KR20190088161A

KR20190088161A - 2종의 유기성 활물질을 복합적으로 적용한 전지용 전해액

Info

Publication number: KR20190088161A
Application number: KR1020180006340A
Authority: KR
Inventors: 이승환
Original assignee: 이에쓰씨 주식회사
Priority date: 2018-01-18
Filing date: 2018-01-18
Publication date: 2019-07-26

Abstract

본 발명은 2종의 유기성 활물질을 수계지지 전해질과 사용했을 때 전기적으로 안정하고 경제성이 높은 전지용 전해액에 관한 것이다.
본 발명을 이용한 전해액은 전지의 용량을 증가시키고 고에너지 밀도를 가질수 있는 레독스 흐름전지, 연료전지 및 각종 전자기기에 응용될 수 있다.

Description

2종의 유기성 활물질을 복합적으로 적용한 전지용 전해액{Electrolyte based on the composition of 2 organic redox couples for RFB}

본 발명은 2종의 유기성 활물질을 수계지지 전해질과 사용했을 때 전기적으로 안정하고 경제성이 높은 전지용 전해액에 관한 것이다.

현재 사용되고 있는 레독스 흐름 전지의 활물질은 바나듐계 혹은 아연-브롬계로 모두 금속성 활물질로 이루어져 있고, 다름 전지와는 다르게 활물질이 고체 상태가 아닌 수용액 상태의 이온으로 존재하며 양극과 음극에서 각 이온들이 산화, 환원반응에 의해 전기 에너지를 화학적으로 저장 및 발생할 수 있는 구조를 가진다. 전지의 기전력은 양극 전해액과 음극 전해액을 구성하는 레독스 커플의 표준 전극 전위의 차이에 의해 결정된다.

기존의 전이금속계 활물질은 제한된 전압, 낮은 에너지 밀도, 금속의 석출 및 유독가스의 발생등의 문제를 안고 있어서 이를 해결하기 위한 연구가 진행되고 있다.

유기성 활물질도 높은 에너지 밀도와 높은 산화, 환원 반응성으로 전이 금소계 활물질을 대체할 수 있는 방안으로 연구되고 있으나 상대적으로 낮은 개방전압으로 활물질로서의 사용에 제한을 받고 있다.

[문헌1] US 20130266836 A1 [문헌2] KR 10-1686127

[문헌1] High-Performance Aqueous Organic Flow Battery with Quinone Based Redox Couples at Both Electrodes, ESC, May 10, 2016 [문헌2] An Inexpensive Aqueous Flow Battery for Large Scale Electrical Energy Storage Based on Water-Soluble Organic Redox Couples, Journal of The Electrochemical Society

본 발명은 기존 레독스 흐름 전지에 사용되는 전이 금속계 활물질을 대체 할 수 있는 2종의 유기성 활물질을 복합적으로 이용하여 전기화학적으로 안정하고 경제성이 높으며, 높은 전류밀도와 Cell전압을 갖는 복합성 전해액을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 양극 전해액과 음극 전해액의 전기 화학적인 가역반응으로 충전과 방전이 가능한 특정한 유기성 활물질을 이용한 것을 특징으로 한다.

양극과 음극에 사용되는 활물질은 수계지지 전해질로 1mole 황산수용액에 용해시켜 사용한다.

양극 활물질로 전기화학적으로 가역반응이 가능한 치환기를 가지는 2mole 1,2-Dihydroxybenzene-3,5-Disulfonic Acid Disodium Salt Monohydrate를 1mole 황산수용액에 용해시킨 것을 사용하는 것을 특징으로 한다.

음극 활물질로 1mole 황산수용액에 0.5mole 9,10-Andraquinone-2-Sulfonic Acid Sodium Salt Hydrate와 0.5mole (+)-10-Camphorsulfonic Acid을 용해시킨 것을 사용하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 유기성 전해질을 사용하여 전이 금속계 활물질의 문제점을 극복하고 고전압 및 고에너지 밀도의 레독스 커플 시스템을 구현할 수 있다.

음극 활물질을 복합적으로 사용함으로써 단위 Cell당 전압을 2.38 Volt까지 구현할 수 있고 충-방전 전류는 100mA/Cm2 이상이며, 이로 인하여 레독스 흐름전지의 전체 시스템 효율을 87%이상으로 구현할 수 있다.

도1은 충방전곡선이다.

본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

지지 전해질은 1.0mole 황산수용액을 사용한다.

일반적으로 25℃하에서 Na+이온을 제거하지 않으면 양극 활물질은 최대 1mole까지 1mole황산수용액에 용해가 가능하고 같은 조건하에서 음극 활물질은 최대 0.3mole까지 용해가 가능하다.

본 발명에서는 활물질의 용해도를 증가시키기 위해서 1.0mole 황산수용액에 활물질을 용해시킨 후 양이온 교환수지 필터를 통과시켜 Na+이온을 제거한다. 필터를 통과한 활물질은 양극 활물질은 2mole까지, 음극활물질은 1mole까지 그 용해도를 높일 수 있다.

전해 활물질의 용해도를 높이는 다른 방법은 음극 활물질의 경우 50%충전이 완료된 상태에서 충전율 10%증가시 마다, 0.1mole씩 활물질을 추가호 용해시켜 최대 1mole까지 활물질의 용해도를 증가시킬 수 있다. 양극 활물질의 경우 활물질의 추가만으로는 용해도를 증가시킬 수 없고, 50ml/mole.liter의 비율로 1mole 황산수용액, 지지 전해질을 추가하면, 용해도를 2mloe까지 증가시킬 수 있다. 더불어 활물질의 분자구조를 변화시켜 충전시간을 1/3이하로 줄일 수 있다.

Anthraquinone의 Specific Capacity는 200Ah/Kg에서 500Ah/Kg까지로 매우 높으나, 양극 활물질로 2mole 1,2-Dihydroxybenzene-3,5-Disulfonic Acid Disodium Salt Monohydrate와 음극 활물질로 1.0 mole 9,10-Anthraquinone-2-Sulfonic Acid Sodium Salt Hydrate만을 사용했을때 단위 Cell 전압은 최대 1.0 Volt을 얻을 수 있다.

음극 활물질로 0.5mole 9,10-Anthraquinone-2-Sulfonic Acid Sodium Salt Hydrate와 0.5mole (+)-10-Camphorsulfonic Acid을 복합적으로 사용함으로써 단위 Cell 전압을 최대 2.38 Volt까지 높일 수 있다.

양극 활물질의 반응식은 다음과 같다.

: C6H4NA2O8S2*H2O + 2e+ 2H+ ↔ C6H6NA2O8S2*H20, E°= +0.85 Volt

음극 활물질의 반응식은 다음과 같다.

: C10H16O4S + 2e- + 2H+ ↔ C10H18O4S, E°= -1.34 Volt

: C14H7NAO5S*H2O + 2e- + 2H+ ↔ C14H9NAO5S*H2O, E°= -0.19 Volt

본 발명에 따른 레독스 흐름 전지용 전해액을 이용하여 전지의 용량을 증가시키고, 고전압과 고전류을 유도할 수 있어서 궁극적으로 고에너지 밀도를 가질수 있는 레독스 흐름전지, 연료전지 및 각종 전자기기에 응용할 수 있다.

Claims

음극 활물질로 전기화학적 가역반응이 가능한 치환기를 가지는 0.5mole 9,10-Anthraquinone-2-Sulfonic Acid Sodium Salt Hydrate와 0.5mole (+)-10-Camphorsulfonic Acid을 복합적으로 적용한 레독스 흐름 전지용 전해액의 제조방법.
충전중 음극 활물질의 부분 첨가와 양극 활물질에 지지 전해질의 부분 첨가를 통한 양극과 음극 활물질의 용해도를 증가시키는 방법.