KR102391441B1 - 비-수성 레독스 플로우 배터리 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 양극이 정위되어 있고 포지티브 비-수성 액체 전해질을 흐르게 하는 포지티브 구획; 음극이 정위되어 있고 네가티브 비-수성 액체 전해질을 흐르게 하는 네가티브 구획; 포지티브 구획과 네가티브 구획 사이에 정위되어 있는 이온 교환막을 포함하는 비-수성 레독스 플로우 배터리(RFB)로서, 여기서, 상기 포지티브 비-수성 액체 전해질은 적어도 하나의 유기 용매 중 구리 트리플레이트 또는 테트라플루오로보레이트 착물 [Cu(I) 또는 Cu(II)]의 용액을 포함하며; 상기 네가티브 비-수성 액체 전해질은 적어도 하나의 유기 용매 중 적어도 하나의 벤조티아디아졸 또는 이의 유도체를 포함하는, 비-수성 레독스 플로우 배터리(RFB)에 관한 것이다. 상기 비-수성 레독스 플로우 배터리(RFB)는 여러 시간(즉, 1시간 초과) 동안 중간 정도 내지 큰 전력 출력(예를 들어, 약 100 kW 내지 100 MW)을 필요로 하는 디바이스, 예를 들어, 예컨대, 산업 플랜트 또는 후속 사용(예를 들어, 가정용) 또는 판매를 위한 대체 에너지원(예를 들어, 태양 또는 풍력 에너지)으로부터 유래된 에너지를 저장하기 위한 디바이스에서 유리하게 사용될 수 있다.

Description

비-수성 레독스 플로우 배터리
본 발명은 비-수성 레독스 플로우 배터리(redox flow battery: RFB)에 관한 것이다.
보다 특히, 본 발명은 양극(positive electrode)이 정위되어 있고 포지티브 비-수성 액체 전해질을 흐르게 하는 포지티브 구획; 음극(negative electrode)이 정위되어 있고 네가티브 비-수성 액체 전해질을 흐르게 하는 네가티브 구획; 포지티브 구획과 네가티브 구획 사이에 정위되어 있는 이온 교환막을 포함하는 비-수성 레독스 플로우 배터리(RFB)로서, 상기 포지티브 비-수성 액체 전해질은 적어도 하나의 유기 용매 중 구리 트리플레이트 또는 테트라플루오로보레이트 착물 [Cu(I) 또는 Cu(II)]의 용액을 포함하며; 상기 네가티브 비-수성 액체 전해질은 적어도 하나의 유기 용매 중 적어도 하나의 벤조티아디아졸 또는 이의 유도체의 용액을 포함하는, 비-수성 레독스 플로우 배터리(RFB)에 관한 것이다.
상기 비-수성 레독스 플로우 배터리(RFB)는 유리하게, 여러 시간(즉, 1시간 초과) 동안 중간 정도 내지 큰 전력 출력(예를 들어, 약 100 kW 내지 100 MW)을 필요로 하는 디바이스, 예를 들어, 예컨대, 산업 플랜트로부터 또는 후속 사용(예를 들어, 가정용) 또는 판매를 위한 대체 에너지원(예를 들어, 태양 또는 풍력 에너지)로부터 유래된 에너지를 저장하기 위한 디바이스에서 사용될 수 있다.
레독스 플로우 배터리(RFB)는 이의 낮은 환경적 영향 및 작업 안전성으로 인하여, 에너지 저장의 상황에서 더욱 유망한 기술이 되고 있다.
레독스 플로우 배터리(RFB)는 하나 이상의 전기활성 종의 용액을 함유한 전해질이 화학 에너지를 전기 에너지로 직접적으로 전환시키는 전기화학 전지를 통해 흐르게 되는 재충전 가능한 배터리의 한 타입이다. 상기 전기화학 전지는 대개 이온 교환막에 의해 분리된 네가티브 구획(또는 네가티브 반쪽-전지) 및 포지티브 구획(또는 포지티브 반쪽-전지)으로 구성된다. 외부 탱크에 저장되는 상기 전해질 덕분에, 전력 성분(power component)(즉, 상기 전기화학 전지의 치수 및 설계에 의존하는 출력 전력(output power)) 및 에너지 성분(energy component)(즉, 상기 외부 탱크의 치수 및 여기에 함유되어 있는 전해질의 농도에 의존하는 저장된 에너지)은 이의 적용에서의 유연성의 측면에서 순 이득(net gain)과는 분리되어 있다.
상기 하나 이상의 전기활성 종의 용액의 특징적 세부사항(characteristic feature)은 예를 들어, 반응하는 전기활성 종의 용액 중 농도, 포지티브 또는 네가티브 구획(또는 반쪽-전지)에서 전달되는 전자의 수, 및 반응 전위와 같은 다양한 인자들에 의존하는 높은 에너지 밀도이다.
제1 세대의 수성 레독스 플로우 배터리(RFB)는 "올 바나듐(all vanadium)" 레독스 플로우 배터리(RFB)(단순화를 위해서 하기에서 "VRFB"로 나타냄)로 표현된다. "VRFB"에서, 전기활성 종은 4가지 상이한 산화 상태의 바나듐의 산성 용액으로 구성된다: 즉, 네가티브 구획에서 산화 상태 (II)의 바나듐[V(II)] 및 산화 상태 (III)의 바나듐[V(III)], 및 포지티브 구획에서 산화 상태 (IV)의 바나듐[V(IV)] 및 산화 상태 (V)의 바나듐[V(V)]. 일반적으로, 상기 "VRFB"에서, 전지의 개방-회로 전위차(또는 표준 전위)(E°)는 약 1.2 V 내지 1.6 V의 범위이며, 전해질 중 전기활성 종의 통상적인 농도는 2 M[5 M 황산(H2SO4) 수용액 중]이며, 에너지 밀도는 20 Wh/ℓ 내지 30 Wh/ℓ의 범위이다. 상기 "VRFB"의 장점들 중 하나는 정확하게, 막을 통한 오염이 무시할 수 있는 수준까지 감소된 결과로서, 두 구획 모두에서 단일 원소로 이루어진 전해질의 사용이다. 그러나, 전해질에서 다양한 종의 바나듐의 최대 농도는 상세하게, 40℃ 초과에서 열적 침전(thermal precipitation)을 나타내는 산화 상태 (V)의 바나듐[V(V)]의 경우에, 이의 불량한 용해도 및 안정성에 의해 제한되며, 개방-회로 전위차(E°)는 물의 안정성 윈도우(stability window)(즉, 물의 전기분해 시)에 의해 결정된다.
상기 "VRFB"와 관련한 추가 세부사항은 예를 들어, 문헌[Sum E. et al., "Journal of Power Sources" (1985), vol. 15, issues 2-3, pp. 179-190; Sum E. et al., "Journal of Power Sources" (1985), vol. 16, issue 2, pp. 85-95; Aaron D. S. et al., "Journal of Power Sources" (2012), vol. 206, pp. 450-453]에서 확인될 수 있다.
수 년에 걸쳐, 다른 타입의 수성 레독스 플로우 배터리(RFB)가 연구되었다.
예를 들어, 문헌[Huskinson B. et al., in "Nature" (2014), vol. 505, pp. 195-198]에는 저가의 탄소 전극을 가지고 네가티브 구획에서 퀴논/하이드로퀴논 레독스 커플을 및 포지티브 구획에서 Br2/Br- 레독스 커플을 사용한, 금속을 함유하지 않은 수성 플로우 배터리가 기술되어 있다. 금속 대신에 유기 분자의 사용은 저가의 전기 에너지 저장을 달성하는 새롭고 유망한 방식이라고 한다.
후자의 연구, 문헌[Lin K. et al., in "Science" (2015), vol. 349, issue 6255, pp. 1529-1532]에서, 포지티브 구획에서 Br2/Br- 레독스 커플은 페로시아네이트/페리시아네이트 레독스 커플에 의해 대체된다. 얻어진 수성 플로우 배터리는 디-독성이고, 불연성이고, 작업자 및 환경 둘 모두에 대해 사용하기에 안전한 화합물을 포함한다는 장점을 갖는다.
상기에 기술된 바와 같이, 수성 레독스 플로우 배터리(RFB)에서, 개방-회로 전위차(E°)가 물의 안정성 윈도우(즉, 물의 전기분해 시)에 의해 결정되기 때문에, 유기 용매 중에서 가용성인 유기금속성 전기활성 종을 포함하는 전해질의 사용과 관련하여 추가 연구가 수행되었다.
예를 들어, 문헌[Chakrabarti M. H. et al., in "Electrochimica Acta" (2007), vol. 52, pp. 2189-2195]에는 아세토니트릴 중 유기금속성 종을 포함하는 전해질이 기술되어 있다. 특히, 아세토니트릴에서 높은 상승된 안정성 및 용해도를 나타내는, 레독스 커플 루테늄 아세틸아세토네이트 [Ru(acac)2]를 포함하는 전해질은 포지티브 구획 및 네가티브 구획 둘 모두에서 기술된다. 얻어진 비-수성 레독스 플로우 배터리(RFB)는 높은 효율을 갖는다고 한다.
문헌[Kaur A. P. et al., in "Energy Technology" (2015), vol. 3, pp. 476-480]에는 포지티브 구획에서의 전해질(음극액(catholyte))이 페노티아진 유도체, 특히, 3,7-비스(트리플루오로메틸)-N-에틸페녹시티아진(BCF3EPT)을 포함하고 네가티브 구획에서의 전해질(양극액(anolyte))이 2,3,6-트리메틸퀴녹살린을 포함하는 비-수성 레독스 플로우 배터리(RFB)가 기술되어 있다. 페노티아진 유도체는 카보네이트를 기반으로 하는 용매(예를 들어, 프로필렌 카보네이트) 중에서의 높은 안정성 및 용해도를 갖는다. 그러나, 상기 Kaur A. P. 등은, 이러한 것을 함유한 비-수성 레독스 플로우 배터리(RFB)의 성능을 개선시킬 목적을 위해 추가 연구가 필요하다고 여긴다.
문한[Li Z. et al., in "Electrochemical and Solid-State Letters" (2011), vol. 14, issue 12, A171-A173]에는, 포지티브 구획에서의 전해질(음극액)로서 2,2,6,6-테트라메틸-1-피페리닐옥시/NaClO4/아세토니트릴을 및 네가티브 구획에서의 전해질(양극액)로서 N-메틸프탈이미드/NaClO4/아세토니트릴을 사용하는 비-수성 레독스 플로우 배터리(RFB)가 기술되어 있다. 충전-방전 시험을 수행하였을 때, 상술된 비-수성 레독스 플로우 배터리(RFB)는 최초 20회 사이클 동안 안정적인 충전-방전 곡선 및 높은 쿨롱 효율(90%)을 갖는다고 한다.
문헌[Gong K. et al., in "Energy & Environmental Science" (2015), vol. 8, pp. 3515-3530]에는, 다양한 타입의 비-수성 레독스 플로우 배터리(RFB), 특히, 상이한 유기 용매, 상이한 지지 전해질 및 상이한 레독스 커플의 사용이 기술되어 있다. 다른 것들 중에서, 이러한 문헌에는 네가티브 구획에서 바이페닐 및 디메틸포름아미드(DMF) 중 1 M의 리튬 헥사플루오로포스페이트(LiPF6) 용액을 포함하는 전해질이 사용되고 포지티브 구획에서 옥타플루오로나프탈렌 및 프로필렌 카보네이트(PC) 중 1 M의 리튬 헥사플루오로포스페이트(LiPF6) 용액을 포함하는 전해질이 사용될 때, 초고 전압[즉, 초고 개방-회로 전위차(E°)를 가짐], 즉, 4.5 V를 갖는 비-수성 레독스 플로우 배터리(RFB)가 기술되어 있다.
미국특허출원 US 2013/0224538호에는 네가티브 비-수성 액체 전해질에 액침된 음극, 포지티브 비-수성 액체 전해질에 액침된 양극, 및 네가티브 전해질과 포지티브 전해질 사이에 배치된 양이온-침투 가능한 분리막(예를 들어, 다공성 막, 필름, 시트 또는 패널)을 포함하는 비-수성 레독스 플로우 배터리(RFB)가 기술되어 있다. 충전-방전 동안, 전해질은 이의 개개 전극들 내에서 순환한다. 각 전해질은 전해질 염(예를 들어, 소듐 또는 리튬의 염), 전이 금속을 함유하지 않은 레독스 시약, 및 임의적으로, 전기화학적으로 안정한 유기 용매를 포함한다. 각 레독스 시약은 불포화 컨쥬게이트 모이어티를 포함한 유기 화합물, 붕소 화합물, 및 이들의 조합으로부터 선택된다. 포지티브 전해질에 존재하는 유기 레독스 시약은 네가티브 전해질에 존재하는 레독스 시약의 레독스 전위보다 더 큰 레독스 전위를 갖는 방식으로 선택된다. 상술된 비-수성 레독스 플로우 배터리(RFB)는 공지된 레독스 플로우 배터리(RFB)보다 더욱 효율적이라고 한다.
상기에 기술된 바와 같이, 레독스 플로우 배터리(RFB)는 이의 낮은 환경적 영향 및 작업 안전성 덕분에, 에너지 저장 맥락에서 더욱 유망한 기술이 되고 있으며, 신규한, 특히 비-수성, 레독스 플로우 배터리(RFB)를 연구하는 데 여전히 큰 관심이 있다.
이에 따라, 본 출원인은 양호한 성능을 제공할 수 있는, 즉, 높은 개방-회로 전위차(E°) 및 높은 에너지 밀도(ρ e )를 갖는 비-수성 레독스 플로우 배터리(RFB)를 식별하는 문제에 직면해 있다.
본 출원인은 포지티브 구획에서 적어도 하나의 유기 용매 중 구리 트리플레이트 또는 테트라플루오로보레이트 착물 [Cu(I) 또는 Cu(II)]의 용액을 및 네가티브 구획에서 적어도 하나의 유기 용매 중 적어도 하나의 벤조티아디아졸 또는 이의 유도체의 용액을 포함하는 비-수성 액체 전해질의 사용이 양호한 성능, 즉, 높은 개방-회로 전위차(E°) 및 높은 에너지 밀도(ρe)를 제공할 수 있는 비-수성 레독스 플로우 배터리(RFB)를 얻을 수 있게 한다는 것을 발견하였다. 또한, 구리 트리플레이트 또는 테트라플루오로보레이트 착물 [Cu(I) 또는 Cu(II)] 및 벤조티아디아졸 또는 이의 유도체 둘 모두는 상기 비-수성 레독스 플로우 배터리(RFB)의 충전-방전 사이클 동안 양호한 안정성, 및 사용되는 유기 용매 중 높은 용해도를 나타낸다. 또한, 구리 트리플레이트 또는 테트라플루오로보레이트 착물 [Cu(I) 또는 Cu(II)] 및 벤조티아디아졸 또는 이의 유도체 둘 모두는 환경적 관점 및 작업자의 건강 둘 모두에 대해 비-독성 화합물이고, 이에 따라, 유해하지 않다. 마지막으로, 구리 트리플레이트 또는 테트라플루오로보레이트 착물 [Cu(I) 또는 Cu(II)] 및 벤조티아디아졸 또는 이의 유도체 둘 모두는 용이하게 상업적으로 입수 가능하고, 이에 따라, 경제적인 관점에서 유리하다.
이에 따라, 본 발명은
- 양극이 정위되어 있고 포지티브 비-수성 액체 전해질을 흐르게 하는 포지티브 구획;
- 음극이 정위되어 있고 네가티브 비-수성 액체 전해질을 흐르게 하는 네가티브 구획;
- 포지티브 구획과 네가티브 구획 사이에 정위되어 있는 이온 교환막을 포함하는 비-수성 레독스 플로우 배터리(RFB)로서,
- 상기 포지티브 비-수성 액체 전해질은 적어도 하나의 유기 용매 중 구리 트리플레이트 또는 테트라플루오로보레이트 착물 [Cu(I) 또는 Cu(II)]의 용액을 포함하며;
- 상기 네가티브 비-수성 액체 전해질은 적어도 하나의 유기 용매 중 적어도 하나의 벤조티아디아졸 또는 이의 유도체의 용액을 포함하는, 비-수성 레독스 플로우 배터리(RFB)를 제공한다.
본 설명 및 하기 청구범위의 목적을 위하여, 달리 기술하지 않는 한, 수치 범위의 정의는 항상 극단(extreme)을 포함한다.
본 설명 및 하기 청구범위의 목적을 위하여, 용어 "포함하는(comprising)"은 또한, 용어 "~를 본질적으로 포함하는(which essentially consists of)" 또는 "~로 이루어진(which consists of)"을 포함한다.
본 발명의 바람직한 구체예에 따르면, 상기 구리 트리플레이트 또는 테트라플루오로보레이트 착물 [Cu(I) 또는 Cu(II)]은 예를 들어, 테트라키스아세토니트릴 구리(I) 트리플레이트 [Cu(NCCH3)4·CF3SO3], 구리(II) 트리플루오로메탄설포네이트 [Cu(CF3SO3)2], 테트라키스아세토니트릴 구리(I) 테트라플루오로보레이트 [Cu(NCCH3)4·BF4], 또는 이들의 혼합물로부터 선택될 수 있다.
본 발명의 바람직한 구체예에 따르면, 상기 벤조티아디아졸 또는 이의 유도체는 예를 들어, 하기 일반 화학식 (I)을 갖는 벤조티아디아졸로부터 선택될 수 있다:
Figure 112019011767804-pct00001
상기 식에서, R1, R2, R3 및 R4는, 서로 동일하거나 상이하고, 수소 원자, 또는 할로겐 원자, 예를 들어, 염소, 불소, 브롬, 요오드, 바람직하게, 불소를 나타내거나; -CN, -NO2, -COOH, -SO3H, -SH의 군 중 하나를 나타내거나; 선형 또는 분지형, 포화되거나 불포화된 C1-C10, 바람직하게, C1-C4, 알킬 기, 선형 또는 분지형, 포화되거나 불포화된 C1-C10, 바람직하게, C1-C4, 알콕시 기, 일반 화학식 R'-COO-R"(여기서, R' 및 R"는, 서로 동일하거나 상이하고, 선형 또는 분지형, 포화되거나 불포화된 C1-C10, 바람직하게, C1-C4, 알킬 기로부터 선택됨)를 갖는 카복실산 에스테르, 일반 화학식 R'-OSO2-R"(여기서, R' 및 R"는 상기 기술된 것과 동일한 의미를 가짐)를 갖는 설폰산 에스테르, 일반 화학식 R'-SO-R"(여기서, R' 및 R"는 상기 기술된 것과 동일한 의미를 가짐)를 갖는 티오에스테르, -(O-CH2-CH2)n-OH 기(여기서, n은 1 내지 4 범위의 정수임), -(O-CH(CH3)-CH2)n-OH 기(여기서, n은 1 내지 4 범위의 정수임), 임의적으로 치환된 아릴 기, 임의적으로 치환된 헤테로아릴 기로부터 선택된다.
본 설명 및 하기 청구범위의 목적을 위하여, 용어 "C1-C10 알킬 기"는 1 내지 10개의 탄소 원자를 갖는 선형 또는 분지형, 포화되거나 불포화된 알킬 기를 의미한다. C1-C10 알킬 기의 특정 예에는 메틸, 에틸, n-프로필, 이소-프로필, n-부틸, 이소-부틸, t-부틸, n-펜틸, n-헥실, n-헵틸, n-옥틸, n-데실이 있다.
본 설명 및 하기 청구범위의 목적을 위하여, 용어 "C1-C10 알콕시 기"는 선형 또는 분지형, 포화되거나 불포화된 C1-C10 알킬 기가 부착된 산소 원자를 포함하는 기를 의미한다. C1-C10 알콕시 기의 특정 예에는 메톡시, 에톡시, n-프로폭시, 이소-프로폭시, n-부톡시, 이소-부톡시, t-부톡시, 펜톡시, 헥실옥시, 2-에틸에톡시, 헵틸옥시, 옥틸옥시, 노닐옥시, 데실옥시가 있다.
본 설명 및 하기 청구범위의 목적을 위하여, 용어 "아릴 기"는 방향족 카보시클릭 기를 의미한다. 상기 아릴 기는 할로겐 원자, 예를 들어, 예컨대, 불소, 염소, 브롬; 하이드록실 기; C1-C12 알킬 기; C1-C12 알콕시 기; 시아노 기; 아미노 기; 니트로 기로부터 선택된 하나 이상의 서로 동일하거나 상이한 기로 임의적으로 치환될 수 있다. 아릴 기의 특정 예에는 페닐, 메틸페닐, 트리메틸페닐, 메톡시페닐, 하이드록시페닐, 페닐옥시페닐, 플루오로페닐, 클로로페닐, 브로모페닐, 니트로페닐, 디메틸아미노페닐, 나프틸, 페닐나프틸, 페난트렌, 안트라센이 있다.
본 설명 및 하기 청구범위의 목적을 위하여, 용어 "헤테로아릴 기"는 4 내지 60개의 탄소 원자 및 질소, 산소, 황, 실리콘, 셀레늄, 인으로부터 선택된 1 내지 4개의 헤테로원자를 함유한, 벤조-융합되거나 헤테로바이시클릭 기를 포함하는 5원 또는 6원 방향족 헤테로시클릭 기를 의미한다. 상기 헤테로아릴 기는 할로겐 원자, 예를 들어, 예컨대, 불소, 염소, 브롬, 바람직하게, 불소; 하이드록실 기; C1-C12 알킬 기; C1-C12 알콕시 기; C1-C12 티오알콕시 기; C3-C24 트리알킬실릴 기; 폴리에틸렌옥시 기; 시아노 기; 아미노 기; C1-C12 모노- 또는 디-알킬아미노 기; 니트로 기로부터 선택된 하나 이상의 서로 동일하거나 상이한 기로 임의적으로 치환될 수 있다. 헤테로아릴 기의 특정 예에는 피리딘, 메틸피리딘, 메톡시피리딘, 페닐피리딘, 플루오로피리딘, 피리미딘, 피리다진, 피라진, 트리아진, 테트라진, 퀴놀린, 퀴녹살린, 퀴나졸린, 푸란, 티오펜, 헥실티오펜, 브로모티오펜, 디브로모티오펜, 피롤, 옥사졸, 티아졸, 이속사졸, 이소티아졸, 옥사디아졸, 티아디아졸, 피라졸, 이미다졸, 트리아졸, 테트라졸, 인돌, 벤조푸란, 벤조티오펜, 벤족사졸, 벤조티아졸, 벤족사디아졸, 벤조티아디아졸, 벤조피라졸, 벤즈이미다졸, 벤조트리아졸, 트리아졸로피리딘, 트리아졸로피리미딘, 코우마린이 있다.
본 발명의 바람직한 구체예에 따르면, 상기 일반 화학식 (I)에서, R1, R2, R3 및 R4는 서로 동일하고, 수소 원자를 나타낸다.
본 발명의 목적을 위하여, 구리(II) 트리플레이트 착물 [Cu(II)]의 용액이 출발 물질로서 사용되는 경우에, 네가티브 구획에 공급되기 전에 환원된 형태의 벤조티아디아졸 또는 이의 유도체(BTD·-)를 수득하기 위해 벤조티아디아졸 또는 이의 유도체(BTD)를 포함하는 용액이 전기분해로 처리되어야 한다는 것이 주지되어야 한다.
상술된 전해질은 적어도 하나의 지지 전해질을 포함할 수 있다. 그러나, 지지 전해질은 반응에 참여하지 않으면서, 네가티브 구획에서의 전해질과 포지티브 구획에서의 전해질 간에 전하 균형을 유지할 수 있다. 일반적으로, 지지 전해질은 고려되는 전위의 범위에 걸쳐 화학적으로 불활성이어야 하고, 전류의 통과에 대한 낮은 저항을 보장하기 위해 높은 이온 전도도를 가져야 하고, 전극 표면 상에서의 전자 교환을 방해하지 않아야 한다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상술된 전해질은 예를 들어, 리튬 테트라플루오로보레이트(LiBF4), 리튬 헥사플루오로포스페이트(LiPF6), 리튬 퍼클로레이트(LiClO4), 리튬 메틸트리플루오로메탄설포네이트(LiCF3SO3), 리튬 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드[Li(CF3SO2)2N], 테트라에틸암모늄 테트라플루오로보레이트(TEABF4), 테트라부틸암모늄 테트라플루오로보레이트(TBABF4), 또는 이들의 혼합물로부터 선택된 적어도 하나의 지지 전해질을 포함한다. 리튬 테트라플루오로보레이트(LiBF4), 테트라부틸암모늄 테트라플루오로보레이트(TBABF4)가 바람직하다.
본 발명의 바람직한 구체예에 따르면, 상기 유기 용매는 예를 들어, 아세토니트릴, 디메틸아세트아미드, 디에틸 카보네이트, 디메틸 카보네이트, γ-부티로락톤(GBL), 프로필렌 카보네이트(PC), 에틸렌 카보네이트(EC), N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 플루오로에틸렌 카보네이트, N,N-디메틸아세트아미드, 또는 이들의 혼합물로부터 선택될 수 있다. 아세토니트릴, 프로필렌 카보네이트(PC)가 바람직하다.
본 발명의 목적을 위하여, 이온 교환막을 통해 임의의 확산 문제를 피하고 결과적으로 2개의 구획들 사이에 오염의 문제를 피하기 위하여, 포지티브 구획 및 네가티브 구획 둘 모두에서 동일한 용매를 사용하는 것이 바람직하다는 것이 주지되어야 한다.
또한, 상기 구리 트리플레이트 또는 테트라플루오로보레이트 착물 [Cu(I) 또는 Cu(II)] 및 상기 벤조티아디아졸 또는 이의 유도체 둘 모두가 양호한 사용되는 유기 용매 중 용해도, 즉, 0.05 M 내지 2 M의 범위, 바람직하게, 0.08 M 내지 1.5 M 범위의 용해도를 갖는 것이 주지되어야 한다.
본 발명의 바람직한 구체예에 따르면, 상기 이온 교환막은 폴리머 막, 예를 들어, 예컨대,
- 음이온 교환막 예를 들어, 예컨대, 스티렌-디비닐벤젠 코폴리머를 기반으로 하거나 아미노 기를 함유한 클로로메틸스티렌-디비닐벤젠 코폴리머를 기반으로 한 막, 폴리(에테르 에테르 케톤)을 기반으로 한 막, 4차 피리딘 기를 함유한 디비닐벤젠-비닐피리딘 코폴리머를 기반으로 한 막; 클로로메틸 기 및 아미노 기를 함유한 방향족 폴리설폰 코폴리머를 기반으로 한 막, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)을 기반으로 한 막;
- 양이온 교환막 예를 들어, 예컨대, 테트라플루오로에틸렌 설포네이트를 기반으로 한 플루오로폴리머-코폴리머를 기반으로 한 막, 폴리(에테르 에테르 케톤)을 기반으로 한 막, 폴리설폰을 기반으로 한 막, 폴리에틸렌을 기반으로 한 막, 폴리프로필렌을 기반으로 한 막, 에틸렌-프로필렌 코폴리머를 기반으로 한 막, 폴리이미드를 기반으로 하는 막, 폴리비닐 플루오라이드를 기반으로 한 막으로부터 선택될 수 있다.
본 발명의 목적을 위해 유리하게 사용할 수 있고 상업적으로 입수 가능한 음이온 교환막에는 Astom로부터의 NEOSEPTA® AMX, NEOSEPTA® AHA, NEOSEPTA® ACS, Lanxess로부터의 Ionac MA3475, DuPont로부터의 Teflon®, Fumatech로부터의 Fumasept® FAA-3이 있다.
본 발명의 목적을 위해 유리하게 사용할 수 있고 상업적으로 입수 가능한 양이온 교환막에는 Astom으로부터의 NEOSEPTA® CMX, NEOSEPTA® CIMS, DuPont으로부터의 Nafion®이 있다.
음극은 바람직하게, 적어도 하나의 금속, 예를 들어, 예컨대, 백금, 구리, 알루미늄, 니켈, 스테인레스 강; 또는 탄소를 함유한 적어도 하나의 물질, 예를 들어, 예컨대, 카본 블랙, 활성탄, 비정질 탄소, 흑연, 그래핀, 나노구조화된 탄소 물질; 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 상기 음극은 다공성이거나, 그루브형성되거나, 매끄러울 수 있다.
양극은 바람직하게, 적어도 하나의 금속, 예를 들어, 예컨대, 백금, 구리, 알루미늄, 니켈, 스테인레스 강; 또는 탄소를 함유한 적어도 하나의 물질, 예를 들어, 예컨대, 카본 블랙, 활성탄, 비정질 탄소, 흑연, 그래핀, 나노구조화된 탄소 물질; 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 상기 양극은 다공성이거나, 그루브형성되거나, 매끄러울 수 있다.
본 발명은 하기에 도시되는 도 1을 참조하여 일 구체예에 의해 더욱 상세히 예시될 것이다.
특히, 도 1은 본 발명에 따른 비-수성 레독스 플로우 배터리(RFB)의 일 구체예의 개략적 도식이다. 이와 관련하여, 비-수성 레독스 플로우 배터리(RFB)(1)는 양극(6)이 정위되어 있고 포지티브 비-수성 액체 전해질(도 1에 도시되지 않음)이 흐르는 포지티브 구획(6a), 음극(8)이 정위되어 있고 네가티브 비-수성 액체 전해질(도 1에 도시되지 않음)이 흐르는 네가티브 구획(8a), 및 포지티브 구획(6a)과 네가티브 구획(8a) 사이에 정위되어 있는 이온 교환막(7)을 포함한다.
포지티브 구획(6a)은 작동 사이클 동안(즉, 충전-방전 단계 동안) 상기 포지티브 비-수성 액체 전해질의 공급 및 방전을 가능하게 하기 위해 유입구 튜브(3) 및 펌프(4a)(예를 들어, 연동 펌프) 및 유출구 튜브(5)에 의해 적어도 하나의 유기 용매 중 구리 트리플레이트 또는 테트라플루오로보레이트 착물 [Cu(I) 또는 Cu(II)]의 용액을 포함하는 포지티브 비-수성 액체 전해질을 함유한 탱크(2)에 연결된다.
네가티브 구획(8a)은 작동 사이클 동안(즉, 충전-방전 단계 동안) 상기 네가티브 비-수성 액체 전해질의 공급 및 방전을 가능하게 하기 위해 유입구 튜브(11) 및 펌프(4b)(예를 들어, 연동 펌프) 및 유출구 튜브(10)에 의해, 적어도 하나의 유기 용매 중 적어도 하나의 벤조티아디아졸 또는 이의 유도체의 용액을 포함하는 네가티브 비-수성 액체 전해질을 함유한 탱크(12)에 연결된다.
전압계(9)는 양극(6)에 그리고 음극(8)에 연결된다. 비-수성 레독스 플로우 배터리(RFB)(1)의 충전 단계 동안에, 전위차는 전압계(9)에 의해 양극과 음극 사이에 적용되며, 동시에, 포지티브 비-수성 액체 전해질은 펌프(4a)에 의해 포지티브 전해질 탱크(2)에서 포지티브 구획(6a)으로 공급되며, 네가티브 비-수성 액체 전해질은 펌프(4b)에 의해 네가티브 전해질 탱크(12)에서 네가티브 구획(8a)으로 공급된다. 포지티브 구획(6a)에 존재하는 상기 포지티브 비-수성 액체 전해질은 양극(6) 상에서 산화 반응을 일으키며, 네가티브 구획(8a)에 존재하는 상기 네가티브 비-수성 액체 전해질은 음극(8) 상에서 환원 반응을 일으킨다. 상술된 산화 및 환원 반응에 관여된 이온은 전하에 대한 균형을 이루기 위하여 반대 방향으로 이온 교환막(7)을 통해 흐른다. 역반응은 비-수성 레독스 플로우 배터리(RFB)(1)의 방전 단계 동안 일어난다. 상술된 충전 단계 및 방전 단계는 하기와 같이 개략적으로 나타낼 수 있다:
음극:
Figure 112019011767804-pct00002
양극:
Figure 112019011767804-pct00003
전지:
Figure 112019011767804-pct00004
여기서,
- BTD = 벤조티아디아졸;
- Cu = 구리;
- e- = 전자.
작동 사이클 동안(즉, 충전-방전 단계 동안), 포지티브 비-수성 액체 전해질 및 네가티브 비-수성 액체 전해질 둘 모두는 상기 포지티브 구획 및 네가티브 구획을 연속적으로 공급하기 위하여, 각각 포지티브 구획 및 네가티브 구획 내에 연속적으로 펌핑된다.
비-수성 레독스 플로우 배터리(RFB)(1)에 저장된 에너지는 설치되어 있는 장치를 작동시키기 위해 직접적으로 사용될 수 있거나, 전력 공급원과 통합시키기 위해 최대 소비 시기 동안 전기적 네트워크로 전송될 수 있다. 교류/직류(AC/DC) 컨버터(도 1에 도시되어 있지 않음)는 교류(AC) 전력 공급원 네트워크에 그리고 이로부터 에너지의 전송을 촉진시키기 위해 임의적으로 사용될 수 있다.
본 발명은 하기에서 오로지 명시적 목적을 위해 기술되고 어떠한 방식으로도 본 발명을 제한하지 않는 하기 실시예에 의해 추가로 예시될 것이다.
실시예 1
순환 전압전류법 측정
순환 전압전류법 측정을 3가지 전극 구성, 즉, 유리질 탄소 작업 전극, 백금 카운터-전극 및 은/은 클로라이드(Ag/AgCl) 기준 전극을 갖는 반쪽-전지에서 수행하였다. 레독스 전위s E°'Ox /Red를 포워크 피크(forward peak)(Epf) 및 리턴 피크(return peak)(Epr)의 위치로부터 획득하였으며:
Figure 112019011767804-pct00005
수치를 용매간 페로센/페로세늄(Fc/Fc+) 커플을 기준으로 정규화하였다.
평가를 Autolab PGSTAT 128N 분석 기기 상에서 10, 20, 50, 70, 100, 및 200 mV/s의 스캐닝 속도로 수행하였다. 모든 평가를 실온(25℃)에서 3회 수행하였다. 이러한 목적을 위해 사용되는 용액은 하기를 함유하였다:
- 아세토니트릴(Aldrich) 중 벤조티아디아졸(Aldrich)(5×10-4 M) 및 테트라부틸암모늄 테트라플루오로보레이트(TBABF4)(Aldrich)(0.1 M)(네가티브 구획의 네가티브 비-수성 액체 전해질)(BTD);
- 프로필렌 카보네이트(Aldrich) 중 벤조티아디아졸(Aldrich)(5×10-4 M) 및 테트라부틸암모늄 테트라플루오로보레이트(TBABF4)(Aldrich)(0.1 M)(네가티브 구획의 네가티브 비-수성 액체 전해질)(BTD);
- 아세토니트릴(Aldrich) 중 구리(II) 트리플루오로메탄설포네이트 [Cu(CF3SO3)2](Aldrich)(5×10-4 M) 및 테트라부틸암모늄 테트라플루오로보레이트(TBABF4)(Aldrich)(0.1 M)(포지티브 구획의 포지티브 비-수성 액체 전해질)(Cu 트리플레이트);
- 아세토니트릴(Aldrich) 중 테트라키스아세토니트릴 구리(I) 테트라플루오로보레이트 [Cu(NCCH3)4·BF4](Aldrich)(5×10-4 M) 및 테트라부틸암모늄 테트라플루오로보레이트(TBABF4)(Aldrich)(0.1 M)(포지티브 구획의 포지티브 비-수성 액체 전해질) [Cu(I) 테트라플루오로보레이트];
- 프로필렌 카보네이트(Aldrich) 중 테트라키스아세토니트릴 구리(I) 트리플레이트 [Cu(NCCH3)4·CF3SO3](Aldrich)(5×10-4 M) 및 테트라부틸암모늄 테트라플루오로보레이트(TBABF4)(Aldrich)(0.1 M)(포지티브 구획의 포지티브 비-수성 액체 전해질) [Cu(I)].
도 2[볼트(V)로 측정된 전위(E)는 x축 상에 나타내며, 암페어/㎠(A cm-2)로 측정된 전류 밀도(J)는 y축 상에 나타냄]는 200 mV/s의 스캐닝 속도에서 상술된 용액(BDT) 및 아세토니트릴 중 (Cu 트리플레이트)로부터 얻어진 시클릭 볼타모그램(cyclic voltammogram)을 도시한 것이다. 하기 수학식에 따라 계산된 2.52 V의 높은 개방-회로 전위차(E°)가 얻어지는 것으로 관찰될 수 있다:
Figure 112019011767804-pct00006
상기 식에서,
- (E°1)은 상기에 기술된 바와 같이 계산된 (Cu 트리플레이트)에 대한 레독스 전위이고, (Fc/Fc+)에 대해 0.62 V이며;
- (E°2)는 상기에 기술된 바와 같이 계산된 (BTD)에 대한 레독스 전위이고, (Fc/Fc+)에 대해 -1.90 V이다.
도 3[볼트(V)로 측정된 전위(E)는 x축 상에 나타내며, 암페어/㎠(A cm-2)로 측정된 전류 밀도(J)는 y축 상에 나타냄]은 200 mV/s의 스캐닝 속도에서 상술된 용액(BDT) 및 아세토니트릴 중 [Cu(I) 테트라플루오로보레이트]로부터 얻어진 시클릭 볼타모그램을 도시한 것이다.
하기 수학식에 따라 계산된 2.52 V의 높은 개방-회로 전위차(E°)가 얻어지는 것으로 관찰될 수 있다:
Figure 112019011767804-pct00007
상기 식에서,
- (E°1)은 상기에 기술된 바와 같이 계산된 [Cu(I) 테트라플루오로보레이트]에 대한 레독스 전위이고, (Fc/Fc+)에 대해 0.62 V이며;
- (E°2)는 상기에 기술된 바와 같이 계산된 BTD에 대한 레독스 전위이고, (Fc/Fc+)에 대해 -1.90 V이다.
도 4[볼트(V)로 측정된 전위(E)는 x축 상에 나타내며, 암페어/㎠(A cm-2)로 측정된 전류 밀도(J)는 y축 상에 나타냄]은 200 mV/s의 스캐닝 속도에서 상술된 용액(BDT) 및 프로필렌 카보네이트 중 [Cu(I)]로부터 얻어진 시클릭 볼타모그램을 도시한 것이다.
하기 수학식에 따라 계산된 2.29 V의 높은 개방-회로 전위차(E°)가 얻어지는 것으로 관찰될 수 있다:
Figure 112019011767804-pct00008
상기 식에서,
- (E°1)은 상기에 기술된 바와 같이 계산된 [Cu(I)]에 대한 레독스 전위이고, (Fc/Fc+)에 대해 0.43 V이며;
- (E°2)는 상기에 기술된 바와 같이 계산된 (BTD)에 대한 레독스 전위이고, (Fc/Fc+)에 대해 -1.86 V이다.
실시예 2
순환 전압전류법 안정성 시험
실시예 1에서와 동일한 전기화학 전지를 이용하여 안정성 시험을 수행하였다.
이러한 목적을 위해 사용되는 용액은 하기를 함유하였다:
- 아세토니트릴(Aldrich) 중 벤조티아디아졸(Aldrich)(2×10-3 M) 및 테트라부틸암모늄 테트라플루오로보레이트(TBABF4)(Aldrich) 0.1 M(네가티브 구획의 네가티브 비-수성 액체 전해질)(BTD);
- 아세토니트릴(Aldrich) 중 구리(II) 트리플루오로메탄설포네이트 [Cu(CF3SO3)2](Aldrich)(2×10-3 M) 및 테트라부틸암모늄 테트라플루오로보레이트(TBABF4)(Aldrich)(0.1 M)(포지티브 구획 중 비-수성 액체 전해질)(Cu 트리플레이트).
도 5[볼트(V)로 측정된 전위(E)는 x축 상에 나타내며, 암페어(A)로 측정된 전류 밀도(i)는 y축 상에 나타냄]는 상술된 BTD 용액에 대해 수행된 150회 연속 사이클을 도시한 것이다. 사이클이 어떻게 중첩될 수 있는 지가 주목될 수 있는데, 이는 기생 반응 또는 중합 반응으로 인해 물질의 침적이 전극 상에서 일어나고 형성된 라디칼이 안정적이라는 것을 의미한다.
도 6[볼트(V)로 측정된 전위(E)는 x축 상에 나타내며, 암페어(A)로 측정된 전류 밀도(i)는 y축 상에 나타냄]은 상술된 (Cu 트리플레이트) 용액에 대해 수행된 150회 연속 사이클을 도시한 것이다. 이는 사이클이 어떠한 중첩될 수 있는 지를 주목할 수 있는데, 이는 레독스 커플의 양호한 안정성을 지시한다.
실시예 3
비-수성 레독스 플로우 배터리(RFB)[전해질: 아세토니트릴 중 벤조티아디아졸(BTD) 및 구리(II) 트리플루오로메탄설포네이트 [Cu(CF 3 SO 3 ) 2 ]]의 충전/방전 시험
약 0.7 ㎠의 표면적을 갖는 2개의 백금 전극들(Metrohm) 사이에 배치된, 약 0.8 ㎠의 표면적을 갖는 Teflon® 막(DuPont)을 갖는 전기화학 전지를 이용하여 충전-방전 시험을 수행하였다. 이후에, 전기화학 전지를 아르곤(Ar)을 함유한 용기에서 어셈블리하고 시일링하였다.
이러한 목적을 위해 사용되는 용액은 하기를 함유하였다:
- 환원 형태(BTD·-)의 벤조티아디아졸을 수득하기 위해 아르곤(Ar)으로 탈기되고 전기분해로 처리된, 아세토니트릴(Aldrich) 중 벤조티아디아졸(Aldrich)(1 M) 및 테트라부틸암모늄 테트라플루오로보레이트(TBABF4)(Aldrich)(0.1 M)(네가티브 구획의 네가티브 비-수성 액체 전해질)(BTD);
- 아르곤(Ar)으로 탈기된, 아세토니트릴(Aldrich) 중 구리(II) 트리플루오로메탄설포네이트 [Cu(CF3SO3)2](1 M) 및 테트라부틸암모늄 테트라플루오로보레이트(TBABF4)(Aldrich)(0.1 M)(포지티브 구획의 포지티브 비-수성 액체 전해질)(Cu 트리플레이트).
6 ㎖의 상술된 용액을 개개 구획 내에 도입하였다.
실온(25℃)에서 Autolab PGSTAT 128N 정전위기/정전류기(potentiostat/galvanostat)(Metrohm)를 이용하여 수행하였다.
전지에서 전해질의 성능을 평가하기 위해 충전 및 방전 곡선을 수행하였다. 1.1 V의 충전 전위 및 0.5 V의 방전 전위를 인가함으로써 정전위 모드에서 시험을 수행하였다. 각 전위를 120초의 기간 동안 인가하였다.
도 7[초(t/s)로 측정된 시간은 x축 상에 나타내며, 밀리암페어/㎠(mA cm-2)로 측정된 전류 밀도(J)는 y축 상에 나타냄]은 얻어진 충전/방전 곡선을 도시한 것이다. 방전 동안, 음극(BTD)에서 양극(Cu)으로의 전자의 흐름으로 인하여 전류는 음의 부호를 갖는다. 반대로, 충전 동안, 전류는 양의 부호를 갖는다. 전류 밀도 값은 안정적이며, 결과적으로, 두 종 모두는 산화-환원(또는 레독스) 사이클 동안 양호한 안정성에 의해 특징된다.
실시예 4
비-수성 레독스 플로우 배터리(RFB)[전해질: 프로필렌 카보네이트 중 벤조티아디아졸(BTD) 및 테트라키스아세토니트릴 구리(I) 트리플레이트 [Cu(I)]]의 충전/방전 시험
실시예 3에서와 동일한 전기화학 전지를 이용하여 충전-방전 시험을 수행하였다.
이러한 목적을 위해 사용되는 용액은 하기를 함유하였다:
- 아르곤(Ar)으로 탈기된, 프로필렌 카보네이트(Aldrich) 중 벤조티아디아졸(Aldrich)(1 M) 및 테트라부틸암모늄 테트라플루오로보레이트(TBABF4)(Aldrich)(0.1 M)(네가티브 구획의 네가티브 비-수성 액체 전해질)(BTD);
- 프로필렌 카보네이트 중 테트라키스아세토니트릴 구리(I) 트리플레이트 [Cu(NCCH3)4·CF3SO3](1 M) 및 테트라부틸암모늄 테트라플루오로보레이트(TBABF4)(Aldrich)(0.1 M)(포지티브 구획의 포지티브 비-수성 액체 전해질) [Cu(I)].
6 ㎖의 상술된 용액을 개개 구획 내에 도입하였다.
시험을 실온(25℃)에서 Autolab PGSTAT 128N 정전위기/정전류기(Metrohm)를 이용하여 수행하였다.
전지에서 전해질의 성능을 평가하기 위해 충전 및 방전 곡선을 수행하였다. 1.1 V의 충전 전위 및 0.5 V의 방전 전위를 인가함으로써 정전위 모드에서 시험을 수행하였다. 각 전위를 120초의 기간 동안 인가하였다.
도 8[초(t/s)로 측정된 시간은 x축 상에 나타내며, 밀리암페어/㎠(mA cm-2)로 측정된 전류 밀도(J)는 y축 상에 나타냄]은 얻어진 충전/방전 곡선을 도시한 것이다. 방전 동안, 음극(BTD)에서 양극(Cu)으로의 전자의 흐름으로 인하여 전류는 음의 부호를 갖는다. 반대로, 충전 동안, 전류는 양의 부호를 갖는다. 전류 밀도 값은 안정적이며, 결과적으로, 두 종 모두는 산화-환원(또는 레독스) 사이클 동안 양호한 안정성에 의해 특징된다.
실시예 5
에너지 밀도의 계산
비-수성 레독스 플로우 배터리(RFB)의 에너지 밀도(ρe)는 단위 부피 당 충전된 배터리의 두 구획(즉, 포지티브 구획 및 네가티브 구획) 모두에 함유된 화학 에너지로서 규정된다.
비-수성 레독스 플로우 배터리(RFB)의 각 개개 구획(즉, 포지티브 구획 및 네가티브 구획)에 대하여, 하기 방정식에 따른 용액의 비용량(ρ c )[amp 시간/리터(Ah/ℓ)로 표현됨]을 규정하는 것이 가능하다:
Figure 112019011767804-pct00009
상기 식에서, conc은 활성 종의 농도이며, n은 반응에 관여된 전자의 수이다.
비-수성 레독스 플로우 배터리(RFB)의 에너지 밀도(ρ e )[watt 시간/리터(Wh/ℓ)로 표현됨]는 하기 방정식에 따라 규정된다:
Figure 112019011767804-pct00010
상기 식에서,
- min은 분자(numerator)에 배치된 2개의 곱(product)들 사이의 최소 값이며;
- ρ c+ 는 양극에서 측정된 비용량이며[amp 시간/리터(Ah/ℓ)로 표현됨];
- V + 는 포지티브 비-수성 액체 전해질 용액의 부피이며[리터(ℓ)로 표현됨];
- ρ c- 는 음극에서 측정된 비용량이며[amp 시간/리터(Ah/ℓ)로 표현됨];
- V - 는 네가티브 비-수성 액체 전해질 용액의 부피이며[리터(ℓ)로 표현됨];
- E 0 는 방전 시 열역학적 반응 전위이다[볼트(V)로 표현됨].
음극 및 양극 둘 모두에서 동일한 전하를 갖는 균형 잡힌 비-수성 레독스 플로우 배터리(RFB)를 갖기 위해 하기 방정식이 충족되어야 한다:
Figure 112019011767804-pct00011
상기 식에서, ρ c+ , V + , ρ c- 및 V - 는 상기에 기술된 것과 동일한 의미를 갖는다.
높은 에너지 밀도를 얻기 위하여, 이에 따라, 하기 파라미터를 최대화하는 것이 중요하다:
- 반응 종의 용액 중 농도;
- 포지티브 구획으로 및 네가티브 구획으로 전달되는 전자의 수;
- 전기화학 전지 전위.
하기 용액을 함유한 비-수성 레독스 플로우 배터리(RFB)의 경우에서,
- 아르곤(Ar)으로 탈기된, 아세토니트릴(Aldrich) 중 벤조티아디아졸(Aldrich)(5×10-4 M) 및 테트라부틸암모늄 테트라플루오로보레이트(TBABF4)(Aldrich)(0.1 M)(네가티브 구획의 네가티브 비-수성 액체 전해질)(BTD);
- 아세토니트릴(Aldrich) 중 테트라키스아세토니트릴 구리(I) 트리플레이트 [Cu(NCCH3)4·CF3SO3](Aldrich)(5×10-4 M) 및 테트라부틸암모늄 테트라플루오로보레이트(TBABF4)(Aldrich)(0.1 M)(포지티브 구획의 포지티브 비-수성 액체 전해질) [Cu(I)];
이론적 에너지 밀도(ρe)는 51 Wh/ℓ이며, 상기 이론적 에너지 밀도(ρe)는 하기 가정 하에 계산되었다:
- 공정은 단일 전자이며;
- 종의 최대 농도는 1.5 M이며;
- 개방-회로 전위차 값(E°)은 2.52 V임.

Claims (7)

  1. - 양극(positive electrode)이 정위되어 있고 포지티브 비-수성 액체 전해질을 흐르게 하는 포지티브 구획;
    - 음극(negative electrode)이 정위되어 있고 네가티브 비-수성 액체 전해질을 흐르게 하는 네가티브 구획;
    - 상기 포지티브 구획과 상기 네가티브 구획 사이에 정위되어 있는 이온 교환막을 포함하는 비-수성 레독스 플로우 배터리(redox flow battery: RFB)로서,
    - 상기 포지티브 비-수성 액체 전해질은 적어도 하나의 유기 용매 중 구리 트리플레이트 또는 테트라플루오로보레이트 착물 [Cu(I) 또는 Cu(II)]의 용액을 포함하며;
    - 상기 네가티브 비-수성 액체 전해질은 적어도 하나의 유기 용매 중 적어도 하나의 벤조티아디아졸 또는 이의 유도체의 용액을 포함하는, 비-수성 레독스 플로우 배터리(RFB).
  2. 제1항에 있어서, 상기 구리 트리플레이트 또는 테트라플루오로보레이트 착물 [Cu(I) 또는 Cu(II)]이 테트라키스아세토니트릴 구리(I) 트리플레이트 [Cu(NCCH3)4·CF3SO3], 구리(II) 트리플루오로메탄설포네이트 [Cu(CF3SO3)2], 테트라키스아세토니트릴 구리(I) 테트라플루오로보레이트 [Cu(NCCH3)4·BF4], 또는 이들의 혼합물로부터 선택된, 비-수성 레독스 플로우 배터리(RFB).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 벤조티아디아졸 또는 이의 유도체가 하기 일반 화학식 (I)을 갖는 벤조티아디아졸로부터 선택된, 비-수성 레독스 플로우 배터리(RFB):
    Figure 112021111369750-pct00012

    상기 식에서, R1, R2, R3 및 R4는, 서로 동일하거나 상이하고, 수소 원자, 또는 할로겐 원자를 나타내거나; -CN, -NO2, -COOH, -SO3H, -SH의 군 중 하나를 나타내거나; 선형 또는 분지형, 포화되거나 불포화된 C1-C10 알킬 기, 선형 또는 분지형, 포화되거나 불포화된 C1-C10 알콕시 기, 일반 화학식 R'-COO-R"(여기서, R' 및 R"는, 서로 동일하거나 상이하고, 선형 또는 분지형, 포화되거나 불포화된 C1-C10 알킬 기로부터 선택됨)를 갖는 카복실산 에스테르, 일반 화학식 R'-OSO2-R"(여기서, R' 및 R"는 상기 기술된 것과 동일한 의미를 가짐)를 갖는 설폰산 에스테르, 일반 화학식 R'-SO-R"(여기서, R' 및 R"는 상기 기술된 것과 동일한 의미를 가짐)를 갖는 티오에스테르, -(O-CH2-CH2)n-OH 기(여기서, n은 1 내지 4 범위의 정수임), -(O-CH(CH3)-CH2)n-OH 기(여기서, n은 1 내지 4 범위의 정수임), 치환되거나 비치환된 아릴 기, 치환되거나 비치환된 헤테로아릴 기로부터 선택된다.
  4. 제3항에 있어서, 상기 일반 화학식 (I)에서, R1, R2, R3 및 R4가 서로 동일하고, 수소 원자를 나타내는, 비-수성 레독스 플로우 배터리(RFB).
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 포지티브 비-수성 액체 전해질 또는 상기 네가티브 비-수성 액체 전해질이 리튬 테트라플루오로보레이트(LiBF4), 리튬 헥사플루오로포스페이트(LiPF6), 리튬 퍼클로레이트(LiClO4), 리튬 메틸트리플루오로메탄설포네이트(LiCF3SO3), 리튬 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드[Li(CF3SO2)2N], 테트라에틸암모늄 테트라플루오로보레이트(TBABF4), 테트라부틸암모늄 테트라플루오로보레이트(TBABF4), 또는 이들의 혼합물로부터 선택된 적어도 하나의 지지 전해질을 포함하는, 비-수성 레독스 플로우 배터리(RFB).
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 유기 용매가 아세토니트릴, 디메틸아세트아미드, 디에틸 카보네이트, 디메틸 카보네이트, γ-부티로락톤(GBL), 프로필렌 카보네이트(PC), 에틸렌 카보네이트(EC), N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 플루오로에틸렌 카보네이트, N,N-디메틸아세트아미드, 또는 이들의 혼합물로부터 선택된, 비-수성 레독스 플로우 배터리(RFB).
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 이온 교환막이
    - 스티렌-디비닐벤젠 코폴리머 또는 아미노 기를 함유한 클로로메틸스티렌-디비닐벤젠 코폴리머를 기반으로 하는 막, 폴리(에테르 에테르 케톤)을 기반으로 한 막, 4차 피리딘 기를 함유한 디비닐벤젠-비닐피리딘 코폴리머를 기반으로 하는 막; 클로로메틸 기 및 아미노 기를 함유한 방향족 폴리설폰 코폴리머를 기반으로 하는 막, 및 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)을 기반으로 하는 막으로 이루어진 군으로부터 선택되는 음이온 교환막; 또는
    - 테트라플루오로에틸렌 설포네이트를 기반으로 하는 플루오로폴리머-코폴리머를 기반으로 하는 막, 폴리(에테르 에테르 케톤)을 기반으로 하는 막, 폴리설폰을 기반으로 하는 막, 폴리에틸렌을 기반으로 하는 막, 폴리프로필렌을 기반으로 하는 막, 에틸렌-프로필렌 코폴리머를 기반으로 하는 막, 폴리이미드를 기반으로 하는 막, 및 폴리비닐 플루오라이드를 기반으로 하는 막으로 이루어진 군으로부터 선택되는 양이온 교환막인,
    비-수성 레독스 플로우 배터리(RFB).
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