KR20200058081A - 아연-브롬 레독스 흐름 전지용 전해액 및 이를 포함하는 아연-브롬 레독스 흐름 전지 - Google Patents

아연-브롬 레독스 흐름 전지용 전해액 및 이를 포함하는 아연-브롬 레독스 흐름 전지 Download PDF

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KR20200058081A
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조화연
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Abstract

본 발명은 아연/브롬(Zn/Br) 레독스 커플; 및 유로퓸 이온(Eu3+)을 포함하는 아연-브롬 레독스 흐름 전지용 전해액, 및 이를 포함하는 아연-브롬 레독스 흐름 전지에 관한 것이다.

Description

아연-브롬 레독스 흐름 전지용 전해액 및 이를 포함하는 아연-브롬 레독스 흐름 전지{ELECTROLYTE FOR ZINC-BROMINE REDOX FLOW BATTERY AND ZINC-BROMINE REDOX FLOW BATTERY COMPRISING THE SAME}
본 발명은 아연-브롬 레독스 흐름 전지용 전해액 및 이를 포함하는 아연-브롬 레독스 흐름 전지에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 아연-브롬 레독스 흐름 전지의 구동 시 발생되는 아연 덴드라이트의 형성을 억제할 수 있는 전해액 및 이를 포함하는 아연-브롬 레독스 흐름 전지에 관한 것이다.
레독스 흐름 전지는 전해액에 포함된 이온의 산화/환원 반응을 통해 전기 에너지를 충전 또는 방전하는 전기화학적 축전 장치이다. 레독스 흐름 전지는 산화/환원 반응을 일으키는 활물질을 포함하는 전해액이 전극과 저장 탱크 사이를 순환하며 충방전이 진행된다. 일반적으로, 레독스 흐름 전지는 전해액이 저장된 전해액 탱크와 전해액을 순환시키는 펌프, 그리고 분리막으로 분획되는 단위셀을 포함하며, 상기 단위셀은 전극, 전해액, 집전체 및 분리막을 포함한다. 나아가, 레독스 흐름 전지의 애노드 전해액과 캐소드 전해액은 전해질 막에 의해 분리되어 있으며, 이를 중심으로 양쪽에 존재하는 이온의 농도차에 의해 확산 현상이 발생한다.
아연-브롬 레독스 흐름 전지는 아연/브롬(Zn/Br)을 레독스 커플(Redox-Couple)로 사용하는 레독스 흐름 전지이다. 이와 같은 아연-브롬 레독스 흐름 전지의 충전 시, 캐소드에서는 하기 식 1과 같은 화학 반응으로 브롬이 생성되고, 애노드에서는 하기 식 2와 같은 화학 반응으로 아연 금속층이 애노드 표면에 형성된다.
(식 1) 2Br- → Br2 (l)＋2e-
(식 2) Zn2+ + 2e- → Zn (s)
상기 애노드 전해액에 포함된 아연이 애노드 표면에 아연 금속층으로 형성되는 과정에서 애노드 표면에 아연 금속층이 균일하게 형성되지 않게 되면, 전해액의 pH 증가, 전지의 효율 감소 및 전지의 단락을 유발할 수 있으며, 아연 덴드라이트(Zn dendrite)가 과량으로 생성될 수 있다. 아연 덴드라이트가 자나치게 성장하게 되면 분리막에 손상을 가하게 될 수 있으며, 이는 아연-브롬 레독스 흐름 전지에 치명적인 문제가 될 수 있다. 그러므로, 아연-브롬 레독스 흐름 전지의 구동 시 발생되는 아연 덴드라이트의 생성을 효과적으로 억제하고, 애노드에 균일한 아연 금속층이 형성되도록 하기 위한 연구가 필요하다.
일본 공개 특허 공보 2012-009448
본 발명은 아연-브롬 레독스 흐름 전지의 구동 중 발생하는 아연 덴드라이트의 성장을 억제하고, 안정적으로 아연 금속층이 애노드에 형성될 수 있도록 하기 위한 아연-브롬 레독스 흐름 전지용 전해액 및 이를 포함하는 아연-브롬 레독스 흐름 전지를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시상태는, 아연/브롬(Zn/Br) 레독스 커플; 및 유로퓸 이온(Eu3+)을 포함하는, 아연-브롬 레독스 흐름 전지용 전해액을 제공한다.
본 발명의 다른 실시상태는, 상기 전해액을 포함하는 아연-브롬 레독스 흐름 전지를 제공한다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 아연-브롬 레독스 흐름 전지용 전해액은 아연-브롬 레독스 흐름 전지의 구동 시 발생하는 아연 덴드라이트의 성장을 억제하고, 애노드 표면에에 형성되는 아연 금속층이 균일하게 형성하도록 유도하여, 충전 시 생성되는 Zn(s)의 수율을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시상태에 따른 아연-브롬 레독스 흐름 전지용 전해액은 아연-브롬 레독스 흐름 전지의 높은 에너지 효율, 전하량 효율을 구현할 수 있는 장점이 있다. 나아가, 본 발명의 일 실시상태에 따른 아연-브롬 레독스 흐름 전지용 전해액은 고전류 밀도 및 고온의 작동 조건에서도 안정적으로 전지를 구동할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전해액을 적용한 아연-브롬 레독스 흐름 전지의 전극 표면에서 아연 금속층이 형성되는 과정을 나타낸 개념도이다.
도 2는 일반적인 아연-브롬 레독스 흐름 전지의 개념도를 도시한 것이다.
도 3은 비교예에 따른 아연-브롬 레독스 흐름 전지의 충전 시, 애노드 표면에 형성된 아연 금속층 표면의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지를 나타낸 것이다.
도 4는 실시예 1에 따른 아연-브롬 레독스 흐름 전지의 충전 시, 애노드 표면에 형성된 아연 금속층 표면의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지를 나타낸 것이다.
도 5는 실시예 1 및 비교예에서의 애노드 표면에 형성되는 아연 금속층에 대한 X선 회절 분석(XRD) 결과를 나타낸 것이다.
본 명세서에서 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명자들은 아연-브롬 레독스 흐름 전지용 전해액에 유로퓸 이온이 첨가되는 경우, 아연-브롬 레독스 흐름 전지의 충전 시 발생되는 아연 덴드라이트의 성장이 억제되고, 애노드 표면에 균일한 아연 금속층이 형성되는 것을 확인하여, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 일 실시상태는, 아연/브롬(Zn/Br) 레독스 커플; 및 유로퓸 이온(Eu3+)을 포함하는, 아연-브롬 레독스 흐름 전지용 전해액을 제공한다.
본 발명에 따른 아연-브롬 레독스 흐름 전지용 전해액 내의 유로퓸 이온은 애노드 전극에 형성된 아연 덴드라이트 표면에 달라붙게 되고, 이에 따라 아연 이온은 아연 덴드라이트 표면에서 증착(또는 석출)되기 보다는 평평한 아연 금속층 혹은 애노드 표면 상에서 증착(또는 석출)하게 된다. 이를 통하여, 이와 같이 형성되는 아연 금속층은 덴드라이트의 과도한 성장을 억제할 수 있으며, 판상 형태로 형성될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전해액을 적용한 아연-브롬 레독스 흐름 전지의 전극 표면에서 아연 금속층이 형성되는 과정을 나타낸 개념도이다. 구체적으로, 도 1에 따르면, 아연-브롬 레독스 흐름 전지의 충전 시 아연 금속층의 일부 영역은 덴드라이트 형태로 형성된다. 그리고, 생성된 아연 덴드라이트 표면에 유로퓸 이온이 달라붙게 되어, 덴드라이트가 추가적으로 성장하는 것이 억제되며, 균일한 표면을 가지는 아연 금속층이 형성된다.
이와 같이, 본 발명에 따른 아연-브롬 레독스 흐름 전지용 전해액을 사용하는 경우, 애노드 표면에 균일하게 아연 금속층이 형성되게 하여 충전 시 생성되는 Zn(s)의 수율을 높여, 아연-브롬 레독스 흐름 전지의 전지 효율을 향상시킬 수 있다.
나아가, 본 발명에 따른 아연-브롬 레독스 흐름 전지용 전해액을 사용하는 경우, 분리막을 손상시킬 수 있는 아연 덴드라이트의 형성이 억제되므로, 아연 금속층을 벗겨내는 스트리핑 작업 횟수를 줄일 수 있는 장점이 있다. 이를 통하여, 보다 효율적으로 아연-브롬 레독스 흐름 전지를 운영할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 유로퓸 이온의 농도는 아연 이온의 농도보다 작을 수 있다. 아연-브롬 레독스 흐름 전지용 전해액 내에서 상기 유로퓸 이온의 농도가 아연 이온의 농도보다 높은 경우, 유로퓸 이온이 아연 덴드라이트 표면이 아닌 평평한 아연 금속층 상에 분포하게 되어 불균일한 아연 금속층이 형성되는 문제점이 발생할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 유로퓸 이온을 공급하기 위하여 상기 전해액에 첨가되는 유로퓸 첨가제는 EuCl3, EuBr3, Eu(NO3)3, 및 Eu(CH3CO2)3 중 선택되는 적어도 1 종일 수 있다. 구체적으로, 상기 아연-브롬 레독스 흐름 전지용 전해액은 상기 유로퓸 첨가제를 포함할 수 있으며, 상기 유로퓸 첨가제가 상기 전해액 내에 해리되어 유로퓸 이온이 상기 전해액에 공급될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 유로퓸 이온의 농도는 0.01 M 이상 1.0 M 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 유로퓸 이온의 농도는 0.01 M 이상 0.5 M 이하, 0.01 M 이상 0.2 M 이하, 0.01 M 이상 0.1 M 이하, 0.01 M 이상 0.05 M 이하, 또는 0.01 M 이상 0.03 M 이하일 수 있다. 상기 전해액 내에서 상기 유로품 이온의 농도가 상기 범위로 조절되는 경우, 충전 시 애노드 표면 상에 형성되는 아연 덴드라이트의 형성이 효과적으로 억제되고, 애노드 표면 상에 형성되는 아연의 양을 높일 수 있다. 이에 따라, 아연-브롬 레독스 흐름 전지의 전지 효율, 구체적으로 전하량 효율을 향상시킬 수 있으며, 고전류 밀도 및 고온의 작동 조건에서도 안정적으로 전지의 구동을 가능하게 할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 아연-브롬 레독스 흐름 전지용 전해액은 용매를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 용매는 수계 용매, 비수계 용매 또는 이들의 혼합 용매일 수 있다. 구체적으로, 상기 용매는 물일 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 당 업계에 알려져 있는 용매를 적용할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 아연/브롬(Zn/Br) 레독스 커플의 농도는 1.8 M 이상 3.0 M 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 아연/브롬(Zn/Br) 레독스 커플의 농도는 2.0 M 이상 2.5 M 이하일 수 있다. 상기 아연/브롬(Zn/Br) 레독스 커플의 농도가 상기 범위 내인 경우, 아연-브롬 레독스 흐름 전지의 이온 불균형을 최소화하여, 전극 표면으로의 이온 공급을 원활하게 할 수 있다. 또한, 상기 아연/브롬(Zn/Br) 레독스 커플의 농도가 상기 범위 내인 경우, 상기 전해액의 점도 및 전기 전도도를 적절하게 유지시켜 아연-브롬 레독스 흐름 전지의 성능 저하를 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 전해액은 ZnBr2을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 전해액은 수용액 상태의 ZnBr2를 포함할 수 있으며, 이는 전해액 내의 아연/브롬 레독스 커플을 제공할 수 있다. 나아가, 상기 전해액의 성능을 향상시키기 위하여, 상기 전해액은 ZnCl2 및/또는 순수 브롬(Br2)을 더 포함할 수 있다.
상기 아연-브롬 레독스 흐름 전지용 전해액은 충전 시 생성된 브롬의 크로스 오버를 방지하기 위하여, 착제를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 착제는 탄소수 1 내지 10의 알킬기가 1 이상 치환된 피리디니윰 브로마이드(pyridinium Bromide); 탄소수 1 내지 10의 알킬기가 1 이상 치환된 이미다졸리움 브로마이드(Imidazolium Bromide); 및 1-에틸-1-메틸 피롤리디늄 브로마이드(1-Ethyl-1-methylpyrrolidinium bromide);로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
예를 들어, 착제로서 1-에틸-1-메틸 피롤리디늄 브로마이드(MEP-Br)가 전해액에 포함되는 경우, 하기 반응식과 같이 폴리브로마이드를 형성하며 생성되는 브롬 가스를 안정적으로 포집하여 전해액 내에 저장시킬 수 있다.
- MEP-Br + Br2 → MEP+·Br3 -
- MEP-Br + 2Br2 → MEP+·Br5 -
- MEP-Br + 3Br2 → MEP+·Br7 -
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 착제의 농도는 0.1 M 이상 2.0 M 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 착제의 농도는 0.5 M 이상 1.5 M 이하, 또는 0.6 M 이상 1.0 M 이하일 수 있다. 상기 착제의 농도가 상기 범위 내인 경우, 전해액 내에서 발생하는 브롬 가스를 효과적으로 포집하여 전해액 내에 활물질의 농도 감소를 방지하고, 전해액의 전기 전도도를 적절하게 유지시켜, 전지의 효율 향상을 도울 수 있다. 나아가, 착제의 농도가 상기 범위 내인 경우, 애노드 측으로의 브롬 크로스 오버를 효과적으로 방지하여 자가 방전의 발생을 억제할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 아연-브롬 레독스 흐름 전지용 전해액은 계면활성제, 도전제와 같은 추가의 첨가제를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 도전제는 상기 전해액의 전도도를 향상시키기 위한 역할을 수행할 수 있으며, 염화 칼륨 및 염화 암모늄 등의 염을 사용할 수 있다.
상기 아연-브롬 레독스 흐름 전지용 전해액은 애노드 탱크 및 캐소드 탱크에 저장된 후, 각각 펌프를 통하여 분리막으로 격리된 애노드 측 및 캐소드 측으로 공급될 수 있다. 아연-브롬 레독스 흐름 전지의 충방전에 따라 애노드 탱크에 저장되는 애노드 전해액 및 캐소드 탱크에 저장되는 캐소드 전해액의 이온 농도는 변화하게 될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 아연-브롬 레독스 흐름 전지용 전해액은 애노드 전해액일 수 있다. 구체적으로, 상기 유로퓸 이온을 공급하기 위한 유로퓸 첨가제는 애노드 탱크에 저장되는 애노드 전해액에 첨가될 수 있다.
본 발명의 다른 실시상태는, 상기 전해액을 포함하는 아연-브롬 레독스 흐름 전지를 제공한다. 상기 아연-브롬 레독스 흐름 전지는 전술한 전해액을 적용하는 것 외에, 당 업계에 알려진 구조 및 구성을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 아연-브롬 레독스 흐름 전지는 분리막과 전극을 포함하는 단위 셀; 전해액이 저장된 탱크; 및 상기 단위셀과 탱크 사이에서 전해액을 순환시키는 펌프;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 아연-브롬 레독스 흐름 전지는 상기 단위 셀을 1 이상 포함하는 모듈을 포함할 수 있다. 나아가, 상기 아연-브롬 레독스 흐름 전지는 플로우 프레임(flow frame)을 더 포함할 수 있다. 상기 플로우 프레임은 전해액의 이동 통로 역할을 할 뿐만 아니라, 실제 전지의 전기 화학 반응이 잘 일어날 수 있도록 전극과 분리막 사이로 전해액의 고른 분포를 제공할 수 있다. 상기 플로우 프레임은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 또는 폴리염화비닐 등의 고분자로 이루어진 1 ㎜ 내지 1.5 ㎜의 두께의 필름 상으로 구비될 수 있다.
도 2는 일반적인 아연-브롬 레독스 흐름 전지의 개념도를 도시한 것이다. 구체적으로, 도 2는 전해액 탱크에 저장된 전해액을 분리막으로 분리된 애노드 영역 및 캐소드 영역으로 각각 펌프를 통하여 공급하며 구동하는 아연-브롬 레독스 흐름 전지를 나타낸 것이다. 전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 아연-브롬 레독스 흐름 전지는 전술한 유로퓸 이온을 포함하는 전해액을 적용하는 것을 제외하고, 도 2와 같은 일반적인 아연-브롬 레독스 흐름 전지와 같은 구조를 가질 수 있다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 기술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
[제조예: 아연-브롬 레독스 흐름 전지의 제조]
하기 표 1과 같은 구성을 이용하고, 애노드, 플로우 프레임, 분리막, 플로우 프레임, 캐소드의 순서로 조립을 하여, 아연-브롬 레독스 흐름 전지를 제조하였다.
항목 내용
분리막 ASAHI SF600
전극 애노드 Graphite plate
캐소드 Activated carbon coated graphite plate
면적 (㎠) 35 (7 ㎝ × 5 ㎝)
플로우 프레임 PTFE (두께: 1.5 ㎜)
개스킷 PTFE (두께: 0.3 ㎜)
전해액 애노드 전해액 (30 ㎖) 2.25 M ZnBr2 + 0.55 M ZnCl2 + 0.8M 1-Ethyl-1-methylpyrrolidinium bromide (MEP) + Pure Br (5ml/L)
캐소드 전해액 (30 ㎖)
Flow Rate (㎖/min) 60
[비교예, 실시예 1 및 실시예 2]
상기 제조예와 같이 제조된 아연-브롬 레독스 흐름 전지에 하기 표 2와 같은 조성의 전해액을 각각 공급하며, 충방전 사이클을 3회 진행하여 아연-브롬 레독스 흐름 전지의 효율을 측정하였다.
ZnBr2 [M] ZnCl2 [M] MEP-Br [M] Br2 [M] EuCl3 [M]
비교예 2.25 0.55 0.8 0.035 0
실시예1 2.25 0.55 0.8 0.035 0.02
실시예2 2.25 0.55 0.8 0.035 0.1
[실험예 1: 일반 조건에서의 아연-브롬 레독스 흐름 전지 구동]
비교예 및 실시예 1에 따른 전해액을 이용한 아연-브롬 레독스 흐름 전지를 하기와 같은 조건으로 구동하여, 에너지 효율, 전압 효율 및 전하량 효율을 측정하였다. 구체적으로, 상온(25 ℃)에서, 전류밀도 20 mA/cm2 및 충전량 80 A·hr/cell의 충전 조건; 전류밀도 20 mA/cm2 및 cut-off 1.0 V/cell의 방전 조건; 및 2 mA/cm2 로부터 0.2 mA/cm2의 전류 조건으로 0.1 V/cell에 도달까지 스트리핑을 실시하며 아연/브롬 레독스 흐름 전지의 성능을 평가하였다. 나아가, 아연-브롬 레독스 흐름 전지 성능의 평가에 있어서, 에너지 효율, 전압 효율 및 전하량 효율은 하기와 같은 방법으로 측정하였다.
* 에너지 효율 (Energy Efficiency, EE) = (방전에너지 (W·h) / 충전에너지 (W·h)) × 100
* 전압 효율 (Voltage Efficiency, VE) = (에너지 효율 / 전하량 효율) × 100
* 전하량 효율 (Current Efficiency, CE) = (방전용량 (A·h) / 충전용량(A·h)) × 100
Cycle 에너지효율 [%] 전압효율 [%] 전하량효율 [%]
비교예 1 70.2 79.1 88.7
2 70.5 78.7 89.6
3 70.6 79.5 88.8
실시예 1 1 71.1 78.1 91.2
2 71.9 78.3 91.8
3 72.7 78.5 92.6
상기 표 3의 결과에 따르면, 0.02 M의 유로퓸 이온을 포함하는 전해액을 사용한 실시예 1의 경우, 유로퓸 이온을 포함하지 않는 전해액을 사용한 비교예에 비하여 전하량 효율이 크게 향상하여 에너지 효율이 향상한 것을 확인할 수 있다. 이는 아연-브롬 레독스 흐름 전지의 충전 시 유로퓸 이온이 아연 금속층을 균일하게 형성되도록 한 것으로 예상된다. 이를 확인하기 위하여 아연-브롬 레독스 흐름 전지를 완충(SOC 100 %)시켜 아연 금속층을 형성시킨 후, 이를 추출하여 석출되는 아연 금속층의 무게를 측정한 결과는 하기 표 4와 같다.
아연 석출량 [g/㎠] 이론 대비 아연 석출량 [%]
비교예 0.1021 98.25
실시예1 0.1032 99.36
상기 표 4에 따르면, 실시예 1의 경우 비교예에 비하여 면적당 아연 석출량이 향상된 것을 확인할 수 있으며, 이는 이론적인 아연 석출량에 매우 근접한 결과였다.
나아가, 실시예 1 및 비교예에서의 애노드 표면에 형성되는 아연 금속층에 대하여 주사 전자 현미경(SEM)을 이용하여 형태를 관찰하였다.
도 3은 비교예에 따른 아연-브롬 레독스 흐름 전지의 충전 시, 애노드 표면에 형성된 아연 금속층 표면의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지를 나타낸 것이다.
도 4는 실시예 1에 따른 아연-브롬 레독스 흐름 전지의 충전 시, 애노드 표면에 형성된 아연 금속층 표면의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지를 나타낸 것이다.
도 3 및 도 4에 따르면, 바늘 형상의 아연 덴드라이트가 관찰되는 비교예와는 달리, 실시예 1의 경우 아연 덴드라이트가 거의 관찰되지 않고 견고한 판상으로 아연 금속층이 형성된 것을 확인할 수 있다.
또한, 실시예 1 및 비교예에서의 애노드 표면에 형성되는 아연 금속층에 대하여 X선 회절 분석(XRD)을 하였다.
도 5는 실시예 1 및 비교예에서의 애노드 표면에 형성되는 아연 금속층에 대한 X선 회절 분석(XRD) 결과를 나타낸 것이다. 도 5에 따르면, 실시예 1의 경우 전극 면과 평평한 면인 경우에 나타나는 (002) 결정 방향에 대한 피크가 강하게 나타는 것을 확인할 수 있으며, 이를 통하여 실시예 1의 경우에는 아연 덴드라이트의 형성이 매우 잘 억제되고 균일한 아연 금속층이 형성되는 것을 알 수 있다.
[실험예 2: 고전류 밀도 및 고온 조건에서의 아연-브롬 레독스 흐름 전지 구동]
구동 온도를 35 ℃로 조절하고, 충방전 시의 전류밀도를 40 mA/cm2로 조절한 것을 제외하고, 실험예 1과 동일하게 아연-브롬 레독스 흐름 전지를 구동하여 에너지 효율, 전압 효율 및 전하량 효율을 측정한 결과는 하기 표 5와 같다.
Cycle 에너지효율 [%] 전압효율 [%] 전하량효율 [%]
비교예 1 59.7 68.9 86.7
2 60.7 69.8 87.0
3 60.6 69.3 87.4
실시예 1 1 61.2 68.3 89.7
2 61.3 68.3 89.7
3 61.0 68.1 89.6
실시예 2 1 60.9 69.1 88.1
2 61.3 68.9 88.9
3 60.9 69.0 88.2
표 5에 따르면, 실시예 1 및 실시예 2는 고밀도 전류 및 고온의 구동 조건에서 비교예에 비하여 향상된 전하량 효율을 나타내었다.
상기 실험예 1 및 실험예 2에 따른 결과에 비추어 보면, 일반적인 구동 조건(예를 들어, 상온 및 20 mA/cm2의 충방전 전류밀도)에서는 전해액 내의 유로퓸 이온의 농도를 0.01 M 내지 0.05 M으로 조절하여 전지의 성능을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다. 또한, 고온 및 고밀도의 충방전 전류밀도(예를 들어, 35 ℃ 및 40 mA/cm2의 충방전 전류밀도)에서는 전해액 내의 유로퓸 이온의 농도를 0.01 M 내지 0.5 M으로 조절하여 전지의 성능을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 유로퓸 이온을 포함하는 전해액은 일반적인 구동 조건 뿐만 아니라, 고온 및 고밀도 전류밀도의 구동 조건에서도 안정적으로 전지의 구동이 가능한 장점을 가지고 있다.

Claims (6)

  1. 아연/브롬(Zn/Br) 레독스 커플; 및 유로퓸 이온(Eu3+)을 포함하는, 아연-브롬 레독스 흐름 전지용 전해액.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 유로퓸 이온을 공급하기 위하여 상기 전해액에 첨가되는 유로퓸 첨가제는 EuCl3, EuBr3, Eu(NO3)3, 및 Eu(CH3CO2)3 중 선택되는 적어도 1 종인 것을 특징으로 하는, 아연-브롬 레독스 흐름 전지용 전해액.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 유로퓸 이온의 농도는 0.01 M 이상 1.0 M 이하인 것을 특징으로 하는, 아연-브롬 레독스 흐름 전지용 전해액.
  4. 청구항 1에 있어서,
    탄소수 1 내지 10의 알킬기가 1 이상 치환된 피리디니윰 브로마이드(pyridinium Bromide); 탄소수 1 내지 10의 알킬기가 1 이상 치환된 이미다졸리움 브로마이드(Imidazolium Bromide); 및 1-에틸-1-메틸 피롤리디늄 브로마이드(1-Ethyl-1-methylpyrrolidinium bromide);로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 착제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 아연-브롬 레독스 흐름 전지용 전해액.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 아연-브롬 레독스 흐름 전지용 전해액은 애노드 전해액인 것을 특징으로 하는, 아연-브롬 레독스 흐름 전지용 전해액.
  6. 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 따른 전해액을 포함하는, 아연-브롬 레독스 흐름 전지.
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012009448A (ja) 2010-03-12 2012-01-12 Sumitomo Electric Ind Ltd レドックスフロー電池

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012009448A (ja) 2010-03-12 2012-01-12 Sumitomo Electric Ind Ltd レドックスフロー電池

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024101735A1 (ko) * 2022-11-07 2024-05-16 주식회사 코스모스랩 아연-브롬 슈퍼커패터리의 충전방법

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