KR20210071231A - Long-term stability improved electrolyte composition and redox flow battery apparatus having the electrolyte composition - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 활물질의 산화/환원 반응을 통해 전기 에너지를 저장할 수 있는 레독스 흐름전지용 전해액 조성물 및 이를 포함하는 레독스 흐름전지 장치에 관한 것이다. The present invention relates to an electrolyte composition for a redox flow battery capable of storing electrical energy through oxidation/reduction reaction of an active material, and a redox flow battery device including the same.
레독스 흐름 전지(Redox flow battery, RFB)는 전해질의 전기화학적인 가역반응에 의한 충전과 방전을 반복하여 에너지를 장기간 저장하여 사용할 수 있는 2차 전지이다. 이러한 레독스 흐름 전지는 기존의 2차 전지와 달리 전해액에 용해되어 있는 활성물질이 전자를 주고 받아 충, 방전되는 시스템으로 전지의 용량과 출력 특성을 각각 좌우하는 스택과 전해질 탱크가 서로 독립적으로 구성되어 있어 전지 설계가 자유로우며 설치 공간 제약도 적다는 장점이 있다.A redox flow battery (RFB) is a secondary battery that can store and use energy for a long time by repeating charging and discharging by an electrochemical reversible reaction of an electrolyte. Unlike conventional secondary batteries, this redox flow battery is a system in which an active material dissolved in an electrolyte exchanges electrons to be charged and discharged, and the stack and electrolyte tank, which determine the capacity and output characteristics of the battery, are configured independently of each other. It has the advantage of being free in battery design and having less space restrictions for installation.
그 중에서도 최근 각광받고 있는 바나듐 레독스 흐름 전지의 구성을 살펴보면, 전지반응이 일어나는 전극은 분리막과 함께 연료전지(fuel cell)와 유사한 스택(stack)으로 구성되고, 각기 다른 산화 가를 갖는 바나듐 활물질들이 스택(stack) 외부 저장조(tank)에 양극전해액(anolyte) 및 음극전해액(catholyte)으로 저장된다.Among them, looking at the configuration of the vanadium redox flow battery, which has been in the spotlight recently, the electrode where the cell reaction takes place is composed of a stack similar to a fuel cell together with a separator, and vanadium active materials having different oxidation values are stacked. (stack) It is stored as an anolyte and a catholyte in an external tank.
이때, 전지의 충방전에 따른 내구성과 에너지 효율을 높이기 위해서는 스택을 구성하고 있는 단전지의 구성물(전극과 분리막)과 구조등의 최적화도 필요하지만 전해질의 열적 안정성 또한 매우 중요하다.At this time, in order to increase the durability and energy efficiency according to the charging and discharging of the battery, it is necessary to optimize the components (electrode and separator) and structure of the single cell constituting the stack, but the thermal stability of the electrolyte is also very important.
바나듐 흐름 전지의 경우 충전시 양극물질은 VO2+(V5+) 상태로 양극 저장조에 회수되는데, 이때, 바나듐 양극전해질은 고온에서 쉽게 바나듐 침전물이 생기는 부 반응이 발생하는 등의 열화가 일어난다. 이렇게 발생된 양극전해질은 더 이상 VO2+ 상태로 방전되지 못하고 양극전해질 내에 침전되어 전해액의 흐름을 방해하거나, 전극에 박혀 바나듐 레독스 흐름 전지의 효율을 감소시키는 문제점이 있다.In the case of a vanadium flow battery, the positive electrode material is recovered to the positive electrode storage tank in the state of VO2+ (V5+) during charging. At this time, the vanadium positive electrode electrolyte is deteriorated, such as a side reaction that easily generates vanadium precipitate at high temperature. The generated positive electrolyte is no longer discharged to the VO2+ state, but is precipitated in the positive electrolyte to obstruct the flow of the electrolyte, or is embedded in the electrode to reduce the efficiency of the vanadium redox flow battery.
본 발명의 일 목적은 장기 안정성이 우수하고 레독스 흐름전지의 방전용량을 향상시킬 수 수 있는 전해액 조성물을 제공하는 것이다.One object of the present invention is to provide an electrolyte composition having excellent long-term stability and improving the discharge capacity of a redox flow battery.
본 발명의 다른 목적은 상기 전해액 조성물을 양극 전해질로 포함하는 레독스 흐름전지 장치를 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a redox flow battery device comprising the electrolyte composition as a positive electrolyte.
본 발명의 실시예에 따른 전해액 조성물은 레독스 흐름전지의 양극 전해질로 적용될 수 있고, 수계 용매; 상기 용매에 용해되고, H2SO4, HCl, H3PO4 및 HNO3으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하는 산성염 화합물; 상기 용매에 용해되고, VCl3, V2O5, VOSO4, V2O3, V2O4 및 NH4VO3로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하는 활물질 화합물; 및 상기 용매에 용해된 시트릭산 환원제를 포함한다. The electrolyte composition according to an embodiment of the present invention may be applied as a positive electrolyte of a redox flow battery, and may include an aqueous solvent; an acid salt compound dissolved in the solvent and comprising at least one selected from the group consisting of H 2 SO 4 , HCl, H 3 PO 4 and HNO 3 ; an active material compound dissolved in the solvent and comprising at least one selected from the group consisting of VCl 3 , V 2 O 5 , VOSO 4 , V 2 O 3 , V 2 O 4 and NH 4 VO 3 ; and a citric acid reducing agent dissolved in the solvent.
일 실실예에 있어서, 상기 시트릭산 환원제는 0.07M 내지 0.20M의 농도로 함유될 수 있다. In one embodiment, the citric acid reducing agent may be contained in a concentration of 0.07M to 0.20M.
본 발명의 실시예에 따른 레독스 흐름전지 장치는 레독스 흐름전지 스택; 양극 전해질을 수용하는 제1 전해질 탱크; 음극 전해질을 수용하는 제2 전해질 탱크; 상기 제1 전해질 탱크의 상기 양극 전해질이 상기 레독스 흐름전지 스택의 양극 전해질 반응공간에 공급되도록 상기 양극 전해질을 순환시키는 제1 펌프; 상기 제2 전해질 탱크의 상기 음극 전해질이 상기 레독스 흐름전지 스택의 음극 전해질 반응공간에 공급되도록 상기 음극 전해질을 순환시키는 제2 펌프를 포함하고, 상기 양극 전해질은 제1항에 따른 전해액 조성물을 포함한다.Redox flow battery device according to an embodiment of the present invention is a redox flow battery stack; a first electrolyte tank accommodating the anode electrolyte; a second electrolyte tank accommodating the negative electrolyte; a first pump for circulating the cathode electrolyte so that the cathode electrolyte of the first electrolyte tank is supplied to the cathode electrolyte reaction space of the redox flow battery stack; and a second pump for circulating the negative electrolyte so that the negative electrolyte of the second electrolyte tank is supplied to the negative electrolyte reaction space of the redox flow battery stack, wherein the positive electrolyte includes the electrolyte composition according to
본 발명의 전해액 조성물 및 이를 포함하는 레독스 흐름전지 장치에 따르면, 상기 전해액 조성물이 환원제 역할을 하는 시트릭산을 함유하고 있으므로, 장기간의 운영으로 열화되어 방전반응 동안 5가 바나듐 이온()이 4가 바나듐 이온()환원되지 않아서 방전용량이 감소하는 문제점을 해결할 수 있다.According to the electrolyte composition of the present invention and a redox flow battery device including the same, since the electrolyte composition contains citric acid serving as a reducing agent, it deteriorates due to long-term operation, so that pentavalent vanadium ions ( ) is a tetravalent vanadium ion ( ) is not reduced, so the problem that the discharge capacity decreases can be solved.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 레독스 흐름전지 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 시트릭산의 몰 농도에 따른 방전용량 및 셀저항을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 3은 충방전 사이클에 따른 방전용량을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4a 및 도 4b는 0.15M의 시트릭산을 함유하는 양극 전해질을 적용한 경우의 충방전 사이클에 따른 방전용량 및 에너지 효율을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5a 및 도 5b는 0.075M의 시트릭산을 함유하는 양극 전해질을 적용한 경우의 충방전 사이클에 따른 방전용량 및 에너지 효율을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6은 전해액에 시트릭산을 0.15M 첨가한 후 혼합시간(교반시간)에 따른 방전용량 및 셀저항의 측정결과를 나타내는 그래프이다.1 is a view for explaining a redox flow battery device according to an embodiment of the present invention.
2 is a graph showing the results of measuring the discharge capacity and the cell resistance according to the molar concentration of citric acid.
3 is a graph showing the result of measuring the discharge capacity according to the charge/discharge cycle.
4A and 4B are graphs showing the results of measuring the discharge capacity and energy efficiency according to the charge/discharge cycle when a positive electrolyte containing 0.15M citric acid is applied.
5A and 5B are graphs showing the results of measuring the discharge capacity and energy efficiency according to the charge/discharge cycle when a positive electrolyte containing 0.075M citric acid is applied.
6 is a graph showing the measurement results of the discharge capacity and the cell resistance according to the mixing time (stirring time) after adding 0.15M of citric acid to the electrolyte.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에서 본 발명을 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 고안의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대 또는 축소하여 도시한 것이다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Since the present invention can have various changes and can have various forms, specific embodiments are illustrated in the drawings and the present invention will be described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to the specific disclosed form, it should be understood to include all modifications, equivalents and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In describing each figure, like reference numerals have been used for like elements. In the accompanying drawings, the dimensions of the structures are enlarged or reduced than the actual size for clarity of the present invention.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 고안을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다", “구비하다”또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the present application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, terms such as "comprise", "comprising" or "have" are intended to designate that a feature, number, step, operation, component, or combination thereof described in the specification exists, and is one or the It should be understood that the existence or addition of the above other features or numbers, steps, operations, elements or combinations thereof is not precluded in advance.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 고안이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되고 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Terms such as those generally used and defined in the dictionary should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and shall not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present application. .
본 발명의 실시예에 따른 전해액 조성물은 바나듐 레독스 흐름전지의 양극 전해질 또는 음극 전해질로 적용될 수 있고, 용매, 산성염 화합물, 활물질 화합물 및 환원제를 포함할 수 있다. The electrolyte composition according to an embodiment of the present invention may be applied as a positive electrolyte or a negative electrolyte of a vanadium redox flow battery, and may include a solvent, an acid salt compound, an active material compound, and a reducing agent.
상기 용매로는 극성 수계 또는 유기 용매를 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 용매로는 수계 용매, 예를 들면, 물이 사용될 수 있다.The solvent may include a polar aqueous or organic solvent. In one embodiment, an aqueous solvent, for example, water may be used as the solvent.
상기 산성염 화합물은 상기 용매에 용해되어 양이온 및 음이온으로 해리될 수 있는 화합물로서, 상기 활물질 화합물의 산화/환원 반응을 원활하게 도울 뿐만 아니라 레독스쌍의 산화 상태가 변할 때 반쪽 이온(count ion)으로서 레독스쌍과 이온쌍(ion pair)을 이룰 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 산성염 화합물은 H2SO4, HCl, H3PO4, HNO3 등으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. The acid salt compound is a compound that can be dissolved in the solvent and dissociated into cations and anions, and not only helps the oxidation/reduction reaction of the active material compound smoothly, but also serves as a counter ion when the oxidation state of the redox pair changes. It can form an ion pair with a redox pair. In an embodiment, the acid salt compound may include at least one selected from the group consisting of H 2 SO 4 , HCl, H 3 PO 4 , HNO 3 , and the like.
일 실시예에 있어서, 상기 용매는 물을 포함할 수 있고, 상기 산성염 화합물은 H2SO4을 포함할 수 있으며, 이 경우 상기 H2SO4는 약 0.5M 내지 9M의 농도로 함유될 수 있다. In one embodiment, the solvent may include water, the acid salt compound may include H 2 SO 4 In this case, the H 2 SO 4 may be contained in a concentration of about 0.5M to 9M. .
상기 활물질 화합물은 상기 용매 상에 해리될 수 있고, 레독스 흐름전지의 충방전시 가역적인 산화/환원 반응을 일으킬 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 활물질 화합물은 VCl3, V2O5, VOSO4, V2O3, V2O4, 및 NH4VO3로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게 상기 활물질 화합물은 VOSO4를 포함할 수 있다. 일 실시예로, 상기 활물질 화합물은 약 0.5M 내지 8M의 농도로 포함될 수 있다. The active material compound may be dissociated into the solvent, and may cause a reversible oxidation/reduction reaction during charging and discharging of the redox flow battery. In one embodiment, the active material compound may include one or more selected from the group consisting of VCl 3 , V 2 O 5 , VOSO 4 , V 2 O 3 , V 2 O 4 , and NH 4 VO 3 , preferably For example, the active material compound may include VOSO 4 . In one embodiment, the active material compound may be included in a concentration of about 0.5M to 8M.
상기 전해질 조성물이 상기 바나듐 레독스 흐름전지의 양극 전해질 조성물인 경우, 해리된 상기 활물질 화합물은 하기 반응식 1에 따라 충전시에는 4가 바나듐 이온(VO2+)에서 5가 바나듐 이온(VO2 +)으로 전환될 수 있고, 방전시에는 5가 바나듐 이온(VO2 +)에서 4가 바나듐 이온(VO2+)으로 전환될 수 있다. When the electrolyte composition is the positive electrolyte composition of the vanadium redox flow battery, the dissociated active material compound is charged from tetravalent vanadium ions (VO 2+ ) to pentavalent vanadium ions (VO 2 + ) according to the following
[반응식 1] [Scheme 1]
상기 환원제는 5가 바나듐 이온(VO2 +)의 4가 바나듐 이온(VO2+)으로의 환원반응을 촉진시킬 수 있다. 바나듐 레독스 흐름전지를 장기간 운영하는 경우, 장기적인 운영으로 야기되는 양극 전해질과 음극 전해질의 교차 오염 또는 공기 노출에 따른 전해액의 열화 등의 이유로 충전 반응에 의해 산화된 5가 바나듐 이온(VO2 +)이 방전시 4가 바나듐 이온(VO2+)으로 환원되지 않아서 방전 용량이 저하되는 문제점이 발생할 수 있다. 상기 환원제는 이러한 방전 반응에서 발생하는 5가 바나듐 이온(VO2 +)의 4가 바나듐 이온(VO2+)으로의 환원반응을 촉진하여, 방전 용량을 향상시킬 수 있다. The reducing agent may be a 5 a 4 a vanadium ion (VO 2 +) to promote the reduction reaction of the vanadium ions (VO 2+). In the case of long-term operation of a vanadium redox flow battery, pentavalent vanadium ions (VO 2 + ) oxidized by charging reaction due to cross-contamination of positive and negative electrolytes caused by long-term operation or deterioration of electrolyte due to exposure to air During this discharge, the tetravalent vanadium ions (VO 2+ ) are not reduced, so a problem in which the discharge capacity is reduced may occur. The reducing agent may be in the 5 generated in the discharge reaction of the vanadium ions is 4 (VO 2 +) to promote the reduction reaction of the vanadium ions (VO 2+), improving the discharge capacity.
일 실시예에 있어서, 상기 환원제는 카르복시기()를 복수개 함유하는 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 환원제는 3개의 카르복시기를 포함하고 수용성인 시트릭산(Citric Acid)()을 포함할 수 있다. In one embodiment, the reducing agent is a carboxyl group ( ) may include a compound containing a plurality of. For example, the reducing agent contains three carboxyl groups and is water-soluble Citric Acid (Citric Acid) ( ) may be included.
일 실시예에 있어서, 상기 시트릭산은 약 0.07M 내지 0.20M, 약 0.10M 내지 0.20M 또는 약 0.07M 내지 0.08M의 농도로 함유될 수 있다. 상기 시트릭산의 농도가 0.07M 미만인 경우에는 상기 환원제의 환원 능력이 낮아서 방전 용량을 향상시킬 수 없는 문제점이 발생할 수 있고, 상기 시트릭산의 농도가 0.20M을 초과하는 경우에는 상기 활물질 화합물의 산화/환원 반응을 방해하여 방전 용량을 저하시키는 문제점이 발생할 수 있다. In one embodiment, the citric acid may be contained in a concentration of about 0.07M to 0.20M, about 0.10M to 0.20M, or about 0.07M to 0.08M. If the concentration of the citric acid is less than 0.07M, the reducing ability of the reducing agent may be low, so that the discharge capacity cannot be improved, and when the concentration of the citric acid exceeds 0.20M, the active material compound is oxidized / It may interfere with the reduction reaction to cause a problem of lowering the discharge capacity.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 레독스 흐름전지 장치를 설명하기 위한 도면이다. 1 is a view for explaining a redox flow battery device according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 레독스 흐름전지 장치(1000)는 레독스 흐름전지 스택(1100), 양극 전해질(1210)을 수용하는 제1 전해질 탱크(1200), 음극 전해질(1310)을 수용하는 제2 전해질 탱크(1300), 양극 전해질(1210)을 순환시키는 제1 펌프(1400), 음극 전해질(1310)을 순환시키는 제2 펌프(1500)를 포함한다. 1, the redox
상기 레독스 흐름전지 스택(1100)은 이온교환 멤브레인(1130)에 의해 분할된 양극 전해질 반응 공간 및 음극 전해질 반응 공간을 각각 구비하는 복수의 단위 전지들이 적층된 구조를 갖고, 각각의 단위 전지는 상기 양극 전해질 반응공간 내부에 배치된 제1 전극(1110), 상기 음극 전해질 반응공간 내부에 배치된 제2 전극(1120) 및 상기 제1 전극(1110)과 상기 제2 전극(1120) 사이에 배치되어 상기 양극 전해질 반응공간과 상기 음극 전해질 공간을 분할하는 이온교환 멤브레인(1130)을 포함한다. The redox
상기 제1 전해질 탱크(1200)은 상기 레독스 흐름전지 스택(1100) 외부에 위치하고, 상기 양극 전해질(1210)을 수용할 수 있으며, 상기 레독스 흐름전지 스택(1100)의 양극 전해질 반응공간과 연결되어 양극 전해질(1210)의 순환경로의 일부를 형성할 수 있다. 그리고 상기 제1 펌프(1400)는 상기 제1 전해질 탱크(1200)로부터 상기 레독스 흐름전지 스택(1100)의 양극 전해질 반응공간으로 양극 전해질(1210)을 공급할 수 있고, 이에 따라 상기 레독스 흐름전지 스택(1100)의 양극 전해질 반응공간 내부에서 이미 반응한 양극 전해질(1210)은 상기 제1 전해질 탱크(1200)로 배출될 수 있다. The
상기 제2 전해질 탱크(1300)은 상기 레독스 흐름전지 스택(1100) 외부에 위치하고, 상기 음극 전해질(1310)을 수용할 수 있으며, 상기 레독스 흐름전지 스택(1100)의 음극 전해질 반응공간과 연결되어 음극 전해질의 순환경로의 일부를 형성할 수 있다. 그리고 상기 제2 펌프(1500)는 상기 제2 전해질 탱크(1300)로부터 상기 레독스 흐름전지 스택(1100)의 음극 전해질 반응공간으로 음극 전해질(1310)을 공급할 수 있고, 이에 따라 상기 레독스 흐름전지 스택(1100)의 음극 전해질 반응공간 내부에서 이미 반응한 음극 전해질(1310)은 상기 제2 전해질 탱크(1300)로 배출될 수 있다. The
이때, 상기 양극 전해질(1210)로는 앞에서 설명한 본 발명의 실시예에 따른 전해액 조성물이 사용될 수 있다. 한편, 상기 음극 전해질(1310)은 상기 양극 전해질(1210)과 달리 환원제를 함유하지 않을 수 있다. In this case, the electrolyte composition according to the embodiment of the present invention described above may be used as the
한편, 상기 레독스 흐름전지 스택(1100)의 양극 전해질 반응공간 및 음극 전해질 반응공간에서는 하기 반응식 1 및 2의 반응이 각각 일어날 수 있다. On the other hand, in the positive electrolyte reaction space and the negative electrolyte reaction space of the redox
[반응식 1] [Scheme 1]
[반응식 2][Scheme 2]
본 발명의 전해액 조성물 및 이를 포함하는 레독스 흐름전지 장치에 따르면, 상기 전해액 조성물이 환원제 역할을 하는 시트릭산을 함유하고 있으므로, 장기간의 운영으로 열화되어 방전반응 동안 5가 바나듐 이온()이 4가 바나듐 이온()환원되지 않아서 방전용량이 감소하는 문제점을 해결할 수 있다. According to the electrolyte composition of the present invention and a redox flow battery device including the same, since the electrolyte composition contains citric acid serving as a reducing agent, it deteriorates due to long-term operation, so that pentavalent vanadium ions ( ) is a tetravalent vanadium ion ( ) is not reduced, so the problem that the discharge capacity decreases can be solved.
이하 본 발명의 구체적인 실시예에 대해 상술한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명의 일부 실시 형태에 불과한 것으로서, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described in detail. However, the following examples are only some embodiments of the present invention, and the scope of the present invention is not limited to the following examples.
[실시예 및 비교예][Examples and Comparative Examples]
물에 1.6M의 VOSO4 및 2.5M의 H2SO4를 용해시킨 후 시트릭산을 0M, 0.5M, 0.3M, 0.15M, 0.075M 용해시켜 양극 전해액을 형성하였다. 그리고 물에 1.6M의 VOSO4 및 2.5M의 H2SO4를 용해시켜 음극 전해액을 형성하였다. After dissolving 1.6M of VOSO 4 and 2.5M of H 2 SO 4 in water, 0M, 0.5M, 0.3M, 0.15M, and 0.075M of citric acid were dissolved to form a cathode electrolyte. Then, 1.6M of VOSO 4 and 2.5M of H 2 SO 4 were dissolved in water to form a cathode electrolyte.
상기 양극 전해액 40 mL와 상기 음극 전해액 40 mL를 레독스 흐름전지 스택에 연결한 후 하기 표 1에 기재된 실험조건에 따라 6 사이클 동안 충방전을 수행한 후 충전용량, 방전용량, 에너지 효율, 셀저항 등을 측정하였다. After connecting 40 mL of the positive electrolyte and 40 mL of the negative electrolyte to the redox flow battery stack, charge and discharge were performed for 6 cycles according to the experimental conditions shown in Table 1 below, and then charge capacity, discharge capacity, energy efficiency, and cell resistance etc. were measured.
[실험예][Experimental example]
도 2는 시트릭산의 몰 농도에 따른 방전용량 및 셀저항을 측정한 결과를 나타내는 그래프이고, 하기 표 2는 측정된 충전용량, 방전용량, 에너지 효율, 셀저항을 나타낸다. 2 is a graph showing the results of measuring the discharge capacity and cell resistance according to the molar concentration of citric acid, and Table 2 below shows the measured charge capacity, discharge capacity, energy efficiency, and cell resistance.
몰 농도(M)reducing agent
Molarity (M)
[Ahr]charge
[Ahr]
[Ahr]discharge
[Ahr]
도 2 및 표 2를 참조하면, 양극 전해질에 첨가된 시트릭산의 농도가 0.3M, 0.5M인 경우에 비해, 0.15M, 0.075M인 경우에 충전용량(charge), 방전용량(discharge), 에너지 효율(V.E, C.E, E.E)이 더 높은 것으로 나타났고, 셀저항은 낮은 것으로 나타났다. 구체적으로, 시트릭산을 0.5M 함유하는 양극 전해질을 적용한 경우와 비교하여, 시트릭산은 0.075M 및 0.15M 함유하는 양극 전해질들을 각각 적용한 경우 방전용량이 약 151% 및 약 235% 향상되는 것으로 나타났다. Referring to FIG. 2 and Table 2, when the concentration of citric acid added to the positive electrode electrolyte is 0.3M and 0.5M, when the concentration is 0.15M, 0.075M, charge capacity, discharge capacity (discharge), energy Efficiency (VE, CE, EE) was higher, and cell resistance was lower. Specifically, compared to the case of applying the positive electrode containing 0.5M citric acid, when the positive electrolyte containing 0.075M and 0.15M of citric acid was applied, the discharge capacity was improved by about 151% and about 235%, respectively.
따라서, 양극 전해질에 첨가되는 시트릭산의 농도는 약 0.070M 내지 0.20M, 바람직하게는 0.13M 내지 0.17M 또는 0.070M 내지 0.080M인 것이 바람직하다. Therefore, the concentration of citric acid added to the positive electrode electrolyte is preferably about 0.070M to 0.20M, preferably 0.13M to 0.17M or 0.070M to 0.080M.
도 3은 충방전 사이클에 따른 방전용량을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다. 3 is a graph showing the result of measuring the discharge capacity according to the charge/discharge cycle.
도 3을 참조하면, 0.15M, 0.75M의 시트릭산을 함유하는 양극 전해질을 적용하는 경우, 상대적으로 방전용량이 우수하고, 이러한 방전용량이 6사이클 동안 유지됨을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 3 , when a cathode electrolyte containing 0.15M and 0.75M citric acid is applied, it can be seen that the discharge capacity is relatively excellent, and the discharge capacity is maintained for 6 cycles.
도 4a 및 도 4b는 0.15M의 시트릭산을 함유하는 양극 전해질을 적용한 경우의 충방전 사이클에 따른 방전용량 및 에너지 효율을 측정한 결과를 나타내는 그래프이고, 도 5a 및 도 5b는 0.075M의 시트릭산을 함유하는 양극 전해질을 적용한 경우의 충방전 사이클에 따른 방전용량 및 에너지 효율을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다. 4A and 4B are graphs showing the results of measuring the discharge capacity and energy efficiency according to the charge/discharge cycle when a positive electrolyte containing 0.15M citric acid is applied, and FIGS. 5A and 5B are 0.075M citric acid It is a graph showing the results of measuring the discharge capacity and energy efficiency according to the charge/discharge cycle in the case of applying a cathode electrolyte containing
도 4a, 도 4b, 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 0.15M의 시트릭산을 함유하는 양극 전해질을 적용한 경우에는 충방전 사이클이 진행됨에 따라 방전용량이 저하되는 것으로 나타났으나, 0.075M의 시트릭산을 함유하는 양극 전해질을 적용한 경우에는 15 사이클까지는 오히려 방전 용량이 증가하고 15사이클 이후에는 방전용량이 일정하게 유지되는 것으로 나타났다. 구체적으로, 시트릭산을 0.15M 함유하는 양극 전해질을 적용한 경우, 35사이클 진행 후 약 30%의 열화율을 보였으나, 시트릭산을 0.075M 함유하는 양극 전해질을 적용한 경우, 방전용량이 15 사이클부터 일정하게 유지되는 것으로 나타났다. Referring to FIGS. 4A, 4B, 5A and 5B, when a positive electrolyte containing 0.15M citric acid was applied, the discharge capacity was lowered as the charge/discharge cycle progressed, but the 0.075M sheet When the positive electrolyte containing ric acid was applied, the discharge capacity was rather increased up to 15 cycles, and the discharge capacity was maintained constant after 15 cycles. Specifically, when a cathode electrolyte containing 0.15M of citric acid was applied, a degradation rate of about 30% was observed after 35 cycles, but when a cathode electrolyte containing 0.075M of citric acid was applied, the discharge capacity was constant from 15 cycles. appeared to be maintained.
그리고 0.15M의 시트릭산을 함유하는 양극 전해질을 적용한 경우에는 충방전 사이클이 진행됨에 따라 에너지 효율이 조금 상승하는 것으로 나타났고, 0.075M의 시트릭산을 함유하는 양극 전해질을 적용한 경우에는 에너지 효율이 일정하게 유지되는 것으로 나타났다. In addition, when a cathode electrolyte containing 0.15 M citric acid was applied, the energy efficiency slightly increased as the charge/discharge cycle progressed, and when a cathode electrolyte containing 0.075 M citric acid was applied, the energy efficiency was constant. appeared to be maintained.
도 6은 전해액에 시트릭산을 0.15M 첨가한 후 혼합시간(교반시간)에 따른 방전용량 및 셀저항의 측정결과를 나타내는 그래프이다.6 is a graph showing the measurement results of the discharge capacity and the cell resistance according to the mixing time (stirring time) after adding 0.15 M of citric acid to the electrolyte.
도 6을 참조하면, 시트릭산을 0.15M 첨가한 후 24시간 혼합한 경우 방전용량이 가장 높고, 셀저항이 가장 낮은 것으로 나타났다. 따라서, 환원제인 시트릭산을 혼합한 후 약 20 내지 28시간 정도 혼합하는 것이 가장 바람직한 것으로 판단된다. Referring to FIG. 6 , when 0.15 M of citric acid was added and mixed for 24 hours, the discharge capacity was the highest and the cell resistance was the lowest. Therefore, it is judged that it is most preferable to mix for about 20 to 28 hours after mixing the reducing agent citric acid.
하기 표 3은 양극전해질 및 음극 전해질에 시트릭산을 첨가하지 않은 경우(비교예 1), 양극전해질에만 시트릭산 0.15M을 첨가한 경우(실시예), 음극전해질에만 시트릭산 0.15M을 첨가한 경우(비교예 2)에 측정된 충전/방전용량, 에너지 효율 및 셀저항을 나타낸다. Table 3 below shows when citric acid was not added to the positive electrolyte and negative electrolyte (Comparative Example 1), when 0.15 M of citric acid was added only to the positive electrolyte (Example), and when 0.15 M of citric acid was added only to the negative electrolyte The charge/discharge capacity, energy efficiency and cell resistance measured in (Comparative Example 2) are shown.
[Ahr]charge
[Ahr]
[Ahr]discharge
[Ahr]
표 3을 참조하면, 양극전해질 및 음극 전해질에 시트릭산을 첨가하지 않은 경우(비교예 1)와 비교하여, 음극전해질에만 시트릭산 0.15M을 첨가한 경우(비교예 2)에는 방전용량 증가가 나타나지 않았으나, 양극전해질에만 시트릭산 0.15M을 첨가한 경우(실시예)에는 약 138%의 방전용량 증가가 나타났다. 따라서, 환원제는 양극전해질에 첨가하는 것이 바람직하다. 상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 청구범위에 기재된 본 고안의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 고안을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Referring to Table 3, when 0.15 M of citric acid was added only to the negative electrolyte (Comparative Example 2), there was no increase in discharge capacity compared to the case where citric acid was not added to the positive electrolyte and the negative electrolyte (Comparative Example 1). However, when 0.15 M of citric acid was added only to the positive electrolyte (Example), the discharge capacity increased by about 138%. Therefore, the reducing agent is preferably added to the positive electrolyte. Although the above has been described with reference to the preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art can variously modify and change the present invention within the scope without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the following claims. You will understand that there is
1000: 레독스 흐름전지 장치
1100: 레독스 흐름전지 스택
1210: 양극 전해질
1200: 제1 전해질 탱크
1310: 음극 전해질
1300: 제2 전해질 탱크
1400: 제1 펌프
1500: 제2 펌프1000: redox flow battery device 1100: redox flow battery stack
1210: positive electrolyte 1200: first electrolyte tank
1310: negative electrolyte 1300: second electrolyte tank
1400: first pump 1500: second pump
Claims (3)
수계 용매;
상기 용매에 용해되고, H2SO4, HCl, H3PO4 및 HNO3으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하는 산성염 화합물;
상기 용매에 용해되고, VCl3, V2O5, VOSO4, V2O3, V2O4 및 NH4VO3로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하는 활물질 화합물; 및
상기 용매에 용해된 시트릭산 환원제를 포함하는, 전해액 조성물.In the electrolyte composition applied as a positive electrolyte of a redox flow battery,
water-based solvents;
an acid salt compound dissolved in the solvent and comprising at least one selected from the group consisting of H 2 SO 4 , HCl, H 3 PO 4 and HNO 3 ;
an active material compound dissolved in the solvent and comprising at least one selected from the group consisting of VCl 3 , V 2 O 5 , VOSO 4 , V 2 O 3 , V 2 O 4 and NH 4 VO 3 ; and
An electrolyte composition comprising a citric acid reducing agent dissolved in the solvent.
상기 시트릭산 환원제는 0.07M 내지 0.20M의 농도로 함유된 것을 특징으로 하는, 전해액 조성물.According to claim 1,
The citric acid reducing agent, characterized in that contained in a concentration of 0.07M to 0.20M, the electrolyte composition.
양극 전해질을 수용하는 제1 전해질 탱크;
음극 전해질을 수용하는 제2 전해질 탱크;
상기 제1 전해질 탱크의 상기 양극 전해질이 상기 레독스 흐름전지 스택의 양극 전해질 반응공간에 공급되도록 상기 양극 전해질을 순환시키는 제1 펌프;
상기 제2 전해질 탱크의 상기 음극 전해질이 상기 레독스 흐름전지 스택의 음극 전해질 반응공간에 공급되도록 상기 음극 전해질을 순환시키는 제2 펌프를 포함하고,
상기 양극 전해질은 제1항에 따른 전해액 조성물을 포함하는 것을 특징으로 하는, 레독스 흐름전지 장치.
redox flow battery stack;
a first electrolyte tank accommodating the anode electrolyte;
a second electrolyte tank accommodating the negative electrolyte;
a first pump for circulating the cathode electrolyte so that the cathode electrolyte of the first electrolyte tank is supplied to the cathode electrolyte reaction space of the redox flow battery stack;
and a second pump for circulating the negative electrolyte so that the negative electrolyte of the second electrolyte tank is supplied to the negative electrolyte reaction space of the redox flow battery stack,
The positive electrolyte is characterized in that it comprises the electrolyte composition according to claim 1, a redox flow battery device.
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