KR20120078397A - 레독스 플로우 전지 - Google Patents
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Abstract
레독스 플로우 전지가 개시된다. 고리 구조 또는 스피로 구조의 지지전해질을 사용함으로써 에너지 효율 및 에너지 밀도가 높은 레독스 플로우 전지를 제공할 수 있다.
Description
레독스 플로우 전지가 제공된다. 더욱 상세하게는 에너지 효율 및 에너지 밀도가 높은 레독스 플로우 전지가 제공된다.
2차 전지는 고효율 에너지 저장 시스템으로, 소형 모바일용으로부터 중대형 전력 저장용까지 다양한 용도로 사용되고 있다. 특히, 반도체 및 액정 분야, 음향 분야 및 휴대전화, 노트북과 같은 정보통신 분야에서 주요 핵심부품으로 사용되고 있으며, 최근에는 하이브리드 자동차의 동력원으로 사용되고 있다.
이러한 전력저장 시스템에는 더욱 안정한 에너지 공급과 높은 에너지 변환효율이 요구되고 있으며, 최근에 대규모 전력 저장 시스템에 가장 적합한 고출력 및 고내구성의 2차 전지로서 레독스 플로우 전지가 각광 받고 있다.
이러한 레독스 플로우 전지는 다른 전지와는 다르게 활물질이 고체가 아닌 수용액 상태의 이온으로 존재하며, 양극과 음극에서 각 이온들의 산화/환원 반응에 의해 전기 에너지를 저장 및 발생하는 메커니즘을 가진다.
즉, 레독스 플로우 전지는 전극의 활물질이 용매에 녹아 있는 전해액(용액) 상태이며, 산화수가 다른 양극전해액과 음극전해액으로 구성된 전지를 충전시키면 양극에서는 산화반응이, 음극에서는 환원반응이 일어나며, 전지의 기전력은 양극전해액과 음극전해액을 구성하고 있는 레독스 커플(redox couple)의 표준전극전위(E0)의 차이에 의해서 결정된다. 한편, 전해액은 전해액 탱크로부터 펌프에 의해 공급되며 양극과 음극의 표면에서 산화환원 반응속도가 빠른 일반 전지의 장점과 높은 출력 특성을 가지는 연료전지의 장점을 동시에 가진다.
도 1은 종래 레독스 플로우 전지를 간략하게 나타낸 도면이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 레독스 플로우 전지는 이온교환막(10)에 의해 양극 셀(1)과 음극 셀(2)로 나뉘어진다. 양극 셀(1)과 음극 셀(2)은 각각 양극(13)과 음극(14)을 포함한다. 양극 셀(1)은 파이프(41)를 통해 양극 전해액(11)을 공급 및 방출하기 위한 양극 탱크(21)에 연결되어 있다. 마찬가지로 음극 셀(2)은 파이프(42)를 통해 음극 전해액(12)을 공급 및 방출하기 위한 음극 탱크(22)에 연결되어 있다. 전해액은 펌프(31, 32)를 통해 순환하고, 양극(13)과 음극(14)에서 이온의 원자가 변경 반응에 따라 충전 및 방전이 일어난다.
상기 이온교환막(10)은 양극 전해액(11)과 음극 전해액(12)의 활물질 이온간의 혼합을 방지하고 지지 전해질의 전하운반체 이온의 전달만 허용한다.
본 발명의 한 측면은 에너지 효율 및 에너지 밀도가 높은 레독스 플로우 전지를 제공하는 것이다.
한 측면에 따라, 양극 및 양극 전해액을 포함하는 양극 셀;
음극 및 음극 전해액을 포함하는 음극 셀; 및
상기 양극 셀과 상기 음극 셀 사이에 위치하는 이온교환막을 포함하는 레독스 플로우 전지로서,
상기 양극 전해액과 상기 음극 전해액은 각각 비수계 용매, 지지 전해질 및 금속-리간드 배위 화합물을 포함하고,
상기 지지 전해질은 하기 화학식 1 또는 화학식 2의 염 중 1종 이상을 포함하는 레독스 플로우 전지가 제공된다:
[화학식 1]
[화학식 2]
상기 식에서
m은 3 내지 7의 정수이고,
n은 3 내지 7의 정수이고,
Y-는 상대 음이온(counter anion)을 나타내고,
R1 및 R2는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 5의 알킬기, 또는 탄소수 1 내지 5의 알콕시기를 나타낸다.
일 구현예에 따르면 상기 Y-는 BF4 -, Cl-, Br-, I-, SO4 -, PF6 -, ClO4 - 및 CF3SO3 - 중에서 선택된 1종 이상의 상대 음이온일 수 있다.
한 측면에 따르면 고농도의 전해액 제조가 가능하고, 부반응이 억제된 지지전해질을 사용함으로써 에너지 효율 및 에너지 밀도가 높은 레독스 플로우 전지를 얻을 수 있다.
도 1은 레독스 플로우 전지의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 및 비교예에서 사용된 지지전해질의 비수계 용매에의 용해도를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 전지의 방전 용량을 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예 및 비교예에서 사용된 지지전해질의 비수계 용매에의 용해도를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 전지의 방전 용량을 나타낸 그래프이다.
이하에서 예시적인 하나 이상의 구현예에 따른 레독스 플로우 전지에 대하여 더욱 상세히 설명한다.
일 구현예에 따른 레독스 플로우 전지는 양극 및 양극 전해액을 포함하는 양극 셀; 음극 및 음극 전해액을 포함하는 음극 셀; 및 상기 양극 셀과 상기 음극 셀 사이에 위치하는 이온교환막을 포함하는 레독스 플로우 전지로서,
상기 양극 전해액과 상기 음극 전해액은 각각 비수계 용매, 지지 전해질 및 금속-리간드 배위 화합물을 포함하고, 상기 지지 전해질은 하기 화학식 1 또는 화학식 2의 염 중 1종 이상을 포함하는 레독스 플로우 전지이다:
[화학식 1]
[화학식 2]
상기 식에서
m은 3 내지 7의 정수이고,
n은 3 내지 7의 정수이고,
Y-는 상대 음이온(counter anion)을 나타내고,
R1 및 R2는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 5의 알킬기, 또는 탄소수 1 내지 5의 알콕시기를 나타낸다.
레독스 플로우 전지는 전기 부하를 포함하는 외부 회로에 연결하여 전류를 흐르게 함으로써 방전되며, 반대로 전지에 외부 전원을 연결하여 전류가 유입되게 함으로써 충전이 진행된다.
일반적으로 양극 전해질(catholyte)은 레독스 커플이 2가지 산화가(oxidation state) 중 높은 쪽으로 산화될 때 충전되며, 2가지 산화가 중 낮은 쪽으로 환원될 때 방전된다. 역으로, 음극 전해질(anolyte)은 레독스 커플이 2가지 산화가 중 낮은 쪽으로 환원될 때 충전되며, 2가지 산화가 중 높은 쪽으로 산화될 때 방전된다:
양극
Cn ( Cn-y + ye- (충전)
Cn-y + ye- ( Cn (방전)
(C: 양극 전해질)
음극
An-x + xe- ( An (충전)
An ( An-x + xe- (방전)
(A: 음극 전해질)
수계 용매를 사용하는 종래의 레독스 플로우 전지의 경우 작동 전위가 물 분해 전위 영역에 한정되기 때문에 구동 전압이 낮으므로 에너지 밀도가 낮다는 단점을 가지고 있다. 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 비수계 용매를 사용할 수 있다.
레독스 플로우 전지에 사용되는 지지전해질은 반응에 직접 참여하지는 않고 양극 전해액과 음극 전해액 간의 전하의 균형을 유지하는 (charge balance) 역할을 한다.
종래에는 예를 들어 4 급 암모늄염이 PC, GBL과 같은 유기용매에 용해되어 각각 (+)극에 음이온이, (-)극에 양이온이 이동하여 기전력을 발생시키는 전해질로 작용하였다. 이와 달리, 본 발명에서는 금속-리간드 배위 화합물이 전해질로 작용하여 중심 금속의 레독스 반응에 의해 기전력이 생기며, 상기 화학식 1 또는 화학식 2의 암모늄염은 이온교환막의 종류에 따라 이들의 양이온 또는 음이온이 전도되어 레독스 반응을 촉진하는 지지전해질의 역할을 한다.
종래 지지전해질로 사용되고 있는 선형의 염, 예를 들어, 테트라에틸암모늄테트라플루오로보레이트(TEABF4), 트리에틸메틸암모늄테트라플루오로보레이트(TEMABF4)는 비수계 용매에서의 용해도가 낮아 고농도의 유기 전해질을 사용할 경우 침전이 발생하므로 전지의 에너지 밀도를 향상시키는데 제한이 있고 부반응(호프만 반응; Hoffmann reaction)으로 인하여 전지의 효율을 감소시킨다. 여기서 호프만 반응이란 하기한 반응식에 나타낸 것처럼 예를 들어 테트라에틸암모늄테트라플루오로보레이트가 트리에틸아민과 에틸렌으로 분해되는 반응으로, 이러한 부반응으로 인하여 TEABF4는 지지전해질로서의 역할을 충분히 할 수 없게 되는 것이다:
[반응식 1]
본 발명의 일 구현예에 따른 상기 화학식 1 또는 화학식 2의 고리형 또는 스피로형 암모늄염은 종래의 선형 암모늄염에 비해 분자구조 크기가 작아, 비수계 용매에 대한 용해도가 뛰어나고, 따라서 이를 지지전해질로 사용할 경우 유기 전해질인 금속-리간드 배위 화합물을 고농도로 사용할 수 있어 전지의 에너지 밀도를 높일 수 있다. 또한, 지지전해질의 분해와 같은 부반응이 억제되어 레독스 플로우 전지의 방전 속도가 빠르고 전지 효율을 개선시킬 수 있다.
구체적으로, 고리형 또는 스피로형 암모늄염은 종래의 선형 암모늄염에 비해 분자궤도함수 계산에 의한 양이온의 크기가 약 30% 정도 더 작아 단단하면서 작은 크기의 분자를 구성하고 있고, 따라서 선형 암모늄염에 비해 확산계수가 크다. 또한 고리형 또는 스피로형 암모늄염은 전하 분포에서 2개의 전하 전달 방법 즉, 이온 호핑(hopping) 메카니즘, 및 확산 메커니즘을 모두 가지고 있어 확산 메카니즘만 갖고 있는 선형 암모늄염에 비해 전하 전달이 더 빠르게 진행된다.
상기한 이유로, 본 발명의 일 구현예에 따른 레독스 플로우 전지에서, 고리형 또는 스피로형 암모늄염을 포함하는 지지전해질은 금속-리간드 배위 화합물과 함께 사용시, 상기 배위 화합물의 중심 금속의 레독스 반응을 촉진하는 지지전해질의 역할인 양이온 또는 음이온의 이동을 도와주어 에너지 효율을 높이고, 특정 비수계 용매에서 고농도의 유기 전해질과 함께 사용할 수 있어 레독스 플로우 전지의 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다. 이를 통하여 레독스 플로우 전지 개발 목표인 에너지 효율 및 에너지 밀도 둘 다를 증가시킬 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 화학식 1 또는 화학식 2에서 상기 Y-는 BF4 -, Cl-, Br-, I-, SO4 -, PF6 -, ClO4 - 및 CF3SO3 - 중에서 선택된 1종 이상의 상대 음이온일 수 있다.
상기 지지전해질의 예로는 스피로-(1,1')-비피롤리디늄(SBP), 스피로-(1,1')-비피페리디늄(SBPI), 피페리딘-1-스피로-1-피롤리디늄(PISP), 1-에틸-1-메틸피롤리디늄(EMP), 디메틸피롤리디늄(DMP) 및 디에틸피롤리디늄(DEP) 중에서 선택된 1종 이상과 상대 음이온의 염일 수 있다.
상기 지지전해질의 구체적인 예로는 스피로-(1,1')_비피롤리디늄테트라플루오로보레이트(Spiro-(1,1')-bipyrrolidiniumtetrafluoroborate; SBP-BF4), 스피로-(1,1')_비피페리디늄테트라플루오로보레이트(Spiro-(1,1')-bipiperidinumtetrafluoroborate; SBPI-BF4), 피페리딘-1-스피로-1'-피롤리디늄테트라플루오로보레이트(Piperidine-1-spiro-1'-pyrrolidiniumtetrafluoroborate; PISP-BF4), 1-에틸-1-메틸피롤리디늄테트라보레이트(1-Ethyl-1-methylpyrrolidiniumtetrafluoroborate; EMP-BF4), 디메틸피롤리디늄테트라플루오로보레이트(Dimethylpyrrolidiniumtetrafluoroborate; DMP-BF4), 또는 디에틸피롤리디늄테트라플루오로보레이트(Diethylpyrrolidiniumtetrafluoroborate; DEP-BF4)가 있다:
상기 화학식 1 또는 화학식 2의 지지전해질은 양극 전해액 또는 음극 전해액 중 0.1M 내지 2M의 양으로 존재할 수 있다. 상기 범위에 있는 경우, 전지 효율 개선 효과가 뛰어날 수 있으며 활물질 활성에 불리한 영향을 미치지 않을 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 레독스 플로우 전지에서 금속-리간드 배위 화합물 중 중심 금속은 Ni, Co, Fe, Ru, Zn, Mn, Y, Zr, Ti, Cr, Mg, Ce, Cu, Pb 및 V 중 1종 이상일 수 있다.
상기 금속-리간드 배위 화합물에 포함되는 리간드는 지방족 리간드 또는 방향족 리간드일 수 있다.
상기 리간드는 디피리딜, 터피리딜, 에틸렌디아민, 프로필렌디아민, 페난트롤린 및 N-헤테로시클릭카르벤(N-heterocyclic carbine; NHC) 로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 NHC는 2,6-비스(메틸이미다졸-2-일리덴)피리딘, 1,3-디메시틸이미다졸, 1,3-비스(2,5-디이소프로필페닐)이미다졸, 1,3-디메틸이미다졸, 1,3-디-tert-부틸이미다졸, 1,3-디시클로헥실이미다졸 및 1-에틸3-메틸이미다졸 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
상기 금속-리간드 배위 화합물의 예로는 하기한 것들을 들 수 있다:
상기 금속-리간드 배위 화합물의 짝 음이온으로서 BF4 -, PF6 -, CF3SO3 -, 또는 (CF3SO2)2N-를 더 포함할 수 있다.
상기 금속-리간드 배위 화합물은 가역적인 산화 환원 반응을 할 수 있다.
상기 비수계 용매로는 디메틸 아세트아미드, 디에틸 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 아세토니트릴, γ-부티로락톤(GBL), 프로필렌 카보네이트(PC), 에틸렌 카보네이트(EC), N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 플루오로에틸렌 카보네이트, N,N-디메틸아세트아미드 및 아디포니트릴(ADPN)로부터 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다.
상기 레독스 플로우 전지는 상기 양극 셀 및 상기 음극 셀과 각각 유체 연결된 양극 전해액 탱크 및 음극 전해액 탱크를 더 포함할 수 있다.
상기 이온교환막으로는 종래의 레독스 플로우 전지에 사용되는 이온교환막을 제한없이 사용할 수 있으며, 양이온 교환막으로는 스티렌-디비닐벤젠 공중합체를 설폰화하여 얻어지는 양이온 교환막, 테트라플루오로에틸렌과 퍼플루오로설포닐에톡시비닐에테르의 공중합체를 베이스로 하여 설폰산기를 도입한 양이온 교환막, 테트라플루오로에틸렌과 카르복시기를 측쇄에 가지는 퍼플루오로비닐에테르와의 공중합체로 이루어지는 양이온 교환막, 방향족 폴리설폰 공중합체를 베이스로 하여 술폰산기를 도입한 양이온 교환막 등을 이용할 수 있다.
상기 음이온 교환막은 양극 전해질과 음극 전해질의 혼합을 방지하고 금속-리간드 배위 화합물의 짝 음이온을 전하 운반체로 사용하도록 하며 적은 양의 지지전해질로도 충분한 양의 전하운반체의 농도를 확보할 수 있으며, 양이온인 활물질의 이동을 억제하여 높은 충방전 효율 및 전압 효율을 달성할 수 있다는 점에서 유리할 수 있다.
종래의 양이온 교환막을 사용하는 경우 전하운반체의 제공물질(source)로 양이온의 염(Na+, Li+, H+)을 사용하였으나 유기 용매에서의 이러한 염의 용해도가 떨어지고, 용해도를 높이기 위해 소량의 물을 첨가하는 경우 리간드가 불안정하여 산화 환원반응이 완전히 가역적이지 못한 반면, 음이온 교환막을 사용하면 유기 용매에서도 용해도가 높은 염을 도입할 수 있어 물을 완전히 제거할 수 있게 되며 리간드가 분해되는 것을 막을 수 있고 금속-리간드 배위 화합물의 산화 환원 반응이 가역적이 됨으로써 사이클 특성이 개선되고 전압특성이 향상된다.
상기 음이온 교환막으로는 스티렌-디비닐벤젠의 공중합체를 베이스로 하여 클로로메틸기를 도입, 아미노화 한 음이온 교환막, 비닐피리딘-디비닐벤젠의 공중합체를 4급 피리듐화한 음이온 교환막, 방향족 폴리설폰 공중합체를 베이스로 하여 클로로메틸기를 도입, 아미노화한 음이온 교환막 등을 이용할 수 있다.
시판되고 있는 음이온 교환막으로는 ASTOM사의 NEOSEPTA-AMEX, NEOSEPTA-AHA, NEOSEPTA-ACS, LANXESS사의 Cybron ionan MA3475, FuMa-tech사의 FAS, FAB, FAN, FAA, FAD, PCA(Polymerchemie Altmeier)사의 PC 100D, PC 200D, PC-SA가 있다.
상기 레독스 플로우 전지는 기존의 휴대폰, 휴대용 컴퓨터 등의 용도 외에, 전기차량(Electric Vehicle)과 같은 고용량, 고출력이 요구되는 용도에도 적합하며, 기존의 내연기관, 연료전지, 수퍼커패시터 등과 결합하여 하이브리드 차량(Hybrid Vehicle) 등에도 사용될 수 있다. 또한, 상기 레독스 플로우 전지는 고출력, 고전압이 요구되는 기타 모든 용도에 사용될 수 있다.
이하에서는 본 발명을 실시예 및 비교예를 들어 보다 상세히 설명하나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
제조예 1: Fe2+ - (bpy)3 [BF4]2 - 전자 1개 이동
100ml 둥근 바닥 플라스크에 Fe(BF4)2 ㆍ6H2O 15.24g(29.88 mmol)을 넣고 여기에 50ml 에탄올을 첨가한 다음 20분 동안 용액 상태가 될 때까지 교반하였다.
또 다른 100ml 둥근 바닥 플라스크에 비피리딘 14g (89.64mmol)을 넣고 여기에 에탄올 80ml를 첨가한 다음 10분 동안 용액 상태가 될 때까지 교반하였다.
상기 Fe(BF4)2 ㆍ6H2O 용액에 비피리딘 용액을 서서히 첨가하여 혼합 용액의 색이 점차적으로 붉은색이 될 때까지 상온에서 3시간 교반하였다. 상기 결과물을 여과한 다음 물 및 에탄올 150ml로 3회 세척한 다음, 자연 건조한 뒤 진공오븐에서 건조시켜 16.632 g (79.7%)의 짙은 붉은색 고체를 얻었다.
제조예 2: Ni2 + - (bpy)3 [BF4]2 - 전자 2개 이동
100ml 둥근 바닥 플라스크에 Ni(BF4)2 ㆍ6H2O 7.99 g(23.48 mmol)을 넣고 여기에 50ml 에탄올을 첨가한 다음 20분 동안 용액 상태가 될 때까지 교반하였다. 또 다른 100ml 둥근 바닥 플라스크에 비피리딘 11g (70.43mmol)을 넣고 여기에 에탄올 90ml를 첨가한 다음 10분 동안 용액 상태가 될 때까지 교반하였다.
상기 Ni(BF4)2 ㆍ6H2O 용액에 비피리딘 용액을 서서히 첨가하여 혼합 용액의 색이 녹색에서 분홍색이 될 때까지 상온에서 2.5시간 교반하였다. 상기 결과물을 여과한 다음 물 및 에탄올 150ml로 3회 세척한 다음, 자연 건조한 뒤 진공오븐에서 건조시켜 15.09 g (91.7%)의 분홍빛 고체를 얻었다.
실시예 1
용매 프로필렌 카보네이트(PC) 5mL에 녹아있는 0.2M Fe(bpy)3(BF4)2 를 양극 전해액으로 하고, 용매 프로필렌 카보네이트(PC) 5mL에 녹아있는 0.2M Ni(bpy)3BF4를 음극 전해액으로 한 다음 충전을 실시하였다. 각각 지지전해질로 0.5M SBPBF4 염을 각 전해액에 첨가하여 사용하였다.
카본 펠트(Nippon Graphite, GF20-3, t = 3 mm, A = 5ⅹ5 cm2)를 공기 분위기에서 500℃로 5시간 동안 열처리하여 준비된 전극을 사용하였으며, 전지는 non-flow type 전지를 다음과 같이 제조하여 평가하였다. 이온교환막은 Tokuyama 사의 모델명 NEOSEPTA AMX , Fumatech 사의 모델명 FAP4 을 사용하였다.
너트 일체형 엔드 플레이트(end plate)가 밑으로 오게 한 후 절연체, 집전체(current collector) 및 바이폴라 플레이트를 적층 하였다. 5ⅹ5cm2 정사각형 카본 펠트(carbon felt) 전극을 1/2로 잘라 직사각형으로 한 후 바이폴라 플레이트의 요면(concave) 안에 삽입하였다.
상기 방법으로 제조한 양극 카본 펠트 전극 및 음극 카본 펠트 각각에 상기에서 제조한 유기 전해액을 3ml를 주액한 후 조립하였다. 접시 스프링이 끼워진 볼트를 토크 렌치(torque wrench)로 1.5 Nm까지 대각선 순서로 조여주었다. 조립 완료 후 각 전극의 주액 구멍으로 나머지 전해액을 주액한 후, 테플론 볼트(teflon bolt)로 막았다. 기체 누출 홀(leak hole)이 있는 것이 각 바이폴라 플레이트에 한 개씩 사용되도록 하였다.
실시예 2
지지전해질로 SBPBF4 대신 EMPBF4를 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 레독스 플로우 전지를 제조하였다.
비교예 1
지지전해질로 SBPBF4 대신 TEABF4를 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 레독스 플로우 전지를 제조하였다.
비교예 2
지지전해질로 SBPBF4 대신 TEMABF4를 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 레독스 플로우 전지를 제조하였다.
지지전해질의 용해도 평가
상기 실시예 및 비교예에서 각각 사용한 지지전해질 자체의 비수계 용매에 대한 용해도를 측정하였으며 그 결과를 도 2에 나타내었다. 용매로는 프로필렌 카보네이트를 사용하였으며 일정 농도에서 1시간 교반 후 전해질의 완전 용해여부를 육안으로 확인하였다. 도 2에서 보듯이 본 발명의 일 구현예에 따른 레독스 플로우 전지에 사용되는 고리형 또는 스피로형 암모늄염은 종래의 선형 암모늄염에 비해 비수계 용매에서도 용해도가 뛰어남을 알 수 있다.
유기 전해질의 용해도 평가
지지전해질과 유기 전해질을 함께 사용하였을 경우 유기 전해질의 용해도를 평가하였다. 지지전해질로는 각각 TEABF4와 SBPBF4을 각각 0.0, 0.2, 0.5몰 프로필렌 카보네이트에 첨가한 다음 1.2M Fe(bpy)3(BF4)2를 총 부피가 10ml가 될 때까지 첨가하였다. 각각의 경우에 대해 침전 생성 여부를 확인하였다. 그 결과는 하기 표 1에 나타내었다.
| 지지전해질 | 1.2M Fe(bpy)3(BF4)2 용해도 | |
| 종류 | 몰(mole) | |
| TEABF4 | 0.0 | 용해 |
| 0.2 | 침전 발생 | |
| 0.5 | 침전 발생 | |
| SBPBF4 | 0.0 | 용해 |
| 0.2 | 용해 | |
| 0.5 | 용해 | |
상기 표 1에서 보듯이, 본 발명의 실시예에 따른 지지전해질을 사용하는 경우 고농도의 유기 전해액을 제조할 수 있어 전지의 고에너지 밀도 확보에 유리하다.
충방전 평가(non-flow type 전지)
상기 제조한 전지를 이용하여 상온(25℃)에서 충방전 실험을 수행하였다.
충방전 조건은 각각의 조성에 따라 충전시 5~10mA로 2.6~2.8V까지 정전류로 충전하였다. 방전은 1.8V까지 5 ~10mA의 정전류로 방전시켰다.
상기 충방전 실험 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
| 방전용량(mAh) | 효율, % | |||
| 충방전 | 전압 | 에너지 | ||
| 비교예 1 | 5.05 | 57.4 | 92.1 | 52.8 |
| 비교예 2 | 4.10 | 82.4 | 89.1 | 73.4 |
| 실시예 1 | 11.2 | 83.0 | 93.7 | 77.8 |
| 실시예 2 | 15.6 | 87.3 | 95.3 | 83.2 |
상기 표 2에서 보듯이, 본 발명의 실시예에 따른 전지는 3배 이상의 방전 용량 증대를 보여주었고, 충방전 효율, 에너지효율이 25~ 30% 개선되었다.
충방전 효율은 방전 전하량을 충전 전하량으로 나눈 값의 백분율로 나타내며, 에너지 효율은 전압효율과 충방전 효율의 곱으로 나타낸다.
이원자 반응으로 1.2M Fe(bpy)3(BF4)2을 기준으로 하여 이온 몰 수, 총전하량, 평균 전지전압의 곱은 에너지 밀도로 표현될 수 있다. 이를 전해질 밀도로 나누어 주면, 에너지 밀도(Wh/kg)로 구해진다. 본 발명의 1.2M Fe(bpy)3(BF4)2를 기준으로 하면 수계 20.4(Wh/kg) 대비 28.6(Wh/kg) 으로 개선되었다.
상기 결과로부터 알 수 있듯이, 본 발명의 일 구현예에 따른 레독스 플로우 전지는 우수한 에너지 밀도 및 에너지 효율을 가짐을 알 수 있다.
1: 양극 셀 2: 음극 셀
10: 이온교환막
11: 양극 전해액 12: 음극 전해액
13: 양극 14: 음극
21, 22: 탱크 31, 32: 펌프
41, 42: 파이프
10: 이온교환막
11: 양극 전해액 12: 음극 전해액
13: 양극 14: 음극
21, 22: 탱크 31, 32: 펌프
41, 42: 파이프
Claims (15)
- 양극 및 양극 전해액을 포함하는 양극 셀;
음극 및 음극 전해액을 포함하는 음극 셀; 및
상기 양극 셀과 상기 음극 셀 사이에 위치하는 이온교환막을 포함하는 레독스 플로우 전지로서,
상기 양극 전해액과 상기 음극 전해액은 각각 비수계 용매, 지지전해질 및 금속-리간드 배위 화합물을 포함하고,
상기 지지전해질은 하기 화학식 1 또는 화학식 2의 염 중 1종 이상을 포함하는 레독스 플로우 전지:
[화학식 1]
[화학식 2]
상기 식에서
m은 3 내지 7의 정수이고,
n은 3 내지 7의 정수이고,
Y-는 상대 음이온(counter anion)을 나타내고,
R1 및 R2는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 5의 알킬기, 또는 탄소 수 1 내지 5의 알콕시기를 나타낸다. - 제1항에 있어서,
상기 Y-는 BF4 -, Cl-, Br-, I-, SO4 -, PF6 -, ClO4 - 및 CF3SO3 - 중에서 선택된 1종 이상의 상대 음이온인 레독스 플로우 전지. - 제1항에 있어서,
상기 지지전해질은 스피로-(1,1')-비피롤리디늄(SBP), 스피로-(1,1')-비피페리디니늄(SBPI), 피페리딘-1-스피로-1-피롤리디늄(PISP), 1-에틸-1-메틸피롤리디늄(EMP), 디메틸피롤리디늄(DMP), 및 디에틸피롤리디늄(DEP) 중에서 선택된 1종 이상과 상대 음이온의 염인 레독스 플로우 전지. - 제1항에 있어서,
상기 지지전해질은 스피로-(1,1')-비피롤리디늄테트라플루오로보레이트(SBP-BF4), 스피로-(1,1')-비피페리디니늄테트라플루오로보레이트(SBPI-BF4), 피페리딘-1-스피로-1-피롤리디늄테트라플루오로보레이트(PISP-BF4), 1-에틸-1-메틸피롤리디늄테트라플루오로보레이트(EMP-BF4), 디메틸피롤리디늄테트라플루오로보레이트(DMP-BF4), 및 디에틸피롤리디늄테트라플루오로보레이트(DEP-BF4) 중에서 선택된 1종 이상인 레독스 플로우 전지. - 제 1항에 있어서,
상기 지지전해질은 전해액 중에 0.1M 내지 2M의 농도로 존재하는 레독스 플로우 전지. - 제1항에 있어서,
상기 금속-리간드 배위 화합물 중 금속은 Ni, Co, Fe, Ru, Zn, Mn, Y, Zr, Ti, Cr, Mg, Ce, Cu, Pb 및 V 중에서 선택된 1종 이상인 레독스 플로우 전지. - 제1항에 있어서,
상기 금속-리간드 배위 화합물 중 리간드는 디피리딜, 터피리딜, 에틸렌디아민, 프로필렌디아민, 페난트롤린 및 N-헤테로시클릭카르벤(N-heterocyclic carbine; NHC)으로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상인 레독스 플로우 전지. - 제 7항에 있어서,
상기 NHC는 2,6-비스(메틸이미다졸-2-일리덴)피리딘, 1,3-디메시틸이미다졸, 1,3-비스(2,5-디이소프로필페닐)이미다졸, 1,3-디메틸이미다졸, 1,3-디-tert-부틸이미다졸, 1,3-디시클로헥실이미다졸 및 1-에틸-3-메틸이미다졸 중에서 어느 하나인 레독스 플로우 전지. - 제 1항에 있어서,
상기 금속-리간드 배위 화합물이 하기 화합물 중 1종 이상인 레독스 플로우전지:
- 제1항에 있어서,
상기 금속-리간드 배위 화합물의 짝 음이온으로서 BF4 -, PF6 -, CF3SO3 -, 또는 (CF3SO2)2N-를 더 포함하는 레독스 플로우 전지. - 제1항에 있어서,
상기 비수계 용매는 디메틸 아세트아미드, 디에틸 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 아세토니트릴, γ-부티로락톤(GBL), 프로필렌 카보네이트 (PC), 에틸렌 카보네이트(EC), N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 플루오로에틸렌 카보네이트, 및 N,N-디메틸아세트아미드 중에서 선택된 1종 이상인 레독스 플로우 전지. - 제1항에 있어서,
상기 금속-리간드 배위 화합물은 가역적인 산화 환원 반응을 하는 레독스 플로우 전지. - 제1항에 있어서,
상기 이온 교환막은 음이온 교환막인 레독스 플로우 전지. - 제13항에 있어서,
상기 음이온 교환막은 스티렌-디비닐벤젠의 공중합체를 베이스로 하여 클로로메틸기를 도입, 아미노화 한 음이온 교환막, 비닐피리딘-디비닐벤젠의 공중합체를 4급 피리듐화한 음이온 교환막 또는 방향족 폴리설폰 공중합체를 베이스로 하여 클로로메틸기를 도입, 아미노화한 음이온 교환막인 레독스 플로우 전지. - 제1항에 있어서,
상기 양극 셀과 상기 음극 셀 각각과 유체 연결된 양극 전해액 탱크 및 음극 전해액 탱크를 더 포함하는 레독스 플로우 전지.
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Cited By (1)
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