KR102408365B1 - Manufacturing method of electrolyte for vanadium redox flow battery - Google Patents

Manufacturing method of electrolyte for vanadium redox flow battery Download PDF

Info

Publication number
KR102408365B1
KR102408365B1 KR1020210157512A KR20210157512A KR102408365B1 KR 102408365 B1 KR102408365 B1 KR 102408365B1 KR 1020210157512 A KR1020210157512 A KR 1020210157512A KR 20210157512 A KR20210157512 A KR 20210157512A KR 102408365 B1 KR102408365 B1 KR 102408365B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
vanadium
electrolyte
solution
flow battery
redox flow
Prior art date
Application number
KR1020210157512A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
김한성
최한솔
이호진
황준원
Original Assignee
연세대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 연세대학교 산학협력단 filed Critical 연세대학교 산학협력단
Application granted granted Critical
Publication of KR102408365B1 publication Critical patent/KR102408365B1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/18Regenerative fuel cells, e.g. redox flow batteries or secondary fuel cells
    • H01M8/184Regeneration by electrochemical means
    • H01M8/188Regeneration by electrochemical means by recharging of redox couples containing fluids; Redox flow type batteries
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00Electrolytes
    • H01M2300/0002Aqueous electrolytes
    • H01M2300/0005Acid electrolytes
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명은 바나듐 레독스 흐름전지용 전해액의 제조방법에 관한 것으로, a) 오산화바나듐 (V2O5), 환원제 및 촉매를 제1 산성 용액에 추가하여 반응용액을 제조하는 단계; 및 b) 상기 반응용액을 촉매 반응시켜 바나듐 3.5가 전해액을 제조하는 단계를 포함하며, 하기 관계식 1을 만족하는 제2 산성용액을 상기 b) 단계 전 또는 후에 추가하는 것을 특징으로 한다.
[관계식 1]
3A< W < 8A
상기 관계식 1에서 A는 상기 오산화바나듐의 몰수 (mole)이며, W는 상기 제2 산성용액 내 수소이온 (H+)의 몰수 (mole)이다.
The present invention relates to a method for preparing an electrolyte for a vanadium redox flow battery, comprising: a) preparing a reaction solution by adding vanadium pentoxide (V 2 O 5 ), a reducing agent, and a catalyst to a first acidic solution; and b) preparing a vanadium 3.5 electrolytic solution by catalyzing the reaction solution, wherein a second acidic solution satisfying Equation 1 below is added before or after step b).
[Relational Expression 1]
3A< W < 8A
In Relation 1, A is the number of moles (mole) of the vanadium pentoxide, and W is the number of moles (mole) of hydrogen ions (H + ) in the second acidic solution.

Description

바나듐 레독스 흐름전지용 전해액의 제조방법 {MANUFACTURING METHOD OF ELECTROLYTE FOR VANADIUM REDOX FLOW BATTERY}Manufacturing method of electrolyte for vanadium redox flow battery {MANUFACTURING METHOD OF ELECTROLYTE FOR VANADIUM REDOX FLOW BATTERY}

본 발명은 바나듐 레독스 흐름전지용 전해액의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게, 촉매반응기를 이용하며 오산화 바나듐 (V2O5)을 사용한 바나듐 3.5가 전해액의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for preparing an electrolyte for a vanadium redox flow battery, and more particularly, to a method for preparing a vanadium 3.5-valent electrolyte using a catalytic reactor and using vanadium pentoxide (V 2 O 5 ).

신재생 에너지는 주어진 환경에 따라 출력 변동이 심하기 때문에 생산된 전기에너지를 수요 시점에 맞게 대응하기 위하여 대용량 에너지 저장기술(Energy Storage System, ESS)이 필요하다. 현재 상용화 된 기술 중 하나인 바나듐 레독스 흐름전지 (Vanadium Redox Flow Battery, VRFB)는 다른 기술에 비해 발화, 유해가스 발생, 폭발 위험성이 없어 안전하며, 출력과 용량의 독립적인 설계가 가능하다는 장점으로 주목을 받고 있다. VRFB에서 에너지밀도는 전해질에 녹아 있는 바나듐 이온의 양에 의해 결정되는데 이 전해질은 시스템에서 차지하는 가격 비중이 가장 높다. 따라서 VRFB가 ESS 분야에서 상업적 경쟁력을 확보하기 위해서는 전해액의 가격 저감이 필수적이다. Since the output of renewable energy varies greatly depending on the given environment, large-capacity energy storage technology (Energy Storage System, ESS) is required to respond to the generated electric energy according to the time of demand. One of the currently commercialized technologies, the Vanadium Redox Flow Battery (VRFB), is safer than other technologies because there is no risk of ignition, harmful gas generation, or explosion. is attracting attention. In VRFB, the energy density is determined by the amount of vanadium ions dissolved in the electrolyte, and this electrolyte has the highest price share in the system. Therefore, in order for VRFB to secure commercial competitiveness in the ESS field, it is essential to reduce the price of electrolyte.

현재 상업적으로 사용되는 바나듐 전해액은 일반적으로 황산 용액에 녹아 있는 바나듐 3.5가 형태이다. 바나듐 3.5가 전해액은 3가 바나듐 이온과 4가 바나듐 이온이 1:1 농도로 혼합되어 있는 형태이다. 그 이유는 3.5가 형태로 보관하는 것이 장기간 보관에 더 안정성이 높기 때문이다. 이렇게 제조한 바나듐 3.5가 전해액을 VRFB의 양극과 음극에 사용하여 충전과 방전을 하게 된다. Vanadium electrolytes currently used commercially are generally in the form of vanadium 3.5 dissolved in sulfuric acid solution. The vanadium 3.5-valent electrolyte is a mixture of trivalent vanadium ions and tetravalent vanadium ions in a 1:1 concentration. The reason is that storage in the form of 3.5 is more stable for long-term storage. The prepared vanadium 3.5 electrolyte is used for the positive and negative electrodes of VRFB to perform charging and discharging.

VRFB의 전해질 제조에 사용되는 바나듐 전구체로는 V2O5, VOSO4, V2O3가 있다. 바나듐 3.5가 전해액을 제조하는 일반적인 방법은 상기 바나듐 전구체 중 가장 가격이 저렴한 V2O5를 옥살산과 같은 환원제를 사용하여 4가 바나듐 전해액으로 먼저 환원한다. 옥살산을 4가 바나듐 환원제로 사용하는 이유는 옥살산이 산화 될 때 CO2와 수소이온만을 만들기 때문에 전해액에 불순물을 남기지 않기 때문이다. 하지만 옥살산의 환원력이 충분히 크지 않아 바나듐 4가를 3가로 환원시킬 수 없기 때문에 이를 위한 추가 공정으로 전기분해방법과 금속환원제을 적용하고 있다. 전기분해 방법은 바나듐 4가 전해액을 VRFB 시스템의 양극과 음극에 넣고 충전을 진행하면 양극에는 바나듐 5가 이온이 생성되고 음극에는 바나듐 3가 이온이 생성된다. 이렇게 제조한 바나듐 3가 용액과 옥살산 환원으로 제조한 4가 용액을 혼합하여 바나듐 3.5가 전해액을 제조할 수 있다. 하지만 이 방법의 단점은 전기분해 과정에서 양극에서 원치 않는 여분의 바나듐 5가 전해액이 발생한다는 것과, 전기분해 시 전기를 사용해야 하며, 매우 느린 충전 속도로 진행해야지만 순수한 바나듐 3가 전해액을 얻을 수 있기 때문에 생산 공정의 효율성이 떨어져 전해액 제조 비용이 높아진다. 다른 방법으로 VOSO4 전구체를 황산에 녹여 만든 바나듐 4가 용액을 동일한 방식으로 전기분해하여 바나듐 3.5가 전해액을 얻을 수 있다. 하지만 VOSO4 전구체의 가격이 V2O5보다 5배 이상 높다는 단점이 있다. Vanadium precursors used for preparing the electrolyte of VRFB include V 2 O 5 , VOSO 4 , and V 2 O 3 . In a general method for preparing a vanadium 3.5-valent electrolyte, V 2 O 5 , which is the cheapest among the vanadium precursors, is first reduced to a tetravalent vanadium electrolyte using a reducing agent such as oxalic acid. The reason why oxalic acid is used as a tetravalent vanadium reducing agent is that when oxalic acid is oxidized, only CO 2 and hydrogen ions are produced, leaving no impurities in the electrolyte. However, since the reducing power of oxalic acid is not large enough to reduce vanadium tetravalent to trivalent, an electrolysis method and a metal reducing agent are applied as an additional process for this purpose. In the electrolysis method, when a vanadium tetravalent electrolyte is put into the anode and cathode of the VRFB system and charged, vanadium pentavalent ions are generated at the anode and vanadium trivalent ions are generated at the cathode. A vanadium 3.5-valent electrolyte solution may be prepared by mixing the prepared vanadium trivalent solution and the tetravalent solution prepared by oxalic acid reduction. However, the disadvantages of this method are that unwanted extra vanadium pentaelectrolyte is generated at the anode during the electrolysis process, electricity must be used for electrolysis, and pure vanadium trivalent electrolyte can be obtained only at a very slow charging rate. Therefore, the efficiency of the production process is lowered, and the manufacturing cost of the electrolyte is increased. Alternatively, a vanadium tetravalent solution prepared by dissolving a VOSO 4 precursor in sulfuric acid may be electrolyzed in the same manner to obtain a vanadium 3.5 valence electrolyte. However, there is a disadvantage that the price of the VOSO 4 precursor is 5 times higher than that of V 2 O 5 .

반면 Zn와 같은 금속을 환원제로 사용하는 금속환원제법은 잉여 5가 전해액을 생산하지 않고 추가 전기에너지를 사용하지 않는 장점이 있지만 전해질 내에 Zn이온과 같은 불순물이 전해액에 남게 되어 VRFB의 내구성을 떨어뜨린다. 이 외에, 바나듐 3가 전구체인 V2O3 염을 이용하여 3가 전해액을 제조하고 이를 4가 전해액과 혼합하여 바나듐 3.5가 전해액을 제조하는 방법이 있지만, V2O3가 매우 고가라는 점과 용해도가 낮은 한계로 인해 일반적으로 사용되지 않는다. On the other hand, the metal reduction method using a metal such as Zn as a reducing agent has the advantage of not producing a surplus 5-valent electrolyte and not using additional electrical energy, but impurities such as Zn ions remain in the electrolyte, which reduces the durability of the VRFB. . In addition, there is a method of preparing a trivalent electrolyte using a V 2 O 3 salt, which is a trivalent vanadium precursor, and mixing it with a tetravalent electrolyte to prepare a vanadium 3.5 valence electrolyte, but V 2 O 3 is very expensive and It is not commonly used due to its low solubility limitation.

본 발명의 목적은 저가의 바나듐 전구체인 오산화 바나듐을 촉매반응기에 적용하여 one-step 방식으로 바나듐 3.5가 전해액을 제조하는 방법을 제공하는 것이다. An object of the present invention is to provide a method for preparing a vanadium 3.5-valent electrolyte solution in a one-step method by applying vanadium pentoxide, which is a low-cost precursor of vanadium, to a catalytic reactor.

본 발명의 또 다른 목적은 충방전 과정 중 바나듐 이온의 크로스오버 (crossover)를 최소화하여 이에 따른 에너지밀도 및 전류 효율의 감소를 줄이는 것이다. Another object of the present invention is to minimize the crossover of vanadium ions during the charging and discharging process, thereby reducing the energy density and current efficiency.

본 발명의 일 양태에 따른 바나듐 레독스 흐름전지용 전해액의 제조방법은 a) 오산화바나듐 (V2O5), 환원제 및 촉매를 제1 산성 용액에 투입하여 반응용액을 제조하는 단계; 및 b) 제조된 반응용액을 촉매 반응시켜 바나듐 3.5가 전해액을 제조하는 단계;를 포함하며, 하기 관계식 1을 만족하는 제2 산성용액을 상기 b) 단계 전 또는 후에 추가하는 것을 특징으로 한다.A method for preparing an electrolyte for a vanadium redox flow battery according to an aspect of the present invention comprises: a) preparing a reaction solution by adding vanadium pentoxide (V 2 O 5 ), a reducing agent, and a catalyst to a first acidic solution; and b) preparing a vanadium 3.5 electrolyte solution by catalyzing the prepared reaction solution, wherein a second acidic solution satisfying the following relation 1 is added before or after step b).

[관계식 1][Relational Expression 1]

3A< W < 8A3A< W < 8A

상기 관계식 1에서 A는 상기 오산화바나듐의 몰수 (mole)이며, W는 상기 제2 산성용액 내 수소이온 (H+)의 몰수 (mole)이다. In Relation 1, A is the number of moles (mole) of the vanadium pentoxide, and W is the number of moles (mole) of hydrogen ions (H + ) in the second acidic solution.

본 발명의 일 실시예에 따른 바나듐 레독스 흐름전지용 전해액의 제조방법에 있어, 전술한 관계식 1에서 제2 산성용액 내 수소이온 (H+)의 몰수는 5A 이상이고, 6A 이하일 수 있다.In the method of manufacturing an electrolyte for a vanadium redox flow battery according to an embodiment of the present invention, the number of moles of hydrogen ions (H + ) in the second acidic solution in the above-mentioned relation 1 may be 5A or more and 6A or less.

본 발명의 일 실시예에 따른 바나듐 레독스 흐름전지용 전해액의 제조방법에 있어, 상기 제1 및 제2 산성용액은 황산, 염산, 질산 및 인산으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 산을 포함하는 산성용액일 수 있다.In the method for preparing an electrolyte for a vanadium redox flow battery according to an embodiment of the present invention, the first and second acidic solutions are acidic solutions containing at least one acid selected from the group consisting of sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid and phosphoric acid. can be

본 발명의 일 실시예에 따른 바나듐 레독스 흐름전지용 전해액의 제조방법에 있어, 전술한 제1 및 제2 산성용액은 동일한 물질일 수 있다.In the method of manufacturing an electrolyte for a vanadium redox flow battery according to an embodiment of the present invention, the above-described first and second acidic solutions may be the same material.

본 발명의 일 실시예에 따른 바나듐 레독스 흐름전지용 전해액의 제조방법에 있어, 촉매 반응을 통한 바나듐 3.5가 전해액을 제조하는 단계는 50 내지 100℃에서 수행될 수 있다.In the method for preparing an electrolyte for a vanadium redox flow battery according to an embodiment of the present invention, the step of preparing the electrolyte for vanadium 3.5 through a catalytic reaction may be performed at 50 to 100°C.

본 발명의 일 실시예에 따른 바나듐 레독스 흐름전지용 전해액의 제조방법에 있어, 반응용액 내 오산화바나듐: 환원제의 몰비는 1: 1.5 내지 1: 1.65일 수 있다.In the method for preparing the electrolyte solution for a vanadium redox flow battery according to an embodiment of the present invention, the molar ratio of vanadium pentoxide to the reducing agent in the reaction solution may be 1: 1.5 to 1: 1.65.

본 발명의 일 실시예에 따른 바나듐 레독스 흐름전지용 전해액의 제조방법에 있어, 반응용액 내 오산화바나듐의 농도는 0.5내지 1.0 M이고, 제1산성 용액에 포함되는 수소 이온 농도는 4 내지 8M일 수 있다.In the method for producing an electrolyte for a vanadium redox flow battery according to an embodiment of the present invention, the concentration of vanadium pentoxide in the reaction solution is 0.5 to 1.0 M, and the hydrogen ion concentration contained in the first acidic solution may be 4 to 8M. have.

본 발명의 일 실시예에 따른 바나듐 레독스 흐름전지용 전해액의 제조방법에 있어, 반응용액을 제조하는 단계에서 제1 산성 용액에 투입되는 환원제는 포름산일 수 있다.In the method for producing an electrolyte for a vanadium redox flow battery according to an embodiment of the present invention, the reducing agent input to the first acidic solution in the step of preparing the reaction solution may be formic acid.

본 발명의 일 실시예에 따른 바나듐 레독스 흐름전지용 전해액의 제조방법에 있어, 반응용액을 제조하는 단계에서 제1 산성 용액에 투입되는 촉매는 귀금속 촉매를 포함하는 것일 수 있다.In the method for preparing an electrolyte for a vanadium redox flow battery according to an embodiment of the present invention, the catalyst input to the first acidic solution in the step of preparing the reaction solution may include a noble metal catalyst.

본 발명에 따른 바나듐 레독스 흐름전지용 전해액의 제조방법은, 기존 바나듐 전구체인 VOSO4 대비 가격이 80% 이상 저렴한 오산화 바나듐 (V2O5)을 촉매반응기에 적용하여 one-step 방식으로 전해액의 제조가 가능하므로 전해액의 제조비용을 현저히 낮출 수 있다. The manufacturing method of the electrolyte for a vanadium redox flow battery according to the present invention is a one-step method by applying vanadium pentoxide (V 2 O 5 ), which is 80% cheaper than the existing vanadium precursor VOSO 4 , to a catalytic reactor. Therefore, it is possible to significantly lower the manufacturing cost of the electrolyte.

또한, 본 발명에 따른 바나듐 레독스 흐름전지용 전해액의 제조방법은, 고순도 바나듐 3.5가 전해액을 제조할 수 있으며, 이에 따라 충방전 과정에서 안정적인 에너지밀도 및 전류 효율을 나타내는 장점이 있다. In addition, the method for preparing an electrolyte for a vanadium redox flow battery according to the present invention can prepare a high-purity vanadium 3.5 electrolyte, and thus has the advantage of exhibiting stable energy density and current efficiency in the charging/discharging process.

도 1은 V2O5를 이용한 바나듐 3.5가 전해액의 제조 모식도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 2 및 비교예 4에 따른 촉매 환원반응 과정에서 바나듐 5가 이온이 3.5가 이온으로 전환될 때의 전환율의 추이를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예와 비교예에 따라 제조된 바나듐 3.5가 전해액의 자외선 분광광도법(Ultraviolet Visible spectrometry, UV) 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 비교예 1 및 3에 따라 제조된 바나듐 3.5가 전해액을 이용하여 인가 전류 50 mA/cm2 에서 20cycle 충전/방전한 결과를 비교한 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예 2와 비교예 3에 따라 제조된 바나듐 3.5가 전해액을 이용하여 인가 전류 50 mA/cm2 에서 20cycle 충전/방전 했을 때의 결과를 비교한 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예1, 2와 비교예에 따라 제조된 바나듐 3.5가 전해액을 이용하여 인가 전류 50 mA/cm2에서 20cycle 충전/방전 했을 때의 전지 성능을 비교한 것이다.
도 7은 본 발명의 실시예 3과 비교예 3에 따라 제조된 바나듐 3.5가 전해액을 이용하여 인가 전류 50 mA/cm2 에서 10 cycle 충전/방전 했을 때의 결과를 비교하여 그래프화 한 것이다.
1 is a schematic diagram of the preparation of a vanadium 3.5-valent electrolyte using V 2 O 5 .
FIG. 2 shows the transition of the conversion rate when vanadium pentavalent ions are converted to 3.5-valent ions during the catalytic reduction reaction according to Example 2 and Comparative Example 4 of the present invention.
3 shows the results of Ultraviolet Visible Spectrometry (UV) of the vanadium 3.5-valent electrolyte prepared according to Examples and Comparative Examples of the present invention.
4 is a comparison of the results of 20 cycles of charging/discharging at an applied current of 50 mA/cm 2 using the vanadium 3.5-valent electrolyte prepared according to Comparative Examples 1 and 3 of the present invention.
5 is a comparison of the results of 20 cycles of charging/discharging at an applied current of 50 mA/cm 2 using the vanadium 3.5 solution prepared according to Example 2 and Comparative Example 3 of the present invention.
6 is a comparison of battery performance when charging/discharging for 20 cycles at an applied current of 50 mA/cm 2 using the vanadium 3.5-valent electrolyte prepared according to Examples 1 and 2 and Comparative Examples of the present invention.
7 is a graph comparing the results of 10 cycles of charging/discharging at an applied current of 50 mA/cm 2 using the vanadium 3.5 solution prepared according to Example 3 and Comparative Example 3 of the present invention.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 아래 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 상세히 설명한다. 도면에 관계없이 동일한 부재번호는 동일한 구성요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. Advantages and features of the present invention and methods of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in a variety of different forms, and only these embodiments allow the disclosure of the present invention to be complete, and common knowledge in the technical field to which the present invention belongs It is provided to fully inform the possessor of the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims. With reference to the accompanying drawings will be described in detail for the implementation of the present invention. Irrespective of the drawings, like reference numbers refer to like elements, and "and/or" includes each and every combination of one or more of the recited items.

다른 정의가 없다면 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 명세서 전체에서 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. 또한 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.Unless otherwise defined, all terms (including technical and scientific terms) used in this specification may be used with meanings commonly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. In the entire specification, when a part "includes" a certain component, this means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless otherwise stated. The singular also includes the plural, unless the phrase specifically states otherwise.

본 명세서에서 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 “위에” 또는 “상에” 있다고 할 때, 이는 다른 부분 “바로 위에” 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. In this specification, when a part of a layer, film, region, plate, etc. is “on” or “on” another part, this includes not only the case where it is “directly on” the other part, but also the case where there is another part in between. do.

바나듐 3.5가 전해액은 바나듐 3가 이온 (V3+) 및 바나듐 4가 이온 (V4+)이 1:1 비율로 혼합된 상태의 전해액을 지칭한다. 상기 바나듐 3.5가 전해액은 양극 전해액과 음극 전해액에 공통으로 사용할 수 있어 유지보수가 쉬우며 장기간 보관 시 안정성이 우수한 장점이 있다. The vanadium 3.5-valent electrolyte refers to an electrolyte in which vanadium trivalent ions (V 3+ ) and vanadium tetravalent ions (V 4+ ) are mixed in a 1:1 ratio. The vanadium 3.5-valent electrolyte can be used in common for both the positive electrode and the negative electrolyte, so it is easy to maintain and has excellent stability during long-term storage.

기존에는 VOSO4를 바나듐 전구체로 사용하여 바나듐 3.5가 전해액을 제조하는 연구들이 진행되었으나, VOSO4는 고가인 단점이 있으며, 또한 수화물 형태로 존재하기 때문에 수분 함유량이 일정하지 않아 정확한 농도의 바나듐 전해액을 제조하는데 어려움이 있다. In the past, studies have been conducted to prepare a vanadium 3.5 electrolyte solution using VOSO 4 as a vanadium precursor, but VOSO 4 has the disadvantage of being expensive. There are difficulties in manufacturing.

본 발명은, a) 오산화바나듐 (V2O5), 환원제 및 촉매를 제1 산성 용액에 투입하여 반응용액을 제조하는 단계; 및 b) 상기 반응용액을 촉매 반응시켜 바나듐 3.5가 전해액을 제조하는 단계를 포함하며, 하기 관계식 1을 만족하는 제2 산성용액을 상기 b) 단계 전 또는 후에 추가하는 것을 특징으로 하는 바나듐 레독스 흐름전지용 전해액의 제조방법을 제공한다.The present invention comprises the steps of: a) preparing a reaction solution by adding vanadium pentoxide (V 2 O 5 ), a reducing agent, and a catalyst to a first acidic solution; and b) catalyzing the reaction solution to prepare a vanadium 3.5 electrolyte solution, wherein a second acidic solution satisfying the following relation 1 is added before or after step b). A method for preparing an electrolyte for a battery is provided.

[관계식 1][Relational Expression 1]

3A< W < 8A3A< W < 8A

(상기 관계식 1에서 A는 상기 오산화바나듐의 몰수 (mole)이며, W는 상기 제2 산성용액 내 수소이온 (H+)의 몰수 (mole)이다.) (In Relation 1, A is the number of moles (mole) of the vanadium pentoxide, and W is the number of moles (mole) of hydrogen ions (H + ) in the second acidic solution.)

a) 단계에서는 오산화바나듐 (V2O5), 환원제 및 촉매를 포함하는 반응용액을 제조한다. In step a), a reaction solution containing vanadium pentoxide (V 2 O 5 ), a reducing agent, and a catalyst is prepared.

구체적으로, 제1산성 용액에 환원제 및 촉매를 추가한 후 마지막으로 오산화바나듐을 추가하여 상기 반응용액을 제조할 수 있다. 이때, 상기 환원제 및 촉매의 투입순서는 크게 제한하지 않을 수 있으나, 일 예로, 오산화바나듐은 환원제 존재 하에 투입되는 것일 수 있다. Specifically, the reaction solution may be prepared by adding a reducing agent and a catalyst to the first acidic solution and finally adding vanadium pentoxide. In this case, the order of input of the reducing agent and the catalyst may not be significantly limited, but as an example, vanadium pentoxide may be added in the presence of a reducing agent.

상기 환원제는 통상적으로 환원법을 이용한 바나듐 레독스 흐름전지용 전해액의 제조방법에서 사용되는 환원제면 제한 없이 사용할 수 있으나, 바람직하게는 포름산일 수 있다. 포름산을 환원제로 사용하여 상기 오산화바나듐을 바나듐 3.5가 전해액으로 환원시키는 과정은 하기 반응식 1로 표현할 수 있다. The reducing agent may be used without limitation as long as it is a reducing agent used in a method for preparing an electrolyte for a vanadium redox flow battery using a reduction method, but preferably formic acid. The process of reducing the vanadium pentoxide to a vanadium 3.5-valent electrolyte using formic acid as a reducing agent can be expressed by the following Reaction Formula 1.

[반응식 1][Scheme 1]

Figure 112021132024919-pat00001
Figure 112021132024919-pat00001

반응식 1를 참조하면, 1몰의 오산화바나듐으로 최종 3.5가 바나듐이온을 만들기 위해서는 이론적으로 1.5몰의 포름산이 필요하다. 하지만 실제로는 3.5가에 도달하기 위해서 이론보다 과량의 포름산이 필요하다. Referring to Scheme 1, in order to make a final 3.5-valent vanadium ion from 1 mole of vanadium pentoxide, theoretically, 1.5 moles of formic acid is required. In practice, however, an excess of formic acid is required than in theory to reach 3.5.

이에, 최종적으로 3.5가 바나듐이온을 제조하기 위해 오산화바나듐 (V2O5) : 환원제의 몰비는 1: 1.50 내지 1.65, 유리하게는 1: 1.50 내지 1.60, 보다 유리하게는 1: 1.54 내지 1.58일 수 있다.Accordingly, in order to finally produce a 3.5-valent vanadium ion, the molar ratio of vanadium pentoxide (V 2 O 5 ): reducing agent is 1: 1.50 to 1.65, advantageously 1: 1.50 to 1.60, more advantageously 1: 1.54 to 1.58 days can

여기서 전술한 오산화바나듐 (V2O5): 환원제의 몰비는 오산화바나듐 (V2O5) 및 환원제의 순도 100% 가정 하의 몰비를 지칭하는 것일 수 있다. Here, the aforementioned molar ratio of vanadium pentoxide (V 2 O 5 ): reducing agent may refer to a molar ratio of vanadium pentoxide (V 2 O 5 ) and 100% purity of the reducing agent.

환원제로서 과량의 포름산을 투입하였기 때문에 바나듐이 3.5가에 도달 후 잉여의 포름산이 전해액에 남아 있다. 하지만 포름산이 환원제로 작용하기 위해서는 백금촉매가 필요하다. 실제 VRFB에서는 카본펠트를 전극으로 사용하기 때문에 포름산이 환원제로 작용하지 않아서 VRFB의 성능에 영향을 미치지 않는다. Since an excess of formic acid was added as a reducing agent, excess formic acid remains in the electrolyte after vanadium reaches 3.5 valency. However, a platinum catalyst is required for formic acid to act as a reducing agent. In actual VRFB, since carbon felt is used as an electrode, formic acid does not act as a reducing agent, so it does not affect the performance of VRFB.

한편, 상기 오산화바나듐 (V2O5) : 환원제의 몰비가 1: 1.5 미만인 경우, 환원제의 양이 충분하지 않아 5가 바나듐의 환원이 충분히 진행되지 못해, 결과적으로 바나듐 3.5가가 아닌 바나듐 3.6+ 또는 바나듐 3.7+과 같이 가수가 높아진다. 이와 같이 3.5+ 에서 벗어난 바나듐 전해액을 양극 및 음극에 동시에 사용할 경우, 전해액의 조성의 균형이 깨져 현저한 전지 용량 및/또는 성능 감소를 일으킬 수 있다. On the other hand, when the molar ratio of the vanadium pentoxide (V 2 O 5 ) to the reducing agent is less than 1: 1.5, the reduction of pentavalent vanadium does not proceed sufficiently because the amount of the reducing agent is not sufficient, and as a result, vanadium 3.6+ or vanadium 3.6+ or Like vanadium 3.7+ , the valence increases. As described above, when the vanadium electrolyte deviating from 3.5 + is used for the positive electrode and the negative electrode at the same time, the composition of the electrolyte may be out of balance, causing a significant decrease in battery capacity and/or performance.

또한, 상기 오산화바나듐 (V2O5): 환원제의 몰비가 1: 1.65 초과인 경우, 상기 환원 과정이 과도하게 발생하여 3+가에 가까운 바나듐 전해액이 제조되어 상술한 바와 같이 전지 용량 감소 문제가 발생할 수 있다. 따라서 환원제의 농도를 정확히 제어함으로서 3.5+ 바나듐 전해액을 얻는 것이 전지 성능에 있어서 매우 중요하다. In addition, when the molar ratio of the vanadium pentoxide (V 2 O 5 ): reducing agent exceeds 1: 1.65, the reduction process occurs excessively to produce a vanadium electrolyte close to 3 + valence, and as described above, the battery capacity reduction problem occurs. can occur Therefore, it is very important for battery performance to obtain 3.5 + vanadium electrolyte by accurately controlling the concentration of the reducing agent.

반응용액 제조단계에서 전술한 몰비로 오산화바나듐 (V2O5) 및 환원제가 투입되는 제1 산성 용액의 수소 이온 농도는 4 내지 8M, 좋게는 5 내지 7M일 수 있다. The hydrogen ion concentration of the first acidic solution to which the vanadium pentoxide (V 2 O 5 ) and the reducing agent are added in the above-described molar ratio in the reaction solution preparation step may be 4 to 8M, preferably 5 to 7M.

제1 산성 용액의 수소이온이 농도가 높아질 수록 바나듐의 용해도가 낮아져 바나듐이온의 농도가 낮아진다. 그 결과 전지의 방전에너지밀도가 낮아진다. 반대로 수소이온의 농도가 낮아지면 바나듐의 용해도는 증가하지만 전해액의 점도가 낮아지고 전해질막을 통한 바나듐이온의 투과도가 증가하여 에너지효율이 낮아지게 된다. 따라서 바나듐의 농도와 수소이온의 농도는 독립적이지 않고 서로 영향을 미치기 때문에 제1 산성 용액의 수소 이온 농도는 전술한 범위를 만족하는 것이 바람직하다.As the concentration of hydrogen ions in the first acidic solution increases, the solubility of vanadium decreases and the concentration of vanadium ions decreases. As a result, the discharge energy density of the battery is lowered. Conversely, when the concentration of hydrogen ions decreases, the solubility of vanadium increases, but the viscosity of the electrolyte decreases, and the permeability of vanadium ions through the electrolyte membrane increases, resulting in lower energy efficiency. Therefore, since the concentration of vanadium and the concentration of hydrogen ions are not independent and affect each other, the hydrogen ion concentration of the first acidic solution preferably satisfies the above-mentioned range.

일 실시예로 오산화바나듐의 농도는 0.5 내지 1.0 M일 수 있고, 유리하게는 0.75내지 0.9 M일 수 있다. 오산화바나듐 1몰은 바나듐 2몰을 생성하는데 바나듐농도는 전지의 에너지밀도를 결정하기 때문에 최대한 증가하는 것이 유리하다. 하지만 용해도가 한정되어 있고 전해질 온도가 증가할 때 쉽게 침전될 수 있다. In one embodiment, the concentration of vanadium pentoxide may be 0.5 to 1.0 M, advantageously 0.75 to 0.9 M. 1 mole of vanadium pentoxide produces 2 moles of vanadium, and it is advantageous to increase the concentration of vanadium as much as possible because it determines the energy density of the battery. However, it has limited solubility and can easily precipitate when the electrolyte temperature is increased.

따라서 충방전 과정에서 바나듐 전해액 내 각 바나듐 이온의 안정성을 확보하면서도 우수한 용량을 발현하기 위한 측면에서, 반응용액 제조단계에서 제1 산성 용액의 수소 이온 농도 및 오산화바나듐의 농도는 전술한 범위를 만족하는 것이 바람직하다.Therefore, in the aspect of ensuring the stability of each vanadium ion in the vanadium electrolyte during the charging and discharging process and expressing an excellent capacity, the hydrogen ion concentration and the concentration of vanadium pentoxide in the first acidic solution in the reaction solution preparation step are within the above-mentioned ranges. it is preferable

상기 제1 산성용액은 황산, 염산, 질산 및 인산으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 산을 포함하는 산성용액일 수 있다. The first acidic solution may be an acidic solution containing one or more acids selected from the group consisting of sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid and phosphoric acid.

상기 촉매는 귀금속 촉매를 포함하는 것일 수 있으며, 구체적으로 촉매는 백금(Pt), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 은(Ag), 니켈(Ni) 및 이들의 합금 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있으나, 전술한 바나듐 환원과 환원제의 산화반응의 속도를 동시에 증가시킬 수 있는 촉매라면 만족하므로 이에 한정 되는 것은 아니다. The catalyst may include a noble metal catalyst, and specifically, the catalyst is platinum (Pt), ruthenium (Ru), palladium (Pd), iridium (Ir), rhodium (Rh), silver (Ag), nickel (Ni) and any one or more selected from alloys thereof, but is not limited thereto, as long as it is a catalyst capable of simultaneously increasing the rate of the above-described vanadium reduction and oxidation reaction of the reducing agent.

상기 반응용액 내 촉매의 함량은 0.001 내지 0.05 중량%, 좋게는 0.001 내지 0.04 중량%일 수 있으나, 경제적인 측면을 고려하여 반응용액 내 포함되는 촉매의 함량은 조절될 수 있으므로 이에 제한 되는 것은 아니다. The content of the catalyst in the reaction solution may be 0.001 to 0.05% by weight, preferably 0.001 to 0.04% by weight, but the content of the catalyst included in the reaction solution can be adjusted in consideration of economic aspects, so it is not limited thereto.

b) 단계에서는 상기 제조된 반응용액을 촉매 반응시켜 바나듐 3.5가 전해액을 제조한다. 이때, 상기 촉매 반응은 질소 또는 이산화탄소와 같은 불활성 가스 분위기 및 50 내지 100℃, 좋게는 60 내지 100℃, 보다 좋게는 70 내지 90℃ 조건에서 수행될 수 있다. In step b), the prepared reaction solution is catalyzed to prepare a vanadium 3.5-valent electrolyte. At this time, the catalytic reaction may be carried out in an inert gas atmosphere such as nitrogen or carbon dioxide and 50 to 100 ℃, preferably 60 to 100 ℃, more preferably 70 to 90 ℃ conditions.

본 발명의 일 구현예에 따라 오산화바나듐 (V2O5) 및 포름산을 이용하여 바나듐 3.5가 전해액을 제조하는 경우, 구체적으로 하기 반응식 2로 표현할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, when a vanadium 3.5 electrolyte solution is prepared using vanadium pentoxide (V 2 O 5 ) and formic acid, it can be specifically expressed by the following Reaction Scheme 2.

[반응식 2][Scheme 2]

Figure 112021132024919-pat00002
Figure 112021132024919-pat00002

반응식 2를 참조하면 포름산 1 mole 이 산화하면 전자와 수소 이온이 각각 2 mole이 생성된다. 포름산 산화로 생산된 2 mole의 전자는 V2O5의 평형반응으로 생성된 바나듐 5가 이온을 4가 이온으로 환원시키며 4 mole의 수소 이온을 소모한다. 여기서 V2O5는 2 mole의 수소 이온과 평형 반응을 통해서 5가 이온으로 전환된다. 5가 이온이 4가로 환원되면서 소모됨에 따라 5가 이온을 새로 만들어 내는 평형 반응이 계속 진행될 수 있다. 바나듐 3.5가를 제조하기 위해서는 생성된 바나듐 4가 이온 2개 중 하나만 3가로 환원 되어야 한다. 따라서 전자 1 mole과 수소 이온 2 mole이 소비된다. 결과적으로 식을 통합 정리하면 반응식 1이 된다. 이 식에 의하면 V2O5 1 mole 당 5 mole 의 수소 이온이 소모된다. 따라서 오산화바나듐을 이용한 반응 용액의 pH는 촉매 환원 반응이 진행되는 동안 증가한다. VOSO4를 전구체로 사용하는 촉매반응기에서는 3.5가 전해액을 만드는 과정에서 VOSO4 1 mole 당 수소 이온을 0.5 mole 소모하기 때문에 상대적으로 pH의 변화가 크지 않으나 V2O5를 전구체로 사용하면 5 mole의 수소 이온이 소모되기 때문에 pH의 변화가 크다. Referring to Scheme 2, when 1 mole of formic acid is oxidized, 2 moles of electrons and hydrogen ions are each generated. 2 moles of electrons produced by formic acid oxidation reduce the vanadium pentavalent ions generated by the equilibrium reaction of V 2 O 5 to tetravalent ions and consume 4 moles of hydrogen ions. Here, V 2 O 5 is converted into a pentavalent ion through an equilibrium reaction with 2 moles of hydrogen ions. As the pentavalent ions are consumed as they are reduced to tetravalent, the equilibrium reaction that creates new pentavalent ions may continue. In order to prepare vanadium 3.5 valence, only one of the two generated vanadium tetravalent ions must be reduced to trivalence. Thus, 1 mole of electrons and 2 moles of hydrogen ions are consumed. As a result, when the equations are integrated and rearranged, Scheme 1 is obtained. According to this equation, 5 moles of hydrogen ions are consumed per 1 mole of V 2 O 5 . Therefore, the pH of the reaction solution using vanadium pentoxide increases during the catalytic reduction reaction. In a catalytic reactor using VOSO 4 as a precursor, the pH change is relatively small because 0.5 moles of hydrogen ions are consumed per 1 mole of VOSO 4 in the process of making an electrolyte at 3.5, but when V 2 O 5 is used as a precursor, 5 moles of The change in pH is large because hydrogen ions are consumed.

바나듐 레독스 흐름전지용 전해액의 pH변화는 전지의 성능에 큰 영향을 미친다. 수소 이온은 충전과 방전 시 전하의 평형을 이루기 위해 양극과 음극 사이를 이동한다. 음극 반응 (바나듐 2가/3가)에서는 상기 수소 이온이 반응에 참여하지 않지만, 양극 반응 (바나듐 5가/4가)에서는 직접 반응에 참여한다. 따라서 수소 이온의 농도가 낮게 되면 양극 반응에 부정적인 영향을 주게 된다. 또한, 상기 전해액 내 수소 이온의 농도가 감소하면 전해액의 점도가 감소하게 되고, 수소 이온과 바나듐 이온의 경쟁이 줄어들기 때문에 바나듐 이온이 더 쉽게 전해질막을 투과할 수 있다. 바나듐 이온의 투과 속도는 바나듐 이온의 산화수에 따라 다르며, 바나듐 2가 이온의 투과 속도가 가장 빠르므로, 바나듐 2가 이온이 음극에서 양극으로 대량 투과하게 된다. 그 결과 양극 전해액의 바나듐 농도가 증가하여 삼투압이 증가하게 되고 음극의 물이 양극으로 이동하여 음극의 전해액 부피는 감소하고 양극의 전해액 부피는 증가하는 현상이 발생하게 된다. 이러한 현상은 충전/방전 사이클이 진행됨에 따라 계속 누적되어 양극과 음극 전해액의 불균형 (imbalance)이 심화되어 에너지밀도와 전류 효율이 급격하게 감소하게 된다. 전류 효율의 감소는 결국 에너지 효율의 감소로 이어지게 된다. 따라서 이러한 문제는 오산화바나듐을 이용하여 바나듐 전해액 3.5가를 제조할 경우 더욱 심화된다. A change in the pH of the electrolyte solution for a vanadium redox flow battery greatly affects the performance of the battery. During charging and discharging, hydrogen ions move between the anode and the cathode to balance the charge. In the cathodic reaction (vanadium divalent/trivalent), the hydrogen ion does not participate in the reaction, but in the anode reaction (vanadium pentavalent/4valent), it participates directly. Therefore, when the concentration of hydrogen ions is low, the anode reaction is negatively affected. In addition, when the concentration of hydrogen ions in the electrolyte decreases, the viscosity of the electrolyte decreases, and competition between hydrogen ions and vanadium ions is reduced, so that the vanadium ions can more easily penetrate the electrolyte membrane. The permeation rate of vanadium ions depends on the oxidation number of the vanadium ions, and since the permeation rate of vanadium divalent ions is the fastest, a large amount of vanadium divalent ions permeate from the cathode to the anode. As a result, the vanadium concentration of the anode electrolyte increases to increase the osmotic pressure, and as water from the anode moves to the anode, the volume of the electrolyte at the cathode decreases and the volume of the electrolyte at the anode increases. This phenomenon continues to accumulate as the charge/discharge cycle progresses, and the imbalance between the positive and negative electrolytes deepens, resulting in a sharp decrease in energy density and current efficiency. A decrease in current efficiency eventually leads to a decrease in energy efficiency. Accordingly, this problem is further exacerbated when a 3.5-valent vanadium electrolyte is prepared using vanadium pentoxide.

상술한 문제를 해결하기 위해, 본 발명에 따른 바나듐 레독스 흐름전지용 전해액의 제조방법은, 하기 관계식 1을 만족하는 제2 산성용액을 전술한 b) 단계 전 또는 후에 추가하는 것을 특징으로 한다. In order to solve the above-described problem, the method for preparing an electrolyte for a vanadium redox flow battery according to the present invention is characterized in that the second acidic solution satisfying the following relation 1 is added before or after step b).

[관계식 1][Relational Expression 1]

3A< W < 8A3A< W < 8A

(상기 관계식 1에서 A는 상기 오산화바나듐의 몰수 (mole)이며, W는 상기 제2 산성용액 내 수소이온 (H+)의 몰수 (mole)이다.)(In Relation 1, A is the number of moles (mole) of the vanadium pentoxide, and W is the number of moles (mole) of hydrogen ions (H + ) in the second acidic solution.)

유리한 일 예로, 관계식 1은 4A< W ≤ 7A를 만족할 수 있고, 유리하게는 5A≤ W ≤ 6A를 만족할 수 있다.As an advantageous example, Relation 1 may satisfy 4A<W≤7A, and advantageously satisfy 5A≤W≤6A.

관계식 1을 만족하는 제2 산성용액의 추가를 통해 바나듐 5가 이온이 3.5가 이온으로 환원되는 과정에서 소모되는 수소 이온을 보충함으로써, 초기 설정한 상기 전해액의 pH와 동일하게 유지할 수 있어, 상기 전해액을 적용한 바나듐 레독스 흐름전지의 양극과 음극의 부피 및 바나듐 이온의 농도 불균형을 억제할 수 있으며, 이에 따라 안정적인 에너지밀도 및 전류 효율을 나타낼 수 있다. By supplementing hydrogen ions consumed in the process of reducing vanadium pentavalent ions to 3.5-valent ions through addition of a second acidic solution satisfying Relational Equation 1, it is possible to maintain the same pH as the initially set pH of the electrolyte, It is possible to suppress the imbalance of the volume and the concentration of vanadium ions of the positive and negative electrodes of the vanadium redox flow battery to which this is applied, thereby exhibiting stable energy density and current efficiency.

이 때, 제2 산성용액 내 수소이온의 몰수가 8A 이상일 경우 바나듐 용해도에 영향을 미쳐 온도변화에 따라 침전이 발생하여 안정성의 저하를 초래할 수 있기 때문에 추가되는 제2 산성용액은 전술한 범위의 관계식 1을 만족하는 것이 바람직하다. At this time, when the number of moles of hydrogen ions in the second acidic solution is 8A or more, since it affects the solubility of vanadium and causes precipitation according to temperature change, which can lead to a decrease in stability, the second acidic solution to be added is the relational formula in the above-mentioned range 1 is preferably satisfied.

상기 제2 산성용액은 황산, 염산, 질산 및 인산으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 산을 포함하는 산성용액일 수 있으며, 바람직하게는 상기 제1 산성용액과 동일한 것일 수 있다. The second acidic solution may be an acidic solution containing at least one acid selected from the group consisting of sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid and phosphoric acid, and preferably the same as the first acidic solution.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 a) 단계에서 제조된 반응용액에 상기 관계식 1을 만족하는 제2 산성용액을 추가한 후, b) 단계에 따른 촉매 반응을 수행하여 바나듐 3.5가 전해액을 제조할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, after adding the second acidic solution satisfying Relational Equation 1 to the reaction solution prepared in step a), the catalytic reaction according to step b) is performed to prepare a vanadium 3.5-valent electrolyte can do.

본 발명의 또 다른 일 구현예에 따르면, 상기 관계식 1을 만족하는 제2 산성용액을 상기 b) 단계에 따른 촉매 반응이 끝난 시점에 추가할 수 있다. 이 경우, 상기 촉매 환원 반응 이후 제2 산성용액이 추가됨에 따라, 바나듐 3.5가 전해액의 부피가 증가하여 바나듐 이온의 농도가 감소될 수 있다. 이에 따라, 제2 산성용액이 상기 b) 단계 후에 추가되는 경우에는 상기 제2 산성용액의 부피에 따라 감소되는 바나듐 이온의 농도를 고려하여, 상기 a) 단계에서 오산화바나듐 및 환원제의 농도를 조절하여야 한다. According to another embodiment of the present invention, the second acidic solution satisfying the above relation 1 may be added at the time when the catalytic reaction according to step b) is finished. In this case, as the second acidic solution is added after the catalytic reduction reaction, the volume of the vanadium 3.5 electrolyte solution may increase, and thus the concentration of vanadium ions may be decreased. Accordingly, when the second acidic solution is added after step b), the concentration of vanadium pentoxide and the reducing agent must be adjusted in step a) in consideration of the concentration of vanadium ions that decrease according to the volume of the second acid solution. do.

상기 b) 단계 후에는 촉매를 분리하여 상기 바나듐 3.5가 전해액을 회수하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 때, 촉매는 다음 촉매환원반응에 반복적으로 사용할 수 있기 때문에 반응이 끝난 후 원심분리 또는 필터를 통해 회수할 수 있다.After step b), the method may further include separating the catalyst to recover the vanadium 3.5 electrolyte solution. At this time, since the catalyst can be used repeatedly for the next catalytic reduction reaction, it can be recovered through centrifugation or a filter after the reaction is completed.

이하 본 발명을 실시예를 통해 상세히 설명하나, 이들은 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 권리범위가 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples, but these are for describing the present invention in more detail, and the scope of the present invention is not limited by the Examples below.

실시예 Example

(실시예 1)(Example 1)

3M 황산 50ml를 제조하기 위해서 순도 95% 황산 15.89 g을 준비한다. 그리고 촉매반응 동안 소모되는 수소이온을 보충하기 위해서 추가로 황산 3.6 ml (2.09 g)를 준비한다. 이렇게 준비한 황산과 증류수를 섞어 총 50 ml 황산 용액을 제조한다. 상기 황산 용액 50 mL 에 백금 촉매(metal 기준 15 mg), 포름산 3.2 g (바나듐 5가에서 3.5가 전환 시 필요한 이론 량 기준 5% 과량, purity 85% 포름산), V2O5 6.85 g (purity 99.5%)을 넣고, 도 1에 도시된 실험장치를 이용하여, 질소 가스를 퍼징하면서 일정 온도 70℃에서 반응시킨다. 바나듐 전해액이 3.5가에 도달하면 전해액에서 촉매를 분리하여 최종 1.5 M 바나듐 3.5가 전해액을 얻는다. 상기 반응 용액 내 V2O5: 포름산의 순도를 고려한 실제 몰비는 1: 1.575이다.To prepare 50 ml of 3M sulfuric acid, 15.89 g of 95% pure sulfuric acid is prepared. In addition, 3.6 ml (2.09 g) of sulfuric acid is prepared to supplement hydrogen ions consumed during the catalytic reaction. A total of 50 ml of sulfuric acid solution is prepared by mixing the prepared sulfuric acid and distilled water. In 50 mL of the sulfuric acid solution, platinum catalyst (15 mg based on metal), formic acid 3.2 g (5% excess based on the theoretical amount required for conversion of vanadium pentavalent to 3.5 valence, purity 85% formic acid), V 2 O 5 6.85 g (purity 99.5 %) and reacted at a constant temperature of 70° C. while purging nitrogen gas using the experimental apparatus shown in FIG. 1 . When the vanadium electrolyte reaches 3.5 valence, the catalyst is separated from the electrolyte to obtain a final 1.5 M vanadium 3.5 valence electrolyte. V 2 O 5 in the reaction solution: The actual molar ratio considering the purity of formic acid is 1: 1.575.

(실시예 2)(Example 2)

상기 실시예 1에서 황산 3.6 ml 대신 5.3 ml를 추가로 투입해서 바나듐 3.5가 1.5 M 전해액을 제조한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다. 여기서 5.3 ml의 황산을 추가한 이유는 아래와 같다.The same procedure was carried out in Example 1, except that 5.3 ml of sulfuric acid was additionally added instead of 3.6 ml of sulfuric acid to prepare a 1.5 M electrolyte solution containing 3.5 M of vanadium. Here, the reason for adding 5.3 ml of sulfuric acid is as follows.

[반응식 1][Scheme 1]

Figure 112021132024919-pat00003
Figure 112021132024919-pat00003

반응식 1을 참조하면, V2O5 1 mole 당 수소 이온은 5 mole 이 소모된다. 실시예 2에서는 50 mL 기준 1.5 M 바나듐 3.5가 전해액을 만들려면 V2O5는 0.0375 mole 이 필요하고 소모되는 수소 이온은 0.0375 ⅹ 5 = 0.1875mol 이다. 따라서 소모되는 수소 이온에 해당하는 만큼 추가해야 할 황산은 아래 계산식 1과 같다. Referring to Scheme 1, 5 moles of hydrogen ions are consumed per 1 mole of V 2 O 5 . In Example 2, 0.0375 moles of V 2 O 5 are required to make an electrolyte of 1.5 M vanadium 3.5 based on 50 mL of 50 mL, and hydrogen ions consumed are 0.0375 × 5 = 0.1875 mol. Therefore, the amount of sulfuric acid to be added corresponding to the consumed hydrogen ions is as shown in Equation 1 below.

[계산식 1][Formula 1]

Figure 112021132024919-pat00004
Figure 112021132024919-pat00004

(실시예 3)(Example 3)

3M 황산 50mL 를 제조하기 위해서 순도 95% 황산 15.89 g 과 증류수를 섞어 총 50mL 황산 용액을 제조한다. 상기 황산 용액 50 mL 에 백금 촉매(metal 기준 15 mg), 포름산 3.58g (바나듐 5가에서 3.5가 전환 시 필요한 이론 량 기준 5% 과량, purity 85% 포름산), V2O5 7.72 g (purity 99.5%) 을 넣고, 도 1에 도시된 실험장치를 이용하여, 질소 가스를 퍼징하면서 일정 온도 70 ℃에서 반응시킨다. 바나듐 전해액이 3.5가에 도달하면 전해액을 촉매에서 분리한다. 다음, 촉매반응동안 소모된 수소이온을 보충하기 위해서 상기 바나듐 3.5가 용액에 순도 95% 황산 5.8 mL 를 추가로 넣고 섞어주어 최종 1.5 M 바나듐 3.5가 전해액을 얻는다. 상기 반응 용액 내 V2O5: 포름산의 순도를 고려한 실제 몰비는 1: 1.575였다.To prepare 50 mL of 3M sulfuric acid, a total of 50 mL of sulfuric acid solution is prepared by mixing 15.89 g of 95% pure sulfuric acid and distilled water. In 50 mL of the sulfuric acid solution, a platinum catalyst (15 mg based on metal), 3.58 g of formic acid (5% excess based on the theoretical amount required for the conversion of vanadium pentavalent to 3.5 valence, purity 85% formic acid), V 2 O 5 7.72 g (purity 99.5 %), and reacted at a constant temperature of 70° C. while purging nitrogen gas using the experimental apparatus shown in FIG. 1 . When the vanadium electrolyte reaches 3.5 valence, the electrolyte is separated from the catalyst. Next, in order to supplement the hydrogen ions consumed during the catalytic reaction, 5.8 mL of 95% pure sulfuric acid was additionally added to the vanadium 3.5 solution and mixed to obtain a final 1.5 M vanadium 3.5 solution. The actual molar ratio of V 2 O 5 in the reaction solution considering the purity of formic acid was 1: 1.575.

(실시예 4)(Example 4)

상기 실시예 1에서 포름산 3.2 g 대신, 2.0 g을 투입한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다. 이때, 반응 용액 내 V2O5: 포름산의 순도를 고려한 실제 몰비는 약 1:1이었다. In Example 1, the same procedure was performed except that 2.0 g of formic acid was added instead of 3.2 g. At this time, the actual molar ratio in consideration of the purity of V 2 O 5 : formic acid in the reaction solution was about 1:1.

(실시예 5) (Example 5)

상기 실시예 1에서 포름산 3.2 g 대신, 4.0 g을 투입한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다. 이때, 반응 용액 내 V2O5: 포름산의 순도를 고려한 실제 몰비는 약 1: 2였다. In Example 1, the same procedure was performed except that 4.0 g of formic acid was added instead of 3.2 g. At this time, the actual molar ratio of V 2 O 5 in the reaction solution considering the purity of formic acid was about 1:2.

(비교예 1)(Comparative Example 1)

순도 95% 황산 15.89 g 과 증류수를 섞어 50 ml 황산 3M 용액을 제조한다. 상기 황산 용액 50 mL 에 백금 촉매(metal 기준 15 mg), 포름산 3.2 g (바나듐 5가에서 3.5가 전환 시 필요한 이론 량 + 5% 과량, purity 85% 포름산), V2O5 6.85 g (purity 99.5% V2O5)을 넣고 질소 가스를 퍼징하면서 일정 온도 70 ℃에서 반응시킨다. 바나듐 전해액이 3.5가에 도달하면 전해액에서 촉매를 분리하여 최종 1.5 M 바나듐 3.5가 전해액을 얻는다.Mix 15.89 g of 95% pure sulfuric acid and distilled water to prepare 50 ml sulfuric acid 3M solution. In 50 mL of the sulfuric acid solution, platinum catalyst (15 mg based on metal), formic acid 3.2 g (theoretical amount required for vanadium pentavalent to 3.5 valence conversion + 5% excess, purity 85% formic acid), V 2 O 5 6.85 g (purity 99.5 % V 2 O 5 ) and react at a constant temperature of 70 ℃ while purging nitrogen gas. When the vanadium electrolyte reaches 3.5 valence, the catalyst is separated from the electrolyte to obtain a final 1.5 M vanadium 3.5 valence electrolyte.

(비교예 2)(Comparative Example 2)

상기 실시예 1에서 황산 3.6 ml 대신 2.4 ml를 추가로 투입해서 1.5 M 바나듐 3.5가 전해액을 제조한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다. The same procedure was performed except that in Example 1, an electrolyte solution containing 1.5 M vanadium 3.5 was prepared by additionally adding 2.4 ml instead of 3.6 ml of sulfuric acid.

(비교예 3)(Comparative Example 3)

A) VOSO4를 3.0 M 황산 용액에 용해시켜 1.5 M 바나듐 4가 전해액을 제조한다. 바나듐 3가 전해액을 제조하기 위해서 레독스 흐름전지 단위 셀의 음/양극 전해액 수조에 상기 바나듐 4가 전해액을 동일한 부피로 넣어주고, cut-off 전압 1.6 V, 인가전류밀도 4 mAcm-2 조건에서 충전만 진행하여 음극에서 순수한 바나듐 3가 전해액을 얻는다. A) 단계에서 제조한 바나듐 4가와 전기분해로 얻은 3가 전해액을 1:1 비율로 혼합하여 바나듐 3.5가 전해액을 제조한다. 이를 표준 바나듐 3.5가라 명명한다.A) VOSO 4 is dissolved in 3.0 M sulfuric acid solution to prepare 1.5 M vanadium tetravalent electrolyte. In order to prepare a vanadium trivalent electrolyte, the same volume of the vanadium quadrivalent electrolyte is put into the negative/positive electrolyte tank of the redox flow battery unit cell, and charged under the conditions of a cut-off voltage of 1.6 V and an applied current density of 4 mAcm -2 only to obtain a pure vanadium trivalent electrolyte from the cathode. A vanadium 3.5-valent electrolyte is prepared by mixing the vanadium tetravalent prepared in step A) and the trivalent electrolyte obtained by electrolysis in a 1:1 ratio. This is called standard vanadium 3.5.

(비교예 4)(Comparative Example 4)

상기 실시예 1에서 촉매를 사용하지 않고 1.5 M 바나듐 3.5가 전해액을 제조한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다.The same procedure was carried out in Example 1, except that an electrolyte solution containing 1.5 M vanadium 3.5 was prepared without using a catalyst.

시험예 1: UV-Vis Spectrophotometer 분석Test Example 1: UV-Vis Spectrophotometer analysis

실시예 2 및 비교예 4에 의해 바나듐 5가가 3.5가로 전환되는 과정을 UV-vis로 분석하였으며, 그 결과를 도 2에 나타내었다. The conversion of vanadium pentavalent to 3.5 valence according to Example 2 and Comparative Example 4 was analyzed by UV-vis, and the results are shown in FIG. 2 .

도 2에서 볼 수 있듯이, 실시예 2의 경우, 반응 시작 후 60분만에 5가 바나듐이 3.5가로 전환되는 것을 확인할 수 있으며, 비교예 4의 경우 촉매없이 반응이 진행됨에 따라 바나듐 5가가 3.5가로 전혀 전환되지 않음을 확인할 수 있다. 한편, 포름산 양이 너무 많으면 환원반응이 과하게 일어나면서 바나듐이 3.5가보다 더 낮아질 수 있다. 이론량만큼 포름산을 투입하면 바나듐 3.5가에 도달하지 못하기 때문에 약 3~5% 정도 과량의 포름산을 투입하는 것이 바람직하다. As can be seen in FIG. 2 , in the case of Example 2, it can be confirmed that pentavalent vanadium is converted to 3.5 valence within 60 minutes after the start of the reaction, and in Comparative Example 4, as the reaction proceeds without a catalyst, vanadium pentavalent to 3.5 valence at all You can see that there is no conversion. On the other hand, if the amount of formic acid is too large, the reduction reaction may occur excessively and vanadium may be lower than 3.5. If formic acid is added as much as the theoretical amount, it is preferable to add about 3 to 5% excess of formic acid because the vanadium 3.5 value cannot be reached.

다음, 실시예 1~5 및 비교예 1~3에 따라 제조된 바나듐 3.5가 전해액에 대해 UV-vis로 분석하였으며, 그 결과를 도 3에 나타내었다. Next, the vanadium 3.5 prepared according to Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 3 was analyzed by UV-vis for the electrolyte, and the results are shown in FIG. 3 .

도 3에서 볼 수 있듯이, 실시예 1~3 및 비교예 1~3에 따라 모두 동일한 농도의 바나듐 3.5가 전해액이 제조되었음을 확인할 수 있다. 즉, 황산 농도가 다르더라도 포름산의 농도가 일정한 경우 V2O5를 이용하여 촉매 환원법으로 바나듐 3.5가 전해액을 제조할 수 있음을 보여준다. 반면 실시예 4, 5와 같이 포름산의 농도가 이론량보다 너무 많거나 적을 경우 바나듐 3.5가에 도달하지 못하는 것을 알 수 있다. As can be seen from FIG. 3 , it can be confirmed that an electrolyte solution containing the same concentration of vanadium 3.5 was prepared according to Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 . That is, it shows that, even if the concentration of sulfuric acid is different, when the concentration of formic acid is constant, the electrolyte solution of vanadium 3.5 can be prepared by catalytic reduction using V 2 O 5 . On the other hand, as in Examples 4 and 5, when the concentration of formic acid is too much or less than the theoretical amount, it can be seen that the vanadium 3.5 value cannot be reached.

시험예 2: 바나듐 3.5가 전해액의 pH 및 점도 측정Test Example 2: Measurement of pH and Viscosity of Vanadium 3.5-valent Electrolyte

실시예 1~2와 비교예 1~3에 따라 제조된 전해액의 pH와 점도를 측정하여 하기 표 1에 나타내었다. The pH and viscosity of the electrolytes prepared according to Examples 1 to 2 and Comparative Examples 1 to 3 were measured and shown in Table 1 below.

[표 1][Table 1]

Figure 112021132024919-pat00005
Figure 112021132024919-pat00005

표 1에서 촉매 환원반응 이후 소모되는 수소이온을 고려한 이론적 pH를 계산하는 방법을 계산식 2에 나타내었다. In Table 1, the method of calculating the theoretical pH considering hydrogen ions consumed after the catalytic reduction reaction is shown in Equation 2.

[계산식 2] [Formula 2]

Figure 112021132024919-pat00006
Figure 112021132024919-pat00006

표 1에 보였듯이 촉매 환원법으로 제조한 전해액의 실험적 측정 pH와 이론적으로 계산한 pH가 거의 동일함을 알 수 있다. 이는 소모되는 수소이온만큼 전해액의 pH가 변화한다는 것을 의미한다. 황산을 보충하지 않은 비교예 1의 경우 소모된 수소이온으로 인해 pH는 높아지고 점도는 낮아졌다. 소모된 수소이온을 황산으로 보충해 줄 경우 황산의 양을 증가시킬 수록 pH는 낮아지고 점도는 높아져서 표준용액과 비슷한 수치를 보였다. As shown in Table 1, it can be seen that the experimentally measured pH of the electrolyte prepared by the catalytic reduction method and the theoretically calculated pH are almost the same. This means that the pH of the electrolyte changes by the amount of hydrogen ions consumed. In Comparative Example 1 in which sulfuric acid was not supplemented, the pH was increased and the viscosity was decreased due to the consumed hydrogen ions. When the consumed hydrogen ions were supplemented with sulfuric acid, the pH decreased and the viscosity increased as the amount of sulfuric acid increased, showing similar values to the standard solution.

시험예 3: 충방전 성능 평가Test Example 3: Evaluation of charging and discharging performance

실시예 1~5 및 비교예 1~3에 따라 제조된 바나듐 3.5가 전해액을 이용하여 충방전 실험을 진행하였다. 구체적으로, 전극(3 x 3 cm2)은 Toyobo XF-30A를 사용하였으며, 전류밀도 50 mA/cm2, 유량 20 cm3min-1, 음/양극 전해액 부피는 각 20 mL 조건하에 20 cycle 진행하였으며 그 결과를 도 4 내지 도 7에 나타내었고, 20cycle 에서의 성능을 하기 표 2에 나타내었다.A charge-discharge experiment was performed using the vanadium 3.5-valent electrolyte solution prepared according to Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 3. Specifically, the electrode (3 x 3 cm 2 ) used Toyobo XF-30A, the current density 50 mA/cm 2 , the flow rate 20 cm 3 min -1 , and the volume of the negative/positive electrolyte solution was 20 mL each. and the results are shown in FIGS. 4 to 7, and the performance at 20 cycles is shown in Table 2 below.

[표 2][Table 2]

Figure 112021132024919-pat00007
Figure 112021132024919-pat00007

도 4와 표 2를 참조하면, 비교예 1은 충방전이 진행될수록 에너지 용량이 감소하였고 비교예 3(표준 바나듐 3.5가)과 비교 시, 방전에너지 밀도와 전류 및 에너지효율이 크게 감소하였다. 비교예 2는 황산 보충 효과로 방전에너지 밀도와 전류 및 에너지 효율이 회복되었지만 여전히 비교예 3(표준 바나듐 3.5가)의 수치보다 낮았다. 반면에, 실시예 1, 2는 비교예 3과 유사한 충방전 성능을 나타내었다. 도 5를 참조하면 실시예 2의 충방전 그래프가 비교예 3과 동일하게 나타나고 있음을 확인할 수 있다. 반면 포름산의 농도가 이론보다 낮은 실시예 4의 경우, 반응 후 4가 바나듐을 얻었다. 따라서 4가 바나듐을 양극과 음극에 적용할 경우 충전과 방전이 되지 않는다. 반대로 포름산의 농도가 이론보다 많은 경우 3가 바나듐을 얻을 수 있고, 이 경우에도 충방전이 매우 낮게 측정되었다.도 6은 비교예 1~3과 실시예 1~2에 따라 제조한 전해액을 이용하여 20 cycle 충방전 수행 후의 방전에너지밀도, 전류/전압/에너지효율, 양극 전해액의 부피 증가, 양극/음극 전해액의 바나듐 양의 변화를 나타낸 것이다. Referring to FIG. 4 and Table 2, the energy capacity of Comparative Example 1 decreased as charging and discharging proceeded, and compared with Comparative Example 3 (standard vanadium 3.5), the discharge energy density, current, and energy efficiency were significantly reduced. In Comparative Example 2, the discharge energy density, current, and energy efficiency were recovered due to the sulfuric acid supplementation effect, but it was still lower than the values of Comparative Example 3 (standard vanadium 3.5). On the other hand, Examples 1 and 2 showed similar charging and discharging performance to Comparative Example 3. Referring to FIG. 5 , it can be seen that the charge/discharge graph of Example 2 is the same as that of Comparative Example 3. On the other hand, in the case of Example 4 in which the concentration of formic acid was lower than the theory, tetravalent vanadium was obtained after the reaction. Therefore, when tetravalent vanadium is applied to the anode and cathode, charging and discharging do not occur. Conversely, when the concentration of formic acid is higher than the theoretical concentration, trivalent vanadium can be obtained, and even in this case, charging and discharging are measured to be very low. Discharge energy density, current/voltage/energy efficiency, volume increase of anode electrolyte, and change in the amount of vanadium in anode/cathode electrolyte after 20 cycles of charging and discharging are shown.

구체적으로, 황산 보충없이 제조한 비교예 1은 cycle이 진행되는 동안 방전에너지밀도가 크게 감소하였다. 하지만 보충해 주는 황산의 양을 증가시킴에 따라 감소폭이 줄어들었고 실시예 1과 2는 표준 전해액인 비교예 3과 거의 동일하게 방전에너지밀도가 감소하지 않았다. 이러한 특성은 전류효율과 에너지효율에서도 나타났다. 보충해 주는 황산의 양을 증가함에 따라 전류효율이 향상되었고 에너지효율도 표준 3.5가 전해액과 동일하였다. 또한, 양극의 전해액 부피 변화는 황산 추가량을 증가함에 따라 줄어 들었다. 그 이유는 도 6 (d)에 나타난 것처럼 음극에서 양극으로의 바나듐 투과량이 줄어들어 삼투압이 줄었기 때문이다. 촉매 환원반응이 진행되는 동안 수소 이온이 소모되면서 pH가 높아진다. 표 1에 의하면, pH가 높아질수록 점도가 낮아져 음극에서 양극전해액으로 바나듐 투과량이 증가하게 된다. 바나듐 투과량이 증가하면 삼투압효과로 음극의 전해액이 양극으로 이동해 양극 전해액 부피가 증가한다. 따라서 전해액 부피의 차이로 인한 비대칭이 발생하면서 에너지밀도, 전류밀도가 낮아진다. 이러한 문제들은 소모되는 수소이온을 황산을 추가 보충해 주어 전해액의 pH 변화가 줄어듬에 따라 해결할 수 있다. 실시예 1~2는 표준 3.5가 전해액과 동일한 정상적인 거동을 보여줌으로서 이를 증명하였다. Specifically, in Comparative Example 1 prepared without supplementation of sulfuric acid, the discharge energy density was greatly reduced during the cycle. However, as the amount of supplementary sulfuric acid was increased, the decrease was reduced, and in Examples 1 and 2, the discharge energy density did not decrease in almost the same way as Comparative Example 3, which is a standard electrolyte. These characteristics were also shown in current efficiency and energy efficiency. As the amount of supplementary sulfuric acid was increased, the current efficiency was improved and the energy efficiency was the same as that of the standard 3.5 electrolyte solution. In addition, the change in the electrolyte volume of the anode decreased as the amount of added sulfuric acid was increased. The reason is that, as shown in FIG. 6(d), the amount of vanadium permeated from the cathode to the anode is reduced, and thus the osmotic pressure is reduced. During the catalytic reduction reaction, the pH increases as hydrogen ions are consumed. According to Table 1, the higher the pH, the lower the viscosity, and the amount of vanadium permeation from the cathode to the anode electrolyte increases. When the amount of vanadium permeation increases, the electrolyte from the anode moves to the anode due to the osmotic effect, and the volume of the anode electrolyte increases. Therefore, the asymmetry due to the difference in the electrolyte volume occurs and the energy density and current density are lowered. These problems can be solved as the pH change of the electrolyte decreases by supplementing the consumed hydrogen ions with sulfuric acid. Examples 1-2 demonstrated this by showing the same normal behavior as the standard 3.5 as the electrolyte.

도 7은 실시예 3과 비교예 3의 인가 전류 50 mAcm-2 에서 10cycle 충방전 성능이 동일한 것을 확인할 수 있다. 실시예 3은 소모되는 수소 이온의 양을 보충해 주기 위해서 황산을 촉매 환원반응이 종료된 이후에 투입한 경우이다. 따라서 황산을 보충해 주는 시점은 전해액 성능에 영향을 주지 않는다. 하지만 황산을 반응 후에 투입할 경우는 전해액 전체 부피가 증가하여 바나듐 농도가 희석될 수 있다. 따라서 이를 계산하여 촉매 환원 반응 시, 바나듐과 포름산을 더 추가해야 한다.7 shows that Example 3 and Comparative Example 3 have the same 10 cycle charge/discharge performance at an applied current of 50 mAcm -2 . Example 3 is a case in which sulfuric acid was added after the catalytic reduction reaction was completed in order to supplement the amount of hydrogen ions consumed. Therefore, the timing of adding sulfuric acid does not affect the electrolyte performance. However, when sulfuric acid is added after the reaction, the total volume of the electrolyte increases and the concentration of vanadium may be diluted. Therefore, it is necessary to calculate this and add more vanadium and formic acid during the catalytic reduction reaction.

이상 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above embodiments and may be manufactured in a variety of different forms, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will appreciate the technical spirit of the present invention. However, it will be understood that the invention may be embodied in other specific forms without changing essential features. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive.

Claims (9)

a) 오산화바나듐 (V2O5), 환원제 및 촉매를 제1 산성 용액에 투입하여 반응용액을 제조하는 단계; 및
b) 상기 반응용액을 촉매 반응시켜 바나듐 3.5가 전해액을 제조하는 단계;를 포함하며,
하기 관계식 1을 만족하는 제2 산성용액을 상기 b) 단계 전 또는 후에 추가하는 것을 특징으로 하고, 상기 반응용액 내 오산화바나듐: 환원제의 몰비는 1: 1.5 내지 1: 1.65인 바나듐 레독스 흐름전지용 전해액의 제조방법:
[관계식 1]
3A< W < 8A
상기 관계식 1에서 A는 상기 오산화바나듐의 몰수 (mole)이며, W는 상기 제2 산성용액 내 수소이온 (H+)의 몰수 (mole)이다.
a) preparing a reaction solution by adding vanadium pentoxide (V 2 O 5 ), a reducing agent, and a catalyst to a first acidic solution; and
b) catalyzing the reaction solution to prepare a vanadium 3.5 electrolyte solution;
A second acidic solution satisfying the following relation 1 is added before or after step b), wherein the molar ratio of vanadium pentoxide: reducing agent in the reaction solution is 1: 1.5 to 1: 1.65 for a vanadium redox flow battery electrolyte Manufacturing method:
[Relational Expression 1]
3A< W < 8A
In Relation 1, A is the number of moles (mole) of the vanadium pentoxide, and W is the number of moles (mole) of hydrogen ions (H + ) in the second acidic solution.
제1항에 있어서,
상기 관계식 1에서 제2 산성용액 내 수소이온 (H+)의 몰수는 5A 이상이고, 6A 이하인 바나듐 레독스 흐름전지용 전해액의 제조방법.
According to claim 1,
In the above relation 1, the number of moles of hydrogen ions (H + ) in the second acidic solution is 5A or more and 6A or less.
제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 산성용액은 황산, 염산, 질산 및 인산으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 산을 포함하는 산성용액인, 바나듐 레독스 흐름전지용 전해액의 제조방법.
According to claim 1,
The first and second acidic solutions are acidic solutions containing at least one acid selected from the group consisting of sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid and phosphoric acid, a method for producing an electrolyte for a vanadium redox flow battery.
제3항에 있어서,
상기 제1 및 제2 산성용액은 동일한 물질인, 바나듐 레독스 흐름전지용 전해액의 제조방법.
4. The method of claim 3,
The first and second acid solutions are the same material, a method for producing an electrolyte for a vanadium redox flow battery.
제1항에 있어서,
상기 b) 단계는 50 내지 100℃에서 수행되는, 바나듐 레독스 흐름전지용 전해액의 제조방법.
According to claim 1,
The step b) is performed at 50 to 100 ℃, a method for producing an electrolyte for a vanadium redox flow battery.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 반응용액 내 오산화바나듐의 농도는 0.5내지 1.0 M이고, 제1산성 용액에 포함되는 수소 이온 농도는 4 내지 8M인, 바나듐 레독스 흐름전지용 전해액의 제조방법.
According to claim 1,
The concentration of vanadium pentoxide in the reaction solution is 0.5 to 1.0 M, and the hydrogen ion concentration included in the first acid solution is 4 to 8 M, a method for producing an electrolyte for a vanadium redox flow battery.
제1항에 있어서,
상기 환원제는 포름산인, 바나듐 레독스 흐름전지용 전해액의 제조방법.
According to claim 1,
The reducing agent is formic acid, a method for producing an electrolyte for a vanadium redox flow battery.
제1항에 있어서,
상기 촉매는 귀금속 촉매를 포함하는 것인, 바나듐 레독스 흐름전지용 전해액의 제조방법.
According to claim 1,
The catalyst is a method for producing an electrolyte for a vanadium redox flow battery, including a noble metal catalyst.
KR1020210157512A 2021-02-19 2021-11-16 Manufacturing method of electrolyte for vanadium redox flow battery KR102408365B1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210022354 2021-02-19
KR20210022354 2021-02-19

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR102408365B1 true KR102408365B1 (en) 2022-06-14

Family

ID=81980515

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210157512A KR102408365B1 (en) 2021-02-19 2021-11-16 Manufacturing method of electrolyte for vanadium redox flow battery

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102408365B1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116504994A (en) * 2023-06-28 2023-07-28 杭州德海艾科能源科技有限公司 All-vanadium redox flow battery negative electrode dual-function additive and preparation method and application thereof
WO2024025323A1 (en) * 2022-07-28 2024-02-01 롯데케미칼 주식회사 Method for preparing vanadium-based electrolyte solution

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140083027A (en) * 2011-10-14 2014-07-03 이머지 파워 시스템스 인코포레이티드 Vanadium flow cell
KR20190102532A (en) * 2018-02-26 2019-09-04 한국과학기술원 Method for Manufacturing High Purity Electrolyte for Vandium Redox Flow Battery by using Catalytic Reaction

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140083027A (en) * 2011-10-14 2014-07-03 이머지 파워 시스템스 인코포레이티드 Vanadium flow cell
KR20190102532A (en) * 2018-02-26 2019-09-04 한국과학기술원 Method for Manufacturing High Purity Electrolyte for Vandium Redox Flow Battery by using Catalytic Reaction

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024025323A1 (en) * 2022-07-28 2024-02-01 롯데케미칼 주식회사 Method for preparing vanadium-based electrolyte solution
CN116504994A (en) * 2023-06-28 2023-07-28 杭州德海艾科能源科技有限公司 All-vanadium redox flow battery negative electrode dual-function additive and preparation method and application thereof
CN116504994B (en) * 2023-06-28 2023-09-29 杭州德海艾科能源科技有限公司 All-vanadium redox flow battery negative electrode dual-function additive and preparation method and application thereof

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8951665B2 (en) Methods for the preparation of electrolytes for chromium-iron redox flow batteries
Huang et al. Efficient renewable-to-hydrogen conversion via decoupled electrochemical water splitting
KR102408365B1 (en) Manufacturing method of electrolyte for vanadium redox flow battery
KR102238667B1 (en) Method for Manufacturing High Purity Electrolyte for Vanadium Redox Flow Battery by Using Catalytic Reaction
US20150017494A1 (en) Redox Flow Battery for Hydrogen Generation
US11682784B2 (en) Method of preparing high-purity electrolyte solution for vanadium redox flow battery using catalytic reaction
US9972859B2 (en) Method for preparing cathode electrolyte for redox flow batteries, and redox flow battery
US11313044B2 (en) Electrolyzer and method for splitting water
CN110416585B (en) Preparation method and preparation device of flow battery electrolyte
CN111477925B (en) Additive for preparing high-concentration vanadium battery electrolyte and preparation method
CN114457352B (en) Device and method for hydrogen production by stepwise electrolysis of water based on acidic electrolyte
US20240030462A1 (en) Method for producing electrolyte for vanadium redox flow battery
CN112993361B (en) Preparation method of vanadium electrolyte
RU2803292C1 (en) Method for producing an electrolyte for a vanadium flow redox battery
CN112251765B (en) Water-splitting hydrogen production device based on lead net and preparation method and use method thereof
Hwang et al. Molybdenum-assisted reduction of VO2+ for low cost electrolytes of vanadium redox flow batteries
CN112582659A (en) Vanadium redox flow battery electrolyte and preparation method thereof
KR20230016791A (en) Method for producing vanadium electrolyte and battery
CN117673424A (en) Electrolyte and preparation method thereof
Mondal et al. A spontaneous hydrogen fuel purifier under truly ambient weather conditions
CN115786959A (en) Electrochemical preparation method of carbon-supported nickel-iron double-metal hydroxide catalyst for synthesizing ammonia by electro-reduction of nitrate
CN117525461A (en) Fuel cell anti-free radical membrane electrode with low platinum loading capacity and preparation method and application thereof
WO2022049266A1 (en) Device for electrolytic production of hydrogen
CN117276613A (en) All-vanadium battery electrolyte and preparation method thereof
KR20220139206A (en) Method for producing vanadium electrolyte and battery comprising vanadium electrolyte

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant