KR20200109070A - 음극 전해액 및 이를 포함하는 레독스 흐름 전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 첨가제로 테트라알킬암모늄 화합물을 포함하는 아연-철 레독스 흐름 전지용 음극 전해액 및 이를 포함하는 아연-철 레독스 흐름 전지에 관한 것이다.
Description
본 발명은 음극 전해액 및 이를 포함하는 레독스 흐름 전지에 관한 것이다.
최근 신재생 에너지의 비중이 확대되면서 전력 생산의 변동성과 수급시점의 불일치 문제를 극복할 수 있는 새로운 대안으로 전력 저장장치가 주목을 받고 있어 전력 저장장치의 활발한 연구가 진행되고 있다. 전력 저장장치는 발전량이 많을 때는 전기를 충전하고, 소비량이 많을 때는 전기를 방전함으로써 수요와 공급의 격차를 효율적으로 줄일 수 있으며 짧은 시간 내 신재생 에너지의 발전량 변동에 대응할 수 있는 가장 안전한 방법이다.
또한, 신재생 에너지 비중이 급격히 증가할 경우, 전 세계적으로 전력 생산의 변동성이 적지 않은 규모에 이를 것으로 예상된다. 이에 최근 IEA(International Energy Agency)는 미래 신재생 에너지 보급을 위해 전력 저장장치에 주목하고 있다. 따라서 장기적인 관점에서 전력 저장장치의 보급은 신재생 에너지 확대를 위한 필수 불가결한 요소가 될 수밖에 없는 상황이다.
대용량의 전력저장을 위한 이차전지로는 납축전지, NaS 전지 및 레독스 흐름 전지(redox flow battery, RFB) 등이 있다. 납축전지는 다른 전지에 비해 상업적으로 널리 사용되고 있으나 낮은 효율 및 주기적인 교체로 인한 유지 보수의 비용과 전지 교체시 발생하는 산업폐기물의 처리문제 등의 단점이 있다. NaS 전지의 경우 에너지 효율이 높은 것이 장점이나 300℃ 이상의 고온에서 작동하는 단점이 있다. 이에 비해, 레독스 흐름 전지는 유지 보수비용이 적고 상온에서 작동 가능하며 용량과 출력을 각기 독립적으로 설계할 수 있는 특징이 있기 때문에 최근 대용량 2차 전지로 많은 연구가 진행되고 있다.
레독스 흐름 전지는 산화수가 다른 레독스 커플로 된 활물질을 용매에 녹여 제조된 전해액을 포함하여 이루어진다. 레독스 커플을 포함하는 양극 전해액과 음극 전해액으로 구성된 레독스 흐름 전지를 충전시키면 양극에서는 산화반응이 음극에서는 환원반응이 일어나며, 전지의 기전력은 양극 전해액과 음극 전해액에 포함된 활물질인 레독스 커플의 표준 전극전위의 차이에 의해서 결정된다. 이러한 레독스 커플은 산화/환원의 차이에 의해 여러 가지 조합을 얻을 수 있는데, V(3+/2+)/V(4+/5+), Fe(2+/3+)/Cr(3+/2+) 시스템 등이 연구되어 적용되었다. 현재는 양극액과 음극액 모두 바나듐을 이용하는 올 바나듐(all vanadium) 레독스 흐름 전지가 주류를 이루고 있다. 그러나 고농도의 바나듐 전해액은 안정성이 낮고, 가격이 높아 새로운 전해액의 개발이 요구되고 있으며, 부식성이 강한 황산 용액 대신 염기성 용액에서 이용 가능한 활물질에 대한 개발이 필요한 상황이다.
아연-철(Zn/Fe) 레독스 흐름 전지는 양극 활물질로 [Fe(CN)6]3-/4-, 음극 활물질로 Zn/[Zn(OH)4]2-가 사용되는 것으로, 가격 및 독성이 낮아 레독스 흐름 전지의 활물질로 사용하기 적합한 장점을 지니고 있다. 또한, 수계 강염기 용액에서 높은 방전 전압을 가지고 있어 바나듐을 대체하기 위한 활물질로 주목받고 있다. 그러나 충·방전 과정 동안 음극에서 아연의 석출 및 용해로 인하여 전지의 용량이 감소하고, 사이클 특성이 저하되는 문제로 인하여 아연을 활물질로 적용하기에는 어려움이 따른다. 따라서, 이를 해결할 수 있는 방안이 필요한 상황이다.
상술한 바와 같이, 아연-철 레독스 흐름 전지는 가격 및 독성이 낮으며, 높은 방전 전압을 나타내 전지의 활물질로 사용이 적합하나, 충·방전 과정 동안 음극에서 아연의 석출 및 용해로 인하여 전지의 용량이 감소하고, 사이클 특성이 저하되는 문제가 있다. 이에 본 발명자들은 아연-철 레독스 흐름 전지의 사이클 특성 향상을 위해 음극 전해액의 충·방전 가역성을 개선시킬 수 있는 아연-철 레독스 흐름 전지용 음극 전해액을 제공하고자 하였다.
따라서, 본 발명은 음극 전해액의 충·방전 가역성이 개선된 아연-철 레독스 흐름 전지용 음극 전해액을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 음극 전해액을 포함함에 따라, 사이클 특성 및 전류 효율이 우수한 아연-철 레독스 흐름 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여,
본 발명은 아연 화합물, 염기성 수용액 및 첨가제를 포함하는 아연-철 레독스 흐름 전지용 음극 전해액으로,
상기 첨가제는 하기 화학식 1의 테트라알킬암모늄 화합물을 포함하는 아연-철 레독스 흐름 전지용 음극 전해액을 제공한다.
[화학식 1]
상기 R1 내지 R4는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 5의 알킬기이고,
상기 Y는 OH, F, Cl, Br, I, BF4, PF6, ClO4, HSO4, HCO3 또는 NO3이다.
또한, 본 발명은 양극 및 양극 전해액을 포함하는 양극 셀;
음극 및 음극 전해액을 포함하는 음극 셀; 및
상기 양극 셀과 상기 음극 셀 사이에 위치하는 분리막;을 포함하는 레독스 흐름 전지로,
상기 음극 전해액은 상기 본 발명의 음극 전해액인 것을 특징으로 하는 아연-철 레독스 흐름 전지를 제공한다.
본 발명의 아연-철 레독스 흐름 전지용 음극 전해액은 첨가제를 포함함에 따라 음극 전해액의 충·방전 가역성을 개선시킬 수 있다.
또한, 상기 음극 전해액을 포함하는 아연-철 레독스 흐름 전지는 사이클 특성 및 전류 효율이 우수한 효과를 지니고 있다.
도 1은 본 발명의 아연-철 레독스 흐름 전지의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 2는 실시예 2, 실시예 5 및 비교예 1의 음극 전해액의 순환 전류법 측정 그래프이다.
도 3은 실시예 2 내지 실시예 4의 음극 전해액의 순환 전류법 측정 그래프이다.
도 4는 실시예 5 및 실시예 6의 음극 전해액의 순환 전류법 측정 그래프이다.
도 5는 실시예 2, 실시예 5 및 비교예 1의 사이클 특성을 측정한 그래프이다.
도 6은 실시예 2, 실시예 5 및 비교예 1의 전류 효율을 측정한 그래프이다.
도 7은 실시예 2, 실시예 5 및 비교예 1의 전압 효율을 측정한 그래프이다.
도 8은 실시예 2, 실시예 5 및 비교예 1의 에너지 효율을 측정한 그래프이다.
도 9는 실시예 2, 실시예 5 및 비교예 1의 시간에 따른 전압 프로파일을 측정한 그래프이다.
도 10은 실시예 1 내지 3 및 비교예 1의 사이클 특성을 측정한 그래프이다.
도 11은 실시예 1 내지 3 및 비교예 1의 전류 효율을 측정한 그래프이다.
도 12는 실시예 1 내지 3 및 비교예 1의 전압 효율을 측정한 그래프이다.
도 13은 실시예 1 내지 3 및 비교예 1의 에너지 효율을 측정한 그래프이다.
도 14는 실시예 1 내지 3 및 비교예 1의 시간에 따른 전압 프로파일을 측정한 그래프이다.
도 2는 실시예 2, 실시예 5 및 비교예 1의 음극 전해액의 순환 전류법 측정 그래프이다.
도 3은 실시예 2 내지 실시예 4의 음극 전해액의 순환 전류법 측정 그래프이다.
도 4는 실시예 5 및 실시예 6의 음극 전해액의 순환 전류법 측정 그래프이다.
도 5는 실시예 2, 실시예 5 및 비교예 1의 사이클 특성을 측정한 그래프이다.
도 6은 실시예 2, 실시예 5 및 비교예 1의 전류 효율을 측정한 그래프이다.
도 7은 실시예 2, 실시예 5 및 비교예 1의 전압 효율을 측정한 그래프이다.
도 8은 실시예 2, 실시예 5 및 비교예 1의 에너지 효율을 측정한 그래프이다.
도 9는 실시예 2, 실시예 5 및 비교예 1의 시간에 따른 전압 프로파일을 측정한 그래프이다.
도 10은 실시예 1 내지 3 및 비교예 1의 사이클 특성을 측정한 그래프이다.
도 11은 실시예 1 내지 3 및 비교예 1의 전류 효율을 측정한 그래프이다.
도 12는 실시예 1 내지 3 및 비교예 1의 전압 효율을 측정한 그래프이다.
도 13은 실시예 1 내지 3 및 비교예 1의 에너지 효율을 측정한 그래프이다.
도 14는 실시예 1 내지 3 및 비교예 1의 시간에 따른 전압 프로파일을 측정한 그래프이다.
이하, 본 발명을 보다 자세히 설명한다.
양극 활물질로 [Fe(CN)6]3-/4-, 음극 활물질로 Zn/[Zn(OH)4]2-가 사용되는 아연-철 레독스 흐름 전지는 가격 및 독성이 낮으며, 수계 강염기 용액에서 높은 방전 전압을 가지는 장점이 있다. 그러나 음극의 충전 과정에서 형성되는 아연 덴드라이트에 의하여 분리막이 손상되는 문제가 있으며, 방전 과정에서 아연이 불규칙적으로 용해되어 전지의 사이클 특성이 저하되는 문제가 있다. 또한, [Zn(OH)4]2-가 비활성종인 산화아연(ZnO)으로 점차 변하여 전지의 용량이 저하되는 문제가 있다.
따라서, 본 발명에서는 음극 전해액의 충·방전 가역성을 향상시켜 상기의 문제점을 해결하며, 전지의 전류 효율 및 사이클 특성을 향상시킬 수 있는 음극 전해액을 제공하고자 하였다.
본 발명은 아연 화합물, 염기성 수용액 및 첨가제를 포함하는 아연-철 레독스 흐름 전지용 음극 전해액으로,
상기 첨가제는 하기 화학식 1의 테트라알킬암모늄 화합물을 포함하는 아연-철 레독스 흐름 전지용 음극 전해액에 관한 것이다.
[화학식 1]
상기 R1 내지 R4는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 5의 알킬기이고,
상기 Y는 OH, F, Cl, Br, I, BF4, PF6, ClO4, HSO4, HCO3 또는 NO3이다.
상기 첨가제는 상기 화학식 1의 테트라알킬암모늄 화합물을 포함하는 것으로, 상기 첨가제가 음극 전해액의 충전 과정에서 음극 전극에 금속 아연이 석출될 때, 아연 덴드라이트와 같이 아연의 성장이 빠르게 일어나는 부분에 흡착되어 덴드라이트 성장 속도를 늦추거나 억제하여 음극 전해액의 충·방전 가역성을 향상시킬 수 있다.
상기 화학식 1의 테트라알킬암모늄 화합물의 R1 내지 R4는 알킬기이며, 상기 알킬기의 체인이 길수록 과전압이 증가하므로 체인의 길이는 짧을수록 바람직하다. 그에 따라 상기 R1 내지 R4는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 5의 알킬기이며, 바람직하게는 각각 독립적으로 탄소수 2 내기 4의 알킬기, 가장 바람직하게는 탄소수 2의 에틸기일 수 있다.
또한, 상기 화학식 1의 테트라알킬암모늄 화합물은 음극 전해액에 0.05 내지 50mM 미만의 농도, 바람직하게는 0.05 내지 5mM, 보다 바람직하게는 0.1 내지 3mM의 농도로 포함될 수 있다. 상기 화학식 1의 테트라알킬암모늄 화합물의 농도가 0.05mM 미만이면 아연 표면에 흡착될 수 있는 첨가제의 양이 충분하지 않아 레독스 흐름 전지의 사이클 특성 개선 효과를 기대하기 어려우며, 50mM 이상이면 레독스 흐름 전지의 충·방전 과전압이 높아지기 때문에 전지의 전압 효율 및 에너지 효율이 크게 감소하여 전지의 성능에 부정적인 영향을 미친다.
상기 아연 화합물은 아연-철 레독스 흐름 전지의 음극 전해액에서 활물질 역할을 수행하는 것으로, 아연-철 레독스 흐름 전지의 음극 전해액에서 음극 활물질은 Zn/[Zn(OH)4]2-이다.
상기 아연 화합물은 아연을 포함하는 것이라면 그 종류를 특별히 한정하지는 않으나, 바람직하게는 산화아연, 염화아연, 브롬화아연, 요오드화아연, 황산아연, 질산아연 및 아세트산아연으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 아연 화합물은 0.1 내지 3M, 바람직하게는 0.3 내지 1M의 농도로 포함될 수 있다. 상기 아연 화합물의 농도가 0.1M 미만이면 음극 활물질의 농도가 너무 낮아 아연-철 레독스 흐름 전지에 적용이 어려우며, 3M을 초과하면 비활성종인 고체 산화아연(ZnO)이 석출될 수 있다.
상기 염기성 수용액은 음극 전해액의 용매로 사용되는 것이며, 당 업계에서 사용되는 것이라면 그 종류를 특별히 한정하지 않으나, 바람직하게는 KOH, NaOH, LiOH, Ba(OH)2, Mg(OH)2 및 Ca(OH)2로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 수용액일 수 있으며, 보다 바람직하게는 KOH 및 NaOH로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 수용액일 수 있다. 상기 염기성 수용액에서 염기의 농도는 0.1 내지 10 M, 바람직하게는 1 내지 7 M인 것을 사용한다.
또한, 본 발명은
양극 및 양극 전해액을 포함하는 양극 셀;
음극 및 음극 전해액을 포함하는 음극 셀; 및
상기 양극 셀과 상기 음극 셀 사이에 위치하는 분리막;을 포함하는 레독스 흐름 전지로,
상기 음극 전해액은 상술한 본 발명의 음극 전해액인 것을 특징으로 하는 아연-철 레독스 흐름 전지에 관한 것이다.
본 발명의 레독스 흐름 전지의 음극 전해액은 상술한 바와 동일하다.
또한, 본 발명에서 상기 양극 전해액은 양극 활물질을 포함하여, 상기 양극 활물질은 [Fe(CN)6]3-/4-를 포함한다. 또한, 상기 [Fe(CN)6]3-/4-는 양극 전해액 내에 상기 이온 형태로 존재하기 위해서 [Fe(CN)6]4-를 포함하는 염의 형태로 포함될 수 있다. 상기 염은 Na4Fe(CN)6 또는 K4Fe(CN)6일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 양극 전해액은 용매로서 염기성 수용액을 포함한다. 상기 양극 활물질은 산성 용액에서 매우 불안정하며, 유독 물질인 HCN 및 KCN 등을 발생시키기 때문에 산성 용액에서는 이용이 불가하다. 상기 염기성 수용액은 당 업계에서 사용되는 것이라면 그 종류를 특별히 한정하지 않으나, 바람직하게는 KOH, NaOH, LiOH, Ba(OH)2, Mg(OH)2 및 Ca(OH)2로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 수용액일 수 있으며, 보다 바람직하게는 KOH 및 NaOH로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 수용액일 수 있다. 상기 염기성 수용액에서 염기의 농도는 0.1 내지 10 M, 바람직하게는 1 내지 7 M인 것을 사용한다.
또한, 상기 양극 활물질은 양극 전해액에 0.1 내지 1.5M, 바람직하게는 0.2 내지 1M로 포함된다. 상기 양극 활물질이 0.1M 미만으로 포함되면 농도가 너무 낮아 레독스 흐름 전지에 적용이 어려우며, 1M을 초과하면 지지 전해질 조성 및 외부 조건에 따라 양극 활물질이 완전히 용해되지 못할 수 있다.
또한, 본 발명의 레독스 흐름 전지의 분리막은 종래의 레독스 흐름 전지에 사용되는 분리막이라면 제한없이 사용할 수 있으나, 분리막의 두께가 20 내지 100μm, 바람직하게는 30 내지 70μm인 분리막을 사용한다. 상기 분리막의 두께가 20 내지 100μm이면 레독스 플로우 전지에 사용이 적합한 분리막이며, 전지의 효율을 보다 증가시킬 수 있다.
상기 분리막으로 구체적으로 예를 들어, 불소계 고분자, 부분 불소계 고분자 또는 탄화수소계 고분자일 수 있으며, 보다 구체적으로 퍼플루오르술폰산계 고분자, 탄화수소계 고분자, 방향족 술폰계 고분자, 방향족 케톤계 고분자, 폴리벤즈이미다졸계 고분자, 폴리스티렌계 고분자, 폴리에스테르계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리비닐리덴 플루오라이드계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리페닐렌옥사이드계 고분자, 폴리포스파젠계 고분자, 폴리에틸렌나프탈레이트계 고분자, 폴리에스테르계 고분자, 도핑된 폴리벤즈이미다졸계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리페닐퀴녹살린계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 술폰화 폴리아릴렌에테르계 고분자, 술폰화 폴리에테르케톤계 고분자, 술폰화 폴리에테르에테르케톤계 고분자, 술폰화 폴리아미드계 고분자, 술폰화 폴리이미드계 고분자, 술폰화 폴리포스파젠계 고분자, 술폰화 폴리스티렌계 고분자 및 방사선 중합된 술폰화 저밀도폴리에틸렌-g-폴리스티렌계 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 고분자의 단일 공중합체(Homo copolymer), 교대 공중합체(Alternating copolymer), 불규칙 공중합체(Random copolymer), 블록 공중합체(Block copolymer), 멀티블록 공중합체(Multiblock copolymer) 또는 그라프트 공중합체(Grafting copolymer)인 것으로부터 선택될 수 있다.
본 발명의 레독스 흐름 전지에 있어서, 상기 양극, 양극 셀, 음극 및 음극 셀은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 형성할 수 있는 것이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
실시예 1 내지 6. 음극 전해액 제조
2.03g의 산화아연(0.025mol)을 8g의 NaOH(0.2mol)와 혼합한 후 약 10mL의 증류수를 첨가하였다. 상기 산화아연이 점차 용해되어 용액의 색이 투명해지면 전체 부피가 50mL가 되도록 증류수를 소량씩 천천히 첨가하였다. 그 후 첨가제를 첨가하여 실시예 1 내지 6의 음극 전해액을 제조하였다.
첨가제의 종류 및 농도는 하기 표 1과 같으며, 음극 전해액에서 산화아연의 농도는 0.5M, NaOH의 농도는 4M 이었다.
| 첨가제 종류 | 첨가제 농도 | |
| 실시예 1 | 테트라에틸암모늄 클로라이드(tetraethyl ammonium chloride, TEA-Cl) | 0.1mM |
| 실시예 2 | 1mM | |
| 실시예 3 | 5mM | |
| 실시예 4 | 50mM | |
| 실시예 5 | 테트라부틸암모늄 하이드록사이드(tetrabutyl ammonium hydroxide, TBAOH) | 0.15mM |
| 실시예 6 | 0.3mM |
비교예 1. 음극 전해액 제조
첨가제를 사용하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예와 동일하게 실시하여 비교예 1의 음극 전해액을 제조하였다.
실험예 1. 음극 전해액의 순환 전류법 측정
상기 실시예 2 내지 6 및 비교예 1에서 제조한 음극 전해액의 순환 전류법(cyclic voltammetry, CV)을 측정하여 첨가제의 종류 및 농도에 따른 음극 전해액의 산화·환원 가역성을 관찰하였다.
작동 전극으로 유리상 탄소(Glassy carbon), 기준 전극으로 Ag/AgCl, 상대 전극으로 백금선(Pt wire)을 이용하였으며, 주사 속도(scan rate)는 50mV/s였으며, -1.7 ~ -1.0V(vs. Ag/AgCl) 사이 전압을 가할 시 작동 전극에서 측정되는 전류 값을 측정하였다.
첨가제를 포함하지 않은 비교예 1의 음극 전해액은 산화 피크(peak) 전류가 굉장히 낮게 측정되었으며, 이로부터 산화·환원 반응의 가역성이 매우 낮은 것을 알 수 있었다. 그러나 첨가제를 포함하는 실시예 2 내지 3 및 실시예 5 내지 6의 음극 전해액은 산화·환원 전류가 크게 증가하고, 산화·환원 반응의 가역성이 크게 개선된 것을 확인할 수 있었다.
첨가제의 종류에 따른 음극 전해액의 순환 전류법 측정에서는 알킬기의 체인이 짧은 첨가제(TEA-Cl)를 포함한 실시예 2의 음극 전해액은 알킬기의 체인이 비교적 긴 첨가제(TBAOH)를 포함한 실시예 5의 음극 전해액과 동등한 수준의 산화 피크 전류 및 산화·환원 가역성이 나타났다. 이때 실시예 2의 첨가제(TEA-Cl)의 농도는 실시예 5의 첨가제(TBAOH)의 농도 보다 10배 정도 높았다(도 2).
또한, 실시예 2 내지 4의 음극 전해액의 첨가제(TEA-Cl)의 농도에 따른 순환 전류법 측정에서는 TEA-Cl의 농도가 증가할수록 산화 피크 전류가 증가하였다. 그러나 TEA-Cl의 농도가 50mM 이상으로 높아질 경우 아연의 산화 피크 전류가 크게 감소하여 산화·환원의 가역성 개선 효과를 나타내지 못하는 것을 확인하였다. 이로부터 TEA-Cl은 음극 전해액에 50mM 미만의 농도로 포함되어야 하는 것을 알 수 있었다(도 3).
실시예 5 및 6의 음극 전해액의 첨가제(TBAOH)의 농도에 따른 순환 전류법 측정에서는 TBAOH의 농도가 증가할수록 산화 피크 전류가 증가하는 결과를 보였다(도 4).
실험예 2. 레독스 흐름 전지의 성능 평가
25mL의 증류수에 NaOH를 첨가하여 NaOH 수용액을 제조한 뒤, K4Fe(CN)6을 첨가한 후 용액의 부피가 50mL가 되도록 증류수를 첨가하여 3M NaOH 및 0.5M K4Fe(CN)6 농도를 갖는 50mL 부피의 양극 전해액을 제조하였다.
5×5 cm2의 카본 펠트(Carbon Felt), 바이폴라 플레이트(Bipolar plate), 금 집전체(Gold current collector)를 이용하여 양극과 음극을 제조하였으며, 분리막으로는 나피온 212을 사용하였다.
음극 전해액으로는 상기 실시예 1 내지 실시예 3, 실시예 5 및 비교예 1을 각각 사용하여 실시예 1 내지 3, 실시예 5 및 비교예 1의 레독스 흐름 전지를 제조하였다.
상기 각각의 레독스 흐름 전지는 유량 25mL/min, 전압 범위 0.2 내지 2.1V 및 전류밀도 50mA/cm2으로 하여 100cycle을 진행하였으며, 실시예 1 내지 3, 실시예 5 및 비교예 1의 레독스 흐름 전지의 사이클 특성, 전압 효율(VE), 전류 효율(CE) 및 에너지 효율(EE)을 측정하였다.
전류 효율(CE), 에너지 효율(EE) 및 전압 효율(VE)은 각각 하기 수학식 1 내지 3에 의하여 구하였다.
[수학식 1]
전류 효율(CE) = 방전용량/충전용량
[수학식 2]
에너지 효율(EE) = 방전 에너지/충전 에너지
[수학식 3]
전압 효율(VE) = 에너지효율/전류효율
첨가제 종류에 따른 레독스 흐름 전지의 사이클 특성, 전류 효율, 에너지 효율 및 전압 효율의 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
| 실시예 2 | 실시예 5 | 비교예 1 | |
| 첨가제 종류 | TEA-Cl | TBAOH | - |
| 첨가제 농도 | 1mM | 0.15mM | - |
| 전류 효율(CE) | 98.4% | 98.3% | 98% |
| 전압 효율(VE) | 83% | 82% | 87.5% |
| 에너지 효율(EE) | 81.7% | 80.7% | 85.8% |
| 100cycle 후 용량 유지율 | 45.5% | 43.0%(92th cycle) | 29.9% |
상기 표 2의 결과에서, 첨가제를 포함하지 않은 비교예 1에 비하여 첨가제를 포함한 실시예 2 및 실시예 5의 레독스 흐름 전지는 용량 감소 속도가 둔화되며, 사이클 특성이 향상된 것을 확인할 수 있었다(도 5).
또한, 실시예 5의 첨가제의 농도는 실시예 2의 첨가제의 농도 보다 낮게 포함되었음에도 실시예 2 보다 전압 효율이 낮게 나타났다. 이로부터 알킬기의 체인이 길수록 과전압이 증가한다는 것을 알 수 있었다. 따라서, 첨가제의 알킬기는 체인이 짧을수록 보다 우수한 사이클 특성, 전류 효율, 전압 효율 및 에너지 효율을 나타낸다는 것을 알 수 있었다.
또한, 첨가제 농도에 따른 레독스 흐름 전지의 사이클 특성, 전류 효율, 에너지 효율 및 전압 효율의 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
| 실시예 1 | 실시예 2 | 실시예 3 | 비교예 1 | |
| 첨가제 종류 | TEA-Cl | TEA-Cl | TEA-Cl | - |
| 첨가제 농도 | 0.1mM | 1mM | 5mM | - |
| 전류 효율(CE) | 98.7% | 98.4% | 98.3% | 98% |
| 전압 효율(VE) | 85.5% | 83% | 74.5% | 87.5% |
| 에너지 효율(EE) | 85.3% | 81.7% | 73.3% | 85.8% |
| 100cycle 후 용량 유지율 | 58.5% | 45.5% | 37.6% | 29.9% |
상기 표 3의 결과에서, 첨가제를 포함하지 않은 비교예 1에 비하여 첨가제를 포함한 실시예 1 내지 실시예 3의 레독스 흐름 전지는 용량 감소 속도가 둔화되며, 사이클 특성이 향상된 것을 확인할 수 있었다(도 10). 특히, 실시예 1은 100번째 사이클 방전 용량이 비교예 1 보다 약 100% 증가한 결과를 보였다.
또한, 동일한 첨가제 사용시, 첨가제의 농도가 증가할수록 충·방전 과전압이 증가하여 전압 효율 및 에너지 효율이 감소한 결과를 보였으며, 첨가제의 농도가 낮을수록 사이클 특성, 전류 효율, 전압 효율 및 에너지 효율이 증가하는 결과를 보였다. 보다 구체적으로, 첨가제의 농도가 0.05 내지 50mM 미만, 바람직하게는 0.05 내지 5mM의 농도 범위에서 첨가제의 농도가 낮을수록 사이클 특성, 전류 효율, 전압 효율 및 에너지 효율이 증가하는 결과를 보였다.
즉, 상기 결과로부터 음극 전해액의 첨가제인 상기 화학식 1의 테트라알킬암모늄 화합물의 알킬기의 체인이 짧고, 테트라알킬암모늄 화합물의 농도가 0.05 내지 50mM 미만, 바람직하게는 0.05 내지 5mM의 농도 범위에서 첨가제의 농도가 낮을수록 이를 포함하는 레독스 흐름 전지의 수명 특성 및 전류 효율이 우수한 효과를 나타내는 것을 알 수 있다.
Claims (11)
- 아연 화합물, 염기성 수용액 및 첨가제를 포함하는 아연-철 레독스 흐름 전지용 음극 전해액으로,
상기 첨가제는 하기 화학식 1의 테트라알킬암모늄 화합물을 포함하는 아연-철 레독스 흐름 전지용 음극 전해액:
[화학식 1]
상기 R1 내지 R4는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 5의 알킬기이고,
상기 Y는 OH, F, Cl, Br, I, BF4, PF6, ClO4, HSO4, HCO3 또는 NO3이다. - 제1항에 있어서, 상기 화학식 1의 R1 내지 R4는 각각 독립적으로 탄소수 2 내지 4의 알킬기인 것을 특징으로 하는 아연-철 레독스 흐름 전지용 음극 전해액.
- 제1항에 있어서, 상기 화학식 1의 테트라알킬암모늄은 0.05 내지 50mM 미만의 농도로 포함되는 것을 특징으로 하는 아연-철 레독스 흐름 전지용 음극 전해액.
- 제3항에 있어서, 상기 화학식 1의 테트라알킬암모늄은 0.05 내지 5mM의 농도로 포함되는 것을 특징으로 하는 아연-철 레독스 흐름 전지용 음극 전해액.
- 제1항에 있어서, 상기 아연 화합물은 산화아연, 염화아연, 브롬화아연, 요오드화아연, 황산아연, 질산아연 및 아세트산아연으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 아연-철 레독스 흐름 전지용 음극 전해액.
- 제1항에 있어서, 상기 아연 화합물은 0.1 내지 3M의 농도로 포함되는 것을 특징으로 하는 아연-철 레독스 흐름 전지용 음극 전해액.
- 제1항에 있어서, 상기 염기성 수용액은 KOH, NaOH, LiOH, Ba(OH)2, Mg(OH)2 및 Ca(OH)2로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 수용액인 것을 특징으로 하는 아연-철 레독스 흐름 전지용 음극 전해액.
- 제1항에 있어서, 상기 음극 전해액의 음극 활물질은 Zn/[Zn(OH)4]2-인 것을 특징으로 하는 아연-철 레독스 흐름 전지용 음극 전해액.
- 양극 및 양극 전해액을 포함하는 양극 셀;
음극 및 음극 전해액을 포함하는 음극 셀; 및
상기 양극 셀과 상기 음극 셀 사이에 위치하는 분리막;을 포함하는 레독스 흐름 전지로,
상기 음극 전해액은 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 음극 전해액인 것을 특징으로 하는 아연-철 레독스 흐름 전지. - 제9항에 있어서, 상기 양극 전해액은 양극 활물질을 포함하며, 상기 양극 활물질은 [Fe(CN)6]3-/4-인 것을 특징으로 하는 아연-철 레독스 흐름 전지.
- 제10항에 있어서, 상기 양극 전해액은 염기성 수용액을 포함하는 것을 특징으로 하는 아연-철 레독스 흐름 전지.
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|---|---|---|---|---|
| KR20170092040A (ko) | 2016-02-02 | 2017-08-10 | 롯데케미칼 주식회사 | 레독스 흐름 전지용 전해액 및 레독스 흐름 전지 |
| KR20180002993A (ko) | 2016-06-30 | 2018-01-09 | 한국에너지기술연구원 | 열적안정성을 향상시킨 바나듐 레독스 흐름전지용 전해액 및 이를 포함하는 레독스 흐름전지 |
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2019
- 2019-03-12 KR KR1020190028103A patent/KR20200109070A/ko not_active Application Discontinuation
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20170092040A (ko) | 2016-02-02 | 2017-08-10 | 롯데케미칼 주식회사 | 레독스 흐름 전지용 전해액 및 레독스 흐름 전지 |
| KR20180002993A (ko) | 2016-06-30 | 2018-01-09 | 한국에너지기술연구원 | 열적안정성을 향상시킨 바나듐 레독스 흐름전지용 전해액 및 이를 포함하는 레독스 흐름전지 |
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