KR20170070066A - A method for reducing membrane permeability to vanadium ions and a vanadium redox battery comprising the membrane produced by the method - Google Patents

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Abstract

본 발명은 양이온 교환 막의 바나듐 이온에 대한 투과도를 감소시키는 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 바나듐 레독스 배터리에서 사용하기 위하여 바나듐 이온에 대한 낮은 투과도를 제공하도록, 상기 방법에 의하여 개질된 막을 포함하는 바나듐 레독스 배터리에 관한 것이다.The present invention relates to a method for reducing the permeability of a cation exchange membrane to vanadium ions. The present invention also relates to a vanadium redox battery comprising a membrane modified by the method to provide low permeability to vanadium ions for use in a vanadium redox battery.

Description

바나듐 이온에 대한 막 투과도 감소 방법 및 이 방법에 의하여 제조된 막을 포함하는 바나듐 레독스 배터리A method for reducing membrane permeability to vanadium ions and a vanadium redox battery comprising the membrane produced by the method

본 출원은 2014년 10월 21일에 러시아특허청에 제출된 러시아 특허 출원 제 2014142533호의 출원일의 이익을 주장하며, 그 내용 전부는 본 명세서에 포함된다.This application claims the benefit of the filing date of Russian Patent Application No. 2014142533 filed with the Russian Patent Office on October 21, 2014, the entire contents of which are incorporated herein by reference.

본 발명은 양이온 교환 막의 바나듐 이온에 대한 투과도를 감소시키는 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 바나듐 레독스 배터리에서 사용하기 위하여 바나듐 이온에 대한 낮은 투과도를 제공하도록, 상기 방법에 의하여 개질된 막을 포함하는 바나듐 레독스 배터리에 관한 것이다.The present invention relates to a method for reducing the permeability of a cation exchange membrane to vanadium ions. The present invention also relates to a vanadium redox battery comprising a membrane modified by the method to provide low permeability to vanadium ions for use in a vanadium redox battery.

산업 발전에 따라 점점 더 많은 에너지를 필요로 하는 반면, 비재생성 에너지 공급원의 세계 보유량이 빠르고 지속적으로 고갈되고 있으며, 이는 새로운 에너지 공급원의 탐색과 이들의 산업적 이용을 위한 방법의 개발을 현대 과학 및 산업의 최우선적 과업의 하나로 만들었다. 강력한 에너지 배터리가 부족한 것은 지속가능한 에너지인 태양과 바람을 대안적인 재생성 에너지 공급원으로서 대규모 시행을 하기 위한 주요 과제이다. 신속하게 충전할 수 있는 에너지 집약 배터리의 부족도 역시 전기 자동차의 대규모 제조 및 사용을 방해하는 주요한 제약이다. As industrial development requires more and more energy, the world reserves of non-regenerative energy sources are rapidly and steadily depleting, which means that the search for new energy sources and the development of methods for industrial use of them will be carried out in modern science and industry Making it one of the top priorities of The lack of a robust energy battery is a major challenge for large-scale enforcement of sustainable energy, solar and wind, as an alternative renewable energy source. The lack of energy-efficient batteries that can be charged quickly is also a major constraint that hinders the large-scale manufacture and use of electric vehicles.

최근 바나듐 레독스 배터리가 에너지 효율, 자본 비용, 라이프사이클 비용 및 특정 요건의 부재의 특정 조합으로 인하여 가장 유망한 종류의 신규한 배터리들 중의 하나로서 고려된다[G. Kean, A. A. Shah, F. C. Walsh. Int. J. Energy Res., 2011, DOI:10.1002/er.1863]. 레독스 배터리에 있어서, 두 개의 레독스 커플(couples)이 산화와 환원 반응에 의한 에너지 저장을 위하여 전기 활성 물질로서 사용된다. 몇몇 간행물에 기재된 바와 같이[A. Rarasuraman, T. M. Lim, C.Menictas, M. SKyllas-Kazacos. Review of material research and development for vanadium redox flow battery applications. Electrochimica Acta, 101(2013) 27-40; AU Patent No. 575247, AU Patent No. 696452, AU Patent No. 704534, US Patent Nos. 6143443 and 6562514], 바나듐 레독스 배터리의 작용 원리는 4가지의 산화 정도 V(II), V(III), V(IV) 및 V(V)로 존재하는 바나듐의 능력에 기초한다. 일반적인 배터리는 VO2 + / VO2+ 쌍을 함유하는 캐소드 전해질을 갖는 탱크와 V (II) / V (III) 쌍을 함유하는 애노드 전해질을 갖는 탱크를 포함한다. 상기 탱크들로부터 나오는 전해질은 펌프에 의하여 직렬로 또는 병렬로 연결된 전기화학적 셀들의 적층체를 통하여 순환하여 불활성 전극들과 반응을 수행한다. 각 전기화학적 셀은 VO2 + 및 VO2+ 이온을 함유하는 양의 하프 셀 및 V (III) 및 V (II) 이온을 함유하는 음의 하프 셀을 함유한다. 2개의 하프 셀들은 이온 교환 막(ion exchange membrane, IEM)에 의하여 격리되며, 이 이온 교환 막은, 혼합시 배터리 작동 용량의 손실을 초래할 수 있는 상이한 산화 상태를 갖는 바나듐 이온들이 상기 막을 통하여 이동하는 것을 방지하는 배터리의 주요 구성요소이다. 따라서, 바나듐 이온에 대한 낮은 투과도에 더하여, 이상적인 막은 높은 수소 전도도, 산성 용액에서의 우수한 화학적 안정성, 산화제 V(V) 및 환원제 V(II)에 대한 높은 안정성 및 높은 기계적 강도를 가져야 한다. Recently vanadium redox batteries are considered as one of the most promising types of novel batteries due to the specific combination of energy efficiency, capital cost, life cycle cost and absence of specific requirements [G. Kean, AA Shah, FC Walsh. Int. J. Energy Res., 2011, DOI: 10.1002 / er.1863 ]. In redox batteries, two redox couples are used as electroactive materials for energy storage by oxidation and reduction reactions. As described in some publications [A. Rarasuraman, TM Lim, C. Menictas, M. SKyllas-Kazacos. Review of material research and development for vanadium redox flow battery applications. Electrochimica Acta, 101 (2013) 27-40; U.S. Pat. U.S. Patent No. 696452; 704534, US Patent Nos. 6143443 and 6562514], the working principle of a vanadium redox battery is based on the ability of vanadium to exist in four degrees of oxidation V (II), V (III), V (IV) and V (V). A typical battery includes a tank having a cathode electrolyte containing a VO 2 + / VO 2+ pair and a tank having an anode electrolyte containing a V (II) / V (III) pair. The electrolyte from the tanks circulates through the stack of electrochemical cells connected in series or in parallel by a pump to perform a reaction with the inert electrodes. Each electrochemical cell comprises a negative half cell containing a 2 + VO and VO 2+ ion positive half-cell and V (III) and V (II) ion-containing. The two half cells are isolated by an ion exchange membrane (IEM), which allows the vanadium ions with different oxidation states to migrate through the membrane, which can lead to loss of battery operating capacity upon mixing Prevent is the main component of the battery. Thus, in addition to low permeability to vanadium ions, ideal membranes must have high hydrogen conductivity, good chemical stability in acidic solutions, high stability to oxidant V (V) and reducing agent V (II), and high mechanical strength.

듀폰에서 제조된 상이한 함량의 설포 잔기를 갖는 나피온(Nafion®)과 같은 설포 함유 공중합체로 제조된 과불소화 막은 높은 수소 전도도, 전해질 용액에 대한 우수한 내구성 및 충분히 높은 기계적 강도를 갖기 때문에 전술한 조건들을 대부분 만족한다. 이러한 막의 주요한 단점은 높은 바나듐 이온 투과도이며, 이는 배터리의 효과 감소를 초래하는 배터리의 자가 방전율의 이유가 된다. Since a perfluorinated membrane made from a sulfo-containing copolymer such as Nafion (R) having different amounts of sulfo moieties made in DuPont has a high hydrogen conductivity, excellent durability against an electrolyte solution and a sufficiently high mechanical strength, Most of them are satisfied. A major disadvantage of such a membrane is its high vanadium ion permeability, which is the reason for the self-discharge rate of the battery resulting in a reduction in the effectiveness of the battery.

바나듐 이온에 대한 막 투과도를 감소시키고 막의 작동 파라미터들을 개선하기 위한 많은 시도들이 일찍부터 보고되어 왔다. Many attempts have been reported to reduce the membrane permeability to vanadium ions and improve the operating parameters of the film.

이러한 시도 중 하나는 대안적인 중합체 물질들로 제조된 막을 사용하는 것 및 "샌드위치" 타입 복합체 막의 개발이다. 폴리설폰 및 이의 유도체들이 대안적인 중합체 및 공중합체(예, EP patent 0790658), 2 이상의 폴리머들의 혼합물(예, U.S. patent application 2011/0136016), 공중합체(예컨대, U.S. patent application No. 2011/0318644 and No. 2012/0196188, X. Luo et al., J. Phys. Chem. B, 2005, 109, 20310-20314), 텅스토인산(tungstophosphoric acid)으로 처리된 폴리프로필렌/설포 폴리에테르에테르케톤[C. Jia et al., J. Power Sources, 2010, 195, 4380-4383]으로 사용된다. 그러나, 전술한 모든 방법의 공통적인 단점은 나피온 막과 비교하여 바나듐 이온에 대한 막 투과도의 감소가 불충분하다는 것이다(대략 2-10배). One such attempt is the use of membranes made of alternative polymeric materials and the development of "sandwich" type composite membranes. Polysulfone and its derivatives can be used in conjunction with alternative polymers and copolymers (e.g., EP patent 0790658), mixtures of two or more polymers (e.g., US patent application 2011/0136016), copolymers (e.g., US patent application No. 2011/0318644 and No. 2012/0196188, X. Luo et al. , J. Phys. Chem. B, 2005, 109, 20310-20314), tungstophosphoric acid (tungstophosphoric acid) polypropylene / sulfonate polyetheretherketone [C treated with Jia et al., J. Power Sources, 2010, 195, 4380-4383 ]. However, a common disadvantage of all of the above-mentioned methods is that the reduction of the membrane permeability to vanadium ions is insufficient (approximately 2-10 times) compared to the Nafion membrane.

나피온 막을 바나듐 이온의 투과도를 감소시키기 위하여 개질하기 위한 많은 시도들이 기재되어 있으며, 예컨대 나피온 막의 표면 상에서의 계면 중합을 통하여 나피온 폴리음이온 또는 폴리양이온의 표면에 이소프탈로일 디클로라이드 코팅을 적용하여, 나피온 표면 상에 흡착된 폴리에틸렌이민의 복합체 내에 혼입된 설포기들을 클로로-설포 기들로 전환하도록 하는 것[QTLuo, HM Zhang, J. Chen, P. Qian, Y.F. Zhai, J. Membr. Sci., 2008, 311, 98], 막 표면 상에서 피롤 및 아닐린의 화학적 중합에 의하여 폴리양이온 배리어를 얻는 것[B. Schwenzer, S. Kim, M. Vijayakumar, Z.G. Yang, J. Liu, J. Membr. Sci., 2011, 3 372, 11; J. Zeng, C. Jiang, Y. Wang, J. Chen, S. Zhu, B. Zhao, R. Wang, Electrochem. Commun., 2008, 10, 372], 인시츄로 수행하는 졸-겔 반응을 통하여 테트라에톡시실란과 같은 무기 물질에 의하여 표면을 블록킹하는 것[J. Xi, Z. Wu, X. Qiu, L. Chen, J. Power Sources, 2007, 166, 531; D. Schulte, J. Drillkens, B. Schulte, D.U. Sauer, J. Electrochem. Soc., 2010, 157, A989; X. Teng, Y. Zhao, J. Xi, Z. Wu, X. Qiu, L. Chen, J. Membr. Sci., 2009, 341, 149; N. Wang, S. Peng, D. Lu, S. Liu, Y. Liu, K Huang, J Solid State Electrochem., 2011, 1], 또는 폴리비닐리덴 플루오라이드와 컴파운딩하는 것[Z. Mai, H. Zhang, X. Li, S. Xiao, J. Power Sources, 2011, 196, 5737]이 있다. 전술한 나피온 막의 개질에 대한 시도들은 바나듐 이온에 대한 투과도의 감소를 제공하며, 결과로서 본래 나피온 막과 비교하여 자가 방전율 감소와 쿨롱 효율 및 에너지 효율의 증가를 초래한다. 그러나, 전술한 시도들은 바나듐 이온의 막 투과도를 최대 10배 감소시킬 수 있다. 문헌 [B. Schwenzer, S. Kim, M. Vijayakumar, Z.G. Yang, J. Liu, J. Membr. Sci., 2011, 372, 11]은 나피온 막의 표면상 에의 아닐린 중합이 바나듐 이온의 막 투과도를 약 100배(two orders of magnitude) 이상의 감소시킨다고 나타내었으나, 활용가능한 분석 방법을 이용하여 좀더 정확한 데이터를 제공하지는 못했다. Many attempts have been made to modify the Nafion membrane to reduce the permeability of the vanadium ion, such as by applying an isophthaloyl dichloride coating to the surface of the Nafion polyanion or polycation through interfacial polymerization on the surface of the Nafion membrane To convert the sulfo groups incorporated in the complex of polyethylenimine adsorbed on the Nafion surface to chloro-sulfo groups [QTLuo, HM Zhang, J. Chen, P. Qian, YF Zhai , J. Membr. Sci., 2008, 311, 98 ], to obtain a polycationic barrier by chemical polymerization of pyrrole and aniline on the membrane surface [B. Schwenzer, S. Kim, M. Vijayakumar, ZG Yang, J. Liu, J. Membr. Sci., 2011, 3 372, 11 ; J. Zeng, C. Jiang, Y. Wang, J. Chen, S. Zhu, B. Zhao, R. Wang, Electrochem. Commun., 2008, 10, 372 ], blocking the surface with an inorganic material such as tetraethoxysilane through a sol-gel reaction performed in situ [J. Xi, Z. Wu, X. Qiu, L. Chen, J. Power Sources, 2007, 166, 531 ; D. Schulte, J. Drillkens, B. Schulte, DU Sauer, J. Electrochem. Soc., 2010,157, A989 ; X. Teng, Y. Zhao, J. Xi, Z. Wu, X. Qiu, L. Chen, J. Membr. Sci., 2009, 341, 149 ; N. Wang, S. Peng, D. Lu, S. Liu, Y. Liu, K. Huang, J Solid State Electrochem., 2011, 1 ], or compounding with polyvinylidene fluoride [Z. Mai, H. Zhang, X. Li, S. Xiao, J. Power Sources, 2011, 196, 5737 ]. Attempts to modify the Nafion membranes described above provide a reduction in permeability to vanadium ions and as a result result in reduced self-discharge rates and increased coulombic efficiency and energy efficiency compared to native Nafion membranes. However, the above-described attempts can reduce the membrane permeability of vanadium ions by up to 10 times. [B. Schwenzer, S. Kim, M. Vijayakumar, ZG Yang, J. Liu, J. Membr. Sci., 2011, 372, 11 ] showed that the aniline polymerization on the surface of the Nafion membrane reduced the permeability of vanadium ion by about two orders of magnitude or more, but using more available analytical methods, But did not provide.

본 발명과 가장 가까운 접근은 문헌 [LANeves, J.Benavente, IMCoelhoso, JGCrespo. J. Membr. Sci., 2010, 347, 42] 및 문헌 [L.A.Neves, I.M.Coelhoso, J.G.Crespo. J. Membr. Sci., 2010, 360, 363]에 보고되었으며, 이들은 다량의 양이온성 계면활성제를 이온성 액상 양이온의 형태로서 연료 전지용 나피온 막에 도입하는 것을 기재한다. 상기 문헌의 주요 목적은, 연료 전지에서 막 성능에 악영향을 미치는, 고온에서 나피온 막 내에서 발생하는 수분 순실을 감소시키는 것이었다. 상기 양이온성 계면활성제는 계면활성제의 40% (w/w) 수용액 중에 막을 인큐베이션함으로써 막에 첨가되었다. 양이온성 계면활성제는 실제로 나피온 막 내에 임베드되었고, 막 내의 계면활성제의 혼입 정도는 최대로 도달하였으며 (계면활성제와 결합되는 나피온 설포네이트 기의 대략 90%까지), 약 20시간 인큐베이션 후 일정함을 유지하였고, 이는 메탄올과 가스에 대한 막 투과도의 현저한 감소를 초래하였음을 나타내었다. 개질된 막의 고온에서의 수분 손실은 상당히 감소하였다. 그러나, 상기 문헌은 바나듐 이온의 막 투과도 감소를 목적으로 하지 않았으며, 이 연구에는 양이온성 계면화성제에 의한 막의 개질이 바나듐 이온의 투과율에 영향을 미친다는 증거는 포함되어 있지 않다.The closest approach to the present invention is described by LANeves, J. Benavente, IMCoelhoso, JGCrespo. J. Membr. Sci., 2010, 347, 42 and LANeves, IMCoelhoso, JGCrespo. J. Membr. Sci., 2010, 360, 363 ), which describe the introduction of large amounts of cationic surfactants into the Nafion membranes for fuel cells as ionic liquid cationic forms. The main purpose of this document was to reduce the moisture permeability occurring in the Nafion membrane at high temperatures, which adversely affects membrane performance in fuel cells. The cationic surfactant was added to the membrane by incubating the membrane in a 40% (w / w) aqueous solution of the surfactant. The cationic surfactant was actually embedded in the Nafion membrane and reached a maximum level of incorporation of the surfactant in the membrane (up to about 90% of the Nafion sulfonate group bound to the surfactant), and was constant after about 20 hours of incubation , Indicating that this resulted in a significant reduction in membrane permeability to methanol and gas. The water loss at the high temperature of the modified membrane was considerably reduced. However, this document does not aim to reduce the membrane permeability of vanadium ions, and this study does not include evidence that the modification of the membrane by the cationic interfacial agent affects the permeability of the vanadium ion.

또 다른 그룹의 연구자들에 의한 문헌[WU Xue-Wen, LIU Su-Qin, HUANG Ke-Long. Characteristics of CTAB as Electrolyte Additive for Vanadium Redox Flow Battery. Journal of Inorganic Materials Vol. 2010, 25 No. 6. 641-646]은 바나듐 레독스 배터리용으로 설계된 전해질 첨가제로서 양이온성 계면활성제인 세틸트리메틸암모늄 브로마이드(cetyltrimethylammonium bromide)의 사용을 기재하였다. 전해질 조성물에의 계면활성제의 도입은 V(V) 이온의 용해도를 증사시킴으로써 전해질의 농도를 높이고, 산화 / 환원 반응 V (IV) / V (V)을 촉진시키고, 전극의 작동을 향상시켜, 전하 수송 저항성을 낮추기 때문에 배터리 성능에 긍정적인 영향을 갖는다고 나타나있다. 그러나, 바나듐 이온에 대한 막 투과도의 감소는 상기 연구의 목적이 아니었고, 양이온 계면활성제에 의한 전술한 개질이 바나듐 이온에 대한 막 투과도에 효과가 있다는 증거는 제시하지 않았다.Another group of researchers, Wu Xue-Wen, LIU Su-Qin, HUANG Ke-Long. Characteristics of CTAB as Electrolyte Additive for Vanadium Redox Flow Battery. Journal of Inorganic Materials Vol. 2010, 25 No. 6. 641-646 describes the use of a cationic surfactant, cetyltrimethylammonium bromide, as an electrolyte additive designed for vanadium redox batteries. The introduction of a surfactant into the electrolyte composition increases the concentration of the electrolyte by increasing the solubility of the V (V) ion, promotes the oxidation / reduction reaction V (IV) / V (V) It has been shown that it has a positive effect on battery performance because it reduces transport resistance. However, the decrease in the membrane permeability to vanadium ions was not the object of the above study, and the above-mentioned modification with the cationic surfactant did not provide any evidence that the membrane permeability to the vanadium ion is effective.

따라서, 최근, 바나듐 레독스 배터리에서 개질된 막을 사용하기 위하여, 특히 나피온에서, 바나듐 이온에 대한 양이온 교환 막의 투과도를 상당히 감소시키는 간단하고 실현가능한 방법의 개발에 대한 상당한 요구가 있다.Thus, there is a great need in recent years for the development of simple and feasible methods for significantly reducing the permeability of cation exchange membranes to vanadium ions, especially for Nafion, to use membranes modified from vanadium redox batteries.

본 발명은 양이온 교환 막의 바나듐 이온에 대한 투과도를 감소시키는 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 바나듐 레독스 배터리에서 사용하기 위하여 바나듐 이온에 대한 낮은 투과도를 제공하도록, 상기 방법에 의하여 개질된 막을 포함하는 바나듐 레독스 배터리를 제공한다.The present invention relates to a method for reducing the permeability of a cation exchange membrane to vanadium ions. The present invention also provides a vanadium redox battery comprising a membrane modified by the method to provide low permeability to vanadium ions for use in a vanadium redox battery.

본 발명의 일 실시상태는 바나듐 이온에 대한 막의 투과도를 감소시키는 방법을 제공한다. 구체적으로, 상기 방법은 양이온성 계면활성제 또는 상기 양이온성 계면활성제의 혼합물을 함유하는 수용액 또는 염수액 중에 막을 인큐베이션함으로써 양이온성 계면활성제를 막 표면 및 막 내 중 적어도 일부에 도입하는 단계를 포함한다. 일 예에 따르면, 상기 막은 양이온 교환 막이다. 또 하나의 예에 따르면, 상기 막은 설포기를 갖는 중합체 막이다. One embodiment of the present invention provides a method of reducing the permeability of a film to vanadium ions. Specifically, the method comprises introducing the cationic surfactant into at least a portion of the membrane surface and the membrane by incubating the membrane in an aqueous or saline solution containing a cationic surfactant or a mixture of the cationic surfactants. According to one example, the membrane is a cation exchange membrane. According to another example, the membrane is a polymer membrane having a sulfo group.

본 발명에 따르면, 바나듐 이온에 대한 투과도 감소는 양이온성 계면활성제 또는 상기 양이온성 계면활성제의 혼합물을 함유하는 수용액 또는 염수액 중에 막을 인큐베이션함으로써 상기 막에 양이온성 계면활성제(cS)를 도입함으로써 달성된다. 용어 "상기 막에의 계면활성제의 도입"은 상기 양이온성 계면활성제(cS)가 상기 막의 표면 상 및/또는 상기 막의 내부에, 바람직하게는 막의 표면 상 및 내부 모두에 위치할 수 있다는 것을 의미한다.According to the present invention, the reduction in permeability to vanadium ions is achieved by introducing a cationic surfactant (cS) into the membrane by incubating the membrane in an aqueous solution or a saline solution containing a mixture of cationic surfactant or cationic surfactant . The term "introduction of a surfactant into the membrane" means that the cationic surfactant (cS) can be located on the surface of the membrane and / or inside the membrane, preferably both on and within the membrane .

본 발명의 상기 실시상태에 따른 방법은 바나듐 이온에 대한 막 투과도를 감소시키게 하며, 바나딜 이온 VO2+의 투과도 측정시, 본래 비개질된 막 투과도에 비하여 5배, 더 바람직하게는 약 10배, 더욱 바람직하게는 약 100배, 더더욱 바람직하게는 약 1,000배, 더더욱 바람직하게는 약 10,000배, 더더욱 바람직하게는 약 100,000배 이상까지 감소된다. The method according to the above embodiment of the present invention reduces membrane permeability to vanadium ions and is 5 times, more preferably about 10 times greater than the original unmodified membrane permeability in measuring the permeability of vanadyl ion VO 2+ , More preferably about 100 times, even more preferably about 1,000 times, still more preferably about 10,000 times, still more preferably about 100,000 times or more.

본 발명의 또 하나의 실시상태는 애노드, 캐소드 및 상기 애노드와 캐소드 사이에 구비된 분리막을 포함하고, 상기 분리막이 전술한 방법에 의하여 제조된 막인 것인 바나듐 레독스 배터리를 제공한다.Another embodiment of the present invention provides a vanadium redox battery comprising an anode, a cathode, and a separator provided between the anode and the cathode, wherein the separator is a film produced by the method described above.

본 발명의 또 하나의 실시상태는 애노드, 캐소드 및 상기 애노드와 캐소드 사이에 구비된 분리막을 포함하고, 상기 분리막이 양이온성 계면활성제 또는 양이온성 계면활성제의 혼합물이 막의 표면 상 및 막 내부 중 적어도 일부에 구비된 막인 것인 바나듐 레독시 배터리를 제공한다. 이와 같은 막은 전술한 방법에 의하여 제조될 수 있다. Another embodiment of the present invention is directed to a fuel cell comprising an anode, a cathode and a separator provided between the anode and the cathode, wherein the separator comprises a mixture of a cationic surfactant or a cationic surfactant on the surface of the membrane, Which is a film provided in the vanadium lanthanum battery. Such a film can be produced by the above-described method.

본 발명의 실시상태들에 따른 막은 바나듐 이온에 대한 낮은 투과도를 가지며, 바니딜 이온 VO2+의 투과도 측정시, 6x10-7 cm2 min-1 이하, 5x10-7 cm2 min-1 이하, 더 바람직하게는 1x10-7 cm2 min-1 이하, 더더욱 바람직하게는 1x10-8 cm2 min-1 이하, 더더욱 바람직하게는 1x10-9 cm2 min-1 이하, 더더욱 바람직하게는 1x10-10cm2 min-1 이하이다.Has a low permeability to the film of vanadium ions according to the embodiment of the present invention, varnishes dill ion permeability measurements when the VO 2+, 6x10 -7 cm 2 min -1 or less, 5x10 -7 cm 2 min -1 or less, more preferably from 1x10 -7 cm 2 min -1 or less, still more preferably from 1x10 -8 cm 2 min -1 or less, still more preferably from 1x10 -9 cm 2 min -1 or less, still more preferably from 1x10 -10 cm 2 min -1 or less.

본 발명에 따른 개질된 막을 포함하는 바나듐 레독스 플로우 배터리는 바나듐 이온에 대한 낮은 투과도를 가지므로, 높은 농도의 염이 막과 계면활성제 사이의 결합을 파괴하지 않는다는 장점이 있다.Vanadium redox flow batteries comprising modified membranes according to the present invention have the advantage that they have low permeability to vanadium ions and therefore do not destroy the binding between the membrane and the surfactant at high concentrations of the salt.

발명의 실시를 위한 최선의 형태Best Mode for Carrying Out the Invention

본 발명의 일 실시상태에 따른 방법은 막의 바나듐 이온에 대한 투과도를 감소시키는 방법이다. A method according to one embodiment of the present invention is a method for reducing the permeability of a film to vanadium ions.

구체적으로, 상기 방법은 양이온성 계면활성제 또는 상기 양이온성 계면활성제의 혼합물을 함유하는 수용액 또는 염수액 중에 막을 인큐베이션함으로써 양이온성 계면활성제를 막 표면 및 막 내 중 적어도 일부에 도입하는 단계를 포함한다.Specifically, the method comprises introducing the cationic surfactant into at least a portion of the membrane surface and the membrane by incubating the membrane in an aqueous or saline solution containing a cationic surfactant or a mixture of the cationic surfactants.

본 발명에 있어서, 용어 "인큐베이션"이란 상기 막을 용액에 노출시키는 것을 의미한다. 노출이란 접촉을 포함한다. In the present invention, the term " incubation "means exposing the membrane to a solution. Exposure includes contact.

일 실시상태에 따르면, 상기 막은 양이온 교환 막이다. 양이온 교환 막으로 사용되는 막이라면 특별히 한정되지 않는다. 예컨대, 상기 양이온 교환 막으로는 음이온성 기, 예컨대 설포기(-SO3H), -SO3 -M+, -COOH, -COO-M+, -PO3H2, -PO3H-M+ 및 -PO3 2-2M+ 중 적어도 하나의 작용기를 갖는 중합체 막이 사용될 수 있으며, 여기서 M은 1가 양이온, 예컨대 Li, Na 또는 K 양이온이다. According to one embodiment, the membrane is a cation exchange membrane. And is not particularly limited as long as it is a membrane used as a cation exchange membrane. For example, the cation exchange membrane to the anionic groups such as sulfo (-SO 3 H), -SO 3 - M +, -COOH, -COO - M +, -PO 3 H 2, -PO 3 H - M + And -PO 3 2- 2M + can be used, wherein M is a monovalent cation such as Li, Na or K cation.

또 하나의 실시상태에 따르면, 상기 막은 설포기를 갖는 중합체 막이다. According to another embodiment, the membrane is a polymer membrane having a sulfo group.

상기 실시상태에 따르면, 설포기 함유 양이온 교환 중합체 막을 양이온성 계면활성제(cS) 또는 상기 양이온성 계면활성제의 혼합물을 함유하는 수용액 또는 염수액 중에 인큐베이션하는 경우, 상기 막에 반대로 대전된 양이온성 계면활성제(cS)가 도입됨으로써 바나듐 이온에 대한 투과도 감소가 달성된다. According to this embodiment, when the sulfo group-containing cation exchange polymer membrane is incubated in an aqueous solution or a saline solution containing a cationic surfactant (cS) or a mixture of the cationic surfactants, the cationic surfactant (cS) is introduced to achieve a reduction in the permeability to vanadium ions.

또 하나의 실시상태에 따르면, 상기 양이온성 계면활성제는 소수성 모이어티를 갖고, 상기 막은 소수성 단편(fragment)을 포함한다. 상기 양이온성 계면활성제의 소수성 모이어티와 상기 막의 소수성 단편은 소수성 상호작용을 할 수 있다. 예컨대, 상기 양이온성 계면활성제의 소수성 모이어티는 알킬 모이어티이다. According to another embodiment, the cationic surfactant has a hydrophobic moiety and the membrane comprises a hydrophobic fragment. The hydrophobic moiety of the cationic surfactant and the hydrophobic segment of the membrane may have hydrophobic interactions. For example, the hydrophobic moiety of the cationic surfactant is an alkyl moiety.

본 발명자들에 의하여 수행된 실험 연구(보다 상세히는 실시예 4 및 5)는 설포 함유 막, 예컨대 나피온-117을 양이온성 계면활성제의 용액 중에 노출시키는 것에 의하여 상기 막에 대부분의 양의 계면활성제가 결합되고(막의 1 설포기당 대략 계면활성제 1 이온), 증류수 중에서 막을 장기간 인큐베이션하거나 물 및/또는 황산 중에서 가열하여도 막으로부터 양이온성 계면활성제(cS)의 주목할만한 침출이 발생하지 않음을 나타내었다. 따라서, 상기 막에 양이온성 계면활성제가 결합하는 주요 작용 힘은 양이온성 계면활성제의 기와 상기 막의 설포기 사이의 정전기적 상호작용인 한편, 계면활성제의 알킬 모이어티와 막의 소수성 단편(fragment) 사이의 소수성 상호작용은 최종 구조의 추가적인 안정화를 제공하는 것으로 추측될 수 있었다. Experimental studies performed by the present inventors (more specifically Examples 4 and 5) show that by exposing sulfo containing membranes, such as Nafion-117, to a solution of a cationic surfactant, most of the surfactant (Approximately the surfactant 1 ion per 1 sulphur group of the membrane) indicates that no significant leaching of the cationic surfactant (cS) occurs from the membrane even after long-term incubation of the membrane in distilled water or heating in water and / or sulfuric acid . Thus, the primary action force for the cationic surfactant to bind to the membrane is the electrostatic interaction between the group of cationic surfactants and the sulfoder group of the membrane, while the interaction between the alkyl moiety of the surfactant and the hydrophobic fragment of the membrane The hydrophobic interaction could be assumed to provide additional stabilization of the final structure.

본 발명에 따르면, 상기 설포기를 갖는 중합체 막으로서, 막형성을 위한 산업적 또는 실험적 방법에 의하여 제조된 설폰기 함유 중합체 막이 사용될 수 있으며, 비한정적인 예로는 상이한 함량의 설포기를 갖는 테트라플루오로에틸렌의 공중합체, 예컨대 나피온 막(Nafion®)이 사용될 수 있다. 구체적으로, 나피온 막으로는 나피온 112, 나피온 115, 나피온 117, 나피온 125, 나피온 212, 나피온 NR211, 나피온 NR212, 나피온 1110, 나피온 XL 등이 있다. According to the present invention, as the polymer film having the sulfo group, a sulfonic group-containing polymer film prepared by an industrial or experimental method for film formation can be used, and as a non-limiting example, a tetrafluoro Copolymers of ethylene, such as Nafion (R), may be used. Specifically, Nafion membranes include Nafion 112, Nafion 115, Nafion 117, Nafion 125, Nafion 212, Nafion NR211, Nafion NR212, Nafion 1110, and Nafion XL.

상기 막은 2종 이상의 재료를 포함할 수 있으며, 상기 재료의 예로는 술포기를 포함하는 하나 또는 2 이상의 폴리머, 및/또는 카르복시기를 포함하는 하나 또는 2 이상의 폴리머, 및/또는 인기(phosphor-group)를 포함하는 하나 또는 2 이상의 폴리머, 및 추가로 하나 또는 2 이상의 비이온성 폴리머 등이 있다. The membrane may comprise two or more materials, examples of which include one or more polymers comprising a sulfo group, and / or one or more polymers comprising a carboxyl group, and / or a phosphor-group, , And further one or more non-ionic polymers, and the like.

일 실시상태에 따르면, 상기 막은 양이온성 계면활성제에 의한 개질 전에 과산화수소 용액 중에서, 황산 용액 중에서, 그리고 증류수 중에서 연이어 가열될 수 있다. According to one embodiment, the membrane may be heated successively in a hydrogen peroxide solution, in a sulfuric acid solution and in distilled water, prior to modification with a cationic surfactant.

일 실시상태에 따르면, 상기 막은 양이온성 계면활성제에 의한 개질 후에 과산화수소 용액 중에서, 황산 용액 중에서, 그리고 증류수 중에서 연이어 끓이는 것(boiling)을 수행할 수 있다. According to one embodiment, the membrane may be subjected to subsequent boiling in a hydrogen peroxide solution, in a sulfuric acid solution and in distilled water, after modification with a cationic surfactant.

일 실시상태에 따르면, 상기 막은 양이온성 계면활성제에 의한 개질 전과 후에 각각 과산화수소 용액 중에서, 황산 용액 중에서, 그리고 증류수 중에서 연이어 끓이는 것을 수행할 수 있다.According to one embodiment, the membrane can be successively boiled in a hydrogen peroxide solution, in a sulfuric acid solution and in distilled water, before and after the modification with a cationic surfactant, respectively.

일 실시상태에 따르면, 상기 양이온성 계면활성제는 하기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 화합물 또는 이들의 혼합물을 포함한다.According to one embodiment, the cationic surfactant comprises a compound represented by the following formula (1) or (2) or a mixture thereof.

[화학식 1] [Chemical Formula 1]

Figure pct00001
Figure pct00001

[화학식 2](2)

Figure pct00002
Figure pct00002

상기 화학식 1 및 2에 있어서, In the above formulas (1) and (2)

R1은 수소, 메틸 또는 에틸이고, R < 1 > is hydrogen, methyl or ethyl,

R2는 수소, 메틸, 에틸, 페닐, 페닐메틸, 히드록시메틸 또는 히드록시에틸이며, R 2 is hydrogen, methyl, ethyl, phenyl, phenylmethyl, hydroxymethyl or hydroxyethyl,

R3은 수소, C1 내지 C20의 알킬, C6 내지 C20의 아릴, C7 내지 C20의 아릴알킬, C1 내지 C20의 히드록시알킬, (CH2CH2O)nR, 또는 (CH2)pCOO-이고, 여기서 n은 4 내지 100의 정수이고, R은 수소 또는 C1 내지 C20의 알킬이며, p는 1 내지 12의 정수이고, R 3 is selected from the group consisting of hydrogen, C 1 to C 20 alkyl, C 6 to C 20 aryl, C 7 to C 20 arylalkyl, C 1 to C 20 hydroxyalkyl, (CH 2 CH 2 O) n R, Or (CH 2 ) p COO - , wherein n is an integer from 4 to 100, R is hydrogen or C 1 to C 20 alkyl, p is an integer from 1 to 12,

R4는 C8 내지 C20의 알킬, C8 내지 C20의 히드록시알킬, -COOR',-R"COOR"' 또는 -R"OCOR"'이고, 여기서 R' 및 R"'는 C8 내지 C20의 알킬이고, R"는 C1 내지 C3의 알킬렌이며;R 4 is C 8 to hydroxyalkyl, -COOR a C 20 alkyl, C 8 to C 20 of - ", wherein R '', R" COOR "'or-R" OCOR "and R"' is C 8 To C 20 alkyl, and R "is C 1 to C 3 alkylene;

R5는 C8 내지 C20의 알킬, -COOR',-R"COOR"' 또는 -R"OCOR"'이고, 여기서 R' 및 R"'는 C8 내지 C20의 알킬이고, R"는 C1 내지 C3의 알킬렌이며;R 5 is C 8 to alkyl, -COOR of C 20 - ", wherein R '', R" COOR "'or-R" OCOR "and R" a "is alkyl of from C 8 to C 20, R" is C 1 to C 3 alkylene;

X는 음이온기이다.X is an anion group.

일 예에 따르면, R1은 H, -CH3, 또는 -C2H5이다. According to one example, R 1 is H, -CH 3 , or -C 2 H 5 .

일 예에 따르면, R2는 H, -CH3, -C2H5, -C6H5, -CH2C6H5, -CH2OH, 또는 -C2H4OH이다. According to one example, R 2 is H, -CH 3 , -C 2 H 5 , -C 6 H 5 , -CH 2 C 6 H 5 , -CH 2 OH, or -C 2 H 4 OH.

일 예에 따르면, R3는 H, -CH3, -C2H5, -C6H5, -CH2C6H5, -CH2OH, -C2H4OH, (CH2CH2O)nR(여기서 n은 4 내지 100의 정수, R은 수소 또는 C1-C20 알킬), C8-C18 알킬이다.In one example, R 3 is H, -CH 3, -C 2 H 5, -C 6 H 5, -CH 2 C 6 H 5, -CH 2 OH, -C 2 H 4 OH, (CH 2 CH 2 O) n R wherein n is an integer from 4 to 100, R is hydrogen or C 1 -C 20 alkyl, C 8 -C 18 alkyl.

일 예에 따르면, R4는 C8-C20 알킬, (CH2)mOH(여기서 m은 8 내지 20의 정수) 또는 -(CH2)kOC(O)(CH2)l(여기서 k는 1 내지 3의 정수, l은 8 내지 18의 정수)이다. In one example, R 4 is C 8 -C 20 alkyl, (CH 2) m OH (wherein m is an integer from 8 to 20) or - (CH 2) k OC ( O) (CH 2) l ( where k Is an integer of 1 to 3, and 1 is an integer of 8 to 18).

일 예에 따르면, R5는 C8-C20 알킬, 또는 -(CH2)kOC(O)(CH2)l(여기서 k는 1 내지 3의 정수, l은 8 내지 18의 정수)이다. According to one example, R 5 is C 8 -C 20 alkyl, or - (CH 2 ) k OC (O) (CH 2 ) l wherein k is an integer from 1 to 3 and 1 is an integer from 8 to 18. .

일 예에 따르면, X는 -Cl-, -Br-, -CH3OSO3 -, 또는 -C2H5OSO3 -이다. In one example, X is -Cl -, -Br -, -CH 3 OSO 3 -, or -C 2 H 5 OSO 3 - a.

일 실시상태에 따르면, 상기 양이온성 계면활성제는 이중 꼬리를 갖는 계면활성제를 포함하며, 그 예로는 디데실디메틸암모늄 브로마이드, 디옥타데실디메틸암모늄 브로마이드 등이 있다. According to one embodiment, the cationic surfactant comprises a surfactant having a double tail, examples of which include didecyldimethylammonium bromide, dioctadecyldimethylammonium bromide, and the like.

일 실시상태에 따르면, 상기 양이온성 계면활성제는 베타인(betaine)을 포함하며, 그 예로는 GENAGEN CAB (alkylamidopropyl betaines) 및 GENAGEN LAB (alkyldimethyl betaines)이 있으며, 이들은 C8-C18의 알킬을 가지며, GLOBALAMINES에 의하여 제공된다. According to one embodiment, the cationic surfactant includes betaine, such as GENAGEN CAB (alkylamidopropyl betaines) and GENAGEN LAB (alkyldimethyl betaines), which have C 8 -C 18 alkyl , GLOBALAMINES.

일 실시상태에 따르면, 상기 양이온성 계면활성제는 측쇄에 히드록시기를 가지며, 그 예로는 Praepagen HY가 있다. According to one embodiment, the cationic surfactant has a hydroxy group in its side chain, for example Praepagen HY.

일 실시상태에 따르면, 막 내에 양이온성 계면활성제의 도입은 양이온성 계면활성제 또는 이들의 혼합물을 함유하는 수용액 또는 염수액 중에 막을 약 100oC 내지 약 10 oC의 온도에서 유지함으로써 수행될 수 있다. 온도를 감소시키면 막 내에 양이온성 계면활성제의 흡착 속도를 감소시킬 수 있으며, 양이온성 계면활성제의 용해도를 감소시킬 수 있으므로, 용액 내에서의 막 인큐베이션에 요구되는 시간을 증가시킬 필요가 있다. According to one embodiment, the introduction of the cationic surfactant into the membrane can be carried out by holding the membrane in an aqueous or saline solution containing a cationic surfactant or a mixture thereof at a temperature of from about 100 ° C to about 10 ° C . Reducing the temperature can reduce the rate of adsorption of the cationic surfactant in the membrane and reduce the solubility of the cationic surfactant, thus increasing the time required for membrane incubation in solution.

일 실시상태에 따르면, 용액 내 양이온성 계면활성제의 농도는 약 10-5 M 내지 약 1 M, 바람직하게는 10-3 M 내지 0.5 M, 더 바람직하게는 10-2 M 내지 0.1 M이다. 계면활성제 농도를 5-10 mM 미만으로 낮추는 것은 용액 중에서의 막의 인큐베이션 시간을 증가시킬 필요가 있을 수 있다. According to an exemplary embodiment, a solution concentration of the cationic surface active agent is from about 10 -5 M to about 1 M, preferably from 10 -3 M to 0.5 M, more preferably from 10 -2 M to about 0.1 M. Lowering the surfactant concentration to less than 5 -10 mM may need to increase the incubation time of the membrane in solution.

용액 중의 양이온성 계면활성제의 절대량은 목적하는 막의 충진 정도 D에 의하여 결정된다: The absolute amount of cationic surfactant in solution is determined by the degree of filling D of the desired membrane:

D=[cS]bound/[SO3H]membr (1)D = [cS] bound / [SO 3 H] membrane (1)

여기서, [cS]bound은 막에 결합되는 양이온성 계면활성제의 양(몰 수)이고, [SO3H]membr는 막 내의 설포 잔기의 절대량이다(몰 수).Where [cS] bound is the amount of cationic surfactant (mole number) bound to the membrane, and [SO 3 H] mem is the absolute amount of sulfo moiety in the membrane (mole number).

[SO3H]membr = (m - mH2O )/ 1100 [SO 3 H] membrane = (m - m H 2 O ) / 1100

여기서, m은 팽윤된 막의 질량(그램, g)이고, mH2O은 실험적으로 결정된 막의 팽윤 정도로부터 계산된 샘플 내 물의 질량이며, 1100은 실시예에서 사용된 나피온 117의 그램 당량(gram equivalent)이고 하나의 설포기당 건조 나피온 중량을 나타낸다. 막의 재료로서 다른 중합체가 사용되는 경우, 1100은 해당 중합체의 설포기당 건조 중량으로 대체될 수 있다. Where m is the mass of the swollen membrane (grams, g), m H2O is the mass of water in the sample calculated from the degree of swelling of the membrane determined experimentally, and 1100 is the gram equivalent of the Nafion 117 used in the Examples, Lt; RTI ID = 0.0 > Nafion < / RTI > per sulfated group. If another polymer is used as the material of the membrane, 1100 can be replaced by the dry weight per sulfo group of the polymer.

원하는 충진 정도 D를 얻기 위하여 요구되는 용액 중의 양이온성 계면활성제의 절대량은 계면활성제가 정량적으로 결합하는 것을 가정하여 관계식 (1)에 의하여 결정되며, 따라서 [cS]bound는 용액 중의 양이온성 계면활성제의 총량과 동등하다. 막의 최대 충진 정도를 얻는 것이 요구되는 경우에, 용액 중의 계면활성제는 과량으로 존재할 수 있다.The absolute amount of the cationic surfactant in the solution required to achieve the desired degree of filling D is determined by the relationship (1) assuming that the surfactant binds quantitatively, so [cS] bound is the concentration of the cationic surfactant in solution It is equivalent to the total amount. If it is desired to obtain the maximum degree of filling of the membrane, the surfactant in the solution may be present in excess.

양이온성 계면활성제 또는 상기 양이온성 계면활성제의 혼합물 용액 중의 막의 유지 시간(retention time)은 양이온성 계면활성제의 농도, 양이온성 계면활성제 및 막의 화학적 성질 및 가공 온도에 의하여 결정될 수 있다. 일반적으로, 계면활성제 용액 중에서의 막 인큐베이션 시간은 약 1 시간 내지 수 주까지, 더 바람직하게는 10시간 내지 48시간으로 다양하다. The retention time of the membrane in the mixture of the cationic surfactant or the cationic surfactant can be determined by the concentration of the cationic surfactant, the chemical nature of the cationic surfactant and the membrane, and the processing temperature. In general, the membrane incubation time in the surfactant solution varies from about 1 hour to several weeks, more preferably from 10 hours to 48 hours.

일 실시상태에 따르면, 상기 양이온성 계면활성제 용액은 무기 및/또는 유기 염 및 알칼리 금속 이온 중 적어도 1이상을 더 포함할 수 있다. According to one embodiment, the cationic surfactant solution may further comprise at least one of inorganic and / or organic salts and alkali metal ions.

상기 무기 및/또는 유기 염으로는 수용성 저분자량 물질이 사용될 수 있으며, 예컨대 클로라이드, 브로마이드, 설페이트, 포스페이트, 카보네이트, 아세테이트, 옥살레이트 등이 있다. 상기 금속 카운터이온의 예로는 나트륨, 포타슘, 리튬, 세슘, 칼슘, 마그네슘, 란타늄, 구리, 니켈 이온 등이 있다. 개질된 막이 높은 염 및 산 농도(예컨대, 1 M MgSO4, 1 M VOSO4, 2.5 M H2SO4)와 접촉한 채로 두었을 때(적어도 3주간) 바나듐 이온에 대한 극히 낮은 투과도를 유지한다는 사실은 상기와 같은 높은 농도의 염이 막과 계면활성제 사이의 결합을 파괴하지 않고, 결론적으로 상기 결합을 방해하지 않는다는 것을 나타낸다.The inorganic and / or organic salt may be a water-soluble low-molecular-weight substance such as chloride, bromide, sulfate, phosphate, carbonate, acetate, oxalate and the like. Examples of the metal counter ion include sodium, potassium, lithium, cesium, calcium, magnesium, lanthanum, copper, and nickel ions. The fact that the modified membrane retains extremely low permeability to vanadium ions when left in contact with high salt and acid concentrations (eg, 1 M MgSO 4 , 1 M VOSO 4 , 2.5 MH 2 SO 4 ) (at least 3 weeks) Indicates that such a high concentration of salt does not destroy the bond between the membrane and the surfactant and, consequently, does not interfere with the bond.

일 실시상태에 따르면, 상기 양이온성 계면활성제 용액은 무기 또는 유기 산을 더 포함할 수 있다. 상기 무기 또는 유기 산의 예로는 염산, 황산, 인산, 아세트산, 시트르산 등이 있다. According to one embodiment, the cationic surfactant solution may further comprise an inorganic or organic acid. Examples of the inorganic or organic acid include hydrochloric acid, sulfuric acid, phosphoric acid, acetic acid, and citric acid.

본 발명에 따른 방법은 바나듐 이온에 대한 막의 투과도를 본래 비개질된 막 투과도와 비교할 때 5배, 더 바람직하게는 약 10배, 더더욱 바람직하게는 약 100배, 더더욱 바람직하게는 약 1,000배, 더더욱 바람직하게는 약 10,000배, 더더욱 바람직하게는 약 100,000배 이상 감소시킨다. The method according to the present invention is characterized in that the permeability of the membrane to the vanadium ion is 5 times, more preferably about 10 times, more preferably about 100 times, even more preferably about 1,000 times Preferably about 10,000 times, and even more preferably about 100,000 times or more.

본 발명에 따른 방법에 의하여 양이온성 계면활성제의 도입에 의하여 얻어진 막은 바나듐 이온에 대하여 낮은 투과도를 가지며, 바나딜 이온 VO2+ 의 투과도 측정시 6x10-7 cm2 min-1 이하, 더 바람직하게는 1x10-7 cm2 min-1 이하, 더더욱 바람직하게는 1x10-9 cm2 min-1 이하, 더더욱 바람직하게는 1x10-10cm2 min-1 이하이다.The film obtained by the introduction of the cationic surfactant by the method according to the present invention has a low permeability to vanadium ion and a permeability of 6 x 10 -7 cm 2 min -1 or less when measuring the permeability of the vanadyl ion VO 2+ , 1 x 10 -7 cm 2 min -1 or less, still more preferably 1 x 10 -9 cm 2 min -1 or less, still more preferably 1 x 10 -10 cm 2 min -1 or less.

일 실시상태에 따르면, 애노드, 캐소드 및 상기 애노드와 캐소드 사이에 구비된 분리막을 포함하고, 상기 분리막이 전술한 방법에 의하여 제조된 막인 것인 바나듐 레독스 배터리를 제공한다.According to an embodiment, there is provided a vanadium redox battery comprising an anode, a cathode, and a separator provided between the anode and the cathode, wherein the separator is a film produced by the method described above.

일 실시상태에 따르면, 애노드, 캐소드 및 상기 애노드와 캐소드 사이에 구비된 분리막을 포함하고, 상기 분리막이 양이온 계면활성제 또는 상기 양이온 계면활성제의 혼합물이 막의 표면 상 및 막 내부 중 적어도 일부에 구비된 막인 것인 바나듐 레독스 배터리를 제공한다.According to one embodiment, there is provided a fuel cell comprising an anode, a cathode and a separator provided between the anode and the cathode, wherein the separator is a membrane in which a mixture of the cationic surfactant or the cationic surfactant is provided on at least a part of the surface of the membrane, ≪ / RTI >

이온에 대한 막 바나듐 투과도의 결정Determination of membrane vanadium permeability to ions

바나듐 이온에 대한 막 투과도는, 연구된 막에 의하여 분리된 2개의 동일한 하프 셀로 이루어진 셀을 이용한, 바나딜 이온 V(IV)의 투과도에 의하여 특징지워진다. 2.5 M 황산 중의 1 M VOSO4 수용액을 특정 개구를 통하여 하나의 하프 셀에 넣고, 2.5 M H2SO4 중의 1 M MgSO4 용액을 또 하나의 하프 셀에 넣었다. 각 용액의 부피는 0.8 ml이었고, VOSO4 / MgSO4 용액과 접촉하는 막의 작동 영역은 0.875 cm2이었다. 충진된 셀을 실온에서 교반없이 놓아 두었다. 초기 (비개질된) 막의 투과도를 결정하기 위하여, 막을 통과한 바나듐 이온 농도의 추가 측정을 위하여 충진 후 30-60분 후에, MgSO4를 포함하는 하프 셀로부터 10-200 mkl 분액(aliquot)을 취하였다. 개질된 막의 투과도를 결정하는 경우, 충진 후 4-30일에 MgSO4를 포함하는 하프 셀로부터 용액의 분액을 취하였다. The membrane permeability for vanadium ions is characterized by the permeability of the vanadyl ion V (IV), using a cell consisting of two identical half cells separated by the studied membrane. A 1 M VOSO 4 aqueous solution in 2.5 M sulfuric acid was placed in one half cell through a specific opening and a 1 M MgSO 4 solution in 2.5 MH 2 SO 4 was added to another half cell. The volume of each solution was 0.8 ml, and the operating area of the membrane in contact with the VOSO 4 / MgSO 4 solution was 0.875 cm 2 . The filled cell was left at room temperature without agitation. To determine the permeability of the initial (unmodified) membrane, take a 10-200 mkl aliquot from the half-cell containing MgSO 4 after 30-60 minutes after filling to further measure the vanadium ion concentration through the membrane Respectively. To determine the permeability of the modified membrane, a solution was taken from the half-cell containing MgSO 4 at 4-30 days after filling.

바나듐 이온 농도는 4-(2-피리딜아조)레소시놀(4-(2-pyridylazo)resorcinol, PAR)과의 색상 반응을 이용하여 하기와 같이 측정하였다. 10 ml 부피 측정 플라스크에, 1 M Na-아세테이트 버퍼 (pH 6.5) 1 ml, PAR 0.1% 수용액 0.5 ml, 상기 샘플 용액 및 2.5 M 황산을 중화시켜 pH를 6.2 - 6.7로 조절하기 위한 것과 대략 동일한 부피의 5M NaOH를 넣었다. 상기 용액 부피는 (2회 증류된) 증류수로 요구되는 값(10 ml)까지 조정되었다. 시험 용액의 부피(분액)를, PAR을 포함하는 부피 측정 플라스크 중의 바나듐 최종 농도가 약 4x10-6 내지 2x10-5 M의 범위 내가 되도록 선택하였다. 상기 용액을 완전히 혼합하고, 흡수 스펙트럼을 450-600 nm 범위에서 기록하였고, pH 6.2 내지 6.7에서 복합체 PAR-V(IV)의 최대 흡수도에 대응하는 540±2 nm 파장에서 광학 밀도를 측정하였다. The vanadium ion concentration was measured as follows using the color reaction with 4- (2-pyridylazo) resorcinol (PAR). To a 10 ml volumetric flask was added 1 ml of 1 M Na-acetate buffer (pH 6.5), 0.5 ml of 0.1% PAR solution, approximately the same volume for neutralizing the sample solution and 2.5 M sulfuric acid to adjust the pH to 6.2 - 6.7 Of 5M NaOH. The solution volume was adjusted to the required value (10 ml) with distilled water (twice distilled). The volume of the test solution was selected such that the final vanadium concentration in the volumetric flask containing PAR was in the range of about 4 x 10 -6 to 2 x 10 -5 M. The solution was mixed thoroughly and the absorption spectra were recorded in the 450-600 nm range and the optical density was measured at a wavelength of 540 +/- 2 nm corresponding to the maximum absorbance of the complex PAR-V (IV) at pH 6.2 to 6.7.

대조구로서, 상기 샘플 용액 대신에 2.5 M H2SO4 중의 MgSO4의 1 M 용액의 분액을 대응하는 샘플 용액의 부피와 동등한 부피로 첨가한 것을 제외하고는, 모든 시약(아세테이트 버퍼, PAR 및 NaOH)를 함유하는 용액을 사용하였다. As a control, and is, all reagents (acetate buffer, PAR and NaOH), except in place of the sample solution, 2.5 MH 2 SO 4 in that the addition of a volume equal to the volume of the sample solution, which corresponds to the fraction of 1 M solution of MgSO 4 Was used.

흡광 계수(extinction coefficient, eM)는 부게르-람베르트(Bouguer-Lambert) A=(A540 - A540k) = eMlc 에 따른 검정 커브(calibration curve)에 의하여 결정되었으며, 여기서 A540는 540 nm에서 PAR를 갖는 분석물질 복합체의 광학 밀도이고, A540 k는 540 nm에서 PAR을 갖는 대조구 용액의 광학 밀도이며, eM는 몰 흡광 계수이고, l은 광학 경로(optical path)이며, c는 PAR과 착체를 형성하는 바나딜 이온인 V(IV)의 농도이다. PAR은 충분히 과량으로 존재한다. 실험적으로 측정된 eM는 eM 540=3.57 104 l x mol-1 x cm-1 이며, 이는 농도 범위 0.1-1.2 mkg/ml에서 V(V)와의 PAR 복합체에 대하여 문헌 [J.Schneider, l.J.Csanyi, Mikcohimica Acta, 1976, II, 271-282]에 보고된 eM 545 =3.45 104 l x mol-1 x cm-1와 일치한다. The extinction coefficient e M was determined by a calibration curve according to Bouguer-Lambert A = (A 540 - A 540 k) = e M lc, where A 540 Is the optical density of the analyte complex with PAR at 540 nm, A 540 k is the optical density of the control solution with PAR at 540 nm, e M is the molar extinction coefficient, 1 is the optical path, c is the concentration of V (IV) which is a vanadyl ion that forms a complex with PAR. PAR is present in sufficient excess. Experimally measured e M is e M 540 = 3.57 10 4 lx mol -1 x cm -1 , which is described in J. Schneider, l JCsanyi (ed. ) For PAR complexes with V (V) in the concentration range 0.1-1.2 mkg / , Mikcohimica Acta, 1976, coincides with the II, 271-282] the e M 545 = 3.45 10 4 lx mol -1 x cm -1 reported.

황산 및 마그네슘 설페이트의 존재하에 바나듐 이온의 전술한 측정 방법을 입증하기 위하여, 바나듐 표준 용액을 이용한 특정 대조 연구를 수행하였다. 즉, 표준 VOSO4 용액 (1 mg/ml) 10 mkl를 10 ml 부피 측정 플라스크 세트에 첨가하였고, 각각은 1 M Na-아세테이트 버퍼 (pH 6.5) 1 ml, 0.1 % PAR 수용액 0.5 ml, 및 2.5 M H2SO4 중의 1 M MgSO4 0 to 0.8 ml를 함유한다. 5 M NaOH의 대응하는 동등 부피(즉, 0 내지 0.8 ml)을 중화를 위하여 각 플라스크에 첨가하였다. 상기 시약들을 혼합한 후, 샘플의 부피를 (2회 증류된) 증류수로 10 ml로 조정하였다. 얻어진 샘플의 pH를 6.2 내지 6.5의 범위 내로 조절하였다. MgSO4 및 H2SO4 의 상이한 함량 하에 얻어진 A=(A540 - A540k) 값의 정량은 황산(최종 농도가 0.25 M 까지임)도 최종 농도가 0.08 M까지인 마그네슘 설페이트도 바나듐의 측정의 정확도(accuracy) 및 정확성(correctness)에 영향을 미치지 않는다는 것을 나타낸다. To demonstrate the above-described determination of vanadium ions in the presence of sulfuric acid and magnesium sulfate, certain control studies with vanadium standard solutions were performed. That is, 10 mkl of a standard VOSO 4 solution (1 mg / ml) was added to a 10 ml volumetric flask set, each containing 1 ml of 1 M Na-acetate buffer (pH 6.5), 0.5 ml of 0.1% 2 contains a 1 M MgSO 4 0 to 0.8 ml of SO 4. A corresponding equivalent volume of 5 M NaOH (i.e., 0 to 0.8 ml) was added to each flask for neutralization. After mixing the reagents, the volume of the sample was adjusted to 10 ml with distilled water (twice distilled). The pH of the obtained sample was adjusted within the range of 6.2 to 6.5. The determination of the value of A = (A 540 - A 540 k) obtained under different contents of MgSO 4 and H 2 SO 4 is based on the measurement of vanadium, which is sulfuric acid (final concentration up to 0.25 M) And does not affect the accuracy and correctness of the signal.

PAR과의 복합체 중의 V(IV)의 농도는 실험적으로 측정한 광학 밀도 A540 및 A540 k 및 실험적으로 측정한 흡광 계수를 이용하여 부게르-람베르트 식으로부터 계산하였다. 막을 통과한, 즉 MgSO4를 갖는 하프 셀 내에서의 V(IV)의 농도를 결정하기 위하여, PAR과의 복합체 제조시 샘플의 희석액을 다음과 같이 고려하였다: CV(IV)= Cmeas X Vflask / Vsample, 여기서 CV(IV)는 마그네슘 설페이트를 포함하는 하프 셀 내의 바나듐 이온 농도이고, Cmeas는 PAR과의 복합체 중의 측정된 바나듐 농도이며, Vflask 은 PAR과의 복합체의 제조시 사용된 부피 측정 플라스크의 부피(보통 10 ml)이고, Vsample은 PAR과의 복합체를 제조하기 위하여 MgSO4를 갖는 하프-셀에서 취하여 부피 측정 플라스크에 첨가한 분액의 부피이다. The concentration of V (IV) in the complex with PAR was calculated from the Buerger-Lambert equation using the experimentally determined optical density A 540 and A 540 k and experimentally determined extinction coefficient. To determine the concentration of V (IV) in the half-cell that has passed through the membrane, ie, MgSO 4 , a dilution of the sample in the preparation of the complex with PAR was considered as follows: C V (IV) = C meas X V flask / V sample , where C V (IV) is the vanadium ion concentration in the half cell containing magnesium sulfate, C meas is the measured vanadium concentration in the complex with PAR, and V flask is the concentration The volume of the volumetric flask used (usually 10 ml) and V sample is the volume of the fraction added to the volumetric flask taken from the half-cell with MgSO 4 to make the complex with PAR.

바나듐(IV) 이온에 대한 막의 투과도(P)는 문헌 [ChuankunJia, Jianguo Liu, Chuanwei Yan. Journal of Power Sources, 2010, 195, 4380-4383]에 주어진 관계식 (2)에 따라 계산되었다.: The permeability (P) of the membrane to the vanadium (IV) ion is described in Chuankun Jia, Jianguo Liu, Chuanwei Yan. (2) given in Journal of Power Sources, 2010, 195, 4380-4383 :

V × c(t) / t = S × P / L (cA - c(t)), (2) (T) / t = S x P / L (c A - c (t)), (2)

여기서, P는 막 투과도(cm2 min-1)이고,V는 마그네슘 설페이트를 포함하는 하프-셀 내의 용액의 부피이며(본 케이스에서 0.8 ml),c(t)는 셀 충진 후 시간 t에서 MgSO4를 함유하는 하프-셀 내의 바나듐 이온의 실험적으로 측정된 농도이고, Here, P is the membrane permeability (cm 2 min -1 ), V is the volume of solution in the half-cell containing magnesium sulfate (0.8 ml in this case), c (t) 4 , < / RTI > the concentration of vanadium in the half-

t는 분으로 나타내는 시간이며, t is the time represented by minutes,

S는 용액과 접촉하는 막 면적이고(본 케이스에서 S = 0.785 cm2), S is the membrane area in contact with the solution (S = 0.785 cm < 2 > in this case)

L은 막의 두께(cm)이며, L is the thickness (cm) of the film,

cA는 VOSO4 (1 M)를 함유하는 하프-셀 내의 바나듐 이온의 초기 농도이다. c A is the initial concentration of vanadium ion in the half-cell containing VOSO 4 (1 M).

당연히, 막을 통한 이온의 분산 속도는 막의 양면 상의 이들의 농도의 차이에 의존하므로, 시간에 따라 감소한다. 따라서, 관계식 (2)로부터 계산된 투과도 값은 시간에 따라 평준화된다. 막의 투과도가 낮은 경우들에 있어서, 시간에 따른 이온의 분산 속도는 거의 일정하다고 추정될 수 있다(J. Xi et all, J. Mater. Chem., 2008, 18, 1232-12314).Naturally, the rate of dispersion of ions through the membrane depends on the difference in their concentration on both sides of the membrane, and therefore decreases with time. Therefore, the transmission value calculated from the relational expression (2) is leveled with time. In cases where the permeability of the membrane is low, the rate of ion dispersion over time can be estimated to be almost constant ( J. Xi et al., J. Mater. Chem., 2008, 18, 1232-12314) .

막의 두께는 마이크로미터 단위로 측정하였다. The thickness of the film was measured in micrometers.

본 발명의 몇몇 실시상태에 따른 막은 낮은 바나듐 이온에 대한 투과도를 갖는다. 투과도는 바나딜 이온 VO2+의 투과도 측정시 6x10-7 cm2 min-1 이하, 5x10-7 cm2 min-1 이하, 더 바람직하게는 1x10-7 cm2 min-1 이하, 더더욱 바람직하게는 1x10-9 cm2 min-1 이하, 더더욱 바람직하게는 1x10-10cm2 min-1 이하이다.Films according to some embodiments of the present invention have a permeability to low vanadium ions. Vanadyl ion permeability is measured when transmittance of VO 2+ 6x10 -7 cm 2 min -1 or less, 5x10 -7 cm 2 min -1 or less, more preferably from 1x10 -7 cm 2 min -1 or less, and further preferably 1 x 10 -9 cm 2 min -1 or less, still more preferably 1 x 10 -10 cm 2 min -1 or less.

본 발명의 실시상태들에 따른 막에 있어서, 막 내의 1개의 음이온성 기 (예컨대, 설포기) 당 양이온성 계면활성제의 양이온성 기의 수는 약 0.01 내지 약 2, 바람직하게는 약 0.2 내지 약 1, 더 바람직하게는 약 0.5 내지 약 1이다. In membranes according to embodiments of the present invention, the number of cationic groups of cationic surfactant per anionic group (e.g., sulfo group) in the membrane is from about 0.01 to about 2, preferably from about 0.2 to about 1, more preferably from about 0.5 to about 1.

막의 두께는 목적에 따라 결정될 수 있다. The thickness of the film can be determined depending on the purpose.

본 발명에 따르면, 계면활성제 개질은 막 이온 전도도의 상당한 감소를 초래한다. According to the present invention, surfactant modification results in a significant reduction in membrane ionic conductivity.

본 발명의 일 실시상태는 상기 막을 포함하는 것을 제외하고는 당기술분야에 알려져 있는 바나듐 레독스 배터리의 구성 및 제조방법이 적용될 수 있다. 상기 바나듐 레독스 배터리는 애노드 전해액을 저장하고 애노드 전해액을 애노드에 공급하고, 애노드로부터 유출된 애노드 전해액을 수용하는 애노드 전해액 저장부와, 캐소드 전해액을 저장하고, 캐소드 전해액을 캐소드에 공급하고, 캐소드로부터 유출된 캐소드 전해액을 수용하는 캐소드 전해액 저장부를 더 포함할 수 있다.One embodiment of the present invention can be applied to the construction and manufacturing method of a vanadium redox battery known in the art except that the film is included. The vanadium redox battery includes: an anode electrolyte reservoir for storing an anode electrolyte, supplying an anode electrolyte to the anode, and storing an anode electrolyte discharged from the anode; a cathode electrolytic solution storing unit for supplying the cathode electrolytic solution to the cathode; And a cathode electrolytic solution reservoir for containing the discharged cathode electrolytic solution.

발명의 실시를 위한 형태DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

본 발명은 이하의 실시예에서 더욱 자세히 설명되지만, 여기에 기재된 세부사항들이 제한 사항으로 해석되어서는 안 된다. The present invention is described in more detail in the following examples, but the details described herein are not to be construed as limitations.

실시예 Example

실시예 1(비교예) Example 1 (Comparative Example)

나피온 막(Nafion 117, DuPont)을 증류수 (1 시간), 3% H2O2 (1.5 시간), 증류수 (1 시간), 0.5 M H2SO4 (1.5 시간), 증류수(1 시간) 중에서 연속적으로 끓임으로써 준비하였다. 전술한 방법을 이용하여 이온 V(IV)에 대한 막의 투과도를 측정하였다. 물 중에서 또는 2.5 M H2SO4 중에서 팽윤된 막의 두께는 60 마이크로미터였다. 셀 충진 후 30분 및 60분 내에, MgSO4를 포함하는 하프 셀 내의 바나듐 이온의 농도는 각각 28 mM 및 47 mM이었다. 식 (2)에 의하여 계산된 막의 평균 투과도는 6.2 × 10-6 cm2/min (30 분 인큐베이션) 및 5.2 × 10-6 cm2 min-1 (충진된 셀이 실온에서 60분간 인큐베이션되었음)이었다. 막의 이온전도도는 표준 임피던스 스펙트로스코피 방법에 의하여 측정되었으며, 0.1 S/sm이었다. The Nafion membrane (Nafion 117, DuPont) was continuously treated in distilled water (1 hour), 3% H 2 O 2 (1.5 hours), distilled water (1 hour), 0.5 MH 2 SO 4 ≪ / RTI > The permeability of the membrane to the ion V (IV) was measured using the method described above. The thickness of the membrane swollen in water or in 2.5 MH 2 SO 4 was 60 micrometers. The concentrations of vanadium ions in the half cell containing MgSO 4 were 28 mM and 47 mM, respectively, within 30 minutes and 60 minutes after the cell filling. The average permeability of the membranes calculated by equation (2) was 6.2 × 10 -6 cm 2 / min (30 min incubation) and 5.2 × 10 -6 cm 2 min -1 (the packed cells were incubated at room temperature for 60 min) . The ion conductivity of the membrane was measured by a standard impedance spectroscopy method and was 0.1 S / cm.

실시예 2Example 2

규모 약 4x3 cm를 갖는 물-팽윤된 나피온 막(Nafion 1110, DuPont)을 실시예 1에 기재한 바와 같이 준비하고, 도데실트리메틸암모늄 클로라이드 용액 10mM 20 ml에 넣고 상온에서 16시간 놓아두었다. 그 후, 상기 막을 2회 증류된 증류수로 완전히 세척하고, 바나듐에 대한 투과도를 측정하기 위하여 셀 내에 넣었다. 정확히 1주일 내에, 마그네슘 설페이트를 포함하는 하프-셀로부터의 용액을 정량하여 10 ml 부피 측정 플라스크에 옮기고, 전술한 과정에 따른 바나듐 농도 측정을 위하여 필요한 시약을 첨가하고, 부피를 10 ml로 조정하고, 상기 용액을 완전히 교반하고, 생성물의 pH(pH = 6.4)를 조절하고, 흡수도를 측정하였다. MgSO4를 포함하는 하프-셀 내의 바나듐 이온의 농도는 0.1 mM이었다. 상기 개질 후 막의 두께는 65 마이크로미터였다. 식 (2)를 이용하여 계산된 막 투과도는 6.6 × 10-11 cm2/min이었다. 막의 이온전도도는 0.003 S/sm이었다.A water-swollen Nafion membrane (Nafion 1110, DuPont) having a size of about 4 x 3 cm was prepared as described in Example 1, placed in 20 ml of 10 mM dodecyltrimethylammonium chloride solution and allowed to stand at room temperature for 16 hours. The membrane was then thoroughly washed with distilled water twice distilled and placed in a cell for measurement of the permeability to vanadium. Within exactly one week, the solution from the half-cell containing magnesium sulfate was quantitated and transferred to a 10 ml volumetric flask, the reagents needed for the determination of the vanadium concentration according to the procedure described above were added, the volume was adjusted to 10 ml , The solution was thoroughly stirred, the pH of the product (pH = 6.4) was adjusted, and the degree of absorption was measured. The concentration of vanadium ions in the half-cell containing MgSO 4 was 0.1 mM. The thickness of the after-reforming film was 65 micrometers. The membrane permeability calculated using equation (2) was 6.6 × 10 -11 cm 2 / min. The ionic conductivity of the membrane was 0.003 S / cm.

실시예 3Example 3

나피온 막(Nafion117)을 실시예 1에 기재한 바와 같이 준비하였다. 준비된 막(대략 3 × 3 cm)을 도데실아민 하이드로클로라이드의 15 mM 용액 15 ml에 넣었다. 즉, 10 g DDA(도데실아민)를 15 ml 2회 증류된 물과 혼합하고, 이어서 농축된 HCl 용액을 첨가하여 pH 2로 조절하였다. 유리병(vial)을 인큐베이터에 넣고, 50oC에서 하루동안 인큐베이션하여 계면활성제를 용해하였다. 막을 계면활성제 용액을 함유하는 유리병에 넣고 50oC의 온도 조절 장치에서 7일간 유지하였다. 막 투과도는 실시예 2에 기재한 바와 같이 측정하였다. 셀 로딩하고 7일 후, MgSO4를 포함하는 하프-셀 내의 바나듐 농도는 0.06 mM이었다. 막 두께는 65 mkm이었다. 식 (2)를 이용하여 계산된 막 투과도는 3.94 × 10-11 cm2/min 이었다. 막의 이온전도도는 0.0017 S/sm이었다.Nafion 117 (Nafion 117) was prepared as described in Example 1. The prepared membrane (approximately 3 x 3 cm) was placed in 15 ml of a 15 mM solution of dodecylamine hydrochloride. That is, 10 g DDA (dodecylamine) was mixed with 15 ml twice distilled water and then adjusted to pH 2 by addition of concentrated HCl solution. The vials were placed in an incubator and incubated at 50 ° C for one day to dissolve the surfactant. The membrane was placed in a glass bottle containing the surfactant solution and maintained in a thermostat at 50 ° C for 7 days. The membrane permeability was measured as described in Example 2. After 7 days of cell loading, the vanadium concentration in the half-cell containing MgSO 4 was 0.06 mM. The film thickness was 65 mkm. The membrane permeability calculated using equation (2) was 3.94 × 10 -11 cm 2 / min. The ionic conductivity of the membrane was 0.0017 S / cm.

실시예 4Example 4

양이온성 계면활성제 용액 중에서의 막의 인큐베이션 시간이 바나듐 이온에 대한 투과도에 미치는 효과를 연구하였다. 이를 위하여, 실시예 1에 기재한 바와 같이 준비한 나피온-117 막 5개의 샘플(약 4 × 3 cm)을 운데실피리디늄 브로마이드 10 mM 용액 15 ml 각각에 넣고, 실온에서 1시간, 3시간, 5시간, 16시간 및 24시간 유지하였다. 막을 물로 세척하고, 투과도를 실시예 2에 기재한 바와 같이 측정하였다. 측정 결과를 표 1에 요약하였다. The effect of the incubation time of the membrane in the cationic surfactant solution on the permeability to vanadium ion was studied. To this end, five samples of Nafion-117 membrane (about 4 x 3 cm) prepared as described in Example 1 were placed in 15 ml of 10 mM undidazolopyridinium bromide solution and incubated at room temperature for 1 hour, 3 hours, 5 hours, 16 hours and 24 hours. The membrane was washed with water and the permeability was measured as described in Example 2. [ The measurement results are summarized in Table 1.

막 처리 시간Membrane processing time 셀을 충진한 후 시간 (sampling moment)After sampling the cell, MgSO4를 갖는 하프-셀 내의 VO2+ 농도, mMVO 2+ concentration in the half-cell with MgSO 4 , mM 막 투과도, cm2/minTransmittance, cm 2 / min 1 시간1 hours 3 시간3 hours 1212 4.4×10-7 4.4 × 10 -7 3 시간3 hours 3 일3 days 0.30.3 4.6×10-10 4.6 × 10 -10 5 시간5 hours 7 일7 days 0.60.6 3.9×10-10 3.9 × 10 -10 16 시간16 hours 7 일7 days 0.60.6 3.9×10-10 3.9 × 10 -10 24 시간24 hours 7 일7 days 0.30.3 2.0×10-10 2.0 × 10 -10

상기 데이터는 양이온성 계면활성제 10 mM 용액 중에 상기 막을 단지 3 시간 인큐베이션하는 것이 본래의 비개질된 나피온 막과 비교할 때 바나듐에 대한 막 투과도의 대략 10배를 감소시킨다는 것을 나타낸다. The data show that incubation of the membrane in a 10 mM solution of cationic surfactant for only 3 hours reduces the permeability to vanadium by about 10 times compared to the native unmodified Nafion membrane.

실시예 5Example 5

막 개질의 정도가 막의 바나딜 이온에 대한 투과도에 미치는 효과를 평가하였다. 상기와 같이 준비된 Nafion-117 막 샘플을 양이온성 계면활성제 세틸 피리디늄 클로라이드(cetyl pyridinium chloride, CPC)로 개질하였고, 용액 중의 양이온성 계면활성제의 농도는 최대 l= 259 nm에서의 흡광도 값에 의하여 분광분석적으로(spectrophotometrically) 측정될 수 있다(몰 흡광 계수(molar extinction coefficient) = em4100 l mol-1 cm-1). The effect of the degree of membrane modification on the permeability of the membrane to vanadyl ions was evaluated. The Nafion-117 membrane sample thus prepared was modified with a cationic surfactant, cetyl pyridinium chloride (CPC), and the concentration of the cationic surfactant in the solution was measured by absorbance at a maximum of l = 259 nm Can be measured spectrophotometrically (molar extinction coefficient = e m 4100 l mol -1 cm -1 ).

실험을 다음과 같이 수행하였다. 약 0.1 g의 중량을 갖는 막 샘플 3개 각각(규모 2 × 2 cm)을 2회 증류된 물 5 ml 및 상이한 함량의 CPC을 함유하는 개별 유리병에 넣었다. The experiment was carried out as follows. Three of the membrane samples each having a weight of about 0.1 g (scale 2 x 2 cm) were placed in individual glass bottles containing 5 ml of distilled water twice and different amounts of CPC.

상기 막의 각 샘플 중의 설포-잔기(몰수)의 절대량을 측정하기 위하여, 50oC에서 일정한 중량이 될 때까지 팽윤된 막 샘플을 건조함으로써 팽윤된 막 샘플 중의 수분 함량을 측정하였다. 미리 준비된 나피온-117 막의 물 중에서 팽윤된 상태의 수분 함량은 25%이었다. 하나의 설포기 당 나피온의 건조 중량에 대응하는 나피온 117의 그램 당량(gram equivalent)이 1100이라는 사실을 고려할 때, 각 막의 샘플 중 설포기의 절대량은 하기와 같았다:To measure the absolute amount of sulfo-residues (moles) in each sample of the membrane, the water content in the swollen membrane sample was measured by drying the swollen membrane sample to a constant weight at 50 ° C. The water content of the previously prepared Nafion-117 membrane in the swollen state in water was 25%. Considering the fact that the gram equivalent of Nafion 117, corresponding to the dry weight of Nafion per sulfometry, is 1100, the absolute amount of sulfation in the sample of each membrane was as follows:

[SO3H]membr = 0.1 g × 0.75 / 1100 g/mol = 6.82 × 10-5 mol.[SO 3 H] membrane = 0.1 g × 0.75 / 1100 g / mol = 6.82 × 10 -5 mol.

막 내의 모든 설포-기가 양이온성 계면활성제의 이온과 결합할 수 있다고 가정할 때, 10 mM CPC 1.36 ml (샘플 번호 1, [CPC] / [SO3]의 몰비 = 0.2), 10 mM CPC 3.4 ml (샘플 번호 2, [CPC] / [SO3]의 몰비 = 0.5) 및 10 mM CPC 6.82 ml (샘플 번호 3, [CPC] / [SO3]의 몰비 = 1.0)를 샘플들에 첨가하였다. 용액 중의 CPC 농도는 2일 및 5일 내에 각 용액에 대하여 분광분석적으로 측정하였다. 상기 막에 결합된 계면활성제의 양 [cS]bound 은 주위 배지 중의 CPC 농도의 감소에 의하여 측정되었다. Assuming that all of the sulfo groups in the membrane can bind to ions of the cationic surfactant, 1.36 ml of 10 mM CPC (molar ratio of sample No. 1, [CPC] / [SO 3 ] = 0.2), 3.4 ml of 10 mM CPC (Molar ratio of Sample No. 2, [CPC] / [SO 3 ] = 0.5) and 6.82 ml of 10 mM CPC (molar ratio of Sample No. 3, [CPC] / [SO 3 ] = 1.0) were added to the samples. The concentration of CPC in solution was measured spectrophotometrically for each solution within 2 and 5 days. The amount of surfactant bound [cS] bound to the membrane was determined by the decrease in CPC concentration in the surrounding medium.

2일 내에, 계면활성제의 대부분의 양이 막에 흡착된 것으로 나타났다(용액 중의 잔류 CPC 농도는 첨가된 양의 2%를 초과하지 않았다.Within 2 days, most of the surfactant was adsorbed to the membrane (residual CPC concentration in solution did not exceed 2% of the added amount.

따라서, 막의 개질(충진) 정도 D = [cS]bound / [SO3H]가 0.2, 0.5 및 1인 개질된 막의 3개의 샘플을 얻고, 실시예 2에 기재한 바와 같이 바나듐 이온에 대한 막 투과도 및 막 이온 전도성의 측정을 위하여 사용되었다. 결과를 표 2에 요약하였다. Thus, three samples of the modified membrane having the degree of modification (filling) of the membrane D = [cS] bound / [SO 3 H] of 0.2, 0.5 and 1 were obtained and the membrane permeability And membrane ion conductivity. The results are summarized in Table 2.

막의 충진 정도Degree of filling of membrane 셀 로딩 후 시간 (sampling moment)Sampling moment after cell loading MgSO4를 갖는 하프-셀 내의 VO2+ 농도, mMVO 2+ concentration in the half-cell with MgSO 4 , mM 막 투과도cm2/minTransmittance cm 2 / min 막 이온 전도도Membrane ion conductivity 미개질 막Unmodified membrane 0.5 시간0.5 hours 2828 6.2 ×10-6 6.2 × 10 -6 0.10.1 0.20.2 2 시간2 hours 1010 5.5×10-7 5.5 × 10 -7 0.090.09 0.50.5 3 일3 days 66 9.2×10-9 9.2 × 10 -9 0.0170.017 1One 7 일7 days 0.10.1 6.6×10-11 6.6 × 10 -11 0.00160.0016

상기 제시된 데이터는 적은 충진 정도에서도(D = 0.2), 바나듐 이온에 대한 막의 투과도가 거의 10배 감소된다는 것을 나타낸다. 계면활성제의 등몰 결합(equimolar binding of surfactant)(막의 1 설포기당 1 계면활성제 이온)은 대략 100,000배의 투과도를 감소시킨다는 것을 나타낸다. The data presented above show that even at low fill (D = 0.2), the permeability of the film to vanadium ions is reduced by almost a factor of ten. Equimolar binding of surfactant of surfactant (1 surfactant ion per 1 sulfonyl group of membrane) reduces permeability about 100,000 times.

실시예 6Example 6

나피온 막(Nafion1100, DuPont)을 실시예 1에 기재한 바와 같이 준비하였다. 규모 약 4x3 cm를 갖는 물-팽윤된 막을 준비하고, 도데실피리디늄 클로라이드 15 mM 용액 15 ml에 넣고, 실온에서 16 시간 유지하도록 두었다. 막 투과도는 실시예 2에 기재한 바와 같이 측정하였다. 셀 로딩하고 21일 내, MgSO4를 함유하는 하프-셀 내 바나듐 농도는 3 mM이었다. 팽윤된 개질된 막의 두께는 65 마이크로미터이었다. 식 (2)를 이용하여 계산된 막 투과도는 6.6 × 10-10 cm2/min이었다. 막의 이온전도도는 0.0017 S/sm이었다.A Nafion membrane (Nafion 1100, DuPont) was prepared as described in Example 1. A water-swollen membrane having a size of about 4 x 3 cm was prepared, placed in 15 ml of a 15 mM solution of dodecylpyridinium chloride, and allowed to stand at room temperature for 16 hours. The membrane permeability was measured as described in Example 2. Cell loading and half-cell vanadium concentration containing MgSO 4 within 21 days was 3 mM. The thickness of the swollen modified membrane was 65 micrometers. The membrane permeability calculated using equation (2) was 6.6 × 10 -10 cm 2 / min. The ionic conductivity of the membrane was 0.0017 S / cm.

실시예 7Example 7

나피온 막(Nafion 1110, DuPont)을 실시예 1에 기재한 바와 같이 준비하였다. 규모 약 3x3 cm를 갖는 준비된 막을 세틸피리디늄 클로라이드 10 mM 용액 15 ml에 넣고, 약 100oC에서 7시간 동안 인큐베이션하였다. 막 투과도를 실시예 2에 기재한 바와 같이 측정하였다. 셀 로딩하고 7일 후, MgSO4를 갖는 하프-셀 내 바나듐 농도는 0.1mM이었다. 막 두께는 65 마이크로미터이었다. 식 (2)를 이용하여 계산된 막 투과도는 6.6 × 10 -11 cm2/min이었다. 막의 이온전도도는 0.0016 S/sm이었다.A Nafion membrane (Nafion 1110, DuPont) was prepared as described in Example 1. A prepared membrane having a size of about 3 x 3 cm was placed in 15 ml of a 10 mM solution of cetylpyridinium chloride and incubated at about 100 ° C for 7 hours. The membrane permeability was measured as described in Example 2. After 7 days of cell loading, the concentration of vanadium in the half-cell with MgSO 4 was 0.1 mM. The film thickness was 65 micrometers. The membrane permeability calculated using equation (2) was 6.6 × 10 -11 cm 2 / min. The ionic conductivity of the membrane was 0.0016 S / cm.

실시예 8Example 8

나피온 막(Nafion 1110, DuPont)을 실시예 1에 기재한 바와 같이 준비하였다. 준비된 막(대략 3 × 3 cm)을 세틸트리메틸암모늄 브로마이드 70 mM 용액 15 ml에 넣고, 약 50oC에서 48시간 동안 인큐베이션하였다. 막 투과도를 실시예 2에 기재한 바와 같이 측정하였다. 셀 로딩하고 430시간(대략 18일) 후, MgSO4를 갖는 하프-셀 내 바나듐 농도는 0.089 mM이었다. 식 (2)를 이용하여 계산된 막 투과도는 2.3 × 10 -11 cm2/min 이었다.A Nafion membrane (Nafion 1110, DuPont) was prepared as described in Example 1. The prepared membrane (approximately 3 x 3 cm) was placed in 15 ml of 70 mM cetyltrimethylammonium bromide solution and incubated at about 50 ° C for 48 hours. The membrane permeability was measured as described in Example 2. After cell loading, and 430 hours (about 18 days), having a half MgSO 4 - cells in the vanadium concentration was 0.089 mM. The membrane permeability calculated using equation (2) was 2.3 × 10 -11 cm 2 / min.

실시예 9Example 9

나피온 막(Nafion-117)을 실시예 1에 기재한 바와 같이 준비하였다. 준비된 막(대략 3x4 cm)을 Praepagen HY 용액 10 ml에 넣었다. 제조자에 의하여 지시된 바와 같이, Praepagen HY은 일반식 R1R2R3R4N+X-, 여기서 R1=R2=CH3, R3=(CH2)2OH, R4=C10-C20 알킬, 주로 C12 (대략 65-70%) 및 C14 (약 23-28%)의 혼합물, X=Cl인 양이온성 계면활성제의 혼합물의 대략 40% (wt)의 수용액이다. 용액을 준비하기 위하여 2회 증류된 증류수 10 ml에, Praepagen HY 약 40% 용액 75 mkl를 첨가하였다.The Nafion-117 (Nafion-117) was prepared as described in Example 1. The prepared membrane (approximately 3 x 4 cm) was placed in 10 ml of Praepagen HY solution. As indicated by the manufacturer, Praepagen HY has the formula R 1 R 2 R 3 R 4 N + X - , where R 1 = R 2 = CH 3 , R 3 = (CH 2 ) 2 OH, R 4 = C (Wt) of a mixture of 10 to 20 alkyl, a mixture of C 12 (about 65-70%) and C 14 (about 23-28%), a cationic surfactant with X = Cl. To prepare a solution, 75 ml of a 40% solution of Praepagen HY was added to 10 ml of distilled 2-times distilled water.

상기 막을 상기에서 제조한 용액에 넣고, 실온에서 20시간 유지하였다. 막 투과도를 실시예 2에서 기재한 바와 같이 측정하였다. 셀 로딩하고 7일 후, MgSO4를 갖는 하프-셀 내 바나듐 농도는 0.5 mM이었다. 막 두께는 65 mkm이었다. 식 (2)를 이용하여 계산된 막 투과도는 3.3 × 10-10 cm2/min 이었다. 막의 이온전도도는 0.0017 S/sm이었다.The membrane was placed in the solution prepared above and kept at room temperature for 20 hours. The membrane permeability was measured as described in Example 2. After 7 days of cell loading, the concentration of vanadium in the half-cell with MgSO 4 was 0.5 mM. The film thickness was 65 mkm. The membrane permeability calculated using equation (2) was 3.3 × 10 -10 cm 2 / min. The ionic conductivity of the membrane was 0.0017 S / cm.

실시예 10Example 10

상기 막에 대한 양이온성 계면활성제의 결합 안정성을 연구하였다. 이 목적을 위하여, 실시예 6에 따라 얻어진 막을 2회 증류된 물의 50 ml 중에서 2주간 인큐베이션하였다. 탈착된 계면활성제(도데실피리디늄 클로라이드, DDPC)의 양을 분광분석적으로 측정하였다(eM=4100 l mol-1 cm-1). 용액 중의 DDPC농도는 1.5 × 10-5M이었고, 이는 1% 미만의 탈착정도에 대응한다. 식 (2)를 이용하여 계산된 막 투과도는 실시예 6의 초기 개질된 막과 비교할 때 변화하지 않았고, 6.6 × 10-10 cm2/min 이었다.The binding stability of the cationic surfactant to the membrane was studied. For this purpose, the membrane obtained according to Example 6 was incubated in 50 ml of twice distilled water for 2 weeks. The amount of desorbed surfactant (dodecylpyridinium chloride, DDPC) was measured spectrophotometrically (e M = 4100 l mol -1 cm -1 ). The DDPC concentration in the solution was 1.5 x 10 < -5 > M, which corresponds to a desorption degree of less than 1%. Membrane permeability calculated using the formula (2) did not change compared to the initial modified membrane of Example 6, it was 6.6 × 10 -10 cm 2 / min .

실시예 11Example 11

막에 대한 양이온성 계면활성제의 결합 안정성에 대한 고온의 효과를 연구하였다. 이 목적을 위하여, 실시예 6에 따라 얻어진 막을 증류수 100 ml 중에서 1 시간 끓였다. 용액 내 DDPC 농도는 분광분석법에 의하여 측정될 수 없었으며, 이는 탈착정도가 1% 미만이었음을 나타낸다. 식 (2)를 이용하여 계산된 막 투과도는 변화하지 않았고, 6.6 × 10-10 cm2/min 이었다.The effect of the high temperature on the binding stability of the cationic surfactant to the membrane was studied. For this purpose, the membrane obtained according to Example 6 was boiled in 100 ml of distilled water for 1 hour. The concentration of DDPC in the solution could not be determined by spectrometry, indicating that the degree of desorption was less than 1%. The membrane permeability calculated using equation (2) did not change and was 6.6 × 10 -10 cm 2 / min.

실시예 12Example 12

황산 중에서의 준비가 양이온성 계면활성제/막 결합에 미치는 영향을 연구하였다. 이 목적을 위하여 실시예 6에 따라 제조된 막을 0.5 M H2SO4 40 ml에서 1시간, 2회 증류된 증류수 40 ml에서 1시간 연속적으로 끓었다. 식 (2)를 이용하여 계산된 막 투과도는 1.6 × 10-9 cm2/min, 즉 약 2.4배 증가하였고, 본래 비개질된 막의 투과도에 비하여 약 1,000배 아래를 유지하였다.The effect of preparation in sulfuric acid on cationic surfactant / membrane binding was studied. For this purpose, the membrane prepared according to Example 6 was continuously boiled in 40 ml of distilled water twice distilled for 1 hour at 40 ml of 0.5 MH 2 SO 4 for 1 hour. The membrane permeability calculated using Eq. (2) was 1.6 × 10 -9 cm 2 / min, or about 2.4 times greater than that of the original unmodified membrane.

실시예 13Example 13

나피온 막(Nafion 1110, DuPont)을 실시예 1에 기재한 바와 같이 준비하였다. 준비된 막(약 3 × 3 cm)을 세틸피리디늄 클로라이드 용액 10 mM 15 ml에 넣고 실온에서 2시간 유지하도록 두었다. 상기 막을 물로 완전히 세척하고, 150oC에서 24시간 어닐링하였다. 상기 막을 2회 증류된 물 50 ml 중에 밤새 인큐베이션한 후, 그것의 투과도를 실시예 2에 기재된 바와 같이 측정하였다. 셀 로딩하고 7일 후 MgSO4를 갖는 하프-셀 내의 바나듐 농도는 0.1 mM 이었다. 막 두께는 65 mkm이었다. 식 (2)를 이용하여 계산된 막 투과도는 6.6 × 10-11 cm2/min 이었다. A Nafion membrane (Nafion 1110, DuPont) was prepared as described in Example 1. The prepared membrane (about 3 x 3 cm) was placed in 15 ml of 10 mM cetylpyridinium chloride solution and allowed to stand at room temperature for 2 hours. Fully washing the membrane with water, and was annealed for 24 hours at 150 o C. The membrane After overnight incubation in 50 ml of twice distilled water, its permeability was measured as described in Example 2. After 7 days of cell loading, the vanadium concentration in the half-cell with MgSO 4 was 0.1 mM. The film thickness was 65 mkm. The membrane permeability calculated using equation (2) was 6.6 × 10 -11 cm 2 / min.

실시예 14Example 14

나피온 막(Nafion1100, DuPont)을 실시예 1에 기재한 바와 같이 준비하였다. 물-팽윤되어 준비된 막(0.23 g)을 디데실디메틸암모늄 브로마이드(didecyldimethylammonium bromide) 0.005 M 20 ml에 넣고([cS]/[SO3H]membr = 0.7), 실온에서 36시간 인큐베이션하였다. 막 투과도를 실시예 2에 기재된 바와 같이 측정하였다. 셀 로딩하고 11일 후, MgSO4를 갖는 하프-셀 내의 바나듐 농도는 0.9 mM 이었다. 막 두께는 65 mkm이었다. 식 (2)를 이용하여 계산된 막 투과도는 4.0 × 10 -10 cm2/min 이었다. 막의 이온전도도는 0.0017 S/sm이었다.A Nafion membrane (Nafion 1100, DuPont) was prepared as described in Example 1. The water-swollen membrane (0.23 g) was placed in 20 ml of 0.005 M didecyldimethylammonium bromide ([cS] / [SO 3 H] berm = 0.7) and incubated at room temperature for 36 hours. The membrane permeability was measured as described in Example 2. Cell loading, and 11 days later, half having MgSO 4 - vanadium concentration in the cell was 0.9 mM. The film thickness was 65 mkm. The membrane permeability calculated using equation (2) was 4.0 × 10 -10 cm 2 / min. The ionic conductivity of the membrane was 0.0017 S / cm.

실시예 15Example 15

나피온 막(Nafion-1100)을 실시예 1에 기재한 바와 같이 준비하였다. 중량 0.29 g을 갖는 물-팽윤되어 준비된 막을 디데실디메틸암모늄 브로마이드(didecyldimethylammonium bromide) 용액 0.005 M 20 ml에 넣고([cS]/[SO3H]membr = 0.55), 실온에서 24시간 인큐베이션하였다. 막 투과도를 실시예 2에 기재된 바와 같이 측정하였다. 셀 로딩하고 4일 후, MgSO4를 갖는 하프-셀 내의 바나듐 농도는 0.03 mM 이었다. 막 두께는 65 mkm이었다. 식 (2)를 이용하여 계산된 막 투과도는 3.5 × 10-11 cm2/min 이었다.A Nafion membrane (Nafion-1100) was prepared as described in Example 1. The water-swollen prepared membrane having a weight of 0.29 g was placed in 20 ml of 0.005 M of didecyldimethylammonium bromide solution ([cS] / [SO 3 H] membr = 0.55) and incubated at room temperature for 24 hours. The membrane permeability was measured as described in Example 2. After 4 days of cell loading, the vanadium concentration in the half-cell with MgSO 4 was 0.03 mM. The film thickness was 65 mkm. The membrane permeability calculated using equation (2) was 3.5 × 10 -11 cm 2 / min.

실시예 16Example 16

나피온 막(Nafion-117)을 실시예 1에 기재한 바와 같이 준비하였다. 물-팽윤되어 준비된 막(0.22 g)을 디데실디메틸암모늄 브로마이드(didecyldimethylammonium bromide) 용액 0.01 M 30 ml에 넣고([cS]/[SO3H]membr = 2), 실온에서 24시간 인큐베이션하였다. 막 투과도를 실시예 2에 기재된 바와 같이 측정하였다. 셀 로딩하고 11일(261 시간) 후, MgSO4를 갖는 하프-셀 내의 바나듐 농도는 0.06 mM 이었다. 막 두께는 65 mkm이었다. 식 (2)를 이용하여 계산된 막 투과도는 2.3 × 10-11 cm2/min 이었다. The Nafion-117 (Nafion-117) was prepared as described in Example 1. The water-swelled membrane (0.22 g) was placed in 30 ml of 0.01 M didecyldimethylammonium bromide solution ([cS] / [SO 3 H] mem = 2) and incubated at room temperature for 24 hours. The membrane permeability was measured as described in Example 2. It was the vanadium concentration in the cell is 0.06 mM - cell loading and after 11 days (261 hours), the half with MgSO 4. The film thickness was 65 mkm. The membrane permeability calculated using equation (2) was 2.3 × 10 -11 cm 2 / min.

실시예 17Example 17

나피온 막(Nafion 1110)을 실시예 1에 기재한 바와 같이 준비하였다. 물-팽윤되어 준비된 막(0.22 g)을 디데실디메틸암모늄 브로마이드(didecyldimethylammonium bromide) 용액 0.005 M 30 ml에 넣고([cS]/[SO3H]membr = 1.02), 50oC에서 24시간 인큐베이션하였다. 막 투과도를 실시예 2에 기재된 바와 같이 측정하였다. 셀 로딩하고 11일 후, MgSO4를 갖는 하프-셀 내의 바나듐 농도는 0.13 mM 이었다. 막 두께는 65 mkm이었다. 식 (2)를 이용하여 계산된 막 투과도는 5.5 × 10-11 cm2/min 이었다. 막의 이온전도도는 0.001 S/sm이었다.A Nafion membrane (Nafion 1110) was prepared as described in Example 1. The water-swollen membrane (0.22 g) was placed in 30 ml of 0.005 M didecyldimethylammonium bromide solution ([cS] / [SO 3 H] membr = 1.02) and incubated at 50 ° C for 24 hours . The membrane permeability was measured as described in Example 2. After 11 days of cell loading, the vanadium concentration in the half-cell with MgSO 4 was 0.13 mM. The film thickness was 65 mkm. The membrane permeability calculated using equation (2) was 5.5 × 10 -11 cm 2 / min. The ionic conductivity of the membrane was 0.001 S / cm.

실시예 18Example 18

0.01 M 아세트산 중의 데실아민(decylamine) 0.01 M 용액 30 ml을 준비하기 위하여, 계면활성제 샘플을 아세트산 0.01 M 용액에 넣고, 50oC에서 밤샘 유지하도록 두어 계면활성제를 용해하였다. 나피온-117(0.17 g)의 물-팽윤되어 준비된 막을 0.01 M 아세트산 중의 데실아민 용액 0.01 M 30 ml에 넣고, 1주일간 50oC에서 유지하였다. 막 투과도를 실시예 2에 기재된 바와 같이 측정하였다. 식 (2)를 이용하여 계산된 막 투과도는 1.2 × 10-10 cm2/min 이었다. To prepare 30 ml of 0.01 M decylamine solution in 0.01 M acetic acid, the surfactant sample was placed in a 0.01 M acetic acid solution and kept at 50 ° C overnight to dissolve the surfactant. Nafion-117 (0.17 g) of the water-swollen, prepared membrane was placed in 30 ml of 0.01 M decylamine solution in 0.01 M acetic acid and maintained at 50 ° C for one week. The membrane permeability was measured as described in Example 2. The membrane permeability calculated using equation (2) was 1.2 × 10 -10 cm 2 / min.

실시예 19Example 19

나피온 막(Nafion1100, DuPont)을 실시예 1에 기재한 바와 같이 준비하였다. 물-팽윤되어 준비된 막(0.19 g)을 디옥타데실디메틸암모늄 브로마이드 용액 0.005 M 20 ml에 넣고([cS]/[SO3H]membr = 0.76), 50oC에서 36시간 인큐베이션하였다. 막 투과도를 실시예 2에 기재된 바와 같이 측정하였다. 셀 로딩하고 22일 후, MgSO4를 갖는 하프-셀 내의 바나듐 농도는 15.5 mM 이었다. 막 두께는 65 mkm이었다. 식 (2)를 이용하여 계산된 막 투과도는 7.2 × 10-8 cm2/min 이었다.A Nafion membrane (Nafion 1100, DuPont) was prepared as described in Example 1. The water-swollen prepared membrane (0.19 g) was placed in 20 ml of 0.005 M dioctadecyldimethylammonium bromide solution ([cS] / [SO 3 H] membr = 0.76) and incubated at 50 ° C for 36 hours. The membrane permeability was measured as described in Example 2. Cell loading, and 22 days later, half having MgSO 4 - vanadium concentration in the cell was 15.5 mM. The film thickness was 65 mkm. The membrane permeability calculated using equation (2) was 7.2 × 10 -8 cm 2 / min.

Claims (21)

양이온성 계면활성제 또는 상기 양이온성 계면활성제의 혼합물을 함유하는 수용액 또는 염수액 중에 막을 인큐베이션함으로써 양이온성 계면활성제를 막 표면 및 막 내 중 적어도 일부에 도입하는 단계를 포함하는 바나듐 이온에 대한 막의 투과도를 감소시키는 방법. Introducing the cationic surfactant into at least a portion of the membrane surface and the membrane by incubating the membrane in an aqueous or saline solution containing a mixture of the cationic surfactant or the cationic surfactant, How to reduce. 청구항 1에 있어서, 상기 막은 양이온 교환 막인 것인 방법. The method of claim 1, wherein the membrane is a cation exchange membrane. 청구항 1에 있어서, 상기 막은 설포기를 갖는 중합체 막인 것인 방법. The method according to claim 1, wherein the membrane is a polymer membrane having a sulfo group. 청구항 1에 있어서, 상기 막은 양이온성 계면활성제를 막에 도입한 후에, 본래의 비개질 막에 비하여, 바나딜 VO2+ 이온의 투과도가 5배 이상 감소된 것인 방법. The method of claim 1, wherein the membrane has a permeability of vanadyl VO 2+ ion reduced by at least 5-fold relative to the native unmodified membrane after introducing the cationic surfactant into the membrane. 청구항 1에 있어서, 상기 양이온성 계면활성제는 소수성 모이어티를 갖고, 상기 막은 소수성 단편(fragment)을 포함하는 것인 방법. The method of claim 1, wherein the cationic surfactant has a hydrophobic moiety and the membrane comprises a hydrophobic fragment. 청구항 1에 있어서, 상기 양이온성 계면활성제 도입 전, 도입 후, 또는 도입 전과 후, 상기 막을 과산화수소 용액 중에서, 황산 용액 중에서, 그리고 증류수 중에서 연이어 가열하는 단계를 더 포함하는 것인 방법. The method according to claim 1, further comprising the step of successively heating the membrane in a hydrogen peroxide solution, in a sulfuric acid solution, and in distilled water before, after, or after introduction of the cationic surfactant. 청구항 1에 있어서, 상기 막은 설포기를 갖는 중합체와 그외 1종 이상의 중합체를 포함하는 것인 방법. The method according to claim 1, wherein the membrane comprises a polymer having a sulfo group and at least one other polymer. 청구항 1에 있어서, 상기 양이온성 계면활성제는 하기 화학식 1 또는 2로 표시되는 화합물 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것인 방법:
[화학식 1]
Figure pct00003

[화학식 2]
Figure pct00004

상기 화학식 1 및 2에 있어서,
R1은 수소, 메틸 또는 에틸이고,
R2는 수소, 메틸, 에틸, 페닐, 페닐메틸, 히드록시메틸 또는 히드록시에틸이며,
R3은 수소, C1 내지 C20의 알킬, C6 내지 C20의 아릴, C7 내지 C20의 아릴알킬, C1 내지 C20의 히드록시알킬, (CH2CH2O)nR, 또는 (CH2)pCOO-이고, 여기서 n은 4 내지 100의 정수이고, R은 수소 또는 C1 내지 C20의 알킬이며, p는 1 내지 12의 정수이고,
R4는 C8 내지 C20의 알킬, C8 내지 C20의 히드록시알킬, -COOR',-R"COOR"' 또는 -R"OCOR"'이고, 여기서 R' 및 R"'는 C8 내지 C20의 알킬이고, R"는 C1 내지 C3의 알킬렌이며;
R5는 C8 내지 C20의 알킬, -COOR',-R"COOR"' 또는 -R"OCOR"'이고, 여기서 R' 및 R"'는 C8 내지 C20의 알킬이고, R"는 C1 내지 C3의 알킬렌이며;
X는 음이온기이다.
The method of claim 1, wherein the cationic surfactant comprises a compound represented by the following formula (1) or a mixture thereof:
[Chemical Formula 1]
Figure pct00003

(2)
Figure pct00004

In the above formulas (1) and (2)
R < 1 > is hydrogen, methyl or ethyl,
R 2 is hydrogen, methyl, ethyl, phenyl, phenylmethyl, hydroxymethyl or hydroxyethyl,
R 3 is selected from the group consisting of hydrogen, C 1 to C 20 alkyl, C 6 to C 20 aryl, C 7 to C 20 arylalkyl, C 1 to C 20 hydroxyalkyl, (CH 2 CH 2 O) n R, Or (CH 2 ) p COO - , wherein n is an integer from 4 to 100, R is hydrogen or C 1 to C 20 alkyl, p is an integer from 1 to 12,
R 4 is C 8 to hydroxyalkyl, -COOR a C 20 alkyl, C 8 to C 20 of - ", wherein R '', R" COOR "'or-R" OCOR "and R"' is C 8 To C 20 alkyl, and R "is C 1 to C 3 alkylene;
R 5 is C 8 to alkyl, -COOR of C 20 - ", wherein R '', R" COOR "'or-R" OCOR "and R" a "is alkyl of from C 8 to C 20, R" is C 1 to C 3 alkylene;
X is an anion group.
청구항 1에 있어서, 상기 양이온성 계면활성제는 이중 꼬리를 갖는 계면활성제, 양쪽성 베타인(betaine) 또는 측쇄에 히드록시기를 갖는 계면활성제를 포함하는 것인 방법. The method of claim 1, wherein the cationic surfactant comprises a surfactant having a double tail, amphoteric betaine, or a surfactant having a hydroxy group in the side chain. 청구항 1에 있어서, 상기 인큐베이션은 100oC 내지 10 oC의 온도에서 수행되는 것인 방법. The method of claim 1, wherein the incubation is performed at a temperature of from 100 ° C to 10 ° C. 청구항 1에 있어서, 상기 수용액 또는 염수액 중 양이온성 계면활성제의 농도는 10-5 M 내지 1 М인 것인 방법. The method according to claim 1, wherein the concentration of the cationic surfactant in the aqueous or saline solution is 10 < -5 > M to 1 m. 청구항 1에 있어서, 상기 수용액 또는 염수액은 무기염, 유기염, 알칼리 금속 이온, 무기산 및 유기산 중 적어도 하나를 더 포함하는 것인 방법. The method of claim 1, wherein the aqueous or saline solution further comprises at least one of an inorganic salt, an organic salt, an alkali metal ion, an inorganic acid, and an organic acid. 애노드, 캐소드 및 상기 애노드와 캐소드 사이에 구비된 분리막을 포함하고, 상기 분리막이 청구항 1 내지 12 중 어느 한 항에 따른 방법에 의하여 제조된 막인 것인 바나듐 레독스 배터리. A vanadium redox battery comprising an anode, a cathode, and a separator provided between the anode and the cathode, wherein the separator is a film produced by the method according to any one of claims 1 to 12. 애노드, 캐소드 및 상기 애노드와 캐소드 사이에 구비된 분리막을 포함하고, 상기 분리막이 양이온성 계면활성제 또는 상기 양이온 계면활성제의 혼합물이 막의 표면 상 및 막 내부 중 적어도 일부에 구비된 막인 것인 바나듐 레독스 배터리. A separator provided between the anode and the cathode, wherein the separator is a membrane comprising a cationic surfactant or a mixture of the cationic surfactants on at least a portion of the surface of the membrane and the inside of the membrane, wherein the vanadium redox battery. 청구항 14에 있어서, 상기 막 내의 설포기 1개 당 상기 막에 결합된 양이온성 계면활성제의 양이온성 기의 수의 비율은 0.01 내지 2개인 것인 바나듐 레독스 배터리. 15. The vanadium redox battery according to claim 14, wherein the ratio of the number of cationic groups of the cationic surfactant bound to the membrane per sulfo group in the membrane is 0.01 to 2. 청구항 14에 있어서, 상기 막은 양이온 교환 막인 것인 바나듐 레독스 배터리. 15. The vanadium redox battery of claim 14, wherein the membrane is a cation exchange membrane. 청구항 14에 있어서, 상기 막은 설포기를 갖는 중합체 막인 것인 바나듐 레독스 배터리. 15. The vanadium redox battery according to claim 14, wherein the film is a polymer film having a sulfurizing group. 청구항 14에 있어서, 상기 양이온성 계면활성제는 소수성 모이어티를 갖고, 상기 막은 소수성 단편(fragment)을 포함하는 것인 바나듐 레독스 배터리. 15. The vanadium redox battery of claim 14, wherein the cationic surfactant has a hydrophobic moiety and the membrane comprises a hydrophobic fragment. 청구항 14에 있어서, 상기 막은 설포기를 갖는 중합체와 그외 1종 이상의 중합체를 포함하는 것인 바나듐 레독스 배터리. 15. The vanadium redox battery according to claim 14, wherein the membrane comprises a polymer having a sulfo group and at least one other polymer. 청구항 14에 있어서, 상기 양이온성 계면활성제는 하기 식 1 또는 2로 표시되는 화합물 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것인 바나듐 레독스 배터리:
[화학식 1]
Figure pct00005

[화학식 2]
Figure pct00006

상기 화학식 1 및 2에 있어서,
R1은 수소, 메틸 또는 에틸이고,
R2는 수소, 메틸, 에틸, 페닐, 페닐메틸, 히드록시메틸 또는 히드록시에틸이며,
R3은 수소, C1 내지 C20의 알킬, C6 내지 C20의 아릴, C7 내지 C20의 아릴알킬, C1 내지 C20의 히드록시알킬, (CH2CH2O)nR, 또는 (CH2)pCOO-이고, 여기서 n은 4 내지 100의 정수이고, R은 수소 또는 C1 내지 C20의 알킬이며, p는 1 내지 12의 정수이고,
R4는 C8 내지 C20의 알킬, C8 내지 C20의 히드록시알킬, -COOR',-R"COOR"' 또는 -R"OCOR"'이고, 여기서 R' 및 R"'는 C8 내지 C20의 알킬이고, R"는 C1 내지 C3의 알킬렌이며;
R5는 C8 내지 C20의 알킬, -COOR' ,-R"COOR"' 또는 -R"OCOR"'이고, 여기서 R' 및 R"'는 C8 내지 C20의 알킬이고, R"는 C1 내지 C3의 알킬렌이며;
X는 음이온기이다.
The vanadium redox battery according to claim 14, wherein the cationic surfactant comprises a compound represented by the following formula 1 or 2, or a mixture thereof:
[Chemical Formula 1]
Figure pct00005

(2)
Figure pct00006

In the above formulas (1) and (2)
R < 1 > is hydrogen, methyl or ethyl,
R 2 is hydrogen, methyl, ethyl, phenyl, phenylmethyl, hydroxymethyl or hydroxyethyl,
R 3 is selected from the group consisting of hydrogen, C 1 to C 20 alkyl, C 6 to C 20 aryl, C 7 to C 20 arylalkyl, C 1 to C 20 hydroxyalkyl, (CH 2 CH 2 O) n R, Or (CH 2 ) p COO - , wherein n is an integer from 4 to 100, R is hydrogen or C 1 to C 20 alkyl, p is an integer from 1 to 12,
R 4 is C 8 to hydroxyalkyl, -COOR a C 20 alkyl, C 8 to C 20 of - ", wherein R '', R" COOR "'or-R" OCOR "and R"' is C 8 To C 20 alkyl, and R "is C 1 to C 3 alkylene;
R 5 is ', wherein R' C 8 to C 20 alkyl, -COOR ', -R "COOR"' or -R "OCOR" a and R "a" is alkyl of from C 8 to C 20, R "is C 1 to C 3 alkylene;
X is an anion group.
청구항 14에 있어서, 상기 양이온성 계면활성제는 이중 꼬리를 갖는 계면활성제, 양쪽성 베타인(betaine) 또는 측쇄에 히드록시기를 갖는 계면활성제를 포함하는 것인 바나듐 레독스 배터리. 15. The vanadium redox battery of claim 14, wherein the cationic surfactant comprises a surfactant having a double tail, amphoteric betaine, or a surfactant having a hydroxy group in the side chain.
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