KR102519292B1 - Electrolyte for vanadium redox flow battery and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기화학적 환원방법 또는 금속환원제를 사용 없이 1단계의 반응으로 저가이면서 고순도의 3 내지 4가 사이의 바나듐 산화수를 갖는 바나듐 레독스흐름전지용 전해액을 제공하기 위한 것이다. 본 발명은 산화수가 다른 복수의 바나듐 산화물을 산성 용액에 혼합한 후 반응시켜 3가 내지 4가 사이의 바나듐 산화수를 갖는 바나듐 전해액을 제조하는 단계를 포함하는 바나듐 레독스흐름전지용 전해액의 제조 방법 및 그 제조 방법으로 제조된 바나듐 레독스흐름전지용 전해액을 제공한다.An object of the present invention is to provide an electrolyte solution for a vanadium redox flow battery having a low-cost and high-purity vanadium oxidation number between 3 and 4 by one-step reaction without using an electrochemical reduction method or a metal reducing agent. The present invention relates to a method for preparing an electrolyte solution for a vanadium redox flow battery comprising the step of preparing a vanadium electrolyte having a vanadium oxidation number between 3 and 4 by mixing and reacting a plurality of vanadium oxides having different oxidation numbers in an acidic solution, and the same Provided is an electrolyte solution for a vanadium redox flow battery prepared by the manufacturing method.

Description

바나듐 레독스흐름전지용 전해액 및 그의 제조 방법{Electrolyte for vanadium redox flow battery and manufacturing method thereof}Electrolyte for vanadium redox flow battery and manufacturing method thereof

본 발명은 바나듐 레독스흐름전지(vanadium redox flow battery)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 1단계의 반응으로 3가 내지 4가 사이의 바나듐 산화수를 갖는 바나듐 레독스흐름전지용 전해액 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a vanadium redox flow battery, and more particularly, to an electrolyte solution for a vanadium redox flow battery having a vanadium oxidation number between trivalent and tetravalent in a one-step reaction and a method for manufacturing the same will be.

바나듐 레독스흐름전지는 수계이차전지 시스템으로 화재 및 폭발 위험성을 원천적으로 해결할 수 있고, 여러 장의 전극을 적층하여 스택화 할 수 있고, 활물질이 전해액에 녹아 출력과 에너지 용량을 자유롭게 설계가 가능한 장점이 있는 시스템이다.Vanadium redox flow battery is a water-based secondary battery system that can fundamentally solve the risk of fire and explosion, can stack by stacking multiple electrodes, and has the advantage of freely designing output and energy capacity by melting the active material in the electrolyte. It is a system that has

바나듐 레독스흐름전지에 사용되는 전해액은 주로 산성용액에 바나듐 산화수가 3가와 4가가 1:1 비율로 섞인 (V3.5+) 약 1.5~1.7M 농도의 바나듐 이온이 용해된 전해액을 적용하고 있다.The electrolyte used in the vanadium redox flow battery is mainly an electrolyte solution in which vanadium ions with a concentration of about 1.5 to 1.7M are dissolved in an acidic solution in which vanadium oxides of trivalent and tetravalent vanadium are mixed in a 1:1 ratio (V 3.5+ ).

이러한 바나듐 3.5가(VO2+/V3+=1/1) 전해액 제조를 위해서, 일반적으로 4가 바나듐 전해액 제조 후 이를 다시 전기화학적 또는 화학적인 환원반응을 통해 3.5가 바나듐 전해액을 제조하는 공정이 이용되고 있다.In order to prepare such a 3.5 valent vanadium electrolyte (VO 2+ /V 3+ = 1/1), a process of preparing a 3.5 valent vanadium electrolyte is generally performed through an electrochemical or chemical reduction reaction after preparing a 4-valent vanadium electrolyte. It is being used.

일반적으로 저렴한 V2O5 원료를 이용해 화학적 환원제를 적용해 4가 바나듐 전해액을 제조하며, 4가 이하의 산화수를 가지는 전해액 제조는 아연(Zn) 등과 같은 환원력이 강한 금속을 이용하여 4가 이하의 전해액을 제조할 수 있다.In general, a tetravalent vanadium electrolyte is produced by applying a chemical reducing agent using inexpensive V 2 O 5 raw materials. electrolyte solution can be prepared.

하지만 이러한 금속 환원제를 사용할 경우, 제조된 전해액 내에 금속 불순물이 존재하여 부반응 및 성능 저하의 문제가 발생할 수 있다.However, when such a metal reducing agent is used, problems of side reactions and performance degradation may occur due to the presence of metal impurities in the prepared electrolyte.

이러한 문제점을 해소하기 위해서, 전기화학적 방법으로 통해 4가 전해액을 이용하여 3가 바나듐 전해액을 제조하는 방법이 가장 널리 이용되고 있다. 전기화학적 환원반응은 불순물이 없고 안정적으로 전해액 생산이 가능할 수 있다.In order to solve this problem, a method of preparing a trivalent vanadium electrolyte using a tetravalent electrolyte through an electrochemical method is most widely used. The electrochemical reduction reaction may be free of impurities and stably produce an electrolyte.

하지만 기화학적 환원반응은 추가적인 전기화학 반응기가 필요하며, 반응시간이 오래 걸리고, 양극에서 발생하는 5가 전해액의 화학적 방법으로의 추가적인 환원반응이 필요하기 때문에, 매우 복잡한 공정을 가지게 되는 문제점을 안고 있다.However, the gaseous chemical reduction reaction requires an additional electrochemical reactor, takes a long reaction time, and requires an additional chemical reduction reaction of the pentavalent electrolyte generated at the anode, so it has a problem of having a very complicated process. .

공개특허공보 제2019-0124865호 (2019.11.06.)Publication No. 2019-0124865 (2019.11.06.)

따라서 본 발명의 목적은 전기화학적 환원방법 또는 금속환원제를 사용 없이 1단계의 반응으로 저가이면서 고순도의 3가 내지 4가 사이의 바나듐 산화수를 갖는 바나듐 레독스흐름전지용 전해액 및 그의 제조 방법을 제공하는 데 있다.Therefore, an object of the present invention is to provide an electrolyte solution for a vanadium redox flow battery having a low-cost and high-purity vanadium oxidation number between trivalent and tetravalent in a one-step reaction without using an electrochemical reduction method or a metal reducing agent and a method for manufacturing the same there is.

본 발명의 다른 목적은 바나듐 산화수를 제어할 수 있는 바나듐 레독스흐름전지용 전해액 및 그의 제조 방법을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide an electrolyte for a vanadium redox flow battery capable of controlling the oxidation number of vanadium and a method for manufacturing the same.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 산화수가 다른 복수의 바나듐 산화물을 산성 용액에 혼합한 후 반응시켜 3가 내지 4가 사이의 바나듐 산화수를 갖는 바나듐 전해액을 제조하는 단계;를 포함하는 바나듐 레독스흐름전지용 전해액의 제조 방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is a step of preparing a vanadium electrolyte having a vanadium oxidation number between 3 and 4 by mixing and reacting a plurality of vanadium oxides having different oxidation numbers in an acidic solution; vanadium redox including Provided is a method for preparing an electrolyte solution for a flow battery.

상기 제조하는 단계에서, 상기 산성 용액에 유기 환원제를 추가적으로 투입할 수 있다.In the preparing step, an organic reducing agent may be additionally added to the acidic solution.

상기 바나듐 산화물은 V2O5, V2O3 및 V2O4로 이루어진 그룹에서 선택되는 2종 이상이다.The vanadium oxide is at least two selected from the group consisting of V 2 O 5 , V 2 O 3 and V 2 O 4 .

상기 유기 환원제는 포름산, 포름알데히드, 메탄올, 에탄올, 옥살산 및 암모늄 하이드록사이드로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상이다.The organic reducing agent is at least one selected from the group consisting of formic acid, formaldehyde, methanol, ethanol, oxalic acid and ammonium hydroxide.

상기 바나듐 산화물은 V2O5 및 V2O3 일 수 있다.The vanadium oxide may be V 2 O 5 and V 2 O 3 .

상기 제조하는 단계에서, V2O5/V2O3 의 몰비 증가에 비례해서 상기 유기 환원제의 투입 양이 증가할수록 바나듐 산화수는 증가하고, 바나듐 농도는 낮아진다.In the preparing step, as the input amount of the organic reducing agent increases in proportion to the increase in the molar ratio of V 2 O 5 /V 2 O 3 , the oxidation number of vanadium increases and the concentration of vanadium decreases.

상기 제조하는 단계에서, V2O5/V2O3 의 몰비와 상기 유기 환원제의 투입 양 조절을 통해서, 제조되는 바나듐 전해액의 바나듐 산화수를 조절할 수 있다.In the preparing step, the vanadium oxidation number of the prepared vanadium electrolyte may be adjusted by adjusting the molar ratio of V 2 O 5 /V 2 O 3 and the input amount of the organic reducing agent.

상기 산성 용액은 황산, 염산, 질산 및 인산으로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상이다.The acidic solution is at least one selected from the group consisting of sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid and phosphoric acid.

그리고 본 발명은 산화수가 다른 복수의 바나듐 산화물을 산성 용액에 혼합한 후 반응시켜 제조한 3가 내지 4가 사이의 바나듐 산화수를 갖는 바나듐 전해액을 포함하는 바나듐 레독스흐름전지용 전해액을 제공한다.In addition, the present invention provides an electrolyte for a vanadium redox flow battery including a vanadium electrolyte having a vanadium oxidation number between 3 and 4, prepared by mixing and reacting a plurality of vanadium oxides having different oxidation numbers in an acidic solution.

본 발명에 따르면, 산화수가 다른 복수의 바나듐 산화물을 산성 용액에 혼합하여 반응시켜 3가 내지 4가 사이의 바나듐 산화수를 갖는 바나듐 전해액을 제조할 수 있다.According to the present invention, a vanadium electrolyte having a vanadium oxidation number between 3 and 4 can be prepared by mixing and reacting a plurality of vanadium oxides having different oxidation numbers in an acidic solution.

이와 같은 본 발명에 따른 제조 방법에 따르면, 전기화학적 환원방법 또는 금속환원제를 사용 없이 산화 용액을 이용한 1단계의 반응으로 저가이면서 고순도의 3가 내지 4가 사이의 바나듐 산화수를 갖는 바나듐 전해액을 제조할 수 있다. 즉 V2O5 및 V2O3 의 바나듐 산화물과 산성 용액을 반응시켜 3.5가 바나듐 전해액을 제조할 수 있기 때문에, 바나듐 전해액의 제조 공정을 간소화하고 추가적인 불순물의 발생 없는 고순도의 바나듐 전해액을 제조할 수 있다.According to the production method according to the present invention, a low-cost and high-purity vanadium electrolyte having an oxidation number between trivalent and tetravalent vanadium electrolyte can be prepared by a one-step reaction using an oxidizing solution without using an electrochemical reduction method or a metal reducing agent. can That is, since the 3.5 vanadium electrolyte can be prepared by reacting the vanadium oxide of V 2 O 5 and V 2 O 3 with an acidic solution, the manufacturing process of the vanadium electrolyte can be simplified and a high-purity vanadium electrolyte can be produced without generating additional impurities. can

그리고 산화수가 다른 복수의 바나듐 산화물을 산성 용액에 혼합하여 반응시키는 과정에서 투입되는 산화수가 다른 복수의 바나듐 산화물의 비율과 유기 환원제의 양을 조절함으로써, 제조되는 바나듐 전해액의 바나듐 산화수를 쉽게 조절할 수 있다.In addition, in the process of mixing and reacting a plurality of vanadium oxides having different oxidation numbers in an acidic solution, the vanadium oxidation number of the prepared vanadium electrolyte can be easily controlled by adjusting the ratio of the plurality of vanadium oxides having different oxidation numbers and the amount of the organic reducing agent. .

도 1은 비교예에 따른 전해액이 적용된 바나듐 레독스흐름전지의 충반전 특성을 보여주는 그래프이다.
도 2는 실시예에 따른 전해액이 적용된 바나듐 레독스흐름전지의 충반전 특성을 보여주는 그래프이다.
도 3은 실시예에 따른 전해액이 적용된 바나듐 레독스흐름전지의 수명 특성을 보여주는 그래프이다.
1 is a graph showing charge/reversal characteristics of a vanadium redox flow battery to which an electrolyte solution according to a comparative example is applied.
2 is a graph showing charge/reverse characteristics of a vanadium redox flow battery to which an electrolyte solution according to an embodiment is applied.
3 is a graph showing life characteristics of a vanadium redox flow battery to which an electrolyte solution according to an embodiment is applied.

하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.It should be noted that in the following description, only parts necessary for understanding the embodiments of the present invention are described, and descriptions of other parts will be omitted without departing from the gist of the present invention.

이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.The terms or words used in this specification and claims described below should not be construed as being limited to ordinary or dictionary meanings, and the inventors have appropriately used the concept of terms to describe their inventions in the best way. It should be interpreted as a meaning and concept consistent with the technical spirit of the present invention based on the principle that it can be defined in the following way. Therefore, the embodiments described in this specification and the configurations shown in the drawings are only preferred embodiments of the present invention, and do not represent all of the technical spirit of the present invention, so various equivalents that can replace them at the time of the present application. It should be understood that there may be variations and variations.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명은 산화수가 다른 복수의 바나듐 산화물을 산성 용액에 혼합한 후 반응시켜 3가 내지 4가 사이의 바나듐 산화수를 갖는 바나듐 전해액을 제조하는 단계를 포함하는 바나듐 레독스흐름전지용 전해액의 제조 방법을 제공한다.The present invention provides a method for preparing an electrolyte solution for a vanadium redox flow battery comprising the step of preparing a vanadium electrolyte solution having a vanadium oxidation number between 3 and 4 by mixing and reacting a plurality of vanadium oxides having different oxidation numbers in an acidic solution do.

여기서 제조하는 단계는 산화수가 다른 복수의 바나듐 산화물과 산성 용액의 혼합액을 80℃ 이상에서 1~12 시간 교반 후 냉각하여 바나듐 전해액을 제조할 수 있다. 교반은 5 시간 이상 수행하는 것이 바람직하다.In the manufacturing step, a vanadium electrolyte may be prepared by stirring a mixture of a plurality of vanadium oxides having different oxidation numbers and an acidic solution at 80° C. or higher for 1 to 12 hours and then cooling. Stirring is preferably performed for 5 hours or longer.

이와 같은 본 발명에 따른 바나듐 전해액의 제조 방법에 따르면, 전기화학적 환원방법 또는 금속환원제를 사용 없이 산화 용액을 이용한 1단계의 반응으로 저가이면서 고순도의 3가 내지 4가 사이의 바나듐 산화수를 갖는 바나듐 전해액을 제조할 수 있다.According to the method for preparing a vanadium electrolyte according to the present invention, a low-cost and high-purity vanadium electrolyte having a vanadium oxidation number between trivalent and tetravalent by one-step reaction using an oxidizing solution without using an electrochemical reduction method or a metal reducing agent can be manufactured.

본 발명에 따른 제조 방법은, 바나듐 전해액을 제조하는 단계에서, 유기 환원제를 추가적으로 투입할 수 있다.In the production method according to the present invention, an organic reducing agent may be additionally added in the step of preparing the vanadium electrolyte.

이와 같이 산화수가 다른 복수의 바나듐 산화물을 산성 용액에 혼합하여 반응시키는 과정에서 투입되는 산화수가 다른 복수의 바나듐 산화물의 비율과 유기 환원제의 양을 조절함으로써, 제조되는 바나듐 전해액의 바나듐 산화수를 쉽게 조절할 수 있다.In the process of mixing and reacting a plurality of vanadium oxides having different oxidation numbers in an acidic solution, the vanadium oxidation number of the prepared vanadium electrolyte can be easily controlled by adjusting the ratio of the plurality of vanadium oxides having different oxidation numbers and the amount of the organic reducing agent. there is.

본 발명에 따른 바나듐 전해액의 제조 방법에 대해서 구체적으로 설명하면 다음과 같다.The method for preparing the vanadium electrolyte according to the present invention will be described in detail.

바나듐 산화물은 V2O5, V2O3 및 V2O4로 이루어진 그룹에서 선택되는 2종 이상이 사용될 수 있다. 예컨대 바나듐 산화물로 V2O5 및 V2O3 이 사용될 수 있다.Vanadium oxide may be two or more selected from the group consisting of V 2 O 5 , V 2 O 3 and V 2 O 4 . For example, V 2 O 5 and V 2 O 3 may be used as vanadium oxide.

유기 환원제는 포름산, 포름알데히드, 메탄올, 에탄올, 옥살산 및 암모늄 하이드록사이드로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상이 사용될 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다.The organic reducing agent may be at least one selected from the group consisting of formic acid, formaldehyde, methanol, ethanol, oxalic acid, and ammonium hydroxide, but is not limited thereto.

그리고 산성 용액은 황산, 염산, 질산 및 인산으로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상이 사용될 수 있다.In addition, at least one selected from the group consisting of sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid and phosphoric acid may be used as the acidic solution.

여기서 바나듐 산화물로 V2O5 및 V2O3을 사용하는 경우에 있어서, 바나듐 전해액은 아래의 화학식에 따라서 제조될 수 있다.Here, in the case of using V 2 O 5 and V 2 O 3 as vanadium oxide, the vanadium electrolyte may be prepared according to the following chemical formula.

[화학식][chemical formula]

V2O5 + 3V2O3 + 10H2SO4 → 4VO2+ + 4V3+ + 10SO4 2- + 10H2OV 2 O 5 + 3V 2 O 3 + 10H 2 SO 4 → 4VO 2+ + 4V 3+ + 10SO 4 2- + 10H 2 O

화학식에 따르면, V2O3의 산화 반응을 이용하여 바나듐 5가 이온(VO2 +)의 바나듐 4가 이온(VO2+) 및 바나듐 3가 이온(V3+)으로의 환원 반응과, V2O3의 용해 반응을 통한 V3.5+ 의 바나듐 전해액을 제조할 수 있다.According to the chemical formula, a reduction reaction of vanadium pentavalent ions ( VO 2 + ) to vanadium tetravalent ions (VO 2+ ) and vanadium trivalent ions (V 3+ ) using the oxidation reaction of V 2 O 3 , and V A vanadium electrolyte solution of V 3.5+ may be prepared through a dissolution reaction of 2 O 3 .

예컨대 V2O5를 황산 조건에서 V2O3와 반응시키면, 바나듐 5가에서 4가로 환원되는 것을 바탕으로 V2O5와 V2O3를 1 대 3의 비율로 반응시킬 경우, 3.5가의 바나듐 전해액을 제조할 수 있다.For example, when V 2 O 5 is reacted with V 2 O 3 under sulfuric acid conditions, V 2 O 5 and V 2 O 3 are reacted at a ratio of 1:3 based on the fact that 5-valent vanadium is reduced to 4-valent. A vanadium electrolyte solution can be prepared.

이와 같이 본 발명에 따른 제조 방법으로 제조된 바나듐 전해액은 전기화학적 환원방법 대비 잉여 5가 바나듐 전해액을 발생하지 않으며, 금속환원제를 이용하는 화학 제조법 대비 불순물을 함유하지 않은 이점이 있다. 즉 본 발명에 따른 제조 방법에 따르면, 간단한 제조 공정을 통하여 3가 내지 4가 사이의 바나듐 산화수를 갖는 고순도의 바나듐 전해액을 제조할 수 있다.Thus, the vanadium electrolyte prepared by the manufacturing method according to the present invention has the advantage of not generating an excess 5-valent vanadium electrolyte compared to the electrochemical reduction method and containing no impurities compared to the chemical manufacturing method using a metal reducing agent. That is, according to the manufacturing method according to the present invention, a high-purity vanadium electrolyte having a vanadium oxidation number between 3 and 4 can be manufactured through a simple manufacturing process.

[실시예 및 비교예][Examples and Comparative Examples]

이와 같은 본 발명에 따른 바나듐 전해액의 화학적인 특성을 확인하기 위해서, 실시예1~5에 따른 바나듐 전해액을 제조하였다. 제조된 바나듐 전해액의 바나듐 산화수 및 바나듐 농도의 변화를 측정하였다.In order to confirm the chemical characteristics of the vanadium electrolyte according to the present invention, vanadium electrolytes according to Examples 1 to 5 were prepared. Changes in vanadium oxidation number and vanadium concentration of the prepared vanadium electrolyte were measured.

실시예 1Example 1

V2O5를 황산 조건에서 V2O3와 반응시켜 바나듐 전해액을 제조하는 공정에서 반응 시간에 대한 바나듐 산화수와 바나듐 농도 변화를 비교하였다.In the process of preparing a vanadium electrolyte by reacting V 2 O 5 with V 2 O 3 under sulfuric acid conditions, changes in vanadium oxidation number and vanadium concentration with respect to reaction time were compared.

4.5M 황산용액(20 ml)에 V2O3 와 V2O5 의 무게비 4.5/1 로 반응물을 투입하고 80℃ 이상 온도에서 1~12시간 교반 후 냉각하여 실시예 1에 따른 바나듐 전해액을 제조하였다.Vanadium electrolyte according to Example 1 was prepared by adding reactants to 4.5M sulfuric acid solution (20 ml) at a weight ratio of 4.5/1 of V 2 O 3 and V 2 O 5 , stirring for 1 to 12 hours at a temperature of 80 ° C or higher and then cooling. did

아래의 표 1을 참조하면, 실시예 1에 따른 바나듐 전해액은 반응시간이 길어질수록 산화수가 낮아지고 농도가 증가하는 것을 확인하였으며, 반응시간 6시간 이후 농도 및 산화수 변화가 없는 것을 확인하였다.Referring to Table 1 below, it was confirmed that the vanadium electrolyte according to Example 1 lowered the oxidation number and increased the concentration as the reaction time increased, and it was confirmed that there was no change in concentration and oxidation number after 6 hours of reaction time.

Figure 112020141797555-pat00001
Figure 112020141797555-pat00001

실시예 2Example 2

V2O5를 황산 조건에서 V2O3와 반응시켜 바나듐 전해액을 제조하는 공정에서 반응 시간에 대한 바나듐 산화수와 바나듐 농도 변화를 비교하였다.In the process of preparing a vanadium electrolyte by reacting V 2 O 5 with V 2 O 3 under sulfuric acid conditions, changes in vanadium oxidation number and vanadium concentration with respect to reaction time were compared.

4.5M 황산용액(20 ml)에 V2O3 와 V2O5 의 무게비 3/1 로 반응물을 투입하고 80℃ 이상 온도에서 6~9시간 교반 후 냉각하여 실시예 2에 따른 바나듐 전해액을 제조하였다.Vanadium electrolyte according to Example 2 was prepared by adding reactants to 4.5M sulfuric acid solution (20 ml) at a weight ratio of 3/1 of V 2 O 3 and V 2 O 5 , stirring at a temperature of 80 ° C. or higher for 6 to 9 hours, and then cooling. did

아래의 표 2를 참조하면, 실시예 2에 따른 바나듐 전해액은 반응시간 6시간 이후 바나듐 농도 및 바나듐 산화수 변화가 크지 않는 것을 확인하였다. V2O3 와 V2O5 의 무게비 3/1 조건에서 바나듐 산화수 3.5가, 바나듐 농도 약 1.7M 수준의 바나듐 전해액의 제조가 가능함을 확인하였다. Referring to Table 2 below, it was confirmed that the vanadium electrolyte according to Example 2 did not show significant changes in vanadium concentration and vanadium oxidation number after 6 hours of reaction time. It was confirmed that a vanadium electrolyte having a vanadium oxidation number of 3.5 and a vanadium concentration of about 1.7M can be prepared under the condition of a weight ratio of V 2 O 3 and V 2 O 5 of 3/1.

Figure 112020141797555-pat00002
Figure 112020141797555-pat00002

실시예 3Example 3

V2O5를 황산 조건에서 V2O3와 반응시켜 바나듐 전해액을 제조하는 공정에서 황산 몰 농도에 대한 바나듐 산화수와 바나듐 농도 변화를 비교하였다. In the process of preparing a vanadium electrolyte by reacting V 2 O 5 with V 2 O 3 under sulfuric acid conditions, changes in vanadium oxidation number and vanadium concentration versus sulfuric acid molar concentration were compared.

3.0~4.5M 황산용액(20 ml)에 V2O3 와 V2O5 의 무게비 3/1 로 반응물을 투입하고 80℃ 이상 온도에서 6시간 교반 후 냉각하여 실시예 3에 따른 바나듐 전해액을 제조하였다.Vanadium electrolyte according to Example 3 was prepared by adding a reactant to a 3.0-4.5M sulfuric acid solution (20 ml) at a weight ratio of 3/1 of V 2 O 3 and V 2 O 5 , stirring for 6 hours at a temperature of 80 ° C or higher, and then cooling. did

아래의 표 3을 참조하면, 실시예 3에 따른 바나듐 전해액은 황산농도에 따른 바나듐 산화수 및 바나듐 농도는 크게 차이가 나지 않음을 확인하였다.Referring to Table 3 below, it was confirmed that the vanadium electrolyte according to Example 3 did not significantly differ in the vanadium oxidation number and vanadium concentration according to the sulfuric acid concentration.

Figure 112020141797555-pat00003
Figure 112020141797555-pat00003

실시예 4Example 4

V2O5를 황산 조건에서 V2O3와 반응시켜 바나듐 전해액을 제조하는 공정에서 V2O5/V2O3 몰비 및 유기 환원제(옥살산)에 대한 바나듐 산화수와 바나듐 농도 변화를 비교하였다. In the process of preparing a vanadium electrolyte by reacting V 2 O 5 with V 2 O 3 under sulfuric acid conditions, the V 2 O 5 /V 2 O 3 molar ratio and the vanadium oxidation number and vanadium concentration change for the organic reducing agent (oxalic acid) were compared.

4.5M 황산용액(20 ml)에 V2O5 와 V2O3 의 몰비 1/3 ~ 1/1 로 반응물을 투입하고 유기 환원제인 옥살산 0.8~1.1 당량 추가하고 80℃ 이상 온도에서 5시간 교반 후 냉각하여 실시예 4에 따른 바나듐 전해액을 제조하였다.In 4.5M sulfuric acid solution (20 ml), the reactant was added at a molar ratio of 1/3 to 1/1 of V 2 O 5 and V 2 O 3 , and 0.8 to 1.1 equivalent of oxalic acid, an organic reducing agent, was added and stirred at a temperature of 80 ° C or higher for 5 hours. After cooling, a vanadium electrolyte solution according to Example 4 was prepared.

아래의 표 4를 참조하면, 실시예 4에 따른 바나듐 전해액은 환원제 추가에 따라 바나듐 산화수가 낮아지는 것을 확인하였으며, V2O5/V2O3 몰비 조절 및 유기 환원제(옥살산) 조절로 바나듐 산화수의 조절이 가능함을 확인하였다.Referring to Table 4 below, it was confirmed that the vanadium oxidation number of the vanadium electrolyte according to Example 4 was lowered according to the addition of the reducing agent, and the vanadium oxidation number was reduced by adjusting the V 2 O 5 /V 2 O 3 molar ratio and the organic reducing agent (oxalic acid). It was confirmed that control of

Figure 112020141797555-pat00004
Figure 112020141797555-pat00004

실시예 5Example 5

V2O5를 황산 조건에서 V2O3와 반응시켜 바나듐 전해액을 제조하는 공정에서 V2O5/V2O3 몰비 1/1 조건에서 유기 환원제(옥살산)에 대한 바나듐 산화수와 바나듐 농도 변화를 비교하였다.Changes in vanadium oxidation number and vanadium concentration for organic reducing agent (oxalic acid) under the condition of 1/1 molar ratio of V 2 O 5 / V 2 O 3 in the process of preparing vanadium electrolyte by reacting V 2 O 5 with V 2 O 3 under sulfuric acid conditions compared.

4.5M 황산용액(20 ml)에 V2O5 와 V2O3 의 몰비 1/1 로 반응물을 투입하고 유기 환원제인 옥살산 1.1~1.3 당량 추가하고 80℃ 이상 온도에서 5시간 교반 후 냉각하여 실시예 5에 따른 바나듐 전해액을 제조하였다.In 4.5M sulfuric acid solution (20 ml), the reactant was added at a molar ratio of 1/1 of V 2 O 5 and V 2 O 3 , and 1.1 to 1.3 equivalents of oxalic acid, an organic reducing agent, was added, stirred at a temperature of 80 ° C or higher for 5 hours, and then cooled. A vanadium electrolyte solution according to Example 5 was prepared.

아래의 표 5를 참조하면, 실시예 5에 따른 바나듐 전해액은 V2O5/V2O3 몰비 1/1 조건에서 옥살산 조절로 원하는 바나듐 산화수 3.5가 및 바나듐 농도 1.7M 조절이 가능함을 확인하였다.Referring to Table 5 below, it was confirmed that the vanadium electrolyte according to Example 5 can control the desired vanadium oxidation number of 3.5 and vanadium concentration of 1.7M by adjusting oxalic acid under the condition of 1/1 molar ratio of V 2 O 5 /V 2 O 3 .

Figure 112020141797555-pat00005
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이와 같은 본 발명에 따른 바나듐 전해액의 전기적 특성을 확인하기 위해서, 전술된 바와 같이 실시예 및 비교예에 따른 바나듐 전해액을 제조하였다. 제조된 바나듐 전해액을 적용하여 바나듐 레독스흐름전지를 제조한 후 충방전 특성과 수명 특성을 평가하였다.In order to confirm the electrical characteristics of the vanadium electrolyte according to the present invention, vanadium electrolytes according to Examples and Comparative Examples were prepared as described above. A vanadium redox flow battery was prepared by applying the prepared vanadium electrolyte, and then charge/discharge characteristics and lifespan characteristics were evaluated.

바나듐 레록스흐름전지는 단위 셀을 구비하는 형태로 제조하였다. 단위 셀의 전극으로는 열처리된 카본펠트를 사용하였고, 바이폴라플레이트로는 흑연을 사용하였고, 이온교환막으로는 Nafion 117을 사용하였다.The vanadium relox flow battery was manufactured in a form having a unit cell. Heat-treated carbon felt was used as the electrode of the unit cell, graphite was used as the bipolar plate, and Nafion 117 was used as the ion exchange membrane.

그리고 바나듐 전해액으로는 농도 1.7M 80mL를 적용하여, 충방전 특성 및 수명특성을 관찰하였고, 그 결과를 도 1 내지 도 3에 도시하였다. 실시예에 따른 바나듐 레독스흐름전지는 바나듐 전해액으로, 실시예 5에 따른 바나듐 산화수 3.5가 및 바나듐 농도 1.7M인 바나듐 전해액을 사용하였다.In addition, 80mL of 1.7M concentration was applied as the vanadium electrolyte, and the charge/discharge characteristics and lifespan characteristics were observed, and the results are shown in FIGS. 1 to 3. The vanadium redox flow battery according to the embodiment used the vanadium electrolyte having a vanadium oxidation number of 3.5 and a vanadium concentration of 1.7M according to Example 5 as a vanadium electrolyte.

도 1은 비교예에 따른 바나듐 전해액이 적용된 바나듐 레독스흐름전지의 충반전 특성을 보여주는 그래프이다. 도 2는 실시예에 따른 바나듐 전해액이 적용된 바나듐 레독스흐름전지의 충반전 특성을 보여주는 그래프이다. 그리고 도 3은 실시예에 따른 바나듐 전해액이 적용된 바나듐 레독스흐름전지의 수명 특성을 보여주는 그래프이다.1 is a graph showing charge/reversal characteristics of a vanadium redox flow battery to which a vanadium electrolyte solution according to a comparative example is applied. 2 is a graph showing charge/reverse characteristics of a vanadium redox flow battery to which a vanadium electrolyte solution according to an embodiment is applied. 3 is a graph showing life characteristics of a vanadium redox flow battery to which a vanadium electrolyte according to an embodiment is applied.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 비교예에 따른 기존 전해환원 전해액이 적용된 바나듐 레독스흐름전지는, 전류밀도 80 mA/cm2 조건에서 약 2,900 mAh 의 용량 특성을 보였으며, 에너지효율 특성이 83.5% 및 80 mA/cm2 수준으로 평가되었다.1 to 3, the vanadium redox flow battery to which the conventional electrolytic reduction electrolyte according to the comparative example was applied showed a capacity characteristic of about 2,900 mAh under a current density of 80 mA / cm 2 condition, and an energy efficiency characteristic of 83.5 % and 80 mA/cm 2 levels.

반면에 실시예에 따른 바나듐 전해액이 적용된 바나듐 레독스흐름전지는, 전류밀도 80 mA/cm2 조건에서 약 3,000 mAh 의 용량 특성을 보였으며, 에너지효율 특성이 84.9% 및 80 mA/cm2 수준으로, 비교예에 따른 전지 대비, 우수한 용량특성 및 에너지효율 특성을 나타내었다.On the other hand, the vanadium redox flow battery to which the vanadium electrolyte according to the embodiment was applied showed capacity characteristics of about 3,000 mAh under a current density of 80 mA/cm 2 , and energy efficiency characteristics of 84.9% and 80 mA/cm 2 . , compared to the battery according to the comparative example, exhibited excellent capacity characteristics and energy efficiency characteristics.

따라서 본 발명에 따른 바나듐 전해액의 제조 공정은 단순할 뿐만 아니라, 바나듐 레독스흐름전지에 적용 시 우수한 셀 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있다.Therefore, it can be confirmed that the manufacturing process of the vanadium electrolyte according to the present invention is not only simple, but also exhibits excellent cell characteristics when applied to a vanadium redox flow battery.

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.On the other hand, the embodiments disclosed in this specification and drawings are only presented as specific examples to aid understanding, and are not intended to limit the scope of the present invention. In addition to the embodiments disclosed herein, it is obvious to those skilled in the art that other modifications based on the technical idea of the present invention can be implemented.

Claims (12)

산화수가 다른 복수의 바나듐 산화물을 산성 용액에 혼합한 후 반응시켜 3가 내지 4가 사이의 바나듐 산화수를 갖는 바나듐 전해액을 제조하는 단계;
를 포함하는 바나듐 레독스흐름전지용 전해액의 제조 방법.
preparing a vanadium electrolyte solution having a vanadium oxidation number between 3 and 4 by mixing and reacting a plurality of vanadium oxides having different oxidation numbers in an acidic solution;
Method for producing an electrolyte solution for a vanadium redox flow battery comprising a.
제1항에 있어서, 상기 제조하는 단계에서,
상기 산성 용액에 유기 환원제를 추가적으로 투입하는 것을 특징으로 하는 바나듐 레독스흐름전지용 전해액의 제조 방법.
The method of claim 1, wherein in the manufacturing step,
A method for producing an electrolyte solution for a vanadium redox flow battery, characterized in that an organic reducing agent is additionally added to the acidic solution.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 바나듐 산화물은 V2O5, V2O3 및 V2O4로 이루어진 그룹에서 선택되는 2종 이상인 것을 특징으로 하는 바나듐 레독스흐름전지용 전해액의 제조 방법.
According to claim 1 or 2,
The vanadium oxide is a method for producing an electrolyte solution for a vanadium redox flow battery, characterized in that at least two selected from the group consisting of V 2 O 5 , V 2 O 3 and V 2 O 4 .
제2항에 있어서,
상기 유기 환원제는 포름산, 포름알데히드, 메탄올, 에탄올, 옥살산 및 암모늄 하이드록사이드로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 바나듐 레독스흐름전지용 전해액의 제조 방법.
According to claim 2,
The organic reducing agent is a method for producing an electrolyte solution for a vanadium redox flow battery, characterized in that at least one selected from the group consisting of formic acid, formaldehyde, methanol, ethanol, oxalic acid and ammonium hydroxide.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 바나듐 산화물은 V2O5 및 V2O3 인 것을 특징으로 하는 바나듐 레독스흐름전지용 전해액의 제조 방법.
According to claim 1 or 2,
The vanadium oxide is a method for producing an electrolyte solution for a vanadium redox flow battery, characterized in that V 2 O 5 and V 2 O 3 .
제5항에 있어서, 상기 제조하는 단계에서,
V2O5/V2O3 의 몰비 증가에 비례해서 상기 유기 환원제의 투입 양이 증가할수록 바나듐 산화수는 증가하고, 바나듐 농도는 낮아지는 것을 특징으로 하는 바나듐 레독스흐름전지용 전해액의 제조 방법.
The method of claim 5, wherein in the manufacturing step,
A method for producing an electrolyte solution for a vanadium redox flow battery, characterized in that the vanadium oxidation number increases and the vanadium concentration decreases as the input amount of the organic reducing agent increases in proportion to the increase in the molar ratio of V 2 O 5 /V 2 O 3 .
제5항에 있어서, 상기 제조하는 단계에서,
V2O5/V2O3 의 몰비와 상기 유기 환원제의 투입 양 조절을 통해서, 제조되는 바나듐 전해액의 바나듐 산화수를 조절하는 것을 특징으로 하는 바나듐 레독스흐름전지용 전해액의 제조 방법.
The method of claim 5, wherein in the manufacturing step,
A method for producing an electrolyte solution for a vanadium redox flow battery, characterized in that by controlling the vanadium oxidation number of the prepared vanadium electrolyte by adjusting the molar ratio of V 2 O 5 /V 2 O 3 and the input amount of the organic reducing agent.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 산성 용액은 황산, 염산, 질산 및 인산으로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 바나듐 레독스흐름전지용 전해액의 제조 방법.
According to claim 1 or 2,
The acidic solution is a method for producing an electrolyte solution for a vanadium redox flow battery, characterized in that at least one selected from the group consisting of sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid and phosphoric acid.
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