KR20180017679A - Electrode for vanadium redox flow battery and vanadium redox flow battery including the same - Google Patents

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Abstract

Disclosed is a carbon felt electrode for a vanadium redox flow battery which comprises a carbon felt and an ion-adsorbing layer disposed on at least one surface of the carbon felt, wherein the ion-adsorbing layer comprises a conductive carbon and a bonding polymer resin, and wherein a carbon fiber surface of the carbon felt has at least one functional group bonded to the carbon fiber surface. The present invention provides a carbon felt electrode for a vanadium redox flow battery comprises: a carbon felt and an ion-adsorbing layer disposed on at least one surface of the carbon felt, wherein the ion-adsorbing layer comprises a conductive carbon and a carbon-based material obtained by carbonization of a boding polymer resin, and wherein a carbon fiber or the ion-adsorbing layer forming the carbon felt has at least one functional group bonded to a surface. Also a vanadium redox flow battery comprising the carbon felt electrode is provided.

Description

바나듐 레독스 흐름전지용 전극 및 이를 포함한 바나듐 레독스 흐름전지 {Electrode for vanadium redox flow battery and vanadium redox flow battery including the same}[0001] The present invention relates to an electrode for a vanadium redox flow battery and a vanadium redox flow battery including the same,

바나듐 레독스 흐름전지용 전극 및 이를 포함한 바나듐 레독스 흐름전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 바나듐의 산화 환원 가역성과 전류밀도가 향상된 바나듐 레독스흐름 전지용 전극과, 이를 채용함으로써 향상된 충방전 용량 및 전지 효율을 갖는 바나듐레독스 흐름전지에 관한 것이다. More particularly, the present invention relates to an electrode for a vanadium redox flow cell having improved redox reversibility and current density of vanadium and an improved electrode for a vanadium redox flow battery, To a vanadium redox flow cell.

본 발명은 중소기업 기술혁신개발사업의 지원을 받아 수행한 과제(과제번호 S2169246),“바나듐 레독스 흐름전지용 두께 4.5±0.45㎜ 및 표면적 10±㎡/g 이상을 갖는 흑연펠트 전극 기술 개발”의 결과물에 관한 것이다.The present invention was accomplished with the support of SME technology innovation development project (Project No. S2169246), "Development of graphite felt electrode technology with a thickness of 4.5 ± 0.45 mm for vanadium redox flow cell and surface area of more than 10 ± ㎡ / g" .

에너지저장 장치를 위한 대용량 이차전지로 레독스 흐름 전지의 연구와 개발이 활발하게 진행되고 있다. 레독스 흐름 전지는 전해질 중의 활물질이 산화(Oxidation)-환원(Reduction)되어 충전 및 방전되는 시스템으로 전해액의 화학적 에너지를 직접 전기에너지 저장시키는 전기화학적 축전장치이다.Research and development of redox flow cell is actively proceeding with large capacity secondary battery for energy storage device. The redox flow cell is an electrochemical storage device in which the active energy in the electrolyte is oxidized (reduced) and charged and discharged, and the chemical energy of the electrolyte is directly stored as electrical energy.

바나듐 레독스 흐름전지의 전극으로는 주로 탄소펠트가 사용되고 있다. 탄소펠트의 표면처리 기술은 탄소섬유 펠트의 표면적을 넓히고 전기활성종의 산화 환원 반응 자리를 제공하여 레독스 흐름 전지의 효율과 성능을 결정하는 중요한 기술로 알려져 있다.As the electrode of the vanadium redox flow cell, carbon felt is mainly used. The surface treatment technique of carbon felt is known to be an important technology for determining the efficiency and performance of redox flow cell by enlarging the surface area of carbon fiber felt and providing a redox reaction site of electroactive species.

기존의 탄소펠트는 장섬유를 갖는 탄소전구체로 펠트를 제작하고 산화-탄화-흑연화과정을 거쳐서 흑연펠트를 만들고 이를 400℃이상의 고온에서 steam 혹은 이산화탄소 혹은 오존을 넣어서 탄소섬유 표면에 기능기를 생성시키는 방법 또는 알카리 용액 또는 산용액에 탄소펠트를 적시고 세정하여 다시 높은 온도에서 처리하여 탄소섬유 표면에 기능기를 도입하는 방법으로 표면처리하여 전극을 제조한다 The conventional carbon felt is made of a carbon precursor having a long fiber and is made into a graphite felt through an oxidation-carbonization-graphitization process. The graphite felt is formed by adding steam, carbon dioxide or ozone at a temperature higher than 400 ° C. Or carbon fiber is wetted with an alkali solution or an acid solution, washed and then treated at a high temperature to introduce a functional group onto the surface of the carbon fiber to prepare an electrode

그런데 지금까지 알려진 표면처리 방법에 따라 탄소펠트 전극을 제조하면, 흑연화 된 탄소섬유의 활성화가 매우 어려워서 탄소펠트를 구성하는 탄소 섬유 표면에 기능기를 생성시키거나 반응이온종을 흡착시킬 수 있는 기공(pore)를 만들기는 매우 어렵다. 이로 인해 바나듐 같은 반응이온종이 전극 표면으로의 전해액 흡착성과 전기화학적 반응성이 낮아지게 되어 이에 대한 개선이 요구된다. 또한 흐름전지의 성능과 출력밀도를 증가시키기 위해서는 단위면적당 높은 전류를 구현가능한 전극이 필요하며 종래 방식의 표면처리방법으로는 바나듐이온의 선택적 흡착성과 반응성이 제한되어 고전류의 성능을 갖는 전극을 얻기가 어렵다.However, when the carbon felt electrode is manufactured according to the known surface treatment method, activation of the graphitized carbon fiber is very difficult, so that it is difficult to generate functional groups on the surface of the carbon fibers constituting the carbon felt, pore is very difficult to make. As a result, the adsorption of the electrolyte to the electrode surface and the electrochemical reactivity of the reactive ion species such as vanadium are lowered, and improvement is required. Also, in order to increase the performance and power density of the flow cell, an electrode capable of realizing a high current per unit area is required. In the conventional surface treatment method, the selective adsorption and reactivity of vanadium ions are limited so that an electrode having high- it's difficult.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 문제점을 해결하여 전해액의 흡착성 및 전기화학적 반응성이 개선된 바나듐 레독스 흐름전지용 탄소펠트 전극을 제공하는 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a carbon felt electrode for a vanadium redox-flow battery in which the adsorbability and electrochemical reactivity of an electrolyte are improved by solving the above-described problems.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상술한 탄소펠트 전극을 포함하여 충방전 효율 및 전류밀도가 개선된 바나듐 레독스 흐름전지를 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide a vanadium redox flow cell including the above carbon felt electrode with improved charging / discharging efficiency and current density.

한 측면에 따라 탄소펠트 및 탄소펠트의 적어도 일 면상에 배치된 이온흡착층을 포함하며,A carbon felt and an ion adsorbing layer disposed on at least one side of the carbon felt according to one aspect,

상기 이온흡착층은 전도성 탄소 및 결합고분자 수지를 포함하며, Wherein the ion-adsorbing layer comprises a conductive carbon and a binding polymer resin,

상기 탄소펠트의 탄소 섬유 표면에는 하나이상의 기능기가 형성된 바나듐레독스 흐름전지용 탄소펠트 전극이 제공된다.There is provided a carbon felt electrode for a vanadium redox-flow battery, wherein at least one functional group is formed on the carbon fiber surface of the carbon felt.

다른 측면에 따라 탄소펠트 및 탄소펠트의 적어도 일 면상에 배치된 이온흡착층을 포함하며,And an ion-adsorbing layer disposed on at least one side of the carbon felt and the carbon felt according to the other aspect,

상기 이온흡착층은 전도성 탄소 및 결합 고분자수지의 탄화로 얻어진 탄소계 물질을 포함하며, Wherein the ion-adsorbing layer comprises a carbon-based material obtained by carbonization of conductive carbon and a bonding polymer resin,

상기 탄소펠트의 탄소 섬유 및 이온흡착층의 표면에는 하나 이상의 기능기가 형성된 바나듐 레독스 흐름전지용 탄소펠트 전극이 제공된다. There is provided a carbon felt electrode for a vanadium redox-flow battery, wherein at least one functional group is formed on the surface of the carbon fiber and the ion adsorption layer of the carbon felt.

또 다른 측면에 따라 상술한 탄소펠트 전극을 포함한 바나듐 레독스 흐름전지가 제공된다.According to another aspect, there is provided a vanadium redox flow cell comprising the carbon felt electrode described above.

일구현예에 따른 탄소펠트 전극은 탄소섬유 표면에서의 반응 이온종의 흡착과 확산이 증가된다. 따라서 이러한 탄소펠트 전극을 이용하면 산화환원 반응의 가역성과 전류밀도가 향상된다. 따라서 본 발명의 탄소펠트 전극을 이용하면 충방전용량 및 전압효율이 개선된 바나듐레독스흐름전지를 제조할 수 있다.The carbon-felt electrode according to one embodiment increases the adsorption and diffusion of reactive ion species on the carbon fiber surface. Therefore, the use of such a carbon felt electrode improves the reversibility of the redox reaction and the current density. Therefore, by using the carbon felt electrode of the present invention, a vanadium redox flow cell improved in charge / discharge capacity and voltage efficiency can be manufactured.

도 1a은 본 발명의 일구현예에 따른 바나듐 레독스흐름 전지의 구성을 나타내는 예시적인 구성도이다.
도 1b는 본 발명의 다른 일구현예에 따란 바나듐 레독스흐름전지의 구성을 나타낸 것이다.
도 2는 도 1에서 단위 셀의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 실시예 1-2 및 비교예 1의 바나듐 레독스흐름 전지용 전극의 표면 및 단면에 대한 현미경 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1-2 및 비교예 1의 바나듐 레독스흐름 전지용 전극의 표면과 단면이 물에 대한 젖음성을 측정한 사진이다.
도 5는 실시예 3-4 및 비교예 2의 바나듐 레독스흐름 전지의 저항 특성이다.
도 6는 본 발명의 실시예 3-4 및 비교예 2의 바나듐 레독스흐름 전지용 전극의 전류밀도에 따른 출력을 나타내는 그래프이다.
BRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS FIG. 1A is an exemplary configuration diagram showing the configuration of a vanadium redox flow cell according to an embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 1B shows a configuration of a vanadium redox flow cell according to another embodiment of the present invention.
Fig. 2 is a cross-sectional view showing a configuration of a unit cell in Fig. 1. Fig.
3A to 3C are photomicrographs of the surface and cross-section of the electrode for vanadium redox-carrying battery of Examples 1-2 and Comparative Example 1 of the present invention.
4 is a photograph of the wettability of the surface and the cross section of the electrode for vanadium redox battery according to Examples 1-2 and Comparative Example 1 of the present invention.
5 shows the resistance characteristics of the vanadium redox flow cell of Example 3-4 and Comparative Example 2. Fig.
6 is a graph showing the output according to the current density of the electrode for a vanadium redox battery of Examples 3-4 and Comparative Example 2 of the present invention.

이하에서 예시적인 구현예들에 따른 바나듐흐름전지용 탄소펠트 전극 및 이를 포함하는 탄소펠트 전극에 관하여 보다 상세히 설명한다. Hereinafter, a carbon felt electrode for a vanadium flow cell and a carbon felt electrode including the same according to exemplary embodiments will be described in more detail.

한 측면에 따라 탄소펠트 및 탄소펠트의 적어도 일 면상에 배치된 이온흡착층을 포함하며, 상기 이온흡착층은 전도성 탄소 및 결합 고분자 수지를 포함하며, 상기 탄소펠트를 이루는 탄소 섬유 표면에는 하나 이상의 기능기가 결합된 바나듐 레독스 흐름전지용 탄소펠트 전극이 제공된다. Wherein the ion adsorbing layer comprises conductive carbon and a bonding polymer resin, and the surface of the carbon fiber constituting the carbon felt has at least one function A carbon felt electrode for a vanadium redox-flow battery is provided.

상기 결합 고분자수지는 pH가 1 내지 2의 강산 전해액에서 내구성을 갖는 재료를 사용한다. 예를 들어 나피온, 플로오로일래스토머(fluoroelastomer), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), PTFE-공중합체(copolymer), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), PVDF-공중합체(copolymer), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 퍼플루오로폴리알콕시 폴리머(Perfluoroalkoxy polymer: PFA), 불소화된에틸렌프로필렌(Fluorinated ethylene propylene: FEP), 페놀수지, 에폭시수지, 폴리에스테르, 폴리비닐에스테르, 폴리 이미드, 폴리아크릴나이트릴(PAN), 플로오로일래스토머(fluoroelastomer) 및 스티렌부타디엔 러버 중에서 선택된 하나 이상이다. 여기에서 나피온(Napion)은 폴리테트라플루오르에틸렌의 골격에 술폰산기를 도입한 폴리머의 상품명(미국 du Pont사)이다.The bonding polymer resin uses a material having durability in a strongly acidic electrolytic solution having a pH of 1 to 2. For example, Nafion, fluoroelastomer, polytetrafluoroethylene (PTFE), PTFE-copolymer, polyvinylidene fluoride (PVDF), PVDF-copolymer, poly (PEEK), perfluoroalkoxy polymer (PFA), fluorinated ethylene propylene (FEP), phenol resin, epoxy resin, polyester, polyvinyl ester, polyimide, poly Acrylonitrile (PAN), fluoroelastomer, and styrene butadiene rubber. Here, Napion is a trade name of a polymer having a sulfonic acid group introduced into the skeleton of polytetrafluoroethylene (du Pont).

이러한 결합 고분자수지는 탄소섬유사이의 network에 전도성탄소를 결합시키고 전도성 탄소간을 결합하는 역할을 수행할 수 있고 주로 불소화되어 있기 때문에 낮은 pH에서 안정하면서도 물에도 잘 젖는 물질을 선택하면 반응이온종이 전극에 흡착하는데 도움을 줄 수도 있다. 소수성의 탄소 펠트 표면에 물과 이온을 잘 흡착하는 전기전도성 탄소를 함유한 이온활성층을 형성하면, 탄소펠트 전극과 전해질 용액의 반응성을 높일 수 있게 된다. These bonded polymer resins bind conductive carbon to the network between the carbon fibers and can bind the conductive carbon bonds. Since they are mainly fluorinated, when a substance that is stable at low pH and is well wetted by water is selected, Lt; RTI ID = 0.0 > adsorption < / RTI > When the ionic active layer containing electroconductive carbon which adsorbs water and ions well on the surface of the carbon felt having hydrophobicity is formed, the reactivity between the carbon felt electrode and the electrolyte solution can be increased.

상술한 불소화된 고분자 수지는 예를 들어 불소 수지중 상품명 Nafion 용액(Dupont 사)으로 입수 가능하다. The above-mentioned fluorinated polymer resin is available, for example, as a Nafion solution (Dupont) under the trade name of fluorine resin.

전도성 탄소는 표면에 기공이 있거나 기능기를 함유하고 있거나 또는 표면에 기능기를 함유하기 유리한 구조이면 더욱 더 유리하다. 전도성 탄소는 예를 들어 활성 탄소, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙(Ketjen Black), 덴카 블랙, 카본 휘스커, 기상성장 탄소섬유(VGCF: Vapor Grown Carbon Fiber), 카본 에어로졸, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노혼(carbon nanohorn), 그라핀, 천연 흑연 분말, 합성 흑연분말 및 열팽창 흑연 분말로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이다. 이러한 전도성 탄소를 함유한 이온활성층을 탄소펠트 표면에 형성하면 전기 전도도가 더 개선된 탄소펠트 전극을 제조할 수 있다.Conductive carbon is even more advantageous if it has pores on its surface, contains functional groups, or is advantageous to contain functional groups on its surface. The conductive carbon may be, for example, activated carbon, carbon black, acetylene black, Ketjen Black, denka black, carbon whisker, Vapor Grown Carbon Fiber (VGCF), carbon aerosol, A graphite powder, a graphite powder, a graphite powder, a carbon nanohorn, a graphite, a natural graphite powder, a synthetic graphite powder and a thermally expanding graphite powder. When such an ionic active layer containing conductive carbon is formed on the surface of the carbon felt, a carbon felt electrode having improved electrical conductivity can be produced.

결합 고분자수지는 전도성 탄소와 전도성 탄소 사이, 전도성 탄소와 탄소펠트를 구성하는 탄소섬유와의 결합을 증가시킨다. 이러한 결합 고분자수지의 함량은 이온활성층 총중량 100 중량부를 기준으로 하여 3 내지 30 중량부, 예를 들어 5 내지 15 중량부이다. 결합 고분자수지의 함량이 상기 범위일 때 전극의 저항이 증가되는 일이 없고 전해액의 젖음성이 저하되는 일이 없이 탄소펠트의 탄소섬유에 대한 이온활성층이 결합력이 우수하다. Bonded polymer resins increase the bond between conductive carbon and conductive carbon, and between conductive carbon and carbon fiber. The content of the binder polymer resin is 3 to 30 parts by weight, for example, 5 to 15 parts by weight, based on 100 parts by weight of the total weight of the ion active layer. When the content of the binder polymer resin is within the above range, the resistance of the electrode is not increased, and the wettability of the electrolyte is not lowered, and the ionic active layer for the carbon fiber of the carbon felt has excellent bonding strength.

다른 측면에 따라 탄소펠트 및 탄소펠트의 적어도 일 면상에 배치된 이온흡착층을 포함하며, 상기 이온흡착층은 전도성 탄소 및 결합 고분자수지의 탄화로 얻어진 탄소계 물질을 포함하며, 상기 탄소펠트의 탄소 섬유 및 이온흡착층의 표면에는 하나 이상의 기능기가 결합된 바나듐 레독스 흐름전지용 탄소펠트 전극이 제공된다.Wherein the ion adsorbing layer comprises a carbonaceous material obtained by carbonization of conductive carbon and a bonding polymer resin, and the carbonaceous material of the carbonaceous felt There is provided a carbon felt electrode for a vanadium redox-flow battery wherein at least one functional group is bonded to the surface of the fiber and the ion adsorption layer.

상기 결합 고분자 수지의 탄화로 얻어진 탄소계 물질은 예를 들어 피치(pitch)일 수 있다.The carbon-based material obtained by carbonization of the binder polymer resin may be, for example, a pitch.

본 발명에서 이온활성층은 탄소펠트의 일 면 또는 양면에 형성할 수 있다. In the present invention, the ion active layer can be formed on one surface or both surfaces of the carbon felt.

상기 이온활성층의 함량은 탄소펠트 전극의 총중량 100 중량부를 기준으로 하여 1 내지 30 중량부, 예를 들어 2 내지 10 중량부이다. 이온활성층의 함량 즉 전도성 탄소와 결합 고분자수지의 총함량 또는 전도성 탄소와 고분자의 탄화로 얻어진 탄소계 물질의 총함량이 상기 범위일 때 전해액 중의 반응 이온종이 탄소펠트 전극에 높은 젖음성을 갖게 되어 전극 표면에 흡착된 반응이온종의 농도가 증가된다. 그 결과 산화환원 반응 효율이 증가된다.The content of the ion active layer is 1 to 30 parts by weight, for example, 2 to 10 parts by weight, based on 100 parts by weight of the total weight of the carbon felt electrode. When the content of the ionic active layer, that is, the total content of the conductive carbon and the polymeric binder resin, or the total content of the carbonaceous material obtained by carbonization of the conductive carbon and the polymer is within the above range, the reactive ion species in the electrolyte solution has high wettability to the carbon felt electrode, The concentration of the reactive ionic species adsorbed on the surface is increased. As a result, the redox reaction efficiency is increased.

본 발명의 탄소펠트 전극에서 X선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy: XPS)를 통하여 전극의 표면을 분석한 결과 산소의 함량은 탄소펠트 전극의 총중량 100 중량부의 3 내지 20 중량부이다. 탄소펠트 표면에 형성된 산소 기능기의 함량은 XPS를 통해 탄소섬유의 표면을 분석하면 탄소와 산소의 상대적인 비로써 알 수 있다. 본 발명에서는 XPS의 결과로 나타난 산소의 양으로부터 산소기능기의 양을 추정할 수 있다.The surface of the electrode was analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) on the carbon felt electrode of the present invention, and the content of oxygen was 3 to 20 parts by weight based on 100 parts by weight of the total weight of the carbon felt electrode. The content of oxygen functional groups formed on the surface of the carbon felt can be known as the relative ratio of carbon to oxygen when the surface of the carbon fiber is analyzed through XPS. In the present invention, the amount of oxygen functional groups can be estimated from the amount of oxygen as a result of XPS.

산소 기능기의 함량이 너무 증가하면 탄소섬유에 너무 많은 산소가 도입되어 탄소펠트의 기계적 강도가 낮아지고 전극의 저항이 증가하게 된다. 이에 비하여 산소의 함량이 너무 낮으면 탄소섬유 표면에 물이나 반응이온종이 제대로 젖지 않기 때문에 반응이온종이 탄소펠트 안으로까지 젖어 들어가지 않고 표면에서만 반응을 일으키고 반응에 참여하는 반응 사이트 수가 작아서 높은 전류 밀도를 나타내기 어렵게 된다.  If the content of oxygen functional groups is excessively increased, too much oxygen is introduced into the carbon fibers, resulting in a decrease in the mechanical strength of the carbon felt and an increase in the resistance of the electrode. On the other hand, if the content of oxygen is too low, water or reactive ion species do not get wet on the surface of carbon fiber, so reaction ion does not get wet into carbon felt but reacts only on the surface. .

종래의 연구에서는 탄소섬유 표면에 반응 사이트를 증가시키기 위해 표면처리 시간을 증가시키거나 혹은 높은 온도에서 많은 양의 반응가스를 주입한 경우에 탄소섬유 자체가 산화되어 전극의 저항이 증가되고 탄소펠트의 기계적강도가 현저히 낮아져서 VRB에서 stack 제조시 탄소펠트가 쉽게 부서지는 단점을 가지고 있다.In the conventional research, when the surface treatment time is increased to increase the reaction site on the carbon fiber surface, or when a large amount of reaction gas is injected at a high temperature, the carbon fiber itself is oxidized to increase the resistance of the electrode, The mechanical strength is remarkably lowered, and carbon felts are easily broken when the stack is manufactured in VRB.

본 발명에서는 대부분의 반응이온종이 탄소섬유 표면으로 쉽게 이동하기 쉬운 구조를 가지며 표면으로 이동한 반응이온종은 탄소섬유 표면과 이온흡착층에 매우 쉽게 흡착하게 된다. 흡착된 반응이온종은 이온흡착 층에서 반응이 일어나기도 하고 탄소섬유의 기능기쪽으로 이동하여 산화환원 반응이 일어날 수 있다. 총량으로 보면 산소 기능기는 매우 증가되어 반응 사이트도 증가하였지만 탄소펠트의 구조는 더 견고해지고 전극의 저항도 더 낮아져서 결과적으로는 스택(stack)의 에너지 밀도를 증가시키는 효과를 가지게 된다.In the present invention, most of the reactive ion species have a structure that is easily moved to the carbon fiber surface, and the reactive ion species moved to the surface are easily adsorbed on the carbon fiber surface and the ion adsorption layer. The adsorbed reactive ion species may react in the ion adsorption layer or may migrate toward the functional group of the carbon fiber to cause redox reaction. In the total amount, the oxygen function is greatly increased to increase the reaction site, but the structure of the carbon felt becomes stronger and the resistance of the electrode becomes lower, resulting in an effect of increasing the energy density of the stack.

상기 탄소펠트 전극의 비표면적은 1 내지 100 ㎡/g 이다.The specific surface area of the carbon felt electrode is 1 to 100 m < 2 > / g.

본 발명에서는 반응종 이온의 전극 표면에서의 낮은 젖음성을 개선하고 반응성을 증가시키기 위하여 탄소펠트 한 면 또는 양면에 이온활성층이 형성된 탄소펠트 전극을 제공한다. 탄소펠트의 표면은 먼저 기능기가 생성된 다음, 그 상부에 반응 이온종을 흡착할 수 있는 큰 비표면적을 가진 탄소 재료와 강산성 분위기에 내구성을 갖는 결합 고분자수지가 포함된 층을 도포 및 건조하여 이온활성층을 형성하여 탄소펠트 전극을 형성한다. The present invention provides a carbon felt electrode in which an ion active layer is formed on one side or both sides of a carbon felt to improve the low wettability of the reactive species ion on the electrode surface and increase the reactivity. The surface of the carbon felt is first formed with a functional group, and then a layer containing a carbon material having a large specific surface area capable of adsorbing reactive ion species and a bonding polymer resin having durability in a strongly acidic atmosphere is applied on the carbon fiber surface, An active layer is formed to form a carbon felt electrode.

또 하나의 방법으로는 탄소펠트 제조시 탄소펠트 전구체 표면에 전도성 탄소와 탄화가 가능한 결합고분자 수지를 도포 및 건조하여 탄화, 흑연화 및 표면처리 과정을 거치면서 탄소펠트 표면에 전도성 탄소 및 결합 고분자수지의 탄화로 얻어짙 탄소계 물질로 이루어진 이온활성층이 형성된 구조가 된다. As another method, conductive carbon and a bonding polymer resin capable of being carbonized are applied and dried on the surface of the carbon felt precursor when carbon felt is manufactured, and carbonized, graphitized, and surface treated through the process, and conductive carbon and a bonding polymer resin And the ionic activation layer made of the carbon-based material is formed.

본 명세서에서 "산소 기능기"는 하이드록시기(-OH), 케톤기 (-C=O) 또는 카르복실기(-COOH)를 의미한다. 이러한 기능기를 갖게 되면 소수성인 탄소펠트 전극에 친수성이 부여되어 전극과 전해질 용액의 반응성이 증가됨으로써 충방전 특성이 개선된 바나듐 레독스 흐름전지를 제조할 수 있게 된다.As used herein, the term "oxygen functional group" means a hydroxyl group (-OH), a ketone group (-C═O), or a carboxyl group (-COOH). When such a functional group is provided, hydrophobicity is imparted to the hydrophobic carbon felt electrode to increase the reactivity between the electrode and the electrolyte solution, thereby making it possible to manufacture a vanadium redox flow cell having improved charge / discharge characteristics.

산소 기능기인 하이드록시기와 케톤기를 탄소펠트 전극에 도입하는 경우, 당해기술분야에서 통상적으로 사용되는 방법이라면 모두 다 적용가능하다. 예를 들어 탄소펠트 전극을 400 내지 600℃, 예를 들어 약 500℃의 전기로에서 스팀 상태의 수증기를 주입하는 반응에 따라 실시할 수 있다.When a hydroxy group and a ketone group, which are oxygen functional groups, are introduced into a carbon felt electrode, all methods commonly used in the art can be applied. For example, the carbon felt electrode can be operated according to a reaction of injecting water vapor in a steam state at an electric furnace at 400 to 600 ° C, for example, about 500 ° C.

산소 기능기인 카르복실기를 탄소펠트 전극에 도입하는 경우에는 이산화탄소(CO2) 가스를 이용하여 실시한다. 각 기능기의 종류와 상대적인 비는 이용하는 가스의 종류에 의해서 조절이 가능하다.Carbon dioxide (CO 2 ) gas is used when a carboxyl group as an oxygen functional group is introduced into a carbon felt electrode. The type and relative ratio of each functional unit can be controlled by the type of gas used.

이하, 본 발명의 바나듐 레독스 흐름전지용 탄소펠트 전극을 제조하는 방법을 살펴보기로 하되, 예를 들어 두가지 제조방법으로 구분하여 살펴보기로 한다.Hereinafter, a method for manufacturing a carbon felt electrode for a vanadium redox-flow battery of the present invention will be described. For example, the method will be described with reference to two manufacturing methods.

먼저 첫번째 제조방법은 다음과 같다.First, the first manufacturing method is as follows.

탄소펠트 전구체를 산화하는 공정을 거쳐 산화된 탄소펠트를 얻고 이를 불활성 분위기에서 열처리하여 탄화 및 흑연화 과정을 거침으로써 탄소펠트를 제조한다. 여기에서 얻어진 탄소펠트는 흑연화 되어 있는 펠트이다.The oxidized carbon felt is obtained through oxidation of the carbon felt precursor, and the carbon felt is subjected to carbonization and graphitization by heat treatment in an inert atmosphere to produce carbon felt. The carbon felt obtained here is graphitized felt.

상기 탄소펠트 전구체는 예를 들어 레이온 섬유, 폴리아크릴로니트릴 섬유, 셀루로오스 섬유등을 사용할 수 있다. The carbon felt precursor may be, for example, rayon fiber, polyacrylonitrile fiber, cellulosic fiber, or the like.

탄소펠트 전구체를 산화하는 공정은 공기 또는 산소 기체 분위기하에서 150 내지 450℃, 예를 들어 250 내지 350℃, 구체적으로 약 300℃에서 실시한다. 이러한 산화공정을 통하여 기능기 고분자 섬유는 벤젠 구조를 더 많이 가지는 구조로 바뀌면서 탄소의 함량이 60% 이상으로 증가하게 된다.The step of oxidizing the carbon felt precursor is carried out at 150 to 450 占 폚, for example, at 250 to 350 占 폚, specifically at about 300 占 폚 under air or oxygen gas atmosphere. Through this oxidation process, the functional polymer fiber is changed into a structure having more benzene structure, and the carbon content is increased to more than 60%.

산화 탄소펠트를 불활성 가스 분위기하에서 열처리하여 탄화 및 흑연화공정을 거친다. 여기에서 불활성 가스 분위기는 예를 들어 질소, 헬륨 등의 기체 분위기를 이용하여 형성한다. 그리고 열처리는 1300 내지 2200℃에서 실시한다. 열처리가 상기 온도 범위에서 실시되면 산화 탄소펠트의 탄화 및 흑연화가 원할하게 이루어진다.The carbon oxide felt is subjected to heat treatment in an inert gas atmosphere to carry out carbonization and graphitization. Here, the inert gas atmosphere is formed using a gas atmosphere such as nitrogen or helium. The heat treatment is performed at 1300 to 2200 ° C. When the heat treatment is carried out in the above-mentioned temperature range, carbonization and graphitization of the carbon oxide felt are made smoothly.

이어서, 상기 탄소펠트의 표면에 산소 기능기를 도입하여 표면처리된 탄소펠트 전극을 제조한다. 산소 기능기는 상술한 바와 같이 하이드록시기 또는 케톤기 또는 카르복실기를 포함하는 기능기중에서 하나 이상을 포함하는 기능기를 도입한다. Then, an oxygen functional group is introduced on the surface of the carbon felt to prepare a surface-treated carbon felt electrode. The oxygen functional group introduces a functional group containing at least one of a functional group containing a hydroxyl group or a ketone group or a carboxyl group as described above.

상술한 탄화 및 흑연화를 거친 탄소펠트는 탄소섬유의 일부가 결정구조로 변화되면서 물에 대한 젖음성이 저하될 수 있다. The carbon felt having undergone the carbonization and graphitization described above may have a wettability to water as a part of the carbon fiber is changed into a crystal structure.

그러나 본 발명에서는 후술하는 바와 같이 탄소펠트 표면상에 이온활성층을 형성하여 이온활성층을 형성하지 않은 탄소펠트와 비교하여 바나듐 이온과 같은 반응 이온종에 대한 흡착 및 젖음성이 개선된다. However, in the present invention, as described later, an ion active layer is formed on the surface of the carbon felt to improve the adsorption and wettability with respect to reactive ion species such as vanadium ions as compared with the carbon felt without the ion active layer.

상기 표면처리된 탄소펠트에 전도성 탄소, 결합 고분자 수지 및 용매를 포함하는 이온활성층 형성용 조성물을 공급하고 이를 건조하여 바나듐레독스 흐름전지용 탄소펠트 전극이 제조된다.A composition for forming an ionic active layer containing conductive carbon, a binder polymer resin, and a solvent is supplied to the surface-treated carbon felt and dried to prepare a carbon felt electrode for a vanadium redox-flow battery.

상기 용매는 에탄올과 메탄올의 알콜류, 물, 또는 유기용매를 사용할 수 있다. 용매의 함량은 전도성 탄소와 결합 고분자수지의 총함량을 기준으로 하여 10 내지 100 중량부이다. 용매의 함량이 상기 범위일 때 이온활성층 형성용 조성물을 구성하는 각 성분이 골고루 분산되어 탄소펠트상에 이온활성층이 균일하게 형성될 수 있다.The solvent may be alcohols of ethanol and methanol, water, or an organic solvent. The content of the solvent is 10 to 100 parts by weight based on the total content of the conductive carbon and the bonding polymer resin. When the content of the solvent is within the above range, the components constituting the composition for forming an ion-active layer are evenly dispersed, and the ion-activating layer can be uniformly formed on the carbon felt.

상기 이온활성층 형성용 조성물을 표면처리된 탄소펠트에 공급하는 방법은 특별하게 제한되지는 않으나, 예를 들어 스프레이 노즐을 이용하여 공급하는 방법 또는 함침 방법을 이용할 수 있다.The method for supplying the composition for forming an ionic active layer to the surface-treated carbon felt is not particularly limited. For example, a method of supplying using a spray nozzle or an impregnation method may be used.

건조는 예를 들어 80 내지 150℃, 예를 들어 120℃에서 실시한다. The drying is carried out, for example, at 80 to 150 ° C, for example at 120 ° C.

본 발명의 탄소펠트 전극을 제조하는 두번째 방법에 대하여 살펴보기로 한다.A second method for manufacturing the carbon felt electrode of the present invention will be described.

먼저 탄소펠트 전구체를 산화하는 공정을 거쳐 산화 탄소펠트를 제조한다. 여기에서 탄소펠트 전구체를 산화하는 공정은 상기 첫번째 제조방법과 동일하게 실시된다. 또는 이미 산화된 탄소섬유(oxidized staple carbon fiber)를 이용하여 부직포 공정에서 산화 탄소펠트를 제조하는 것도 가능하나 어느 방법을 사용하는 것도 가능하다. 상기 산화 탄소펠트에 전도성 탄소, 탄화가 가능한 결합 고분자 수지 및 용매를 포함하는 이온활성층 형성용 조성물을 공급하고 이를 건조하여 산화 탄소펠트의 적어도 일 면 또는 전면에 걸쳐서 이온활성층을 형성한다.First, the carbon felt precursor is oxidized to produce carbon oxide felt. Here, the step of oxidizing the carbon felt precursor is carried out in the same manner as in the first production method. Alternatively, it is possible to produce carbon oxide felt in a nonwoven fabric process by using oxidized staple carbon fiber, but either method can be used. A composition for forming an ion-sensitive active layer containing conductive carbon, a polymerizable binder resin capable of being carbonized and a solvent is supplied to the carbon oxide felt and dried to form an ion active layer over at least one surface or entire surface of the carbon oxide felt.

이온활성층이 배치된 산화 탄소펠트를 불활성 가스 분위기하에서 열처리하여 탄화 및 흑연화 공정을 거침으로써 이온흡착층이 형성된 이중 구조를 갖는 탄소펠트를 제조한다. The carbonaceous felt having the ion active layer disposed thereon is heat-treated in an inert gas atmosphere to carry out the carbonization and the graphitization process to produce the carbon felt having the double structure in which the ion adsorption layer is formed.

상술한 열처리를 통하여 탄화 및 흑연화 공정을 거치면 유기물인 고분자는 탄화되어 대부분 탄소로 변화되고 나머지는 가스로 배출된다. 이러한 과정을 거치면 탄소펠트는 탄소섬유, 탄소섬유의 골격 사이에 넓게 분포되는 전도성 탄소 및 고분자의 탄화로 얻어진 탄소계 물질을 함유한 이온활성층으로 구성된다. When the carbonization and the graphitization process are performed through the above-described heat treatment, the organic polymer is carbonized and converted to carbon, and the remainder is discharged as gas. Through this process, the carbon felt is composed of carbon fibers, conductive carbon widely distributed between the skeletons of the carbon fibers, and an ion active layer containing carbon-based material obtained by carbonization of the polymer.

상기 이온흡착층이 형성된 탄소펠트 표면에 산소 기능기를 도입하여 표면처리된 탄소펠트를 제조한다. 산소 기능기를 도입하는 방법은 첫번째 제조방법에서 설명된 바와 같다.An oxygen functional group is introduced into the surface of the carbon felt on which the ion adsorption layer is formed to produce a surface-treated carbon felt. The method of introducing oxygen functional groups is as described in the first production method.

본 발명의 탄소펠트 전극을 제조하는 두번째 제조방법은 전도성 탄소를 결합하기 위한 결합 고분자 수지가 탄화되면서 더 많은 바나듐 이온의 반응 사이트를 제공할 수 있다. 그리고 이온활성층이 첫번째 제조방법의 경우에 비하여 순수한 탄소로만 구성되어 있어 이온 흡착 사이트가 더 많이 분포된다. 또한 상기 두번째 제조방법은 이온흡착층이 형성된 탄소펠트 표면에 산소 기능기를 도입하므로 상술한 첫번째 제조방법에 비하여 산소 기능기를 도입하는 것이 더 용이하고 상대적으로 증가된 산소 기능기를 도입하는 것이 가능해진다. 따라서 첫번째 제조방법을 이용한 경우와 비교하여 높은 이온흡착능과 높은 전기전도도 특성을 갖는 탄소펠트 전극을 제조할 수 있다.The second manufacturing method of the carbon felt electrode of the present invention can provide a reaction site of more vanadium ions as the bonding polymer resin for bonding the conductive carbon is carbonized. And the ion activation layer is composed of only pure carbon as compared with the case of the first manufacturing method, so that more ion adsorption sites are distributed. Also, since the second production method introduces an oxygen functional group on the surface of the carbon felt on which the ion adsorption layer is formed, it is easier to introduce the oxygen functional group than the first manufacturing method described above, and it becomes possible to introduce a relatively increased oxygen functional group. Accordingly, the carbon felt electrode having high ion adsorptivity and high electrical conductivity characteristics can be manufactured as compared with the first manufacturing method.

본 발명의 탄소펠트 전극의 제조방법에서 상기 탄소펠트의 표면에 산소 기능기를 도입하여 표면처리된 탄소펠트를 제조하는 단계에서 산소 기능기의 산소의 함량은 탄소펠트 전극의 표면을 XPS로 분석하여 탄소와 산소의 총함량을 기준으로 하여 3 내지 20 원자% 범위가 되도록 조절된다. 산소의 함량이 상기 범위일 때 전극 표면에서 반응이온종의 흡착이 더 증가하여 전극과 전해질 용액의 반응성이 매우 개선되어 전류밀도 특성이 향상될 수 있다.In the method for producing a carbon felt electrode according to the present invention, the oxygen functional group content of the carbon felt is measured by XPS analysis on the surface of the carbon felt electrode in the step of preparing the surface-treated carbon felt by introducing oxygen functional groups on the surface of the carbon felt electrode, And 3 to 20 atomic% based on the total content of oxygen. When the oxygen content is in the above range, the adsorption of reactive ion species on the electrode surface is further increased, and the reactivity of the electrode and the electrolyte solution is greatly improved, so that the current density characteristics can be improved.

본 발명의 탄소펠트 전극은 전해액과 탄소펠트 전극의 친화도가 향상되고 바나듐의 산화 및 환원을 촉진시켜 충방전효율이 향상된 바나듐레독스흐름전지를 제조할 수 있다. The carbon felt electrode of the present invention can improve the affinity between the electrolyte solution and the carbon felt electrode and accelerate the oxidation and reduction of vanadium to produce a vanadium redox flow cell having improved charging and discharging efficiency.

상기 탄소펠트 전극은 다공성 구조를 갖고 있고 기공도가 70 내지 98%이다. The carbon felt electrode has a porous structure and a porosity of 70 to 98%.

이하, 도 1은 일구현예에 따른 탄소펠트 전극을 구비한 바나듐 레독스 흐름전지의 구조를 나타낸 것이다. Hereinafter, FIG. 1 illustrates a structure of a vanadium redox flow cell having a carbon felt electrode according to one embodiment.

도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 바나듐 레독스 흐름 전지(10)는 단위 셀(20)들이 직렬로 적층되어 있는 스택(30)과, 산화 상태가 각각 다른 활물질이 저장되어 있는 탱크(40, 50)들과, 충전 및 방전 시 활물질을 순환시키는 펌프(42, 52)들로 구성되어 있다. 음극과 양극의 전해질은 바나듐(V), 철(Fe), 크롬(Cr) 등의 활물질과 주석(Sn) 등의 전이금속을 강산수용액에 용해시킨 산성 수용액을 이용한다. 스택(30)은 단위 셀(20)들과 두 개의 엔드플레이트(60, 62)들로 구성되어 있다. 단위 셀(20)들과 엔드플레이트(60, 62)들은 복수의 타이로드(64)들에 의하여 체결되어 있다.1, the vanadium redox flow battery 10 includes a stack 30 in which unit cells 20 are stacked in series, and a tank 40, 50 And pumps 42 and 52 for circulating the active material during charging and discharging. The electrolyte of the anode and the cathode uses an acidic aqueous solution in which an active material such as vanadium (V), iron (Fe), and chromium (Cr) and a transition metal such as tin (Sn) are dissolved in a strong acid aqueous solution. The stack 30 is composed of unit cells 20 and two end plates 60 and 62. The unit cells 20 and the end plates 60 and 62 are fastened by a plurality of tie rods 64.

도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 단위 셀(20)들은 기본적으로 멤브레인(22)과, 멤브레인의 양쪽에 배치되어 있는 한 쌍의 전극(24)들과, 전극(24)들의 양쪽에 배치되어 있는 한 쌍의 분리판(26)들을 구비한다. 2, the unit cells 20 are basically disposed on both sides of a membrane 22, a pair of electrodes 24 disposed on both sides of the membrane, and electrodes 24 And a pair of separation plates 26 are provided.

이러한 전극은 레독스 흐름 전지(10)에 흐르는 전해질과 직접 접촉하여 충전 및 방전시 전해질에 녹아 있는 전기활성종이 반응하는 활성 부위를 제공하고, 전자의 이동 경로를 제공하는 역할을 한다. 따라서 전극으로 사용되는 물질은 전기전도성이 크며, 사용되는 지지전해질의 강산성 용액에서 내구성이 우수하고, 전기활성종의 산화 환원 반응이 일어날 수 있는 반응자리를 제공하여야 한다. 또한 셀 저항을 낮추기 위해서는 전극과 흑연 분리판 사이의 계면과 전극과 막사이의 계면 저항을 줄일 수 있는 전극구조를 가져야 한다. These electrodes are in direct contact with the electrolyte flowing in the redox flow cell 10 to provide an active site where the electroactive species dissolved in the electrolyte reacts during charging and discharging and provide a path for electrons to move. Therefore, the material used as the electrode should have high electrical conductivity, good durability in the strongly acidic solution of the supporting electrolyte used, and provide a reaction site where the redox reaction of the electroactive species can take place. In order to lower the cell resistance, the electrode structure should be provided to reduce the interface between the electrode and the graphite separator and the interface resistance between the electrode and the membrane.

산소 기능기는 예를 들어 하이드록시기, 케톤기 카르복실기를 포함하여 한가지 이상의 기능기를 포함한다다. 산소 기능기가 탄소펠트 전극의 표면에 형성된 것은 FT-IR을 통하여 확인가능하다. The oxygen functional groups include, for example, one or more functional groups including a hydroxyl group and a ketone group carboxyl group. The formation of the oxygen functional group on the surface of the carbon felt electrode can be confirmed by FT-IR.

본 발명의 탄소펠트 전극을 구성하는 탄소섬유의 평균섬유직경은 5 내지 20㎛이고 평균길이는 30 내지 100mm이다. 그리고 탄소펠트 전극은 탄소섬유의 부직포로서 형성된다. The carbon fiber constituting the carbon felt electrode of the present invention has an average fiber diameter of 5 to 20 mu m and an average length of 30 to 100 mm. And the carbon felt electrode is formed as a nonwoven fabric of carbon fibers.

상기 바나듐 산화 흐름 전지의 전극에 탄소 섬유 외 추가적인 이온흡착층을 포함하게 되면, 탄소섬유만으로 이루어진 기존의 탄소 전극에 비하여 흑연펠트 표면에서 산소 함량이 기능기 전체 중량부의 0.5에서 20 중량부까지 증가하며, 비표면적이 1 ㎡/g이하에서 100 ㎡/g까지 증가하게 된다. 그 결과 바나듐 산화-환원 이온종이 흑연펠트 표면에 흡착되는 양이 증가되고 이를 통해 반응 사이트가 증가하면서 산화-환원 반응에 참여하는 이온양이 증가한다. 그래서 충방전 용량이 증가하고 충전과 방전의 효율이 증가하는 효과를 볼 수 있다. 기존의 흑연펠트는 반응이온종의 질량이동(mass transfer)에 의한 반응이었다면 본 발명의 반응은 흑연펠트 표면에서의 확산도 증가하기 때문에 더 높다.If the electrode of the vanadium oxidation flow cell contains an additional ion adsorption layer other than carbon fiber, the oxygen content of the graphite felt surface increases from 0.5 to 20 parts by weight of the total weight of the functional group, , And the specific surface area increases from 1 m 2 / g or less to 100 m 2 / g. As a result, the amount of vanadium oxidation-reduction ion adsorbed on the surface of the graphite felt increases, thereby increasing the amount of ions participating in the oxidation-reduction reaction as the reaction site increases. Therefore, the charging / discharging capacity is increased and the efficiency of charging and discharging is increased. If the conventional graphite felt was a reaction by mass transfer of reactive ion species, the reaction of the present invention is higher because diffusion at the graphite felt surface is also increased.

일구현예에 따른 탄소펠트 전극에서 산소 기능기의 산소 함량은 탄소펠트 전극의 이온 활성층에서 탄소와 산소의 총함량을 기준으로 하여 5 내지 20 원자% 범위가 되도록 조절된다.The oxygen content of the oxygen functional group in the carbon felt electrode according to an embodiment is adjusted to be in the range of 5 to 20 atomic% based on the total content of carbon and oxygen in the ion active layer of the carbon felt electrode.

본 발명의 다른 측면에 따른 바나듐 레독스흐름 전지는 상기한 본 발명의 전극을 전지의 캐소드 또는 애노드로 사용한다. A vanadium redox flow cell according to another aspect of the present invention uses the electrode of the present invention as a cathode or an anode of a battery.

도 1b는 본 발명의 일 구현예에 따른 레독스 플로우 전지를 개략적으로 나타낸 도면이다.1B is a schematic view of a redox flow battery according to an embodiment of the present invention.

도 1b를 참조하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 레독스 플로우 전지는 캐소드 셀(1), 애노드 셀(2), 상기 두 셀(1, 2)을 격리시키는 이온교환막(100) 및 상기 셀들(1, 2)과 각각 연통된 탱크(21, 22)를 포함한다. Referring to FIG. 1B, a redox flow cell according to an embodiment of the present invention includes a cathode cell 1, an anode cell 2, an ion exchange membrane 100 for isolating the two cells 1 and 2, And tanks 21 and 22, respectively, which communicate with the first and second tanks 1 and 2, respectively.

캐소드 셀(1)은 캐소드(13) 및 캐소드 전해액(11)을 포함한다. The cathode cell (1) includes a cathode (13) and a cathode electrolyte (11).

애노드 셀(2)은 애노드(14) 및 애노드 전해액(12)을 포함한다. The anode cell (2) includes an anode (14) and an anode electrolyte (12).

캐소드(13)와 애노드(14)에서 일어나는 레독스 반응에 따라 충전 및 방전이 일어난다. Charging and discharging occur depending on the redox reaction occurring in the cathode 13 and the anode 14.

캐소드(13)와 애노드(14)는 각각 본 발명의 탄소 펠트 전극을 포함할 수 있다. 도 1b에서 참조번호 (41), (420)은 튜브를 나타내고, (31), (32)는 펌프를 나타낸다.The cathode 13 and the anode 14 may each include the carbon felt electrode of the present invention. 1B, reference numerals 41 and 420 denote tubes, and reference numerals 31 and 32 denote pumps.

상기 레독스 플로우 전지의 작동 원리는 한국공개특허 제2011-0088881호에 개시되어 있다. 한국공개특허 제2011-0088881호는 전문이 본 명세서에 통합된다.The operation principle of the redox flow battery is disclosed in Korean Patent Publication No. 2011-0088881. Korean Patent Publication No. 2011-0088881 is incorporated herein by reference in its entirety.

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.The redox flow battery is suitable for applications requiring a high capacity and high output such as an electric vehicle in addition to the use of existing mobile phones and portable computers. The redox flow battery can be combined with existing internal combustion engines, fuel cells, supercapacitors, It can also be used for hybrid vehicles. In addition, the redox flow battery can be used for all other applications requiring high output and high voltage.

이하, 본 발명을 하기 실시예를 이용하여 더 상세하게 설명한다. 이는 예시적인 것으로서 본 발명은 하기 실시예에 한정되지 않는다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples. The present invention is not limited to the following examples.

실시예Example 1:  One: 탄소펠트Carbon felt 전극의 제조 Manufacture of electrodes

PAN(폴리아크닐나이트릴) 파이버를 써서 부직포 생산공정을 이용하여 900g/m2의 PAN 펠트를 제작하였다. 롤상태로 제작된 PAN 펠트는 연속적으로 300℃의 공기 분위기의 오븐안으로 투입하여 1시간동안 산화공정을 거치고, 다시 약 1300~2200℃의 온도구배를 갖는 N2 분위기의 전기로에서 탄화-흑연화 공정을 거쳐서 롤 형태로 흑연펠트를 제작하였다. 이 때 제작된 흑연펠트의 중량은 약 400g/m2이고 흑연화 과정을 거치면서 수축이 일어나고, 탄소섬유의 일부가 결정구조로 바뀌면서 물에 잘 젖지 않는 특징을 가지고 있기 때문에 바나듐이온과 같은 반응이온종에 대한 흡착 및 젖음성이 낮아서 전극으로 직접 사용하기에 적당하지 않다. PAN felt (900 g / m < 2 >) was made using PAN (polyacrylic nitrile) fiber using a nonwoven production process. PAN pellets manufactured in a roll state were continuously introduced into an oven at 300 ° C. in an air atmosphere and subjected to an oxidation process for 1 hour and then subjected to a carbonization-graphitization process in an N 2 atmosphere electric furnace having a temperature gradient of about 1300 ° C. to 2200 ° C. To produce a graphite felt in the form of a roll. Since the weight of graphite felt produced at this time is about 400 g / m < 2 > and shrinkage occurs during the graphitization process, a portion of the carbon fiber is converted into a crystal structure, Adsorption and wettability to species are low and are not suitable for direct use in electrodes.

상기 과정에 따라 얻은 흑연 펠트를 약 500℃의 전기로에 두고 스팀 상태의 수증기를 로에 일정한 속도로 주입하여 흑연펠트의 탄소 섬유 표면에 하이드록시기와 케톤기가 도입된 흑연펠트를 얻었다. The graphite felt obtained according to the above procedure was placed in an electric furnace at about 500 ° C, and water vapor in a steam state was injected into the furnace at a constant rate to obtain a graphite felt in which a hydroxy group and a ketone group were introduced on the carbon fiber surface of the graphite felt.

이와 별도로, 활성탄소(Kethjene black 600JD, Azo사) 100g을 10%의 나피온(Nafion) 용액(Dupont사) 100g과 에탄올 2kg을 혼합하여 이온활성층 형성용 조성물을 상태로 제조하였다. Separately, 100 g of activated carbon (Kethjene black 600JD, Azo) was mixed with 100 g of a 10% Nafion solution (Dupont) and 2 kg of ethanol to prepare a composition for forming an ionic active layer.

탄소 섬유 표면에 기능기가 도입된 흑연펠트의 윗면에 상기 이온활성층 형성용 조성물을 스프레이 노즐을 이용하여 도포하고 120℃의 오븐에서 건조하여 탄소 섬유 표면에 기능기가 도입된 흑연펠트의 윗면과 안 및 바닥면에 이온흡착층을 형성하여 전극을 제조하였다. 이 때 이온흡착층이 흑연펠트 안으로 일부 함습되어 탄소섬유사이의 네트워크(network)에 도포되고 섬유 표면에도 결합되도록 한다. 이온활성층 형성용 조성물의 도포량은 이온흡착층의 함량이 흑연펠트 100 중량부를 기준으로 하여 약 5중량이 조절하였다. The composition for forming the ionic active layer was applied on the upper surface of the graphite felt having the functional group introduced on the surface of the carbon fiber by using a spray nozzle and dried in an oven at 120 캜 to form the upper surface of the graphite felt, To form an ion-adsorbing layer on the surface. At this time, the ion adsorbing layer is partially impregnated into the graphite felt to be applied to the network between the carbon fibers and to be bonded to the fiber surface. The coating amount of the composition for forming the ionic activation layer was adjusted to about 5 parts by weight based on 100 parts by weight of the graphite felt.

실시예Example 2:  2: 탄소펠트Carbon felt 전극의 제조 Manufacture of electrodes

PAN(폴리아크닐나이트릴) staple 파이버를 써서 부직포 생산공정을 이용하여 900g/m2의 PAN 펠트를 제작하였다. 롤상태로 제작된 PAN 펠트는 연속적으로 300℃의 공기 분위기의 오븐안으로 투입하여 1시간동안 산화공정을 거쳐서 산화펠트를 얻었다. 산화된 탄소펠트는 PAN 펠트에 비하여 브리틀(brittle)하고 유연성이 낮고 산화된 파이버는 부서지기 쉬운 특징을 갖는다.The PAN felt was produced at 900 g / m 2 using a nonwoven production process using PAN (polyacrylonitrile) staple fiber. The PAN felt produced in the roll state was continuously put into an oven at 300 캜 in an air atmosphere and oxidized for 1 hour to obtain an oxide felt. Oxidized carbon felt is brittle and less flexible than PAN felt, and oxidized fiber has a brittle characteristic.

이와 별도로 활성탄소(Azo사) 100g과 전도성 탄소인 CNT(제일모직사) 10g, 40중량%의 페놀 수지(Dow사) 100g과 에탄올 2kg을 혼합하여 이온흡착층 형성용 조성물을 제조하였다. Separately, a composition for forming an ion adsorption layer was prepared by mixing 100 g of activated carbon (Azo Co.), 10 g of conductive carbon CNT (Cheil Industries), 100 g of a 40 wt% phenol resin (Dow Co.) and 2 kg of ethanol.

상기 과정에 따라 얻은 산화펠트의 윗면에 이온흡착층 형성용 조성물을 스프레이 노즐을 이용하여 도포하고 120℃의 오븐에서 건조하여 산화펠트의 윗면과 안 및 바닥면에 이온흡착층을 형성하여 전극을 제조하였다. 이때 이온흡착층이 산화펠트 안으로 골고루 함습되어 탄소섬유사이의 네트워크(network)에 도포되고 섬유 표면에도 결합되도록 한다. 상기 이온흡착층 형성용 조성물의 함량은 산화펠트 100중량부를 기준으로 하여 약 10중량부가 되도록 조절하였다. 이온흡착층 형성용 조성물이 도포된 산화펠트를 다시 1300~2200℃의 온도구배를 갖는 N2 분위기의 전기로에서 탄화-흑연화 공정을 거쳐서 롤 형태로 흑연펠트를 제작하였다. 이 때 제작된 흑연펠트의 중량은 약 400g/m2 ~ 500g/m2이 되게 하였다. 산화펠트가 탄화하는 과정중에 산화펠트에 도포된 전도성 이온흡착층 중의 페놀수지는 탄소섬유와 활성탄소 및 CNT사이에서 결합을 유지하도록 하는 역할을 한다. 탄화하는 과정중에 페놀수지는 비결정성 탄소로 바뀌면서 일부 수축이 일어나기도 한다. 흑연화 과정을 거친 흑연펠트는 전 영역에 걸쳐서 탄소섬유의 표면과 네트워크(network) 사이에 이온흡착종이 형성되는데 이때 흑연펠트는 모두 탄소로만 이루어진 구조를 갖는다. The composition for forming an ion adsorption layer was applied on the upper surface of the oxidized felt obtained by the above process using a spray nozzle and dried in an oven at 120 ° C to form an ion adsorption layer on the upper surface and the inside and the bottom surface of the oxidized felt, Respectively. At this time, the ion adsorbing layer is evenly impregnated into the oxide felt to be applied to the network between the carbon fibers and bonded to the fiber surface. The content of the ion adsorption layer-forming composition was adjusted to be about 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the oxidized felt. The oxidized felt coated with the composition for forming an ion adsorption layer was again subjected to carbonization-graphitization in an N 2 atmosphere electric furnace having a temperature gradient of 1300 to 2200 ° C to prepare a graphite felt in the form of a roll. The weight of the graphite felt thus produced was about 400 g / m 2 to 500 g / m 2. The phenolic resin in the conductive ion adsorption layer applied to the oxidized felt during the carbonization of the oxidized felt serves to maintain the bond between the carbon fiber, the activated carbon and the CNT. During the carbonization process, the phenolic resin is transformed into amorphous carbon and some shrinkage occurs. In graphite felts subjected to graphitization process, ion adsorption paper is formed between the surface of the carbon fibers and the network over the whole area, where the graphite felts have a structure made entirely of carbon.

이온 흡착층이 형성된 흑연펠트를 500℃의 전기로에 두고 스팀상태의 수증기를 로에 일정한 속도로 주입하여 탄소섬유표면과 이온흡착층의 표면에 기능기가 도입된 흑연펠트를 얻어 전극을 제조하였다.The graphite felt having the ion adsorbing layer formed therein was placed in an electric furnace at 500 ° C, and water vapor in a steam state was injected into the furnace at a constant rate to obtain a graphite felt having functional groups introduced into the surfaces of the carbon fibers and the ion adsorption layer.

비교예Comparative Example 1:  One: 탄소펠트Carbon felt 전극의 제조 Manufacture of electrodes

400g/㎡, 두께 4.5 ㎜인 흑연펠트(JNTG사, GF050B)를 500℃의 전기로에 두고 스팀상태의 수증기를 로에 일정한 속도로 주입하여 탄소섬유의 표면에 기능기가 도입된 탄소펠트 전극을 얻었다. (JNTG Co., Ltd., GF050B) having a thickness of 4.5 mm and a thickness of 400 g / m < 2 > were placed in an electric furnace at 500 DEG C, and water vapor in a steam state was injected into the furnace at a constant rate to obtain a carbon felt electrode into which functional groups were introduced.

실시예Example 3: 바나듐  3: vanadium 레독스Redox 흐름 전지의 제조 Manufacture of flow cell

나피온 117을 이온교환막으로 사용하고 폴리프로필렌으로 만들어진 흐름틀 안에 실시예 1에 따라 제조된 전극을 삽입하였다. 집전판으로는 구리판 표면에 금을 도금하여 사용하고 탄소복합체판과 애노다이징 알루미늄판을 양쪽끝에 두고 체결하였다. Nafion 117 was used as an ion exchange membrane and the electrode prepared according to Example 1 was inserted into a flow frame made of polypropylene. The collector plate was plated with gold on the surface of the copper plate, and a carbon composite plate and anodized aluminum plate were placed on both ends.

전해질용액은 VOSO4와 H2SO4의 혼합수용액을 사용하고 혼합된 상태의 온도는 VOSO4 1.5M H2SO4 3M이 되도록 하여 바나듐레독스 흐름전지를 제조하였다. The electrolytic solution used was a mixed aqueous solution of VOSO 4 and H 2 SO 4 , and the mixed state was VOSO 4 1.5MH 2 SO 4 3M to prepare a vanadium redox flow cell.

실시예Example 4: 바나듐  4: vanadium 레독스Redox 흐름 전지의 제조 Manufacture of flow cell

실시예 1의 전극 대신 실시예 2의 전극을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 3과 동일한 방법에 따라 실시하여 바나듐레독스흐름전지를 제조하였다.A vanadium redox flow cell was prepared in the same manner as in Example 3 except that the electrode of Example 2 was used instead of the electrode of Example 1.

비교예Comparative Example 2:  2: 바나듐레독스흐름전지의Vanadium redox flow cell 제조 Produce

실시예 1의 전극 대신 비교예 1의 전극을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 3과 동일한 방법에 따라 실시하여 바나듐레독스흐름전지를 제조하였다.A vanadium redox flow cell was produced in the same manner as in Example 3 except that the electrode of Comparative Example 1 was used instead of the electrode of Example 1.

평가예Evaluation example 1: 전극 구조 및 물에 대한 젖음성 분석 1: Analysis of electrode structure and water wettability

실시예 1 및 비교예 1에 따라 얻은 전극의 표면과 단면을 현미경을 이용하여 전극의 구조를 측정하였다. The structure of the electrode was measured using a microscope on the surface and cross-section of the electrode obtained in Example 1 and Comparative Example 1.

각 전극의 구조에 대한 현미경 사진을 결과를 도 3a 내지 도 3d에 나타내었다. 도 3a와 3b는 실시예 1에 따라 제조된 전극의 표면 및 단면 사진이고, 도 3c및 도 3d는 각각 비교예 1의 전극의 표면 및 단면 사진이다.Microscopic photographs of the structure of each electrode are shown in Figs. 3a to 3d. FIGS. 3A and 3B are surface and cross-sectional photographs of the electrode manufactured according to Example 1, and FIGS. 3C and 3D are a surface and cross-sectional photographs of the electrode of Comparative Example 1, respectively.

이를 참조하면, 실시예 1의 흑연펠트는 탄소섬유의 표면과 network 사이에 이온흡착층이 잘 붙어있고 단면을 촬영한 그림에서도 흑연펠트의 전 영역에 걸쳐서 균일하게 이온흡착층이 형성된 것을 볼 수 있다. 이온흡착층은 이온은 흡착하는 성질뿐만 아니라 단순히 물리적으로 접촉하는 탄소섬유사이를 전기전도성 탄소로 연결시켜주기 때문에 전기전도성을 증가시키는 역할도 하는 것을 알 수 있다. 반면, 비교예 1의 흑연펠트는 탄소섬유 표면이 매우 매끈하고 탄소섬유간이 약하게 접하고 있다. 이는 낮은 전기전도성으로 인해서 고전류영역에서는 전자 전달이 어려운 구조임을 알 수 있다.  이러한 구조의 차이는 이후 활물질의 반응 자리에 머무는 시간, 즉 산화환원 반응시간의 차이를 가져오며 이로써 전극의 성능에 차이를 가져온다. Referring to this graph, in the graphite felt of Example 1, the ion adsorption layer is well adhered between the surface of the carbon fiber and the network, and the ion adsorption layer is uniformly formed over the entire area of the graphite felt in the cross- . The ion adsorption layer not only adsorbs ions, but also connects the carbon fibers physically contacting with the electrically conductive carbon, thereby increasing the electrical conductivity. On the other hand, in the graphite felt of Comparative Example 1, the surface of the carbon fiber is very smooth and the carbon fiber is weakly contacted. It can be seen that the electron transport is difficult in the high current region due to the low electric conductivity. This difference in structure leads to a difference in the time of staying in the reaction site of the active material, that is, the redox reaction time, thereby causing a difference in the performance of the electrode.

평가예Evaluation example 2: 물에 대한 젖음성 분석 2: Analysis of wettability against water

실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1에 따라 제조된 전극을 5cm x 5cm의 크기로 자르고 나서 증류수가 담긴 비이커에 넣고 전극 표면에 물이 젖는 정도를 촬영한 것과 전극을 두께 방향으로 반으로 잘라서 자른 전극을 동일하게 증류수에 담그어서 물에 대한 젖음성을 측정하였다. The electrodes prepared according to Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 were cut into a size of 5 cm x 5 cm and then placed in a beaker containing distilled water. The degree of wetting of the electrodes was measured, and the electrodes were cut in half in the thickness direction The wettability to water was measured by immersing the cut electrode in distilled water in the same manner.

실시예 1, 실시예 2및 비교예 1의 전극에 대한 물에 젖음성 분석 측정 결과는 도 4a 내지 도 4f에 나타난 바와 같다. 도 4a 및 도 4b는 실시예 1의 전극의 표면 및 단면 상태를 나타낸 사진이고, 도 4c 및 도 4d는 실시예 2의 전극의 표면 및 단면 상태를 나타낸 것이다. 그리고 도 4e 및 도 4f는 비교예 1의 전극의 표면 및 단면 상태를 나타낸 것이다.The results of water wettability analysis of the electrodes of Examples 1, 2 and Comparative Example 1 are shown in Figs. 4A to 4F. FIGS. 4A and 4B are photographs showing the surface and cross-sectional states of the electrodes of Example 1, and FIGS. 4C and 4D show the surface and cross-sectional states of the electrodes of Example 2, respectively. Figs. 4E and 4F show the surface and cross-sectional states of the electrode of Comparative Example 1. Fig.

도 4에 나타낸 바와 같이 실시예 1과 실시예2의 흑연펠트는 표면뿐만 아니라 안쪽면도 물에 균일하게 잘 젖으면서 흑연펠트 표면에서 공기방울이 보이지 않는데 비하여, 비교예는 일부만 물에 젖고 특히 공기방울으로 인해 물에 젖지 않는 영역이 존재한다. 즉 VRB에서 이온흡착층이 형성된 흑연펠트는 바나듐이온과 강산으로 이루어진 전해액에 균일하게 쉽게 젖기 때문에 반응성과 효율이 증가될 수 있다. As shown in Fig. 4, the graphite felt of Example 1 and Example 2 were uniformly wetted not only on the surface but also on the inner surface of the shaved product, and no air bubbles were observed on the graphite felt surface. There is an area that is not wetted by water. That is, the graphite felt in which the ion adsorption layer is formed in the VRB is uniformly and easily wetted by the electrolytic solution comprising the vanadium ion and the strong acid, so that the reactivity and the efficiency can be increased.

평가예Evaluation example 3: 전극의 압력에 따른 전극 저항 측정 3: Measurement of electrode resistance according to electrode pressure

실시예 1-2 및 비교예 1에 따라 제조된 전극을 일정한 크기로 잘라서 만능시험기의 전기전도도 측정 지그에 넣고 압력(0~30N/cm2)을 인가하면서 전극의 관통저항을 측정하였다. 측정 결과는 도 5에 나타난 바와 같다.The electrode prepared according to Example 1-2 and Comparative Example 1 was cut into a predetermined size, inserted into an electric conductivity measuring jig of a universal testing machine, and the penetration resistance of the electrode was measured while applying pressure (0 to 30 N / cm 2 ). The measurement results are shown in Fig.

도 5를 참조하여, 인가압력이 증가하면서 전기저항은 감소하나, 비교예 1의 전극에 비하여 실시예 1의 전극은 약 30%의 낮은 전기저항을 나타내었다. 특히 실시예 1에 비하여 실시예 2의 전극저항이 약 10% 더 낮은 값을 나타내었다. 이는 실시예 2의 경우에 페놀수지가 탄화-흑연화 과정을 거치면서 전기전도성이 좋은 탄소로 구조가 바뀌어서 전극 재료 모두가 탄소인데 비하여, 실시예 1은 나피온(Nafion) 수지가 이온흡착층에 남아 있어서 전기저항 성분으로 작용하기 때문이다. 전극의 저항이 낮을수록 충방전 반응에서 전하이동(charge transfer) 저항이 작아지기 때문에 전류의 흐름이 더 쉬울 수 있다. Referring to FIG. 5, the electric resistance was decreased with the application pressure increased, but the electrode of Example 1 exhibited a low electric resistance of about 30% as compared with the electrode of Comparative Example 1. In particular, the electrode resistance of Example 2 was about 10% lower than that of Example 1. In the case of Example 2, the phenol resin undergoes a carbonization-graphitization process, and the structure is changed to carbon having good electrical conductivity, so that all of the electrode materials are carbon. In Example 1, however, the Nafion resin is contained in the ion- And thus acts as an electric resistance component. The lower the resistance of the electrode, the smaller the charge transfer resistance in the charge / discharge reaction, so the current flow may be easier.

이온흡착반응 사이트(site)에서 생성된 전자는 전극을 따라서 흐르는데 탄소섬유만으로 이루어진 비교예는 탄소섬유 표면만을 통해서 흐르기 때문에 전기전도도가 낮으며 이는 충방전시에 일부 전류의 누설로 나타날 수 있으며 낮은 전압효율의 원인이 되기도 한다.The electrons generated in the ion adsorption reaction site flow along the electrode. The comparative example made of carbon fiber only flows through the surface of the carbon fiber, so that the electric conductivity is low. This may be a leakage of some current during charge / discharge, It also causes efficiency.

평가예Evaluation example 3: 바나듐  3: vanadium 레독스흐름Redox flow 전지에서의  In the battery 충방전Charging and discharging 효율 efficiency

실시예 3 및 4, 비교예 2에 따라 제조된 바나듐 레독스 흐름전지에 대하여 유량 1.5ml/min/cm2에서 전류밀도 80mA/cm2에서의 충방전을 진행하여 각 전극에 대한 충방전 용량과 전류 효율, 전압효율 및 에너지 효율을 평가하였다.Charge and discharge at a current density of 80 mA / cm 2 at a flow rate of 1.5 ml / min / cm 2 was carried out on the vanadium redox flow cell produced according to Examples 3 and 4 and Comparative Example 2, , Voltage efficiency and energy efficiency.

각 전지의 충방전 특성은 도 5에 나타난 바와 같고 각 전지의 전압 변화를 도 6에 나타내었다. The charge and discharge characteristics of each cell are shown in FIG. 5, and the voltage change of each cell is shown in FIG.

상기 각 전지의 충방전효율(전류효율), 전압효율 및 에너지 효율은 각각 하기 식 1 내지 3에 의하여 계산하였고 그 계산결과를 하기 표 1에 나타내었다. The charging / discharging efficiency (current efficiency), the voltage efficiency and the energy efficiency of each of the batteries were calculated by the following formulas 1 to 3, respectively, and the calculation results are shown in Table 1 below.

[식 1][Formula 1]

충방전 효율(전류 효율)(%)= (방전 용량/ 충전 용량)X100Charge / discharge efficiency (current efficiency) (%) = (discharge capacity / charge capacity) X100

[식 2][Formula 2]

전압 효율(%) =(평균방전전압/평균충전전압) X100Voltage efficiency (%) = (average discharge voltage / average charge voltage) X100

[식 3][Formula 3]

에너지 효율(%)=전압 효율X충방전 효율Energy efficiency (%) = voltage efficiency X charge / discharge efficiency

구 분division 단위unit 실시예 3Example 3 실시예 4Example 4 비교예 2Comparative Example 2 충전charge 전류용량Current capacity AhAh 4.24.2 4.34.3 3.23.2 방전Discharge 전류용량Current capacity AhAh 4.154.15 4.24.2 3.113.11 전류 효율
(Columb Efficiency)
Current efficiency
(Columb Efficiency)
%% 98.898.8 97.697.6 97.297.2
전압 효율
(Voltage Efficiency)
Voltage efficiency
(Voltage Efficiency)
%% 89.089.0 89.989.9 85.285.2
에너지 효율
(Energy Efficiency)
Energy efficiency
(Energy Efficiency)
%% 87.387.3 87.787.7 82.882.8

도 6과 표 1에서 보는 바와 같이, 실시예 3 및 4의 바나듐레독스흐름전지는 비교예 2의 경우(탄소섬유로만 제조된 탄소 부직포 전극을 사용함)의 충방전 용량에 비하여 이온흡착층을 도포한 흑연펠트 전극에서 충전 용량과 방전용량이 약 1.3배까지 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 비교예 2의 전지에서는 기능기가 있는 탄소섬유 표면에서만 반응을 하는데 비하여 실시예 3 및 4의 전지에서는 탄소섬유 표면뿐만 아니라 이온흡착층이 반응에 추가로 참여하여 약 30~35%의 용량이 증가 된 것을 확인할 수 있다. 탄소섬유 표면의 기능기에 비하여 이온흡착층의 기능기가 더 가역적인 산화-환원이 일어나며, 이는 전압효율 값이 증가된 것으로부터 알 수 있다. 또한 막과 전극과의 계면, 전극과 집전체사이의 계면은 이온흡착층 때문에 계면 접합이 더 잘 이루어지고 계면저항이 낮아지며 전류 효율이 개선된 것을 알 수 있었다.As shown in FIG. 6 and Table 1, the vanadium redox flow cell of Examples 3 and 4 had an ion adsorption layer applied to the charge / discharge capacity of Comparative Example 2 (using a carbon nonwoven fabric electrode made only of carbon fiber) It was confirmed that the charging capacity and the discharging capacity of a graphite felt electrode increased to about 1.3 times. In the cell of Comparative Example 2, only the surface of the carbon fiber having the functional group was reacted, whereas in the cells of Examples 3 and 4, the carbon fiber surface as well as the ion adsorption layer participated in the reaction to increase the capacity of about 30 to 35% . The functional group of the ion-adsorbing layer is more reversible than that of the functional group on the surface of the carbon fiber. This is because the voltage efficiency value is increased. Also, the interface between the film and the electrode, and the interface between the electrode and the current collector showed better interfacial bonding due to the ion adsorption layer, lowered interfacial resistance, and improved current efficiency.

평가예Evaluation example 4: 바나듐  4: vanadium 레독스Redox 흐름 전지의 전지 성능 평가 Evaluation of cell performance of flow cell

바나듐 레독스 흐름전지의 평가는 각각의 애노드 전해질과 캐소드 전해질이 닫힌계(closed system)에서 순환됨에 따라서 충전과 방전 과정에서 전극 반응에 참여하는 활성종의 농도가 계속적으로 변화되면서 전극 내에서의 반응환경이 계속적으로 변화되어 전극만의 특성을 확인하기 어렵다. 따라서 바나듐 산화환원 전지의 전극 성능을 평가하기 위해서는 전지에 유입되는 애노드 전해액과 캐소드 전해액의 V5+과 V2+의 농도를 2M로 고정하여 전지 내로 공급하면서 전류밀도를 변화시켰다. 이 때 전지를 통과한 애노드 전해액과 캐소드 전해액은 공급되는 전해액과 다른 용기로 모아서 공급되는 전해액과 섞이지 않도록 하였다. 즉, 방전과정에서 전류밀도를 변화시키면서 전압을 측정하는 실험방법은 도 7에 나타난 바와 같다.In the evaluation of the vanadium redox flow cell, the concentration of the active species participating in the electrode reaction continuously changes during charging and discharging as the anode and cathode electrolytes are circulated in the closed system, It is difficult to confirm the characteristics of the electrode alone. Therefore, in order to evaluate the electrode performance of the vanadium redox battery, the concentration of V 5+ and V 2+ of the anode electrolyte and the cathode electrolyte flowing into the battery was fixed at 2M, and the current density was changed while supplying it into the battery. At this time, the anode electrolytic solution and the cathode electrolytic solution passed through the cell were not mixed with the electrolytic solution collected and supplied to the other container. That is, an experimental method for measuring the voltage while changing the current density in the discharge process is as shown in FIG.

상기 실험 결과르 도 8에 나타내었다. 그리고 실시예 3-4 및 비교예 2의 바나듐레독스흐름전지의 1.2V에서의 전류밀도를 표 2에 정리하였다. The results of the above experiment are shown in FIG. The current densities at 1.2 V of the vanadium redox flow cells of Examples 3-4 and Comparative Example 2 are summarized in Table 2.

구 분division 단위unit 실시예 3Example 3 실시예 4Example 4 비교예2Comparative Example 2 전극 성능(@1.2V)Electrode Performance (@ 1.2V) mA/㎠mA / cm2 140140 155155 107107

도 8에서 보는 바와 같이, 비교예 2의 바나듐레독스흐름전지에서는 1.2V에서 전류밀도가 약 107 mA/㎠인 데 비하여, 실시예 3 및 4의 바나듐레독스흐름전지에서는 전류밀도가 각각 140 mA/㎠과 155mA/㎠로 전지 성능이 1.3~1.4배나 개선되었다.As shown in FIG. 8, in the vanadium redox flow cell of Comparative Example 2, the current density was about 107 mA / cm 2 at 1.2 V, whereas the vanadium redox flow battery of Examples 3 and 4 had current density of 140 mA / ㎠ and 155mA / ㎠, the battery performance was improved by 1.3 ~ 1.4 times.

평가예Evaluation example 5: 산소  5: Oxygen 기능기의Functional 함량 content

실시예 1-2 및 비교예 1에 따라 제조된 탄소펠트 전극에서 전극표면에서의 산소 기능기의 함량을 측정하기 위하여 XPS를 이용하여 탄소와 산소의 원자%를 평가하였다.In order to measure the content of oxygen functional groups on the electrode surface in the carbon felt electrodes prepared according to Examples 1-2 and Comparative Example 1, atomic% of carbon and oxygen were evaluated using XPS.

평가 결과, 실시예 1-2의 탄소펠트 전극이 비교예 1의 경우에 비하여 산소 기능기가 증가됨을 확인할 수 있었다. As a result of the evaluation, it was confirmed that the oxygen functional group of the carbon felt electrode of Example 1-2 was higher than that of Comparative Example 1.

XPS를 이용하여 각 경우의 C와 O의 원자비를 측정하였다. 탄소펠트를 표면처리를 하지 않은 경우에 C의 함량은 99.9%이상으로 산소 원자가 0.1% 이하로 매우 낮은 값을 나타낸다. 이에 비하여 비교예 1는 C의 함량이 97%이고 산소의 함량은 3% 이하로 낮은 값을 나타냈었다. 실시예1 과 실시예 2의 산소 함량은 각각 12%와 15%로 실시예 2에서 기능기 함량이 더 증가된 것을 알 수 있다. 이는 탄소섬유 표면과 전도성 탄소 뿐만 아니라 탄화된 고분자수지 표면까지 전 영역에 걸쳐서 탄소 표면에 기능기가 형성되었기 때문이다.The atomic ratios of C and O in each case were measured using XPS. When the carbon felt is not surface-treated, the content of C is 99.9% or more, and the oxygen atom shows a very low value of 0.1% or less. On the contrary, Comparative Example 1 showed that the content of C was 97% and the content of oxygen was 3% or less. The oxygen content of Example 1 and Example 2 were 12% and 15%, respectively, indicating that the functional group content was further increased in Example 2. This is due to the formation of functional groups on the carbon surface, not only on the carbon fiber surface and the conductive carbon, but also over the entire area from the carbonized polymer resin surface.

10: 바나듐 레독스 흐름전지 20, 40: 단위셀
24: 전극 26: 분리판
30: 스택 42, 53: 탱크
42, 52: 펌프 60, 62: 엔드플레이트
10: vanadium redox flow cell 20, 40: unit cell
24: electrode 26: separator plate
30: stack 42, 53: tank
42, 52: pump 60, 62: end plate

Claims (5)

탄소펠트 및 탄소펠트의 적어도 일 면상에 배치된 이온흡착층을 포함하며,
상기 이온흡착층은 전도성 탄소 및 결합 고분자수지를 포함하며,
상기 탄소펠트를 이루는 탄소 섬유 표면에는 하나 이상의 기능기가 결합된 바나듐레독스 흐름전지용 탄소펠트 전극.
A carbon felt and an ion adsorbing layer disposed on at least one side of the carbon felt,
Wherein the ion-adsorbing layer comprises a conductive carbon and a binding polymer resin,
Wherein at least one functional group is bonded to the surface of the carbon fibers constituting the carbon felt.
탄소펠트 및 탄소펠트의 적어도 일 면상에 배치된 이온흡착층을 포함하며,
상기 이온흡착층은 전도성 탄소과, 결합 고분자수지의 탄화로 얻어진 탄소계 물질을 포함하며,
상기 탄소펠트를 이루는 탄소 섬유 및 이온흡착층의 표면에는 하나 이상의 기능기가 결합된 바나듐레독스흐름전지용 탄소펠트 전극.
A carbon felt and an ion adsorbing layer disposed on at least one side of the carbon felt,
Wherein the ion-adsorbing layer comprises a conductive carbon and a carbon-based material obtained by carbonization of a bonding polymer resin,
Wherein at least one functional group is bonded to the surface of the carbon fiber and the ion adsorption layer of the carbon felt.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 결합 고분자 수지는
나피온, 플로오로일래스토머(fluoroelastomer), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), PTFE-공중합체(copolymer), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), PVDF-공중합체(copolymer), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 퍼플루오로폴리알콕시 폴리머(Perfluoroalkoxy polymer: PFA), 불소화된에틸렌프로필렌(Fluorinated ethylene propylene: FEP), 페놀수지, 에폭시수지, 폴리에스테르, 폴리비닐에스테르, 폴리 이미드, 폴리아크릴나이트릴(PAN), 플로오로일래스토머(fluoroelastomer) 및 스티렌부타디엔 러버 중에서 선택된 하나 이상이고, 상기 전도성 탄소는 활성 탄소, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙(Ketjen Black), 덴카 블랙, 카본 휘스커, 기상성장 탄소섬유(VGCF: Vapor Grown Carbon Fiber), 카본 에어로졸, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노혼(carbon nanohorn), 그라핀, 천연 흑연 분말, 합성 흑연분말 및 열팽창 흑연 분말로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이고
고분자 수지의 함량은 이온활성층 총중량 100 중량부를 기준으로 하여 3 내지 30 중량부인 바나듐레독스흐름전지용 탄소펠트 전극.
3. The method according to claim 1 or 2,
The binder polymer resin
Nafion, fluoroelastomer, polytetrafluoroethylene (PTFE), PTFE-copolymer, polyvinylidene fluoride (PVDF), PVDF-copolymer, polyetheretherketone (PEEK), perfluoroalkoxy polymer (PFA), fluorinated ethylene propylene (FEP), phenol resin, epoxy resin, polyester, polyvinyl ester, polyimide, polyacrylonitrile (PAN), fluoroelastomer and styrene butadiene rubber, and the conductive carbon is at least one selected from the group consisting of activated carbon, carbon black, acetylene black, Ketjen black, denka black, carbon whisker, Carbon nanofiber, carbon nanohorn, graphene, natural graphite powder, synthetic graphite powder and thermal expansion black (VGCF), carbon aerosol, carbon nanotube, carbon nanofiber, carbon nanohorn, One or more selected from the group consisting of powder and
Wherein the content of the polymer resin is 3 to 30 parts by weight based on 100 parts by weight of the total weight of the ionic active layer.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 이온활성층의 총함량은 탄소펠트 전극 총중량 100 중량부를 기준으로 하여 1 내지 30 중량부이고,
상기 탄소펠트 전극에서 전극표면의 산소의 함량은 탄소펠트 전극의 총중량 100 중량부의 3 내지 20 중량부인 바나듐 레독스 흐름전지용 탄소펠트 전극.
3. The method according to claim 1 or 2,
The total content of the ionic active layer is 1 to 30 parts by weight based on 100 parts by weight of the carbon felt electrode,
Wherein the content of oxygen on the electrode surface in the carbon felt electrode is 3 to 20 parts by weight based on 100 parts by weight of the total weight of the carbon felt electrode.
제1항 또는 제2항의 탄소펠트 전극을 포함하는 바나듐 레독스 흐름전지.A vanadium redox flow cell comprising the carbon felt electrode of claim 1 or claim 2.
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