하고, 초음파를 조사하여 수행할 수 있다. 구체적으로 상기 용매는 증류수일 수 있다.As an example, the preparation step of preparing the mixed solution is bismuth nitrate pentahydrate (Bi(NO 3 ) 3 ·5H) of porous carbon, Ketjenblack, and a metal precursor of 0.5M to 1.5M after transition. 2 O) may be mixed with a solvent, stirred at a temperature of 50° C. to 100° C., and irradiated with ultrasonic waves. Specifically, the solvent may be distilled water.

본 발명의 복합체의 제조방법은 혼합용액을 준비하는 단계 후에 혼합용액의 pH를 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 혼합용액의 pH를 조절하는 단계는 혼합용액의 pH가 약알칼리성을 나타내도록 조절할 수 있다.The method for preparing the complex of the present invention may further include adjusting the pH of the mixed solution after the step of preparing the mixed solution. In the step of adjusting the pH of the mixed solution, the pH of the mixed solution may be adjusted to exhibit weak alkalinity.

pH를 조절하는 방법으로는 공지된 방법을 사용할 수 있으며, 예를 들어 수산화나트륨(NaOH) 분말을 혼합용액에 첨가하고 용해함으로써 혼합용액이 약알칼리성을 나타내도록 조절할 수 있다.As a method of adjusting the pH, a known method can be used, for example, by adding and dissolving sodium hydroxide (NaOH) powder to the mixed solution, the mixed solution can be adjusted to exhibit weak alkalinity.

상기 약알칼리성은 pH 가 8 내지 10인 것이 바람직하다.It is preferable that the weak alkalinity has a pH of 8 to 10.

상기 혼합용액에 환원제를 첨가하여 전이후 금속과 다공성 탄소를 결합하는 결합단계는 전이후 금속과 다공성 탄소를 환원제에 의하여 화학적 환원의 방법으로 결합시키는 단계이다.The bonding step of combining the metal and the porous carbon after the transition by adding a reducing agent to the mixed solution is a step of bonding the metal and the porous carbon after the transition by a method of chemical reduction using a reducing agent.

구체적으로 상기 결합단계는 혼합용액에 환원제를 첨가하여 10 내지 15시간 동안 반응시켜 수행할 수 있다. 상기 환원제로는 상기 전이후 금속 전구체를 환원시킬 수 있는 물질이면 특별히 제한되지 않으나, 수소화붕소나트륨(sodium borohydride, NaBH4)을 사용할 수 있다.Specifically, the binding step may be performed by adding a reducing agent to the mixed solution and reacting for 10 to 15 hours. The reducing agent is not particularly limited as long as it is a material capable of reducing the metal precursor after the transition, but sodium borohydride (NaBH 4 ) may be used.

또한, 상기 결합단계 후에 결합된 본 발명의 복합체를 세척 및 건조하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 세척 및 건조하는 단계는 상기 복합체를 증류수로 충분히 세척하고, 건조하여 수행할 수 있다.In addition, the step of washing and drying the complex of the present invention bound after the binding step may be further included, and the washing and drying step may be performed by sufficiently washing the complex with distilled water and drying the complex.

아울러, 본 발명은 상기 서술한 복합체를 포함하는 전극을 제공한다. 예를 들어, 상기 전극은 음극 전극일 수 있다.In addition, the present invention provides an electrode comprising the above-described composite. For example, the electrode may be a negative electrode.

상기 전극의 재질은 공지된 전극을 이용할 수 있으며, 하나의 예로서 카본 펠트(Carbon felt)를 사용할 수 있다. 카본 펠트 전극은 표면적이 넓고, 전해액의 유동성이 우수한 효과가 있다.As the material of the electrode, a known electrode may be used, and as an example, carbon felt may be used. The carbon felt electrode has a large surface area and excellent fluidity of the electrolyte.

구체적으로, 상기 전극은 복합체가 전극 상에 포함된 형태일 수 있다. 보다 구체적으로 상기 전극은 전이후 금속 및 다공성 탄소를 포함하는 복합체가 카본 펠트 전극 상에 분산된 형태일 수 있다. 예를 들어 상기 전극은 전이후 금속 및 다공성 탄소를 포함하는 복합체가 카본펠트 전극 상에 증착된 형태일 수 있다Specifically, the electrode may be in a form in which a composite is included on the electrode. More specifically, the electrode may be in a form in which a composite including a metal and porous carbon after transition is dispersed on a carbon felt electrode. For example, the electrode may be in a form in which a composite including a metal and porous carbon is deposited on a carbon felt electrode after the transition.

또한, 본 발명은 상기 복합체가 포함된 전극을 포함하는 레독스 흐름 전지를 제공한다.In addition, the present invention provides a redox flow battery comprising an electrode including the composite.

레독스 흐름 전지는 양극 및 음극 전극을 구비하고, 양 전극 사이에 개제되는 격막을 구비하는 셀에 양극 전해액 및 음극 전해액을 공급하여 충전 및 방전을 행하는 전지이며, 전 바나듐(all-vabadium redox flow battery, VRFB), 아연-브롬(zinc-bromine redox flow battery, ZBRFB), 철-크롬(iron-chromium redox flow battery,ICRFB), 다황화물-브롬(polysulfide-bromine redox flow battery, PSBRFB) 등을 산화환원 쌍으로 사용하는 다양한 형태를 가질 수 있다.A redox flow battery is a battery that performs charging and discharging by supplying a positive electrolyte and a negative electrolyte to a cell having positive and negative electrodes and a diaphragm interposed between the positive electrodes, and is an all-vabadium redox flow battery. , VRFB), zinc-bromine redox flow battery (ZBRFB), iron-chromium redox flow battery (ICRFB), polysulfide-bromine redox flow battery (PSBRFB), etc. It can have various forms used in pairs.

하나의 예로서, 상기 레독스 흐름 전지는 철-크롬 레독스 흐름 전지일 수 있다. 철-크롬 레독스 흐름 전지의 경우 전해질이 차지하는 비용이 낮은 측면에서 경제적으로 우수하다.As an example, the redox flow battery may be an iron-chromium redox flow battery. The iron-chromium redox flow battery is economically superior in terms of the low cost of the electrolyte.

상기 복합체가 포함된 전극은 순환전압전류법(Cyclic Voltammetry, CV)을 사용하여 크롬 레독스 반응 변화를 관찰한 결과, 복합체를 사용하지 않은 전극과 비교하여 향상된 크롬 레독스 반응을 나타낼 수 있다.As a result of observing the change in the chromium redox reaction using cyclic voltammetry (CV), the electrode including the composite may exhibit an improved chromium redox response compared to the electrode not using the composite.

또한, 상기 레독스 흐름 전지에 있어서, 상기 복합체가 일면에 증착된 전극은 선형주사전위법(Linear Sweep Voltage, LSV)를 사용하여 전극변화에 따른 수소발생전위 변화를 측정한 결과, 전이후 금속 및 다공성 탄소를 동시에 포함하여 수소반응에 대한 과전압 이동이 나타날 수 있다.In addition, in the redox flow battery, the electrode on which the composite is deposited on one side is a result of measuring the hydrogen generation potential change according to the electrode change using a linear sweep voltage (LSV), after the transition metal and Simultaneous inclusion of porous carbon may result in overpotential shifts for hydrogen reactions.

이를 통해 본 발명에 따른 복합체를 포함함으로써, 본 발명의 레독스 흐름 전지는 수소반응을 저해 또는 억제하고 에너지 효율이 향상되는 것을 알 수 있다.Through this, it can be seen that by including the composite according to the present invention, the redox flow battery of the present invention inhibits or inhibits hydrogen reaction and improves energy efficiency.

이하에서는 본 발명의 실시예 및 비교예를 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 이들 실시예 및 비교예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 예시적으로 제시한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들에 의해 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples of the present invention. These Examples and Comparative Examples are merely presented by way of example in order to explain the present invention in more detail, and the scope of the present invention is not limited thereto.

[제조예][Production Example]

DBP 흡유량이 510mg/100g이고, 기공 부피가 1.3cm3/g이며, BET 비표면적이 1,270이고, 70%의 공극률인 다공성 탄소(케첸블랙(Ketjenblack) ®, LION 社) 0.2 g과 전이후 금속 전구체(0.1M의 질산비스무스 5수화물(bismuth nitrate pentahydrate, Bi(NO3)3·5H2O) 30 ml를 80°C의 증류수에서 질산비스무스 5 수화물이 우유빛을 나타낼 때까지 1,000 rpm으로 충분히 교반(미성과학기기 社) 및 초음파(화신기계상사 社)로 분산하여 혼합용액을 제조하였다. A DBP oil absorption of 510mg / 100g, the pore volume is 1.3cm 3 / g, BET is a specific surface area of 1,270, a porous carbon in the 70% porosity (Ketjen black (Ketjenblack) ®, LION社) metal precursor and after 0.2 g I 30 ml of (0.1M bismuth nitrate pentahydrate, Bi(NO 3 ) 3 ·5H 2 O) in distilled water at 80 °C and sufficiently stirred at 1,000 rpm until the bismuth nitrate pentahydrate appears milky ( A mixed solution was prepared by dispersing it by means of Miseong Machinery Co., Ltd.) and ultrasonic waves (Hwashin Machinery Co., Ltd.).

혼합용액에 0.4g의 수산화나트륨(NaOH)을 첨가하여 pH 9까지 조절하였다. 이 혼합용액에 환원제인 수소화붕소나트륨(sodium borohydride, NaBH4, 대정화금 社)을 첨가한 후 약 12시간 반응시켜 비스무스를 케첸블랙에 환원시켰다. 생성물을 증류수로 충분히 세척 한 후 건조하여 비스무스와 탄소가 결합된 복합체를 제조하였다.To the mixed solution, 0.4 g of sodium hydroxide (NaOH) was added to adjust the pH to 9. To this mixed solution, sodium borohydride (NaBH 4 , Daejeong Hwageum), a reducing agent, was added and reacted for about 12 hours to reduce bismuth to Ketjen Black. The product was sufficiently washed with distilled water and dried to prepare a composite in which bismuth and carbon were bonded.

[비교예 1][Comparative Example 1]

비스무스와 다공성 탄소가 단순히 혼합된 혼합물을 준비하였다.A mixture in which bismuth and porous carbon were simply mixed was prepared.

[실시예 1][Example 1]

제조예에 의해 제조된 복합체 10mg, 아이소프로필 알코올(Isopropyl alcohol) 1ml 및 5wt% Nafion(Sigma-aldrich 社) 10ul를 혼합하여 복합체 잉크를 제조하였다. 제조된 복합체 잉크 1ul를 0.5 cm지름의 글래시카본(Glassy Carbon, BioLogic 社) 전극상에 피펫으로 올리고 25℃에서 10분 이상 건조하여 제조예에 의해 제조된 복합체가 포함된 전극을 제조하였다.Composite ink was prepared by mixing 10 mg of the complex prepared in Preparation Example, 1 ml of isopropyl alcohol, and 10 ul of 5 wt% Nafion (Sigma-aldrich). 1ul of the prepared composite ink was pipetted onto a 0.5 cm diameter glass carbon (Glassy Carbon, BioLogic) electrode and dried at 25° C. for at least 10 minutes to prepare an electrode containing the composite prepared by Preparation Example.

[비교예 2][Comparative Example 2]

글래시카본(Glassy Carbon, BioLogic 社) 전극을 준비하였다.Glassy carbon (Glassy Carbon, BioLogic Co.) electrodes were prepared.

[비교예 3][Comparative Example 3]

제조예 1의 복합체 대신 비교예 1의 혼합물을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 전극을 제조하였다.An electrode was prepared in the same manner as in Example 1, except that the mixture of Comparative Example 1 was used instead of the composite of Preparation Example 1.

[실시예 2][Example 2]

제조예에 의해 제조된 복합체 60mg, 에탄올 10ml 및 5wt% Nafion(Sigma-aldrich 社) 100ul을 혼합하여 복합체 용액을 제조하였다. 제조된 복합체 용액에 2cm x 3cm 크기의 카본펠트(XF-30A, Toyobo 社) 전극을 담근 후 초음파 분산기에서 20분간 분산시켰다. 이후 전극을 복합체 용액에서 꺼내어 60℃ 진공오븐에서 12시간 이상 건조하여 전극을 제조하였다. 제조된 전극을 음극으로 하는 철-크롬 레독스 흐름 전지를 제조하였다.A complex solution was prepared by mixing 60 mg of the complex prepared in Preparation Example, 10 ml of ethanol, and 100 ul of 5 wt% Nafion (Sigma-aldrich). A carbon felt (XF-30A, Toyobo Co.) electrode having a size of 2 cm x 3 cm was immersed in the prepared complex solution, and then dispersed in an ultrasonic disperser for 20 minutes. Then, the electrode was taken out of the composite solution and dried in a vacuum oven at 60° C. for 12 hours or more to prepare an electrode. An iron-chromium redox flow battery using the prepared electrode as a negative electrode was prepared.

[비교예 4][Comparative Example 4]

카본펠트 전극만을 사용한 철-크롬 레독스 흐름 전지를 제조하였다.An iron-chromium redox flow battery using only carbon felt electrodes was prepared.

[비교예 5][Comparative Example 5]

케첸블랙을 2cm x 3cm 크기의 카본펠트(XF-30A, Toyobo 社) 전극에 로딩하여 철-크롬 레독스 흐름 전지를 제조하였다.Ketjen Black was loaded onto a carbon felt (XF-30A, Toyobo Co., Ltd.) electrode having a size of 2 cm x 3 cm to prepare an iron-chromium redox flow battery.

상기 제조예 및 비교예 1의 복합체의 형태를 확인하기 위하여 TEM(Transmission Electron Microscope, 투과전자현미경) 사진을 도 1 및 도 2에 나타내었다. 비교예 1의 TEM 사진에서 밀집한 다공성 탄소 입자에 소량의 비스무스 입자가 불균일하게 분포하고 있는 것과 달리, 제조예의 TEM 및 TEM-EDS 사진은 밀집한 다공성 탄소 입자들 사이로 1μm 내외의 미세한 비스무스 입자들이 고르게 분포하고 있는 것이 보인다. In order to confirm the shape of the composite of Preparation Example and Comparative Example 1, TEM (Transmission Electron Microscope, transmission electron microscope) photographs are shown in FIGS. 1 and 2 . Unlike the TEM photograph of Comparative Example 1 in which a small amount of bismuth particles were non-uniformly distributed in the dense porous carbon particles, the TEM and TEM-EDS photographs of Preparation Example showed that fine bismuth particles of about 1 μm were evenly distributed between the dense porous carbon particles. there seems to be

이는 비스무스 전구체가 다공성 탄소와 고르게 혼합된 상태에서 환원제에 의해 비스무스로 환원되며 다공성 탄소 표면에 고르게 결합된 결과이다.This is a result of the bismuth precursor being reduced to bismuth by a reducing agent in a state in which it is evenly mixed with the porous carbon and uniformly bonded to the surface of the porous carbon.

상기 실시예 1, 비교예 2 및 비교예 3의 철-크롬 레독스 흐름 전지의 음극 활물질인 크롬의 산화환원반응성을 확인하기 위하여 순환전압전류법(cyclic voltammetry, CV)을 진행하였다.Cyclic voltammetry (CV) was performed to confirm the redox reactivity of chromium, which is an anode active material, of the iron-chromium redox flow batteries of Examples 1, 2 and 3 above.

측정은 Pt wire 상대 전극과 Ag/AgCl 기준 전극을 갖는 표준 3-전극계 전기화학전지(BioLogic 社)에서 정전위기(VSP, BioLogic 社)로 수행하였으며, EC-Lab V11.20 소프트웨어로 측정하였다.The measurement was performed in a standard 3-electrode electrochemical cell (BioLogic) having a Pt wire counter electrode and an Ag/AgCl reference electrode with a potentiostat (VSP, BioLogic), and measured with EC-Lab V11.20 software.

이때, 실험은 2.0 M HCl에 0.1 M CrCl3를 녹인 용액에서 순환전압전류법을 통해 20 mV s-1의 주사속도로 -0.2에서 -0.9 V (vs. Ag/AgCl)까지의 전압범위에서의 전류변화를 측정하는 방식으로 진행하였다. 그 결과를 도 3에 나타내었다.At this time, the experiment was conducted in a voltage range of -0.2 to -0.9 V (vs. Ag/AgCl) from -0.2 to -0.9 V (vs. Ag/AgCl) at a scanning speed of 20 mV s -1 through cyclic voltammetry in a solution of 0.1 M CrCl 3 in 2.0 M HCl. It proceeded by measuring the current change. The results are shown in FIG. 3 .

비교예 2 및 비교예 3에서는 크롬 산화환원 반응이 일어나지 않거나 반응이 일어나 전류밀도값을 보이더라도 그 값이 작았다. 한편 실시예 1의 경우, -0.5 V와 -0.65 V 부근에서 현저하게 증가한 전류밀도 값을 확인할 수 있으며 이를 통하여 크롬 2가 및 3가의 산화환원 반응이 향상된 것을 알 수 있다.In Comparative Examples 2 and 3, although the chromium redox reaction did not occur or the reaction occurred, the current density value was shown, but the value was small. On the other hand, in the case of Example 1, it can be seen that the current density value significantly increased around -0.5 V and -0.65 V, and through this, it can be seen that the oxidation-reduction reaction of chromium divalent and trivalent is improved.

특히 비교예 3에서는 측정전압이 수소 발생 전위인 -1 V에 가까워질수록 수소 환원 전류의 간섭으로 인해 크롬 3가의 환원 전류밀도값을 구별하기 어려운 반면, 실시예 1에서는 수소 환원 전류에도 불구하고 크롬 3가의 환원 전류밀도의 피크가 분리되어 선명하게 나타났다.In particular, in Comparative Example 3, it is difficult to distinguish the reduction current density value of chromium trivalent due to the interference of hydrogen reduction current as the measured voltage approaches -1 V, which is the hydrogen generation potential, whereas in Example 1, chromium despite the hydrogen reduction current The peak of the trivalent reduction current density was separated and appeared clearly.

상기 결과는 다공성 탄소가 크롬 산화환원 반응을 위한 활성 부위(active site)를 제공하고, 복합체 내부에 고르게 분포한 비스무스가 수소 발생 반응을 억제하기 때문인 것으로 추측된다.The above result is presumed to be because the porous carbon provides an active site for the chromium redox reaction, and the bismuth evenly distributed inside the complex inhibits the hydrogen evolution reaction.

상기 실시예 1 및 비교예 3의 수소 발생 반응에 대한 과전압을 알기 위해 선형주사전위법(Linear sweep voltammetry, LSV)을 통해 수소발생전위 변화를 측정하여 그 결과를 도 4에 나타내었다.In order to know the overvoltage for the hydrogen evolution reaction of Examples 1 and 3, the change in the hydrogen evolution potential was measured through a linear sweep voltammetry (LSV), and the results are shown in FIG. 4 .

측정은 Pt wire 상대전극과 Ag/AgCl 기준 전극을 갖는 표준 3-전극계 전기화학전지(BioLogic社)에서 정전위기 (VSP, BioLogic 社)로 수행하였고 EC-Lab V11.20 소프트웨어로 측정하였다.The measurement was performed in a standard 3-electrode electrochemical cell (BioLogic) having a Pt wire counter electrode and an Ag/AgCl reference electrode with a potentiostat (VSP, BioLogic), and measured with EC-Lab V11.20 software.

이때, 실험은 2.0M HCl 용액에서 선형주사전위법을 통해 10 mV s-1의 주사속도로 -0.5에서 -1.2 V (vs. Ag/AgCl)까지의 전압범위에서의 전류변화를 측정하는 방식으로 진행하였다.At this time, the experiment is a method of measuring the current change in the voltage range from -0.5 to -1.2 V (vs. Ag/AgCl) at a scanning speed of 10 mV s -1 through the linear scanning potential method in 2.0M HCl solution. proceeded.

LSV 곡선의 변곡점(x,y)에서 x값이 onset potential 값을 의미하며 이 값을 통해 수소반응에 대한 과전압 값을 알 수 있다. 도 4에서 볼 수 있듯이 비교예 3 대비 실시예 1의 경우가 수소반응에 대한 과전압이 더 음의 값을 갖는 것을 확인할 수 있다. 자세하게는 비교예 3의 경우 -1.026 V이며 실시예 1의 경우 -1.042 V의 onset potential 값을 보였다. 과전압 값이 더 음의 값을 가질수록 수소가 발생하기 어려움을 의미하므로, 실시예의 경우가 비교예 3에 비해 수소반응을 억제하는 것으로 판단할 수 있다. At the inflection point (x, y) of the LSV curve, the x value means the onset potential value, and the overvoltage value for the hydrogen reaction can be known through this value. As can be seen in FIG. 4 , it can be confirmed that the overvoltage for the hydrogen reaction has a more negative value in the case of Example 1 compared to Comparative Example 3 . Specifically, Comparative Example 3 showed an onset potential value of -1.026 V and Example 1 of -1.042 V. Since the more negative the overvoltage value means the more difficult it is to generate hydrogen, it can be determined that the case of Example suppresses the hydrogen reaction compared to Comparative Example 3.

상기 실시예 2, 비교예 4 및 비교예 5의 철-크롬 레독스 흐름 전지의 성능을 평가하고 그 결과를 도 5 내지 도 8에 나타내었다. The performance of the iron-chromium redox flow battery of Example 2, Comparative Example 4 and Comparative Example 5 was evaluated, and the results are shown in FIGS. 5 to 8 .

도 5 내지 도 8에서 나타난 바와 같이, 비교예 4는 효율 및 용량 면에서 가장 낮은 결과를 보였다. 비교예 5의 경우, 초반에는 높은 효율 및 용량을 보이다가 충방전 사이클이 진행될수록 효율 및 용량이 감퇴하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 다공성 탄소가 활물질인 크롬의 산화환원 반응을 위한 활성 자리(active site)를 제공하여 크롬의 산화환원 반응을 촉진함으로써 초반에는 높은 효율과 용량을 보이지만, 다공성 탄소가 크롬의 산화환원 반응 뿐만 아니라 부반응인 수소 발생 반응도 촉진하여 사이클이 진행될수록 크롬의 산화환원 반응을 저해하는 효과를 내기 때문인 것으로 보인다. 실시예 2의 경우, 가장 높은 쿨롱효율(도 5)과 높고 안정적인 전압효율(도 6)을 보이며, 50번째 사이클에서도 85.26 %라는 가장 높은 에너지효율(도 7)과 55.13 % 라는 비교적 높은 방전용량 유지율(도 8)을 보였다. 이러한 결과는 다공성 탄소의 활성 자리(active site)로써의 효과와 비스무스의 수소 억제 효과의 시너지 효과에 기인한 것으로 판단된다.5 to 8 , Comparative Example 4 showed the lowest results in terms of efficiency and capacity. In the case of Comparative Example 5, it was confirmed that the efficiency and capacity decreased as the charge/discharge cycle progressed while showing high efficiency and capacity at the beginning. This is because the porous carbon provides an active site for the redox reaction of chromium, the active material, and promotes the redox reaction of chromium, thereby showing high efficiency and capacity at the beginning. It seems that this is because it also promotes the phosphorus hydrogen evolution reaction, and as the cycle progresses, it has the effect of inhibiting the oxidation-reduction reaction of chromium. In the case of Example 2, the highest coulombic efficiency (FIG. 5) and high and stable voltage efficiency (FIG. 6) are shown, and even at the 50th cycle, the highest energy efficiency of 85.26% (FIG. 7) and a relatively high discharge capacity retention rate of 55.13% (Fig. 8) was shown. This result is considered to be due to the synergistic effect of the effect of porous carbon as an active site and the hydrogen suppression effect of bismuth.

상기 실험결과를 통하여 본 발명의 비스무스가 결합된 다공성 탄소 복합체를 철-크롬 레독스 흐름 전지에 적용함으로써 전지의 에너지 효율 및 용량 보존율이 복합체를 사용하지 않거나, 전이후 금속과 다공성 탄소의 단순 혼합에 의한 혼합물에 비해서 향상되는 것을 확인 할 수 있다.Through the above experimental results, by applying the bismuth-bound porous carbon composite of the present invention to an iron-chromium redox flow battery, the energy efficiency and capacity retention of the battery can be improved by not using the composite or by simply mixing metal and porous carbon after transition. It can be seen that the improvement compared to the mixture by

Claims (15)

비스무스(Bi) 및 다공성 탄소를 포함하고,
상기 다공성 탄소는 BET 비표면적이 700㎡/g 이상이며, DBP 흡유량이 200㎖/100g 이상이고,
상기 비스무스는 다공성 탄소에 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지용 복합체.
bismuth (Bi) and porous carbon;
The porous carbon has a BET specific surface area of 700 m 2 /g or more, and a DBP oil absorption of 200 ml/100g or more,
The bismuth is a composite for a redox flow battery, characterized in that bonded to the porous carbon.
삭제delete 제 1 항에서,
상기 다공성 탄소는 기공 부피(Pore volume)가 0.8cm3/g 이상인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지용 복합체.
In claim 1,
The porous carbon is a composite for a redox flow battery, characterized in that the pore volume (Pore volume) is 0.8cm 3 /g or more.
삭제delete 삭제delete 비스무스(Bi) 전구체, 다공성 탄소 및 용매가 혼합된 혼합용액을 준비하는 준비단계; 및
상기 혼합용액에 환원제를 첨가하여 비스무스와 다공성 탄소를 결합하는 결합단계를 포함하고,
상기 다공성 탄소는 BET 비표면적이 700㎡/g 이상이며, DBP 흡유량이 200㎖/100g 이상인 레독스 흐름 전지용 복합체의 제조방법.
A preparation step of preparing a mixed solution in which a bismuth (Bi) precursor, porous carbon, and a solvent are mixed; and
a binding step of combining bismuth and porous carbon by adding a reducing agent to the mixed solution;
The porous carbon has a BET specific surface area of 700 m 2 /g or more, and a DBP oil absorption amount of 200 ml/100 g or more.
제 6 항에서,
상기 준비단계 후 혼합용액의 pH를 8 내지 10으로 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지용 복합체의 제조방법.
In claim 6,
The method of manufacturing a composite for a redox flow battery, characterized in that it further comprises the step of adjusting the pH of the mixed solution to 8 to 10 after the preparation step.
제 6 항에서,
상기 결합단계 후 세척 및 건조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지용 복합체의 제조방법.
In claim 6,
The method of manufacturing a composite for a redox flow battery, characterized in that it further comprises the step of washing and drying after the bonding step.
제 6 항에서,
상기 비스무스 전구체는 비스무스의 질화물, 수산화물, 황화물, 할로젠화물, 산화물, 수화물 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지용 복합체의 제조방법.
In claim 6,
The method for manufacturing a composite for a redox flow battery, characterized in that the bismuth precursor is any one selected from the group consisting of nitrides, hydroxides, sulfides, halides, oxides, hydrates, and combinations thereof of bismuth.
삭제delete 제 6 항에서,
상기 다공성 탄소는 기공 부피(Pore volume)가 0.8cm3/g 이상인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지용 복합체의 제조방법.
In claim 6,
The porous carbon has a pore volume of 0.8 cm 3 /g or more.
제 6 항에서,
상기 용매는 증류수이고,
상기 환원제는 수소화붕소나트륨(sodium borohydride)인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지용 복합체의 제조방법.
In claim 6,
The solvent is distilled water,
The reducing agent is a method of manufacturing a composite for a redox flow battery, characterized in that sodium borohydride (sodium borohydride).
제 1 항 또는 제 3 항의 레독스 흐름 전지용 복합체를 포함하는 전극.
An electrode comprising the composite for a redox flow battery of claim 1 or 3.
제 13 항의 전극을 포함하는 레독스 흐름 전지.
A redox flow battery comprising the electrode of claim 13 .
제 14 항에서,
상기 레독스 흐름 전지가 철-크롬 레독스 흐름 전지인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지.
15. In claim 14,
The redox flow battery is an iron-chromium redox flow battery, characterized in that the redox flow battery.
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