KR20210150075A - Electrolyte for redox flow battery, redox flow battery using the same and preparing method of active materials for redox flow battery - Google Patents

Electrolyte for redox flow battery, redox flow battery using the same and preparing method of active materials for redox flow battery Download PDF

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KR20210150075A
KR20210150075A KR1020200067012A KR20200067012A KR20210150075A KR 20210150075 A KR20210150075 A KR 20210150075A KR 1020200067012 A KR1020200067012 A KR 1020200067012A KR 20200067012 A KR20200067012 A KR 20200067012A KR 20210150075 A KR20210150075 A KR 20210150075A
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메다발미 베라바부
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Abstract

The present invention provides an electrolyte for a redox flow battery including a naphthalene diimide compound represented by chemical formula 1. In chemical formula 1, M is K^+ or Na^+.

Description

레독스 흐름 전지용 전해액, 레독스 흐름 전지 및 레독스 흐름 전지용 활물질 제조방법{ELECTROLYTE FOR REDOX FLOW BATTERY, REDOX FLOW BATTERY USING THE SAME AND PREPARING METHOD OF ACTIVE MATERIALS FOR REDOX FLOW BATTERY}Electrolyte for redox flow battery, redox flow battery and active material manufacturing method for redox flow battery

본 발명은 레독스 흐름 전지용 전해액, 이를 이용한 레독스 흐름 전지 및 레독스 흐름 전지용 활물질 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 음전위 유기 활물질을 제조하고, 이를 활용한 레독스 흐름 전지용 전해액 및 이를 이용한 레독스 흐름 전지에 관한 것이다. The present invention relates to an electrolyte solution for a redox flow battery, a redox flow battery using the same, and a method for manufacturing an active material for a redox flow battery. More specifically, it relates to an electrolyte for a redox flow battery using the prepared negative potential organic active material and a redox flow battery using the same.

태양광, 풍력, 및 수력 발전과 같이 본질적으로 간헐적인 에너지원을 보다 효과적으로 활용하기 위하여, 에너지 저장 기술의 발전이 매우 시급하다. In order to more effectively utilize intrinsically intermittent energy sources such as solar, wind, and hydroelectric power, the development of energy storage technology is very urgent.

레독스 흐름 전지(Redox flow batteries)는 바나듐 및 아연-브롬을 대상으로 현재 실용화되고 있는 대형 에너지 저장장치이다. 바나듐 레독스 흐름 전지의 경우 바나듐 II/III 및 IV/V의 산화수를 가지는 물질을 각각 음극 및 양극의 산성 용액에 녹여 큰 탱크에 가둔 후, 펌프를 이용하여 이들 전해액을 전극에 전달시키며 전기화학적 레독스 반응을 통해 에너지를 저장하는 원리를 가지고 있다. Redox flow batteries are large-scale energy storage devices currently being put into practical use for vanadium and zinc-bromine. In the case of a vanadium redox flow battery, substances having oxidation numbers of vanadium II/III and IV/V are dissolved in acidic solutions of anode and cathode, respectively, and confined in a large tank, and then these electrolytes are transferred to the electrode using a pump and electrochemical reaction It has the principle of storing energy through the Dox reaction.

이들은 리튬-이온 전지보다 현저히 낮은 에너지 밀도를 가지고 있으며, 많은 양의 바나듐을 이용하고자 대형 탱크를 이용한다. They have a significantly lower energy density than lithium-ion batteries and use large tanks to use a large amount of vanadium.

레독스 흐름 전지는 에너지와 전력밀도가 서로 관련되지 않으며, 신재생 에너지 전환 장치와 맞물려 이들을 전기 에너지로 전환하여 저장할 수 있고, 대형 에너지 저장장치에 활용되는 경우 상대적으로 저렴한 제조비용으로 인하여 가장 주목받고 있다. Redox flow batteries are not related to energy and power density, and they can be converted and stored into electrical energy by interlocking with a new and renewable energy conversion device. have.

최근 상용화된 레독스 흐름 전지는 양전하 및 음전하 캐리어로 바나듐 기반 레독스 커플을 활용하고, 이를 전해액으로 사용한다. 다만 바나듐 가격이 상승하고 있으며, 에너지 저장 장치 구축의 효율성을 증가시키 위해 보다 높은 에너지 밀도를 가지도록 바나듐을 대체할 수 있는 유기분자 활물질에 대한 개발이 매우 활발하다. A recently commercialized redox flow battery utilizes a vanadium-based redox couple as positive and negative charge carriers, and uses it as an electrolyte. However, vanadium prices are rising, and in order to increase the efficiency of building an energy storage device, development of an organic molecular active material that can replace vanadium to have a higher energy density is very active.

한편 대한민국 등록특허공보 제 10-2014986호는 유기 전해액 및 이를 포함하는 레독스 플로우 전지에 관한 것으로, 용해도가 뛰어나고 수분 및 열에 대해 안정한 전해질을 사용함으로써 에너지 밀도가 높은 전지를 제공하는 것을 과제로 하는 유기 전해액을 개시하나, 바나듐을 대체하여 중성 전해액에서 용해도가 증가된 음전위 활물질을 활용하여 에너지 밀도를 증가시키는 기술에 대하여는 전혀 개시된 바가 없다. On the other hand, Republic of Korea Patent Publication No. 10-2014986 relates to an organic electrolyte and a redox flow battery containing the same, which has an excellent solubility and uses an electrolyte stable against moisture and heat to provide a battery with high energy density. Disclosed is an electrolyte, but there is no disclosure of a technique for increasing energy density by using a negative potential active material having increased solubility in a neutral electrolyte by replacing vanadium.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 유기분자를 음전위 전해액 제조의 유기 활물질로 하는 중성 전해액을 제조하여 레독스 흐름 전지의 전해액을 제공하는데 있다. The present invention is to solve the above problems, to provide an electrolyte for a redox flow battery by preparing a neutral electrolyte using organic molecules as an organic active material for preparing a negative potential electrolyte.

특히 화학적으로 안정하고 전자친화도가 높은 나프탈렌 다이이미드(Naphthalene diimide)를 음전위 전해액의 유기 활물질로 선택하고, 치환기를 도입하여 중성 전해액에서 용해도를 증가시키는 방법으로 에너지 밀도를 증가시킬 수 있는 레독스 흐름 전지용 전해액을 제공하기 위한 것이다. In particular, a redox flow that can increase energy density by selecting naphthalene diimide, which is chemically stable and has high electron affinity, as an organic active material for negative potential electrolyte, and increases solubility in neutral electrolyte by introducing a substituent An object of the present invention is to provide an electrolyte for a battery.

본 발명의 다른 목적은 레독스 흐름 전지용 전해액을 음전위 전해액으로 사용하여 에너지 밀도가 증가한 레독스 흐름 전지를 제공하는데 있다. Another object of the present invention is to provide a redox flow battery with increased energy density by using an electrolyte for a redox flow battery as a negative potential electrolyte.

본 발명의 또 다른 목적은 레독스 흐름 전지용 활물질의 제조방법을 제공하는데 있다. Another object of the present invention is to provide a method for preparing an active material for a redox flow battery.

본 발명의 상기 및 기타의 목적들은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.The above and other objects of the present invention can all be achieved by the present invention described below.

1. 본 발명의 하나의 관점은 레독스 흐름 전지용 전해액에 관한 것이다.1. One aspect of the present invention relates to an electrolyte solution for a redox flow battery.

상기 레독스 흐름 전지용 전해액은 하기 화학식 1로 표시되는 나프탈렌 다이이미드 화합물을 포함한다. The redox flow battery electrolyte includes a naphthalene diimide compound represented by the following Chemical Formula 1.

[화학식 1][Formula 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

여기서, 상기 M은 K+ 또는 Na+ 이다. Here, M is K + or Na + .

2. 상기 1구체예에서, 상기 레독스 흐름 전지용 전해액은 용매를 더 포함하며, 상기 용매는 수계 용매, 유기계 용매 또는 이들의 혼합물이고, 중성일 수 있다. 2. In the first embodiment, the redox flow battery electrolyte further includes a solvent, and the solvent is an aqueous solvent, an organic solvent, or a mixture thereof, and may be neutral.

3. 상기 1 또는 2 구체예에서, 상기 레독스 흐름 전지용 전해액은 지지전해질을 더 포함할 수 있다. 3. In embodiments 1 or 2, the redox flow battery electrolyte may further include a supporting electrolyte.

4. 상기 1 내지 3 구체예에서, 상기 나프탈렌 다이이미드 화합물은 음전위 전해액용 유기 활물질일 수 있다. 4. In the above 1 to 3 embodiments, the naphthalene diimide compound may be an organic active material for a negative potential electrolyte.

5. 상기 2 구체예에서, 상기 레독스 흐름 전지용 전해액 중 나프탈렌 다이이미드 화합물의 농도는 0.01 내지 10 M일 수 있다. 5. In the second embodiment, the concentration of the naphthalene diimide compound in the redox flow battery electrolyte may be 0.01 to 10 M.

6. 상기 2 구체예에서, 상기 레독스 흐름 전지용 전해액은 산화반응과 환원반응의 전압 차이가 0.8 V이하일 수 있다. 6. In the second embodiment, the redox flow battery electrolyte may have a voltage difference between the oxidation reaction and the reduction reaction of 0.8 V or less.

7. 본 발명의 다른 관점은 양극 및 양전위 전해액을 포함하는 양극셀;7. Another aspect of the present invention is a positive electrode cell comprising a positive electrode and a positive potential electrolyte;

상기 양극셀 일측에 대향되게 배치되며, 음극 및 음전위 전해액을 포함하는 음극셀; 및 a cathode cell disposed opposite to one side of the anode cell, the cathode cell including a cathode and a negative potential electrolyte; and

상기 양극셀과 음극셀 사이에 배치되는 분리막;을 포함하고, a separator disposed between the anode cell and the cathode cell; and

상기 음전위 전해액은 하기 화학식 1로 표시되는 나프탈렌 다이이미드 화합물을 포함하는 레독스 흐름 전지를 제공한다. The negative potential electrolyte provides a redox flow battery including a naphthalene diimide compound represented by the following Chemical Formula 1.

[화학식 1][Formula 1]

Figure pat00002
Figure pat00002

여기서, 상기 M은 K+ 또는 Na+ 이다. Here, M is K + or Na + .

8. 상기 7 구체예에서, 상기 양전위 전해액은 4-하이드록시 템포(4-OH-TEMPO)를 포함할 수 있다. 8. In the 7th embodiment, the positive potential electrolyte may include 4-hydroxy tempo (4-OH-TEMPO).

9. 상기 7 또는 8구체예에서, 상기 나프탈렌 다이이미드 화합물과 4-하이드록시 템포(4-OH-TEMPO)의 몰농도비는 1 : 2 내지 1 : 4일 수 있다. 9. In the 7th or 8th embodiment, the molar concentration ratio of the naphthalene diimide compound and 4-hydroxy tempo (4-OH-TEMPO) may be 1: 2 to 1: 4.

10. 상기 7 내지 9 구체예에서, 상기 음전위 전해액과 양전위 전해액의 산화반응과 환원반응의 전압 차이가 1.0 V 이상일 수 있다. 10. In the above 7 to 9 embodiments, the voltage difference between the oxidation reaction and the reduction reaction of the negative potential electrolyte and the positive potential electrolyte may be 1.0 V or more.

11. 본 발명의 또 다른 측면은 레독스 흐름 전지용 활물질의 제조방법을 제공한다. 11. Another aspect of the present invention provides a method for preparing an active material for a redox flow battery.

상기 레독스 흐름 전지용 활물질 제조방법은 (a) 나프탈렌 테트라카르복실릭 디안하이드라이드에 글리신을 반응시켜, 글리시닐 그룹이 치환된 중간체를 형성하는 단계; 및 The method for preparing an active material for a redox flow battery includes the steps of (a) reacting naphthalene tetracarboxylic dianhydride with glycine to form an intermediate substituted with a glycinyl group; and

(b) 상기 중간체에 탄산염을 반응시키는 단계;를 포함한다. (b) reacting the intermediate with a carbonate; includes.

12. 상기 11 구체예에서, 상기 탄산염은 탄산나트륨 또는 탄산칼륨일 수 있다.12. In the 11th embodiment, the carbonate may be sodium carbonate or potassium carbonate.

본 발명은 에너지 밀도가 증가되고, 레독스 반응의 안정성이 증가된 레독스 흐름 전지용 전해액을 제공한다. The present invention provides an electrolyte for a redox flow battery with increased energy density and increased stability of the redox reaction.

나프탈렌 다이이미드에 글리시닐 그룹(glycinyl group)을 치환하고 금속 이온 쌍을 형성시켜 화학적으로 안정하고 전자 친화도가 높은 유기 활물질을 효과적으로 제조할 수 있으며, 상기 유기 활물질은 중성 용액에서 용해도가 증가되어 중성 수계 전해액에서 구동이 가능하며, 음전위 전해액으로 사용가능하다.By substituting a glycinyl group in naphthalene diimide and forming a metal ion pair, an organic active material that is chemically stable and has high electron affinity can be effectively prepared, and the organic active material has increased solubility in a neutral solution. It can be operated in a neutral aqueous electrolyte and can be used as a negative potential electrolyte.

상기 유기 활물질은 음전위 전해액으로 사용되는 경우 순차적으로 두 개의 전자의 이동을 통하여 레독스 흐름 전지의 에너지 밀도를 크게 증가시킬 수 있으며, 충전 방전 사이클에 따른 안정성을 크게 증가시킬 수 있다. When the organic active material is used as a negative potential electrolyte, it is possible to significantly increase the energy density of the redox flow battery through the sequential movement of two electrons, and to significantly increase stability according to the charge/discharge cycle.

도 1은 본 발명의 한 구체예에 따라 1 M KCl 수용액에서 5 mM 칼륨 이온 쌍을 포함한 나프탈렌 다이이미드 화합물(K2-BNDI)을 포함하는 전해액의 30 mV/s에서 500 사이클까지의 순환전압전류 분석 그래프이다.
도 2는 본 발명의 한 구체예에 따라 1 M KCl 수용액에서 5 mM 칼륨 이온 쌍을 포함한 나프탈렌 다이이미드 화합물(K2-BNDI)을 포함하는 전해액의 5에서 640 mV/s까지 주사속도(scan rate)를 변화시킨 순환전압전류 분석 그래프이다.
도 3은 본 발명의 한 구체예에 따른 나프탈렌 다이이미드 화합물(K2-BNDI)이 이온 쌍을 가지는 경우 및 이온 쌍이 없는 경우의 레독스 전위를 나타낸 모식도이다.
도 4는 본 발명의 한 구체예에 따라 1 M NaCl 수용액에서 5 mM 나트륨 이온 쌍을 포함한 나프탈렌 다이이미드 화합물(Na2-BNDI)을 포함하는 전해액의 30 mV/s에서 500 사이클까지의 순환전압전류 분석 그래프이다.
도 5는 본 발명의 한 구체예에 따라 1 M NaCl 수용액에서 5 mM 나트륨 이온 쌍을 포함한 나프탈렌 다이이미드 화합물(Na2-BNDI)을 포함하는 전해액의 5에서 640 mV/s까지 주사속도(scan rate)를 변화시킨 순환전압전류 분석 그래프이다.
도 6은 전해액의 전기화학적 안정성을 평가하기 위한 고정 대칭 셀의 모식도이다.
도 7은 본 발명의 한 구체예에 따른 나프탈렌 다이이미드 화합물(K2-BNDI)의 70 mA/g에서의 225 사이클의 보유 용량(Q)을 나타내는 정전류 테스트 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 한 구체예에 따른 레독스 흐름 전지에 있어서, 10 mM의 나프탈렌 다이이미드 화합물(K2-BNDI)을 음전위 전해액으로, 20 mM의 4-OH-TEMPO를 양전위 전해액으로 구성하고, 40 mV/s의 주사속도로 측정한 순환전압전류를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 한 구체예에 따른 레독스 흐름 전지에 있어서, 15 mL/min의 유속과 5 mA/Cm2 의 전류 밀도를 가지는 플로우 셀에서, 25 mM의 나프탈렌 다이이미드 화합물(K2-BNDI)을 음전위 전해액으로, 100 mM의 4-OH-TEMPO를 양전위 전해액으로 구성하고, 20 사이클에서의 충전 및 방전의 정전류 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 한 구체예 따른 레독스 흐름 전지에 있어서, 10 mM의 나프탈렌 다이이미드 화합물(K2-BNDI)을 음전위 전해액으로, 20 mM의 4-OH-TEMPO를 양전위 전해액으로 구성하고, 100 사이클에 따른 보유용량(Q) 및 쿨롱 효율(CE)를 나타낸 것이다.
도 11은 본 발명의 한 구체예에 따라 25 mM의 K2-BNDI와 100 mM의 4-OH-TEMPO로 구성된 레독스 흐름 전지에서 전류 밀도의 변화에 따른 정전류 사이클을 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 한 구체예에 따라 25 mM의 K2-BNDI와 100 mM의 4-OH-TEMPO로 구성된 레독스 흐름 전지에서 전류 밀도에 따른 쿨롱 효율(CE), 전압 효율(VE) 및 에너지 효율(EE)를 나타낸 것이다.
도 13은 본 발명의 한 구체예에 따라, 25 mM의 K2-BNDI와 100 mM의 4-OH-TEMPO로 구성된 레독스 흐름 전지에서 100 사이클 동안의 쿨롱 효율(CE) 및 보유 용량을 나타낸 그래프이다.
도 14는 본 발명의 한 구체예에 따른 40 mM의 Na2-BNDI와 160 mM의 4-OH-TEMPO로 구성된 레독스 흐름 전지에서 전류 밀도를 5에서 20 mA/cm2 의 전류 밀도 변화에 따른 정전류 사이클을 나타낸 그래프이다.
도 15는 본 발명의 한 구체예에 따른 40 mM의 Na2-BNDI와 160 mM의 4-OH-TEMPO로 구성된 레독스 흐름 전지에서 200 사이클에 대한 보유 용량 및 쿨롱효율을 나타낸 그래프이다.
1 is a cyclic voltammetry from 30 mV/s to 500 cycles of an electrolyte containing a naphthalene diimide compound (K 2 -BNDI) containing 5 mM potassium ion pair in a 1 M KCl aqueous solution according to an embodiment of the present invention; analysis graph.
2 is a scan rate from 5 to 640 mV/s of an electrolyte containing a naphthalene diimide compound (K 2 -BNDI) containing 5 mM potassium ion pair in a 1 M KCl aqueous solution according to an embodiment of the present invention; ) is a cyclic voltammetry analysis graph.
Figure 3 is a schematic diagram showing the redox potential when the naphthalene diimide compound (K 2 -BNDI) according to an embodiment of the present invention has an ion pair and when there is no ion pair.
4 is a cyclic voltammetry from 30 mV/s to 500 cycles of an electrolyte containing a naphthalene diimide compound (Na 2 -BNDI) containing 5 mM sodium ion pair in a 1 M NaCl aqueous solution according to an embodiment of the present invention. analysis graph.
5 is a scan rate from 5 to 640 mV/s of an electrolyte containing a naphthalene diimide compound (Na 2 -BNDI) containing 5 mM sodium ion pair in a 1 M NaCl aqueous solution according to an embodiment of the present invention; ) is a cyclic voltammetry analysis graph.
6 is a schematic diagram of a fixed symmetric cell for evaluating the electrochemical stability of an electrolyte.
7 is a graph showing the results of a constant current test showing the retention capacity (Q) of 225 cycles at 70 mA/g of a naphthalene diimide compound (K 2 -BNDI) according to an embodiment of the present invention.
8 is a redox flow battery according to an embodiment of the present invention, 10 mM naphthalene diimide compound (K 2 -BNDI) as a negative potential electrolyte, 20 mM 4-OH-TEMPO as a positive potential electrolyte and is a graph showing the cyclic voltammetry measured at a scan rate of 40 mV/s.
9 is a redox flow battery according to an embodiment of the present invention, in a flow cell having a flow rate of 15 mL/min and a current density of 5 mA/Cm 2 , 25 mM of a naphthalene diimide compound (K 2 - BNDI) as a negative-potential electrolyte and 100 mM 4-OH-TEMPO as a positive-potential electrolyte, and the constant current measurement results of charging and discharging in 20 cycles are shown.
10 is a redox flow battery according to an embodiment of the present invention, 10 mM naphthalene diimide compound (K 2 -BNDI) as a negative potential electrolyte, and 20 mM 4-OH-TEMPO as a positive potential electrolyte, , shows the retention capacity (Q) and coulombic efficiency (CE) according to 100 cycles.
11 is a graph showing a constant current cycle according to a change in current density in a redox flow battery composed of 25 mM K 2 -BNDI and 100 mM 4-OH-TEMPO according to an embodiment of the present invention.
Figure 12 and coulombic efficiency (CE), the voltage efficiency (VE) in accordance with K 2 and LES -BNDI current density in the redox flow cell consisting of 100 mM 4-OH-TEMPO in 25 mM According to one embodiment of the present invention Energy Efficiency (EE) is shown.
13 is a graph showing the coulombic efficiency (CE) and retention capacity for 100 cycles in a redox flow cell composed of 25 mM K 2 -BNDI and 100 mM 4-OH-TEMPO, according to an embodiment of the present invention; to be.
Figure 14 according to an embodiment of the 40 mM Na 2 -BNDI with 160 mM 4-OH-TEMPO redox flow current density changes in the current density from 5 from the battery 20 mA / cm 2 according to the present invention consisting of It is a graph showing the constant current cycle.
15 is a graph showing retention capacity and coulombic efficiency for 200 cycles in a redox flow battery composed of 40 mM Na 2 -BNDI and 160 mM 4-OH-TEMPO according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 다만, 하기 도면은 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 제공되는 것일 뿐, 본 발명이 하기 도면에 의해 한정되는 것은 아니다. 또한, 도면에 개시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로 본 발명이 도시된 사항에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. However, the following drawings are provided only to help the understanding of the present invention, and the present invention is not limited by the drawings. In addition, since the shape, size, ratio, angle, number, etc. disclosed in the drawings are exemplary, the present invention is not limited to the illustrated matters.

명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. Like reference numerals refer to like elements throughout. In addition, in describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known technology may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

본 명세서 상에서 언급한 '포함한다', '갖는다', '이루어진다' 등이 사용되는 경우 '~만'이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다.When 'including', 'having', 'consisting', etc. mentioned in this specification are used, other parts may be added unless 'only' is used. When a component is expressed in the singular, cases including the plural are included unless otherwise explicitly stated.

구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.In interpreting the components, it is construed as including an error range even if there is no separate explicit description.

~상에', '~상부에', '~하부에', '~옆에' 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 부분이 위치할 수 있다.When the positional relationship between two parts is described with ‘on’, ‘on’, ‘on’, ‘beside’, etc., unless ‘directly’ or ‘directly’ is used, between the two parts One or more other portions may be located.

'상부', '상면', '하부', '하면' 등과 같은 위치 관계는 도면을 기준으로 기재된 것일 뿐, 절대적인 위치 관계를 나타내는 것은 아니다. 즉, 관찰하는 위치에 따라, '상부'와 '하부' 또는 '상면'과 '하면'의 위치가 서로 변경될 수 있다. Positional relationships such as 'upper', 'top', 'lower', and 'bottom' are only described based on the drawings, and do not represent absolute positional relationships. That is, the positions of 'upper' and 'lower' or 'upper surface' and 'lower surface' may be changed according to the observed position.

본 발명은 유기 활물질인 나프탈렌 다이이미드(naphthalene diimide)에 두 개의 글리시닐 그룹(glycinyl group)의 치환기를 도입하여 중성 수계 용액에서 용해도가 증가되어 에너지 밀도가 증가된 레독스 흐름 전지용 전해액을 제공한다. The present invention provides an electrolyte for a redox flow battery with increased energy density by introducing a substituent of two glycinyl groups to naphthalene diimide, an organic active material, to increase solubility in a neutral aqueous solution. .

구체적으로 본 발명의 하나의 관점에 따른 레독스 흐름 전지용 전해액은 하기 화학식 1로 표시되는 나프탈렌 다이이미드 화합물을 포함한다.Specifically, the electrolyte for a redox flow battery according to an aspect of the present invention includes a naphthalene diimide compound represented by the following Chemical Formula 1.

[화학식 1][Formula 1]

Figure pat00003
Figure pat00003

여기서, 상기 M은 K+ 또는 Na+ 이다.Here, M is K + or Na + .

상기 나프탈렌 다이이미드(이하 'NDI')는 하나의 분자에서 두 개의 전자를 가질 수 있으며, 높은 전자 친화도와 열 및 산화 안정성을 갖는다. The naphthalene diimide (hereinafter 'NDI') may have two electrons in one molecule, and has high electron affinity and thermal and oxidation stability.

특히 다환 방향족 고리에 형성된 연장된 파이 컨쥬게이션(π-conjugation)은 환원반응 동안 분자 구조의 변화가 최소로 매우 안정하다. In particular, the extended pi-conjugation (π-conjugation) formed on the polycyclic aromatic ring is very stable with minimal change in molecular structure during the reduction reaction.

상기 NDI는 수계 용해도가 낮으나, 이온 쌍을 가지는 글리시닐 그룹으로 치환되는 경우 용해도가 증가되며, 상기 이온 쌍은 전자 전달을 증가시키는데 매우 효과적이다.The NDI has low solubility in water, but solubility increases when substituted with a glycinyl group having an ion pair, and the ion pair is very effective in increasing electron transport.

상기 화학식 1로 표시되는 나프탈렌 다이이미드 화합물에서 M이 K+인 경우에는 K2-BNDI로 나타내고, Na+인 경우 Na2-BNDI로 나타내었다. In the naphthalene diimide compound represented by Formula 1 , when M is K + , it is expressed as K 2 -BNDI, and when it is Na + , it is expressed as Na 2 -BNDI.

상기 레독스 흐름 전지용 전해액은 상기 나프탈렌 다이이미드 화합물은 단독 또는 2 종으로 혼합하여 사용할 수 있다.In the redox flow battery electrolyte, the naphthalene diimide compound may be used alone or in a mixture of two.

상기 레독스 흐름 전지용 전해액은 용매를 더 포함하며, 상기 용매는 수계 용매, 유기계 용매 또는 이들의 혼합물이고, 중성인 상기 용매는 수계, 비수계 용매 또는 이들의 혼합물로 중성일 수 있다. The redox flow battery electrolyte further includes a solvent, and the solvent is an aqueous solvent, an organic solvent, or a mixture thereof, and the neutral solvent may be neutral as an aqueous, non-aqueous solvent, or a mixture thereof.

구체적으로 상기 용매는 중성 수계인 것이 바람직하며, 중성 수계인 경우 상기 용질이 유기 활물질로 첨가되어 음전의 전해액을 형성할 수 있다. Specifically, the solvent is preferably a neutral aqueous system, and in the neutral aqueous system, the solute may be added as an organic active material to form a negative electrolyte.

상기 레독스 흐름 전지용 전해액은 지지전해질을 더 포함할 수 있다. The redox flow battery electrolyte may further include a supporting electrolyte.

상기 지지전해질은 특별하게 제한되지는 않으나, LiBF4, LiPF6, LiClO4, LiCH3SO3, Li(CF3SO2)2N, TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoroborate), TBABF4(tetrabuthyl ammonium tetrafluoroborate), NaBF4, NaPF6, 트리메틸설포닐클로라이드(trimethyl sulfonylchloride), (NH4)2SO4 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상이 가능하다. The supporting electrolyte is not particularly limited, but LiBF 4 , LiPF 6 , LiClO 4 , LiCH 3 SO 3 , Li(CF 3 SO 2 ) 2 N, TEABF 4 (tetraethylammonium tetrafluoroborate), TBABF 4 (tetrabuthyl ammonium tetrafluoroborate), NaBF 4 , NaPF 6 , trimethyl sulfonyl chloride (trimethyl sulfonylchloride), (NH 4 ) 2 SO 4 Any one or two or more selected from the group consisting of a combination thereof is possible.

상기 나프탈렌 다이이미드 화합물은 음전위 전해액용 유기 활물질이다. The naphthalene diimide compound is an organic active material for a negative potential electrolyte.

상기 나프탈렌 다이이미드 화합물은 낮은 음전위를 가지며, 안정한 두 개의 전자 이동이 가능하며 레독스 흐름 전지용 전해액 중 음전위 전해액(negolyte)으로 사용할 수 있다. The naphthalene diimide compound has a low negative potential, is capable of stable two electron movement, and can be used as a negative potential electrolyte (negolyte) among electrolytes for redox flow batteries.

상기 레독스 흐름 전지용 전해액 중 나프탈렌 다이이미드 화합물의 농도는 0.01 내지 10 M일 수 있다. The concentration of the naphthalene diimide compound in the redox flow battery electrolyte may be 0.01 to 10 M.

상기 범위 내에서 중성 수계 용매에서 침전을 형성하기 않으며, 음전위 전해액을 형성할 수 있다. It does not form a precipitation in a neutral aqueous solvent within the above range, and may form a negative potential electrolyte.

상기 레독스 흐름 전지용 전해액은 산화반응과 환원반응의 전압 차이가 0.8 V이하일 수 있다. The redox flow battery electrolyte may have a voltage difference between the oxidation reaction and the reduction reaction of 0.8 V or less.

상기 레독스 흐름 전지용 전해액은 수계 중성 용매인 경우 표준전극에 대해 전압 차이가 0.8 이하(-0.8 vs. SHE)로 낮은 전압을 나타내어 음전위 전해액으로 사용 가능하다. In the case of the redox flow battery electrolyte, in the case of an aqueous neutral solvent, the voltage difference with respect to the standard electrode is 0.8 or less (-0.8 vs.

본 발명의 다른 관점은 양극 및 양전위 전해액을 포함하는 양극셀; 상기 양극셀 일측에 대향되게 배치되며, 음극 및 음전위 전해액을 포함하는 음극셀; 및 상기 양극셀과 음극셀 사이에 배치되는 분리막;을 포함하고, 상기 음전위 전해액은 하기 화학식 1로 표시되는 나프탈렌 다이이미드 화합물을 포함하는 레독스 흐름 전지를 제공한다.Another aspect of the present invention is a positive electrode cell comprising a positive electrode and a positive potential electrolyte; a cathode cell disposed opposite to one side of the anode cell, the cathode cell including a cathode and a negative potential electrolyte; and a separator disposed between the positive electrode cell and the negative electrode cell, wherein the negative potential electrolyte provides a redox flow battery including a naphthalene diimide compound represented by the following Chemical Formula 1.

[화학식 1][Formula 1]

Figure pat00004
Figure pat00004

여기서, 상기 M은 K+ 또는 Na+ 이다. Here, M is K + or Na + .

상기 양전위 전해액은 4-하이드록시 템포(이하 '4-OH-TEMPO')을 포함한다. The positive potential electrolyte includes 4-hydroxy tempo (hereinafter '4-OH-TEMPO').

상기 4-OH-TEMPO는 기준전극(Ag/AgCl)에 대해 0.6 V의 전위로 하나의 전자 전달이 가역적으로 가능하고, 레독스 흐름 전지 전지에서 양전위 전해액으로 사용되는 경우 전지 사이클의 안정성을 증가시킬 수 있다. The 4-OH-TEMPO can reversibly transfer one electron to a potential of 0.6 V with respect to the reference electrode (Ag/AgCl), and when used as a positive potential electrolyte in a redox flow battery, increases the stability of the battery cycle can do it

상기 나프탈렌 다이이미드 화합물과 4-하이드록시 템포(4-OH-TEMPO)의 몰농도비는 1 : 2 내지 1 : 4일 수 있다. The molar concentration ratio of the naphthalene diimide compound and 4-hydroxy tempo (4-OH-TEMPO) may be 1: 2 to 1: 4.

상기 몰농도비의 범위에서 사이클 증가에 따른 안정성을 유지할 수 있다. In the range of the molar concentration ratio, it is possible to maintain stability as the cycle increases.

상기 음전위 전해액과 양전위 전해액의 산화반응과 환원반응의 전압 차이가 1.0 V 이상일 수 있다. A voltage difference between the oxidation reaction and the reduction reaction between the negative potential electrolyte and the positive potential electrolyte may be 1.0 V or more.

상기 음전위 전해액이 상기 나프탈렌 다이이미드 화합물을 용질로 선택하고, 상기 양전위 전해액이 4-OH-TEMPO를 용질로 선택하는 경우 전압 차이가 1.0 V이상으로 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다. When the negative potential electrolyte selects the naphthalene diimide compound as a solute, and the positive potential electrolyte selects 4-OH-TEMPO as a solute, the voltage difference may increase the energy density to 1.0 V or more.

보다 구체적으로 상기 전압은 1.0 내지 1.27 V일 수 있다. More specifically, the voltage may be 1.0 to 1.27 V.

본 발명의 또 다른 측면에 따른 레독스 흐름 전지용 활물질 제조방법은 (a) 나프탈렌 테트라카르복실릭 디안하이드라이드에 글리신을 반응시켜, 글리시닐 그룹이 치환된 중간체를 형성하는 단계; 및 (b) 상기 중간체에 탄산염을 반응시키는 단계;를 포함한다. A method for preparing an active material for a redox flow battery according to another aspect of the present invention comprises the steps of (a) reacting glycine with naphthalene tetracarboxylic dianhydride to form an intermediate substituted with a glycinyl group; and (b) reacting the intermediate with a carbonate.

우선 나프탈렌 테트라카르복실릭 디안하이드라이드에 글리신을 첨가하고 글리시닐 그룹이 치환된 중간체를 형성한다. First, glycine is added to naphthalene tetracarboxylic dianhydride to form an intermediate substituted with a glycinyl group.

이 때 아세트산을 사용하여 환류시켜 상기 중간체를 형성할 수 있다. At this time, the intermediate may be formed by refluxing using acetic acid.

상기 중간체에 탄산염을 첨가하고, 반응시켜 금속 이온 쌍이 포함된 나프탈렌 다이이미드 화합물을 제조하였다. Carbonate was added to the intermediate and reacted to prepare a naphthalene diimide compound containing a metal ion pair.

상기 나프탈렌 다이이미드 화합물을 음전위 전해액의 유기 활물질로 사용이 가능하다.The naphthalene diimide compound may be used as an organic active material of the negative potential electrolyte.

상기 탄산염은 탄산나트륨 또는 탄산칼륨일 수 있다. The carbonate may be sodium carbonate or potassium carbonate.

상기 탄산염이 탄산나트륨 또는 탄산칼륨인 경우에 두 개의 전자 이동이 가능한 음전위 전해액을 형성할 수 있다. When the carbonate is sodium carbonate or potassium carbonate, a negative potential electrolyte in which two electrons can move may be formed.

상기 레독스 흐름 전지용 활물질의 수율이 85 내지 95%일 수 있다. The yield of the active material for the redox flow battery may be 85 to 95%.

상기 나프탈렌 전구체를 시작물질로 하여 글리시딜 그룹을 치환하는 경우 높은 수율로 나프탈렌 다이이미드 화합물을 수득할 수 있다. When the glycidyl group is substituted with the naphthalene precursor as a starting material, a naphthalene diimide compound can be obtained in high yield.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples are presented to help the understanding of the present invention, but the following examples are only illustrative of the present invention and the scope of the present invention is not limited to the following examples.

실시예 1. 음전위 전해액용 유기 활물질 제조Example 1. Preparation of organic active material for negative potential electrolyte

[반응식 1][Scheme 1]

Figure pat00005
Figure pat00005

상기 반응식 1에 따라 나프탈렌 다이이미드 화합물을 제조하였다. A naphthalene diimide compound was prepared according to Scheme 1.

나프탈렌 테트라카르복실릭 디안하이드라이드(Naphthalenetetracarboxylic dianhydride)를 전구체로 하여 글리신을 첨가하고 아세트산 하에서 4시간 동안 환류시켜 글리시닐 그룹으로 치환된 중간체를 형성하고, K+ 이온을 포함하는 K2CO3와Na+이온을 포함하는 Na2CO3 를 용액에서 60 ℃에서 12 시간 동안 반응시켜 90% 수율로 나프탈렌 다이이미드 화합물인 K2-BNDI 및 Na2-BNDI를 제조하였다. Glycine was added using Naphthalenetetracarboxylic dianhydride as a precursor and refluxed for 4 hours under acetic acid to form an intermediate substituted with a glycinyl group, and K 2 CO 3 containing K + ions and Na 2 CO 3 containing Na + ions was reacted in a solution at 60 ° C. for 12 hours to prepare naphthalene diimide compounds K 2 -BNDI and Na 2 -BNDI in 90% yield.

실험예 1. 나프탈렌 다이아미드 화합물의 전기화학적 물성 확인Experimental Example 1. Confirmation of electrochemical properties of naphthalene diamide compound

도 1은 본 발명의 한 구체예에 따라 1 M KCl 수용액에서 5 mM 칼륨 이온 쌍을 포함한 나프탈렌 다이이미드 화합물(K2-BNDI)을 포함하는 전해액의 30 mV/s에서 500 사이클까지의 순환전압전류 분석 그래프이다. 1 is a cyclic voltammetry from 30 mV/s to 500 cycles of an electrolyte containing a naphthalene diimide compound (K 2 -BNDI) containing 5 mM potassium ion pair in a 1 M KCl aqueous solution according to an embodiment of the present invention; analysis graph.

도 1을 참조하면, K2-BNDI 를 레독스 커플([K2-BNDI]/[K2-BNDI]1- 및 [K2-BNDI]1-/[K2-BNDI]2-)로 사용하는 경우 기준전극(Ag/AgCl)에 대하여 -0.40(c1/a1) 및 -0.67(c2/a2)의 전위(E1/2)를 가지는 두 단계의 단일 전자 이동을 확인하였다. 1, using K2-BNDI as a redox couple ([K 2 -BNDI]/[K 2 -BNDI] 1- and [K 2 -BNDI] 1- /[K 2 -BNDI] 2- ) , two-step single electron transfer with potentials (E1/2) of -0.40 (c1/a1) and -0.67 (c2/a2) with respect to the reference electrode (Ag/AgCl) was confirmed.

또한 두 개의 레독스 반응이 500 사이클의 순환전압전류 스캔에서도 매우 안정하고 반복 재생 가능한 것을 확인하였다. In addition, it was confirmed that the two redox reactions were very stable and repeatable even in the cyclic voltammetry scan of 500 cycles.

도 2는 본 발명의 한 구체예에 따라 1 M KCl 수용액에서 5 mM 칼륨 이온 쌍을 포함한 나프탈렌 다이이미드 화합물(K2-BNDI)을 포함하는 전해액의 5에서 640 mV/s까지 주사속도(scan rate)를 변화시킨 순환전압전류 분석 그래프이다. 2 is a scan rate from 5 to 640 mV/s of an electrolyte containing a naphthalene diimide compound (K 2 -BNDI) containing 5 mM potassium ion pair in a 1 M KCl aqueous solution according to an embodiment of the present invention; ) is a cyclic voltammetry analysis graph.

도 2를 참조하면, 레독스 반응에 의한 전류밀도는 주사속도가 증가될수록 같이 증가되었으며, 레독스 반응에 따른 확산이 조절되는 것을 확인하였다. 특히 두 번째 환원 피크(c2)가 주사속도가 증가될수록 음전위를 방향으로 확장되는 것은 K2-BNDI 레독스 커플의 완만한 유사 가역 반응을 나타내는 것이다.Referring to FIG. 2 , it was confirmed that the current density due to the redox reaction increased as the scanning speed increased, and the diffusion according to the redox reaction was controlled. In particular, the fact that the second reduction peak (c2) extends in the negative potential direction as the scanning speed increases indicates a gentle pseudo-reversible reaction of the K 2 -BNDI redox couple.

확산 계수를 측정한 결과 처음 및 두 번째의 환원 반응에서 각각 3.95 x 10-6 그리고 1.95 x 10-6 cm2/s로 계산되었으며, 첫 반응의 경우 전자 전달 속도는 약 0.27 cm/s로 평가되었다.As a result of measuring the diffusion coefficient, it was calculated to be 3.95 x 10 -6 and 1.95 x 10 -6 cm 2 /s in the first and second reduction reactions, respectively, and in the first reaction, the electron transfer rate was estimated to be about 0.27 cm/s .

레독스 반응에 따른 전위 변화를 확인하기 위하여 컴퓨터를 사용하여 밀도범함수이론에 따른 계산을 수행하였다.In order to confirm the potential change according to the redox reaction, calculations were performed according to the density functional theory using a computer.

도 3은 본 발명의 한 구체예에 따른 나프탈렌 다이이미드 화합물(K2-BNDI)이 이온 쌍을 가지는 경우 및 이온 쌍이 없는 경우의 레독스 전위를 나타낸 모식도이다. Figure 3 is a schematic diagram showing the redox potential when the naphthalene diimide compound (K 2 -BNDI) according to an embodiment of the present invention has an ion pair and when there is no ion pair.

도 3을 참조하면, 첫번째 환원반응에서 K2-BNDI의 전위 -0.39V는 측정값 -0.40과 유사한 것을 확인하였다. Referring to FIG. 3 , it was confirmed that the potential -0.39V of K 2 -BNDI in the first reduction reaction was similar to the measured value -0.40.

두 번째 환원 반응에서 -0.98 V의 값이 계산되었는데, 이는 실제 측정값 -0.67보다 310 mV 더 음전위이다. In the second reduction reaction, a value of -0.98 V was calculated, which is 310 mV more negative than the actual measured value of -0.67.

K+ 이온의 추가적인 첨가는 접촉 이온 쌍(contact ion pair)을 가지는 [K3-BNDI]1- 을 형성하고, 이는 계산값과 실제 측정값의 불일치를 설명해 준다. Further addition of K+ ions forms [K 3 -BNDI] 1- with a contact ion pair, which explains the discrepancy between the calculated values and the actual measurements.

K+ 이온의 추가는 -8.0 kcal/mol의 자유 에너지 전하와 관련되어 있으며, 이 에너지를 포함하여 계산하는 경우 레독스 전위는 -0.63V가 되며, 이는 실험값과 일치하였다. The addition of K+ ions is related to a free energy charge of -8.0 kcal/mol, and when this energy is included, the redox potential becomes -0.63V, which is consistent with the experimental value.

환원된 [K2-BNDI]1- 에 대한 K+ 이온의 추가에 따른 결합은 17.3 kcal/mol로 비호의적인 반응이며 이온 쌍의 형성은 두 번째 환원반응 이후에 형성되는 것을 알 수 있다. 이러한 반응은 확산이 제한되고, 수화된 K+ 이온이 수계 용매에서 이온 쌍을 형성하기 위해 분산되는 제약이 된다.Binding according to the addition of K+ ions to the reduced [K 2 -BNDI] 1- is 17.3 kcal/mol, which is an unfavorable reaction, and it can be seen that the formation of an ion pair is formed after the second reduction reaction. This reaction is diffusion limited and the hydrated K+ ions disperse to form ion pairs in aqueous solvents.

-70.6kcal/mol의 용매화 에너지를 고려할 때 탈용매화가 두 번째 환원반응에 반응속도를 감소시키는 요인이 될 수 있으며, 주사속도에 관련된 확장을 이끈다. Considering the solvation energy of -70.6 kcal/mol, desolvation can be a factor in reducing the reaction rate in the second reduction reaction, leading to an expansion related to the scanning rate.

상기 계산은 수계 용매에 첫 번째 및 두 번째 환원반응 이후에 수용액 내의 [K2-BNDI]1- 및 [K3-BNDI]1- 와 같은 1가 음이온종이 계속 유지 되는 것을 나타내며, [K2-BNDI]2- 인 2가 음이온종은 반대 양이온 첨가로 인하여 유지되지 못하는 것을 나타내었다. The above calculation indicates that monovalent anionic species such as [K 2 -BNDI] 1- and [K 3 -BNDI] 1- in aqueous solution are continuously maintained after the first and second reduction reactions in an aqueous solvent , [K 2 - BNDI] 2- phosphorus divalent anionic species were not retained due to addition of counter cations.

도 4는 본 발명의 한 구체예에 따라 1 M NaCl 수용액에서 5 mM 나트륨 이온 쌍을 포함한 나프탈렌 다이이미드 화합물(Na2-BNDI)을 포함하는 전해액의 30 mV/s에서 500 사이클까지의 순환전압전류 분석 그래프이다. 4 is a cyclic voltammetry from 30 mV/s to 500 cycles of an electrolyte containing a naphthalene diimide compound (Na 2 -BNDI) containing 5 mM sodium ion pair in a 1 M NaCl aqueous solution according to an embodiment of the present invention. analysis graph.

도 5는 본 발명의 한 구체예에 따라 1 M NaCl 수용액에서 5 mM 나트륨 이온 쌍을 포함한 나프탈렌 다이이미드 화합물(Na2-BNDI)을 포함하는 전해액의 5에서 640 mV/s까지 주사속도(scan rate)를 변화시킨 순환전압전류 분석 그래프이다. 5 is a scan rate from 5 to 640 mV/s of an electrolyte containing a naphthalene diimide compound (Na 2 -BNDI) containing 5 mM sodium ion pair in a 1 M NaCl aqueous solution according to an embodiment of the present invention; ) is a cyclic voltammetry analysis graph.

도 4 및 5를 참조하면, 나트륨 이온 쌍이 형성되는 경우에도 가역적 환원반응으로 안정하고 반복 재생 가능한 것을 확인하였다. 4 and 5, it was confirmed that even when sodium ion pairs are formed, stable and repeatable regeneration is possible through a reversible reduction reaction.

실험예 2. 나프탈렌 다이이미드 화합물의 화학적 및 전기화학적 안정성 평가 Experimental Example 2. Evaluation of chemical and electrochemical stability of naphthalene diimide compound

K2-BNDI의 화학적 전기화학적 안정성을 평가하였다. The chemical electrochemical stability of K 2 -BNDI was evaluated.

도 6은 전해액의 전기화학적 안정성을 평가하기 위한 고정 대칭 셀의 모식도이다. 6 is a schematic diagram of a fixed symmetric cell for evaluating the electrochemical stability of an electrolyte.

상기 셀에서, 환원된 K2-BNDI를 레독스 커플을 상대전극으로 하여 화학적 및 전기화학적 안정성을 평가하였다. In the cell, chemical and electrochemical stability was evaluated using reduced K 2 -BNDI as a counter electrode as a redox couple.

일반적인 활물질 5mM [K2-BNDI] 가 1M KCl 용매에 혼합하여 좌측 셀에 배치하고, 환원시킨 활물질 5mM [K2-BNDI]2- 를 1M KCl 용매에 혼합하여 우측 셀에 배치하는 대칭 셀을 구성하였다. Common active material 5mM [K 2 -BNDI] is mixed with 1M KCl solvent and placed in the left cell, and the reduced active material 5mM [K 2 -BNDI] 2- is mixed with 1M KCl solvent and placed in the right cell to form a symmetrical cell did

도 7은 본 발명의 한 구체예에 따른 나프탈렌 다이이미드 화합물(K2-BNDI)의 70 mA/g에서의 225 사이클의 보유 용량(Q)을 나타내는 정전류 테스트 결과를 나타낸 그래프이다. 7 is a graph showing the results of a constant current test showing the retention capacity (Q) of 225 cycles at 70 mA/g of a naphthalene diimide compound (K 2 -BNDI) according to an embodiment of the present invention.

도 7의 삽도에서 용량에 대한 전압의 변화를 나타내었다. The inset of FIG. 7 shows the change in voltage with respect to the capacitance.

화살표로 표시된 부분은 첫 번째 환원반응에서 전위의 이동을 나타낸 것이다. The part indicated by the arrow indicates the shift of the potential in the first reduction reaction.

도 7을 참조하면, 첫 번째 사이클에서 기준전극(vs. Ag/AgCl)에 대해 -0.44 및 -0.69의 전위 정체를 확인하였으며, 이는 실험예 1의 순환전류전압 측정에 따른 전위(E1/2) 결과와 일치하였다. Referring to FIG. 7 , in the first cycle, potential stagnation of -0.44 and -0.69 with respect to the reference electrode (vs. Ag/AgCl) was confirmed, which is the potential (E 1/2) according to the cyclic current voltage measurement of Experimental Example 1. ) was consistent with the results.

사이클의 증가에 따른 첫 번째 환원반응의 전위가 감소되고, 상기 삽도의 화살표에 표시된 부분을 확인하면 두 번째 환원반응의 정체 그래프와 겹쳐졌다. 이는 대응하는 산화반응에 따른 음전위의 이동을 나타내는 것이다. As the cycle increased, the potential of the first reduction reaction was decreased, and when the portion indicated by the arrow in the inset was confirmed, it was overlapped with the stagnant graph of the second reduction reaction. This indicates the shift of the negative potential according to the corresponding oxidation reaction.

첫 번째 환원반응의 전위(c1)의 감소와 두 번째 전위(c2)의 증가가 500 사이클 동안 관찰되지 않았으며, 시간에 의존하는 화학반응이 오직 정전류 조건에서만 나타나는 것으로 확인되었다. A decrease in the potential (c1) of the first reduction reaction and an increase in the second potential (c2) were not observed for 500 cycles, and it was confirmed that the time-dependent chemical reaction appeared only under constant current conditions.

적용된 전위가 첫 번째 환원반응에 따라 제한되었을 때는 이러한 환원 전위의 감소가 나타나지 않았다. When the applied potential was limited according to the first reduction reaction, this reduction of the reduction potential was not observed.

공기 중에 개방된 회로의 전압의 확인은 레독스 흐름 전지 시스템에서 이러한 경향을 감소시키는 것을 확인하였다. Identification of the voltage of the circuit open to air was confirmed to reduce this tendency in the redox flow cell system.

전기화학적분석 결과는 두 번째 환원반응 동안 K+이온을 가지는 접촉 이온 쌍과 관련된 것을 나타내었다. 비록 이온 쌍이 두 번째 환원반응 이후에 무력화 되더라도 [K2-BNDI] 주위의 K+이온이 첫 번째 환원반응을 방해할 수 있으며, 전위의 일반적이지 않은 분극을 일으키는 것으로 확인되었으나, 이러한 특징적인 환원반응의 형태는 두개의 전자 전달 과정의 전체 보유 용량을 감소시키지 않았다. The electrochemical analysis results showed that during the second reduction reaction, contact ion pairs with K + ions were involved. Although the ion pair is neutralized after the second reduction reaction, it has been confirmed that K + ions around [K 2 -BNDI] can interfere with the first reduction reaction and cause unusual polarization of the potential, but this characteristic reduction reaction The morphology did not reduce the overall retention capacity of the two electron transport processes.

또한 대칭 셀은 14일을 초과하여 225 사이클 동안 매우 안정적인 것으로 확인되었으며, 용량감소는 0.042%/일에 불과하여 [K2-BNDI]가 굉장히 레독스 안정성을 가지는 것을 확인하였다. In addition, the symmetric cell was confirmed to be very stable for 225 cycles over 14 days, and the capacity reduction was only 0.042%/day, confirming that [K 2 -BNDI] had very redox stability.

실험예 3. 레독스 흐름 전지 성능 평가 Experimental Example 3. Redox flow battery performance evaluation

4-OH-TEMPO(4-hydroxy-2,2,6,6-tetramethyl piperidine-1-oxyl)를 양전위 전해질(posolyte)로 사용하고, [K2-BNDI]를 사용하여 레독스 흐름 전지를 제조하였다. Using 4-OH-TEMPO (4-hydroxy-2,2,6,6-tetramethyl piperidine-1-oxyl) as a positive potential electrolyte (posolyte), [K 2 -BNDI] was used to prepare a redox flow battery. prepared.

이하에서 용매는 모두 1 M KCl을 사용하였다. In the following, all solvents were 1 M KCl.

도 8은 본 발명의 한 구체예에 따른 레독스 흐름 전지에 있어서, 10 mM의 나프탈렌 다이이미드 화합물(K2-BNDI])을 음전위 전해액으로, 20 mM의 4-OH-TEMPO를 양전위 전해액으로 구성하고, 40 mV/s의 주사속도로 측정한 순환전압전류를 나타낸 그래프이다. 8 is a redox flow battery according to an embodiment of the present invention, 10 mM naphthalene diimide compound (K 2 -BNDI]) as a negative potential electrolyte, 20 mM 4-OH-TEMPO as a positive potential electrolyte This is a graph showing the cyclic voltammetry measured at a scan rate of 40 mV/s.

도 9는 본 발명의 한 구체예에 따른 레독스 흐름 전지에 있어서, 15 mL/min의 유속과 5 mA/Cm2 의 전류 밀도를 가지는 플로우 셀에서, 25 mM의 나프탈렌 다이이미드 화합물(K2-BNDI)을 음전위 전해액으로, 100 mM의 4-OH-TEMPO를 양전위 전해액으로 구성하고, 20 사이클에서의 충전 및 방전의 정전류 측정 결과를 나타낸 것이다. 9 is a redox flow battery according to an embodiment of the present invention, in a flow cell having a flow rate of 15 mL/min and a current density of 5 mA/Cm 2 , 25 mM of a naphthalene diimide compound (K 2 - BNDI) as a negative-potential electrolyte and 100 mM 4-OH-TEMPO as a positive-potential electrolyte, and the constant current measurement results of charging and discharging in 20 cycles are shown.

도 10은 본 발명의 한 구체예 따른 레독스 흐름 전지에 있어서, 10 mM의 나프탈렌 다이이미드 화합물(K2-BNDI)을 음전위 전해액으로, 20 mM의 4-OH-TEMPO를 양전위 전해액으로 구성하고, 100 사이클에 따른 보유용량(Q) 및 쿨롱 효율(CE)를 나타낸 것이다. 10 is a redox flow battery according to an embodiment of the present invention, 10 mM naphthalene diimide compound (K 2 -BNDI) as a negative potential electrolyte, and 20 mM 4-OH-TEMPO as a positive potential electrolyte, , shows the retention capacity (Q) and coulombic efficiency (CE) according to 100 cycles.

도 8내지 10을 참조하면, 상기 4-OH-TEMPO를 양전위 전해액으로 선택하는 경우 기준전극(vs. Ag/AgCl)에 대해 +0.6 V의 전위에서 단일 전자의 이동이 가능하고, 1.0V 및 1.27V의 전압 차이를 나타낼 수 있다. 8 to 10, when the 4-OH-TEMPO is selected as the positive potential electrolyte, the movement of a single electron is possible at a potential of +0.6 V with respect to the reference electrode (vs. Ag/AgCl), 1.0 V and It can represent a voltage difference of 1.27V.

레독스 흐름 전지의 레독스 반응에서 전압 차이가 1.0V 이상인 것을 확인하였다. It was confirmed that the voltage difference in the redox reaction of the redox flow battery was 1.0V or more.

평균 셀의 전압은 종래 대부분의 수계 유기 레독스 흐름전지 보다 높은 전압을 나타내는 것을 확인하였다. It was confirmed that the average cell voltage exhibited a higher voltage than that of most conventional water-based organic redox flow batteries.

한편 4-OH-TEMPO 에 대한 K2-BNDI 의 이상적인 몰농도 비는 주고 받는 전자의 수를 기준으로 하여 2 : 1이다. On the other hand, the ideal molarity ratio of K 2 -BNDI to 4-OH-TEMPO is 2:1 based on the number of electrons exchanged.

상기 비율에서 용량감소가 확인되었으며, 25 mM의 [K2-BNDI]과 50 mM의 4-OH-TEMPO로 구성된 플로우 셀에서 100 사이클 동안 1.13에서 0.12 Ah/L로 용량이 감소되는 것을 확인하였으며, 이는 4-OH-TEMPO의 불안정성을 촉진한다. A decrease in capacity was confirmed in the above ratio, and it was confirmed that the capacity was reduced from 1.13 to 0.12 Ah/L for 100 cycles in a flow cell composed of 25 mM [K 2 -BNDI] and 50 mM 4-OH-TEMPO, This promotes the instability of 4-OH-TEMPO.

과량의 양전위 전해액을 추가하는 경우에는 음전위 전해액을 안정화 시킬 수 있으며, 플로우 셀에서 몰농도비를 1 : 4까지 증가시켰다. In the case of adding an excess of positive potential electrolyte, the negative potential electrolyte can be stabilized, and the molar concentration ratio was increased to 1:4 in the flow cell.

도 10을 참조하면, 1 M KCl 수용액에서 100 mM의 4-OH-TEMPO 및 25 mM의 [K2-BNDI]로 구성된 플로우 셀의 성능을 확인하였다. Referring to FIG. 10 , the performance of a flow cell composed of 100 mM 4-OH-TEMPO and 25 mM [K 2 -BNDI] in 1 M KCl aqueous solution was confirmed.

5 mA/cm2 의 전류밀도에서 96% 쿨롱효율을 가지며, 100 사이클 이후 최초 용량 1.25 Ah/L에서 83.2%를 보유하였고, 총 충전용량은 보전되는 반면에 최초 충전 전위 정체 용량이 감소되었다.It had a 96% coulombic efficiency at a current density of 5 mA/cm 2 and 83.2% at an initial capacity of 1.25 Ah/L after 100 cycles, and the initial charge potential stagnant capacity was reduced while the total charge capacity was preserved.

이것은 상술한 바와 같이 잔류된 이온 쌍에 기인하는 것이다. This is due to residual ion pairs as described above.

최초 20 사이클이 진행되는 동한 온화한 용량의 요동은 전기화학적 안정화 반응에 따라 발생하는 것이다. During the first 20 cycles, mild fluctuations in capacity occur due to electrochemical stabilization reactions.

도 11은 본 발명의 한 구체예에 따라 25 mM의 K2-BNDI와 100 mM의 4-OH-TEMPO로 구성된 레독스 흐름 전지에서 전류 밀도의 변화에 따른 정전류 사이클을 나타낸 그래프이다. 11 is a graph showing a constant current cycle according to a change in current density in a redox flow battery composed of 25 mM K 2 -BNDI and 100 mM 4-OH-TEMPO according to an embodiment of the present invention.

도 12는 본 발명의 한 구체예에 따라 25 mM의 K2-BNDI와 100 mM의 4-OH-TEMPO로 구성된 레독스 흐름 전지에서 전류 밀도에 따른 쿨롱 효율(CE), 전압 효율(VE) 및 에너지 효율(EE)를 나타낸 것이다. Figure 12 and coulombic efficiency (CE), the voltage efficiency (VE) in accordance with K 2 and LES -BNDI current density in the redox flow cell consisting of 100 mM 4-OH-TEMPO in 25 mM According to one embodiment of the present invention Energy Efficiency (EE) is shown.

도 13은 본 발명의 한 구체예에 따라, 25 mM의 K2-BNDI와 100 mM의 4-OH-TEMPO로 구성된 레독스 흐름 전지에서 100 사이클 동안의 쿨롱 효율(CE) 및 보유 용량을 나타낸 그래프이다. 13 is a graph showing the coulombic efficiency (CE) and retention capacity for 100 cycles in a redox flow cell composed of 25 mM K 2 -BNDI and 100 mM 4-OH-TEMPO, according to an embodiment of the present invention; to be.

도 11 내지 13을 참조하면, 100% 충전 상태의 분극 곡선(polarization curves)은 37 mW/cm2에서 최고 전력밀도를 나타내었다. 5에서 20 mA/cm2 의 용량변화는 각각 10 mA/cm2 에서 1.0 Ah/L, 20 mA/ cm2 에서 0.5 Ah/L를 나타내었다. 11 to 13 , the polarization curves of the 100% state of charge showed the highest power density at 37 mW/cm 2 . The change in capacity from 5 to 20 mA/cm 2 was at 10 mA/cm 2 , respectively. At 1.0 Ah/L, 20 mA/cm 2 0.5 Ah/L.

전압 효율(VE)은 5, 10, 15 및 20 mA/ cm2에서 각각 91, 83, 72 및 60%로 측정되었으며, 에너지 효율(EE) 또한 유사한 직선의 변화 경향을 나타내었다. Voltage efficiency (VE) was measured to be 91, 83, 72 and 60% at 5, 10, 15 and 20 mA/cm 2 , respectively, and energy efficiency (EE) also showed a similar linear change trend.

도 13에서 전체 100 사이클 동안 용량은 98%의 쿨롱 효율과 유사하게 커다란 전류의 변화없이 각 전류밀도에서 안정한 것으로 확인되었으며, 이는 전기화학적 조건에서 [K2-BNDI]로 구성된 음전위 전해액이 높은 안정성을 나타내었다. 13, it was confirmed that the capacity was stable at each current density without a large current change, similar to the 98% coulombic efficiency, and that the negative potential electrolyte composed of [K 2 -BNDI] under electrochemical conditions showed high stability during the entire 100 cycles in FIG. indicated.

도 14는 본 발명의 한 구체예에 따른 40 mM의 Na2-BNDI와 160 mM의 4-OH-TEMPO로 구성된 레독스 흐름 전지에서 전류 밀도를 5에서 20 mA/cm2 의 전류 밀도 변화에 따른 정전류 사이클을 나타낸 그래프이다. Figure 14 according to an embodiment of the 40 mM Na 2 -BNDI with 160 mM 4-OH-TEMPO redox flow current density changes in the current density from 5 from the battery 20 mA / cm 2 according to the present invention consisting of It is a graph showing the constant current cycle.

도 15는 본 발명의 한 구체예에 따른 40 mM의 Na2-BNDI와 160 mM의 4-OH-TEMPO로 구성된 레독스 흐름 전지에서 200 사이클에 대한 보유 용량 및 쿨롱효율을 나타낸 그래프이다. 15 is a graph showing retention capacity and coulombic efficiency for 200 cycles in a redox flow battery composed of 40 mM Na 2 -BNDI and 160 mM 4-OH-TEMPO according to an embodiment of the present invention.

도 14 및 15를 참조하면, 나트륨 이온 쌍을 가지는 나프탈렌 다이이미드 화합물을 음전위 전해액으로 하는 경우에도 1 M NaCl의 수용액의 40 mM의 Na2-BNDI가 용해되어 높은 용해도를 가지며, 보유 용량 및 쿨롱 효율이 200 사이클 동안 증가되는 것을 확인하였다. 14 and 15 , even when a naphthalene diimide compound having a sodium ion pair is used as a negative potential electrolyte, 40 mM Na 2 -BNDI in an aqueous solution of 1 M NaCl is dissolved to have high solubility, retention capacity and coulombic efficiency It was confirmed that there was an increase during this 200 cycle.

따라서 용해도가 증가된 나프탈렌 다이이미드 유도체로 형성된 K2-BNDI및 Na2-BNDI가 수계 중성 수용액에서 두 개의 전자 전달 음전위 물질로 사용될 수 잇는 것을 확인하였으며, 나프탈렌 다이이미드에 저장된 두 개의 전자가 충전 후 접촉 양이온에 의해 결합되어 안정화 되었으며, 음전위 전해액으로 K2-BNDI와 양전위 전해액으로 4-OH-TEMPO를 구성한 플로우 셀에서 에너지 효율 및 전압 효율이 각각 86% 및 91%에 달하는 순환성을 나타내었으며, 대칭 셀에서 0.042%/일의 용량 감소를 나타내어 안정성이 매우 높은 것을 확인하였다. Therefore, it was confirmed that K 2 -BNDI and Na 2 -BNDI formed from naphthalene diimide derivatives with increased solubility can be used as two electron transfer negative potential materials in aqueous neutral aqueous solution, and after charging the two electrons stored in naphthalene diimide It was stabilized by binding to contact cations, and energy efficiency and voltage efficiency reached 86% and 91%, respectively, in a flow cell composed of K 2 -BNDI as a negative-potential electrolyte and 4-OH-TEMPO as a positive-potential electrolyte. , showed a capacity reduction of 0.042%/day in the symmetric cell, confirming that the stability was very high.

이제까지 본 발명에 대하여 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.Up to now, the present invention has been looked at focusing on examples. Those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will understand that the present invention can be implemented in modified forms without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments are to be considered in an illustrative rather than a restrictive sense. The scope of the present invention is indicated in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the present invention.

Claims (12)

하기 화학식 1로 표시되는 나프탈렌 다이이미드 화합물을 포함하는 레독스 흐름 전지용 전해액:
[화학식 1]
Figure pat00006

여기서, 상기 M은 K+ 또는 Na+ 임.
An electrolyte for a redox flow battery comprising a naphthalene diimide compound represented by the following Chemical Formula 1:
[Formula 1]
Figure pat00006

Here, M is K + or Na + .
제1항에 있어서, 상기 레독스 흐름 전지용 전해액은 용매를 더 포함하며, 상기 용매는 수계 용매, 유기계 용매 또는 이들의 혼합물이고, 중성인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지용 전해액.
According to claim 1, wherein the redox flow battery electrolyte further comprises a solvent, the solvent is an aqueous solvent, an organic solvent or a mixture thereof, the redox flow battery electrolyte, characterized in that neutral.
제1항에 있어서, 상기 레독스 흐름 전지용 전해액은 지지전해질을 더 포함하는 레독스 흐름 전지용 전해액.
The electrolyte for a redox flow battery according to claim 1, wherein the electrolyte for the redox flow battery further comprises a supporting electrolyte.
제1항에 있어서, 상기 나프탈렌 다이이미드 화합물은 음전위 전해액용 유기 활물질인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지용 전해액.
The electrolyte for a redox flow battery according to claim 1, wherein the naphthalene diimide compound is an organic active material for a negative potential electrolyte.
제2항에 있어서, 상기 레독스 흐름 전지용 전해액 중 나프탈렌 다이이미드 화합물의 농도는 0.01 내지 10 M인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지용 전해액.
The redox flow battery electrolyte according to claim 2, wherein the concentration of the naphthalene diimide compound in the redox flow battery electrolyte is 0.01 to 10 M.
제2항에 있어서, 상기 레독스 흐름 전지용 전해액은 산화반응과 환원반응의 전압 차이가 0.8 V 이하인 것을 특징을 하는 레독스 흐름 전지용 전해액.
The electrolyte for a redox flow battery according to claim 2, wherein the voltage difference between the oxidation reaction and the reduction reaction of the electrolyte for the redox flow battery is 0.8 V or less.
양극 및 양전위 전해액을 포함하는 양극셀;
상기 양극셀 일측에 대향되게 배치되며, 음극 및 음전위 전해액을 포함하는 음극셀; 및
상기 양극셀과 음극셀 사이에 배치되는 분리막;을 포함하고,
상기 음전위 전해액은 하기 화학식 1로 표시되는 나프탈렌 다이이미드 화합물을 포함하는 것인 레독스 흐름 전지:
[화학식 1]
Figure pat00007

여기서, 상기 M은 K+ 또는 Na+ 임.
an anode cell comprising an anode and a positive potential electrolyte;
a cathode cell disposed opposite to one side of the anode cell, the cathode cell including a cathode and a negative potential electrolyte; and
a separator disposed between the anode cell and the cathode cell; and
The negative potential electrolyte is a redox flow battery comprising a naphthalene diimide compound represented by the following Chemical Formula 1:
[Formula 1]
Figure pat00007

Here, M is K + or Na + .
제7항에 있어서, 상기 양전위 전해액은 4-하이드록시 템포(4-OH-TEMPO)을 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지.
The redox flow battery according to claim 7, wherein the positive potential electrolyte comprises 4-hydroxy tempo (4-OH-TEMPO).
제8항에 있어서, 상기 나프탈렌 다이이미드 화합물과 4-하이드록시 템포(4-OH-TEMPO)의 몰농도비는 1 : 2 내지 1 : 4인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지.
The redox flow battery according to claim 8, wherein the molar concentration ratio of the naphthalene diimide compound and 4-hydroxy tempo (4-OH-TEMPO) is 1: 2 to 1: 4.
제7항에 있어서, 상기 음전위 전해액과 양전위 전해액의 산화반응과 환원반응의 전압 차이가 1.0 V 이상인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지.
The redox flow battery according to claim 7, wherein the voltage difference between the oxidation reaction and the reduction reaction between the negative potential electrolyte and the positive potential electrolyte is 1.0 V or more.
(a) 나프탈렌 테트라카르복실릭 디안하이드라이드에 글리신을 반응시켜, 글리시닐 그룹이 치환된 중간체를 형성하는 단계; 및
(b) 상기 중간체에 탄산염을 반응시키는 단계;를 포함하는 레독스 흐름 전지용 활물질 제조방법.
(a) reacting glycine with naphthalene tetracarboxylic dianhydride to form an intermediate substituted with a glycinyl group; and
(b) reacting carbonate with the intermediate; redox flow battery active material manufacturing method comprising a.
제11항에 있어서, 상기 탄산염은 탄산나트륨 또는 탄산칼륨인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지용 활물질 제조방법.
The method of claim 11, wherein the carbonate is sodium carbonate or potassium carbonate.
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