KR20190026530A - Separator of redox flow battery, preparation method for separator of flow battery, and redox flow battery - Google Patents

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KR20190026530A
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김혜선
박상선
김희탁
김리율
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Abstract

The present invention relates to a separator of a redox flow battery capable of maintaining high cell efficiency due to high durability, low internal resistance, and low crossover properties of a charged active material in a redox flow battery, a method for manufacturing the separator of a redox flow battery, and a redox flow battery. The separator of the redox flow battery comprises: a porous substrate; and an ion conductive resin filled in pores of the porous substrate.

Description

레독스 흐름 전지용 분리막, 레독스 흐름 전지용 제조방법, 및 레독스 흐름 전지{SEPARATOR OF REDOX FLOW BATTERY, PREPARATION METHOD FOR SEPARATOR OF FLOW BATTERY, AND REDOX FLOW BATTERY}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a redox flow battery separator, a redox flow battery manufacturing method, and a redox flow battery,

본 발명은 레독스 흐름 전지용 분리막, 레독스 흐름 전지용 제조방법, 및 레독스 흐름 전지에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 레독스 흐름 전지에서 높은 내구성, 낮은 내부 저항, 및 충전된 활물질의 낮은 크로스 오버의 특성으로 높은 전지 효율을 보유할 수 있는 레독스 흐름 전지의 분리막, 레독스 흐름 전지용 제조방법, 및 레독스 흐름 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a separator for redox flow battery, a method for manufacturing redox flow battery, and a redox flow battery. More particularly, the present invention relates to a separator for a redox flow cell having high durability, low internal resistance, and low crossover characteristics of a charged active material, And a redox flow battery.

화석 연료를 사용하여 대량의 온실 가스 및 환경 오염 문제를 야기하는 화력 발전이나 시설 자체의 안정성이나 폐기물 처리의 문제점을 갖는 원자력 발전 등의 기존 발전 시스템들이 다양한 한계점을 들어내면서 보다 친환경적이고 높은 효율을 갖는 에너지의 개발과 이를 이용한 전력 공급 시스템의 개발에 대한 연구가 크게 증가하고 있다. Existing power generation systems, such as thermal power generation using nuclear fossil fuels and large-scale greenhouse gas and environmental pollution problems, and nuclear power generation, which have the problems of stability of the facility itself or waste disposal problems, have various limitations and are more environmentally friendly and highly efficient Research on the development of energy and the development of power supply system using it has been greatly increased.

특히, 전력 저장 기술은 외부 조건에 큰 영향을 받는 재생 에너지를 보다 다양하고 넓게 이용할 수 있도록 하며 전력 이용의 효율을 보다 높일 수 있어서, 이러한 기술 분야에 대한 개발이 집중되고 있으며, 이들 중 2차 전지에 대한 관심 및 연구 개발이 크게 증가하고 있는 실정이다. Particularly, the power storage technology makes it possible to utilize renewable energy which is greatly influenced by external conditions in a wider and wider range, and the efficiency of power utilization can be further increased. And research and development have been increasing.

레독스 흐름 전지는 활성 물질의 화학적 에너지를 직접 전기 에너지로 전환할 수 있는 산화/환원 전지를 의미하며, 태양광, 풍력 등 외부 환경에 따라 출력변동성이 심한 신재생에너지를 저장하여 고품질 전력으로 변환할 수 있는 에너지 저장시스템이다. 구체적으로, 레독스 흐름 전지에서는 산화/환원 반응을 일으키는 활물질을 포함한 전해액이 반대 전극과 저장 탱크 사이를 순환하며 충방전이 진행된다. The redox flow cell is an oxidation / reduction cell that can convert the chemical energy of the active material directly into electrical energy. It stores renewable energy with high output fluctuation depending on the external environment such as sunlight and wind power and converts it into high quality power Energy storage system. Specifically, in the redox flow cell, the electrolyte containing the active material causing the oxidation / reduction reaction circulates between the opposite electrode and the storage tank, and charging / discharging proceeds.

이러한 레독스 흐름 전지는 기본적으로 산화상태가 각각 다른 활물질이 저장된 탱크와 충/방전시 활물질을 순환시키는 펌프, 그리고 분리막으로 분획되는 단위셀을 포함하며, 상기 단위셀은 전극, 전해질 및 분리막을 포함한다. The redox flow cell basically includes a tank storing different active materials in oxidation states, a pump circulating the active material during charging / discharging, and a unit cell divided into a separation membrane. The unit cell includes an electrode, an electrolyte, and a separation membrane do.

레독스 흐름 전지의 분리막은 충전 방전시 양극과 음극전해질에 반응되어 생성되는 이온의 이동을 통해 전류의 흐름을 발생시키는 핵심소재이다. 현재 레독스 흐름 전지에는 리튬 전지, 납축 전지, 연료 전지 등의 다른 2차 전지용 분리막을 사용하는 것이 일반적이나, 이러한 이전의 분리막은 양극과 음극 전해액 간의 충전된 활물질의 높은 크로스 오버를 발생시키고 전지의 효율 및 전하량을 저하시키며, 또한 브롬 혹은 바나듐 이온에 대한 내성이 충분하지 않아서 전지의 수명을 충분히 확보하기 어려운 한계를 가지고 있다. The separator of the redox flow cell is a core material that generates current flow through the movement of ions generated in response to the anode and cathode electrolyte during charge discharge. Currently, it is common to use separators for rechargeable batteries such as lithium batteries, lead batteries, fuel cells and the like, but this prior separator has a problem in that it causes a high crossover of the charged active material between the positive and negative electrode electrolytes, The efficiency and the charge amount are lowered and the resistance to bromine or vanadium ions is not sufficient, so that it is difficult to sufficiently secure the lifetime of the battery.

미국등록특허 제4190707호나 한국등록특허 제1042931호에는 알칼라인 전지 또는 이차전지용 미세다공성 분리막이 개시되어 있으나, 이러한 종래의 다공성 분리막은 레독스 흐름 전지에서 요구되는 양극과 음극 전해액 간의 충전된 활물질의 크로스 오버를 방지할 수 있는 특성이나 브롬에 대한 내성을 확보할 수 있는 방법에 대해서는 제시하고 있지 않다. US Patent No. 4,190,707 and Korean Patent No. 1042931 disclose a microporous separator for an alkaline battery or a secondary battery. However, such a conventional porous separator has a disadvantage in that a crossover of a charged active material between a positive electrode and a negative electrode electrolyte required in a redox- And a method capable of securing resistance to bromine is not provided.

미국등록특허 제4190707호U.S. Patent No. 4,190,707 한국등록특허 제1042931호Korea Patent No. 1042931

본 발명은 레독스 흐름 전지에서 높은 내구성, 낮은 내부 저항, 및 충전된 활물질의 낮은 크로스 오버의 특성으로 고효율 성능 확보가 가능하고, 원가비용을 획기적으로 절감할 수 있는 레독스 흐름 전지의 분리막을 제공하기 위한 것이다.The present invention provides a separation membrane of a redox flow cell which can achieve high efficiency performance and can reduce the cost cost remarkably due to the characteristics of high durability, low internal resistance and low crossover of the charged active material in the redox flow battery .

또한, 본 발명은 상기 레독스 흐름 전지의 분리막을 제조하는 방법을 제공하기 위한 것이다.The present invention also provides a method for producing the separator of the redox flow cell.

나아가, 본 발명은 상기 분리막을 포함한 레독스 흐름 전지를 제공하기 위한 것이다.Furthermore, the present invention provides a redox flow cell including the separator.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 다공성 기재; 및 상기 다공성 기재의 기공 내에 채워진 이온 전도성 수지를 포함하며, 상기 이온 전도성 수지는 친수성 이온 클러스터(cluster)를 포함하는 레독스 흐름 전지용 분리막이 제공된다.According to one embodiment of the present invention, a porous substrate; And an ion conductive resin filled in the pores of the porous substrate, wherein the ion conductive resin comprises a hydrophilic ion cluster.

본 발명의 다른 구현예에 따르면, 다공성 기재의 기공 내에 이온 전도성 수지, 프로필렌 카보네이트 및 유기 용매를 포함하는 이온 전도성 수지 용액을 채우는 단계; 상기 기공 내에 상기 이온 전도성 수지 용액이 채워진 다공성 기재를 건조하는 단계; 및 상기 건조된 다공성 기재를 탈이온수에 함침하여 프로필렌 카보네이트를 제거하는 단계를 포함하는 레독스 흐름 전지용 분리막 제조방법이 제공된다.According to another embodiment of the present invention, there is provided a method of manufacturing a porous substrate, comprising: filling an ion conductive resin solution containing an ion conductive resin, propylene carbonate and an organic solvent in pores of a porous substrate; Drying the porous substrate filled with the ion conductive resin solution in the pores; And a step of impregnating the dried porous substrate with deionized water to remove propylene carbonate.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 분리막을 포함하는 레독스 흐름 전지가 제공된다.According to another embodiment of the present invention, there is provided a redox flow cell comprising the separation membrane.

이하 발명의 구체적인 구현예에 따른 레독스 흐름 전지의 분리막, 레독스 흐름 전지의 분리막 제조방법 및 레독스 흐름 전지에 대하여 보다 상세하게 설명하기로 한다. Hereinafter, a separator of a redox flow cell, a method of preparing a redox flow cell, and a redox flow cell according to a specific embodiment of the present invention will be described in detail.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 다공성 기재; 및 상기 다공성 기재의 기공 내에 채워진 이온 전도성 수지를 포함하며, 상기 이온 전도성 수지는 친수성 이온 클러스터(cluster)를 포함하는 레독스 흐름 전지용 분리막이 제공된다.According to one embodiment of the present invention, a porous substrate; And an ion conductive resin filled in the pores of the porous substrate, wherein the ion conductive resin comprises a hydrophilic ion cluster.

통상적인 레독스 흐름 전지용 분리막은 원료 비용이 높고, 내화학성이 낮고, 양극과 음극 전해액 간의 충전된 활물질의 높은 크로스 오버를 발생한다는 문제점이 있다.Conventional separator membranes for redox flow batteries have a problem of high raw material costs, low chemical resistance, and high crossover of charged active materials between the positive and negative electrode electrolytes.

그러나, 본 발명자들은 상기 분리막을 레독스 흐름 전지의 분리막에 이용하면, 상기 이온 전도성 수지로 인하여 낮은 내부 저항을 갖는 동시에, 양극과 음극 전해액 간의 충전된 활물질의 크로스 오버 현상을 감소시켜 전지 효율을 향상시킬 수 있으며, 특히, 상기 이온 전도성 수지에 포함된 친수성 이온 클러스터의 크기를 크게 제어함으로써, 충진막이 갖는 높은 내부 저항에 관한 문제를 해결할 수 있다는 점을 실험을 통하여 확인하고 발명을 완성하였다.However, when the separator is used as a separator of a redox flow cell, the present inventors have found that the ion conductive resin has a low internal resistance and improves the cell efficiency by reducing the crossover phenomenon of the charged active material between the anode and the cathode electrolyte In particular, it has been confirmed through experiments that the problem of the high internal resistance of the filling film can be solved by controlling the size of the hydrophilic ion clusters contained in the ion conductive resin in particular, and completed the invention.

또한, 다공성 기재의 기공에 이온 전도성 수지를 채워 분리막을 제조함으로써 순수 이온 전도성 막 대비 원료 가격을 절감시킬 수 있으며, 레독스 흐름 전지 구동 시 형성된 아연 덴드라이트(Zn dendrite)에 의해 분리막에 핀홀이 형성되는 것을 방지하여 내구성을 향상시킬 수 있다. In addition, it is possible to reduce the raw material cost compared to the pure ion conductive membrane by preparing the separation membrane by filling the pores of the porous substrate with the ion conductive resin, and it is possible to form a pinhole in the separation membrane by the zinc dendrite formed during the operation of the redox flow cell And the durability can be improved.

이하에서는, 상기 일 구현예의 레독스 흐름 전지의 다공성 분리막에 대해 보다 구체적으로 설명하기로 한다.Hereinafter, the porous separator of the redox flow cell of the embodiment will be described in more detail.

상기 레독스 흐름 전지용 분리막은 다공성 기재, 및 상기 다공성 기재의 기공 내에 채워진 이온 전도성 수지를 포함하며, 상기 이온 전도성 수지는 친수성 이온 클러스터(cluster)를 포함한다. 상기 친수성 이온 클러스터는, 소각 X-선 산란(SAXS; Small-angle X-ray scattering) 으로 측정하여 얻어지는 친수성 이온 클러스터의 직경이 5.5 내지 7nm 이다. 구체체적으로, 상기 소각 X-선 산란(SAXS; Small-angle X-ray scattering)으로 측정하여 얻어지는 하기 일반식1에 따른 상기 친수성 이온 클러스터의 직경( d c )이 5.5 내지 7nm이다. The separator for the redox flow battery comprises a porous substrate and an ion conductive resin filled in the pores of the porous substrate, wherein the ion conductive resin comprises a hydrophilic ion cluster. The hydrophilic ion cluster has a diameter of 5.5 to 7 nm as measured by small-angle X-ray scattering (SAXS). ( D c ) of the hydrophilic ion clusters according to the following general formula (1) obtained by the measurement by the small-angle X-ray scattering (SAXS) is 5.5 to 7 nm.

[일반식1][Formula 1]

d c = (6 Vc /π)1/3 d c = (6 Vc /?) 1/3

상기 일반식1에서 Vc 는 하기 일반식2에 의하여 구해지는 입방격자의 부피(volume of cubic lattice)이고, In the above general formula (1), Vc is a volume of cubic lattice determined by the following general formula (2)

[일반식2][Formula 2]

Vc = V /(1 + Δ V )} d 3 + N P V P Vc = {Δ V / (1 + Δ V)} d 3 + N P V P

상기 일반식 2에서 d 는 하기 일반식 3에 의하여 구해지는 브레그 간격(Bragg spacing)이고, N P 는 이온 교환 자리의 개수(number of ion exchange site)이고, V P 는 이온 교환 자리의 부피(volume of ion exchange site)이고, Δ V 는 분리막의 수팽창(water swelling) 전후 부피의 변화량이고, D is the Bragg spacing determined by the following general formula 3, N P is the number of ion exchange sites, V P is the volume of the ion exchange site volume of ion exchange site), DELTA V is the volume change of the membrane before and after water swelling,

[일반식 3][Formula 3]

d (Bragg spacing) = 2π/q d (Bragg spacing) = 2? / q

상기 일반식 3에서 q는 하기 일반식4에 의하여 구해지는 산란 인자(scattering factor)이고, In Formula 3, q is a scattering factor determined by the following Formula 4,

[일반식4][Formula 4]

q = (4π/ λ)*sin (2θ/2) q = (4? /?) * sin (2? / 2)

상기 일반식4에서, λ는 X-선의 파장이고, θ는 산란각이다. In the general formula (4),? Is the wavelength of the X-ray and? Is the scattering angle.

상기 다공성 기재의 기공 내에 채워진 이온 전도성 수지는 선택적인 이온 교환이 용이한 고분자이며, 이러한 고분자로 채워진 다공성 기재를 포함하는 분리막을 레독스 흐름 전지에 이용하면, 양극과 음극 전해액 간의 충전된 활물질의 크로스 오버 현상을 선택적으로 방지하여 전지 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 다공성 기재의 기공 부분에만 고가의 이온 전도성 수지를 채워 사용함으로써 원료 비용을 절감할 수 있는 장점이 있다.The ion conductive resin filled in the pores of the porous base material is a polymer easily selective ion exchange. When a separation membrane including a porous base material filled with such a polymer is used in a redox flow cell, a cross of the charged active material between the anode and the cathode electrolyte Over phenomenon can be selectively prevented and battery efficiency can be improved. In addition, there is an advantage that cost of raw materials can be reduced by using only expensive pore portions of the porous base material by filling it with an expensive ion conductive resin.

다만, 이러한 이온 전도성 수지를 다공성 기재의 기공에 채운 분리막의 경우, 이온 전도성 수지만으로 이루어진 분리막에 비하여, 내부 저항이 크다는 문제점이 있으나, 상기 일 실시예에 따른 분리막은 상기 이온 전도성 수지 내부에 포함된 친수성 이온 클러스터의 직경을 5.5 내지 7nm으로 크게 제어함으로써, 분리막의 내부 저항을 낮출 수 있다.However, in the case of the separation membrane in which the ion conductive resin is filled in the pores of the porous substrate, there is a problem in that the internal resistance is larger than that of the separation membrane composed only of the ion conductive resin. However, By controlling the diameter of the hydrophilic ion cluster to 5.5 to 7 nm, the internal resistance of the separation membrane can be lowered.

구체적으로, 상기 이온 전도성 수지는 주사슬(main chain)이 모인 소수성 영역과, 친수성 작용기의 부사슬(side chain)이 모인 친수성 영역으로 구성되며, 이온은 친수성 영역에 위치하는 복수개의 채널 즉, 친수성 이온 클러스터를 통해 이동한다. 상기 복수의 친수성 이온 클러스터는 분리막의 두께 방향으로 연속하여 위치함으로 인해, 이온의 이동 통로로서 기능한다.Specifically, the ion conductive resin is composed of a hydrophobic region in which a main chain is assembled and a hydrophilic region in which a side chain of a hydrophilic functional group is assembled, and the ion is divided into a plurality of channels located in a hydrophilic region, Ion clusters. The plurality of hydrophilic ion clusters are continuous in the thickness direction of the separation membrane, and thus function as a movement path of ions.

따라서, 상기 친수성 이온 클러스터의 평균 직경이 클수록 이온이 통과하기 용이하므로, 결과적으로 상기 친수성 이온의 클러스터의 평균 직경이 클수록 분리막의 내부 저항을 낮출 수 있다.Therefore, the larger the average diameter of the hydrophilic ion clusters is, the easier the ions can pass. As a result, the larger the average diameter of the clusters of the hydrophilic ions, the lower the internal resistance of the separation membrane.

상기 이온 전도성 수지로는 이온 전도성 작용기를 가지는 다양한 고분자가 사용될 수 있으며, 구체적으로 양이온 교환 능력이 있는 작용기를 갖는 고분자를 사용할 수 있다. 예를 들어, 술폰화 테트라플루오로에틸렌계 고분자(sulfonated tetrafluoroethylene-based polymer), 술폰화 폴리이미드(sulfonated polyimide, sPI), 술폰화 폴리아릴렌에테르술폰(sulfonated poly(arylene ether sulfone), sPAES), 술폰화 폴리에테르에테르케톤(sulfonated polyetheretherketone, sPEEK), 술폰화 폴리에테르케톤(sulfonated polyetherketone, sPEK), 폴리비닐리덴 플로라이드-그라프트-폴리스티렌 술폰산(poly(vinylidene fluoride)-graft-poly(styrene sulfonic acid), PVDF-g-PSSA) 및 술폰화 폴리플루오레닐 에테르케톤(sulfonated poly(fluorenyl ether ketone))으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. As the ion conductive resin, various polymers having ion conductive functional groups may be used. Specifically, polymers having functional groups having cation exchange ability can be used. For example, sulfonated tetrafluoroethylene-based polymer, sulfonated polyimide (sPI), sulfonated poly (arylene ether sulfone), sPAES, Sulfonated polyetheretherketone (sPEEK), sulfonated polyetherketone (sPEK), polyvinylidene fluoride-graft-poly (styrene sulfonic acid) ), PVDF-g-PSSA), and sulfonated poly (fluorenyl ether ketone).

이중, 상기 이온 전도성 수지는 술폰화 테트라플루오로에틸렌계 고분자일 수 있다. 상기 술폰화 테트라플루오로에틸렌계 고분자는 나피온(Nafion®, Dupont), 아퀴비온(Aquivion®, Solvay), 플레미온(FlemionTM, AGC chemicals company), 또는 아시플렉스(AciplexTM, Asahi Kasei)일 수 있다.The ion conductive resin may be a sulfonated tetrafluoroethylene-based polymer. Ethylene-based polymer to the sulfonated tetrafluoroethylene is Nafion (Nafion ®, Dupont), Aquitania rain (Aquivion ®, Solvay), play lukewarm (Flemion TM, AGC chemicals company) , or know, Flex (Aciplex TM, Asahi Kasei) days .

상기 레독스 흐름 전지용 분리막 총 중량에 대한 상기 이온 전도성 수지의 함량은 20 내지 70중량%, 25 내지 45 중량%, 또는 27 내지 35 중량%일 수 있다. 상기 이온 전도성 수지의 함량이 20 중량% 미만이면 전지 효율 향상 효과가 미미할 수 있으며, 70중량% 초과하면 원료 비용이 상승할 수 있다.The ion conductive resin may be contained in an amount of 20 to 70% by weight, 25 to 45% by weight, or 27 to 35% by weight based on the total weight of the redox flowable battery separator. If the content of the ion conductive resin is less than 20% by weight, the effect of improving the cell efficiency may be insignificant. If it exceeds 70% by weight, the cost of the raw material may increase.

상기 다공성 기재는 다수의 기공들(110)을 가지는 시트이다. 상기 다공성 기재는 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오르에틸렌, 폴리비닐리덴플로라이드, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리벤즈 옥사졸, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌, 폴리술폰 및 폴리에테르술폰으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.The porous substrate is a sheet having a plurality of pores (110). The porous substrate includes at least one selected from the group consisting of polypropylene, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyamide, polyimide, polybenzoxazole, polyethylene terephthalate, polyethylene, polysulfone and polyether sulfone can do.

상기 다공성 기재는 평균 기공율이 30 내지 70부피%, 40 내지 60부피%, 또는 45 내지 55부피%일 수 있으며, 상기 평균 기공율이 30부피% 미만이면 기공에 채워지는 이온 전도성 수지의 함량이 적어 레독스 흐름 전지의 전지 효율이 저하될 수 있으며, 70부피% 초과하면 내구성이 저하될 수 있다.The porous substrate may have an average porosity of 30 to 70% by volume, 40 to 60% by volume, or 45 to 55% by volume. When the average porosity is less than 30% by volume, the content of the ion- The battery efficiency of the toxic flow cell may be deteriorated, and if it exceeds 70% by volume, the durability may be deteriorated.

상기 다공성 기재의 기공은 평균 입경이 10 내지 200nm, 15 내지 40nm, 또는 20 내지 35nm일 수 있으며, 상기 평균 입경이 10nm 미만이면 분리막의 내부 저항이 커지거나 전지 효율이 저하될 수 있으며, 200nm 초과하면 내구성이 저하될 수 있다.The pores of the porous substrate may have an average particle diameter of 10 to 200 nm, 15 to 40 nm, or 20 to 35 nm. If the average particle diameter is less than 10 nm, the internal resistance of the separation membrane may increase or the cell efficiency may deteriorate. Durability may be deteriorated.

상기 다공성 기재는 두께가 5 내지 700㎛, 15 내지 90㎛, 또는 25 내지 80㎛일 수 있으며, 상기 두께가 5㎛ 미만이면 내구성이 저하될 수 있고, 700㎛ 초과하면 분리막의 내부 저항이 커질 수 있다.The porous substrate may have a thickness of 5 to 700 μm, 15 to 90 μm, or 25 to 80 μm. If the thickness is less than 5 μm, the durability may deteriorate. If the thickness is more than 700 μm, have.

상기 레독스 흐름 전지용 분리막은, 상기 다공성 기재의 적어도 일 면에 이온 전도성 수지를 포함하는 코팅층을 더 포함할 수 있다. 상기 다공성 기재에 코팅층이 형성되는 경우, 상기 코팅층 및 다공성 기재의 두께비는 1: 3 내지 300, 1: 4 내지 25, 또는 1: 5 내지 20일 수 있다. 상기 두께비가 1: 3 미만이면 이온 전도성 수지를 과량 사용함으로 인하여 원료 비용이 증가할 수 있으며, 1: 300 초과하면 코팅층을 추가적으로 포함함으로 인한 전기 효율 상승 효과가 더 이상 나타나지 않을 수 있다.The separator for the redox flow battery may further include a coating layer including an ion conductive resin on at least one surface of the porous substrate. When a coating layer is formed on the porous substrate, the thickness ratio of the coating layer and the porous substrate may be 1: 3 to 300, 1: 4 to 25, or 1: 5 to 20. If the thickness ratio is less than 1: 3, the cost of the raw material may increase due to excessive use of the ion conductive resin. If the thickness ratio is more than 1: 300, the effect of increasing the electric efficiency due to addition of the coating layer may not be exhibited any more.

상기 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지용 분리막은 다공성 기재의 기공에 채워진 실리카를 더 포함할 수 있다. 상기 실리카는 상기 레독스 흐름 전지용 분리막의 내부로 전해액이 보다 용이하게 침투할 수 있도록 할 수 있다. 상기 실리카 입자는 규소 원자와 산소 원자의 결합인 실록산 구조를 포함할 수 있으며, 상기 실록산 구조에서는 규소 원자와 결합한 유기기의 개수에 따라 1관능성(monofunctional, M), 2관능성(difunctional, D), 3관능성(trifunctional, T), 4관능성(quadrifunctional, Q)으로 표시되는 4가지 소단위를 포함할 수 있다.The separator for the redox flow battery according to the embodiment may further include silica filled in pores of the porous substrate. The silica may allow the electrolyte to penetrate into the separator for the redox flow battery more easily. The silica particles may include a siloxane structure which is a bond between a silicon atom and an oxygen atom. In the siloxane structure, a monofunctional (M), a difunctional (D) functional group may be present depending on the number of organic groups bonded to silicon atoms ), Trifunctional (T), and quadrifunctional (Q).

상기 실리카는 습식 실리카, 건식 실리카 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. The silica may comprise wet silica, dry silica or mixtures thereof.

습식 실리카(Precipitated silica)는 규사를 원료로 하는 규산 소다를 원료로 하여, 그 수용액을 중화하여 실리카를 석출하고, 여과ㆍ건조시켜 제조되는 실리카; 또는 규산 소다 대신에 알콕시실란을 사용하여 가수분해 반응을 통해 제조되는 실리카 등을 포함할 수 있다. 상기 습식 실리카의 평균 입경은 100 내지 200nm, 120 내지 190nm, 또는 140 내지 180nm일 수 있다.Precipitated silica is a silica prepared by using silicate sodium silicate as a raw material, precipitating silica by neutralizing the aqueous solution, filtering and drying the silica; Or silica produced through a hydrolysis reaction using alkoxysilane instead of sodium silicate. The average particle diameter of the wet silica may be 100 to 200 nm, 120 to 190 nm, or 140 to 180 nm.

상기 건식 실리카(fumed silica)는 고온(1100℃)에서 사염화 실란(SiCl4)을 열분해 하여 얻어진 실리카 또는 실리카를 고온 및 진공하에서 가열하고 이를 차가운 표면에 증착시키는 방식으로 제조되는 실리카 등을 포함할 수 있다. 상기 건식 실리카의 평균 입경은 4 내지 30nm, 8 내지 25nm, 또는 12 내지 20nm일 수 있다. The fumed silica may include silica prepared by pyrolyzing tetrachlorosilane (SiCl 4 ) at a high temperature (1100 ° C.) or silica produced by heating the obtained silica or silica under high temperature and vacuum and depositing it on a cold surface have. The dry silica may have an average particle size of 4 to 30 nm, 8 to 25 nm, or 12 to 20 nm.

한편, 발명의 다른 구현예에 따르면, 다공성 기재의 기공 내에 이온 전도성 수지, 프로필렌 카보네이트 및 유기 용매를 포함하는 이온 전도성 수지 용액을 채우는 단계; 상기 이온 전도성 수지 용액이 상기 기공 내에 채워진 다공성 기재를 건조하는 단계; 및 상기 건조된 다공성 기재를 탈이온수에 함침하여 상기 프로필렌 카보네이트를 제거하는 단계를 포함하는 레독스 흐름 전지용 분리막 제조방법이 제공될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: filling an ion conductive resin solution containing an ion conductive resin, propylene carbonate and an organic solvent in pores of a porous substrate; Drying the porous substrate filled with the ion conductive resin solution in the pores; And a step of impregnating the dried porous substrate with deionized water to remove the propylene carbonate.

도 1은 실시예에 따른 레독스 흐름 전지용 분리막을 제조하는 방법을 모식적으로 나타낸 도면이다.1 is a view schematically showing a method for producing a separator for a redox flow battery according to an embodiment.

구체적으로, 상기 레독스 흐름 전지용 분리막 제조방법은 다공성 기재(100)의 기공(110) 내에 이온 전도성 수지(250), 프로필렌 카보네이트 및 유기 용매를 포함하는 이온 전도성 수지 용액(210)을 채우는 단계를 포함할 수 있다. 상기 이온 전도성 수지 용액이 상기 다공성 기재의 기공을 채우는 방법으로는, 상기 다공성 기재를 상기 이온 전도성 수지 용액에 포함된 용기에 함침시키는 방법을 사용하거나, 상기 다공성 기재에 상기 이온 전도성 수지 용액을 직접 부어 기공에 상기 이온 전도성 수지 용액으로 채우는 방법을 사용할 수 있다.Specifically, the separation membrane for redox flow battery includes a step of filling an ion conductive resin solution 210 containing an ion conductive resin 250, propylene carbonate, and an organic solvent in pores 110 of the porous base material 100 can do. As a method for filling the pores of the porous substrate with the ion conductive resin solution, there is a method of impregnating the porous substrate with a container contained in the ion conductive resin solution, or by directly pouring the ion conductive resin solution into the porous substrate A method of filling the pores with the above ion conductive resin solution can be used.

상기 다공성 기재(100)의 기공(110)에 상기 이온 전도성 수지 용액(210)을 채우는 공정 이후, 상기 다공성 기재의 양면에 상기 이온 전도성 수지 용액을 코팅하여 코팅층(230, 240)을 형성할 수 있다. 상기 다공성 기재의 양면에 코팅된 상기 이온 전도성 수지 용액 중 일부는 상기 기공 내로 보충되어, 상기 기공 내의 이온 전도성 수지(250) 및 프로필렌 카보네이트의 함량을 증가시킬 수 있다.After the step of filling the pores 110 of the porous substrate 100 with the ion conductive resin solution 210, the ion conductive resin solution may be coated on both surfaces of the porous substrate to form the coating layers 230 and 240 . A part of the ion conductive resin solution coated on both surfaces of the porous substrate may be supplemented into the pores to increase the content of the ion conductive resin 250 and the propylene carbonate in the pores.

상기 이온 전도성 수지 용액(210)은 이온 전도성 수지(250), 프로필렌 카보네이트 및 유기 용매를 포함할 수 있다. The ion conductive resin solution 210 may include an ion conductive resin 250, propylene carbonate, and an organic solvent.

상기 이온 전도성 수지(250)에 관한 내용은 상기 일 실시예에 관하여 상술한 내용을 포함하며, 그 종류로는, 예를 들어, 나피온일 수 있다. 상기 이온 전도성 수지 용액(210) 총 중량에 대하여 상기 이온 전도성 수지의 함량은 2 내지 20중량%, 5 내지 15중량%, 또는 10 내지 13중량%일 수 있다. 상기 이온 전도성 수지의 함량이 상술한 범위를 만족하지 않으면 상기 이온 전도성 수지가 다공성 기재(100)에 효과적으로 채워지기 어려울 수 있다.The content of the ion conductive resin 250 includes the above-mentioned contents in the embodiment, and it may be, for example, Nafion. The content of the ion conductive resin may be 2 to 20% by weight, 5 to 15% by weight, or 10 to 13% by weight based on the total weight of the ion conductive resin solution 210. If the content of the ion conductive resin does not satisfy the above-described range, it may be difficult for the ion conductive resin to be effectively filled in the porous base material 100.

상기 이온 전도성 수지(250)를 다공성 기재(100)의 기공(110)에 포함시킨 분리막의 경우, 이온 전도성 수지만으로 이루어진 분리막에 비하여, 내부 저항이 크다는 문제점이 있다. 그러나, 상기 다른 실시예에 따른 분리막 제조방법은, 상기 이온 전도성 수지 용액(210)에 상기 프로필렌 카보네이트를 포함시켜 분리막을 제조함으로써, 분리막의 내부 저항을 낮출 수 있다.In the case of the separation membrane in which the ion conductive resin 250 is contained in the pores 110 of the porous substrate 100, there is a problem in that the internal resistance is larger than that of the separation membrane composed only of the ion conductive resin. However, in the separation membrane manufacturing method according to another embodiment, the internal resistance of the separation membrane can be lowered by preparing the separation membrane by incorporating the propylene carbonate into the ion conductive resin solution 210.

구체적으로, 상기 이온 전도성 수지는 주사슬(main chain)이 모인 소수성 영역과, 친수성 작용기의 부사슬(side chain)이 모인 친수성 영역으로 구성되며, 이온은 친수성 영역에 위치하는 복수개의 채널 즉, 친수성 이온 클러스터를 통해 이동한다. 상기 복수의 친수성 이온 클러스터는 분리막의 두께 방향으로 연속하여 위치함으로 인해, 이온의 이동 통로로서 기능한다. Specifically, the ion conductive resin is composed of a hydrophobic region in which a main chain is assembled and a hydrophilic region in which a side chain of a hydrophilic functional group is assembled, and the ion is divided into a plurality of channels located in a hydrophilic region, Ion clusters. The plurality of hydrophilic ion clusters are continuous in the thickness direction of the separation membrane, and thus function as a movement path of ions.

따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 분리막 제조방법은, 상기 프로필렌 카보네이트를 이온 전도성 수지와 함께 다공성 기재에 채움으로써 상기 이온 전도성 수지 내부에 포함된 친수성 이온 클러스터의 직경을 크게 제어할 수 있다. Accordingly, in the separation membrane manufacturing method according to another embodiment of the present invention, the diameter of the hydrophilic ion clusters contained in the ion conductive resin can be controlled to a large extent by filling the porous substrate with the propylene carbonate together with the ion conductive resin.

구체적으로, 상기 이온 전도성 수지는 주사슬(main chain)이 모인 소수성 영역과, 친수성 작용기의 부사슬(side chain)이 모인 친수성 영역으로 구성되며, 이온은 친수성 영역에 위치하는 복수개의 채널 즉, 친수성 이온 클러스터를 통해 이동한다. 상기 복수의 친수성 이온 클러스터는 분리막의 두께 방향으로 연속하여 위치함으로 인해, 이온의 이동 통로로서 기능한다.Specifically, the ion conductive resin is composed of a hydrophobic region in which a main chain is assembled and a hydrophilic region in which a side chain of a hydrophilic functional group is assembled, and the ion is divided into a plurality of channels located in a hydrophilic region, Ion clusters. The plurality of hydrophilic ion clusters are continuous in the thickness direction of the separation membrane, and thus function as a movement path of ions.

따라서, 상기 친수성 이온 클러스터의 평균 직경이 클수록 이온이 통과하기 용이하므로, 결과적으로 상기 친수성 이온의 클러스터의 평균 직경이 클수록 분리막의 내부 저항을 낮출 수 있다.Therefore, the larger the average diameter of the hydrophilic ion clusters is, the easier the ions can pass. As a result, the larger the average diameter of the clusters of the hydrophilic ions, the lower the internal resistance of the separation membrane.

상기 이온 전도성 수지(250) 내부에 포함된 친수성 이온 클러스터의 직경을 크게 제어하는 상기 프로필렌 카보네이트는 추후 탈이온수에 함침하는 공정을 통해서 제거되며, 최종적으로 제조되는 분리막에는 프로필렌 카보네이트가 포함되지 않아 레독스 흐름 전지의 전지 효율에 영향을 주지 않는다.The propylene carbonate, which controls the diameter of the hydrophilic ion clusters contained in the ion conductive resin 250, is removed through a process of impregnating the ion conductive resin 250 with deionized water. Finally, the separator to be finally prepared does not contain propylene carbonate, The cell efficiency of the flow cell is not affected.

상기 이온 전도성 수지 용액(210) 총 중량에 대한 상기 프로필렌 카보네이트의 함량은 1 내지 50중량%, 2 내지 40중량%, 5 내지 30중량%일 수 있다. 상기 프로필렌 카보네이트의 함량이 1중량% 미만이면 분리막의 내부 저항이 클 수 있으며, 50중량% 초과하면 전지효율을 저하시킬 수 있다.The content of the propylene carbonate may be 1 to 50% by weight, 2 to 40% by weight, and 5 to 30% by weight based on the total weight of the ion conductive resin solution 210. If the content of the propylene carbonate is less than 1% by weight, the internal resistance of the separator may be large, and if it exceeds 50% by weight, the battery efficiency may be reduced.

상기 이온 전도성 수지 용액(210)의 유기 용매는 n-메틸-2-피롤리돈(NMP), N,N-디메틸아세타미드(DMAc), 디프로필렌글리콜(DPG), 에틸렌글리콜(EG), 프로필렌글리콜(PG) 및 이소프로필알코올(IPA)로 구성되는 그룹으로부터 1종 이상 을 포함할 수 있다. The organic solvent of the ion conductive resin solution 210 may be selected from the group consisting of n-methyl-2-pyrrolidone (NMP), N, N-dimethylacetamide (DMAc), dipropylene glycol (DPG), ethylene glycol Propylene glycol (PG) and isopropyl alcohol (IPA).

한편, 상기 이온 전도성 수지 용액(210)은 실리카를 더 포함할 수 있으며, 이러한 실리카는 상기 일 실시예에 관하여 상술한 내용을 포함한다.On the other hand, the ion conductive resin solution 210 may further include silica, and the silica includes the above-mentioned contents in the embodiment.

상기 다른 실시예에 레독스 흐름 전지용 분리막 제조방법은 상기 이온 전도성 수지 용액(210)이 상기 기공(110) 내에 채워진 다공성 기재(100)를 건조하는 단계를 포함할 수 있다. In another embodiment of the present invention, a method for manufacturing a separator for a redox flow battery may include drying the porous substrate 100 in which the ion conductive resin solution 210 is filled in the pores 110.

상기 이 상기 기공(110) 내에 채워진 다공성 기재(100)를 건조하는 경우, 상기 기공 내의 유기 용매가 제거된다. 그 결과, 상기 다공성 기재의 기공 내에 이온 전도성 수지(250)와 프로필렌 카보네이트가 남을 수 있다. 한편, 다공성 기재의 상면 및 하면에 코팅층(230, 240)을 추가로 형성한 뒤 건조 공정을 수행하는 경우에는, 다공성 기재의 기공 내부뿐만 아니라 상면과 하면에 모두 이온 전도성 수지와 프로필렌 카보네이트가 남을 수 있다.When the porous substrate 100 filled in the pores 110 is dried, the organic solvent in the pores is removed. As a result, the ion conductive resin 250 and propylene carbonate may remain in the pores of the porous substrate. On the other hand, when the drying process is performed after the coating layers 230 and 240 are further formed on the upper and lower surfaces of the porous substrate, the ion conductive resin and propylene carbonate may remain in the pores of the porous substrate, have.

상기 건조는 50 내지 150℃에서 30분 내지 4시간 동안 이루어질 수 있다. 상기 건조가 50℃ 미만의 온도에서 이루어지거나 30분 미만의 시간 동안 이루어지는 경우 용매가 충분이 제거되지 않아 이온 전도성 수지의 물성에 영향을 줄 수 있으며, 150℃ 초과의 온도에서 이루어지거나 4 시간 초과의 시간 동안 이루어지는 경우 분리막에 변성이 생겨 전지 효율에 영향을 줄 수 있다.The drying may be performed at 50 to 150 DEG C for 30 minutes to 4 hours. If the drying takes place at a temperature of less than 50 ° C. or for a time of less than 30 minutes, the solvent may not be sufficiently removed, which may affect the physical properties of the ion conductive resin and may occur at temperatures above 150 ° C., For a period of time, denaturation may occur in the membrane, which may affect the cell efficiency.

상기 건조 단계 이후, 건조된 다공성 기재(100)를 탈이온수에 함침하여 상기 프로필렌 카보네이트를 제거할 수 있다. 이러한 함침 공정을 통해 다공성 기재의 기공(110) 내부 또는 다공성 기재의 일면에 포함된 프로필렌 카보네이트는 탈이온수에 용해되어 제거될 수 있다. 이로 인해, 상기 프로필렌 카보네이트로 인하여 직경이 커진 친수성 이온 클러스트는, 상기 프로필렌 카보네이트가 제거된 후에도 여전히 직경이 커진 상태로 유지되어, 분리막의 내부 저항을 낮출 수 있다.After the drying step, the dried porous substrate 100 may be impregnated with deionized water to remove the propylene carbonate. Through this impregnation process, the propylene carbonate contained in the pores 110 of the porous substrate or on one side of the porous substrate can be dissolved in deionized water and removed. As a result, the hydrophilic ion clusters having a larger diameter due to the propylene carbonate still remain in a state of increased diameter even after the propylene carbonate is removed, so that the internal resistance of the separation membrane can be lowered.

상기 다른 실시예에 따른 레독스 흐름 전지용 분리막 제조방법은, 상기 프로필렌 카보네이트가 제거된 다공성 기재(100)를 물, 황산 및 과산화수소로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 성분에 침지하는 후처리 단계를 더 포함할 수 있다. 이러한 후처리 공정은 25 내지 100℃에서 1 내지 10시간 동안 이루어질 수 있다.The method for producing a separator for a redox flow battery according to another embodiment further comprises a post-treatment step of immersing the porous substrate 100 from which the propylene carbonate has been removed in at least one selected from the group consisting of water, sulfuric acid and hydrogen peroxide . Such a post-treatment process may be carried out at 25 to 100 DEG C for 1 to 10 hours.

한편, 본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 분리막을 포함하는 레독스 흐름 전지가 제공될 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a redox flow cell including the separation membrane.

상기 레독스 스름 전지는 징크-브로민(zinc-bromine) 레독스 흐름 전지 또는 바나듐(vanadium) 레독스 흐름 전지일 수 있다.The redox-sulm cell may be a zinc-bromine redox flow cell or a vanadium redox flow cell.

상기 레독스 흐름 전지는 상기 분리막과 전극을 포함하는 단위 셀, 산화상태가 각각 다른 활물질이 저장된 탱크, 및 충전 및 방전시 상기 단위셀과 탱크 사이에서 활물질을 순환시키는 펌프를 포함할 수 있다.The redox flow battery may include a unit cell including the separator and the electrode, a tank storing different active materials having different oxidation states, and a pump circulating the active material between the unit cell and the tank at the time of charging and discharging.

상기 분리막에 관한 내용은 상기 일 실시예에 관하여 상술한 내용을 포함한다. The content of the separator includes the above-described contents of the embodiment.

본 발명에 따르면, 레독스 흐름 전지에서 높은 내구성, 낮은 내부 저항, 및 충전된 활물질의 낮은 크로스 오버의 특성으로 전지 효율을 향상시킬 수 있으며, 원가비용을 획기적으로 절감할 수 있는 레독스 흐름 전지의 분리막, 레독스 흐름 전지의 분리막의 제조 방법 및 레독스 흐름 전지가 제공될 수 있다. According to the present invention, there is provided a redox flow cell capable of improving battery efficiency due to high durability, low internal resistance, and low crossover characteristics of a charged active material in a redox flow battery, A separator, a method of manufacturing a separator of a redox flow cell, and a redox flow cell.

도 1은 실시예에 따른 레독스 흐름 전지용 분리막을 제조하는 방법을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 2은 실시예 1에 따른 레독스 흐름 전지용 분리막의 단면을 주사전자현미경으로 촬영한 사진이다.
도 3 은 실시예 1 및 비교예 1의 분리막의 성능을 확인하기 위하여 단전지의 모식도에 관한 도면이다.
도 4는 실시예 1 및 비교예 1의 분리막을 포함하는 단전지의 충방전 성능 평가 결과를 나타낸 그래프이다.
1 is a view schematically showing a method for producing a separator for a redox flow battery according to an embodiment.
2 is a photograph of a cross section of a separator for a redox flow battery according to Example 1, taken by a scanning electron microscope.
FIG. 3 is a schematic view of a single cell to confirm the performance of the separator of Example 1 and Comparative Example 1. FIG.
4 is a graph showing the charge / discharge performance evaluation results of a single cell including the separator of Example 1 and Comparative Example 1. Fig.

발명을 하기의 실시예에서 보다 상세하게 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다. The invention will be described in more detail in the following examples. However, the following examples are illustrative of the present invention, and the present invention is not limited by the following examples.

실시예 1Example 1

나피온(Nafion D520, 듀퐁사)을 이소프탈산(isophthalic acid; IPA)과 물에 약 5중량%로 용해시킨 후, 약 80℃의 온도에서 스프레이 건조하여, 나피온 입자를 수득하였다. 이와 같이 제조된 나피온 입자 10중량% 및 프로필렌 카보네이트 30중량%를 n-메틸-2-피롤리돈(NMP)에 용해시켜 이온 전도성 수지 용액을 제조하였다.Nafion (Nafion D520, DuPont) was dissolved in about 5% by weight of isophthalic acid (IPA) in water and spray-dried at a temperature of about 80 ° C to obtain Nafion particles. 10% by weight of Nafion particles and 30% by weight of propylene carbonate thus prepared were dissolved in n-methyl-2-pyrrolidone (NMP) to prepare an ion conductive resin solution.

14 내지 48nm의 입경을 갖는 다수의 기공을 포함하는 다공성 폴리프로필렌 필름(기공률: 60부피%, 두께: 20㎛)을 상기 이온 전도성 수지 용액에 약 5분 동안 함침시켰다. 이후, 이온 전도성 수지 용액이 함침된 다공성 폴리프로필렌 필름의 일면에 상기 전도성 수지 용액의 코팅층을 형성했다. 상기 코팅된 다공성 폴리프로필렌 필름을 60℃에서 2시간 동안 건조시켰다. 이러한 건조된 다공성 폴리프로필렌 필름을 탈이온수에 함침하여 프로필렌 카보네이트를 제거하여 최종적으로 레독스 흐름 전지용 분리막을 제조했다.A porous polypropylene film (porosity: 60% by volume, thickness: 20 탆) containing a plurality of pores having a particle diameter of 14 to 48 nm was impregnated in the ion conductive resin solution for about 5 minutes. Thereafter, a coating layer of the conductive resin solution was formed on one surface of the porous polypropylene film impregnated with the ion conductive resin solution. The coated porous polypropylene film was dried at 60 DEG C for 2 hours. The dried porous polypropylene film was impregnated with deionized water to remove propylene carbonate to finally prepare a redox flow battery separator.

비교예 1Comparative Example 1

SF-601(실리카를 포함하는 폴리에틸렌 다공성 분리막, 두께: 0.6 mm, 기공률: 50~60%)에 별도의 처리를 하지 않고 분리막으로 사용했다.The membrane was used as a separator without further treatment on SF-601 (polyethylene porous separator containing silica, thickness: 0.6 mm, porosity: 50 to 60%).

비교예 2Comparative Example 2

이온 전도성 수지 용액에 프로필렌 카보네이트 30중량% 대신 n-메틸-2-피롤리돈(NMP) 용매를 30중량% 사용했다는 점을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 레독스 흐름 전지용 분리막을 제조했다.A separator for a redox flow battery was prepared in the same manner as in Example 1 except that 30 wt% of n-methyl-2-pyrrolidone (NMP) solvent was used in place of 30 wt% of propylene carbonate in the ion conductive resin solution .

실험예1: 분리막의 단면 관찰Experimental Example 1: Cross section observation of membrane

실시예 1의 분리막의 단면을 주사전자현미경으로 촬영하여 도 2에 나타냈다. 도 2에 따르면, 나피온이 기공에 채워진 다공성 기재의 두께는 18㎛이고, 나피온으로 이루어진 코팅층의 두께는 3㎛인 것을 확인했다.The cross section of the separation membrane of Example 1 was photographed by scanning electron microscope and is shown in Fig. According to Fig. 2, it was confirmed that the thickness of the porous substrate filled with pores of Nafion was 18 mu m and the thickness of the coating layer made of nafion was 3 mu m.

실험예 2: 소각 X-선 산란(SAXS;Experimental Example 2: Incineration X-ray scattering (SAXS; Small angle x-ray scattering)에 의해 친수성 이온 클러스터의 직경 측정Diameter measurement of hydrophilic ion clusters by small angle x-ray scattering

실시예 1 및 비교예 2의 분리막을 SAXS(RIGAKU, D/MAX-2500)로 측정하여 분리막에 포함된 친수성 이온 클러스터의 직경을 구했다. 구체적으로, 실험 중 사용한 X-ray 빔의 파장(λ)은 1.5406nm였고, 산란패턴 결과를 분석하고, 분석 결과를 일반식 1 내지 4에 대입하고 계산하여 친구성 이온 클러스터의 직경( d c )을 구하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타냈다. Diameters of the hydrophilic ion clusters included in the separation membrane were determined by measuring the separation membranes of Example 1 and Comparative Example 2 with SAXS (RIGAKU, D / MAX-2500). Specifically, the wavelength (?) Of the X-ray beam used in the experiment was 1.5406 nm, the scattering pattern result was analyzed, and the analysis result was substituted into the general formulas 1 to 4 to calculate the diameter ( d c ) And the results are shown in Table 1 below.

[일반식1][Formula 1]

d c = (6 Vc /π)1/3 d c = (6 Vc /?) 1/3

상기 일반식1에서 Vc 는 하기 일반식2에 의하여 구해지는 입방격자의 부피(volume of cubic lattice)이고, In the above general formula (1), Vc is a volume of cubic lattice determined by the following general formula (2)

[일반식2][Formula 2]

Vc = V /(1 + Δ V )} d 3 + N P V P Vc = {Δ V / (1 + Δ V)} d 3 + N P V P

상기 일반식 2에서 d 는 하기 일반식 3에 의하여 구해지는 브레그 간격(Bragg spacing)이고, N P 는 이온 교환 자리의 개수(number of ion exchange site)이고, V P 는 이온 교환 자리의 부피(volume of ion exchange site)이고, Δ V 는 분리막의 수팽창(water swelling) 전후 부피의 변화량이고, D is the Bragg spacing determined by the following general formula 3, N P is the number of ion exchange sites, V P is the volume of the ion exchange site volume of ion exchange site), DELTA V is the volume change of the membrane before and after water swelling,

[일반식 3][Formula 3]

d (Bragg spacing) = 2π/q d (Bragg spacing) = 2? / q

상기 일반식 3에서 q는 하기 일반식4에 의하여 구해지는 산란 인자(scattering factor)이고, In Formula 3, q is a scattering factor determined by the following Formula 4,

[일반식4][Formula 4]

q = (4π/ λ)*sin (2θ/2) q = (4? /?) * sin (2? / 2)

상기 일반식4에서, λ는 X-선의 파장이고, θ는 산란각이다. In the general formula (4),? Is the wavelength of the X-ray and? Is the scattering angle.

한편, 상기 일반식2에서 N P 와 Δ V 는 각각 하기 일반식5 및 6에 의하여 구했다.In the formula 2, N P and Δ V are obtained by the following general formulas 5 and 6, respectively.

[일반식5][Formula 5]

N P = [N A ρ P / M eq (1 + Δ V ] d 3 N P = [N A ρ P / M eq (1 + Δ V] d 3

상기 일반식 5에서 N A 는 아보가드로의 수(Avogadro's number), M eq 는 화학당량(equivalent weight), ρ P 는 분리막의 밀도이고, Δ V 는 하기 일반식 6에 의해서 구해지는 분리막의 수팽창(water swelling) 전후 부피의 변화량이고,In Equation 5, N A is Avogadro's number, M eq is equivalent weight, ρ P is the density of the membrane, and Δ V is the number expansion of the membrane, water swelling) volume change,

[일반식6][Formula 6]

Δ V = ρ P Δm / ρ w Δ V = ρ P Δm / ρ w

상기 일반식 6에서 Δm은 분리막의 수팽창(water swelling) 전후 질량의 변화량이고, ρ w 은 물의 밀도이다.In Equation (6),? M is the change amount of the mass before and after the water swelling of the separator, and ? W is the density of water.

이온 클러스터의 직경 (nm)Diameter of ion cluster (nm) 실시예 1Example 1 6.096.09 비교예 2Comparative Example 2 4.754.75

상기 표 1에 따르면, 실시예 1의 이온 클러스터의 직경이 비교예 1의 이온 클러스터 직경 보다 크다는 점을 확인했다.According to Table 1, it was confirmed that the diameter of the ion clusters of Example 1 was larger than the diameter of the ion clusters of Comparative Example 1.

실험예 3: 충방전 성능 평가Experimental Example 3: Evaluation of charging / discharging performance

실시예 1 및 비교예 1의 분리막의 성능을 확인하기 위하여 단전지를 도 3과 같이 제작하였다. 상기 단전지는 분리막(60)에 대칭으로 전해액이 이동할 수 있도록 유로를 형성해주는 플로우 프레임(50), 전자를 이동시켜주는 전극(40), 단전지 형상 유지 및 지지대 역할을 하는 엔드 플레이트(30)로 구성되어 있다. 전해액 용기의 전해액은 펌프를 통하여 단전지로 공급되며, 충방전기(70)을 통해 전류를 가하여 충전 및 방전이 진행되도록 제작했다.In order to confirm the performance of the separator of Example 1 and Comparative Example 1, a unit cell was fabricated as shown in FIG. The unit cell includes a flow frame 50 for forming a flow path so that the electrolyte can move symmetrically to the separation membrane 60, an electrode 40 for moving electrons, an end plate 30 serving as a unit cell shape support and support Consists of. The electrolytic solution of the electrolytic solution container is supplied to a unit cell through a pump and charged and discharged by applying an electric current through a charge / discharge unit 70.

전해질 용기에 저장된 전해액은 ZnBr2(2.25M), ZnCl2(0.5M), Br2(5mL/L), 1-methyl-1-ethyl pyrrolidonium bromide(0.8M)을 포함하고, 이러한 전해액은 양극 및 음극 각각 30mL를 사용하며, 전해질 순환 펌프에서 공급되는 전해액 공급속도는 분당 70RPM의 속도로 공급했다.The electrolytic solution stored in the electrolyte container contains ZnBr 2 (2.25M), ZnCl 2 (0.5M), Br 2 (5mL / L) and 1-methyl-1-ethyl pyrrolidonium bromide Each of the cathodes was 30 mL, and the supply rate of the electrolyte supplied from the electrolytic circulation pump was 70 RPM per minute.

실시예 1 및 비교예 1의 분리막으로 제조된 단전지에 대하여, 충방전 1회 진행 후 1회 스트립핑을 1 Cycle로 설정하여, 에너지 효율, 전압 효율 및 전하량 효율을 측정하고, 그 결과를 하기 표2에 기재하였다. The single cells produced from the separators of Example 1 and Comparative Example 1 were subjected to one cycle of charging and discharging, one cycle of stripping was set to one cycle, and energy efficiency, voltage efficiency and charge efficiency were measured, Lt; tb >

이 때, 충방전기는 Wonatec 제품을 사용하였고, 상온 조건하에서 시스템 총 충전량 2.98Ah, 전해액 이용률 40%(SOC 40), 충전 20mA/㎠, 방전 20mA/㎠, 0.01V미만의 전압 조건으로 측정하였다.At this time, Wonatec product was used as a charge / discharge device. Under the room temperature condition, the total charge amount of the system was 2.98 Ah, the electrolyte utilization rate was 40% (SOC 40), the charge was 20 mA / cm 2 and the discharge was 20 mA / cm 2.

단위: %unit: % 에너지 효율Energy efficiency 전압 효율 Voltage efficiency 전하량 효율 Charge efficiency 실시예 1Example 1 80.380.3 86.986.9 92.592.5 비교예 1Comparative Example 1 73.473.4 83.183.1 88.388.3

도4는 본 발명의 실시예에 따른 충방전 성능 평가 결과를 나타낸 것으로서, 상기 표 2에서도 볼 수 있는 바와 같이, 실시예 1의 분리막을 포함하는 단전지는 비교예 1의 분리막을 포함하는 단전지에 비하여 에너지 효율, 전압 효율 및 전하량 효율이 현저히 우수함을 확인했다.4 is a graph showing the results of the charge and discharge performance evaluation according to the embodiment of the present invention. As can be seen from Table 2, the unit cell including the separator of Example 1 includes the separator of Comparative Example 1 It was confirmed that energy efficiency, voltage efficiency and charge efficiency were significantly better than those of the conventional method.

30: 엔드 플레이트
40: 전극
50: 플로우 프레임
60: 분리막
70: 충방전기
100: 다공성 기재
110: 기공
210: 이온 전도성 수지 용액
230, 240: 코팅층
250: 이온 전도성 수지
30: End plate
40: electrode
50: Flow frame
60: membrane
70: charge / discharge unit
100: Porous substrate
110: Groundwork
210: ion conductive resin solution
230, 240: Coating layer
250: ion conductive resin

Claims (19)

다공성 기재; 및
상기 다공성 기재의 기공 내에 채워진 이온 전도성 수지를 포함하며,
상기 이온 전도성 수지는 친수성 이온 클러스터(cluster)를 포함하는, 레독스 흐름 전지용 분리막.
A porous substrate; And
And an ion conductive resin filled in the pores of the porous substrate,
Wherein the ion conductive resin comprises a hydrophilic ion cluster.
제1항에 있어서,
상기 친수성 이온 클러스터는, 소각 X-선 산란(SAXS; Small-angle X-ray scattering)으로 측정하여 얻어지는 친수성 이온 클러스터의 직경이 5.5 내지 7nm인, 레독스 흐름 전지용 분리막.
The method according to claim 1,
Wherein the hydrophilic ion cluster has a hydrophilic ion cluster diameter of 5.5 to 7 nm as measured by small-angle X-ray scattering (SAXS).
제1항에 있어서,
상기 소각 X-선 산란(SAXS; Small-angle X-ray scattering)으로 측정하여 얻어지는 하기 일반식1에 따른 상기 친수성 이온 클러스터의 직경( d c )이 5.5 내지 7nm인, 레독스 흐름 전지용 분리막:
[일반식1]
d c = (6 Vc /π)1/3
상기 일반식1에서 Vc 는 하기 일반식2에 의하여 구해지는 입방격자의 부피(volume of cubic lattice)이고,
[일반식2]
Vc = V /(1 + Δ V )} d 3 + N P V P
상기 일반식 2에서 d 는 하기 일반식 3에 의하여 구해지는 브레그 간격(Bragg spacing)이고, N P 는 이온 교환 자리의 개수(number of ion exchange site)이고, V P 는 이온 교환 자리의 부피(volume of ion exchange site)이고, Δ V 는 분리막의 수팽창(water swelling) 전후 부피의 변화량이고,
[일반식 3]
d (Bragg spacing) = 2π/q
상기 일반식 3에서 q는 하기 일반식4에 의하여 구해지는 산란 인자(scattering factor)이고,
[일반식4]
q = (4π/ λ)*sin (2θ/2)
상기 일반식4에서, λ는 X-선의 파장이고, θ는 산란각이다.
The method according to claim 1,
Wherein the hydrophilic ion clusters have a diameter ( d c ) of 5.5 to 7 nm according to the following general formula (1), which is obtained by the measurement by small-angle X-ray scattering (SAXS)
[Formula 1]
d c = (6 Vc /?) 1/3
In the above general formula (1), Vc is a volume of cubic lattice determined by the following general formula (2)
[Formula 2]
Vc = {Δ V / (1 + Δ V)} d 3 + N P V P
D is the Bragg spacing determined by the following general formula 3, N P is the number of ion exchange sites, V P is the volume of the ion exchange site volume of ion exchange site), DELTA V is the volume change of the membrane before and after water swelling,
[Formula 3]
d (Bragg spacing) = 2? / q
In Formula 3, q is a scattering factor determined by the following Formula 4,
[Formula 4]
q = (4? /?) * sin (2? / 2)
In the general formula (4),? Is the wavelength of the X-ray and? Is the scattering angle.
제1항에 있어서,
상기 다공성 기재의 적어도 일면에 위치하는 코팅층을 더 포함하며,
상기 코팅층은 이온 전도성 수지를 포함하는, 레독스 흐름 전지용 분리막.
The method according to claim 1,
And a coating layer disposed on at least one side of the porous substrate,
Wherein the coating layer comprises an ion conductive resin.
제4항에 있어서,
상기 코팅층 및 다공성 기재의 두께비는 1: 3 내지 300인, 레독스 흐름 전지용 분리막.
5. The method of claim 4,
Wherein the coating layer and the porous substrate have a thickness ratio of 1: 3 to 300.
제1항에 있어서,
상기 다공성 기재는 평균 기공율이 30 내지 70부피%이고,
상기 다공성 기재는 기공이 평균 입경이 10 내지 200nm인, 레독스 흐름 전지용 분리막.
The method according to claim 1,
The porous substrate has an average porosity of 30 to 70% by volume,
Wherein the porous substrate has pores having an average particle size of 10 to 200 nm.
제1항에 있어서,
상기 다공성 기재는 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오르에틸렌, 폴리비닐리덴플로라이드, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리벤즈 옥사졸, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌, 폴리술폰 및 폴리에테르술폰으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는, 레독스 흐름 전지용 분리막.
The method according to claim 1,
The porous substrate includes at least one selected from the group consisting of polypropylene, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyamide, polyimide, polybenzoxazole, polyethylene terephthalate, polyethylene, polysulfone and polyether sulfone Separator for redox flow battery.
제1항에 있어서,
상기 이온 전도성 수지는 술폰화 테트라플루오로에틸렌계 고분자(sulfonated tetrafluoroethylene-based polymer), 술폰화 폴리이미드(sulfonated polyimide, sPI), 술폰화 폴리아릴렌에테르술폰(sulfonated poly(arylene ether sulfone), sPAES), 술폰화 폴리에테르에테르케톤(sulfonated polyetheretherketone, sPEEK), 술폰화 폴리에테르케톤(sulfonated polyetherketone, sPEK), 폴리비닐리덴 플로라이드-그라프트-폴리스티렌 술폰산(poly(vinylidene fluoride)-graft-poly(styrene sulfonic acid), PVDF-g-PSSA) 및 술폰화 폴리플루오레닐 에테르케톤(sulfonated poly(fluorenyl ether ketone))으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는, 레독스 흐름 전지용 분리막.
The method according to claim 1,
The ion conductive resin may be at least one selected from the group consisting of a sulfonated tetrafluoroethylene-based polymer, a sulfonated polyimide (sPI), a sulfonated poly (arylene ether sulfone), sPAES, , Sulfonated polyetheretherketone (sPEEK), sulfonated polyetherketone (sPEK), polyvinylidene fluoride-graft-poly (styrene sulfonic acid, PVDF-g-PSSA, and sulfonated poly (fluorenyl ether ketone).
제8항에 있어서,
상기 술폰화 테트라플루오로에틸렌계 고분자는 나피온(Nafion®, Dupont), 아퀴비온(Aquivion®, Solvay), 플레미온(FlemionTM, AGC chemicals company), 또는 아시플렉스(AciplexTM, Asahi Kasei)인, 레독스 흐름 전지용 분리막.
9. The method of claim 8,
The sulfonated tetrafluoroethylene-based polymer may be selected from the group consisting of Nafion ® , Dupont, Aquivion ® , Solvay, Flemion , AGC chemicals company, or Aciplex (Asahi Kasei) , Separator for redox flow battery.
제1항에 있어서,
상기 이온 전도성 수지는 함량이, 분리막 총 중량에 있어서, 20 내지 70중량%인, 레독스 흐름 전지용 분리막.
The method according to claim 1,
Wherein the ion conductive resin is contained in an amount of 20 to 70% by weight based on the total weight of the separator.
제1항에 있어서,
상기 다공성 기재의 기공에 채워진 실리카를 더 포함하는, 레독스 흐름 전지용 분리막.
The method according to claim 1,
Further comprising silica filled in the pores of the porous substrate.
제11항에 있어서,
상기 실리카는 습식 실리카, 건식 실리카 또는 이들의 혼합물이고,
상기 습식 실리카는 평균 입경이 100 내지 200nm이고,
상기 건식 실리카는 평균 입경이 4 내지 30nm인, 레독스 흐름 전지용 분리막.
12. The method of claim 11,
The silica is wet silica, dry silica or mixtures thereof,
The wet silica has an average particle diameter of 100 to 200 nm,
Wherein the dry silica has an average particle diameter of 4 to 30 nm.
다공성 기재의 기공 내에 이온 전도성 수지, 프로필렌 카보네이트 및 유기 용매를 포함하는 이온 전도성 수지 용액을 채우는 단계;
상기 이온 전도성 수지 용액이 상기 기공 내에 채워진 다공성 기재를 건조하는 단계; 및
상기 건조된 다공성 기재를 탈이온수에 함침하여 상기 프로필렌 카보네이트를 제거하는 단계를 포함하는, 레독스 흐름 전지용 분리막 제조방법.
Filling an ion conductive resin solution containing an ion conductive resin, propylene carbonate and an organic solvent in the pores of the porous substrate;
Drying the porous substrate filled with the ion conductive resin solution in the pores; And
And impregnating the dried porous substrate with deionized water to remove the propylene carbonate.
제13항에 있어서,
상기 이온 전도성 수지는 함량이, 이온 전도성 수지 용액 총 중량에 대하여, 2 내지 20중량%이고,
상기 프로필렌 카보네이트는 함량이, 이온 전도성 수지 용액 총 중량에 대하여, 1 내지 50중량%인, 레독스 흐름 전지용 분리막 제조방법.
14. The method of claim 13,
The content of the ion conductive resin is 2 to 20% by weight based on the total weight of the ion conductive resin solution,
Wherein the content of the propylene carbonate is 1 to 50% by weight based on the total weight of the ion conductive resin solution.
제13항에 있어서,
상기 이온 전도성 수지 용액은 실리카를 더 포함하는, 레독스 흐름 전지용 분리막 제조방법.
14. The method of claim 13,
Wherein the ion conductive resin solution further comprises silica.
제13항에 있어서,
상기 유기 용매는 n-메틸-2-피롤리돈(NMP), N,N-디메틸아세타미드(DMAc), 디프로필렌글리콜(DPG), 에틸렌글리콜(EG), 프로필렌글리콜(PG) 및 이소프로필알코올(IPA)로 구성되는 그룹으로부터 1종 이상을 포함하는, 레독스 흐름 전지용 분리막의 제조 방법.
14. The method of claim 13,
The organic solvent is selected from the group consisting of n-methyl-2-pyrrolidone (NMP), N, N-dimethylacetamide (DMAc), dipropylene glycol (DPG), ethylene glycol (EG), propylene glycol Alcohol (IPA). ≪ RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI >
제13항에 있어서,
상기 이온 전도성 수지 용액이 상기 기공 내에 채워진 다공성 기재의 적어도 일면에 상기 이온 전도성 수지 용액을 코팅하여 코팅층을 형성하는 단계를 더 포함하는, 레독스 흐름 전지용 분리막의 제조 방법.
14. The method of claim 13,
Further comprising coating the ion conductive resin solution on at least one surface of the porous substrate filled with the ion conductive resin solution to form a coating layer.
제13항에 있어서,
상기 프로필렌 카보네이트가 제거된 다공성 기재를 물, 황산 및 과산화수소로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 용액에 침지하는 후처리 단계를 더 포함하는, 레독스 흐름 전지용 분리막 제조방법.
14. The method of claim 13,
Further comprising a post-treatment step of immersing the porous substrate from which the propylene carbonate has been removed in a solution containing at least one selected from the group consisting of water, sulfuric acid and hydrogen peroxide.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항의 분리막을 포함하는, 레독스 흐름 전지.12. A redox flow cell comprising the separator of any one of claims 1 to 12.
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