KR20220020665A - Electrode for vanadium redox flow battery and vanadium redox flow battery including the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 바나듐 산화환원 흐름전지용 전극 및 이를 포함하는 바나듐 산화환원흐름전지에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 바나듐 이온의 산화환원 반응자리가 충분히 증가되고 전기 저항이 저하하여, 충분한 산화환원 반응시간을 증가시킬 수 있는 바나듐 산화환원 흐름전지용 전극으로서 탄소섬유 지지체에 2 종류 이상의 친수성 관능기를 포함하는 이온흡착층이 도입된 바나듐 산화환원 흐름전지용 전극; 및 이를 채용함으로써 향상된 반응효율, 충방전 용량 및 전지 효율을 갖는 바나듐 산화환원 흐름전지에 관한 것이다.The present invention relates to an electrode for a vanadium redox flow battery and a vanadium redox flow battery comprising the same. More specifically, the present invention is an electrode for a vanadium redox flow battery capable of sufficiently increasing redox reaction sites of vanadium ions and decreasing electrical resistance, thereby increasing sufficient redox reaction time. Two or more types of hydrophilic functional groups on a carbon fiber support An electrode for a vanadium redox flow battery into which an ion adsorption layer comprising a; and to a vanadium redox flow battery having improved reaction efficiency, charge/discharge capacity and battery efficiency by employing the same.
본 발명은 중소벤처기업부의 중소기업기술개발사업이 주관하는 중소기업 기술혁신개발 사업의 "바나듐 이온의 충방전 전압효율이 87% 이상인 이온흡착층을 포함하는 흑연 펠트 전극 기술 개발"(과제고유번호 S2629638)의 연구 성과에 기초한 것이다.The present invention is "Development of graphite felt electrode technology including an ion adsorption layer having a charge/discharge voltage efficiency of vanadium ions of 87% or more" of the technology innovation development project for small and medium enterprises supervised by the Small and Medium Business Technology Development Project of the Ministry of SMEs and Startups (task unique number S2629638) based on the research results of
에너지저장 장치를 위한 대용량 이차전지로 산화환원 흐름 전지의 연구와 개발이 활발하게 진행되고 있다. 산화환원 흐름 전지는 전해질 중의 전기활성종이 산화(oxidation)-환원(reduction)되어 충전 및 방전되는 시스템으로 전해액의 화학적 에너지를 직접 전기에너지 저장시키는 전기화학적 축전장치이다. 바나듐 산화환원 흐름전지의 전극으로는 주로 탄소 펠트, 예를 들면 흑연 펠트가 사용되고 있다.Research and development of redox flow batteries as large-capacity secondary batteries for energy storage devices are being actively conducted. A redox flow battery is an electrochemical storage device that directly stores the chemical energy of an electrolyte in a system in which an electroactive species in an electrolyte is charged and discharged by oxidation-reduction. Carbon felt, for example, graphite felt, is mainly used as an electrode of a vanadium redox flow battery.
바나듐 산화환원 흐름전지의 효율을 증가시키기 위하여 탄소 펠트의 표면처리 기술을 통하여 표면 산화 처리를 실시함으로써 탄소 펠트의 표면적을 넓히고 전해액에 대한 젖음성을 증가시킬 뿐만 아니라 바나듐 이온 전기활성종의 산화 환원 반응 자리를 제공하여 산화환원 흐름 전지의 효율과 성능을 향상시킬 수 있다.In order to increase the efficiency of the vanadium redox flow battery, surface oxidation treatment is performed through the carbon felt surface treatment technology to increase the surface area of the carbon felt and increase the wettability to the electrolyte, as well as the redox reaction site of the vanadium ion electroactive species. It is possible to improve the efficiency and performance of the redox flow battery by providing
기존의 바나듐 산화환원 흐름전지에 적용되고 있는 표면 처리된 흑연 펠트는 대부분 장섬유 형태의 탄소 전구체로 펠트를 제작하고 산화-탄화-흑연화 과정을 거쳐서 흑연 펠트를 만들고, 이를 고온 열처리할 때 스팀, 이산화탄소 및/또는 오존을 공급함으로써 흑연 펠트 표면에 산소를 포함하는 관능기를 도입하고 있으나, 산소를 포함하는 관능기 만을 포함할 경우, 산화환원 흐름전지의 성능과 출력밀도와 내구성에 대한 제한으로 고전류밀도의 충방전 및 고내구성 성능을 갖추기 어렵다. Most of the surface-treated graphite felts applied to the existing vanadium redox flow batteries are made of long-fiber carbon precursors, and then undergo oxidation-carbonization-graphitization processes to make graphite felts, which are then heated to steam, By supplying carbon dioxide and/or ozone, a functional group containing oxygen is introduced on the surface of the graphite felt, but when only a functional group containing oxygen is included, the performance, output density and durability of the redox flow battery are limited due to limitations in high current density. It is difficult to have charging/discharging and high durability performance.
그런데 기존의 표면처리 방법에 따라 탄소 펠트 전극을 제조하면, 흑연화된 탄소 섬유의 활성화가 매우 어려워서 탄소 펠트를 구성하는 탄소 섬유 표면에 관능기를 생성시키거나 반응이온종을 흡착시킬 수 있는 기공(pore)를 형성하는 것이 매우 어렵다. 이로 인해 바나듐 같은 반응이온종이 전극 표면으로의 전해액 흡착성과 전기화학적 반응성이 낮아지게 되어 이에 대한 개선이 요구된다. 또한, 흐름전지의 성능과 출력밀도를 증가시키기 위해서는 단위면적당 높은 전류를 구현가능한 전극이 필요하며 종래 방식의 표면처리방법으로는 바나듐이온의 선택적 흡착성과 반응성이 제한되어 고전류의 성능을 갖는 전극을 얻기가 어렵다.However, when the carbon felt electrode is manufactured according to the existing surface treatment method, it is very difficult to activate the graphitized carbon fiber, so that a functional group can be generated on the surface of the carbon fiber constituting the carbon felt or pores (pores) capable of adsorbing reactive ion species. ) is very difficult to form. As a result, reactive ionic species such as vanadium have lowered electrolyte adsorption properties and electrochemical reactivity on the electrode surface, and improvement is required. In addition, in order to increase the performance and output density of the flow battery, an electrode capable of realizing a high current per unit area is required, and the selective adsorption and reactivity of vanadium ions are limited by the conventional surface treatment method to obtain an electrode with high current performance. is difficult
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 문제점을 해결하기 위하여 강산성의 전해질 지지 전해질에서의 전기화학적 내구성을 충분히 구비하면서도 바나듐 이온의 산화환원 반응자리가 충분히 증가되고 전기 저항이 저하되어, 전해액 흡착성, 전기화학적 반응성, 및 산화환원 반응시간을 증가시킬 수 있는 바나듐 산화환원 흐름전지용 전극으로서 탄소섬유 지지체에 2 종류 이상의 친수성 관능기를 포함하는 이온흡착층이 도입된 바나듐 산화환원 흐름전지용 전극을 제공하는 것이다.Accordingly, the technical problem to be achieved by the present invention is to sufficiently increase the redox reaction sites of vanadium ions while sufficiently providing electrochemical durability in the strongly acidic electrolyte-supported electrolyte to solve the above-mentioned problems, and to reduce the electrical resistance, the electrolyte adsorption property, To provide an electrode for a vanadium redox flow battery in which an ion adsorption layer including two or more types of hydrophilic functional groups is introduced into a carbon fiber support as an electrode for a vanadium redox flow battery capable of increasing electrochemical reactivity and redox reaction time.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기한 전극을 채용함으로써 향상된 반응효율, 충방전 용량 및 전지 효율을 갖는 바나듐 산화환원 흐름전지를 제공하는 것이다.Another technical problem to be achieved by the present invention is to provide a vanadium redox flow battery having improved reaction efficiency, charge/discharge capacity and battery efficiency by employing the above electrode.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면은, In order to achieve the above technical problem, one aspect of the present invention is
바나듐 산화환원 흐름전지용 탄소 지지체 전극으로서, 상기 탄소 지지체 전극은 서로 대향하는 제1 표면 및 제2 표면을 갖는 다공성 판상 탄소 섬유 지지체; 및 상기 탄소 섬유 지지체의 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면 중 적어도 일 면상에 배치된 이온흡착층을 포함하거나, 또는 상기 탄소 섬유 지지체의 상기 제1 표면과 상기 제2 표면 사이의 상기 탄소 섬유 지지체의 내부에 분포하는 이온흡착층을 포함하며,A carbon support electrode for a vanadium redox flow battery, the carbon support electrode comprising: a porous plate-like carbon fiber support having first and second surfaces opposite to each other; and an ion adsorption layer disposed on at least one surface of the first surface and the second surface of the carbon fiber support, or the carbon fiber support between the first surface and the second surface of the carbon fiber support. Including an ion adsorption layer distributed inside the
상기 이온흡착층은 전도성 탄소 및 바인더 수지 탄화물을 포함하며,The ion adsorption layer includes conductive carbon and a binder resin carbide,
상기 탄소 섬유 지지체를 구성하는 탄소 섬유 표면 및 상기 이온흡착층 중의 전도성 탄소의 표면에는 산소를 포함하는 친수성 관능기(이하 때때로 '산소 관능기'로 지칭됨) 및 질소를 포함하는 친수성 관능기(이하 때때로 '질소 관능기'로 지칭됨)가 결합되어 있는 탄소 지지체 전극을 제공한다.On the carbon fiber surface constituting the carbon fiber support and the surface of the conductive carbon in the ion adsorption layer, a hydrophilic functional group containing oxygen (hereinafter sometimes referred to as an 'oxygen functional group') and a hydrophilic functional group containing nitrogen (hereinafter sometimes referred to as 'nitrogen') A functional group (referred to as ') is provided with a carbon support electrode bonded thereto.
일 구현예에 있어서, 상기 탄소 지지체는 탄소 섬유로 구성된 것으로서, 탄소 섬유 펠트, 탄소 섬유 부직포, 탄소 섬유 종이, 탄소 섬유 편성물, 및 탄소 섬유 제직물 형태일 수 있다.In one embodiment, the carbon support is composed of carbon fibers, and may be in the form of carbon fiber felt, carbon fiber nonwoven fabric, carbon fiber paper, carbon fiber knitted fabric, and carbon fiber woven fabric.
일 구현예에 있어서, 상기 산소를 포함하는 친수성 관능기는 히드록실기, 케톤기, 알데히드기 및 카르복실기 중에서 선택된 적어도 하나를 포함하며, 상기 질소를 포함하는 친수성 관능기는 일차 아미노기, 이차 아미노기, 삼차 아미노기, 피롤(-C-NH-C-) 기, 및 피리딘(-C=N-C-) 기 중에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the hydrophilic functional group containing oxygen includes at least one selected from a hydroxyl group, a ketone group, an aldehyde group, and a carboxyl group, and the hydrophilic functional group including nitrogen is a primary amino group, a secondary amino group, a tertiary amino group, and a pyrrole. It may include at least one selected from a (-C-NH-C-) group and a pyridine (-C=NC-) group.
일 구현예에 있어서, 상기 바인더 수지는 페놀수지, 에폭시수지, 폴리에스테르, 폴리비닐아세테이트, 폴리이미드, 폴리스티렌, 폴리아크릴로니트릴(PAN), 피치(pitch), 폴리비닐알코올(PVA), 셀룰로오스, 나노셀룰로오스 파이버 및 아크릴 수지중에서 선택된 적어도 하나이고,In one embodiment, the binder resin is a phenol resin, an epoxy resin, polyester, polyvinyl acetate, polyimide, polystyrene, polyacrylonitrile (PAN), pitch (pitch), polyvinyl alcohol (PVA), cellulose, At least one selected from nanocellulose fibers and acrylic resins,
상기 전도성 탄소는 비표면적이 40 내지 1,600 m2/g인 구상 또는 침상 형상을 가지며, 상기 전도성 탄소가 구상 입자인 경우 상기 구상 입자의 직경은 20 내지 50nm이며, 상기 전도성 탄소가 침상 입자인 경우 상기 침상 입자의 직경은 30 내지 100nm이고 길이는 2 내지 25㎛인 것일 수 있다.The conductive carbon has a spherical or needle-like shape with a specific surface area of 40 to 1,600 m 2 /g, and when the conductive carbon is a spherical particle, the diameter of the spherical particle is 20 to 50 nm, and when the conductive carbon is a needle-like particle, the The needle-shaped particles may have a diameter of 30 to 100 nm and a length of 2 to 25 μm.
일 구현예에 있어서, 상기 전도성 탄소는 활성 탄소, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙(Ketjen Black), 덴카 블랙, 카본 휘스커, 기상성장 탄소섬유(VGCF: Vapor Grown Carbon Fiber), 카본 에어로졸, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노혼(carbon nanohorn), 그래핀, 천연 흑연 분말, 합성 흑연분말 및 열팽창 흑연 분말로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나일 수 있다.In one embodiment, the conductive carbon is activated carbon, carbon black, acetylene black, Ketjen Black, Denka black, carbon whisker, vapor grown carbon fiber (VGCF: Vapor Grown Carbon Fiber), carbon aerosol, carbon nano It may be at least one selected from the group consisting of tubes, carbon nanofibers, carbon nanohorns, graphene, natural graphite powder, synthetic graphite powder, and thermally expanded graphite powder.
일 구현예에 있어서, 상기 바인더 수지 탄화물의 함량은 상기 이온흡착층 총중량 100 중량부를 기준으로 하여 3 내지 30 중량부인 것이 바람직하다.In one embodiment, the content of the binder resin carbide is preferably 3 to 30 parts by weight based on 100 parts by weight of the total weight of the ion adsorption layer.
일 구현예에 있어서, 상기 탄소 지지체 전극 표면에서의 상기 산소를 포함하는 관능기로부터 유래하는 산소 대 상기 질소를 포함하는 관능기로부터 유래하는 질소 의 원자 백분율(원자 %)의 비율(O:N)은 3:1 내지 10:1이고, 상기 질소를 포함하는 관능기로부터 유래하는 질소의 함량은 1 원자% 이상인 것이 바람직하다.In one embodiment, the ratio (O:N) of the atomic percentage (atomic %) of oxygen derived from the oxygen-containing functional group to the nitrogen derived from the nitrogen-containing functional group on the surface of the carbon support electrode is 3 :1 to 10:1, and the content of nitrogen derived from the functional group containing nitrogen is preferably 1 atomic% or more.
일 구현예에 있어서, 상기 이온흡착층의 총함량은 상기 탄소 지지체 전극 총중량 100 중량부를 기준으로 하여 2 내지 30 중량부인 것이 바람직하다.In one embodiment, the total content of the ion adsorption layer is preferably 2 to 30 parts by weight based on 100 parts by weight of the total weight of the carbon support electrode.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 측면은, 상기한 본 발명의 일 측면에 따른 탄소 지지체 전극을 포함하는 바나듐 산화환원 흐름전지를 제공한다.In order to achieve the above other technical object, another aspect of the present invention provides a vanadium redox flow battery including the carbon support electrode according to an aspect of the present invention.
본 발명에 따른 바나듐 산화환원 흐름전지용 탄소 지지체 전극은 전도성 탄소 및 바인더 수지 탄화물을 포함하는 이온흡착층이 탄소 섬유 지지체에 도입되어 있을 뿐만 아니라 상기 이온흡착층이 탄소섬유 표면에서의 반응 이온종의 흡착과 확산을 증가시킬 수 있는 2 종류의 친수성 관능기, 즉 산소 관능기 및 질소 관능기를 포함한다. 이때, 탄소 섬유 지지체를 구성하는 탄소 섬유 표면 및 이온흡착층 중의 전도성 탄소의 표면에는 산소 관능기 및 질소 관능기가 결합되어 있다. 이러한 구조를 갖는 본 발명의 탄소 지지체 전극은 전해액 중에 포함된 여러가지 산화상태를 갖는 바나듐 이온 반응 활성종의 산화 환원 반응 자리를 충분히 제공할 수 있다. 구체적으로 본 발명의 탄소 지지체 전극은 강산성의 전해질 지지 전해질에서의 전기화학적 내구성을 구비하면서도 바나듐 이온의 산화환원 반응자리가 충분히 증가되고 전기 저항이 저하되어, 전해액 흡착성, 전기화학적 반응성, 및 산화환원 반응시간을 충분히 증가시킬 수 있다. 따라서 본 발명의 탄소 지지체전극은 i) 반응 활성종의 산화 환원 반응이 일어날 수 있는 충분하고, ii) 반응성이 빠르며, iii) 강산성의 지지전해질에서의 전기화학적 내구성을 갖출 것이라는 산화환원 흐름전지용 전극에게 요구되는 조건을 효율적으로 만족시킬 수 있다. In the carbon support electrode for a vanadium redox flow battery according to the present invention, an ion adsorption layer containing conductive carbon and a binder resin carbide is introduced into the carbon fiber support, and the ion adsorption layer adsorbs reactive ionic species on the carbon fiber surface. It contains two types of hydrophilic functional groups capable of increasing hyperdiffusion, namely, oxygen functional groups and nitrogen functional groups. At this time, an oxygen functional group and a nitrogen functional group are bonded to the surface of the carbon fiber constituting the carbon fiber support and the surface of the conductive carbon in the ion adsorption layer. The carbon support electrode of the present invention having such a structure can sufficiently provide a site for redox reaction of vanadium ion reactive species having various oxidation states contained in the electrolyte. Specifically, the carbon support electrode of the present invention has electrochemical durability in a strongly acidic electrolyte-supported electrolyte, while the oxidation-reduction reaction site of vanadium ions is sufficiently increased and electrical resistance is lowered, so that electrolyte adsorption, electrochemical reactivity, and redox reaction time can be increased sufficiently. Therefore, the carbon support electrode of the present invention is i) sufficient for the redox reaction of reactive species to occur, ii) has fast reactivity, and iii) has electrochemical durability in a strongly acidic supporting electrolyte to the electrode for a redox flow battery. It is possible to efficiently satisfy the required conditions.
본 발명에 따른 상기한 전극을 포함하는 본 발명의 바나듐 산화환원 흐름전지는 향상된 반응효율, 충방전 용량 및 전지 효율을 나타낼 수 있다.The vanadium redox flow battery of the present invention including the electrode according to the present invention may exhibit improved reaction efficiency, charge/discharge capacity and battery efficiency.
도 1a은 본 발명의 일구현예에 따른 바나듐 산화환원흐름 전지의 구성을 나타내는 예시적인 구성도이다.
도 1b는 본 발명의 다른 일구현예에 따란 바나듐 산화환원흐름전지의 구성을 나타낸 것이다.
도 2는 도 1에서 단위 셀의 구성을 나타내는 단면도이다.1A is an exemplary configuration diagram showing the configuration of a vanadium redox flow battery according to an embodiment of the present invention.
Figure 1b shows the configuration of a vanadium redox flow battery according to another embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of the unit cell in FIG. 1 .
이하, 본 발명의 예시적인 구현예에 따른 바나듐 산화환원 흐름전지용 탄소 지지체 전극, 및 이를 포함하는 바나듐 산화환원 흐름전지에 대하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 다만, 아래의 설명은 단지 예시를 위한 것이다. 따라서 이들이 다양하게 개조 및 변형될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술 분야의 평균적 지식을 가진 자에게 명백하다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with respect to a carbon support electrode for a vanadium redox flow battery according to an exemplary embodiment of the present invention, and a vanadium redox flow battery including the same. However, the description below is for illustrative purposes only. Therefore, it is apparent to those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains that they can be variously modified and modified.
본 발명의 일 측면에 따른 바나듐 산화환원 흐름전지용 탄소 지지체 전극은 서로 대향하는 제1 표면 및 제2 표면을 갖는 다공성 판상 탄소 섬유 지지체; 및 탄소 섬유 지지체의 제1 표면 및 제2 표면 중 적어도 일 면상에 배치된 이온흡착층을 포함하거나, 또는 탄소 섬유 지지체의 제1 표면과 제2 표면 사이의 탄소 섬유 지지체의 내부에 분포하는 이온흡착층을 포함한다. 이온흡착층은 전도성 탄소 및 바인더 수지 탄화물을 포함한다. 탄소 섬유 지지체를 구성하는 탄소 섬유 표면, 및 이온흡착층 중의 전도성 탄소의 표면에는 산소 관능기 및 질소 관능기가 결합되어 있다.A carbon support electrode for a vanadium redox flow battery according to an aspect of the present invention includes a porous plate-shaped carbon fiber support having a first surface and a second surface facing each other; and an ion adsorption layer disposed on at least one surface of the first surface and the second surface of the carbon fiber support, or ion adsorption distributed in the interior of the carbon fiber support between the first and second surfaces of the carbon fiber support include layers. The ion adsorption layer includes conductive carbon and a binder resin carbide. An oxygen functional group and a nitrogen functional group are bonded to the surface of the carbon fiber constituting the carbon fiber support and the surface of the conductive carbon in the ion adsorption layer.
탄소 지지체는 탄소 섬유로 구성된 구조체는 본 발명의 전극 제조에 사용될 수 있으며, 예를 들면 탄소 섬유 펠트, 탄소 섬유 부직포, 탄소 섬유 종이, 탄소 섬유 편성물, 및 탄소 섬유 제직물 형태일 수 있다. 탄소 섬유 펠트는 탄소 섬유 부직포의 일 예로 간주할 수 있다.The carbon support structure composed of carbon fibers may be used for manufacturing the electrode of the present invention, and may be, for example, in the form of carbon fiber felt, carbon fiber nonwoven fabric, carbon fiber paper, carbon fiber knitted fabric, and carbon fiber woven fabric. Carbon fiber felt can be considered as an example of carbon fiber nonwoven fabric.
상기 산소를 포함하는 친수성 관능기는 히드록실기, 케톤기, 알데히드기 및 카르복실기 중에서 선택된 적어도 하나를 포함하며, 상기 질소를 포함하는 친수성 관능기는 일차 아미노기, 이차 아미노기, 삼차 아미노기, 피롤기(-C-NH-C-), 및 피리딘(-C=N-C-) 기 중에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.The hydrophilic functional group containing oxygen includes at least one selected from a hydroxyl group, a ketone group, an aldehyde group, and a carboxyl group, and the hydrophilic functional group containing nitrogen is a primary amino group, a secondary amino group, a tertiary amino group, a pyrrole group (-C-NH -C-), and a pyridine (-C=NC-) group may include at least one selected from the group.
바인더 수지는 페놀수지, 에폭시수지, 폴리에스테르, 폴리비닐아세테이트, 폴리이미드, 폴리스티렌, 폴리아크릴로니트릴(PAN), 피치(pitch), 폴리비닐알코올(PVA), 셀룰로오스, 나노셀룰로오스 파이버 및 아크릴 수지중에서 선택된 적어도 하나일 수 있다. 상기 바인더 수지로서는 상기한 것으로 제한되지 않으며 전극 제조 공정 중 실시되는 탄화 및 활성화 공정에서 탄화되고 활성화가능한 것이라면 특별히 제한되지 않는다.Binder resin is phenol resin, epoxy resin, polyester, polyvinyl acetate, polyimide, polystyrene, polyacrylonitrile (PAN), pitch, polyvinyl alcohol (PVA), cellulose, nanocellulose fiber and acrylic resin. It may be at least one selected. The binder resin is not limited to the above, and is not particularly limited as long as it can be carbonized and activated in the carbonization and activation process performed during the electrode manufacturing process.
이러한 바인더 수지는 탄소섬유사이의 네트워크내에서 전도성 탄소를 결합시키고 전도성 탄소간을 결합하는 역할을 수행할 수 있고, 탄화된 후에 낮은 pH에서 안정하면서도 산소 관능기 및 질소 관능기의 도입에 의하여 물에도 잘 젖는 성질을 이용하여 반응이온종이 전극에 흡착하는데 도움을 줄 수도 있다. 소수성의 탄소 지지체 표면에 물과 이온을 잘 흡착하는 전기전도성 탄소를 함유한 이온흡착층을 형성하면, 탄소 지지체 전극과 전해질 용액의 반응성을 높일 수 있다.This binder resin can serve to bind conductive carbons in the network between carbon fibers and bond between conductive carbons, and after carbonization, it is stable at low pH and wet well with water by the introduction of oxygen functional groups and nitrogen functional groups. It can also help the reactive ion species to adsorb to the electrode by using its properties. If an ion adsorption layer containing electrically conductive carbon that adsorbs water and ions well is formed on the surface of the hydrophobic carbon support, the reactivity between the carbon support electrode and the electrolyte solution can be increased.
전도성 탄소는 표면에 기공이 있거나 관능기를 함유하고 있거나 또는 표면에 관능기를 함유하기 유리한 구조이면 더욱 더 유리하다. 전도성 탄소는 비표면적이 40 내지 1,600 m2/g, 예를 들면 60 내지 1,600 m2/g, 70 내지 1,500 m2/g, 또는 60 내지 1,400 m2/g인 구상 또는 침상 형상을 가지며, 전도성 탄소가 구상 입자인 경우 상기 구상 입자의 직경은 20 내지 50nm, 예를 들면 25 내지 50nm, 또는 30 내지 50nm이며, 전도성 탄소가 침상 입자인 경우 침상 입자의 직경은 30 내지 100nm, 예를 들면 32 내지 100nm, 34 내지 100nm, 36 내지 95nm 또는 38 내지 90nm이고, 길이는 2 내지 25㎛, 예를 들면 3 내지 25㎛, 4 내지 25㎛, 또는 5 내지 25㎛인 것일 수 있다.The conductive carbon is even more advantageous if the surface has pores or contains a functional group or has a structure advantageous to contain a functional group on the surface. The conductive carbon has a spherical or needle-like shape with a specific surface area of 40 to 1,600 m 2 /g, such as 60 to 1,600 m 2 /g, 70 to 1,500 m 2 /g, or 60 to 1,400 m 2 /g, and conductive When carbon is a spherical particle, the diameter of the spherical particle is 20 to 50 nm, for example, 25 to 50 nm, or 30 to 50 nm, and when the conductive carbon is an acicular particle, the diameter of the acicular particle is 30 to 100 nm, for example 32 to 100 nm, 34 to 100 nm, 36 to 95 nm, or 38 to 90 nm, and may have a length of 2 to 25 μm, for example 3 to 25 μm, 4 to 25 μm, or 5 to 25 μm.
전도성 탄소는 활성 탄소, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 퍼니스 블랙(furnace black), 열블랙(thermal black), 케첸 블랙(Ketjen Black), 덴카 블랙, 카본 휘스커, 기상성장 탄소섬유(VGCF: Vapor Grown Carbon Fiber), 카본 에어로졸, 탄소나노튜브(CNT), 탄소나노섬유, 탄소나노혼(carbon nanohorn), 그래핀, 천연 흑연 분말, 합성 흑연분말 및 열팽창 흑연 분말로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나일 수 있다. 침상구조의 탄소나노튜브로는 단일벽 탄소나노튜브(SWNT), 다중벽 탄소나노튜브(MWNT) 및 기상성장 탄소섬유 등을 적용할 수 있으며, 이러한 전도성 탄소를 함유한 이온흡착층을 탄소펠트와 같은 탄소 지지체 표면에 형성하면 전기 전도도가 더 개선된 탄소 지지체 전극을 얻을 수 있다.Conductive carbon includes activated carbon, carbon black, acetylene black, furnace black, thermal black, Ketjen Black, denka black, carbon whisker, vapor grown carbon fiber (VGCF) ), carbon aerosol, carbon nanotube (CNT), carbon nanofiber, carbon nanohorn, graphene, natural graphite powder, synthetic graphite powder, and may be at least one selected from the group consisting of thermally expandable graphite powder. Single-walled carbon nanotubes (SWNTs), multi-walled carbon nanotubes (MWNTs), and vapor-grown carbon fibers can be applied as needle-like carbon nanotubes. When formed on the same carbon support surface, a carbon support electrode with further improved electrical conductivity can be obtained.
상기한 바와 같이 본 발명의 탄소 지지체 전극은 i) 탄소 섬유 지지체의 제1 표면 및 제2 표면 중 적어도 일 면상에 예를 들면 일면 또는 양면상에 배치된 이온흡착층을 포함하거나, 또는 ii) 탄소 섬유 지지체의 제1 표면과 제2 표면 사이의 탄소 섬유 지지체의 내부에 분포하는 이온흡착층을 포함한다. 이온흡착층은 전도성 탄소 및 바인더 수지 탄화물을 포함한다. 탄소 섬유 지지체를 구성하는 탄소 섬유 표면, 및 이온흡착층 중의 전도성 탄소의 표면에는 산소 관능기 및 질소 관능기가 결합되어 있다.As described above, the carbon support electrode of the present invention comprises i) an ion adsorption layer disposed on at least one of the first and second surfaces of the carbon fiber support, for example, on one or both surfaces, or ii) carbon and an ion adsorption layer distributed in the interior of the carbon fiber support between the first surface and the second surface of the fiber support. The ion adsorption layer includes conductive carbon and a binder resin carbide. An oxygen functional group and a nitrogen functional group are bonded to the surface of the carbon fiber constituting the carbon fiber support and the surface of the conductive carbon in the ion adsorption layer.
이온흡착층을 탄소 지지체에 부착시키며 전도성 탄소 입자들을 결합하는 역할을 하는 바인더 수지 탄화물은 페놀수지, 에폭시수지, 폴리에스테르, 폴리비닐아세테이트, 폴리이미드, 폴리스티렌, 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리비닐알코올(PVA), 셀룰로오스, 나노셀룰로오스 파이버 또는 아크릴 수지의 탄화물일 수 있으며, 예를 들면 피치(pitch)일 수 있다.The binder resin carbide, which attaches the ion adsorption layer to the carbon support and binds the conductive carbon particles, is phenol resin, epoxy resin, polyester, polyvinyl acetate, polyimide, polystyrene, polyacrylonitrile (PAN), polyvinyl. It may be a carbide of alcohol (PVA), cellulose, nanocellulose fiber, or an acrylic resin, for example, it may be a pitch.
바인더 수지 및 이것이 탄화되어 형성된 탄화물은 전도성 탄소와 전도성 탄소 사이, 전도성 탄소와 탄소 지지체를 구성하는 탄소섬유와의 결합을 증가시킨다. 이러한 바인더 수지 탄화물의 함량은 이온흡착층 총중량 100 중량부를 기준으로 하여 3 내지 30 중량부, 예를 들어 3 내지 20 중량부 또는 5 내지 15 중량부이다. 바인더 수지 탄화물의 함량이 상기 범위일 때 전극의 저항이 증가되는 일이 없고 전해액의 젖음성이 저하되는 일이 없이 탄소 지지체의 탄소섬유에 대한 이온흡착층이 결합력이 우수하다.The binder resin and the carbide formed by carbonizing it increases bonding between the conductive carbon and the conductive carbon, and between the conductive carbon and the carbon fibers constituting the carbon support. The content of the binder resin carbide is 3 to 30 parts by weight, for example, 3 to 20 parts by weight or 5 to 15 parts by weight, based on 100 parts by weight of the total weight of the ion adsorption layer. When the content of the binder resin carbide is within the above range, the resistance of the electrode is not increased and the wettability of the electrolyte is not deteriorated, and the ion adsorption layer of the carbon support has excellent bonding strength to the carbon fibers.
이온흡착층의 총함량은 탄소 지지체 전극 총중량 100 중량부를 기준으로 하여 1 내지 15 중량부, 바람직하게는 3 내지 10 중량부이고, 더 바람직하게는 3 내지 7 중량부인 것이 바람직하다. 이온흡착층의 함량 즉 전도성 탄소와 바인더 수지 탄화물의 총함량이 상기 범위일 때 전해액 중의 반응 이온종이 탄소 지지체 전극에 높은 젖음성을 갖게 되어 전극 표면에 흡착된 반응이온종의 농도가 증가된다. 그 결과 산화환원 반응 효율이 증가된다. 이온흡착층은 이온을 흡착하는 성질뿐만 아니라 단순히 물리적으로 접촉하는 탄소섬유 사이를 전기전도성 탄소로 연결시켜 주기 때문에 전기전도성을 증가시키는 역할도 할 수 있다. 이온흡착층이 없는 흑연펠트는 탄소섬유 표면이 매우 매끈하고 탄소섬유간이 약하게 접하고 있기 때문에 전기전도성이 낮아서 고전류 영역에서는 전자 전달이 어려워진다. 따라서 본 발명에 따른 전극은 반응이온종이 반응 자리에 머무는 시간, 즉 산화환원 반응시간을 증가시켜서 향상된 전극 성능을 발휘하는데 유리하다. VRB에서 이온흡착층이 형성된 흑연펠트는 물에 대한 젖음성이 증가하기 때문에 바나듐 이온과 강산으로 이루어진 전해액에 균일하게 쉽게 젖기 때문에 반응성과 효율이 증가할 수 있다.The total content of the ion adsorption layer is preferably 1 to 15 parts by weight, preferably 3 to 10 parts by weight, and more preferably 3 to 7 parts by weight based on 100 parts by weight of the total weight of the carbon support electrode. When the content of the ion adsorption layer, that is, the total content of the conductive carbon and the binder resin carbide is within the above range, the reactive ion species in the electrolyte have high wettability to the carbon support electrode, and the concentration of the reactive ion species adsorbed on the electrode surface is increased. As a result, the redox reaction efficiency is increased. The ion adsorption layer not only has the property of adsorbing ions, but also simply connects the carbon fibers in physical contact with electrically conductive carbon, so it can also play a role in increasing electrical conductivity. Graphite felt without an ion adsorption layer has a very smooth carbon fiber surface and weak contact between the carbon fibers, so the electrical conductivity is low, making electron transfer difficult in the high current region. Therefore, the electrode according to the present invention is advantageous in exhibiting improved electrode performance by increasing the time the reactive ion species stays at the reaction site, that is, the redox reaction time. Since the graphite felt with the ion adsorption layer formed in VRB has increased wettability to water, it is easily wetted uniformly and easily by the electrolyte composed of vanadium ions and strong acids, so reactivity and efficiency can be increased.
탄소 지지체 전극 표면에서의 산소 관능기로부터 유래하는 산소 대 질소 관능기로부터 유래하는 질소의 원자 백분율(원자 %)의 비율(O:N)은 3:1 내지 10:1이고, 예를 들면 3.5:1 내지 4.5:1이다. 질소를 포함하는 관능기로부터 유래하는 질소의 함량은 1 원자% 이상, 예를 들면 1.0 내지 7 원자%, 1.3 내지 6 원자%, 1.5 내지 5.5 원자%, 2.0 내지 5.0 원자%, 또는 2.1 내지 4.9 원자%인 것이 바람직하다.The ratio (O:N) of the atomic percentage (atomic %) of oxygen derived from oxygen functional groups to nitrogen derived from nitrogen functional groups on the carbon support electrode surface is 3:1 to 10:1, for example 3.5:1 to It is 4.5:1. The content of nitrogen derived from a functional group containing nitrogen is 1 atomic % or more, for example, 1.0 to 7 atomic %, 1.3 to 6 atomic %, 1.5 to 5.5 atomic %, 2.0 to 5.0 atomic %, or 2.1 to 4.9 atomic %. It is preferable to be
본 발명의 탄소 지지체 전극 표면에서 산소 관능기로부터 유래하는 산소 및 질소 관능기로부터 유래하는 질소의 원자 백분율(원자 %)은 X선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy: XPS)을 이용하여 전극 표면을 분석하여 얻을 수 있다. 본 발명의 탄소 지지체 및 이온흡착층은 각각 불순물 수준으로 혹시 포함될 수 있는 기타 물질을 제외하면 실질적으로 전부 탄소로 이루어진 것이기 때문에 XPS 분석을 통하여 얻은 산소 및 질소의 원자%는 각각 상기한 산소 관능기 및 상기 질소 관능기로부터 유래한 것으로 간주할 수 있다.The atomic percentage (atomic %) of oxygen derived from an oxygen functional group and nitrogen derived from a nitrogen functional group on the surface of the carbon support electrode of the present invention is X-ray photoelectron spectroscopy (X-ray photoelectron spectroscopy: XPS) by analyzing the electrode surface. can be obtained Since the carbon support and the ion adsorption layer of the present invention are substantially all made of carbon except for other materials that may be included at the impurity level, respectively, the atomic % of oxygen and nitrogen obtained through XPS analysis is the above-described oxygen functional group and the above It can be considered to be derived from the nitrogen function.
탄소 지지체 전극 표면에서의 산소 관능기로부터 유래하는 산소 대 질소 관능기로부터 유래하는 질소의 원자 백분율(원자 %)의 비율(O:N)은 3:1 내지 10:1이고, 질소를 포함하는 관능기로부터 유래하는 질소의 함량은 1 원자% 이상인 것이 바람직하다.The ratio (O:N) of the atomic percentage (atomic %) of oxygen derived from oxygen functional groups on the carbon support electrode surface to nitrogen derived from nitrogen functional groups is 3:1 to 10:1, derived from functional groups containing nitrogen. The content of nitrogen to be used is preferably 1 atomic% or more.
상기한 산소 관능기는 히드록실기, 케톤기, 알데히드기 및/또는 카르복실기를 포함하는 페놀수지, 에폭시수지, 폴리에스테르, 폴리비닐아세테이트, 폴리이미드, 폴리비닐알코올(PVA), 셀룰로오스, 나노셀룰로오스 파이버 또는 아크릴 수지; 및 여기에 추가되는 글리세린, 말레산, 푸마르산 및/또는 글루타르산 등의 저분자 물질을 이용하여 생성할 수 있다. 상기한 질소를 포함하는 관능기는 상기한 수지에 아미노기, 피롤(-C-NH-C-) 기, 피리딘(-C=N-C-) 기 등과 같이 질소를 포함한 관능기를 갖는 우레아, 크레아틴 등을 첨가하여 얻을 수 있고, 산소 관능기와 질소 관능기를 동시에 가지는 아스파트산, 세린 등을 상기한 바인더 수지에 첨가하여 얻을 수 있다.The oxygen functional group is a phenol resin, epoxy resin, polyester, polyvinyl acetate, polyimide, polyvinyl alcohol (PVA), cellulose, nanocellulose fiber or acryl containing a hydroxyl group, a ketone group, an aldehyde group and/or a carboxyl group. profit; And it can be produced using a low molecular weight substance such as glycerin, maleic acid, fumaric acid and / or glutaric acid added thereto. The above-mentioned nitrogen-containing functional group is obtained by adding urea, creatine, etc. having a nitrogen-containing functional group such as an amino group, a pyrrole (-C-NH-C-) group, and a pyridine (-C=NC-) group to the above-mentioned resin. It can be obtained, and it can be obtained by adding aspartic acid, serine, etc. which have an oxygen functional group and a nitrogen functional group simultaneously to the above-mentioned binder resin.
기존의 바나듐 산화환원 흐름전지에 적용되고 있는 표면처리된 흑연 펠트 전극의 경우 대부분이 열산화를 통하여 산소 관능기를 도입하고 있으나, 이러한 산소 관능기만을 포함할 경우 산화환원 흐름전지의 성능과 출력밀도와 내구성에 대한 제한으로 고전류밀도의 충방전 및 고내구성 성능을 갖추기 어렵다. 본 발명에서는 산소 관능기 뿐만 아니라 질소 관능기를 함께 도입함으로써 이러한 문제점을 해결한 것이다.Most of the surface-treated graphite felt electrodes applied to the existing vanadium redox flow batteries introduce oxygen functional groups through thermal oxidation. It is difficult to have high-current-density charge/discharge and high-durability performance. In the present invention, this problem is solved by introducing not only an oxygen functional group but also a nitrogen functional group.
산소 관능기 및 질소 관능기의 함량이 너무 증가하면 탄소섬유에 너무 많은 산소 및 질소가 도입되어 탄소 지지체의 기계적 강도가 낮아지고 전극 저항이 증가할 뿐만 아니라 내구성 또한 저하된다. 이에 비하여 산소 및 질소의 함량이 너무 낮으면 탄소 섬유 표면에 전해질과 반응이온종이 제대로 젖지 않기 때문에 반응이온종이 탄소 지지체 안으로까지 젖어 들어가지 않고 표면에서만 반응을 일으키고 반응에 참여하는 반응 사이트 수가 작아서 충분한 충방전 용량 및 효율을 나타내기 어렵게 된다. 종래의 연구에서는 탄소섬유 표면에 반응 사이트를 증가시키기 위해 표면처리 시간을 증가시키거나 혹은 높은 온도에서 많은 양의 반응가스를 주입한 경우에 탄소섬유 자체가 산화되어 전극의 저항이 증가되고 탄소 지지체의 기계적 강도가 현저히 낮아져서 VRB에서 스택 제조시 탄소 펠트와 같은 탄소 지지체가 쉽게 부서지는 단점을 가지고 있다. 본 발명에서는 대부분의 반응 바나듐 이온종이 탄소섬유 표면으로 쉽게 이동하기 쉬운 구조를 가지며 표면으로 이동한 반응이온종은 탄소섬유 표면과 이온흡착층에 매우 쉽게 흡착하게 된다. 흡착된 반응이온종은 이온흡착 층에서 반응이 일어나기도 하고 탄소섬유의 관능기쪽으로 이동하여 산화환원 반응이 일어날 수 있다. 총량으로 보면 산소 관능기 및 질소 관능기는 균형을 가지며 증가되어 반응 사이트도 증가하였지만 탄소 지지체의 구조는 더 견고해지고 전극 저항도 더 낮아져서 결과적으로는 스택의 에너지 밀도를 증가시키는 효과를 가지게 된다.When the content of the oxygen functional group and the nitrogen functional group is increased too much, too much oxygen and nitrogen are introduced into the carbon fiber, so that the mechanical strength of the carbon support is lowered, the electrode resistance is increased, and the durability is also reduced. On the other hand, if the oxygen and nitrogen contents are too low, the electrolyte and reactive ionic species do not get wet properly on the carbon fiber surface. It becomes difficult to show discharge capacity and efficiency. In previous studies, when the surface treatment time is increased to increase the reaction site on the carbon fiber surface or when a large amount of reaction gas is injected at a high temperature, the carbon fiber itself is oxidized to increase the resistance of the electrode and increase the resistance of the carbon support. Since the mechanical strength is significantly lowered, there is a disadvantage in that the carbon support such as carbon felt is easily broken when the stack is manufactured in VRB. In the present invention, most reactive vanadium ion species have a structure in which they can easily migrate to the carbon fiber surface, and the reactive ionic species that migrated to the surface are very easily adsorbed to the carbon fiber surface and the ion adsorption layer. The adsorbed reactive ionic species may react in the ion adsorption layer or may move toward the functional group of the carbon fiber for a redox reaction. In terms of the total amount, the oxygen functional groups and the nitrogen functional groups are increased and the reaction sites are increased, but the structure of the carbon support becomes more rigid and the electrode resistance is lowered, and as a result, the energy density of the stack is increased.
상기 탄소 지지체 전극의 비표면적은 1 내지 100 ㎡/g, 예를 들면 1.5 내지 30 ㎡/g 또는 2.0 내지 15 ㎡/g일 수 있다.The specific surface area of the carbon support electrode may be 1 to 100
본 발명에서는 반응종 이온의 전극 표면에서의 낮은 젖음성을 개선하고 반응성을 증가시키기 위하여 탄소 섬유 지지체의 일면 또는 양면; 또는 탄소 섬유 지지체의 내부에 이온흡착층이 형성된 탄소펠트 전극을 제공한다. 이를 위하여 탄소 섬유 지지체, 예를 들면 탄소 펠트 제조시 탄소 펠트 전구체 표면에 전도성 탄소, 탄화 및 활성화가 가능한 바인더 수지, 및 산소 관능기를 포함한 전구체 및 질소 기능기를 포함한 전구체를 도포 및/또는 함침 및 건조하고 표면처리 함으로써 탄소 펠트 표면에 전도성 탄소 및 바인더 수지의 탄화물을 포함하는 이온흡착층을 형성한다. 이에 의하여 탄소 섬유 지지체를 구성하는 탄소 섬유 표면 및 이온흡착층 중의 전도성 탄소의 표면에 상술한 산소 관능기 및 질소 관능기가 결합되어 있는 탄소 지지체 전극를 얻을 수 있다.In the present invention, one or both sides of a carbon fiber support to improve the low wettability of reactive species ions on the electrode surface and increase reactivity; Alternatively, it provides a carbon felt electrode having an ion adsorption layer formed on the inside of the carbon fiber support. To this end, conductive carbon, a binder resin capable of carbonization and activation, and a precursor containing an oxygen functional group and a precursor containing a nitrogen functional group are applied and/or impregnated and dried on the carbon fiber support, for example, a carbon felt precursor surface during carbon felt production. By surface treatment, an ion adsorption layer containing conductive carbon and carbide of a binder resin is formed on the surface of the carbon felt. Thereby, it is possible to obtain a carbon support electrode in which the above-described oxygen functional group and nitrogen functional group are bonded to the surface of the carbon fiber constituting the carbon fiber support and the surface of the conductive carbon in the ion adsorption layer.
본 명세서에서 "산소를 포함하는 관능기"는 하이드록시기(-OH), 케톤기 (-C=O), 알데히드기 또는 카르복실기(-COOH)를 의미하고, "질소를 포함하는 관능기"는 일차 아미노기, 이차 아미노기, 삼차 아미노기, 피롤(-C-NH-C-)기, 또는 피리딘(-C=N-C-) 기를 의미한다. 이러한 2종의 친수성 관능기를 함께 보유하면 소수성인 탄소 섬유 지지체 전극에 친수성이 충분히 부여되어 전극과 전해질 용액의 반응성이 증가함으로써 충방전 특성이 개선된 바나듐 산화환원 흐름전지를 제조할 수 있다.As used herein, the term "functional group containing oxygen" refers to a hydroxyl group (-OH), a ketone group (-C=O), an aldehyde group or a carboxyl group (-COOH), and "a functional group containing nitrogen" is a primary amino group, secondary amino group, tertiary amino group, pyrrole (-C-NH-C-) group, or pyridine (-C=NC-) group. When these two types of hydrophilic functional groups are held together, hydrophilicity is sufficiently imparted to the hydrophobic carbon fiber support electrode, thereby increasing the reactivity between the electrode and the electrolyte solution, thereby manufacturing a vanadium redox flow battery with improved charge and discharge characteristics.
상기한 산소 관능기 및 질소 관능기를 탄소 섬유 지지체 전극에 도입하는 경우, 본 기술분야에서 통상적으로 사용되는 방법이라면 모두 다 적용가능하다. 예를 들어 이온흡착층 형성용 조성물이 도포 및/또는 함침된 탄소 섬유 지지체 전극을 200 내지 800℃, 예를 들면 300 내지 700℃ 또는 400 내지 600℃, 구체적으로 약 500℃의 전기로에서 산소 분위기하에서, 예를 들면 스팀 상태의 수증기를 주입하여 열처리하는 방법을 이용하여 실시할 수 있다. 산소 관능기로서 카르복실기를 탄소섬유 지지체 전극에 도입하는 경우 산소와 질소의 혼합 가스를 반응로에 주입할 수 있다.When introducing the above-described oxygen functional group and nitrogen functional group to the carbon fiber support electrode, any method commonly used in the art is applicable. For example, a carbon fiber support electrode coated with and/or impregnated with a composition for forming an ion adsorption layer is heated in an oxygen atmosphere in an electric furnace of 200 to 800°C, for example 300 to 700°C or 400 to 600°C, specifically about 500°C. , for example, it can be carried out using a method of heat treatment by injecting steam in a state of steam. When a carboxyl group as an oxygen functional group is introduced into the carbon fiber support electrode, a mixed gas of oxygen and nitrogen may be injected into the reactor.
이하, 본 발명의 바나듐 산화환원 흐름전지용 탄소펠트 전극을 제조하는 방법에 대하여 더 상세하게 설명한다.Hereinafter, a method for manufacturing a carbon felt electrode for a vanadium redox flow battery of the present invention will be described in more detail.
먼저, 예를 들면 평균 섬유장 30 내지 120 mm 및 평균섬유 직경은 5 내지 20㎛의 크림프된 탄소섬유 전구체 스테이플을 이용하여 통상적인 부직포 제조공정을 통하여 탄소 펠트 전구체를 제조한다. 탄소섬유 전구체는 예를 들어 레이온 섬유, 폴리아크릴로니트릴 섬유, 셀루로오스 섬유 등일 수 있다. 이에 의하여 얻어진 탄소 펠트 전구체를 산화 공정을 거치게 함으로써 산화된 탄소 펠트 전구체를 얻는다. 탄소 펠트 전구체를 산화하는 공정은 공기 또는 산소 기체 분위기하에서 150 내지 450℃, 예를 들어 250 내지 350℃, 구체적으로 약 300℃에서 실시한다. 이러한 산화 공정을 통하여 탄소섬유 전구체는 벤젠 구조를 더 많이 가지는 구조로 바뀌면서 탄소 함량이 60% 이상으로 증가한다. 대안적으로, 탄소 펠트 전구체를 산화하는 공정을 이용하지 않고 이미 산화된 탄소섬유(oxidized staple carbon fiber)를 이용하여 부직포 공정을 통하여 산화된 탄소펠트를 제조하는 것도 채용할 수 있다.First, for example, a carbon felt precursor is prepared through a conventional nonwoven fabric manufacturing process using a crimped carbon fiber precursor staple having an average fiber length of 30 to 120 mm and an average fiber diameter of 5 to 20 μm. The carbon fiber precursor may be, for example, rayon fiber, polyacrylonitrile fiber, cellulose fiber, or the like. By subjecting the thus obtained carbon felt precursor to an oxidation process, an oxidized carbon felt precursor is obtained. The process of oxidizing the carbon felt precursor is carried out at 150 to 450 °C, for example, 250 to 350 °C, specifically about 300 °C in an atmosphere of air or oxygen gas. Through this oxidation process, the carbon fiber precursor is changed to a structure having a more benzene structure, and the carbon content increases to 60% or more. Alternatively, it is also possible to manufacture the oxidized carbon felt through a non-woven fabric process using oxidized staple carbon fiber without using a process for oxidizing the carbon felt precursor.
이어서, 산화된 탄소펠트를 불활성 가스 분위기하에서 열처리하는 탄화 및 흑연화 공정을 진행함으로써 흑연화된 탄소 펠트(간단히, 흑연 펠트로 지칭될 수 있음)이다. 여기에서 불활성 가스 분위기는 예를 들어 질소, 아르곤 또는 헬륨 등의 기체 분위기를 이용하여 형성한다. 그리고 탄화 및 흑연화를 위한 열처리 온도는 1300 내지 2200℃일 수 있다. 열처리가 상기 온도 범위에서 실시되면 산화된 탄소 펠트의 탄화 및 흑연화가 원활하게 이루어진다. 이렇게 하여 제조된 흑연 펠트중에 포함된 탄소섬유 직경은 8 내지 10㎛이고, 흑연 펠트의 밀도는 0.09 내지 0.13 g/㎤일 수 있다.Then, the carbon felt is graphitized (which may be simply referred to as graphite felt) by performing carbonization and graphitization processes in which the oxidized carbon felt is heat-treated in an inert gas atmosphere. Here, the inert gas atmosphere is formed using, for example, a gas atmosphere such as nitrogen, argon, or helium. And the heat treatment temperature for carbonization and graphitization may be 1300 to 2200 ℃. When the heat treatment is carried out in the above temperature range, carbonization and graphitization of the oxidized carbon felt are smoothly performed. The carbon fiber diameter contained in the graphite felt produced in this way may be 8 to 10 μm, and the density of the graphite felt may be 0.09 to 0.13 g/cm 3 .
계속해서, 전도성 탄소 분말, 탄화가 가능한 바인더 수지, 산소 관능기를 포함한 전구체, 질소 기능기를 포함한 전구체 및 용매를 포함하는 이온흡착층 형성용 조성물을 조제한다. 전도성 탄소 분말, 바인더 수지, 및 전구체에 대하여는 상술한 것을 사용할 수 있다. 예를 들면, 바인더 수지로서는 폴리비닐알코올, 폴리비닐아세테이드, 폴리스티렌, 페놀 수지, 아크릴 수지, 셀루로오즈 및 나노셀루로오즈 파이버를 사용할 수 있으며, 산소 관능기를 포함한 전구체로서는 글리세린, 말레산, 푸마르산 및/또는 글루타르산 등을, 질소를 포함하는 관능기를 포함한 전구체로서는 우레아, 크레아틴 등을, 그리고 산소 관능기와 질소 관능기를 동시에 포함하는 전구체로서는 아스파트산 및 세린 등을 이용할 수 있다. 바인더 수지의 함량은 조성물 전체 중량을 기준으로 0.5 내지 10 중량%일 수 있으며, 산소 관능기를 포함하는 전구체와 질소를 포함하는 관능기를 포함하는 전구체는 조성물의 전체 중량을 기준으로 각각 0.05 내지 10 중량%일 수 있고, 전도성 탄소 분말은 조성물의 전체 중량을 기준으로 1 내지 20 중량%일 수 있고, 용매는 그 나머지 예를 들면 10 내지 98 중량%, 예를 들면 20 내지 95 중량%, 25 내지 90 중량%로 조절될 수 있다. 상기 용매는 에탄올, 메탄올, 이소프로판올 등의 알콜류, 물, 또는 글리세린 등의 고급 알코올을 사용할 수 있다. 용매 함량이 상기 범위일 때 이온흡착층 형성용 조성물을 구성하는 각 성분이 골고루 분산되어 탄소펠트상 및/또는 내부에 이온흡착층이 균일하게 형성될 수 있다.Subsequently, a composition for forming an ion adsorption layer including a conductive carbon powder, a carbonizable binder resin, a precursor including an oxygen functional group, a precursor including a nitrogen functional group, and a solvent is prepared. For the conductive carbon powder, the binder resin, and the precursor, those described above may be used. For example, as the binder resin, polyvinyl alcohol, polyvinyl acetate, polystyrene, phenol resin, acrylic resin, cellulose, and nanocellulose fiber can be used, and as a precursor including an oxygen functional group, glycerin, maleic acid, Fumaric acid and/or glutaric acid can be used as a precursor containing a functional group containing nitrogen, urea, creatine, etc., and aspartic acid, serine, etc. can be used as a precursor containing both an oxygen functional group and a nitrogen functional group. The content of the binder resin may be 0.5 to 10% by weight based on the total weight of the composition, and the precursor containing an oxygen functional group and the precursor containing a functional group containing nitrogen are 0.05 to 10% by weight, respectively, based on the total weight of the composition may be, and the conductive carbon powder may be 1 to 20% by weight based on the total weight of the composition, and the solvent may be, for example, 10 to 98% by weight, such as 20 to 95% by weight, 25 to 90% by weight, based on the total weight of the composition. % can be adjusted. As the solvent, alcohols such as ethanol, methanol, and isopropanol, water, or higher alcohols such as glycerin may be used. When the solvent content is within the above range, each component constituting the composition for forming an ion adsorption layer may be uniformly dispersed to form an ion adsorption layer uniformly on and/or inside the carbon felt.
조제된 이온흡착층 형성용 조성물(슬러리)을 흑연 펠트에 도포 및/또는 함침하고 건조하여 흑연 펠트의 적어도 일 면상 또는 양 면상에, 또는 흑연 펠트의 내부에 이온흡착층을 형성한다. 상기 이온흡착층 형성용 조성물을 흑연 펠트에 도포 및/또는 함침하는 방법은 특별하게 제한되지는 않으나, 예를 들어 스프레이 노즐을 이용하여 공급하는 방법 또는 함침 방법을 이용할 수 있다.The prepared composition for forming an ion adsorption layer (slurry) is applied to and/or impregnated with graphite felt and dried to form an ion adsorption layer on at least one or both surfaces of the graphite felt or inside the graphite felt. A method of applying and/or impregnating the composition for forming the ion adsorption layer on the graphite felt is not particularly limited, but, for example, a method of supplying using a spray nozzle or an impregnation method may be used.
건조는 예를 들어 80 내지 150℃, 예를 들어 약 120℃에서 실시한다. Drying is carried out at, for example, 80 to 150°C, for example about 120°C.
계속해서, 이온흡착층이 배치된 흑연 펠트를 200 내지 800℃, 예를 들면 300 내지 700℃ 또는 400 내지 600℃, 구체적으로 약 500℃의 전기로에서 산소 분위기(예를 들면 산소와 질소의 혼합비를 조정한 혼합 가스 분위기)하에서 가열처리하는 표면 처리 공정을 진행한다. 표면처리 단계에서 열산화와 화학적 산화가 동시에 진행함으로써 산소 관능기 함유 전구체 및 질소 관능기 함유 전구체가 가열에 의해 분해되고, 지지체의 탄소 섬유 표면 및/또는 전도성 탄소 분말 표면에 분해된 전구체에서 유래하는 라디칼 및/또는 이온종이 결합되어 산소 관능기 및 질소 관능기를 형성한다. 산소 관능기로서 카르복실기를 탄소섬유 지지체 전극에 도입하는 경우 산소 및 질소의 혼합 가스를 반응로에 도입할 수 있다. 이렇게 하여 도입된 산소 관능기 및 질소 관능기는 각종 산화 상태의 바나듐 이온을 흡탈착하여 산화반을응 유도할 수 있는 반응자리를 제공할 수 있다.Subsequently, the graphite felt with the ion adsorption layer disposed at 200 to 800 ° C, for example 300 to 700 ° C or 400 to 600 ° C, specifically, in an electric furnace of about 500 ° C. in an oxygen atmosphere (for example, the mixing ratio of oxygen and nitrogen A surface treatment step of heat treatment is performed under an adjusted mixed gas atmosphere). In the surface treatment step, thermal oxidation and chemical oxidation proceed simultaneously, so that the oxygen functional group-containing precursor and the nitrogen functional group-containing precursor are decomposed by heating, radicals derived from the decomposed precursor on the carbon fiber surface of the support and/or the conductive carbon powder surface, and / or ionic species are combined to form an oxygen functional group and a nitrogen functional group. When a carboxyl group as an oxygen functional group is introduced into the carbon fiber support electrode, a mixed gas of oxygen and nitrogen may be introduced into the reactor. The oxygen functional group and the nitrogen functional group introduced in this way can provide a reaction site capable of inducing an oxidation reaction by adsorbing and desorbing vanadium ions in various oxidation states.
상술한 열처리를 통하여 탄화 및 흑연화 공정을 거치면 유기물인 바인더 수지는 탄화되어 대부분 탄소로 변화되고 나머지는 가스로 배출된다. 이러한 과정을 거치면 탄소펠트는 탄소섬유, 탄소섬유의 골격 사이에 넓게 분포되는 전도성 탄소 및 바인더 수지의 탄화물(탄소계 물질)을 함유한 이온흡착층으로 구성된다. 이온흡착층이 형성된 탄소펠트를 구성하는 탄소 섬유 표면 및 이온흡착층 중의 전도성 탄소의 표면 및 상기 탄화물의 표면 등에는 산소 관능기 및 질소 관능기가 결합된 표면처리된 탄소펠트를 얻는다.When the carbonization and graphitization processes are performed through the above-described heat treatment, the binder resin, which is an organic material, is carbonized and mostly converted to carbon, and the remainder is discharged as a gas. After this process, the carbon felt is composed of an ion adsorption layer containing carbon fibers, conductive carbons widely distributed between the skeletons of carbon fibers, and carbides (carbon-based materials) of the binder resin. A surface-treated carbon felt in which an oxygen functional group and a nitrogen functional group are bonded is obtained on the surface of the carbon fibers constituting the carbon felt with the ion adsorption layer, the surface of the conductive carbon in the ion adsorption layer, and the surface of the carbide.
이때, 전도성 탄소 분말들을 결합하기 위한 바인더 수지는 탄화되면서 더 많은 바나듐 이온의 반응 사이트를 제공할 수 있으며 순수한 탄소로 구성되어 있어 이온 흡착 사이트가 더 많이 분포된다. 이에 더하여 이온흡착층이 형성된 탄소펠트 표면에 산소 관능기 및 질소 관능기를 도입함으로써 산소 관능기만을 도입하는 것에 비하여 더 용이하고 상대적으로 증가된 양의 친수성 관능기를 도입하는 것이 가능해진다. 따라서 종래의 산소 관능기만을 도입하는 경우와 비교하여 높은 이온흡착능과 높은 전기전도도 특성을 갖는 탄소펠트 전극을 제조할 수 있다. 상술한 탄화 및 흑연화를 거친 탄소 펠트는 탄소 섬유의 일부가 결정구조로 변화되면서 물에 대한 젖음성이 저하될 수 있으나, 본 발명에서는 탄소 섬유 지지체(탄소 펠트) 표면상 및/또는 내부에 이온흡착층을 형성하여 이온흡착층을 형성하지 않은 탄소 펠트와 비교하여 바나듐 이온과 같은 반응 이온종에 대한 흡착 및 젖음성이 개선될 뿐만 아니라, 산소 관능기 및 질소 관능기를 함께 도입함으로써 산소 관능기만이 도입된 경우에 비하여 강산성의 전해질 지지 전해질에서의 전기화학적 내구성을 구비하면서도 바나듐 이온의 산화환원 반응자리가 충분히 증가되고 전기 저항이 저하되어, 전해액 흡착성, 전기화학적 반응성, 및 산화환원 반응시간을 충분히 증가시킬 수 있다.At this time, the binder resin for bonding the conductive carbon powders can provide more reaction sites for vanadium ions while being carbonized, and since it is composed of pure carbon, more ion adsorption sites are distributed. In addition, by introducing an oxygen functional group and a nitrogen functional group to the surface of the carbon felt on which the ion adsorption layer is formed, it is easier to introduce an increased amount of the hydrophilic functional group compared to introducing only the oxygen functional group. Therefore, it is possible to manufacture a carbon felt electrode having a high ion adsorption capacity and high electrical conductivity characteristics compared to the conventional case of introducing only oxygen functionalities. In the carbon felt that has undergone the above-described carbonization and graphitization, wettability to water may be reduced as a portion of the carbon fibers are changed to a crystal structure, but in the present invention, ion adsorption on the surface and/or inside of the carbon fiber support (carbon felt) Compared with carbon felt without forming an ion adsorption layer by forming a layer, adsorption and wettability for reactive ionic species such as vanadium ions are improved, as well as when only an oxygen functional group is introduced by introducing an oxygen functional group and a nitrogen functional group together Compared to that, while having electrochemical durability in a strongly acidic electrolyte supporting electrolyte, the oxidation-reduction reaction site of vanadium ions is sufficiently increased and the electrical resistance is lowered, so that the electrolyte adsorption property, electrochemical reactivity, and redox reaction time can be sufficiently increased. .
본 발명의 탄소 섬유 지지체 전극의 제조방법에서 탄소 섬유 지지체의 표면에 산소 관능기 및 질소 관능기를 도입하여 표면처리된 탄소섬유 지지체를 제조하는 단계에서 산소 관능기의 산소 함량 및 질소 관능기의 질소 함량은 탄소섬유 지지체 전극의 표면을 XPS로 분석하여 탄소, 산소 및 질소의 총함량을 기준으로 하여 산소 관능기로부터 유래하는 산소 대 질소 관능기로부터 유래하는 질소의 원자 백분율(원자 %)의 비율(O:N)은 3:1 내지 10:1이고, 예를 들면 3.5:1 내지 4.5:1이되도록 조절된다. 질소 관능기로부터 유래하는 질소의 함량은 1 원자% 이상, 예를 들면 1.3 내지 4.9 원자%로 조절되고, 산소 관능기로부터 유래되는 산소의 함량은 10 원자% 이상, 예를 들면 12 내지 20 원자%, 또는 12 내지 19 원자%로 조절된다. 산소 함량 및 질소 함량이 상기 범위로 조절될때 전극 표면에서 반응이온종의 흡착이 더 증가하여 전극과 전해질 용액의 반응성이 매우 개선되어 전류밀도 특성이 향상될 수 있다.In the manufacturing method of the carbon fiber support electrode of the present invention, in the step of preparing a surface-treated carbon fiber support by introducing an oxygen functional group and a nitrogen functional group to the surface of the carbon fiber support, the oxygen content of the oxygen functional group and the nitrogen content of the nitrogen functional group are carbon fibers The surface of the support electrode was analyzed by XPS, and the ratio (O:N) of the atomic percentage (atomic %) of oxygen derived from the oxygen functional group to the nitrogen derived from the nitrogen functional group based on the total content of carbon, oxygen and nitrogen was 3 :1 to 10:1, for example, adjusted to be 3.5:1 to 4.5:1. The content of nitrogen derived from the nitrogen functional group is 1 atomic% or more, for example, 1.3 to 4.9 atomic%, and the content of oxygen derived from the oxygen functional group is 10 atomic% or more, for example 12 to 20 atomic%, or 12 to 19 atomic %. When the oxygen content and the nitrogen content are adjusted within the above ranges, the adsorption of reactive ion species on the electrode surface is further increased, so that the reactivity between the electrode and the electrolyte solution is greatly improved, thereby improving the current density characteristics.
본 발명의 탄소 지지체 전극을 이용하면 전해액과 탄소섬유 지지체(예: 흑연펠트) 전극의 친화도가 향상되어 탄소섬유 표면에서의 반응이온종의 흡착과 확산이 증가된다. 따라서 이러한 탄소 지지체 전극을 이용하면 산화환원 반응의 가역성과 전류밀도가 향상된다. 따라서 본 발명의 탄소 지지체 전극을 이용하면 충방전용량 및 전압효율이 개선된 바나듐 산화환원흐름전지를 제조할 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 탄소 지지체 전극을 이용하면 바나듐의 산화 및 환원이 촉진되므로 20% 이상 증가된 충방전효율; 및 반응자리 증가로 인하여 크게 향상된 전류 및 전압효율을 갖는 바나듐 산화환원 흐름전지를 얻을 수 있다. 상기 탄소펠트 전극은 다공성 구조를 갖고 있고 기공도가 70 내지 98%이다. When the carbon support electrode of the present invention is used, the affinity between the electrolyte and the carbon fiber support (eg, graphite felt) electrode is improved, and the adsorption and diffusion of reactive ionic species on the carbon fiber surface is increased. Therefore, the use of such a carbon support electrode improves the reversibility of the redox reaction and the current density. Therefore, by using the carbon support electrode of the present invention, it is possible to manufacture a vanadium redox flow battery with improved charge/discharge capacity and voltage efficiency. For example, when the carbon support electrode of the present invention is used, the oxidation and reduction of vanadium is promoted, so that the charging/discharging efficiency is increased by 20% or more; And it is possible to obtain a vanadium redox flow battery having greatly improved current and voltage efficiency due to the increase of the reaction site. The carbon felt electrode has a porous structure and has a porosity of 70 to 98%.
도 1은 일구현예에 따른 탄소펠트 전극을 구비한 바나듐 산화환원 흐름전지의 구조를 나타낸 것이다.1 shows the structure of a vanadium redox flow battery having a carbon felt electrode according to an embodiment.
도 1을 참조하면, 바나듐 산화환원 흐름 전지(10)는 단위 셀(20)들이 직렬로 적층되어 있는 스택(30); 산화 상태가 각각 다른 활물질이 저장되어 있는 탱크(40, 50)들; 및 충전 및 방전시 활물질을 순환시키는 펌프(42, 52)들로 구성되어 있다. 음극과 양극의 전해질은 바나듐(V), 철(Fe), 크롬(Cr) 등의 활물질과 주석(Sn) 등의 전이금속을 강산수용액에 용해시킨 산성 수용액을 이용할 수 있다. 스택(30)은 단위 셀(20)들과 두 개의 엔드 플레이트(60, 62)들로 구성되어 있다. 단위 셀(20)들과 엔드 플레이트(60, 62)들은 복수의 타이로드(64)에 의하여 체결되어 있다.1, the vanadium
도 2를 참조하면, 단위 셀(20)들은 기본적으로 멤브레인(22)과, 멤브레인의 양쪽에 배치되어 있는 애노드 및 캐소드로 구성되는 한 쌍의 전극(24); 및 전극(24)들의 양쪽에 배치되어 있는 한 쌍의 분리판(26)을 구비한다. 2, the
이러한 전극은 산화환원 흐름 전지(10)에 흐르는 전해질과 직접 접촉하여 충전 및 방전시 전해질에 녹아 있는 전기활성종이 반응하는 활성 부위를 제공하고, 전자의 이동 경로를 제공하는 역할을 한다. 따라서 전극으로 사용되는 물질은 전기전도성이 크며, 사용되는 지지 전해질의 강산성 용액에서 내구성이 우수하고, 전기활성종의 산화 환원 반응이 일어날 수 있는 반응자리를 제공하여야 한다. 또한 셀 저항을 낮추기 위해서는 전극과 흑연 분리판 사이의 계면과 전극과 막사이의 계면 저항을 줄일 수 있는 전극구조를 가져야 한다.These electrodes are in direct contact with the electrolyte flowing through the
산소 관능기 및 질소 관능기가 탄소 펠트 전극의 표면에 형성된 것은 푸리에변환 적외선 분광학(FT-IR) 기술을 이용하여 확인할 수 있다.The formation of oxygen functional groups and nitrogen functional groups on the surface of the carbon felt electrode can be confirmed using Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) technique.
본 발명의 탄소 펠트 전극을 구성하는 탄소 섬유의 평균섬유 직경은 5 내지 20㎛이고, 평균길이는 평균 섬유장 30 내지 120 mm, 예를 들면 50 내지 100mm이다. The average fiber diameter of the carbon fibers constituting the carbon felt electrode of the present invention is 5 to 20 μm, and the average length is 30 to 120 mm in average fiber length, for example 50 to 100 mm.
상기 바나듐 산화 흐름 전지의 전극에 탄소 섬유 외 추가적인 이온흡착층을 포함하게 되면, 탄소섬유만으로 이루어진 기존의 탄소 전극에 비하여 흑연펠트 표면에서 산소 함량이 관능기 전체 중량부의 0.5에서 20 중량부까지 증가하며, 비표면적이 1 ㎡/g이하에서 100 ㎡/g까지 증가하게 된다. 그 결과 바나듐 산화환원 이온종이 흑연펠트 표면에 흡착되는 양이 증가되고 이를 통해 반응 사이트가 증가하면서 산화-환원 반응에 참여하는 이온양이 증가한다. 그래서 충방전 용량이 증가하고 충전과 방전의 효율이 증가하는 효과를 볼 수 있다. 기존의 흑연 펠트는 반응이온종의 질량이동(mass transfer)에 의한 반응이었다면 본 발명의 반응은 흑연 펠트 표면에서의 확산도 증가하기 때문에 더 높다.When an additional ion adsorption layer other than carbon fiber is included in the electrode of the vanadium oxide flow battery, the oxygen content on the surface of the graphite felt increases from 0.5 to 20 parts by weight of the total weight of functional groups compared to the conventional carbon electrode made of only carbon fibers, The specific surface area increases from less than 1
본 발명의 다른 측면에 따른 바나듐 산화환원흐름 전지는 상기한 본 발명의 전극을 전지의 캐소드 또는 애노드로 사용한다. The vanadium redox flow battery according to another aspect of the present invention uses the above-described electrode of the present invention as a cathode or an anode of the battery.
도 1b는 본 발명의 일 구현예에 따른 산화환원 흐름 전지를 개략적으로 나타낸 도면이다.Figure 1b is a diagram schematically showing a redox flow battery according to an embodiment of the present invention.
도 1b를 참조하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 산화환원 흐름 전지는 캐소드 셀(1), 애노드 셀(2), 상기 두 셀(1, 2)을 격리시키는 이온교환막(100) 및 상기 셀들(1, 2)과 각각 연통된 탱크(21, 22)를 포함한다. 캐소드 셀(1)은 캐소드(13) 및 캐소드 전해액(11)을 포함한다. 애노드 셀(2)은 애노드(14) 및 애노드 전해액(12)을 포함한다. 캐소드(13)와 애노드(14)에서 일어나는 산화환원 반응에 따라 충전 및 방전이 일어난다. 캐소드(13)와 애노드(14)는 각각 본 발명의 탄소 펠트 전극을 포함할 수 있다. 도 1b에서 참조번호 (41), (420)은 튜브 또는 파이프를 나타내고, (31), (32)는 펌프를 나타낸다.Referring to Figure 1b, the redox flow battery according to an embodiment of the present invention is a cathode cell (1), an anode cell (2), an
상기 산화환원 흐름 전지의 작동 원리는 한국공개특허 제2011-0088881호에 개시되어 있다. 한국공개특허 제2011-0088881호는 전문이 본 명세서에 통합된다.The operating principle of the redox flow battery is disclosed in Korean Patent Publication No. 2011-0088881. Korea Patent Publication No. 2011-0088881 is incorporated herein in its entirety.
상기 산화환원 흐름 전지는 고출력, 고전압이 요구되는 모든 용도에 사용될 수 있으며, 특히 에너지 저장 장치(ESS)에 적합하다. 즉, 태양광 혹은 풍력에 의하여 발생한 전기를 보관하는 Li 이온 배터리를 대체할 수 있으며, 전해액의 용량을 조절하여 에너지 저장량을 증가할 수 있기 때문에 장시간 전력이 차단될 경우 자립적으로 에너지를 공급할 수 있는 에너지 생성원으로 사용할 수 있다. The redox flow battery can be used in all applications requiring high output and high voltage, and is particularly suitable for energy storage devices (ESS). In other words, it can replace a Li-ion battery that stores electricity generated by sunlight or wind power, and the amount of energy stored can be increased by adjusting the capacity of the electrolyte. It can be used as a generator.
이하, 본 발명을 하기 실시예를 이용하여 더 상세하게 설명한다. 이는 예시적인 것으로서 본 발명은 하기 실시예에 한정되지 않는다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail using the following examples. This is illustrative and the present invention is not limited to the following examples.
비교예comparative example 1: One: 탄소 펠트carbon felt 전극의 제조 Preparation of electrodes
산화된 PAN(폴리아크릴로니트릴) 파이버를 사용하여 부직포 생산공정으로 평량 약 900 g/m2의 산화된 PAN 펠트를 제작하였다. 제조된 산화된 PAN는 900~2,200℃의 온도 구배를 갖는 질소 가스 분위기의 전기로에서 탄화-흑연화 공정을 거쳐서 롤 형태로 흑연 펠트를 제작하였다. 얻어진 흑연 펠트의 평량은 약 400g/m2이었고 흑연화 과정을 거치면서 수축이 일어나고, 탄소 섬유의 일부가 결정구조로 바뀌면서 물에 잘 젖지 않는 특징을 가지고 있기 때문에 바나듐 이온과 같은 반응이온종에 대한 흡착 및 젖음성이 낮아서 전극으로 직접 사용하기에 적당하지 않았다.An oxidized PAN felt having a basis weight of about 900 g/m 2 was produced in a nonwoven production process using oxidized PAN (polyacrylonitrile) fiber. The produced oxidized PAN was carbonized in an electric furnace in a nitrogen gas atmosphere having a temperature gradient of 900 to 2,200 ° C. - Through the graphitization process, graphite felt was produced in the form of a roll. The obtained graphite felt had a basis weight of about 400 g/m 2 , and shrinkage occurs during the graphitization process, and as a part of the carbon fibers change into a crystal structure, it does not wet well with water. It was not suitable for direct use as an electrode due to low adsorption and wettability.
이와 별도로 전도성 카본 블랙(VULCAN® XC-72, Carbot Corp.) 2g, 페놀 수지(제품명: TD-2493D, 제조사: 강남화성) 20g, 및 물 2,000 g을 혼합하여 이온흡착층 형성용 조성물을 제조하였다.Separately, a composition for forming an ion adsorption layer was prepared by mixing 2 g of conductive carbon black (VULCAN® XC-72, Carbot Corp.), 20 g of a phenol resin (product name: TD-2493D, manufacturer: Gangnam Chemical), and 2,000 g of water. .
위에서 얻어진 흑연 펠트의 상면 위에 상기 이온흡착층 형성용 조성물을 함침하고 약 120℃의 오븐에서 약 20분 동안 건조하고, 약 500℃의 오븐에서 약 30분 동안 표면처리함으로써 흑연 펠트의 상면과 하면 및 내부 전체에 걸쳐서 이온흡착층을 형성하여 탄소 펠트 전극을 얻었다. 이때 이온흡착층이 흑연 펠트 안으로 골고루 함습되어 탄소섬유 사이의 네트워크에 도포되고 섬유 표면에도 결합되도록 한다. 이온흡착층 형성용 조성물의 도포량은 흑연 펠트 100 중량부를 기준으로 하여 약 5 중량부가 되도록 조절하였다.The upper and lower surfaces of the graphite felt by impregnating the composition for forming an ion adsorption layer on the upper surface of the graphite felt obtained above, drying in an oven at about 120° C. for about 20 minutes, and surface treatment in an oven at about 500° C. for about 30 minutes, and An ion adsorption layer was formed over the entire interior to obtain a carbon felt electrode. At this time, the ion adsorption layer is evenly impregnated into the graphite felt so that it is applied to the network between the carbon fibers and bonded to the fiber surface. The application amount of the composition for forming the ion adsorption layer was adjusted to be about 5 parts by weight based on 100 parts by weight of the graphite felt.
상기 표면처리 공정 동안 흑연 펠트에 도포된 이온흡착층 중의 페놀 수지는 탄소 섬유와 탄소 분말 사이에서 결합을 유지하도록 하는 역할을 하며, 탄화 공정 중에 페놀수지는 비결정성 탄소로 이루어진 탄화물로 변환되면서 일부 수축이 일어나기도 한다.During the surface treatment process, the phenolic resin in the ion adsorption layer applied to the graphite felt serves to maintain the bond between the carbon fibers and the carbon powder, and during the carbonization process, the phenolic resin is converted into a carbide made of amorphous carbon and some shrinkage. sometimes this happens
이온 흡착층이 형성된 흑연펠트를 약 500℃의 전기로 안에 넣고 스팀 상태의 수증기를 전기로에 일정한 속도로 주입하여 탄소 섬유 표면과 이온흡착층의 표면에 히드록시기 및 케톤기 등의 관능기가 도입된 흑연 펠트를 얻어 전극을 제조하였다. 최종적으로 얻어진 흑연 펠트의 평량은 약 400g/m2 ~ 500g/m2이 되게 조절하였다. Graphite felt with functional groups such as hydroxyl and ketone groups introduced on the carbon fiber surface and the surface of the ion adsorption layer by putting graphite felt with an ion adsorption layer into an electric furnace at about 500°C and injecting steam in the form of water vapor into the electric furnace at a constant rate was obtained to prepare an electrode. The basis weight of the finally obtained graphite felt was adjusted to be about 400 g/m 2 to 500 g/m 2 .
비교예 2: 탄소 펠트 전극의 제조Comparative Example 2: Preparation of carbon felt electrode
산화된 PAN(폴리아크릴로니트릴) 파이버를 사용하여 부직포 생산공정으로 평량 약 900 g/m2의 산화된 PAN 펠트를 제작하였다. 제조된 산화된 PAN는 900~2,200℃의 온도 구배를 갖는 질소 가스 분위기의 전기로에서 탄화-흑연화 공정을 거쳐서 롤 형태로 흑연 펠트를 제작하였다. 얻어진 흑연 펠트의 평량은 약 400g/m2이었고 흑연화 과정을 거치면서 수축이 일어나고, 탄소 섬유의 일부가 결정구조로 바뀌면서 물에 잘 젖지 않는 특징을 가지고 있기 때문에 바나듐 이온과 같은 반응이온종에 대한 흡착 및 젖음성이 낮아서 전극으로 직접 사용하기에 적당하지 않았다.An oxidized PAN felt having a basis weight of about 900 g/m 2 was produced in a nonwoven production process using oxidized PAN (polyacrylonitrile) fiber. The produced oxidized PAN was carbonized in an electric furnace in a nitrogen gas atmosphere having a temperature gradient of 900 to 2,200 ° C. - Through the graphitization process, graphite felt was produced in the form of a roll. The obtained graphite felt had a basis weight of about 400 g/m 2 , and shrinkage occurs during the graphitization process, and as a part of the carbon fibers change into a crystal structure, it does not wet well with water. It was not suitable for direct use as an electrode due to low adsorption and wettability.
이와 별도로 전도성 카본 블랙(VULCAN® XC-72, Carbot Corp.) 10 g, 페놀 수지(제품명: TD-2493D, 제조사: 강남화성) 20 g, 산소 관능기 전구체로서 글리세린 50 g, 질소 관능기 전구체로서 우레아 50 g 및 물 2,000 g을 혼합하고 균일하게 믹싱하여 이온흡착층 형성용 조성물을 제조하였다.Separately, 10 g of conductive carbon black (VULCAN® XC-72, Carbot Corp.), 20 g of phenolic resin (product name: TD-2493D, manufacturer: Gangnam Chemical), 50 g of glycerin as an oxygen functional group precursor, 50 g of urea as a nitrogen functional group precursor g and 2,000 g of water were mixed and uniformly mixed to prepare a composition for forming an ion adsorption layer.
위에서 얻어진 흑연 펠트의 상면 위에 상기 이온흡착층 형성용 조성물을 스프레이 노즐을 이용하여 도포하고 약 120℃의 오븐에서 약 2 시간 동안 건조하고, 약 500℃의 오븐에서 약 1 시간 동안 표면처리함으로써 흑연 펠트의 상면과 하면 및 내부 전체에 걸쳐서 이온흡착층을 형성하여 탄소 펠트 전극을 얻었다. 이때 이온흡착층이 흑연 펠트 안으로 골고루 함습되어 탄소섬유 사이의 네트워크에 도포되고 섬유 표면에도 결합되도록 한다. 이온흡착층 형성용 조성물의 도포량은 흑연 펠트 100 중량부를 기준으로 하여 약 5 중량부가 되도록 조절하였다.Graphite felt by applying the composition for forming an ion adsorption layer on the upper surface of the graphite felt obtained above using a spray nozzle, drying in an oven at about 120° C. for about 2 hours, and surface treatment in an oven at about 500° C. for about 1 hour A carbon felt electrode was obtained by forming an ion adsorption layer over the upper and lower surfaces and the entire interior. At this time, the ion adsorption layer is evenly impregnated into the graphite felt so that it is applied to the network between the carbon fibers and bonded to the fiber surface. The application amount of the composition for forming the ion adsorption layer was adjusted to be about 5 parts by weight based on 100 parts by weight of the graphite felt.
상기 표면처리 공정 동안 흑연 펠트에 도포된 이온흡착층 중의 페놀 수지는 탄소 섬유와 탄소 분말 사이에서 결합을 유지하도록 하는 역할을 하며, 탄화 공정 중에 페놀수지는 비결정성 탄소로 이루어진 탄화물로 변환되면서 일부 수축이 일어나기도 한다.During the surface treatment process, the phenolic resin in the ion adsorption layer applied to the graphite felt serves to maintain the bond between the carbon fibers and the carbon powder, and during the carbonization process, the phenolic resin is converted into a carbide made of amorphous carbon and some shrinkage. sometimes this happens
이온 흡착층이 형성된 흑연펠트를 약 500℃의 전기로 안에 넣고 스팀 상태의 수증기를 전기로에 일정한 속도로 주입하여 탄소 섬유 표면과 이온흡착층의 표면에 히드록시기 및 케톤기 등의 관능기가 도입된 흑연 펠트를 얻어 전극을 제조하였다. 최종적으로 얻어진 흑연 펠트의 평량은 약 400g/m2 ~ 500g/m2이 되게 조절하였다.Graphite felt with functional groups such as hydroxyl and ketone groups introduced on the carbon fiber surface and the surface of the ion adsorption layer by putting graphite felt with an ion adsorption layer into an electric furnace at about 500°C and injecting steam in the form of water vapor into the electric furnace at a constant rate was obtained to prepare an electrode. The basis weight of the finally obtained graphite felt was adjusted to be about 400 g/m 2 to 500 g/m 2 .
실시예 1: 탄소 펠트 전극의 제조Example 1: Preparation of carbon felt electrode
이온흡착층 형성용 조성물을 조제할 때 탄소나노튜브(제품명: CNT MR99, 제조사: (주)카본나노텍) 2 g을 더 첨가하고 일부 성분의 함량을 아래에 표시한 것과 같이 변경한 것을 제외하고는 비교예 2와 동일한 방법 및 조건으로 탄소 펠트 전극을 얻었다. 즉 이온흡착층 형성용 조성물의 조성은 아래와 같았다: 전도성 카본 블랙(VULCAN® XC-72, Carbot Corp.) 3 g, 탄소나노튜브(제품명: CNT MR99, 제조사: (주)카본나노텍) 2 g, 페놀 수지(제품명: TD-2493D, 제조사: 강남화성) 20 g, 산소 관능기 전구체로서 글리세린 50 g, 질소 관능기 전구체로서 우레아 20 g, 및 물 2,000 g.When preparing the composition for forming an ion adsorption layer, 2 g of carbon nanotubes (product name: CNT MR99, manufacturer: Carbon Nanotech Co., Ltd.) were further added and the content of some components was changed as indicated below. A carbon felt electrode was obtained in the same manner and under the same conditions as in Comparative Example 2. That is, the composition of the composition for forming the ion adsorption layer was as follows: 3 g of conductive carbon black (VULCAN® XC-72, Carbot Corp.), 2 g of carbon nanotubes (product name: CNT MR99, manufacturer: Carbon Nanotech), 20 g of a phenolic resin (product name: TD-2493D, manufacturer: Gangnam Hwaseong), 50 g of glycerin as an oxygen functional group precursor, 20 g of urea as a nitrogen functional group precursor, and 2,000 g of water.
실시예 2: 탄소 펠트 전극의 제조Example 2: Preparation of Carbon Felt Electrodes
흑연 펠트에 이온흡착층을 형성할 때 먼저 전도성 카본 블랙(VULCAN® XC-72, Carbot Corp.) 5 g, 페놀 수지(제품명: TD-2493D, 제조사: 강남화성) 20 g, 산소 관능기 전구체로서 글리세린 50g, 질소 관능기 전구체로서 우레아 20g, 및 물 2,000 g을 혼합하고 균일하게 믹싱하여 얻은 조성물 1을 먼저 흑연 펠트의 상면 위에 함침하고 약 120℃의 오븐에서 약 20분 동안 건조하고, 약 500 ℃의 오븐에서 약 1시간 동안 표면처리함으로써 흑연 펠트의 상면과 하면 및 내부 전체에 걸쳐서 상기 조성물 1을 이용한 중간 이온흡착층을 먼저 형성하였다.When forming the ion adsorption layer on the graphite felt, first, 5 g of conductive carbon black (VULCAN® XC-72, Carbot Corp.), 20 g of phenolic resin (product name: TD-2493D, manufacturer: Gangnam Chemical), glycerin as an oxygen functional
이어서 표면처리된 탄소나노튜브(제품명: CNT MR99, 제조사: (주)카본나노텍) 5 g, 페놀 수지(제품명: TD-2493D, 제조사: 강남화성) 20 g, 및 물 2,000 g을 혼합하고 균일하게 믹싱하여 얻은 조성물 2를 중간 이온흡착층이 형성된 흑연 펠트의 상면 위에 함침하고 약 120℃의 오븐에서 약 30분 동안 건조하고, 약 500 ℃의 오븐에서 약 1 시간 동안 표면처리함으로써 흑연 펠트의 상면과 하면 및 내부 전체에 걸쳐서 상기 조성물 2를 이용한 이온흡착층을 더 형성하여 이온흡착층 형성을 완료하여 탄소 펠트 전극을 얻었다. 이때 이온흡착층이 흑연 펠트 안으로 골고루 함습되어 탄소섬유 사이의 네트워크에 도포되고 섬유 표면에도 결합되도록 한다. 이온흡착층 형성용 조성물 1 및 2의 전체 도포량은 흑연 펠트 100 중량부를 기준으로 하여 약 3 중량부가 되도록 조절하였다.Then, 5 g of surface-treated carbon nanotubes (product name: CNT MR99, manufacturer: Carbon Nanotech), 20 g of phenolic resin (product name: TD-2493D, manufacturer: Gangnam Hwaseong), and 2,000 g of water are mixed and uniformly The
실시예 3: 탄소 펠트 전극의 제조Example 3: Preparation of Carbon Felt Electrodes
흑연 펠트에 이온흡착층을 형성할 때 먼저 전도성 카본 블랙(VULCAN® XC-72, Carbot Corp.) 5 g, 페놀 수지(제품명: TD-2493D, 제조사: 강남화성) 20 g, 산소 관능기 전구체로서 글리세린 30 g, 질소 관능기 전구체로서 우레아 10 g, 및 물 2,000 g을 혼합하고 균일하게 믹싱하여 얻은 조성물 1을 먼저 흑연 펠트의 상면 위에 스프레이 노즐을 이용하여 도포하고 약 120℃의 오븐에서 약 30 분 동안 건조하여 흑연 펠트의 상면과 하면 및 내부 전체에 걸쳐서 상기 조성물 1을 이용한 중간 이온흡착층을 먼저 형성하였다.When forming the ion adsorption layer on the graphite felt, first, 5 g of conductive carbon black (VULCAN® XC-72, Carbot Corp.), 20 g of phenolic resin (product name: TD-2493D, manufacturer: Gangnam Chemical), glycerin as an oxygen functional group precursor 30 g, 10 g of urea as a nitrogen functional group precursor, and 2,000 g of water were mixed and uniformly mixed.
이어서 탄소나노튜브(제품명: CNT MR99, 제조사: (주)카본나노텍) 10 g, 페놀 수지(제품명: TD-2493D, 제조사: 강남화성) 50 g, 및 물 2,000 g을 혼합하고 균일하게 믹싱하여 얻은 조성물 2를 중간 이온흡착층이 형성된 흑연 펠트의 상면 위에 도공기를 이용하여 도포하고 약 120℃의 오븐에서 약 20 분간 동안 건조하고, 약 500℃의 오븐에서 약 2 시간 동안 표면처리함으로써 흑연 펠트의 상면과 하면 및 내부 전체에 걸쳐서 상기 조성물 1을 이용한 이온흡착층 물질이 존재하되, 탄소나노튜브 성분은 흑연 펠트의 상면에만 존재하는 이온흡착층 형성을 완료하여 탄소 펠트 전극을 얻었다. 이온흡착층 형성용 조성물 1 및 2의 전체 도포량은 흑연 펠트 100 중량부를 기준으로 하여 약 10 중량부가 되도록 조절하였다.Subsequently, 10 g of carbon nanotubes (product name: CNT MR99, manufacturer: Carbon Nanotech), 50 g of phenol resin (product name: TD-2493D, manufacturer: Gangnam Hwaseong), and 2,000 g of water were mixed and uniformly mixed to obtain
실시예 4: 탄소 펠트 전극의 제조Example 4: Preparation of Carbon Felt Electrodes
조성물 2를 중간 이온흡착층이 형성된 흑연 펠트의 상면 및 하면의 양면 위에 모두 도공기를 이용하여 도포하고 표면처리함으로써 흑연 펠트의 상면과 하면 및 내부 전체에 걸쳐서 상기 조성물 1을 이용한 물질이 존재하되, 탄소나노튜브 성분은 흑연 펠트의 상면 및 하면의 양면 위에만 존재하는 이온흡착층 형성을 완료하여 탄소 펠트 전극을 얻었다. 이온흡착층 형성용 조성물 1 및 2의 전체 도포량은 흑연 펠트 100 중량부를 기준으로 하여 약 15 중량부가 되도록 조절하였다.By applying
실시예 5: 탄소 펠트 전극의 제조Example 5: Preparation of Carbon Felt Electrodes
비교예 2에서 얻어진 흑연 펠트 위에 전도성 카본 블랙(VULCAN® XC-72, Carbot Corp.) 0.1 g, 탄소나노튜브(제품명: CNT MR99, 제조사: (주)카본나노텍) 1 g, 페놀 수지(제품명: TD-2493D, 제조사: 강남화성) 20 g, 산소 관능기 전구체로서 글리세린 50 g, 질소 관능기 전구체로서 우레아 20 g, 및 물 2,000 g을 혼합하고 균일하게 믹싱하여 이온흡착층 형성용 조성물 1을 먼저 흑연 펠트의 상면 위에 스프레이 노즐을 이용하여 도포하고 약 120℃의 오븐에서 약 20 분 동안 건조하여 흑연 펠트의 상면과 하면 및 내부 전체에 걸쳐서 상기 조성물 1을 이용한 중간 이온흡착층을 먼저 형성하였다.On the graphite felt obtained in Comparative Example 2, 0.1 g of conductive carbon black (VULCAN® XC-72, Carbot Corp.), 1 g of carbon nanotubes (product name: CNT MR99, manufacturer: Carbon Nanotech Co., Ltd.), phenol resin (product name: TD-2493D, manufacturer: Gangnam Hwaseong) 20 g, glycerin 50 g as an oxygen functional group precursor, 20 g urea as a nitrogen functional group precursor, and 2,000 g of water were mixed and uniformly mixed to obtain
이어서 탄소나노튜브(제품명: CNT MR99, 제조사: (주)카본나노텍) 5 g, 페놀 수지(제품명: TD-2493D, 제조사: 강남화성) 50 g, 및 물 2,000 g을 혼합하고 균일하게 믹싱하여 얻은 조성물 2를 중간 이온흡착층이 형성된 흑연 펠트의 상면 및 하면 위에 도공기를 이용하여 도포하고 약 120℃의 오븐에서 약 20 분 동안 건조하고, 약 500 ℃의 오븐에서 약 2 시간 동안 표면처리함으로써 흑연 펠트의 상면과 하면 및 내부 전체에 걸쳐서 상기 조성물 1을 이용한 이온흡착층 물질이 존재하되, 탄소나노튜브 성분은 흑연 펠트의 상면 및 하면의 양면에만 존재하는 이온흡착층 형성을 완료하여 탄소 펠트 전극을 얻었다. 이온흡착층 형성용 조성물 1 및 2의 전체 도포량은 흑연 펠트 100 중량부를 기준으로 하여 약 15 중량부가 되도록 조절하였다.Then, 5 g of carbon nanotubes (product name: CNT MR99, manufacturer: Carbon Nanotech), 50 g of phenol resin (product name: TD-2493D, manufacturer: Gangnam Hwaseong), and 2,000 g of water were mixed and uniformly mixed to obtain
바나듐 산화환원 흐름 전지의 제조Fabrication of Vanadium Redox Flow Cells
나피온 117을 이온교환막으로 사용하고 폴리프로필렌으로 만들어진 흐름틀 안에 비교예 1에 따라 제조된 전극을 삽입하였다. 집전판으로는 구리판 표면에 금을 도금하여 사용하고 탄소복합체판과 애노다이징 알루미늄판을 양쪽끝에 두고 체결하였다.Nafion 117 was used as an ion exchange membrane, and the electrode prepared according to Comparative Example 1 was inserted into a flow frame made of polypropylene. As the current collector plate, gold was plated on the surface of the copper plate, and a carbon composite plate and an anodized aluminum plate were placed at both ends and fastened.
전해질 용액은 VOSO4와 H2SO4의 혼합수용액을 사용하고 혼합된 상태의 온도는 VOSO4 1.5M H2SO4 3M이 되도록 하여 바나듐 산화환원 흐름전지를 제조하였다. As the electrolyte solution, a mixed aqueous solution of VOSO 4 and H 2 SO 4 was used, and the temperature of the mixed state was VOSO 4 1.5MH 2 SO 4 3M to prepare a vanadium redox flow battery.
비교예 1의 전극 대신 비교예 2의 전극을 사용한 것을 제외하고는, 위와 동일한 방법에 따라 실시하여 바나듐 산화환원 흐름전지를 제조하였다.A vanadium redox flow battery was manufactured in the same manner as above, except that the electrode of Comparative Example 2 was used instead of the electrode of Comparative Example 1.
비교예 1의 전극 대신 각각 실시예 1 내지 5에서 제조한 전극을 사용한 것을 제외하고는, 위와 동일한 방법에 따라 실시하여 바나듐 산화환원 흐름전지를 제조하였다.A vanadium redox flow battery was manufactured in the same manner as above, except that the electrodes prepared in Examples 1 to 5 were used instead of the electrode of Comparative Example 1.
표 1은 비교예 1-2 및 실시예 1-5의 전극 및 이를 장착한 바나듐 산화환원 흐름전지에 대하여 측정한 전극 또는 전지에 대한 물성치를 종합한 것이다.Table 1 summarizes the physical properties of the electrodes or batteries measured for the electrodes of Comparative Examples 1-2 and Examples 1-5 and the vanadium redox flow battery equipped therewith.
1comparative example
One
2comparative example
2
1Example
One
2Example
2
3Example
3
5Example
5
저항dry electricity
resistance
표 1에 나타낸 각종 물성은 아래와 같이 평가하였다.Various physical properties shown in Table 1 were evaluated as follows.
평가예 1: 전극의 건식 전기 저항 측정Evaluation Example 1: Measurement of Dry Electrical Resistance of Electrodes
실시예 1-5 및 비교예 1-2에 따라 제조된 전극을 일정한 크기로 잘라서 만능시험기의 전기전도도 측정 지그에 넣고 20N/㎠의 압력하에서 1.0A/㎠의 전류를 인가하는 조건하에서 전극의 건식 전기저항(dry electrical resistance)을 측정하였다.The electrodes prepared according to Examples 1-5 and Comparative Examples 1-2 were cut to a certain size, put into an electrical conductivity measuring jig of a universal tester, and under the condition of applying a current of 1.0A/cm2 under a pressure of 20N/cm2, dry the electrode Dry electrical resistance was measured.
표 1을 참조하면, 이온흡착층을 포함하며 이와 더불어 탄소 섬유 지지체를 구성하는 탄소 섬유 표면 및 이온흡착층 중의 전도성 탄소의 표면에 산소를 포함하는 친수성 관능기 및 질소를 포함하는 친수성 관능기가 결합되어 있는 탄소 지지체 전극(실시예 1-5)의 경우가 비교예 1-2의 전극에 비하여 건식 전기저항이 50% 이상 감소한 것을 확인할 수 있다. 전극의 저항이 낮을수록 충방전 반응에서 전하이동(charge transfer) 저항이 작아지기 때문에 전류의 흐름이 더 원활해질 수 있다. 이온흡착반응 사이트에서 생성된 전자는 전극을 따라서 흐르는데 전기전도도가 낮기 때문에 충방전시에 일부 전류의 누설로 나타날 수 있으며 낮은 전압효율의 원인될 수 있다.Referring to Table 1, a hydrophilic functional group containing oxygen and a hydrophilic functional group containing nitrogen are bonded to the surface of the conductive carbon in the ion adsorption layer and the surface of the carbon fiber constituting the carbon fiber support and including the ion adsorption layer. It can be seen that in the case of the carbon support electrode (Example 1-5), the dry electrical resistance was reduced by 50% or more compared to the electrode of Comparative Example 1-2. The lower the resistance of the electrode, the smaller the charge transfer resistance in the charge/discharge reaction, so that the current may flow more smoothly. The electrons generated at the ion adsorption reaction site flow along the electrode, and since the electrical conductivity is low, it may appear as a leakage of some current during charging and discharging and may cause low voltage efficiency.
평가예 2: 산소 관능기 및 질소 관능기의 함량 측정Evaluation Example 2: Measurement of content of oxygen functional groups and nitrogen functional groups
실시예 1-5 및 비교예 1-2에 따라 제조된 흑연 펠트 전극에서 전극표면에서의 산소 관능기 및 질소 관능기의 함량을 측정하기 위하여 XPS를 이용하여 산소 및 질소의 원자%를 평가하였다.In order to measure the content of oxygen functional groups and nitrogen functional groups on the electrode surface in the graphite felt electrodes prepared according to Examples 1-5 and Comparative Examples 1-2, the atomic % of oxygen and nitrogen was evaluated using XPS.
XPS를 이용하여 각 경우의 C와 O의 원자비 및 C와 N의 원자비를 측정하였다. 평가 결과, 실시예 1-5의 흑연 펠트 전극이 비교예 1-2의 경우에 비하여 산소 관능기 및 질소 관능기의 함량이 증가된 것을 확인할 수 있다. 실시예 1-5의 전극의 경우 산소 및 질소 함량이 모두 높아서 2종류의 친수성 관능기가 충분히 도입된 것을 확인할 수 있으며, 이는 탄소섬유 표면과 전도성 탄소 뿐만 아니라 탄화된 고분자수지 표면까지 전 영역에 걸쳐서 탄소 표면에 산소 관능기 및 질소 관능기가 형성되었기 때문이다.The atomic ratio of C and O and the atomic ratio of C and N in each case were measured using XPS. As a result of the evaluation, it can be seen that the graphite felt electrode of Examples 1-5 has an increased content of oxygen functional groups and nitrogen functional groups compared to Comparative Examples 1-2. In the case of the electrode of Example 1-5, both oxygen and nitrogen contents were high, so it could be confirmed that two types of hydrophilic functional groups were sufficiently introduced, which covered the carbon fiber surface and conductive carbon as well as the carbonized polymer resin surface over the entire area. This is because an oxygen functional group and a nitrogen functional group were formed on the surface.
평가예 3: 바나듐 산화환원 흐름 전지의 충방전 용량, 전류 효율 및 전압 효율 평가Evaluation Example 3: Evaluation of charge/discharge capacity, current efficiency and voltage efficiency of a vanadium redox flow battery
실시예 1-5 및 비교예 1-2에 따라 제조된 흑연 펠트 전극을 장착한 바나듐 산화환원 흐름 전지에 대하여 전해액의 유량 1.5 ml/min/cm2에서 전류밀도 80 mA/cm2에서의 충방전을 진행하여 각 전극에 대한 충방전 용량과 전류 효율 및 전압효율을 평가하였다.Charge and discharge at a current density of 80 mA/cm 2 at a flow rate of 1.5 ml/min/cm 2 of an electrolyte for a vanadium redox flow battery equipped with a graphite felt electrode prepared according to Examples 1-5 and Comparative Example 1-2 to evaluate the charge/discharge capacity, current efficiency, and voltage efficiency for each electrode.
상기 각 전지의 전류효율(충방전효율) 및 전압효율은 각각 하기 식 1 및 2에 의하여 계산하였다.The current efficiency (charge/discharge efficiency) and voltage efficiency of each battery were calculated by the following
[식 1][Equation 1]
전류 효율 (%)= (방전 용량/ 충전 용량) X 100.Current efficiency (%) = (discharge capacity/charge capacity)
[식 2][Equation 2]
전압 효율(%) = (평균방전전압/평균충전전압) X 100.Voltage efficiency (%) = (Average discharge voltage/Average charge voltage)
표 1을 참조하면, 이온흡착층을 포함하며 이와 더불어 탄소 섬유 지지체를 구성하는 탄소 섬유 표면 및 이온흡착층 중의 전도성 탄소의 표면에 산소를 포함하는 친수성 관능기 및 질소를 포함하는 친수성 관능기가 충분히 결합되어 있는 탄소 지지체 전극(실시예 1-5)의 경우가 이온흡착층을 구비하지만 산소를 포함하는 친수성 관능기만을 포함하는 비교예 1 및 이온흡착층을 구비하고 산소를 포함하는 친수성 관능기 및 질소를 포함하는 친수성 관능기를 다 포함하지만 질소 관능기의 함량이 불충분한 비교예 2의 전극에 비하여 건식 전기저항이 대폭 감소하였기 때문에 전류 흐름이 더 원활해 졌으며, 이에 따라 충방전 용량, 전류 효율 및 전압 효율이 모두 향상된 것을 확인할 수 있다.Referring to Table 1, a hydrophilic functional group containing oxygen and a hydrophilic functional group containing nitrogen are sufficiently bonded to the surface of the carbon fiber constituting the carbon fiber support and the surface of the conductive carbon in the ion adsorption layer including the ion adsorption layer. In the case of a carbon support electrode (Example 1-5) having an ion adsorption layer, Comparative Example 1 and an ion adsorption layer comprising only a hydrophilic functional group containing oxygen and a hydrophilic functional group containing oxygen and nitrogen Compared to the electrode of Comparative Example 2, which contains all hydrophilic functional groups but has insufficient nitrogen functional group content, the dry electrical resistance was significantly reduced, so the current flow became smoother, and thus the charge/discharge capacity, current efficiency, and voltage efficiency were all improved can check that
10: 바나듐 산화환원 흐름전지
20, 40: 단위셀
24: 전극
26: 분리판
30: 스택
42, 53: 탱크
42, 52: 펌프
60, 62: 엔드 플레이트10: vanadium
24: electrode 26: separator
30:
42, 52: pump 60, 62: end plate
Claims (9)
서로 대향하는 제1 표면 및 제2 표면을 갖는 다공성 판상 탄소 섬유 지지체; 및
상기 탄소 섬유 지지체의 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면 중 적어도 일 면상에 배치된 이온흡착층을 포함하거나, 또는 상기 탄소 섬유 지지체의 상기 제1 표면과 상기 제2 표면 사이의 상기 탄소 섬유 지지체의 내부에 분포하는 이온흡착층을 포함하며,
상기 이온흡착층은 전도성 탄소 및 바인더 수지 탄화물을 포함하며,
상기 탄소 섬유 지지체를 구성하는 탄소 섬유 표면 및 상기 이온흡착층 중의 전도성 탄소의 표면에는 산소를 포함하는 친수성 관능기 및 질소를 포함하는 친수성 관능기가 결합되어 있는 탄소 지지체 전극.A carbon support electrode for a vanadium redox flow battery, the carbon support electrode comprising:
a porous plate-like carbon fiber support having a first surface and a second surface opposite to each other; and
an ion adsorption layer disposed on at least one surface of the first surface and the second surface of the carbon fiber support, or between the first surface and the second surface of the carbon fiber support. It includes an ion adsorption layer distributed therein,
The ion adsorption layer includes conductive carbon and a binder resin carbide,
A carbon support electrode in which a hydrophilic functional group containing oxygen and a hydrophilic functional group containing nitrogen are bonded to the surface of the carbon fiber constituting the carbon fiber support and the surface of the conductive carbon in the ion adsorption layer.
상기 전도성 탄소는 비표면적이 40 내지 1,600 m2/g인 구상 또는 침상 형상을 가지며, 상기 전도성 탄소가 구상 입자인 경우 상기 구상 입자의 직경은 20 내지 50nm이며, 상기 전도성 탄소가 침상 입자인 경우 상기 침상 입자의 직경은 30 내지 100nm이고 길이는 2 내지 25㎛인 탄소 지지체 전극.According to claim 1, wherein the binder resin is phenol resin, epoxy resin, polyester, polyvinyl acetate, polyimide, polystyrene, polyacrylonitrile (PAN), pitch (pitch), polyvinyl alcohol (PVA), cellulose, At least one selected from nanocellulose fibers and acrylic resins,
The conductive carbon has a spherical or needle-like shape with a specific surface area of 40 to 1,600 m 2 /g, and when the conductive carbon is a spherical particle, the diameter of the spherical particle is 20 to 50 nm, and when the conductive carbon is a needle-like particle, the A carbon support electrode having a needle-like particle diameter of 30 to 100 nm and a length of 2 to 25 μm.
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