KR102486285B1 - Redox flow battery - Google Patents

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무투 라만 고븬단
무투 라만 고••단
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Abstract

본 발명에 따른 레독스 흐름 전지는 제올라이트가 코팅된 다공성 세라믹 분리막과 산-산/산-염기 전해질 시스템을 사용함으로써, 전류 효율, 전압 효율, 에너지 효율 등의 전기 화학적 성능이 우수하면서 동시에 분리막을 통한 활물질 이온의 이동을 방지하며, 용량 저하(Capacitance fading)를 최소화하는 효과가 있다.The redox flow battery according to the present invention uses a zeolite-coated porous ceramic separator and an acid-acid/acid-base electrolyte system, and thus has excellent electrochemical performance such as current efficiency, voltage efficiency, and energy efficiency, and at the same time It prevents movement of active material ions and has an effect of minimizing capacitance fading.

Description

세라믹막을 이용한 고에너지밀도 수용계 레독스흐름전지{Redox flow battery}High energy density aqueous redox flow battery using ceramic membrane {Redox flow battery}

본 발명은 레독스 흐름 전지에 관한 것으로, 상세하게는 높은 에너지 밀도 및 크로스 오버를 최소화할 수 있는 레독스 흐름 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a redox flow battery, and more particularly, to a redox flow battery capable of high energy density and minimizing crossover.

고유한 방식으로 전력 및 에너지 저장을 향상시킬 수 있는 가능성 때문에 레독스 흐름 배터리(Redox flow battery, RFB)의 중요성이 점점 커지고 있다. 특히 외부 저장소에 화학적 형태로 저장된 레독스 흐름 배터리의 에너지는 액체 전해질이 셀로 유입 될 때 전극의 활성 표면에서 즉각적인 산화-환원 반응에 의해 즉시 회수되거나 추가로 저장될 수 있다. 따라서 레독스 흐름 배터리 시스템은 저수조의 부피를 간단히 확장하여 메가 와트(MW/h) 범위까지 확장 할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 레독스 흐름 배터리는 보다 높은 에너지 밀도, 이온 교차 분리막 문제, 효율적인 전극, 커패시턴스 페이딩 등과 같은 항목들을 향상 또는 극복하기 위해 레독스 흐름 배터리의 개발에 대한 연구가 지속되어 왔다.Redox flow batteries (RFBs) are becoming increasingly important because of their potential to improve power and energy storage in unique ways. In particular, the energy of a redox flow battery stored in chemical form in an external storage can be immediately recovered or further stored by an immediate oxidation-reduction reaction on the active surface of the electrode when the liquid electrolyte flows into the cell. Thus, redox flow battery systems can be expanded into the megawatt (MW/h) range by simply expanding the volume of the reservoir. Nevertheless, research into the development of redox flow batteries has been continued in order to improve or overcome items such as higher energy density, ion cross-separator problems, efficient electrodes, and capacitance fading.

에너지 밀도를 증가시키기 위한 하나의 방법으로, 수성 매질에서 각각의 금속 이온이 고유한 산화/환원 전위를 갖기 때문에 상이한 금속 이온 조합을 채택하여 전해질 시스템을 설계할 수 있다. 예를 들어, Ce-V, Zn/Br2, Zn/폴리요오다이드, Li/폴리요오다이드, 염화철, Zn/Fe 금속 이온 조합을 들 수 있다. 다른 한편으로, H2O가 없기 때문에 적절한 전해질 매체, 예를 들어 비수성 매체를 선택함으로써 전위를 넓힐 수 있다. 예를 들어, 무기 활성 물질(황, 요오드), 산화-환원 활성 중합체 및 유기 금속 화합물 등과 같은 다양한 유형의 산화-환원 활성 물질이 비수성 레독스 흐름 전지에 사용되었다. 그러나 이러한 비수성 전해질이 사용되는 경우는 리튬 금속 등의 사용으로 인해 대기 중의 O2, N2 및 CO2와 같은 가스에 매우 민감하며, 비수성 용액에서의 이온 이동성은 수성 매체인 물보다 훨씬 느리다.As one way to increase the energy density, the electrolyte system can be designed by employing different metal ion combinations since each metal ion has a unique oxidation/reduction potential in an aqueous medium. Examples include Ce-V, Zn/Br 2 , Zn/polyiodide, Li/polyiodide, iron chloride, and Zn/Fe metal ion combinations. On the other hand, since there is no H 2 O, the potential can be broadened by selecting an appropriate electrolyte medium, for example a non-aqueous medium. For example, various types of redox active materials such as inorganic active materials (sulfur, iodine), redox active polymers and organometallic compounds have been used in non-aqueous redox flow batteries. However, when such a non-aqueous electrolyte is used, it is very sensitive to gases such as O 2 , N 2 and CO 2 in the atmosphere due to the use of lithium metal and the like, and ion mobility in a non-aqueous solution is much slower than that of water, an aqueous medium.

따라서 보다 넓은 포텐셜을 얻을 수 있는 또 다른 가능성은 수성 매질에서 높은 산성 또는 높은 알칼리성 용액을 사용하여 pH를 변화시킴으로써 전기 화학 전지에서 전기 촉매(산화 환원 활성 물질)의 생성을 촉진시키는 것이다. 산소 발생 반응(Oxygen evolution reaction, OER) 또는 수소 발생 반응(Hydrogen evolution reaction, HER)을 지연시킴으로써 전기 화학적 포텐셜의 확장이 가능하다.Therefore, another possibility to obtain a wider potential is to promote the production of electrocatalysts (redox active substances) in electrochemical cells by changing the pH using highly acidic or highly alkaline solutions in aqueous media. It is possible to expand the electrochemical potential by delaying the oxygen evolution reaction (OER) or the hydrogen evolution reaction (HER).

그러나 종래까지 막을 통한 이온 교차는 레독스 흐름 전지 시스템에서 용량 저하(Capacitance fading)를 유발하는 고질적인 문제가 존재한다. 시간이 지남에 따라 활물질의 이온이 분리막을 통과하여 반대편 극 쪽으로 이동함으로써 활물질의 양이 애노드 또는 캐소드 중 어느 한 쪽으로 쏠리는 현상이 발생할 수 있으며, 이는 활물질의 용량 불균형을 야기해 전해액 이용률의 저하를 일으켜 전지 용량을 저하시키는 원인으로 작용한다. 이러한 현상을 활물질의 크로스오버(cross-over)에 의한 용량 저하(Capacity fade)라 한다.However, there is a chronic problem of causing capacitance fading in redox flow battery systems due to ion crossover through the conventional membrane. Over time, as the ions of the active material pass through the separator and move toward the opposite pole, the amount of the active material may be concentrated to either the anode or the cathode, which causes an imbalance in the capacity of the active material and lowers the utilization rate of the electrolyte. It acts as a cause of lowering the battery capacity. This phenomenon is called capacity fade due to cross-over of active materials.

일반적으로 레독스 흐름 전지에 사용되는 분리막은 나피온계 고분자막이 사용되나, 이러한 이온교환막은 활물질의 이온 이동과 이에 따른 용량 저하를 일으킨다.In general, a Nafion-based polymer membrane is used as a separator used in a redox flow battery, but such an ion exchange membrane causes ion movement of an active material and thus a decrease in capacity.

한국등록특허공보 제10-2130874호 (2020.06.30)Korean Registered Patent Publication No. 10-2130874 (2020.06.30)

본 발명의 목적은 전류 효율, 전압 효율, 에너지 효율 등의 전기 화학적 성능이 우수한 레독스 흐름 전지를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a redox flow battery with excellent electrochemical performance such as current efficiency, voltage efficiency, and energy efficiency.

본 발명의 다른 목적은 분리막을 통한 활물질 이온의 이동을 방지하며, 용량 저하(Capacitance fading)를 최소화하는 레독스 흐름 전지를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a redox flow battery that prevents movement of active material ions through a separator and minimizes capacitance fading.

본 발명에 따른 레독스 흐름 전지는, 애노드 전해질이 유입되며 애노드가 구비되는 애노드 셀, 캐소드 전해질이 유입되며 캐소드가 구비되는 캐소드 셀; 및 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 배치되어 상기 애노드 전해질 및 상기 캐소드 전해질의 혼합을 방지하는 분리막;을 포함하는 레독스 흐름 전지로서, 상기 애노드 전해질은 산성 수계 애노드 전해액이고, 상기 캐소드 전해질은 염기성 수계 애노드 전해액이며, 상기 분리막은 제올라이트가 코팅된 다공성 세라믹 분리막인 것을 특징으로 한다.The redox flow battery according to the present invention includes an anode cell in which an anode electrolyte is introduced and an anode is provided, and a cathode cell in which a cathode electrolyte is introduced and a cathode is provided; and a separator disposed between the anode and the cathode to prevent mixing of the anode electrolyte and the cathode electrolyte, wherein the anode electrolyte is an acidic aqueous anode electrolyte, and the cathode electrolyte is a basic aqueous anode It is an electrolyte solution, and the separator is characterized in that it is a porous ceramic separator coated with zeolite.

본 발명의 일 예에 있어서, 상기 분리막은, 산화알루미늄계 다공성 세라믹막; 및 상기 세라믹막의 표면에 코팅되는 제올라이트;를 포함할 수 있다.In one example of the present invention, the separator may include an aluminum oxide-based porous ceramic film; and zeolite coated on the surface of the ceramic film.

본 발명의 일 예에 있어서, 상기 분리막은 산화알루미늄계 다공성 세라믹막의 표면에 제올라이트가 수열합성법으로 성장 및 코팅되어 제조된 것일 수 있다.In one example of the present invention, the separator may be manufactured by growing and coating zeolite on the surface of an aluminum oxide-based porous ceramic membrane by a hydrothermal synthesis method.

본 발명의 일 예에 있어서, 상기 분리막은 10 내지 50%의 공극률 및 0.01 내지 0.2 ㎛의 기공 크기를 가지는 것인 레독스 흐름 전지.In one example of the present invention, the separator is a redox flow battery having a porosity of 10 to 50% and a pore size of 0.01 to 0.2 ㎛.

본 발명의 일 예에 있어서, 상기 산성 수계 애노드 전해액은 pH가 2 내지 6일 수 있으며, 상기 염기성 수계 캐소드 전해액은 pH가 8 내지 12일 수 있다.In one example of the present invention, the acidic aqueous anode electrolyte may have a pH of 2 to 6, and the basic aqueous cathode electrolyte may have a pH of 8 to 12.

본 발명의 일 예에 있어서, 상기 산성 수계 애노드 전해액은 바나듐 이온 및 황 이온을 포함할 수 있다.In one example of the present invention, the acidic aqueous anode electrolyte may include vanadium ions and sulfur ions.

본 발명의 일 예에 있어서, 상기 염기성 수계 캐소드 전해액은 나트륨 이온을 포함할 수 있다.In one example of the present invention, the basic water-based cathode electrolyte may include sodium ions.

본 발명의 일 예에 있어서, 상기 산성 수계 애노드 전해액은 VOSO4 및 H2SO4를 포함하는 수용액일 수 있으며, 상기 염기성 수계 캐소드 전해액은 Na2S4 및 NaOH를 포함하는 수용액일 수 있다.In one example of the present invention, the acidic aqueous anode electrolyte may be an aqueous solution containing VOSO 4 and H 2 SO 4 , and the basic aqueous cathode electrolyte may be an aqueous solution containing Na 2 S 4 and NaOH.

본 발명의 일 예에 있어서, 상기 애노드 전해액에서, VOSO4 및 H2SO4는 수용액 상에서 각각 서로 독립적으로 0.3 내지 3M의 몰농도로 포함될 수 있으며, 상기 캐소드 전해액에서, Na2S4 및 NaOH는 수용액 상에서 각각 서로 독립적으로 0.3 내지 3M의 몰농도로 포함될 수 있다.In one example of the present invention, in the anode electrolyte, VOSO 4 and H 2 SO 4 may be independently included in an aqueous solution at a molar concentration of 0.3 to 3M, and in the cathode electrolyte, Na 2 S 4 and NaOH are In the aqueous phase, each may be included independently of each other at a molar concentration of 0.3 to 3M.

본 발명의 일 예에 따른 레독스 흐름 전지는, 상기 애노드 전해질을 수용하고 이를 상기 애노드 셀에 공급하는 애노드 전해질 공급부; 및 상기 캐소드 전해질을 수용하고 이를 상기 캐소드 셀에 공급하는 캐소드 전해질 공급부;를 포함할 수 있으며, 상기 애노드 셀에서, 상기 애노드와 상기 분리막 사이에 상기 애노드 전해질이 수용될 수 있으며, 상기 캐소드 셀에서, 상기 캐소드와 상기 분리막 사이에 상기 캐소드 전해질이 수용될 수 있다.A redox flow battery according to an example of the present invention includes an anode electrolyte supply unit for receiving the anode electrolyte and supplying it to the anode cell; and a cathode electrolyte supply unit for receiving the cathode electrolyte and supplying it to the cathode cell, wherein in the anode cell, the anode electrolyte may be accommodated between the anode and the separator, and in the cathode cell, The cathode electrolyte may be accommodated between the cathode and the separator.

본 발명의 일 예에 따른 레독스 흐름 전지는, 개방회로전위가 0.7 V 이상일 수 있다.A redox flow battery according to an example of the present invention may have an open circuit potential of 0.7 V or more.

본 발명의 일 예에 따른 레독스 흐름 전지는, 에너지 밀도가 200 Wh/ℓ 이상일 수 있다.A redox flow battery according to an example of the present invention may have an energy density of 200 Wh/L or more.

본 발명에 따른 레독스 흐름 전지는 전류 효율, 전압 효율, 에너지 효율 등의 전기 화학적 성능이 우수한 효과가 있다.The redox flow battery according to the present invention has excellent electrochemical performance such as current efficiency, voltage efficiency, and energy efficiency.

본 발명에 따른 레독스 흐름 전지는 분리막을 통한 활물질 이온의 이동을 방지하며, 용량 저하(Capacitance fading)를 최소화하는 효과가 있다.The redox flow battery according to the present invention prevents movement of active material ions through a separator and has an effect of minimizing capacity fading.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 레독스 흐름 전지 시스템을 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 레독스 흐름 전지의 셀 모듈을 나타낸 실제 이미지이다.
도 3은 레독스 흐름 전지에서, 상이한 pH 조합을 갖는 전해질 시스템에 따른 개방회로전위 값을 나타낸 것이다.
도 4는 비교예 1 및 실시예 1에 따른 레독스 흐름 전지의 셀 저항 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1에 따른 레독스 흐름 전지에서, 각 셀에서 산-산 및 산-염기 전해질 조합에 대한 V4+ 산화의 순환전압전류(Cyclic voltammetry, CV) 값을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1에 따른 레독스 흐름 전지에서, 분리막에 대한 바나듐 이온 및 황 이온의 이동 여부를 측정한 UV-Visible 스펙트럼이다.
도 7은 본 발명의 실시예 1에 따른 레독스 흐름 전지에서, 충전 및 방전에 의한 전압 포텐셜을 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 실시예 1에 따른 레독스 흐름 전지에서, 1 시간씩 사이클에서 장시간 충전 및 방전에 따른 전압, 전압 효율, 전류 효율, 에너지 효율 및 용량을 측정한 것이다.
1 is a schematic diagram showing a redox flow battery system according to Example 1 of the present invention.
2 is an actual image showing a cell module of a redox flow battery according to Example 1 of the present invention.
3 shows open circuit potential values according to electrolyte systems having different pH combinations in a redox flow battery.
4 is a cell resistance graph of redox flow batteries according to Comparative Example 1 and Example 1.
5 shows cyclic voltammetry (CV) values of V 4+ oxidation for acid-acid and acid-base electrolyte combinations in each cell in a redox flow battery according to Example 1 of the present invention.
6 is a UV-Visible spectrum of the redox flow battery according to Example 1 of the present invention, measuring the movement of vanadium ions and sulfur ions with respect to the separator.
Figure 7 shows the voltage potential due to charging and discharging in the redox flow battery according to Example 1 of the present invention.
8 is a measurement of voltage, voltage efficiency, current efficiency, energy efficiency, and capacity according to long-term charging and discharging in a 1-hour cycle in a redox flow battery according to Example 1 of the present invention.

이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 세라믹막을 이용한 고에너지밀도 수용계 레독스흐름전지를 상세히 설명한다.Hereinafter, a high energy density aqueous redox flow battery using a ceramic membrane according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 명세서에 기재되어 있는 도면은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 상기 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다.The drawings described in this specification are provided as examples to sufficiently convey the spirit of the present invention to those skilled in the art. Therefore, the present invention may be embodied in other forms without being limited to the drawings presented, and the drawings may be exaggerated to clarify the spirit of the present invention.

본 명세서에서 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.Unless otherwise defined, the technical and scientific terms used in this specification have meanings commonly understood by those of ordinary skill in the art to which this invention belongs, and the gist of the present invention in the following description and accompanying drawings Descriptions of known functions and configurations that may unnecessarily obscure are omitted.

본 명세서에서 사용되는 용어의 단수 형태는 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 해석될 수 있다.Singular forms of terms used in this specification may be construed as including plural forms unless otherwise indicated.

본 명세서에서 언급되는 s1, s2, s3, ...; a1, a2, a3, ...; b1, b2, b3, ...; a, b, c, ...; 등의 각 단계를 지칭하는 용어 자체는 어떠한 단계, 수단 등을 지칭하기 위해 사용되는 것일 뿐, 그 용어들이 지칭하는 각 대상들의 순서 관계를 의미하는 것으로 해석되어서는 안 된다.s1, s2, s3, ... mentioned in this specification; a1, a2, a3, ...; b1, b2, b3, ...; a, b, c, ...; The term itself referring to each step of the etc. is only used to indicate a certain step, means, etc., and should not be interpreted as implying an order relationship of each object indicated by the terms.

본 명세서에서 특별한 언급 없이 사용된 %의 단위는 별다른 정의가 없는 한 중량%를 의미한다.In this specification, the unit of % used without particular notice means weight % unless otherwise defined.

종래의 레독스 흐름 전지 시스템에서는 충전 및 방전 사이클이 반복될수록 활물질 이온이 분리막을 통과하는 문제 때문에 배터리 성능 저하, 특히 용량 저하(Capacitance fading)를 유발하여 수명이 현저히 감소되는 한계가 있었다.In the conventional redox flow battery system, there is a limit in that the battery life is significantly reduced by causing degradation of battery performance, in particular, capacity fading, due to the problem of active material ions passing through the separator as the charge and discharge cycles are repeated.

이에 반해, 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지 시스템에서는 산/염기 수계 전해 시스템에서 제올라이트가 코팅된 다공성 세라믹 분리막이 사용됨으로써, 전류 효율, 에너지 효율, 에너지 밀도 등의 전기 화학적 성능이 우수한 것은 물론, 특히 활물질 이온이 분리막을 통과하는 문제와 이에 따른 용량 저하 문제를 방지하는 효과가 있다.On the other hand, in the redox flow battery system according to the present invention, since a porous ceramic separator coated with zeolite is used in an acid/base aqueous electrolysis system, electrochemical performance such as current efficiency, energy efficiency, and energy density is excellent, especially There is an effect of preventing the problem of active material ions passing through the separator and the problem of capacity reduction accordingly.

본 발명에 따른 레독스 흐름 전지는, 애노드 전해질이 유입되며 애노드가 구비되는 애노드 셀, 캐소드 전해질이 유입되며 캐소드가 구비되는 캐소드 셀; 및 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 배치되어 상기 애노드 전해질 및 상기 캐소드 전해질의 혼합을 방지하는 분리막;을 포함하는 레독스 흐름 전지로서, 상기 애노드 전해질은 산성 수계 애노드 전해액이고, 상기 캐소드 전해질은 염기성 수계 애노드 전해액이며, 상기 분리막이 제올라이트가 코팅된 다공성 세라믹 분리막인 것을 특징으로 한다.The redox flow battery according to the present invention includes an anode cell in which an anode electrolyte is introduced and an anode is provided, and a cathode cell in which a cathode electrolyte is introduced and a cathode is provided; and a separator disposed between the anode and the cathode to prevent mixing of the anode electrolyte and the cathode electrolyte, wherein the anode electrolyte is an acidic aqueous anode electrolyte, and the cathode electrolyte is a basic aqueous anode It is characterized in that the separator is a porous ceramic separator coated with zeolite.

구체적으로, 본 발명에 따른 분리막은, 세라믹막; 및 상기 세라믹막의 표면에 코팅되는 제올라이트;를 포함할 수 있다.Specifically, the separator according to the present invention includes a ceramic membrane; and zeolite coated on the surface of the ceramic film.

상기 분리막은, 즉, 상기 세라믹막은 10 내지 50%의 공극률, 구체적으로 20 내지 40%의 공극률을 가질 수 있으며, 0.01 내지 0.2 ㎛의 기공 크기, 구체적으로 0.05 내지 0.15 ㎛의 기공 크기를 가지는 것이 산/염기 수계 전해 시스템에서 활물질 이온이 분리막을 통과하는 문제를 방지하면서 우수한 전기 화학적 성능을 구현할 수 있는 측면에서 바람직하다.The separator, that is, the ceramic membrane may have a porosity of 10 to 50%, specifically, a porosity of 20 to 40%, and a pore size of 0.01 to 0.2 μm, specifically, a pore size of 0.05 to 0.15 μm. / It is preferable in terms of realizing excellent electrochemical performance while preventing the problem of active material ions passing through the separator in a base water-based electrolytic system.

상기 세라믹막의 조성은 산/염기 수계 전해 시스템에서 분리막으로서 구조를 안정적으로 지지할 수 있으며, 활물질 이온이 분리막을 통과하지 않도록 하는 것이라면 크게 제한되는 것은 아니나, 산화알루미늄계 다공성 세라믹막인 것이 바람직할 수 있다.The composition of the ceramic membrane is not particularly limited as long as it can stably support the structure as a separator in an acid/base aqueous electrolytic system and prevents active material ions from passing through the separator, but an aluminum oxide-based porous ceramic membrane may be preferable. there is.

본 명세서에서 언급되는 세라믹막의 표면은 외부의 표면만을 의미하는 것이 아니며, 외부의 표면은 물론, 세라믹막의 내부 기공의 표면도 포함한다. 따라서 본 발명에 따른 분리막은 외부 표면 및 내부 기공의 내면 모두에 제올라이트가 코팅되어 존재할 수 있다.The surface of the ceramic membrane referred to in this specification does not mean only the external surface, and includes the external surface as well as the surface of internal pores of the ceramic membrane. Therefore, the separator according to the present invention may be coated with zeolite on both the outer surface and the inner surface of the inner pores.

상기 세라믹막의 표면에 코팅되는 제올라이트는 수열합성법으로 성장 및 코팅되어 제조된 것이 바람직할 수 있다. 즉, 바람직한 일 예에 따른 분리막은 산화알루미늄계 다공성 세라믹막의 표면에 제올라이트가 수열합성법으로 성장 및 코팅되어 제조된 것일 수 있으며, 구체적으로, 산화알루미늄계 다공성 세라믹막; 및 상기 세라믹막의 표면에 수열합성법으로 성장 및 코팅되는 제올라이트;를 포함할 수 있다. 이를 만족할 경우, 산/염기 수계 전해 시스템에서 활물질 이온이 분리막을 통과하는 문제를 방지하면서 우수한 전기 화학적 성능을 구현할 수 있는 효과가 있다.The zeolite coated on the surface of the ceramic film may be prepared by growing and coating by a hydrothermal synthesis method. That is, the separator according to a preferred embodiment may be manufactured by growing and coating zeolite on the surface of an aluminum oxide-based porous ceramic membrane by hydrothermal synthesis, and specifically, an aluminum oxide-based porous ceramic membrane; and zeolite grown and coated on the surface of the ceramic film by hydrothermal synthesis. If this is satisfied, there is an effect of implementing excellent electrochemical performance while preventing the problem of active material ions passing through the separator in the acid / base aqueous electrolysis system.

바람직한 일 예로, 상기 세라믹막에 제올라이트를 수열합성법으로 코팅하는 방법으로서, 세라믹막의 표면 상에 제올라이트 시드를 침착시키고 수열합성법을 통해 2차 성장시켜 분리막을 제조할 수 있다. 상기 제올라이트 시드는 다양한 것이 사용될 수 있으나, 바람직하게는 예컨대 MFI형 제올라이트 시드일 수 있다. 또한 성장 원료는 크게 제한되는 것은 아니며, 예컨대 테트라에틸오르토실리케이트(Tetraethyl orthosilicate, TEOS) 등의 규소계 화합물이 사용될 수 있고, 이때 테트라프로필암모늄하이드록사이드(Tetrapropylammoniumhydroxide, TPAOH) 등의 알칼리화제가 사용될 수 있다.As a preferred example, as a method of coating the ceramic membrane with zeolite by hydrothermal synthesis, a separator may be prepared by depositing zeolite seeds on the surface of the ceramic membrane and performing secondary growth through hydrothermal synthesis. Various types of zeolite seeds may be used, but preferably, for example, MFI type zeolite seeds. In addition, the growth raw material is not particularly limited, and for example, a silicon-based compound such as tetraethyl orthosilicate (TEOS) may be used, and an alkalizing agent such as tetrapropylammoniumhydroxide (TPAOH) may be used. .

수열합성 조건은 세라믹막의 표면에 위치한 제올라이트 시드가 성장하여 제올라이트층이 코팅될 수 있을 정도라면 무방하며, 예컨대 오토클레이브 등의 밀폐 반응기 내에서 100 내지 300℃에서 1 내지 12 시간, 구체적으로 2 내지 8 시간 동안 수상에서 반응시키는 것일 수 있다. 이때 압력은 온도에 따라 적절히 제어될 수 있다.The hydrothermal synthesis conditions may be sufficient as long as the zeolite seed located on the surface of the ceramic membrane grows and the zeolite layer can be coated, for example, 1 to 12 hours at 100 to 300 ° C., specifically 2 to 8 It may be to react in the aqueous phase for a period of time. At this time, the pressure may be appropriately controlled according to the temperature.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 분리막은 세라믹막 표면에 제올라이트가 코팅된 것을 특징으로 하며, 상기 분리막은 산/염기 수계 전해 시스템에서 사용되어야만 활물질 이온이 분리막을 통과하는 문제를 방지할 수 있는 효과 및 저항 감소 등의 더 우수한 전기 화학적 성능을 구현하는 효과가 있다. 세라믹막 표면에 제올라이트가 코팅된 본 발명에 따른 분리막 대신 나피온계 고분자막 등의 다른 분리막이 산/염기 수계 전해 시스템에서 사용될 경우, 상기 효과는 구현되지 않는다. 즉, 전술한 제올라이트가 코팅된 본 발명에 따른 분리막은 산-염기 수계 전해질 시스템에서 활물질 이온이 분리막을 통과하지 않고, 더 우수한 전기 화학적 성능을 발휘할 수 있다.As described above, the separator according to the present invention is characterized in that the surface of the ceramic membrane is coated with zeolite, and the separator must be used in an acid/base aqueous electrolytic system to prevent active material ions from passing through the separator. And there is an effect of realizing better electrochemical performance such as resistance reduction. When other separators such as Nafion-based polymer membranes are used in an acid/base aqueous electrolytic system instead of the separator according to the present invention in which the surface of the ceramic membrane is coated with zeolite, the above effect is not realized. That is, the separator according to the present invention coated with the above-described zeolite does not allow active material ions to pass through the separator in an acid-base aqueous electrolyte system, and can exhibit better electrochemical performance.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지는 산/염기 수계 전해 시스템이 사용되며, 구체적으로, 상기 산성 수계 애노드 전해액의 pH는 2 내지 6일 수 있고, 상기 염기성 수계 캐소드 전해액의 pH는 8 내지 12일 수 있다.As described above, the redox flow battery according to the present invention uses an acid/base aqueous electrolyte system. Specifically, the pH of the acidic water-based anode electrolyte may be 2 to 6, and the pH of the basic water-based cathode electrolyte is It may be 8 to 12.

바람직하게, 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지는 상기 산성 수계 애노드 전해액이 바나듐계 이온을 포함하는 바나듐 레독스 흐름 전지일 수 있다. 보다 바람직하게는, 상기 산성 수계 애노드 전해액은 바나듐 이온 및 황 이온을 포함할 수 있다.Preferably, the redox flow battery according to the present invention may be a vanadium redox flow battery in which the acidic aqueous anode electrolyte contains vanadium-based ions. More preferably, the acidic aqueous anode electrolyte may contain vanadium ions and sulfur ions.

상기 염기성 수계 캐소드 전해액은 상기 산성 수계 애노드 전해액과의 전위차가 크도록 할 수 있는 조성/조성비라면 크게 제한되지 않으나, 바람직하게는 나트륨 이온을 포함하는 것일 수 있다.The basic water-based cathode electrolyte is not particularly limited as long as it has a composition/composition ratio capable of increasing the potential difference with the acidic water-based anode electrolyte, but preferably contains sodium ions.

바람직한 일 예로, 상기 산성 수계 애노드 전해액은 VOSO4 및 H2SO4를 포함하는 수용액일 수 있으며, 상기 염기성 수계 캐소드 전해액은 Na2S4 및 NaOH를 포함하는 수용액일 수 있다.As a preferred example, the acidic aqueous anode electrolyte may be an aqueous solution containing VOSO 4 and H 2 SO 4 , and the basic aqueous cathode electrolyte may be an aqueous solution containing Na 2 S 4 and NaOH.

각 전해액에서 조성비는 전술한 pH 범위, 이온의 종류 등에 따라 적절히 제어될 수 있으며, 바람직한 일 예를 들면, 상기 산성 수계 애노드 전해액이 VOSO4 및 H2SO4를 포함할 경우, 수용액 상에서 각각 서로 독립적으로 0.3 내지 3M의 몰농도로 포함될 수 있으며, 상기 염기성 수계 캐소드 전해액이 Na2S4 및 NaOH를 포함할 경우, 수용액 상에서 각각 서로 독립적으로 0.3 내지 3M의 몰농도로 포함될 수 있다.The composition ratio in each electrolyte may be appropriately controlled according to the aforementioned pH range, type of ion, etc., and for example, when the acidic water-based anode electrolyte includes VOSO 4 and H 2 SO 4 , each independently from each other in an aqueous solution. It may be included in a molar concentration of 0.3 to 3M, and when the basic water-based cathode electrolyte solution includes Na 2 S 4 and NaOH, it may be included in a molar concentration of 0.3 to 3M independently of each other in the aqueous solution.

본 발명의 일 예에 따른 레독스 흐름 전지의 보다 구체적인 구조는 공지된 레독스 흐름 전지 및 이와 관련한 기술분야를 참고하면 무방하다. 구체적으로, 본 발명의 일 예에 따른 레독스 흐름 전지는, 상기 애노드 전해질을 수용하고 이를 상기 애노드 셀에 공급하는 애노드 전해질 공급부; 및 상기 캐소드 전해질을 수용하고 이를 상기 캐소드 셀에 공급하는 캐소드 전해질 공급부;를 포함할 수 있다. 상기 애노드 셀에서, 상기 애노드와 상기 분리막 사이에 상기 애노드 전해질이 수용될 수 있으며, 상기 캐소드 셀에서, 상기 캐소드와 상기 분리막 사이에 상기 캐소드 전해질이 수용될 수 있다. 본 발명의 일 예에 따른 레독스 흐름 전지는 전해액을 각 셀에 유입 및 배출되도록 하는 펌프를 더 포함할 수 있다. 상기 애노드 및 상기 캐소드 등의 전극은 공지된 문헌을 참고하면 무방하며, 일 예로, 흑연, 백금, 구리 등 다양한 재질의 것이 사용될 수 있다. 이보다 더 구체적인 구조 등의 사항은 공지된 문헌을 참고하면 된다.For a more detailed structure of the redox flow battery according to an embodiment of the present invention, reference may be made to known redox flow batteries and related technical fields. Specifically, the redox flow battery according to an example of the present invention includes an anode electrolyte supply unit for receiving the anode electrolyte and supplying it to the anode cell; and a cathode electrolyte supply unit for accommodating the cathode electrolyte and supplying it to the cathode cell. In the anode cell, the anode electrolyte may be accommodated between the anode and the separator, and in the cathode cell, the cathode electrolyte may be accommodated between the cathode and the separator. The redox flow battery according to one embodiment of the present invention may further include a pump for introducing and discharging the electrolyte into and out of each cell. Electrodes such as the anode and the cathode may be made of various materials such as graphite, platinum, copper, etc., without reference to known literature. For more detailed structures and the like, refer to known literature.

본 발명에 따른 레독스 흐름 전지는, 전술한 산/염기 전해 시스템을 포함함으로써 개방회로전위(Open circuit potential, OCP)가 0.7 V 이상일 수 있다. 상기 개방회로전위는 각 전해액의 조성/조성비에 따라 달라질 수 있으며, 전술한 산/염기 전해 시스템 및 분리막을 사용함으로써 0.7 V 이상, 구체적으로 0.8 V 이상의 개방회로전위를 가져 높은 전기 화학적 성능을 구현하면서 동시에 분리막의 활물질 이온 투과 및 이에 따른 용량 저하를 방지하여 충전/방전에 따른 수명 저하를 최소화할 수 있다.The redox flow battery according to the present invention may have an open circuit potential (OCP) of 0.7 V or more by including the acid/base electrolysis system described above. The open circuit potential may vary depending on the composition/composition ratio of each electrolyte, and by using the above-described acid/base electrolysis system and separator, an open circuit potential of 0.7 V or more, specifically 0.8 V or more, while realizing high electrochemical performance At the same time, it is possible to minimize ion permeation of the active material of the separator and thus decrease in capacity, thereby minimizing the decrease in life due to charge/discharge.

또한 본 발명의 일 예에 따른 레독스 흐름 전지는, 전술한 산/염기 전해 시스템 및 분리막을 사용함으로써 에너지 밀도가 200 Wh/ℓ 이상, 구체적으로 220 Wh/ℓ 이상일 수 있다.In addition, the redox flow battery according to an example of the present invention may have an energy density of 200 Wh/ℓ or more, specifically 220 Wh/ℓ or more, by using the acid/base electrolysis system and the separator described above.

또한 본 발명의 일 예에 따른 레독스 흐름 전지는, 전술한 산/염기 전해 시스템 및 분리막을 사용함으로써 충전-방전 사이클 200 회 기준 전류 효율이 90% 이상, 구체적으로 93% 이상일 수 있다.In addition, the redox flow battery according to an embodiment of the present invention may have a current efficiency of 90% or more, specifically 93% or more, based on 200 charge-discharge cycles by using the above-described acid/base electrolysis system and separator.

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 through examples, but these are for explaining the present invention in more detail, and the scope of the present invention is not limited by the following examples.

<분리막 제조><Manufacture of Separator>

다공성 산화알루미늄(a-Al2O3) 지지체의 표면 상에 MFI형 제올라이트 시드를 침착시키고 수열합성법을 통해 2차 성장시켜 분리막을 제조하였다.A separator was prepared by depositing MFI-type zeolite seeds on the surface of a porous aluminum oxide (a-Al 2 O 3 ) support and performing secondary growth through hydrothermal synthesis.

구체적으로, 다공성 산화알루미늄(a-Al2O3) 관형 지지체(기공률 : 32 부피%, 외경 : 3.2 cm, 내경 : 2.54 cm, 길이 : 14.5 cm, 평균 기공크기 : 0.11 ㎛)의 표면 상에 평균입경이 1.8 ㎛인 MFI형 제올라이트 시드(ZSM-5, SiO2/Al2O3=360)를 침착시키고, 이를 테플론 라이닝된 스테인레스 스틸 오토 클레이브에 장입하였다. 이어서 상기 오토 클레이브에 1M 테트라프로필암모늄하이드록사이드(Tetrapropylammoniumhydroxide, TPAOH) 2 ㎖, 테트라에틸오르토실리케이트(Tetraethyl orthosilicate, TEOS) 2 ㎖ 및 탈이온수 36 ㎖를 넣고 180℃에서 16 시간 동안 2차 성장을 수행하였다. 성장 후, 이온 침전물을 제거하기 위해 탈이온수로 세척한 다음 500℃에서 4 시간 동안 하소하여 MFI형 제올라이트가 코팅된 다공성 산화알루미늄 분리막을 제조하였다.Specifically, on the surface of a porous aluminum oxide (a-Al 2 O 3 ) tubular support (porosity: 32 vol%, outer diameter: 3.2 cm, inner diameter: 2.54 cm, length: 14.5 cm, average pore size: 0.11 μm) MFI-type zeolite seeds (ZSM-5, SiO 2 /Al 2 O 3 =360) having a particle size of 1.8 μm were deposited and loaded into a Teflon-lined stainless steel autoclave. Subsequently, 2 ml of 1M tetrapropylammoniumhydroxide (TPAOH), 2 ml of tetraethyl orthosilicate (TEOS), and 36 ml of deionized water were added to the autoclave, and secondary growth was performed at 180 ° C. for 16 hours did After growth, it was washed with deionized water to remove ionic precipitates, and then calcined at 500° C. for 4 hours to prepare a porous aluminum oxide separator coated with MFI-type zeolite.

<레독스 흐름 전지 설치> <Redox flow battery installation>

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, MFI형 제올라이트가 코팅된 다공성 산화알루미늄 분리막을 포함하는 레독스 흐름 전지를 설치하였다.As shown in FIGS. 1 and 2 , a redox flow battery including a porous aluminum oxide separator coated with MFI-type zeolite was installed.

구체적으로, 분리막으로 구획된 애노드 공간과 캐소드 공간을 포함하는 유리 셀(전해질 부피 : 25 ㎖)과, 프로토 타입 플레이트 및 프레임(테플론, 바이톤 및 SS 엔드 플레이트 재료를 사용하여 제작)을 갖는 원형 전기 화학 셀을 제조하였다. 애노드 공간에는 애노드 전극이 분리막과 이격하여 배치되고, 캐소드 공간에는 캐소드 전극이 분리막과 이격하여 배치되었다. 또한 애노드 전해질 탱크(전해질 부피 : 200 ㎖)로부터 애노드 전해액이 연동 펌프(Masterflex)에 의해 상기 애노드 공간으로 유입되도록 설치하고, 캐소드 전해질 탱크(전해질 부피 : 200 ㎖)로부터 캐소드 전해액이 연동 펌프(Masterflex)에 의해 상기 캐소드 공간으로 유입되도록 설치하였다. 이때 작동 전극(Working electrode)으로 흑연 또는 니켈 폼이 사용되었고, 카운터 전극으로 백금 메쉬가 사용되었으며, 기준 전극으로 Ag/AgCl이 사용되었다. 상기 애노드 전해액으로 1M VOSO4 및 1M H2SO4를 포함하는 수용액이 사용되었으며, 상기 캐소드 전해액으로 1M Na2S4 및 1M NaOH를 포함하는 수용액이 사용되었다.Specifically, a circular electric cell with a glass cell (electrolyte volume: 25 ml) containing an anode space and a cathode space partitioned by a separator, and a prototype plate and frame (made using Teflon, Viton, and SS end plate materials) A chemical cell was prepared. An anode electrode was disposed apart from the separator in the anode space, and a cathode electrode was disposed spaced apart from the separator in the cathode space. In addition, it is installed so that the anode electrolyte from the anode electrolyte tank (electrolyte volume: 200 ml) flows into the anode space by a peristaltic pump (Masterflex), and the cathode electrolyte from the cathode electrolyte tank (electrolyte volume: 200 ml) peristaltic pump (Masterflex) It was installed so as to flow into the cathode space by. At this time, graphite or nickel foam was used as a working electrode, platinum mesh was used as a counter electrode, and Ag/AgCl was used as a reference electrode. An aqueous solution containing 1M VOSO 4 and 1M H 2 SO 4 was used as the anode electrolyte, and an aqueous solution containing 1M Na 2 S 4 and 1M NaOH was used as the cathode electrolyte.

[비교예 1][Comparative Example 1]

실시예 1에서 MFI형 제올라이트가 코팅된 다공성 산화알루미늄 분리막 대신 나피온 분리막(Nafion 324, DuPont, USA)을 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 수행하였다.Example 1 was performed in the same manner as in Example 1, except that a Nafion separator (Nafion 324, DuPont, USA) was used instead of the porous aluminum oxide separator coated with MFI-type zeolite.

<전기 화학적 특성><Electrochemical properties>

실시예 1 및 비교예 1의 분리막에 따른 순환전압전류(Cyclic voltammetry, CV) 및 개방회로전위(Open circuit potential, OCP)는 스캔 속도 20 mV/s로 PARC VersaSTAT 3 기기를 이용하여 측정하였다. 또한 각 분리막에 대한 산-염기 전해질의 효과에 대해 PARC VersaSTAT 3 기기를 사용하여 임피던스 측정을 수행하였다. 구체적으로, 2 개의 전극 구성을 사용하여 1 mA(vs. OCP)의 인가 전류를 갖는 정전류식 모드(Galvanostatic mode)는 카운터로서 Pt 메쉬 및 200 kHz 내지 0.01 Hz 범위의 주파수를 갖는 작동 전극(0.5 cm 거리)으로 적용되었다.Cyclic voltammetry (CV) and open circuit potential (OCP) according to the separators of Example 1 and Comparative Example 1 were measured using a PARC VersaSTAT 3 device at a scan rate of 20 mV/s. In addition, impedance measurement was performed using a PARC VersaSTAT 3 instrument for the effect of the acid-base electrolyte on each separator. Specifically, Galvanostatic mode with an applied current of 1 mA (vs. OCP) using a two-electrode configuration is performed using a Pt mesh as a counter and a working electrode (0.5 cm) with a frequency ranging from 200 kHz to 0.01 Hz. distance) was applied.

1. 개방회로전위1. Open circuit potential

도 3은 상이한 pH 조합을 갖는 전해질 시스템에 따른 개방회로전위 값을 나타낸 것이다. 도 3 a 및 b에서, 중성-산성 및 중성-염기 pH에 대한 개방회로전위 값은 각각 -0.04 V 및 0.25 V로 나타났으며, 이는 도 3 c의 중성-중성 pH에 대한 개방회로전위 값인 -0.16 V로부터 벗어났다. 도 3 f의 산-염기 pH에 대한 개방회로전위 값은 제올라이트가 코팅된 다공성 산화알루미늄 분리막이 사용되었을 때 총 -1.2 V로 넓어졌다. 또한 도 2 d 및 f에서, 산-산 pH의 경우 대비 산-염기 pH에 대한 개방회로전위 값은 0.8 V로 증가하였다.3 shows open circuit potential values for electrolyte systems with different pH combinations. In Figures 3a and b, the open circuit potential values for neutral-acidic and neutral-base pH were -0.04 V and 0.25 V, respectively, which is the open circuit potential value for neutral-neutral pH in Figure 3c - Deviated from 0.16 V. The open-circuit potential values for acid-base pH in FIG. 3f widened to a total of -1.2 V when the zeolite-coated porous aluminum oxide separator was used. In addition, in FIG. 2d and f, the open circuit potential value for acid-base pH increased to 0.8 V compared to acid-acid pH.

2. 셀 저항2. Cell Resistance

pH에 의한 전위 확대와는 별도로, 셀 저항은 도 3에 도시 된 바와 같이 실험적으로 유도된 산-염기 pH 변화로 인해 증가할 수 있다.Apart from the potential enlargement by pH, the cell resistance can increase due to experimentally induced acid-base pH change as shown in Fig. 3.

도 4 A는 비교예 1에 대한 셀 저항 그래프이며, 도 4 B는 실시예 1에 대한 셀저 항 그래프이다. 도4 A에서 나피온 분리막이 사용된 비교예 1은 산-염기 전해질 시스템의 경우(b)가 다른 전해질 조합에 비해 상대적으로 높은 내부 저항(Nyquist plot 4.72 Ω)을 보인 반면, 도4 B에서 제올라이트가 코팅된 분리막이 사용된 실시예 1은 산-염기 전해질 시스템의 경우(b) 다른 전해질 조합에 비해 상대적으로 낮은 내부 저항을 보였다. 이는 산-산 전해질 시스템의 경우 저항이 적은 비교예 1의 경우와 반대이다. 비교예 1과 같은 나피온 분리막이 사용될 경우, 산-염기 및 염기-염기 전해질 조합은 높은 염기 전해질 매질로 인해 양성자 이동이 적거나 없을 수 있다. 그러나 제올라이트가 코팅된 분리막이 사용될 경우, 산-염기 전해질 조합에서 내부 저항이 적어지면 여기에서 양성자화된 물 분자의 크기 선택성이 나타난다. 이와 같이, 제올라이트가 코팅된 분리막의 크기 선택적 투과는 산-염기 전해질 조합에서만 단독으로 작용할 수 있음에 따라, 산-염기 전해질 시스템에서 제올라이트가 코팅된 분리막이 사용되는 실시예 1은 저항 특성이 다른 경우와 비교하여 우수함을 알 수 있다.4A is a cell resistance graph for Comparative Example 1, and FIG. 4B is a cell resistance graph for Example 1. In Comparative Example 1 in which the Nafion separator was used in FIG. 4A, the case of the acid-base electrolyte system (b) showed a relatively high internal resistance (Nyquist plot 4.72 Ω) compared to other electrolyte combinations, whereas in FIG. 4B, zeolite Example 1, in which the coated separator was used, showed a relatively low internal resistance compared to other electrolyte combinations in the acid-base electrolyte system (b). This is opposite to the case of Comparative Example 1, in which the resistance of the acid-acid electrolyte system is low. When the Nafion separator as in Comparative Example 1 is used, the acid-base and base-base electrolyte combinations may have little or no proton transfer due to the high base electrolyte medium. However, when a separator coated with zeolite is used, when the internal resistance decreases in the acid-base electrolyte combination, the size selectivity of protonated water molecules appears. As such, since the size-selective permeation of the zeolite-coated separator can act alone only in the acid-base electrolyte combination, Example 1, in which the zeolite-coated separator is used in the acid-base electrolyte system, has different resistance characteristics. It can be seen that it is excellent compared to the .

3. 순환전압전류3. Cyclic voltammetry

도 5는 각 셀(half-cell)에서 산-산 및 산-염기 전해질 조합에 대한 V4+ 산화의 순환전압전류(Cyclic voltammetry, CV) 반응을 보여준다. 도 5 A 곡선 a로부터, 산-산 전해질 조합의 경우는 1.15 V에서 산화 피크가, 1.0 V에서 환원 피크가 나타나 150 mV의 피크 전위차가 나타남을 확인할 수 있다. 또한 도 5 A 곡선 b로부터, 산-염기 전해질 조합의 경우는 산화 피크가 0.83 V로 더 낮아졌으며, 환원 피크가 0.76 V로 나타나 130 mV의 피크 포텐셜 차이가 나타남을 확인할 수 있다. 두 전해질의 조합에서 V4+/V5+ 시스템의 가역성은 유지되지만, 산화-환원 피크 전위는 300 mV 부근에서 포지티브 전위로 덜 이동하였으며, 이는 V4+ 산화가 산-염기 조합 또는 염기 pH에서 더욱 용이함을 의미한다.5 shows the cyclic voltammetry (CV) response of V 4+ oxidation to acid-acid and acid-base electrolyte combinations in each half-cell. From the curve a of FIG. 5A, it can be seen that in the case of the acid-acid electrolyte combination, an oxidation peak at 1.15 V and a reduction peak at 1.0 V appear, resulting in a peak potential difference of 150 mV. In addition, from the curve b of FIG. 5A, it can be seen that the acid-base electrolyte combination has a lower oxidation peak of 0.83 V and a reduction peak of 0.76 V, resulting in a peak potential difference of 130 mV. Although the reversibility of the V 4+ /V 5+ system is maintained in the combination of the two electrolytes, the oxidation-reduction peak potential shifts less to a positive potential around 300 mV, indicating that the V 4+ oxidation is not dependent on the acid-base combination or base pH. means easier.

도 5 B는 음이온성 Ni폼 전극에서 염기-염기 및 염기-산 전해질 조합의 경우로서, 도 5 B 곡선 b로부터 정방향 스캔 동안 -350 mV에서 시작된 환원 정체가 나타남을 알 수 있다. 각각의 반-전지에서 1M NaOH 전해질에서 S4 2-/2S2 2- 산화-환원에 대한 리버스 스캔 동안 유사한 산화 정체가 -250 mV에서 나타났다. 환원 피크 및 산화 피크의 정체기는 Ni폼 전극의 미세 채널에 의한 대류 현상에 기인 할 수 있다. 도 5 B 곡선 b에서, 염기-산 전해질 조합은 환원 정체가 -360 mV에서 나타났고 산화 정체는 -42 mV에서 나타났음에 따라, 10 mV 음의 시프트된 산화-환원 전위가 나타남을 알 수 있다. 즉, pH 변화에서 전위 변화의 작은 변화는 전자가 전극으로부터 방출되는 감소에 의한 것일 수 있으며, 전체적으로, pH 변화의 효과는 내거티브 반쪽 셀보다 포지티브 반쪽 셀에서 더 현저하다.FIG. 5B is a case of base-base and base-acid electrolyte combinations in an anionic Ni-form electrode, and it can be seen from the curve b of FIG. 5B that a reduction plateau starting at -350 mV appears during forward scan. Similar oxidation regimes were seen at -250 mV during the reverse scan for S 4 2- /2S 2 2- oxidation-reduction in 1 M NaOH electrolyte in each half-cell. The plateau of the reduction and oxidation peaks can be attributed to the convection phenomenon caused by the fine channels of the Ni foam electrode. In Figure 5 B curve b, it can be seen that the base-acid electrolyte combination exhibits a 10 mV negative shifted oxidation-reduction potential, as a reduction plateau appeared at -360 mV and an oxidation plateau appeared at -42 mV. That is, a small change in potential change in pH change may be due to a decrease in electron emission from the electrode, and overall, the effect of pH change is more pronounced in the positive half-cell than in the negative half-cell.

<분리막의 이온 투과 방지 특성><Ion Permeation Prevention Characteristics of Separator>

실시예 1 및 비교예 1의 분리막을 통한 바나듐 이온 및 황 이온의 이동 여부를 최대 50 시간 이상 별도의 전기 분해 실험을 통해 측정하였다.The movement of vanadium ions and sulfur ions through the membranes of Example 1 and Comparative Example 1 was measured through a separate electrolysis experiment for up to 50 hours or more.

구체적으로, 각 분리막을 통한 바나듐 이온(V3+)의 산에서 염기로 이동 및 황 이온(S4 2-)의 염기에서 산으로의 이동 여부의 측정은 10 mA/cm2의 인가된 전류 밀도로 별도의 전기 분해 실험으로 수행되었다. 바나듐 이온(V4+)의 이동을 알아보기 위해, 캐소드 공간을 포함하는 셀의 전해액을 각 시간 간격에 맞춰 샘플링(5 ㎖)하고 이를 자외선-가시광선 스펙트럼 분석을 수행하여 바나듐 이온의 유무를 확인하였다. 황 이온(S4 2-)의 이동의 경우도, 분리막의 캐소드 공간을 포함하는 셀의 전해액을 각 시간 간격에 맞춰 샘플링(5 ㎖)하고 이를 분광 광도계(s-3100, Scinco)를 사용하여 자외선-가시광선 스펙트럼 분석을 수행하여 황 이온의 유무를 확인하였다. 이때 스펙트럼 분석이나 KMnO4와의 적정화를 통해 충전 상태(State of charge, SOC)를 계산하였으며, 이를 위해 요구 시간 간격에 캐소드 전극(충전) 또는 애노드 전극(방전)의 셀에서 샘플(5 ㎖)을 추출하고 표준 농도 플롯을 사용하여 분석하였다.Specifically, the transfer of vanadium ions (V 3+ ) from acids to bases and sulfur ions (S 4 2- ) from bases to acids through each membrane was measured at an applied current density of 10 mA/cm 2 as a separate electrolysis experiment. In order to examine the movement of vanadium ions (V 4+ ), the electrolyte solution of the cell containing the cathode space was sampled (5 ml) at each time interval and subjected to UV-visible spectrum analysis to confirm the presence or absence of vanadium ions did In the case of the movement of sulfur ions (S 4 2- ), the electrolyte solution of the cell including the cathode space of the separator is sampled (5 ml) at each time interval, and ultraviolet rays are detected using a spectrophotometer (s-3100, Scinco). - Visible light spectrum analysis was performed to confirm the presence or absence of sulfur ions. At this time, the state of charge (SOC) was calculated through spectral analysis or titration with KMnO 4 . For this purpose, a sample (5 ml) was extracted from the cell of the cathode electrode (charge) or anode electrode (discharge) at the required time interval and analyzed using a standard concentration plot.

도 6 A는 실시예 1의 분리막에 대한 바나듐 이온의 이동 여부를 측정한 것으로, 반대편 반전지로부터 바나듐 반전지까지 1 시간 동안 이온의 UV-Visible 스펙트럼이다. 도 6 A에서 곡선 a는 애노드 셀의 바나듐 이온(V4+)의 UV-Visible 스펙트럼으로, 1 시간 동안 전해질 시료 채취 후 515 nm 부위에서 흡광도 피크가 감소함을 확인할 수 있다. 도 6 A에서 곡선 b는 캐소드 셀의 바나듐 이온(V4+)의 UV-Visible 스펙트럼으로, 바나듐 이온에 대한 피크가 전혀 없음을 확인할 수 있다. 따라서 제올라이트가 코팅된 분리막을 사용할 경우, 바나듐 이온이 산성 전해질(1M H2SO4)에서 염기성 전해질(1M NaOH)로 교차되지 않으며, 제올라이트가 코팅된 분리막을 통한 바나듐 이온 이동이 완벽히 방지됨을 알 수 있다.6A is a measurement of whether vanadium ions migrate through the separator of Example 1, and is a UV-Visible spectrum of ions from the opposite half cell to the vanadium half cell for 1 hour. In FIG. 6A, curve a is the UV-Visible spectrum of vanadium ions (V 4+ ) of the anode cell, and it can be seen that the absorbance peak at 515 nm decreases after electrolyte sampling for 1 hour. In FIG. 6A, curve b is a UV-visible spectrum of vanadium ions (V 4+ ) of the cathode cell, and it can be seen that there is no peak for vanadium ions. Therefore, when using a separator coated with zeolite, vanadium ions do not cross from an acidic electrolyte (1M H 2 SO 4 ) to a basic electrolyte (1M NaOH), and it can be seen that the migration of vanadium ions through the zeolite-coated separator is completely prevented. there is.

도 6 B는 실시예 1의 분리막에 대한 황 이온의 이동 여부를 측정한 것으로, 반대편 반전지로부터 황 반전지까지 1 시간 동안 이온의 UV-Visible 스펙트럼이다. 도 6 B에서 곡선 a는 캐노드 셀의 황 이온의 UV-Visible 스펙트럼으로, 300 nm에서 흡광도가 최대치를 나타낸다. 도 6 B에서 곡선 b는 애노드 셀의 황 이온의 UV-Visible 스펙트럼으로, 1 시간 동안 전해질 시료 채취 후 300 nm 부위에서 흡광도 피크가 완전히 감소함을 확인할 수 있다. 따라서 제올라이트가 코팅된 분리막을 사용할 경우, 제올라이트가 코팅된 분리막을 통한 황 이온 이동이 허용되지 않음을 알 수 있다.6B is a measurement of whether or not sulfur ions migrate to the separator of Example 1, and is a UV-Visible spectrum of ions from the opposite half-cell to the sulfur half-cell for 1 hour. In FIG. 6B, curve a is the UV-visible spectrum of sulfur ions in the cathode cell, and shows the maximum absorbance at 300 nm. In FIG. 6B, curve b is the UV-Visible spectrum of sulfur ions in the anode cell, and it can be seen that the absorbance peak at 300 nm is completely reduced after electrolyte sampling for 1 hour. Therefore, it can be seen that when a zeolite-coated membrane is used, sulfur ions are not allowed to move through the zeolite-coated membrane.

<충-방전 사이클 특성><Charge-discharge cycle characteristics>

실시예 1에 대하여, 5 mA/cm2의 전류 밀도를 사용하여 제올라이트가 코팅된 분리막으로 제조된 레독스 흐름 전지에 의한 V-S redox 쌍에 대해 충전 방전 성능을 수행하였다. 이때 실시예 1에서 1 cm의 거리 및 4 cm2의 기하학적 작업 영역을 갖는 흑연 펠트 및 Ni 폼 전극이 사용되었다. 연동 펌프를 사용하여 전해액이 셀을 통해 50 ㎖/min의 속도로 순환되도록 하였다. 모든 전극은 0.1M KNO3 수용액에서 0 내지 -1.4 V의 전기 화학적 사이클링 방법에 의해 세정되었으며, 최종적으로 물 및 에탄올로 세척되었다.With respect to Example 1, using a current density of 5 mA/cm 2 , charge/discharge performance was performed for a VS redox pair by a redox flow battery made of a zeolite-coated separator. In Example 1, graphite felt and Ni foam electrodes with a distance of 1 cm and a geometric working area of 4 cm 2 were used. A peristaltic pump was used to circulate the electrolyte through the cell at a rate of 50 ml/min. All electrodes were cleaned by an electrochemical cycling method from 0 to -1.4 V in 0.1 M KNO 3 aqueous solution, and finally washed with water and ethanol.

4 시간 동안의 충전 및 방전에 대해 획득한 결과는 도 7과 같다. 2 시간 충전 및 방전 전위 0.81 V에서 2.15 V의 충전 전위가 발견되었고 2 시간 동안 0.79 V에 도달했다. 얻어진 전위차는 1.34 V로, 적용된 전류 밀도를 제어하게 될 수 있다. 본 발명의 레독스 흐름 전지는 전압 효율이 37.7%이고, 에너지 효율이 36.9%에 달하였으며, 충전 상태(5%, 1 시간)에서 도출된 전류 효율은 94%로 나타났다.The results obtained for charging and discharging for 4 hours are shown in FIG. 7 . A charge potential of 2.15 V was found at 2 h charge and discharge potential of 0.81 V and reached 0.79 V in 2 h. The potential difference obtained is 1.34 V, which can lead to controlling the applied current density. The redox flow battery of the present invention had a voltage efficiency of 37.7%, an energy efficiency of 36.9%, and a current efficiency derived from a charged state (5%, 1 hour) of 94%.

도 8은 각 1 시간씩 사이클에서 장시간 충전 및 방전에 따른 전압, 전압 효율, 전류 효율, 에너지 효율 및 용량을 측정한 것이다. 도 8 A에서, 충전 및 방전 전위는 각각 2.15 V와 0.81 V로 적어도 50 사이클 동안 전위차가 1.34 V를 유지하였다. 또한 도 8 B에서, 전류 효율은 전체 200 사이클에서 94%를 유지하였고, 전압 효율 및 에너지 효율은 각각 43.3%에서 47.6% 및 40.8%에서 44.6%로 소폭 상승하였다. 특히 제올라이트가 코팅된 분리막을 통한 이온의 이동이 없으므로, 용량 페이딩은 완전히 최소화되며 200 사이클 모두에서 유지되었다.8 is a measurement of voltage, voltage efficiency, current efficiency, energy efficiency, and capacity according to long-term charging and discharging in a cycle of 1 hour each. 8A, the charge and discharge potentials were 2.15 V and 0.81 V, respectively, and the potential difference maintained 1.34 V for at least 50 cycles. In addition, in FIG. 8B, the current efficiency was maintained at 94% for the entire 200 cycles, and the voltage efficiency and energy efficiency slightly increased from 43.3% to 47.6% and from 40.8% to 44.6%, respectively. In particular, since there is no movement of ions through the zeolite-coated membrane, capacity fading is completely minimized and maintained throughout all 200 cycles.

아울러 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지는 산-염기 전해액 pH 조합에 대한 체적 에너지 밀도가 233.2 Wh/L로서 산-산 전해액 pH 조합의 경우와 비교하여 매우 우수하였다.In addition, the redox flow battery according to the present invention had a volumetric energy density of 233.2 Wh/L for the acid-base electrolyte pH combination, which was very excellent compared to that of the acid-acid electrolyte pH combination.

마지막으로 각 반전지의 산도와 알칼리도를 적절한 지표로 교차 점검한 결과, 산도와 알칼리성 농도의 변화는 발견되지 않았으며, 이로부터 제올라이트가 코팅된 분리막이 산-염기 전해액 시스템에서 물 분자를 효과적으로 허용함을 알 수 있다.Finally, as a result of cross-checking the acidity and alkalinity of each half-cell with appropriate indicators, no change in acidity and alkalinity concentration was found, indicating that the zeolite-coated separator effectively allows water molecules in the acid-base electrolyte system. Able to know.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지는 제올라이트가 코팅된 분리막이 산-염기 전해질 시스템에 사용됨으로써, 높은 에너지 효율과 함께 특히 분리막을 통한 이온의 이동이 완벽히 제한되어 반복적인 충전-방전 사이클이 수행되어도 용량 페이딩이 최소화되는 현저한 효과가 구현됨을 알 수 있다.As described above, in the redox flow battery according to the present invention, since the zeolite-coated separator is used in an acid-base electrolyte system, the movement of ions through the separator is completely restricted with high energy efficiency, so that repeated charge-discharge is performed. It can be seen that even if the cycle is performed, a remarkable effect of minimizing capacity fading is realized.

10 : 애노드, 20 : 캐소드,
30 : 분리막, 40 : 애노드 전해질 공급부(애노드 전해질 탱크),
50 : 캐소드 전해질 공급부(캐소드 전해질 탱크), 60 : 전원부
70 : 펌프
10: anode, 20: cathode,
30: separator, 40: anode electrolyte supply unit (anode electrolyte tank),
50: cathode electrolyte supply unit (cathode electrolyte tank), 60: power supply unit
70: pump

Claims (12)

애노드 전해질이 유입되며 애노드가 구비되는 애노드 셀, 캐소드 전해질이 유입되며 캐소드가 구비되는 캐소드셀; 및
상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 배치되어 상기 애노드 전해질 및 상기 캐소드 전해질의 혼합을 방지하는 분리막;을 포함하는 레독스 흐름 전지로서,
상기 애노드 전해질은 산성 수계 애노드 전해액이고, 상기 캐소드 전해질은 염기성 수계 캐소드 전해액이며, 상기 분리막은 제올라이트가 코팅된 다공성 세라믹 분리막인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지에 있어,
상기 산성 수계 애노드 전해액은 바나듐 이온 및 황 이온을 포함하는 레독스 흐름 전지.
An anode cell into which an anode electrolyte flows and having an anode, a cathode cell into which an electrolyte flows and having a cathode provided thereto; and
A redox flow battery comprising a separator disposed between the anode and the cathode to prevent mixing of the anode electrolyte and the cathode electrolyte,
In the redox flow battery, characterized in that the anode electrolyte is an acidic aqueous anode electrolyte, the cathode electrolyte is a basic aqueous cathode electrolyte, and the separator is a porous ceramic separator coated with zeolite,
The acidic aqueous anode electrolyte is a redox flow battery containing vanadium ions and sulfur ions.
제1항에 있어서,
상기 분리막은,
산화알루미늄계 다공성 세라믹막; 및
상기 세라믹막의 표면에 코팅되는 제올라이트;를 포함하는 레독스 흐름 전지.
According to claim 1,
The separator,
aluminum oxide-based porous ceramic film; and
Redox flow battery comprising a; zeolite coated on the surface of the ceramic membrane.
제2항에 있어서,
상기 분리막은 산화알루미늄계 다공성 세라믹막의 표면에 제올라이트가 수열합성법으로 성장 및 코팅되어 제조된 것인 레독스 흐름 전지.
According to claim 2,
The separator is a redox flow battery prepared by growing and coating zeolite on the surface of an aluminum oxide-based porous ceramic membrane by hydrothermal synthesis.
제1항에 있어서,
상기 분리막은 10 내지 50%의 공극률 및 0.01 내지 0.2 ㎛의 기공 크기를 가지는 것인 레독스 흐름 전지.
According to claim 1,
The separator is a redox flow battery having a porosity of 10 to 50% and a pore size of 0.01 to 0.2 ㎛.
제1항에 있어서,
상기 산성 수계 애노드 전해액은 pH가 2 내지 6이며,
상기 염기성 수계 캐소드 전해액은 pH가 8 내지 12인 것인 레독스 흐름 전지.
According to claim 1,
The acidic aqueous anode electrolyte has a pH of 2 to 6,
The basic water-based cathode electrolyte solution has a pH of 8 to 12 redox flow battery.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 염기성 수계 캐소드 전해액은 나트륨 이온을 포함하는 레독스 흐름 전지.
According to claim 1,
The basic water-based cathode electrolyte is a redox flow battery containing sodium ions.
제1항에 있어서,
상기 산성 수계 애노드 전해액은 VOSO4 및 H2SO4를 포함하는 수용액이며,
상기 염기성 수계 캐소드 전해액은 Na2S4 및 NaOH를 포함하는 수용액인 것인 레독스 흐름 전지.
According to claim 1,
The acidic aqueous anode electrolyte is an aqueous solution containing VOSO 4 and H 2 SO 4 ,
The basic water-based cathode electrolyte is a redox flow battery that is an aqueous solution containing Na 2 S 4 and NaOH.
제8항에 있어서,
상기 애노드 전해액에서, VOSO4 및 H2SO4는 수용액 상에서 각각 서로 독립적으로 0.3 내지 3M의 몰농도로 포함되며,
상기 캐소드 전해액에서, Na2S4 및 NaOH는 수용액 상에서 각각 서로 독립적으로 0.3 내지 3M의 몰농도로 포함되는 레독스 흐름 전지.
According to claim 8,
In the anode electrolyte, VOSO 4 and H 2 SO 4 are each independently included in an aqueous solution at a molar concentration of 0.3 to 3M,
In the cathode electrolyte, Na 2 S 4 and NaOH are each independently contained in an aqueous solution at a molar concentration of 0.3 to 3M redox flow battery.
제1항에 있어서,
상기 레독스 흐름 전지는,
상기 애노드 전해질을 수용하고 이를 상기 애노드 셀에 공급하는 애노드 전해질 공급부; 및
상기 캐소드 전해질을 수용하고 이를 상기 캐소드 셀에 공급하는 캐소드 전해질 공급부;를 포함하며,
상기 애노드 셀에서, 상기 애노드와 상기 분리막 사이에 상기 애노드 전해질이 수용되며,
상기 캐소드 셀에서, 상기 캐소드와 상기 분리막 사이에 상기 캐소드 전해질이 수용되는 레독스 흐름 전지.
According to claim 1,
The redox flow battery,
an anode electrolyte supply unit accommodating the anode electrolyte and supplying it to the anode cell; and
A cathode electrolyte supply unit for receiving the cathode electrolyte and supplying it to the cathode cell; includes,
In the anode cell, the anode electrolyte is accommodated between the anode and the separator,
In the cathode cell, the cathode electrolyte is accommodated between the cathode and the separator.
제1항에 있어서,
개방회로전위가 0.7 V 이상인 레독스 흐름 전지.
According to claim 1,
A redox flow battery with an open circuit potential greater than 0.7 V.
제1항에 있어서,
에너지 밀도가 200 Wh/ℓ 이상인 레독스 흐름 전지.
According to claim 1,
A redox flow battery having an energy density of 200 Wh/L or more.
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