KR20220139206A - Method for producing vanadium electrolyte and battery comprising vanadium electrolyte - Google Patents

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KR20220139206A
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하종욱
황덕현
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Abstract

The present invention relates to a method for manufacturing a vanadium electrolyte and a battery including the vanadium electrolyte. According to the present invention, provided are a method for manufacturing a vanadium electrolyte and a battery including the vanadium electrolyte, wherein the reduction reaction rate of a vanadium compound can be controlled, separation and recovery processes can be omitted because by-products are not generated, and reproducibility of a single manufacturing process can be provided.

Description

바나듐 전해액 제조방법 및 바나듐 전해액을 포함하는 전지{METHOD FOR PRODUCING VANADIUM ELECTROLYTE AND BATTERY COMPRISING VANADIUM ELECTROLYTE}Method for producing a vanadium electrolyte and a battery comprising a vanadium electrolyte

본 발명은 바나듐 전해액 제조방법 및 바나듐 전해액을 포함하는 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 바나듐 화합물의 환원반응 속도 조절이 가능하며, 부산물을 생성하지 않아 분리 및 회수공정을 생략할 수 있고, 화학적 환원의 단일 공정을 재현성 있게 제공할 수 있는 바나듐 전해액의 제조방법 및 바나듐 전해액을 포함하는 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a vanadium electrolyte and a battery including a vanadium electrolyte, and more particularly, it is possible to control the reduction reaction rate of a vanadium compound, and it does not produce by-products, so the separation and recovery process can be omitted, and chemical reduction It relates to a method for producing a vanadium electrolyte capable of reproducibly providing a single process, and to a battery including the vanadium electrolyte.

전력 저장 기술(Energy Storage System; 이하 'ESS'라 함)은 종래 전력의 생산/사용 체계를 생산/저장/사용의 체계로 전환함으로써 효율적인 전력운용을 제공하는 기술로서, 다양한 방식이 연구되고 있으며, 구체적인 예로 양수발전, 압축공기저장, 플라이휠을 비롯한 물리적 저장 방식; 초전도 에너지저장, 슈퍼 커패시터를 비롯한 전자기적 방식; 플로우 전지, 리튬이온전지를 비롯한 화학적 방식; 등을 들 수 있다.Energy Storage System (hereinafter referred to as 'ESS') is a technology that provides efficient power management by converting the conventional power production/use system into a production/storage/use system, and various methods are being studied, Specific examples include pumped-water power generation, compressed air storage, and physical storage methods including flywheels; electromagnetic methods including superconducting energy storage, supercapacitors; chemical methods including flow batteries and lithium-ion batteries; and the like.

이중에서 플로우 전지는 저비용, 대용량, 장수명, 안정성 등의 장점을 가지고, 특히 발전소, 신재생에너지 ESS 연계 시스템, 스마트그리드 ESS 구축 등에 있어 실증이 완료되어 해당 분야에서 상업상 유리한 것으로 평가받고 있다. Among them, flow batteries have advantages such as low cost, large capacity, long lifespan, and stability. In particular, the demonstration has been completed in power plants, new and renewable energy ESS linkage systems, and smart grid ESS construction, and is evaluated as commercially advantageous in the relevant field.

플로우 전지를 구성하는 전해액으로는 일례로 바나듐 전해액이 있다. An example of the electrolyte constituting the flow battery is a vanadium electrolyte.

종래 바나듐 전해액은 환원제 사용 방식과 전기분해 방식의 다단계로 제조하게 되나, 이 경우 상업적으로 불필요한 형태의 전해액이 1/3 이상 제조될 뿐 아니라 다단계를 필요로 하고, 전기분해 단계에서 한정된 셀 크기를 고려할 때 대량 생산이 쉽지 않고 전해를 위한 전극, 분리막 등의 소모품이 지속적으로 발생하는 문제점이 있다. Conventional vanadium electrolyte solution is manufactured in multiple steps of a reducing agent use method and an electrolysis method, but in this case, more than 1/3 of the commercially unnecessary electrolyte solution is manufactured, and multi-steps are required, and the limited cell size is considered in the electrolysis step. When mass production is not easy, there is a problem that consumables such as electrodes and separators for electrolysis are continuously generated.

이때, 환원제 사용 방식은 원재료인 V2O5를 황산 용액에 용해시켜 바나듐 5가 이온으로 만든 다음 바나듐 4가 이온 VO2+로 환원시켜 4가 전해액을 제조하기 위해 환원제로서 옥살산, 메탄올 등을 사용한다.At this time, the method of using the reducing agent is to dissolve the raw material V 2 O 5 in a sulfuric acid solution to make a vanadium pentavalent ion, and then reduce it with the vanadium tetravalent ion VO 2+ to prepare a tetravalent electrolyte using oxalic acid, methanol, etc. do.

옥살산을 예로 들면, 바나듐 1.6 M/황산 4.0 M의 4가 전해액 1 L를 제조할 때, 발열을 고려하여 바나듐, 황산, 물을 혼합한 다음 옥살산을 첨가하여 교반 반응을 진행한다. 참고로, 반응기의 온도를 90℃로 유지할 경우 4시간이 소요될 뿐 아니라 메탄올은 옥살산 대비 반응속도가 느려 더욱 장시간이 소요된다. Taking oxalic acid as an example, when preparing 1 L of a tetravalent electrolyte of 1.6 M of vanadium / 4.0 M of sulfuric acid, in consideration of heat generation, vanadium, sulfuric acid, and water are mixed, and then oxalic acid is added to conduct a stirring reaction. For reference, when the temperature of the reactor is maintained at 90° C., it takes 4 hours, and methanol takes a longer time because the reaction rate is slower than that of oxalic acid.

그러나, 전술한 환원제는 바나듐 5가에서 바나듐 4가의 반응을 진행시킬 뿐 바나듐 4가에서 바나듐 3가의 반응은 관여하지 않으며, 미반응 환원제와 환원제의 산화 반응에 의해 생성된 부반응물이 전해액 특성을 심각하게 저하시키는 단점이 있다. However, the above-described reducing agent only advances the reaction of vanadium pentavalent to vanadium tetravalent, but does not participate in the reaction of vanadium tetravalent to vanadium trivalent, and side-reactants generated by the oxidation reaction of unreacted reducing agent and reducing agent seriously deteriorate the properties of the electrolyte. There is a downside to lowering it.

따라서 부반응이 발생하지 않거나 부반응물의 제거가 용이한 환원제 연구에서 나아가 양극과 음극에 동일한 바나듐 3.3 내지 3.7 가 전해액을 사용하는 연구가 계속되고 있다. Therefore, research using the same vanadium 3.3 to 3.7 electrolyte solution for anode and cathode is continued in addition to research on reducing agents that do not cause side reactions or easy removal of side reactants.

대표적인 예로, 바나듐 4가를 3가로 환원시킬 때 바나듐 4가 이온에 투입되어 촉매 반응시킴으로써 3.3 내지 3.7가 전해액을 제조할 수 있는 포름산을 비롯한 유기 환원제에 Ru, Pd, Pt 등의 귀금속 촉매를 이용하여 바나듐 3.3 내지 3.7가 전해액을 제조한다. 여기서 바나듐 3.3 내지 3.7가 전해액이란 달리 특정하지 않는 한, 바나듐 4가와 3가 이온이 동일한 몰 비로 포함된 전해액을 지칭한다.As a representative example, when reducing vanadium tetravalent to trivalent, it is added to vanadium tetravalent ions and reacted with catalytic reaction using noble metal catalysts such as Ru, Pd, and Pt to an organic reducing agent, including formic acid, which can produce a 3.3 to 3.7 valence electrolyte. 3.3 to 3.7 prepare electrolytes. Here, the 3.3 to 3.7 vanadium electrolyte refers to an electrolyte containing vanadium tetravalent and trivalent ions in the same molar ratio, unless otherwise specified.

그러나, 유기 환원제 내의 탄소 성분과 귀금속 촉매 중 일부가 전해액에 잔류하여 전지성능을 떨어뜨릴 수 있고, 대부분의 촉매가 희소 금속인 점에서 제조단가를 크게 높이게 된다. However, some of the carbon component and the noble metal catalyst in the organic reducing agent may remain in the electrolyte to deteriorate battery performance, and since most catalysts are rare metals, the manufacturing cost is greatly increased.

따라서, 바나듐 전해액의 생산성, 재현성, 안정성과 고품질을 개선하는 제조기술에 대한 연구가 필요하다. Therefore, there is a need for research on manufacturing technology to improve the productivity, reproducibility, stability and high quality of the vanadium electrolyte.

한국 등록특허 제1415538호Korean Registered Patent No. 1415538

상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자, 본 발명은 바나듐 전해액 제조에 있어 바나듐 화합물의 환원반응 속도 조절이 가능하며, 부산물의 분리 및 회수공정을 생략할 수 있고, 제조 공정의 재현성을 화학적 환원의 단일 공정으로 제공하는 바나듐 전해액 제조방법 및 상기 바나듐 전해액을 포함하는 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.In order to solve the problems of the prior art as described above, the present invention can control the reduction reaction rate of the vanadium compound in the production of a vanadium electrolyte, omit the separation and recovery process of by-products, and improve the reproducibility of the manufacturing process by chemical reduction. An object of the present invention is to provide a method for preparing a vanadium electrolyte solution provided in a single process and a battery including the vanadium electrolyte solution.

본 발명의 상기 목적 및 기타 목적들은 하기 설명된 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.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 In order to achieve the above object, the present invention

바나듐 화합물로서, 5가 바나듐 화합물을 4가 바나듐 화합물로 환원시키는 제1 단계; 및 상기 4가 바나듐 화합물을 3.3 내지 3.7가 바나듐 화합물로 환원시키는 제2 단계를 포함하되,A first step of reducing a pentavalent vanadium compound to a tetravalent vanadium compound as a vanadium compound; and a second step of reducing the tetravalent vanadium compound to a 3.3 to 3.7 vanadium compound,

상기 제1 단계와 상기 제2 단계 중 적어도 하나에 산화환원 첨가제를 투입하며,adding a redox additive to at least one of the first step and the second step,

상기 산화환원 첨가제는 상기 제1 단계에서 바나듐 화합물을 환원시키는데 사용되는 질소계 환원제보다 환원력이 낮은 물질인 것을 특징으로 하는 바나듐 전해액 제조방법을 제공한다. The redox additive provides a method for producing a vanadium electrolyte, characterized in that the reducing power is lower than that of the nitrogen-based reducing agent used to reduce the vanadium compound in the first step.

상기 제1 단계는 ⅰ) 5가 바나듐 화합물과 물을 투입하는 단계, ⅱ) 질소계 환원제를 투입하는 단계, 및 ⅲ) 황산을 투입하는 단계를 순차적으로 포함할 수 있다. The first step may include sequentially i) adding a pentavalent vanadium compound and water, ii) adding a nitrogen-based reducing agent, and iii) adding sulfuric acid.

상기 산화환원 첨가제는, 상기 제1 단계에서 상기 황산과 탈수반응하여 수용액을 형성한 다음 자체 환원되면서 상기 질소계 환원제를 산화시켜 질소 기체를 발생시킬 수 있다. The redox additive may dehydrate the sulfuric acid in the first step to form an aqueous solution and then oxidize the nitrogen-based reducing agent while reducing itself to generate nitrogen gas.

상기 산화환원 첨가제는 황산과의 탈수 반응된 수용액 상태로 상기 제2 단계에서 상기 4가 바나듐 화합물을 환원시키는데 사용될 수 있다. The redox additive may be used to reduce the tetravalent vanadium compound in the second step in a dehydrated aqueous solution state with sulfuric acid.

상기 산화환원 첨가제는 몰리브데넘 금속, 산화몰리브데넘(MoxOy), 질화몰리브데넘(MoxNy), 염화몰리브데넘(MoxCly), 황화몰리브데넘(MoxSy), 인화몰리브데넘(MoxPy), 탄화몰리브데넘(MoxCy), 몰리브데넘 금속 산화물(MoxMyOz), 몰리브데넘 금속 질화물(MoxMyNz), 몰리브데넘 금속 염화물(MoxMyClz), 몰리브데넘 금속 황화물(MoxMySz), 몰리브데넘 금속 인화물(MoxMyPz) 및 몰리브데넘 금속 탄화물(MoxMyCz) 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다. The redox additive is molybdenum metal, molybdenum oxide (MoxOy), molybdenum nitride (MoxNy), molybdenum chloride (MoxCly), molybdenum sulfide (MoxSy), molybdenum phosphide (MoxPy), Molybdenum Carbide (MoxCy), Molybdenum Metal Oxide (MoxMyOz), Molybdenum Metal Nitride (MoxMyNz), Molybdenum Metal Chloride (MoxMyClz), Molybdenum Metal Sulfide (MoxMySz), Molybdenum Metal Phosphide ( MoxMyPz) and molybdenum metal carbide (MoxMyCz) may be at least one selected from the group consisting of.

상기 산화환원 첨가제의 금속은 Al, As, Ba, Ca, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Ga, K, Mg, Mn, Na, Ni, Pb, Si, Sn, Ti, Zn, Au, Ag, Pt, Ru, Pd, Li, Ir, W, Nb, Zr, Ta, Ge, 및 In 중에서 선택된 종 또는 복수의 종이 합금을 이룬 금속일 수 있고, 상기 x와 y(x/y) 또는 x,y 및 z(x/y/z)는 서로 독립적으로 0 내지 1의 정수일 수 있다.The metal of the redox additive is Al, As, Ba, Ca, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Ga, K, Mg, Mn, Na, Ni, Pb, Si, Sn, Ti, Zn, Au, Ag , Pt, Ru, Pd, Li, Ir, W, Nb, Zr, Ta, Ge, and a species or a plurality of species selected from In may be a metal forming an alloy, wherein x and y (x / y) or x, y and z (x/y/z) may independently be integers from 0 to 1.

상기 산화환원 첨가제는 상기 5가 바나듐 화합물 100 중량부 기준으로 0.1 내지 1.6 중량부로 포함할 수 있다. The redox additive may be included in an amount of 0.1 to 1.6 parts by weight based on 100 parts by weight of the pentavalent vanadium compound.

상기 질소계 환원제는 상기 바나듐 화합물 100 중량부 기준으로 10 내지 35 중량부로 포함할 수 있다. The nitrogen-based reducing agent may be included in an amount of 10 to 35 parts by weight based on 100 parts by weight of the vanadium compound.

상기 5가 바나듐 화합물 및 질소계 환원제의 몰 농도(M; mol/L)의 비는 1 : 0.1 내지 1.6일 수 있다. A ratio of the molar concentration (M; mol/L) of the pentavalent vanadium compound and the nitrogen-based reducing agent may be 1:0.1 to 1.6.

상기 제2 단계는 70 내지 120 ℃ 하에 수행할 수 있다. The second step may be performed at 70 to 120 °C.

상기 5가 바나듐 화합물은 순도 90 % 이상, 99.9 % 미만의 저품위 화합물이거나, 순도 99.9 % 이상의 고품위 화합물일 수 있다.The pentavalent vanadium compound may be a low-grade compound having a purity of 90% or more and less than 99.9%, or a high-grade compound having a purity of 99.9% or more.

상기 제1 단계 이후 또는 제2 단계 이후에 여과하는 단계를 포함할 수 있다.It may include the step of filtering after the first step or after the second step.

또한, 본 발명은Also, the present invention

(A)용매에 5가 바나듐 화합물을 투입한 다음 질소계 환원제를 투입하여 반응 혼합물을 제조하는 단계; (A) preparing a reaction mixture by adding a pentavalent vanadium compound to a solvent and then adding a nitrogen-based reducing agent;

(B)상기 반응 혼합물에 황산과 산화환원 첨가제를 투입하여 탈수 반응을 수행하면서 상기 5가 바나듐 화합물을 4가 바나듐 화합물로 환원시키는 단계; (B) reducing the pentavalent vanadium compound to a tetravalent vanadium compound while performing a dehydration reaction by adding sulfuric acid and a redox additive to the reaction mixture;

(C)상기 탈수 반응물이 상기 질소계 환원제를 산화시켜 질소 기체를 생성하면서 자체 환원물을 생성하는 단계; 및 (C) generating a self-reduced product while the dehydration reactant oxidizes the nitrogen-based reducing agent to generate nitrogen gas; and

(D)상기 반응물을 가온하여 상기 자체 환원물이 산화되면서 상기 4가 바나듐 화합물을 3.3 내지 3.7가 바나듐 화합물로 환원시키는 단계; 를 포함하며, (D) reducing the tetravalent vanadium compound to a 3.3 to 3.7 vanadium compound while the self-reduced product is oxidized by heating the reactant; includes,

상기 질소계 환원제는 상기 (A) 단계에 전량 투입하거나 혹은 (A) 단계와 (D) 단계에 분할 투입하는 것을 특징으로 하는 바나듐 전해액의 제조방법을 제공한다. The nitrogen-based reducing agent provides a method for producing a vanadium electrolyte, characterized in that the total amount is added to the step (A) or divided into steps (A) and (D).

상기 산화환원 첨가제는 황산과의 탈수 반응에 의한 수용액 상태로 반응에 참여하여 산화환원 첨가제 유래 부산물이 생성되지 않는다. The redox additive participates in the reaction in the form of an aqueous solution by dehydration reaction with sulfuric acid, so that by-products derived from the redox additive are not generated.

상기 (D) 단계는 70 내지 120 ℃의 반응 온도와 산화환원 첨가제의 투입량을 하기 수학식 1에 대입하여 계산된 바나듐 화합물의 환원반응시간을 적용하여 수행할 수 있다. The step (D) may be performed by applying the reduction reaction time of the vanadium compound calculated by substituting the reaction temperature of 70 to 120° C. and the amount of the redox additive into Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

tR = Aln(Ma/Mv)+ Bt R = Aln(Ma/Mv)+B

(여기서, tR은 반응시간(min)이고, A는 속도상수, B는 농도상수, Ma는 산화환원 첨가제의 투입량(g), Mv는 바나듐 화합물의 투입량(g)이다)(Where t R is the reaction time (min), A is the rate constant, B is the concentration constant, Ma is the input amount of the redox additive (g), and Mv is the input amount (g) of the vanadium compound)

또한, 본 발명은 전술한 방법에 의해 제조된 바나듐 전해액을 제공한다. In addition, the present invention provides a vanadium electrolyte prepared by the above-described method.

또한, 본 발명은 전술한 바나듐 전해액을 포함하는 레독스 플로우 전지를 제공한다. In addition, the present invention provides a redox flow battery comprising the above-described vanadium electrolyte.

상기 바나듐 전해액은 양극 및 음극에 포함될 수 있다. The vanadium electrolyte may be included in the anode and the cathode.

본 발명의 바나듐 전해액 제조방법에 따르면, 전해액의 제조시간을 단축하고 반응 부산물을 분리 및 회수하기 위한 정제 공정이 필요하지 않고, 제품의 충방전 성능을 향상시킨 바나듐 전해액을 제조하는 효과가 있다. According to the method for producing a vanadium electrolyte of the present invention, there is an effect of shortening the production time of the electrolyte, eliminating the need for a purification process for separating and recovering reaction by-products, and producing a vanadium electrolyte with improved charging and discharging performance of the product.

또한, 전기분해 방식없이 화학적 환원방식의 단독 공정이 가능하여 공정을 단순화하는 효과가 있다. In addition, a single process of a chemical reduction method is possible without an electrolysis method, thereby simplifying the process.

또한, 바나듐 전해액 내 탄소 성분 및 귀금속 촉매 성분의 잔류를 원천적으로 차단하면서도 대량의 고품질 전해액을 재현성 가능하게 제조하는 효과가 있다. In addition, there is an effect of reproducibly manufacturing a large amount of high-quality electrolyte while fundamentally blocking the residual carbon component and noble metal catalyst component in the vanadium electrolyte.

즉, 본 발명에 따라 경제성과 고효율, 고품질, 고성능의 바나듐 전해액을 제조함으로써 상기 바나듐 전해액을 포함하는 전지가 신재생에너지, 스마트그리드, 전력발전소 등 바나듐 레독스 플로우 전지가 사용되는 모든 분야에 응용가능한 효과가 있다. That is, by manufacturing an economical, high-efficiency, high-quality, and high-performance vanadium electrolyte according to the present invention, the battery containing the vanadium electrolyte can be applied to all fields in which the vanadium redox flow battery is used, such as renewable energy, smart grid, and power plants. It works.

도 1은 실시예의 황산 유량 240 ml/hr 및 480 ml/hr에서 환원반응 시간대별 온도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 2는 실시예의 산화환원 첨가제의 투입량과 바나듐 화합물의 환원반응속도간 상관관계를 나타내는 그래프로서, 아레니우스 근사를 따르는 것을 알 수 있다.
도 3은 실시예 및 비교예의 산화환원 첨가제의 투입량별로 바나듐 화합물의 환원반응속도를 바나듐 이온의 산화수로서 나타내어, 산화환원 첨가제가 환원반응속도와 환원량에 미치는 영향력을 확인할 수 있는 그래프이다.
도 4는 실시예 및 비교예의 산화환원 첨가제의 투입량별로 바나듐 전해액을 양극 및 음극에 사용한 레독스 플로우 전지의 사이클당 충전용량을 나타내는 그래프이다.
도 5는 실시예 및 비교예의 산화환원 첨가제의 투입량별로 바나듐 전해액을 양극 및 음극에 사용한 레독스 플로우 전지의 사이클당 방전용량을 나타내는 그래프이다.
도 6은 실시예 및 비교예의 산화환원 첨가제의 투입량별로 바나듐 전해액을 포함하는 전지의 에너지효율을 나타내는 그래프이다.
1 is a graph showing the temperature change for each reduction reaction time period at the sulfuric acid flow rate of 240 ml/hr and 480 ml/hr of Example.
2 is a graph showing the correlation between the input amount of the redox additive of Example and the reduction reaction rate of the vanadium compound, and it can be seen that the Arrhenius approximation is followed.
3 is a graph showing the reduction reaction rate of the vanadium compound as the oxidation number of the vanadium ion for each input amount of the redox additive in Examples and Comparative Examples, thereby confirming the effect of the redox additive on the reduction reaction rate and reduction amount.
4 is a graph showing the charge capacity per cycle of the redox flow battery using the vanadium electrolyte for the positive electrode and the negative electrode according to the input amount of the redox additive of Examples and Comparative Examples.
5 is a graph showing the discharge capacity per cycle of the redox flow battery using the vanadium electrolyte for the positive electrode and the negative electrode according to the input amount of the redox additive of Examples and Comparative Examples.
6 is a graph showing the energy efficiency of a battery including a vanadium electrolyte for each input amount of the redox additive of Examples and Comparative Examples.

이하 본 발명에 따른 바나듐 전해액 제조방법 및 상기 바나듐 전해액을 포함하는 전지를 상세하게 설명한다. Hereinafter, a method for manufacturing a vanadium electrolyte solution according to the present invention and a battery including the vanadium electrolyte solution will be described in detail.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 발명을 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 점을 감안하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다. The terms or words used in the present specification and claims should not be construed as being limited to their ordinary or dictionary meanings, and considering that the inventor may appropriately define the concept of the term in order to best describe the invention. Therefore, it should be interpreted as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.

본 기재에서 "포함하여 이루어지는"의 의미는 별도의 정의가 없는 이상 "포함하여 중합 제조된", "포함하여 중합된" 또는 "유래의 단위로서 포함하는"으로 정의될 수 있다. In the present description, the meaning of "consisting of" may be defined as "including polymerization prepared", "polymerized including", or "including as a derived unit" unless otherwise defined.

달리 특정되지 않는 한, 본 기재에서 사용된 성분, 반응 조건, 폴리머 조성물 및 배합물의 양을 표현하는 모든 숫자, 값 및/또는 표현은, 이러한 숫자들이 본질적으로 다른 것들 중에서 이러한 값을 얻는데 발생하는 측정의 다양한 불확실성이 반영된 근사치들이므로, 모든 경우 약이라는 용어에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 기재에서 수치범위가 개시되는 경우, 이러한 범위는 연속적이며, 달리 지적되지 않는 한 이러한 범위의 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지의 모든 값을 포함한다. 나아가, 이러한 범위가 정수를 지칭하는 경우, 달리 특정되지 않는 한 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지를 포함하는 모든 정수가 포함된다. Unless otherwise specified, all numbers, values and/or expressions expressing quantities of ingredients, reaction conditions, polymer compositions and formulations used in this disclosure are, among other things, the measurements such numbers essentially result in obtaining such values. Since they are approximations reflecting various uncertainties of Also, where numerical ranges are disclosed in the present description, such ranges are continuous and inclusive of all values from the minimum to the maximum inclusive of the range, unless otherwise indicated. Furthermore, when such ranges refer to integers, all integers inclusive from the minimum to the maximum inclusive are included, unless otherwise specified.

본 기재에서, 범위가 변수에 대해 기재되는 경우, 상기 변수는 상기 범위의 기재된 종료점들을 포함하는 기재된 범위 내의 모든 값들을 포함하는 것으로 이해될 것이다. 예를 들어, "5 내지 10"의 범위는 5,6,7,8,9 및 10의 값들 뿐만 아니라 6 내지 10, 7 내지 10, 6 내지 9, 7 내지 9 등의 임의의 하위 범위를 포함하고, 5.5, 6.5, 7.5, 5.5 내지 8.5, 및 6.5 내지 9 등과 같은 기재된 범위의 범주에 타당한 정수들 사이의 임의의 값도 포함하는 것으로 이해될 것이다. 또한, 10 내지 30%의 범위는 10%, 11%, 12%, 13% 등의 값과 30%까지를 포함하는 모든 정수들뿐 아니라 10.5%, 15.5%, 25.5% 등과 같이 기재된 범위의 범주 내의 타당한 정수들 사이의 임의 값도 포함하는 것으로 이해될 것이다. In this description, when a range is recited for a variable, the variable will be understood to include all values within the recited range, including the recited endpoints of the range. For example, a range of “5 to 10” includes the values of 5,6,7,8,9 and 10, as well as any subranges such as 6 to 10, 7 to 10, 6 to 9, 7 to 9, etc. and any value between integers that are appropriate for the scope of the recited ranges, such as 5.5, 6.5, 7.5, 5.5 to 8.5, and 6.5 to 9, and the like. Also, ranges from 10 to 30% include values of 10%, 11%, 12%, 13%, etc. and all integers up to and including 30%, as well as within the range of stated ranges such as 10.5%, 15.5%, 25.5%, etc. It will be understood to include any value between valid integers.

본 발명자들은 바나듐 원료의 환원에 사용되는 환원제(이하, '질소계 환원제'라 함)보다 낮은 환원력을 갖는 첨가제(이하, '산화환원 첨가제'라 함)를 사용하는 경우에, 전기분해 공정이 필요하지 않아 화학적 환원의 단일공정으로 전해액을 제조할 뿐 아니라 산화환원 첨가제의 투입량에 따라 바나듐 화합물의 환원반응속도를 제어하여 반응시간을 단축하고, 제조공정상 재현성을 제공하며, 해당 전해액을 포함하는 바나듐 레독스 플로우 전지의 성능이 향상되는 것을 확인함으로써, 이를 토대로 더욱 연구에 매진하여 본 발명을 완성하게 되었다.When the present inventors use an additive (hereinafter, referred to as a 'redox additive') having a lower reducing power than a reducing agent (hereinafter, referred to as a 'nitrogen-based reducing agent') used for the reduction of a vanadium raw material, an electrolysis process is required In addition to producing an electrolyte solution through a single process of chemical reduction, the reaction time is shortened by controlling the reduction reaction rate of the vanadium compound according to the input amount of the redox additive, and the reproducibility of the manufacturing process is provided. By confirming that the performance of the dox flow battery is improved, based on this, further research was devoted to complete the present invention.

바나듐 레독스 플로우 전지는 에너지변환장치인 셀과, 전해액을 담는 탱크, 유량 및 전계 제어시스템, 셀과 탱크를 유량 및 전계 시스템 조작에 의해 이동하며 산화-환원을 통한 에너지 전환 작용을 일으키는 바나듐 전해액으로 구성되어 있는데, 가장 큰 비용 및 전지 성능을 좌우하는 요소는 바나듐 전해액으로, 경제성 있는 고품질의 바나듐 전해액을 제조하는 것은 바나듐 흐름 전지의 상용화에 있어 중요하다. A vanadium redox flow battery is an energy conversion device, a tank containing an electrolyte, a flow and electric field control system, and a vanadium electrolyte that moves cells and tanks by operating the flow and electric field systems and causes energy conversion through oxidation-reduction. The most important factor influencing cost and battery performance is the vanadium electrolyte, and manufacturing an economical, high-quality vanadium electrolyte is important for commercialization of the vanadium flow battery.

바나듐 전해액은 바나듐 레독스 플로우 전지에서 사용되는 바나듐 이온을 제공할 수 있는 화합물이라면 특별한 제한없이 사용할 수 있으며, 수계 전해액, 또는 바나듐 아세틸아세톤을 비롯한 비수계 전해액을 들 수 있다.The vanadium electrolyte may be used without any particular limitation as long as it is a compound capable of providing vanadium ions used in a vanadium redox flow battery, and may be an aqueous electrolyte or a non-aqueous electrolyte including vanadium acetylacetone.

본 기재에서 사용하는 용어 "산화환원 첨가제"는 달리 특정하지 않는 한, 질소계 환원제의 바나듐 이온 환원력을 보조하면서도 환원량에 관여하지 않아 제조공정상 재현성을 제공하고, 바나듐 원료 선택성을 확보할 뿐 아니라 전해액에 포함되어 전지 성능을 향상시키는 종류를 선택하는 것이 바람직하다. Unless otherwise specified, the term "redox additive" used in the present description provides reproducibility in the manufacturing process because it assists the vanadium ion reducing power of the nitrogen-based reducing agent and does not participate in the reduction amount, and secures the selectivity of the vanadium raw material as well as the electrolyte solution. It is preferable to select a type that is included in the battery to improve battery performance.

상기 바나듐 원료 선택성은 달리 특정하지 않는 한, 동일한 순도의 바나듐 화합물이라도 바나듐 원산지나 정제 방법 등에 따라 발생할 수 있는 미세 품질차이에 제약을 받지 아니함을 의미한다.Unless otherwise specified, the vanadium raw material selectivity means that even a vanadium compound of the same purity is not limited by a fine quality difference that may occur depending on the vanadium origin or purification method.

상기 환원력은 달리 특정하지 않는 한, 환원반응의 속도를 지칭한다. 구체적으로, 환원력이 큰 순서대로 순차 환원하게 되므로, 먼저 환원된다는 것은 환원반응 속도가 빠르다는 것을 의미한다. 먼저 환원되어 후속 물질의 환원시 자체 산화되는 포텐셜 값을 가질 경우 먼저 환원된 물질의 투입량은 이후 환원되는 물질의 환원반응 속도를 조절하는데 영향을 미칠 수 있다. The reducing power refers to the rate of a reduction reaction unless otherwise specified. Specifically, since reductions are sequentially performed in the order of increasing reducing power, reduction first means that the reduction reaction rate is fast. If it is first reduced and has a potential value of self-oxidation upon reduction of a subsequent material, the input amount of the first reduced material may affect the control of the reduction reaction rate of the subsequently reduced material.

구체적으로, 본 기재의 산화환원 첨가제는 그 환원반응속도가 바나듐 화합물보다 빨라 먼저 환원되되, 이후 바나듐 화합물을 환원시키면서 자체 산화되는 전기화학적/역학적 포텐셜 범위를 가질 수 있어 전기분해 공정을 생략하고 화학공정 단독 수행이 가능할 뿐 아니라, 산화환원 첨가제의 투입량이 바나듐 화합물의 환원력에 직접 영향을 미치므로 바나듐 화합물의 환원반응 속도를 조절할 수 있게 된다.Specifically, the redox additive of the present disclosure has an electrochemical/mechanical potential range in which the reduction reaction rate is faster than that of the vanadium compound and is reduced first, and then self-oxidized while reducing the vanadium compound. Therefore, the electrolysis process is omitted and the chemical process In addition to being able to be performed alone, the reduction reaction rate of the vanadium compound can be controlled because the amount of the redox additive directly affects the reducing power of the vanadium compound.

본 기재의 산화환원 첨가제는, 산화환원 첨가제의 투입량 Ma와 바나듐 화합물의 환원반응속도 tR이 하기 수학식 1로 나타내는 상관관계를 만족할 수 있다. The redox additive of the present disclosure may satisfy the correlation between the input amount M a of the redox additive and the reduction reaction rate t R of the vanadium compound expressed by Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

tR = Aln(Ma/Mv) + Bt R = Aln(Ma/Mv) + B

상기 tR은 반응시간(min)이고, A는 속도상수, B는 농도상수, Ma는 산화환원 첨가제의 투입량(g)이고, Mv는 바나듐 화합물의 투입량(g)이다. t R is the reaction time (min), A is the rate constant, B is the concentration constant, Ma is the input amount (g) of the redox additive, Mv is the input amount (g) of the vanadium compound.

상기 수학식 1은 실험 데이터에 대한 회귀분석 기법의 통계 근사로 얻을 수 있다. 여기서 상수들에 특별한 물리적 의미가 담겨있지 않으나, 상수 A는 환원속도와 밀접한 관련성이 있고, 상수 B는 바나듐/황산/용매/산화환원 첨가제의 농도와 밀접한 관련성이 있어 각각 속도상수 및 농도상수로 명명한다. Equation 1 can be obtained as a statistical approximation of a regression analysis technique for experimental data. Here, the constants do not have any special physical meaning, but the constant A is closely related to the reduction rate, and the constant B is closely related to the concentration of vanadium/sulfuric acid/solvent/redox additive, so they are named as rate constants and concentration constants, respectively. do.

상기 수학식 1은 실험데이터에 대한 회귀분석 기법의 통계 근사로 얻을 수 있다. 여기서 상술들에 특별한 물리적 의미는 담겨있지 않으나, 상수 A는 환원속도와 밀접한 관련이 있어 속도상수라 명명한 것으로, 일례로 -2.233일 수 있다. Equation 1 can be obtained as a statistical approximation of a regression analysis technique for experimental data. Here, the above description does not contain any special physical meaning, but the constant A is closely related to the reduction rate, so it is called a rate constant, and may be, for example, -2.233.

또한, 상수 B는 바나듐, 설페이트 용매, 산화환원 첨가제의 농도와 밀접한 관련이 있어 농도상수로 명명한 것으로 일례로 - 3.8086일 수 있다. In addition, the constant B is closely related to the concentration of vanadium, sulfate solvent, and redox additive, so it is named as a concentration constant and may be, for example - 3.8086.

상기 수학식 1에 따르면, 산화환원 첨가제의 투입량에 따라 바나듐의 환원반응 속도 예측을 통한 공정 제어가 가능하여 제조 공정의 재현성을 제공하는 동시에 바나듐 원료 선택성을 확보할 수 있어 전지 성능을 향상시킬 수 있다.According to Equation 1, it is possible to control the process by predicting the reduction reaction rate of vanadium according to the input amount of the redox additive, thereby providing reproducibility of the manufacturing process and securing the vanadium raw material selectivity, thereby improving battery performance. .

상기 수학식 1은 반응온도, 바나듐 화합물(원료)/황산/물(용매) 농도가 일정할 때, 반응속도(tR)과 산화환원 첨가제의 투입량(Ma)이 비율적 음의 상관관계로서 아레니우스 식을 따르는 것을 하기 도 2에서 확인할 수 있다.Equation 1 above shows that when the reaction temperature and the vanadium compound (raw material)/sulfuric acid/water (solvent) concentration are constant, the reaction rate (t R ) and the input amount (Ma) of the redox additive are proportionally negative, It can be seen in FIG. 2 below that the Renius equation is followed.

상기 수학식 1을 만족함으로써 산화환원 첨가제의 투입량에 따라 바나듐 화합물의 환원반응속도를 예측할 수 있어 공정제어가 가능하고, 제조 공정의 재현성과 바나듐 원료의 선택성을 확보할 수 있어 결과적으로 전지성능을 향상시키게 된다.By satisfying Equation 1 above, the reduction reaction rate of the vanadium compound can be predicted according to the amount of the redox additive added, so process control is possible, and the reproducibility of the manufacturing process and the selectivity of the vanadium raw material can be secured, resulting in improved battery performance. will make it

상기 산화환원 첨가제는 바나듐 전해액에 용해성을 갖는 이온성 금속, 또는 상기 이온성 금속 유래 화합물 중에서 선택되는 것일 수 있다.The redox additive may be an ionic metal having solubility in a vanadium electrolyte, or a compound derived from the ionic metal.

상기 이온성 금속은 환원제 및 바나듐간 산화 환원 반응의 중간 매개체 역할을 반복적으로 수행할 수 있는 가역성이 있는 전이금속일 수 있다.The ionic metal may be a reversible transition metal capable of repeatedly serving as an intermediate mediator of the redox reaction between the reducing agent and vanadium.

상기 산화환원 첨가제는, 1) 바나듐 이온보다 환원 속도가 빨라 환원된 성분이 바나듐 이온을 환원시키면서 자체적으로 산화되는 전기화학적/역학적 포텐셜을 가지는 특성이 있고, 2) 질소계 환원제 및 바나듐 화합물간 산화환원 반응의 중간 매개체 역할을 반복 수행할 수 있는 가역성이 있으며, 3) 바나듐 화합물에 함유된 산화환원 첨가제의 주성분(금속) 함량에 따라 산화환원 첨가제의 투입량을 조절함에 따라 바나듐 화합물의 환원반응속도를 단축하고 반응시간을 제어할 수 있다. 예를 들어, 산화환원 첨가제의 주성분인 이온성 금속성분이 전해액에 280 ppm 이하로 포함되는 경우 전지 성능은 극대화하되 반응시간을 8시간 내로 단축할 수 있다. 이러한 이온성 금속성분은 바나듐 전해액에서 용해도가 0.1 ppm 이상인 전이금속 또는 그 염들 중에서 선택할 수 있다.The redox additive is characterized in that 1) the reduction rate is faster than that of vanadium ions, so that the reduced component has an electrochemical/mechanical potential to be oxidized by itself while reducing vanadium ions, and 2) redox between a nitrogen-based reducing agent and a vanadium compound. It has reversibility to repeatedly perform the role of an intermediate mediator of the reaction, and 3) The reduction reaction rate of the vanadium compound is shortened by adjusting the input amount of the redox additive according to the main component (metal) content of the redox additive contained in the vanadium compound. and control the reaction time. For example, when the ionic metal component, which is the main component of the redox additive, is contained in the electrolyte at an amount of 280 ppm or less, the battery performance can be maximized, but the reaction time can be shortened to within 8 hours. The ionic metal component may be selected from transition metals or salts thereof having a solubility of 0.1 ppm or more in a vanadium electrolyte.

본 기재에서, 바나듐 원료는 2.0 내지 5.0가의 바나듐 화합물인 동시에, 전해액의 적어도 일부가 3.3 내지 3.7가 바나듐 화합물일 수 있다. In the present description, the raw material for vanadium may be a vanadium compound having a valence of 2.0 to 5.0, and at least a portion of the electrolyte may be a vanadium compound having a valence of 3.3 to 3.7.

본 기재에서, 상기 바나듐 원료는 달리 특정하지 않는 한, 순도 90 % 이상, 99.9 % 미만의 저품위 화합물이거나, 순도 99.9 % 이상의 고품위 화합물일 수 있다. In the present description, unless otherwise specified, the vanadium raw material may be a low-grade compound having a purity of 90% or more and less than 99.9%, or a high-grade compound having a purity of 99.9% or more.

상기 바나듐 원료는 일례로 5가 바나듐 화합물 또는 4가 바나듐 화합물일 수 있는데, 5가 바나듐 화합물은 V2O5, NH4VO3 및 NaVO3 중에서 선택된 하나 이상일 수 있고, 4가 바나듐 화합물은 VOSO4·xH2O(여기서, x는 1 내지 6의 정수이다)일 수 있다. The vanadium raw material may be, for example, a pentavalent vanadium compound or a tetravalent vanadium compound, the pentavalent vanadium compound may be at least one selected from V 2 O 5 , NH 4 VO 3 and NaVO 3 , and the tetravalent vanadium compound may be VOSO 4 • xH 2 O (where x is an integer from 1 to 6).

구체적으로, 상기 바나듐 전해액 제조를 위한 출발물질이 5가 또는 4가의 바나듐 화합물, 황산 및 용매를 포함하고, 상기 5가 또는 4가의 바나듐 화합물이 질소계 환원제에 의해 황산과 탈수반응하며 바나듐 화합물을 환원시키는 동시에 질소 기체를 생성하며, 상기 산화환원 첨가제는 황산과 탈수 반응하여 수용액 상태로 질소계 환원제에 의해 환원되어 질소 기체와 황산을 생성하고, 이어서 상기 환원된 바나듐 화합물을 추가로 환원시키면서 자체 산화되는 경우에, 전기분해 반응없이 화학적 환원의 단독 반응으로 대량 생산이 가능하며, 환원공정을 단축할 수 있고, 반응효율을 극대화하며, 고품질의 전해액을 제조하여 해당 전해액을 포함하는 전지의 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. Specifically, the starting material for preparing the vanadium electrolyte includes a pentavalent or tetravalent vanadium compound, sulfuric acid, and a solvent, and the pentavalent or tetravalent vanadium compound is dehydrated with sulfuric acid by a nitrogen-based reducing agent to reduce the vanadium compound. At the same time, nitrogen gas is produced, and the redox additive reacts by dehydration with sulfuric acid and is reduced to an aqueous solution by a nitrogen-based reducing agent to produce nitrogen gas and sulfuric acid, which is then oxidized by itself while further reducing the reduced vanadium compound In this case, mass production is possible with a single reaction of chemical reduction without electrolysis reaction, the reduction process can be shortened, the reaction efficiency can be maximized, and the performance of a battery containing the electrolyte can be improved by manufacturing a high-quality electrolyte. can have an effect.

본 기재에서 바나듐 전해액은 3.3 내지 3.7가 바나듐 화합물을 포함할 수 있다. 이때 상기 3.3 내지 3.7가 바나듐 화합물은 황산, 환원제 및 용매를 사용하여 바나듐 화합물로부터 환원된 것일 수 있다. In the present description, the vanadium electrolyte may include a 3.3 to 3.7 vanadium compound. In this case, the 3.3 to 3.7 vanadium compound may be reduced from the vanadium compound using sulfuric acid, a reducing agent, and a solvent.

상술한 바와 같이, 상기 바나듐 화합물의 환원반응은 황산을 포함하는 산성 용액 하에 수행될 수 있다. As described above, the reduction reaction of the vanadium compound may be performed in an acidic solution containing sulfuric acid.

일례로, 바나듐 화합물 V2O5, 산성 용액 H2SO4, 질소계 환원제 N2H4·H2O의 환원 반응은 하기 반응식 1과 같이 진행될 수 있다. For example, the reduction reaction of the vanadium compound V 2 O 5 , the acidic solution H 2 SO 4 , and the nitrogen-based reducing agent N 2 H 4 ·H 2 O may proceed as shown in Scheme 1 below.

[반응식 1][Scheme 1]

4V2O5 + 10H2SO4 + 3N2H4·H2O → 4VO(SO4) + 2V2(SO4)3 + 19H2O + 3N2 4V 2 O 5 + 10H 2 SO 4 + 3N 2 H 4 H 2 O → 4VO(SO 4 ) + 2V 2 (SO 4 ) 3 + 19H 2 O + 3N 2

상기 반응식 1에 따른 환원공정을 통해 제조된 4.0가 산화수를 가지는 바나듐 화합물은 산성용액(이하, '산'이라고도 함) 및 환원 용매(이하, '용매'라고도 함)와 특정 화합물을 이룰 수 있는데, 예를 들어 용매가 물인 경우 VO2+, [VO(H2O)5]2+ 또는 [VO(OH)2(H2O)4]+ 이온이 포함된 화합물일 수 있다.The vanadium compound having an oxidation number of 4.0 prepared through the reduction process according to Scheme 1 can form a specific compound with an acidic solution (hereinafter, also referred to as “acid”) and a reducing solvent (hereinafter also referred to as “solvent”), For example, when the solvent is water, it may be a compound containing VO 2+ , [VO(H 2 O) 5 ] 2+ or [VO(OH) 2 (H 2 O) 4 ] + ions.

또한, 환원공정을 통해 제조된 2.0가 산화수를 가지는 바나듐 화합물은 산 및 용매와 특정 화합물을 이룰 수 있는데, 예를 들어 용매가 물인 경우 V2+, [V(H2O)6]2+ 이온이 포함된 화합물일 수 있다. In addition, a vanadium compound having an oxidation number of 2.0 prepared through a reduction process can form a specific compound with an acid and a solvent. For example, when the solvent is water, V 2+ , [V(H 2 O) 6 ] 2+ ions It may be a compound containing this.

환원공정을 통해 제조된 3.0가 산화수를 가지는 바나듐 화합물은 산 및 용매와 특정 화합물을 이룰 수 있는데, 예를 들어 용매가 물인 경우 V3+, [V(H2O)6]3+, [V(OH)(H2O)5]2+ 또는 [V(OH)2(H2O)4]+ 이온이 포함된 화합물일 수 있다. A vanadium compound having an oxidation number of 3.0 produced through a reduction process can form a specific compound with an acid and a solvent. For example, when the solvent is water, V 3+ , [V(H 2 O) 6 ] 3+ , [V (OH)(H 2 O) 5 ] 2+ or [V(OH) 2 (H 2 O) 4 ] + ions may be included.

환원공정을 통해 제조된 5.0가 산화수를 가지는 바나듐 화합물은 산 및 용매와 특정 화합물을 이룰 수 있는데, 예를 들어 용매가 물인 경우 VO2 +, V2O3 4+, [VO2(H2O)3]+ 또는 [V2O3(H2O)8]4+ 이온이 포함된 화합물일 수 있다. A vanadium compound having an oxidation number of 5.0 prepared through a reduction process can form a specific compound with an acid and a solvent. For example, when the solvent is water, VO 2 + , V 2 O 3 4+ , [VO 2 (H 2 O) ) 3 ] + or [V 2 O 3 (H 2 O) 8 ] 4+ ions may be included.

환원공정을 통해 제조된 3.0가 초과 내지 4.0가 미만의 산화수를 가지는 바나듐 화합물은 산화수가 3.0가 및 4.0가를 가지는 바나듐 화합물의 혼합으로 이루어질 수 있는데, 예를 들어 용매가 물인 경우, V3+, [V(H2O)6]3+, [V(OH)(H2O)5]2+ 및 [V(OH)2(H2O)4]+ 중에서 선택된 1종 이상의 이온과, VO2+, [VO(H2O)5]2+ 또는 [VO(OH)2(H2O)4]+ 이온의 혼합으로 이루어지는 화합물일 수 있다.The vanadium compound having an oxidation number of greater than 3.0 to less than 4.0 produced through a reduction process may consist of a mixture of a vanadium compound having an oxidation number of 3.0 and 4.0. For example, when the solvent is water, V 3+ , [ V(H 2 O) 6 ] 3+ , [V(OH)(H 2 O) 5 ] 2+ and [V(OH) 2 (H 2 O) 4 ] + , and VO 2 + , [VO(H 2 O) 5 ] 2+ or [VO(OH) 2 (H 2 O) 4 ] + may be a compound composed of a mixture of ions.

전술한 산이 설페이트 계열의 물질인 동시에 용매가 물인 경우, 제조된 3.3가 산화수를 가지는 바나듐 화합물은 VOSO4 및 V2(SO4)3가 6:5.5~6.5의 몰 비일 수 있고, 3.5가 산화수를 가지는 바나듐 화합물은 VOSO4 및 V2(SO4)3의 비가 2:0.5~1.5의 몰 비일 수 있고, 3.7가 산화수를 가지는 바나듐 화합물은 VOSO4 및 V2(SO4)3의 비가 14:2.5~3.5의 몰 비일 수 있다.When the above-described acid is a sulfate-based material and the solvent is water, the prepared vanadium compound having an oxidation number of 3.3 is VOSO 4 and V 2 (SO 4 ) 3 may be in a molar ratio of 6:5.5 to 6.5, and 3.5 is an oxidation number The vanadium compound having VOSO 4 and V 2 (SO 4 ) 3 may have a molar ratio of 2:0.5 to 1.5, and the vanadium compound having an oxidation number of 3.7 has a VOSO 4 and V 2 (SO 4 ) 3 ratio of 14:2.5. a molar ratio of ˜3.5.

본 기재에서, 4가 및 3가 이온의 몰비로서 V3.3, V3.5, V3.7을 나타내고자 nH2O에 대한 기재를 생략한 것일 뿐 이를 포함하지 않는 의미는 아니다. In the present description, in order to represent V3.3, V3.5, and V3.7 as molar ratios of tetravalent and trivalent ions, the description of nH 2 O is omitted, but does not mean that it does not include them.

본 기재에서 산화환원 첨가제는 바나듐 화합물의 환원반응을 촉진시키는 역할을 수행할 수 있고, 구체적으로는, 바나듐 레독스 플로우 전지의 전해액 내 투입량에 따라 질소계 환원제에 의한 바나듐 화합물의 환원반응속도를 제어할 수 있으며, 전술한 수학식 1에 해당하는 상관관계를 만족하게 된다.In the present description, the redox additive may serve to promote the reduction reaction of the vanadium compound, and specifically, control the reduction reaction rate of the vanadium compound by the nitrogen-based reducing agent according to the input amount in the electrolyte of the vanadium redox flow battery. , and the correlation corresponding to Equation 1 described above is satisfied.

본 발명의 다른 구현예는 5가 바나듐 화합물 유래 바나듐 전해액에 대한 내용을 제공한다. 이때 5가 바나듐 화합물은 저품위 또는 고품위 화합물일 수 있다.Another embodiment of the present invention provides information on a vanadium electrolyte derived from a pentavalent vanadium compound. In this case, the pentavalent vanadium compound may be a low-grade or high-grade compound.

상기 바나듐 전해액은 상기 5가 바나듐 화합물에 포함된 바나듐 100 중량부 기준으로, 적정 중량의 황산 및 용매와 함께 질소계 환원제를 15 내지 35 중량부를 포함하여 제공할 수 있다. The vanadium electrolyte may include 15 to 35 parts by weight of a nitrogen-based reducing agent along with sulfuric acid and a solvent of an appropriate weight based on 100 parts by weight of the vanadium contained in the pentavalent vanadium compound.

상기 바나듐 전해액은 산화환원 첨가제의 주성분인 이온성 금속 성분의 함량에 따라 산화환원 첨가제의 투입량을 조절한 경우, 환원반응속도의 단축 및 반응시간 제어를 통한 재현성 확보가 가능하다. When the amount of the redox additive is adjusted according to the content of the ionic metal component, which is the main component of the redox additive, the vanadium electrolyte can shorten the reduction reaction rate and secure reproducibility through control of the reaction time.

본 기재에서, 상기 산화환원 첨가제는 구체적으로는 산화환원 첨가제의 주요 금속성분이 0.1 ppm 이상 포함되거나 포함되지 않을 수 있다. In the present description, the redox additive may or may not contain 0.1 ppm or more of the main metal component of the redox additive specifically.

일례로, 산화환원 첨가제의 주성분인 이온성 금속 성분이 전해액에 280 ppm 포함될 때 전지성능을 극대화하면서도 8시간 이내로 공정이 진행될 수 있다.For example, when the ionic metal component, which is the main component of the redox additive, is included in the electrolyte at 280 ppm, the process can be performed within 8 hours while maximizing the battery performance.

상기 바나듐 전해액은 2.0 내지 5.0가 바나듐 화합물을 포함할 수 있고, 특히 상기 전해액의 적어도 일부가 3.3 내지 3.7가 바나듐 화합물을 포함할 수 있다.The vanadium electrolyte may include a vanadium compound having a valence of 2.0 to 5.0, and particularly, at least a portion of the electrolyte solution may include a vanadium compound having a valence of 3.3 to 3.7.

이때, 상기 3.3 내지 3.7가 바나듐 화합물은 황산, 환원제, 초순수 및 상기 산화환원 첨가제를 사용하여 바나듐 원료로부터 환원된 것일 수 있다.In this case, the 3.3 to 3.7 vanadium compounds may be reduced from the vanadium raw material using sulfuric acid, a reducing agent, ultrapure water, and the redox additive.

상기 바나듐 전해액은 바나듐 원료 100 중량부 기준으로, 5가 하이드라진 화합물 15 내지 35 중량부를 포함할 수 있다. 구체적인 예로 5가 바나듐 화합물을 4가 바나듐으로 환원하는데 바나듐 원료 100 중량부 기준으로 N2H4는 16 중량부 이상이 필요하고, 5가 바나듐을 3.5가 바나듐으로 환원하는데 바나듐 원료 100 중량부 기준으로 N2H4는 24 중량부 이상이 필요하다. The vanadium electrolyte may contain 15 to 35 parts by weight of the pentavalent hydrazine compound based on 100 parts by weight of the vanadium raw material. As a specific example, 16 parts by weight or more of N 2 H 4 are required based on 100 parts by weight of the vanadium raw material to reduce the pentavalent vanadium compound to tetravalent vanadium, and to reduce the pentavalent vanadium to 3.5 valent vanadium, based on 100 parts by weight of the vanadium raw material. N 2 H 4 needs 24 parts by weight or more.

상기 산화환원 첨가제는 전해액 1 L당 Mo가 270 ppm 내외가 되도록 조절하는 것이 바람직하며, 바나듐 원료에 산화환원 첨가제의 주성분인 이온성 금속 성분 유무에 따라 투입량을 조절할 수 있다. 이온성 금속 성분으로 Mo이 없는 경우를 예로 들면, 전해액 1 L당 4 mM의 Mo를 첨가하는 것이 바람직한데, 1 mM의 Mo 첨가시마다 70 ppm 정도의 함량이 전해액에 녹게 된다. The redox additive is preferably adjusted so that Mo per 1 L of the electrolyte is around 270 ppm, and the amount of the redox additive can be adjusted according to the presence or absence of an ionic metal component, which is a main component of the redox additive, in the vanadium raw material. For example, in the case where Mo is not present as an ionic metal component, it is preferable to add 4 mM Mo per 1 L of the electrolyte, and a content of about 70 ppm is dissolved in the electrolyte every time 1 mM Mo is added.

산과 용매는 종류와 전해액 목적에 따라 적절히 조절할 수 있다.Acid and solvent can be appropriately adjusted according to the type and purpose of the electrolyte.

본 발명의 다른 구현예에서, 5가 바나듐을 4가 바나듐으로 환원하는경우, V2O5 원료 100 중량부 대비 N2H4·H2O 17.5 중량부, 98% 농도 기준으로 H2SO4 108 중량부 이상, DIW 100 중량부 이상으로 포함할 수 있다.In another embodiment of the present invention, when pentavalent vanadium is reduced to tetravalent vanadium, 17.5 parts by weight of N 2 H 4 ·H 2 O compared to 100 parts by weight of V 2 O 5 raw material, H 2 SO 4 based on 98% concentration It may include 108 parts by weight or more, and 100 parts by weight or more of DIW.

본 발명의 다른 구현예에서, 5가 바나듐을 3.5가 바나듐으로 환원하는 경우, V2O5 원료 100 중량부 대비 N2H4·H2O 26 중량부 이상, H2SO4 135 중량부 이상, DIW 110 중량부 이상으로 포함할 수 있다.In another embodiment of the present invention, when pentavalent vanadium is reduced to 3.5 vanadium, 26 parts by weight or more, H 2 SO 4 135 parts by weight or more, relative to 100 parts by weight of V 2 O 5 raw material, N 2 H 4 ·H 2 O 26 parts by weight or more , DIW may be included in an amount of 110 parts by weight or more.

본 발명의 바나듐 전해액은, 일례로 상기 5가 바나듐 화합물 중 V2O5를 예로 들면, V2O5 100 중량부 기준으로, 산 400 중량부 이하, 질소계 환원제 38 중량부 이하, 용매 700 중량부 이하 및 산화환원 첨가제 0.1 내지 1.6 중량부를 사용하여 제조할 수 있고, 구체적으로 산 100 내지 400 중량부, 질소계 환원제 14 내지 38 중량부, 용매 300 내지 700 중량부 및 산화환원 첨가제 0.1 내지 1.6 중량부를 사용하여 제조할 수 있다. The vanadium electrolyte of the present invention may be, for example, V 2 O 5 of the pentavalent vanadium compound, based on 100 parts by weight of V 2 O 5 , 400 parts by weight or less of an acid, 38 parts by weight or less of a nitrogen-based reducing agent, and 700 parts by weight of a solvent It can be prepared by using not more than 1 part and 0.1 to 1.6 parts by weight of the redox additive, specifically, 100 to 400 parts by weight of an acid, 14 to 38 parts by weight of a nitrogen-based reducing agent, 300 to 700 parts by weight of a solvent, and 0.1 to 1.6 parts by weight of a redox additive. It can be prepared using parts.

이때 질소계 환원제는 일례로 하이드라진 수화물, 구체적으로 하이드라진 일수화물을 사용할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. In this case, the nitrogen-based reducing agent may be, for example, hydrazine hydrate, specifically, hydrazine monohydrate, but is not limited thereto.

상기 바나듐 전해액은, 바람직하게는 산 200 내지 400 중량부, 질소계 환원제 14 내지 30 중량부, 용매 500 내지 700 중량부 및 산화환원 첨가제 0.2 내지 1.6 중량부를 사용하여 제조할 수 있고, 더욱 바람직하게는 산 200 내지 300 중량부, 질소계 환원제 20 내지 30 중량부, 용매 500 내지 600 중량부 및 산화환원 첨가제 0.2 내지 1.2 중량부를 사용하여 제조할 수 있고, 보다 더 바람직하게는 산 250 내지 300 중량부, 질소계 환원제 24 내지 28 중량부, 용매 500 내지 550 중량부 및 산화환원 첨가제 0.2 내지 0.8 중량부를 사용하여 제조할 수 있다. 이들 범위 내에서 반응시간이 단축되고 반응효율이 우수하며 고순도 고품질의 바나듐 전해액이 제조될 뿐 아니라 전해액을 포함하는 전지의 충방전용량 또한 개선되는 이점이 있다.The vanadium electrolyte may be prepared using 200 to 400 parts by weight of an acid, 14 to 30 parts by weight of a nitrogen-based reducing agent, 500 to 700 parts by weight of a solvent, and 0.2 to 1.6 parts by weight of a redox additive, more preferably 200 to 300 parts by weight of an acid, 20 to 30 parts by weight of a nitrogen-based reducing agent, 500 to 600 parts by weight of a solvent, and 0.2 to 1.2 parts by weight of a redox additive, and more preferably 250 to 300 parts by weight of an acid; It may be prepared by using 24 to 28 parts by weight of a nitrogen-based reducing agent, 500 to 550 parts by weight of a solvent, and 0.2 to 0.8 parts by weight of a redox additive. Within these ranges, the reaction time is shortened, the reaction efficiency is excellent, and a high-purity, high-quality vanadium electrolyte is prepared, and the charge/discharge capacity of the battery including the electrolyte is also improved.

상기 구현예들에서, 산화환원 첨가제는 V2O5 원료 100 중량부 대비 0.1 내지 1.6 중량부 범위 내로 포함될 수 있다.In the above embodiments, the redox additive may be included in an amount of 0.1 to 1.6 parts by weight based on 100 parts by weight of the V 2 O 5 raw material.

예를 들어, 산화환원 첨가제로서 MoO3를 1.6 중량부로 사용할 경우, 전해액 내 Mo 함량은 1120 ppm이고, 1L당 MoO3 첨가량은 2.4 g이며, 전해액 대비 Mol%는 0.016 Mol%일 수 있다. For example, when using 1.6 parts by weight of MoO 3 as a redox additive, the Mo content in the electrolyte is 1120 ppm, the amount of MoO 3 added per 1L is 2.4 g, and the Mol% compared to the electrolyte may be 0.016 Mol%.

본 기재에서 반응시간은, 일례로 3 내지 13 시간일 수 있다.In the present description, the reaction time may be, for example, 3 to 13 hours.

상기 5가 바나듐 화합물(V2O5)과 질소계 환원제의 몰 농도(M; mol/L)의 비는 1:0.1 내지 1.6 또는 1:0.2 내지 0.4 일 수 있고, 이 범위에서 산, 용매, 산화환원 첨가제와 적정한 몰 농도비를 이루어, 본 발명이 목적하는 효과가 쉽게 달성되는 이점이 있다. The ratio of the pentavalent vanadium compound (V 2 O 5 ) to the molar concentration (M; mol/L) of the nitrogen-based reducing agent may be 1:0.1 to 1.6 or 1:0.2 to 0.4, and in this range, acid, solvent, By forming an appropriate molar concentration ratio with the redox additive, there is an advantage that the desired effect of the present invention is easily achieved.

상기 5가 바나듐 화합물(V2O5), 산, 질소계 환원제 및 산화환원 첨가제의 몰 농도(M; mol/L)의 비는, 일례로 1 : 2 내지 3 : 0.2 내지 0.4 : 0.001 이상 0.25 미만, 구체적인 예로 1 : 2 내지 3 : 0.3 내지 0.4 : 0.001 이상 0.05 미만, 더욱 바람직하게는 1 : 2.3 내지 2.7 : 0.36 내지 0.39 : 1.002 이상 0.02 미만, 보다 더 바람직하게는 1 : 2.4 내지 2.6 : 0.37 내지 0.38 : 0.003 내지 0.01이며, 이 범위 내에서 반응 시간이 단축되고 반응효율이 우수하며 고순도 고품질의 바나듐 전해액이 제조될 뿐 아니라 전해액을 포함하는 전지의 충방전용량 또한 개선되는 이점이 있다.The ratio of molar concentrations (M; mol/L) of the pentavalent vanadium compound (V 2 O 5 ), acid, nitrogen-based reducing agent and redox additive is, for example, 1: 2 to 3: 0.2 to 0.4: 0.001 or more 0.25 Less than, specifically, 1: 2 to 3: 0.3 to 0.4: 0.001 or more and less than 0.05, more preferably 1: 2.3 to 2.7: 0.36 to 0.39: 1.002 or more and less than 0.02, even more preferably 1: 2.4 to 2.6: 0.37 to 0.38: 0.003 to 0.01, within this range, the reaction time is shortened, the reaction efficiency is excellent, and a high-purity and high-quality vanadium electrolyte is prepared, and the charge/discharge capacity of the battery including the electrolyte is also improved.

상기 산화환원 첨가제는 상기 바나듐 전해액 내에 일례로 1 내지 6000 ppm, 바람직하게는 10 내지 3000 ppm, 보다 바람직하게는 50 내지 1500 ppm, 더욱 바람직하게는 100 내지 1000 ppm, 가장 바람직하게는 200 내지 800 ppm으로 포함될 수 있다.The redox additive is, for example, 1 to 6000 ppm, preferably 10 to 3000 ppm, more preferably 50 to 1500 ppm, still more preferably 100 to 1000 ppm, most preferably 200 to 800 ppm in the vanadium electrolyte solution. can be included as

상기 산화환원 첨가제의 주 성분은 반응 및 여과공정 등 상기 바나듐 전해액 제조공정이 완료된 이후 바나듐 전해액 내에 1 ppm 이상, 1500 ppm 미만으로 포함될 수 있다.The main component of the redox additive may be included in an amount of 1 ppm or more and less than 1500 ppm in the vanadium electrolyte after the production process of the vanadium electrolyte solution, such as a reaction and filtration process, is completed.

상기 산화환원 첨가제는 전해액 성능 개선을 위한 기타 첨가제를 포함하더라도 질소계 환원제의 바나듐 이온의 환원력을 제공함과 동시에 환원량에 관여하지 않고 환원속도에 관여하는 특징을 가지고 있다. 예를 들어 바나듐 전해액 제조 시 V2O5 원료 100 중량부에 대하여, 열안정성 첨가제로 공지된 H3PO4 20 중량부 이하를 투입하더라도, 산화환원 첨가제의 환원 효과는 영향을 받지 않는다. Although the redox additive includes other additives for improving electrolyte performance, the nitrogen-based reducing agent provides the reducing power of vanadium ions and at the same time does not participate in the reduction amount but is involved in the reduction rate. For example, even if 20 parts by weight or less of H 3 PO 4 known as a thermal stability additive is added to 100 parts by weight of the V 2 O 5 raw material when preparing the vanadium electrolyte, the reducing effect of the redox additive is not affected.

상술한 H3PO4를 포함하여 (NH4)H2PO4, (NH4)3PO4와 같은 PO4 계열의 물질, HCl, MgCl2, CaCl2와 같은 염소계 물질, 양이온계 계면활성제, 음이온계 계면활성제, 양성 계면활성제, 비이온성 계면활성제와 같은 첨가제를 V2O5 원료 100중량부 대비 20 중량부 이하로 투입하더라도 산화환원 첨가제의 환원 효과는 영향받지 않고, 각종 첨가제의 고유 기능에도 산화환원 첨가제가 영향 미치지 않는다.Including the aforementioned H 3 PO 4 (NH 4 )H 2 PO 4 , (NH 4 ) 3 PO 4 such as PO 4 series materials, HCl, MgCl 2 , CaCl 2 chlorine-based materials, such as cationic surfactants, Even if 20 parts by weight or less of additives such as anionic surfactants, amphoteric surfactants, and nonionic surfactants are added to 100 parts by weight of V 2 O 5 raw material, the reducing effect of the redox additive is not affected, and the unique functions of various additives are not affected. Redox additives have no effect.

본 발명의 다른 구현예에 따르면, 4가 바나듐 화합물 유래 바나듐 전해액에 대한 내용을 제공한다. 이때 4가 바나듐 화합물 또한 저품위 또는 고품위 화합물일 수 있다. According to another embodiment of the present invention, there is provided information on a vanadium electrolyte derived from a tetravalent vanadium compound. In this case, the tetravalent vanadium compound may also be a low-grade or high-grade compound.

상기 바나듐 전해액은 상기 4가 바나듐 화합물에 포함된 바나듐 100 중량부를 기준으로, 적정량의 산 및 용매와 함께 질소계 환원제 10 내지 20 중량부를 이용하여 제조할 수 있고, 상기 4가 바나듐 화합물에 산화환원 첨가제의 이온성 금속 성분 함량에 따른 산화환원 첨가제 투입량을 조절하면서 포함할 수 있다. The vanadium electrolyte may be prepared by using 10 to 20 parts by weight of a nitrogen-based reducing agent together with an appropriate amount of an acid and a solvent based on 100 parts by weight of vanadium contained in the tetravalent vanadium compound, and a redox additive to the tetravalent vanadium compound. It may be included while adjusting the amount of the redox additive input according to the content of the ionic metal component.

상기 산화환원 첨가제의 주 성분은 바나듐 전해액 내에 1 ppm 이상, 1500 ppm 미만으로 포함될 수 있다.The main component of the redox additive may be included in an amount of 1 ppm or more and less than 1500 ppm in the vanadium electrolyte.

본 기재에서 바나듐 전해액은, 일례로 상기 4가 바나듐 화합물 중 VOSO4인 경우, VOSO4 100 중량부 기준으로, 산 400 중량부 이하, 질소계 환원제 25 중량부 이하, 용매 700 중량부 이하 및 산화환원 첨가제 0.1 내지 1.6 중량부를 사용하여 제조할 수 있고, 구체적으로 산 100 내지 400 중량부, 질소계 환원제 1 내지 25 중량부, 용매 300 내지 700 중량부 및 산화환원 첨가제 0.1 내지 1.6 중량부를 사용하여 제조할 수 있으며, 바람직하게는 산 200 내지 400 중량부, 질소계 환원제 2 내지 20 중량부, 용매 500 내지 700 중량부 및 산화환원 첨가제 0.2 내지 1.6 중량부를 사용하여 제조할 수 있고, 더욱 바람직하게는 산 200 내지 300 중량부, 질소계 첨가제 4 내지 15 중량부, 용매 500 내지 600 중량부 및 산화환원 첨가제 0.2 내지 1.2 중량부를 사용하여 제조할 수 있고, 보다 더 바람직하게는 산 250 내지 300 중량부, 질소계 환원제 6 내지 10 중량부, 용매 500 내지 550 중량부 및 산화환원 첨가제 0.2 내지 0.8 중량부를 사용하여 제조할 수 있다. 이들 범위 내에서 반응시간이 단축되고 반응효율이 우수하며 고순도 고품질의 바나듐 전해액이 제조될 뿐 아니라 전해액을 포함하는 전지의 충방전용량 또한 개선되는 이점이 있다.In the present description, the vanadium electrolyte is, for example, in the case of VOSO 4 among the tetravalent vanadium compounds, based on 100 parts by weight of VOSO 4 , 400 parts by weight or less of an acid, 25 parts by weight or less of a nitrogen-based reducing agent, 700 parts by weight or less of a solvent, and redox It can be prepared using 0.1 to 1.6 parts by weight of the additive, specifically 100 to 400 parts by weight of an acid, 1 to 25 parts by weight of a nitrogen-based reducing agent, 300 to 700 parts by weight of a solvent, and 0.1 to 1.6 parts by weight of a redox additive. and preferably 200 to 400 parts by weight of an acid, 2 to 20 parts by weight of a nitrogen-based reducing agent, 500 to 700 parts by weight of a solvent, and 0.2 to 1.6 parts by weight of a redox additive, and more preferably an acid 200 to 300 parts by weight, 4 to 15 parts by weight of a nitrogen-based additive, 500 to 600 parts by weight of a solvent, and 0.2 to 1.2 parts by weight of a redox additive, more preferably 250 to 300 parts by weight of an acid, a nitrogen-based additive It can be prepared using 6 to 10 parts by weight of a reducing agent, 500 to 550 parts by weight of a solvent, and 0.2 to 0.8 parts by weight of a redox additive. Within these ranges, the reaction time is shortened, the reaction efficiency is excellent, and a high-purity, high-quality vanadium electrolyte is prepared, and the charge/discharge capacity of the battery including the electrolyte is also improved.

상기 산화환원 첨가제는 상기 바나듐 전해액 내에 일례로 1 내지 6000 ppm, 바람직하게는 10 내지 3000 ppm, 보다 바람직하게는 50 내지 1500 ppm, 더욱 바람직하게는 100 내지 1000 ppm, 가장 바람직하게는 200 내지 800 ppm으로 포함될 수 있다. The redox additive is, for example, 1 to 6000 ppm, preferably 10 to 3000 ppm, more preferably 50 to 1500 ppm, still more preferably 100 to 1000 ppm, most preferably 200 to 800 ppm in the vanadium electrolyte solution. can be included as

상기 산화환원 첨가제는 전해액 성능 개선을 위한 여타의 첨가제를 포함하더라도 바나듐 이온의 환원력을 제공함으로써 환원량에 관여하지 않으면서 환원속도에 관여하는 특징을 가지고 있다. 예를 들어 온도 안정성 향상을 위한 대표적 첨가제로 알려진 H3PO4를 바나듐 전해액 제조 시 V2O5 원료 100 중량부 대비 20 중량부 이하를 첨가하더라도, 산화환원 첨가제제의 환원 효과는 영향을 받지 않는다. 예시로 든 H3PO4를 포함하여 (NH4)H2PO4, (NH4)3PO4와 같은 PO4 계열의 물질, HCl, MgCl2, CaCl2와 같은 Cl계 물질, 양이온계 계면활성제, 음이온계 계면활성제, 양성 계면활성제, 비이온성 계면활성제와 같은 물질을 V2O5 원료 100중량부 대비 20 중량부 이하를 첨가하더라도 산화환원 첨가제의 환원제에 대한 효과는 영향을 받지 않으며, 동시에 각종 첨가제의 첨가제 기능 또한 산화환원 첨가제가 침범하지 않는다.Although the redox additive includes other additives for improving electrolyte performance, it provides a reducing power of vanadium ions, thereby contributing to the reduction rate without being involved in the reduction amount. For example, even if 20 parts by weight or less of H 3 PO 4 , which is known as a representative additive for improving temperature stability, is added relative to 100 parts by weight of V 2 O 5 raw material when preparing a vanadium electrolyte, the reducing effect of the redox additive is not affected. . Including H 3 PO 4 as an example, (NH 4 )H 2 PO 4 , (NH 4 ) 3 PO 4 such as PO 4 material, Cl-based material such as HCl, MgCl 2 , CaCl 2 , cationic interface Even if 20 parts by weight or less of substances such as activators, anionic surfactants, amphoteric surfactants, and nonionic surfactants are added relative to 100 parts by weight of V 2 O 5 raw material, the effect of the redox additive on the reducing agent is not affected, and at the same time The additive function of various additives is also not violated by redox additives.

본 기재의 다른 구현예에서는, 바나듐 전해액의 제조방법에 대하여 보다 상세한 내용을 제공한다.In another embodiment of the present disclosure, more detailed information is provided for a method for preparing a vanadium electrolyte.

전술한 바나듐 전해액의 제조방법은 일례로, 바나듐 화합물로서, 5가 바나듐 화합물을 4가 바나듐 화합물로 환원시키는 제1 단계; 및 상기 4가 바나듐 화합물을 3.3 내지 3.7가 바나듐 화합물로 환원시키는 제2 단계를 포함하되, 상기 제1 단계와 상기 제2 단계 중 적어도 하나에 산화환원 첨가제를 투입하며, 상기 산화환원 첨가제는 상기 제1 단계에서 바나듐 화합물을 환원시키는데 사용되는 질소계 환원제보다 환원력이 낮은 물질로 구성될 수 있다.The method for preparing the above-described vanadium electrolyte includes, for example, a first step of reducing a pentavalent vanadium compound to a tetravalent vanadium compound as a vanadium compound; and a second step of reducing the tetravalent vanadium compound to a 3.3 to 3.7 vanadium compound, wherein a redox additive is added to at least one of the first step and the second step, and the redox additive is the second step. It may be composed of a material having a lower reducing power than the nitrogen-based reducing agent used to reduce the vanadium compound in the first step.

상기 제1 단계는 바람직하게는 ⅰ) 5가 바나듐 화합물과 물을 투입하는 단계, ⅱ) 질소계 환원제를 투입하는 단계, 및 ⅲ) 황산을 투입하는 단계를 순차적으로 포함할 수 있고, 이러한 경우 공정 시간이 단축되며, 반응효율이 우수하고, 환원제의 분해가 최소화되면서 4가의 바나듐 전해액이 제조되는 이점이 있다. Preferably, the first step may include sequentially i) adding a pentavalent vanadium compound and water, ii) adding a nitrogen-based reducing agent, and iii) adding sulfuric acid. In this case, the process There are advantages in that the time is shortened, the reaction efficiency is excellent, and the decomposition of the reducing agent is minimized to prepare a tetravalent vanadium electrolyte.

상기 질소계 화합물은 구체적인 예로 하이드라진 화합물일 수 있다.The nitrogen-based compound may be a hydrazine compound as a specific example.

상기 하이드라진 화합물은 바람직하게는 수화물 내지는 수용액 상태로 투입할 수 있는데, 하이드라진 화합물 100 중량비 대비 최소 물 95 중량비 이상일 때 바람직할 수 있다. The hydrazine compound may be preferably added in the form of a hydrate or an aqueous solution, and it may be preferable when the hydrazine compound is at least 95 weight ratio by weight relative to 100 weight ratio of the hydrazine compound.

후술하는 실시예에서는 하이드라진 화합물 100 중량비 대비 물 200 내지 500 중량비 정도로 희석하여 사용하였으며, 특정비가 있지 않으나 전해액 제조에 필요한 전체 물의 양은 동일하여야 한다. 이같이 수화물 형태의 하이드라진 화합물을 이용할 경우, 급격한 반응속도를 완만히 제어하고 보다 안정적으로 진행될 수 있어 반응 효율이 우수하면서도 고순도 고품질의 바나듐 전해액을 제조할 수 있는 이점이 있다. In Examples to be described later, the hydrazine compound was diluted to about 200 to 500 weight ratio of water relative to 100 weight ratio, and there is no specific ratio, but the total amount of water required for preparing the electrolyte should be the same. When the hydrazine compound in the form of a hydrate is used as described above, the rapid reaction rate can be gently controlled and the reaction can be carried out more stably, so that the reaction efficiency is excellent and a high-purity, high-quality vanadium electrolyte can be prepared.

상기 하이드라진 수화물은 바람직하게는 하이드라진 모노하이드레이트이고, 상기 하이드라진 염은 바람직하게는 하이드라진 황산염이며, 이 경우 전해액의 품질을 떨어뜨리는 부산물이 전혀 남지 않아 고순도 고품질의 바나듐 전해액이 제조되는 이점이 있다. The hydrazine hydrate is preferably hydrazine monohydrate, and the hydrazine salt is preferably hydrazine sulfate.

상기 질소계 환원제는 상기 제1 단계에 전량 투입할 수 있고, 또는 상기 제1 단계에 일부 투입한 다음 상기 제2 단계에 분할 투입할 수 있다. 분할 투입의 예로 제1 단계에서 전량 중에서 60 내지 80 중량%를 투입하고 제2 단계에서 20 내지 40 중량%를 투입할 수 있으며, 바람직하게는 제1 단계에서 60 내지 70 중량%를 투입하고 제2 단계에서 30 내지 40 중량%를 투입할 수 있다. 상기 질소계 환원제의 투입 방법은 바나듐 전해액 제조 목적이나 공정 상황에 따라 본 발명이 속한 기술분야에서 통상적으로 사용하는 투입 방법 중에서 적절하게 이용 가능하다.The nitrogen-based reducing agent may be added in the entire amount in the first step, or may be partially added to the first step and then dividedly added to the second step. As an example of divided input, 60 to 80% by weight of the total amount may be added in the first step, and 20 to 40% by weight may be added in the second step, and preferably 60 to 70% by weight in the first step and the second 30 to 40 wt% may be added in the step. The input method of the nitrogen-based reducing agent may be appropriately used among the input methods commonly used in the technical field to which the present invention pertains depending on the purpose or process condition of the vanadium electrolyte solution.

상기 산화환원 첨가제는, 상기 제1 단계에서 상기 황산과 탈수반응하여 수용액을 형성한 다음 자체 환원되면서 상기 질소계 환원제를 산화시켜 질소 기체를 발생시킬 수 있다. The redox additive may dehydrate the sulfuric acid in the first step to form an aqueous solution and then oxidize the nitrogen-based reducing agent while reducing itself to generate nitrogen gas.

상기 산화환원 첨가제는 몰리브데넘 금속, 산화몰리브데넘(MoxOy), 질화몰리브데넘(MoxNy), 염화몰리브데넘(MoxCly), 황화몰리브데넘(MoxSy), 인화몰리브데넘(MoxPy), 탄화몰리브데넘(MoxCy), 몰리브데넘 금속 산화물(MoxMyOz), 몰리브데넘 금속 질화물(MoxMyNz), 몰리브데넘 금속 염화물(MoxMyClz), 몰리브데넘 금속 황화물(MoxMySz), 몰리브데넘 금속 인화물(MoxMyPz) 및 몰리브데넘 금속 탄화물(MoxMyCz) 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다. The redox additive is molybdenum metal, molybdenum oxide (MoxOy), molybdenum nitride (MoxNy), molybdenum chloride (MoxCly), molybdenum sulfide (MoxSy), molybdenum phosphide (MoxPy), Molybdenum Carbide (MoxCy), Molybdenum Metal Oxide (MoxMyOz), Molybdenum Metal Nitride (MoxMyNz), Molybdenum Metal Chloride (MoxMyClz), Molybdenum Metal Sulfide (MoxMySz), Molybdenum Metal Phosphide ( MoxMyPz) and molybdenum metal carbide (MoxMyCz) may be at least one selected from the group consisting of.

상기 산화환원 첨가제의 금속은 Al, As, Ba, Ca, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Ga, K, Mg, Mn, Na, Ni, Pb, Si, Sn, Ti, Zn, Au, Ag, Pt, Ru, Pd, Li, Ir, W, Nb, Zr, Ta, Ge, 및 In 중에서 선택된 종 또는 복수의 종이 합금을 이룬 금속일 수 있고, 상기 x와 y(x/y) 또는 x,y 및 z(x/y/z)는 서로 독립적으로 0 내지 1의 정수일 수 있다. The metal of the redox additive is Al, As, Ba, Ca, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Ga, K, Mg, Mn, Na, Ni, Pb, Si, Sn, Ti, Zn, Au, Ag , Pt, Ru, Pd, Li, Ir, W, Nb, Zr, Ta, Ge, and a species or a plurality of species selected from In may be a metal forming an alloy, wherein x and y (x / y) or x, y and z (x/y/z) may independently be integers from 0 to 1.

상기 산화환원 첨가제는 황산과의 탈수 반응된 수용액 상태로 상기 제2 단계에서 상기 4가 바나듐 화합물을 환원시키는데 사용될 수 있다.The redox additive may be used to reduce the tetravalent vanadium compound in the second step in a dehydrated aqueous solution state with sulfuric acid.

구체적으로, 상기 산화환원 첨가제는 황산과의 탈수 반응을 통해 형성된 수용액 상태로 자체 산화되면서 상기 4가 바나듐 화합물을 3.3 내지 3.7가 바나듐 화합물, 바람직하게는 3.4 내지 3.6가 바나듐 화합물로, 가장 바람직하게는 3.5가 바나듐 화합물로 환원시키며, 이 경우 고순도 고품질의 바나듐 전해액이 제조되는 이점이 있다.Specifically, the redox additive converts the tetravalent vanadium compound into a 3.3 to 3.7 vanadium compound, preferably a 3.4 to 3.6 vanadium compound, and most preferably a tetravalent vanadium compound while self-oxidizing to an aqueous solution formed through a dehydration reaction with sulfuric acid. 3.5 is reduced to a vanadium compound, and in this case, there is an advantage in that a high-purity, high-quality vanadium electrolyte is prepared.

상기 제2 단계는 바람직하게는 70 내지 120 ℃로 가온할 수 있고, 보다 바람직하게는 80 내지 115 ℃, 더욱 바람직하게는 90 내지 110 ℃, 보다 더 바람직하게는 100 내지 110 ℃로 가온하며, 이 경우 반응시간이 단축되고 반응효율이 우수하면서도 고순도 고품질의 바나듐 전해액이 제조되는 이점이 있다.The second step may preferably be heated to 70 to 120 ° C, more preferably 80 to 115 ° C, more preferably 90 to 110 ° C, even more preferably 100 to 110 ° C, In this case, the reaction time is shortened and the reaction efficiency is excellent, but there is an advantage in that a high-purity, high-quality vanadium electrolyte is prepared.

상기 제2 단계는 가온 시간이 12 시간 이하일 수 있고, 바람직하게는 1 시간 내지 10 시간, 보다 바람직하게는 2 시간 내지 8 시간이, 더욱 바람직하게는 3 내지 8 시간, 가장 바람직하게는 4 내지 8 시간이며, 이 경우 반응효율이 우수하면서도 고순도 고품질의 바나듐 전해액이 제조되는 이점이 있다.In the second step, the heating time may be 12 hours or less, preferably 1 hour to 10 hours, more preferably 2 hours to 8 hours, still more preferably 3 to 8 hours, most preferably 4 to 8 hours time, and in this case, there is an advantage in that a high-purity, high-quality vanadium electrolyte solution is prepared while having excellent reaction efficiency.

상기 제1 단계 및 제2 단계는 일례로 대기압 하에서 진행될 수 있으나, 상술한 반응 조건을 만족하는 범위 내에서 필요에 따라 가압 또는 감압할 수 있다.The first step and the second step may be performed under atmospheric pressure, for example, but may be pressurized or reduced as necessary within a range satisfying the above-described reaction conditions.

상기 전해액 제조방법은 바람직하게는 제1 단계 이후 또는 제2 단계 이후 여과하는 공정을 포함할 수 있고, 보다 바람직하게는 제1 단계 이후 1차 여과 그리고 제2 단계 이후 2차 여과하는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 경우 공정 시간이 크게 연장되지 않으면서도 고순도 고품질의 바나듐 전해액이 제조되는 이점이 있다.The electrolyte preparation method may include a process of filtration after the first step or after the second step, more preferably, the first step after the first filtration and the second step after the second filtration. can In this case, there is an advantage in that a high-purity, high-quality vanadium electrolyte can be prepared without significantly extending the process time.

상기 여과는 중력을 이용한 중력 여과, 여과수단 상층에 가압을 걸어 조작하는 가압 여과, 여과수단 하층에 감압을 걸어 조작하는 감압 여과로 수행할 수 있다. 또한, 상기 여과는 기공 사이즈 0.2~10 ㎛를 갖는 내산성을 갖추면서도 친수성 재질의 여과수단을 사용할 수 있는데, 특히 기공 사이즈가 0.2 ㎛ 미만일 경우 공정시간 혹은 압력부하가 증가하여 품질 대비 경쟁력이 떨어질 수 있고, 10 ㎛ 초과할 경우 여과 효과가 미비할 수 있다.The filtration may be performed by gravity filtration using gravity, pressure filtration operated by applying pressure to the upper layer of the filtration means, and reduced pressure filtration operated by applying reduced pressure to the lower layer of the filtration means. In addition, the filtration can use a hydrophilic filtration means while having acid resistance having a pore size of 0.2 to 10 μm. In particular, when the pore size is less than 0.2 μm, the process time or pressure load increases, so that competitiveness compared to quality may be lowered. , when it exceeds 10 μm, the filtration effect may be insignificant.

상기 여과수단과 함께 규조토와 같은 여과조제를 함께 이용할 경우, 여과액이 여과수단에 도달하기 전 여과조제에 의한 불순물 제거가 일차적으로 이루어짐으로써 여과수단에 걸리는 여과 부하를 줄일 수 있다.When a filter aid such as diatomaceous earth is used together with the filtering means, impurities are primarily removed by the filter agent before the filtrate reaches the filtering means, thereby reducing the filtration load applied to the filtering means.

이러한 경우 전체 공정시간에 큰 영향을 미치지 않으면서도 전해액 내에서 전해액 특성을 저하시킬 수 있는 불순물들을 물리적 방식으로 여과 및 여과수단을 통해 거르는 동시에 전해액이 온전하게 여과 및 여과수단을 통과함으로써 고순도 고품질의 바나듐 전해액이 제조되는 이점이 있다. In this case, impurities that can deteriorate the properties of the electrolyte in the electrolyte are physically filtered through filtration and filtration means without significantly affecting the overall process time, while the electrolyte passes through the filtration and filtration means in a completely high-purity, high-quality vanadium. There is an advantage that an electrolyte solution is prepared.

상기 5가 바나듐 화합물은 바람직하게는 V2O5이고, 상기 4가 바나듐 화합물은 바람직하게는 VOSO4이며, 상기 3.3 내지 3.7가 바나듐 화합물은 바람직하게는 VOSO4 및 V2(SO4)3의 혼합으로 이루어질 수 있고, 이 경우 고순도 고품질의 바나듐 전해액이 제조되는 이점이 있다. The pentavalent vanadium compound is preferably V 2 O 5 , the tetravalent vanadium compound is preferably VOSO 4 , and the 3.3 to 3.7 vanadium compound is preferably VOSO 4 and V 2 (SO 4 ) 3 Mixing may be performed, and in this case, there is an advantage in that a high-purity, high-quality vanadium electrolyte is prepared.

상기 전해액 제조방법은 필요한 경우 제1 단계 또는 제2 단계에서 산화환원 첨가제와 함께 촉매제를 포함하고 환원 반응을 촉진시킬 수 있다The electrolyte preparation method may include a catalyst together with a redox additive in the first step or the second step, if necessary, and promote the reduction reaction.

상기 촉매제는 제1 단계, 특히 제2 단계에서 촉매 역할을 하면서도, 촉매 역할을 수행한 다음에는 전해액으로부터 분리 공정이 수반된다. 제1 단계에 촉매제를 투입한 뒤 반응 종료 후 제2 단계에서 여과하거나, 제1 단계 여과 이후 제2 단계에 촉매제를 첨가한 다음 반응종료 후 제2 단계에서 다시 여과하거나, 또는 촉매 설비 내로 반응물이 유입되어 환원 반응이 가능한 방식으로 사용할 수 있다.The catalyst serves as a catalyst in the first step, particularly in the second step, and is followed by a separation process from the electrolyte after performing the catalyst role. After the catalyst is added to the first step and filtered in the second step after the reaction is completed, the catalyst is added to the second step after the first step filtration and then filtered again in the second step after the reaction is completed, or the reactant is introduced into the catalyst facility It can be introduced and used in a way that a reduction reaction is possible.

본 기재에서 촉매제의 주 성분은 Pt, Pd, Ru 등의 금속일 수 있고, 대표적으로는 Pt 촉매일 수 있다. Pt 촉매는 본 발명이 속한 기술 분야에서 통상적으로 사용하는 Pt 촉매인 경우 특별히 제한되지 않는다.In the present description, the main component of the catalyst may be a metal such as Pt, Pd, Ru, or the like, and may be a typical Pt catalyst. The Pt catalyst is not particularly limited if it is a Pt catalyst commonly used in the technical field to which the present invention pertains.

본 기재에서 상기 바나듐 전해액 제조방법은, (A)용매에 5가 바나듐 화합물을 투입한 다음 질소계 환원제를 투입하여 반응 혼합물을 제조하는 단계; (B)상기 반응 혼합물에 황산과 산화환원 첨가제를 투입하여 탈수 반응을 수행하면서 상기 5가 바나듐 화합물을 4가 바나듐 화합물로 환원시키는 단계; (C)상기 탈수 반응물이 상기 질소계 환원제를 산화시켜 질소 기체를 생성하면서 자체 환원물을 생성하는 단계; 및 (D)상기 반응물을 가온하여 상기 자체 환원물이 산화되면서 상기 4가 바나듐 화합물을 3.3 내지 3.7가 바나듐 화합물로 환원시키는 단계; 를 포함하며, 상기 질소계 환원제는 상기 (A) 단계에 전량 투입하거나 혹은 (A) 단계와 (D) 단계에 분할 투입할 수 있다. In the present disclosure, the method for preparing a vanadium electrolyte includes: (A) preparing a reaction mixture by adding a pentavalent vanadium compound to a solvent and then adding a nitrogen-based reducing agent; (B) reducing the pentavalent vanadium compound to a tetravalent vanadium compound while performing a dehydration reaction by adding sulfuric acid and a redox additive to the reaction mixture; (C) generating a self-reduced product while the dehydration reactant oxidizes the nitrogen-based reducing agent to generate nitrogen gas; and (D) reducing the tetravalent vanadium compound to a 3.3 to 3.7 vanadium compound while the self-reduced product is oxidized by heating the reactant; Including, the nitrogen-based reducing agent may be added to the whole amount in step (A) or divided into steps (A) and (D).

상기 산화환원 첨가제는 수계 바나듐 레독스 플로우 전해액 또는 바나듐 아세틸아세톤과 같은 비수계 바나듐 레독스 플로우용 전해액을 포함하여 바나듐 레독스 플로우 전지에 사용되는 바나듐 이온을 제공할 수 있는 바나듐 전해액의 제조 및 이를 이용한 바나듐 레독스 플로우 전지의 기계적, 전자기적 구동이라면 특별한 제한 없이 사용할 수 있다. The redox additive includes an aqueous vanadium redox flow electrolyte or an electrolyte for a non-aqueous vanadium redox flow such as vanadium acetylacetone, and the preparation and use of the same As long as the vanadium redox flow battery is mechanically and electromagnetically driven, it can be used without any particular limitation.

상기 바나듐 전해액은 양극 및 음극에 모두 포함될 수 있다. The vanadium electrolyte may be included in both the anode and the cathode.

상기 산화환원 첨가제를 전해액 제조 과정에 투입하면, 환원반응 촉진으로 반응속도를 단축시킬 수 있고, 바나듐 레독스 플로우 전지 작동 시에 전계에너지로 활성화 가능한 바나듐 이온들 사이에서 첨가 소재가 가진 에너지 전달기재가 바나듐 이온의 전자이동도에 기여함으로써 전지의 충방전 용량 및 에너지 효율 향상에 기여할 것으로 추정한다. 상기 산화환원 첨가제가 일정 농도 이상 첨가되어야 반응속도 개선에 바람직하지만 특정 농도보다 과량 투입될 경우, 바나듐 이온과 산화환원 첨가제제간 과다한 상호인력에 의한 점도 증가로 바나듐 이온의 확산성을 방해하는 힘이 더욱 커져 충방전 용량 및 에너지 효율에 부정적 영향을 줄 수 있다. When the redox additive is added to the electrolytic solution manufacturing process, the reaction rate can be shortened by promoting the reduction reaction, and the energy transfer material of the additive material between vanadium ions that can be activated by electric field energy when the vanadium redox flow battery is operating It is estimated that by contributing to the electron mobility of vanadium ions, it will contribute to the improvement of the charge/discharge capacity and energy efficiency of the battery. The redox additive needs to be added at a certain concentration or higher to improve the reaction rate, but when it is added in excess of a certain concentration, the force that interferes with the diffusion of vanadium ions increases due to an increase in viscosity due to excessive mutual attraction between the vanadium ions and the redox additives. This may negatively affect the charge/discharge capacity and energy efficiency.

상기 산화환원 첨가제는 반응속도 개선 및 전지 성능 향상을 함께 고려할 때, 상기 전해액 중 대략 0.2 내지 2 mol%의 농도로 포함되는 것이 바람직하다. 상기 산화환원 첨가제의 농도가 0.2 mol% 이상 함유되어야 반응속도 및 성능 개선에 실질적 효과가 있고, 2 mol%를 초과하는 경우 전술한 부정적 효과가 발생할 수 있다. 반응속도 및 전해액 성능을 고려하면, 상기 산화환원 첨가제는 상기 전해액에 바람직하게는 0.2 내지 1.0 mol%, 더욱 바람직하게는 0.2 내지 0.8 mol%로 포함될 수 있다.The redox additive is preferably included in a concentration of about 0.2 to 2 mol% in the electrolyte when considering the improvement of the reaction rate and the improvement of the battery performance. When the concentration of the redox additive is contained in 0.2 mol% or more, there is a substantial effect on the reaction rate and performance improvement, and when it exceeds 2 mol%, the above-mentioned negative effects may occur. Considering the reaction rate and performance of the electrolyte, the redox additive may be included in the electrolyte in an amount of preferably 0.2 to 1.0 mol%, more preferably 0.2 to 0.8 mol%.

상기 산화환원 첨가제는 앞서 살펴본 바와 같이, 황산과의 탈수 반응에 의한 수용액 상태로 반응에 참여하므로 산화환원 첨가제 유래 부산물이 생성되지 않는다. As described above, since the redox additive participates in the reaction in an aqueous solution state by dehydration reaction with sulfuric acid, a byproduct derived from the redox additive is not generated.

상기 (D) 단계는 70 내지 120 ℃의 반응 온도와 산화환원 첨가제의 투입량을 전술한 수학식 1에 대입하여 계산된 바나듐 화합물의 환원반응시간을 적용하여 수행할 수 있다. Step (D) may be performed by applying the reduction reaction time of the vanadium compound calculated by substituting the reaction temperature of 70 to 120° C. and the amount of the redox additive into Equation 1 above.

[수학식 1][Equation 1]

tR = Aln(Ma/Mv)+ Bt R = Aln(Ma/Mv)+B

(여기서, tR은 반응시간(min)이고, A는 속도상수, B는 농도상수, Ma는 산화환원 첨가제의 투입량(g), Mv는 바나듐 화합물의 투입량(g)이다)(Where t R is the reaction time (min), A is the rate constant, B is the concentration constant, Ma is the input amount of the redox additive (g), and Mv is the input amount (g) of the vanadium compound)

본 발명의 산화환원 첨가제로 제조한 바나듐 전해액은 100 mA/cm2의 전류밀도, 0.8 V의 방전 컷오프 전압, 1.6 V의 충전 컷오프 전압, 180 ml/min의 유량속도로 측정하였을 시, 초기 30 cycle 내에서 충전 용량 및 충방전 용량이 해당 산화환원 첨가제 미투입 대비 사이클당 평균 5 % 이상, 바람직하게는 6.5 % 이상 향상될 수 있다. 또한 에너지 효율은 0.5 % 이상, 바람직하게는 1 % 이상 향상될 수 있다.The vanadium electrolyte prepared with the redox additive of the present invention had a current density of 100 mA/cm 2 , a discharge cut-off voltage of 0.8 V, a charge cut-off voltage of 1.6 V, and a flow rate of 180 ml/min. The charging capacity and the charging/discharging capacity within the system can be improved by an average of 5% or more, preferably by 6.5% or more per cycle compared to the absence of the corresponding redox additive. In addition, energy efficiency may be improved by 0.5% or more, preferably by 1% or more.

본 기재에서 충전용량은 충전 컷오프 전압까지 전하가 축적된 상태를 의미하고, 충방전용량은 방전 컷오프 전압까지 전하가 비워진 상태를 의미하며, 에너지 효율은 충방전용량 대비 충전용량을 의미하는 것으로, 상기 세 요인은 전해액이 가진 수명 및 성능을 판단하는 지표로 제공할 수 있다. In the present description, the charge capacity means a state in which charges are accumulated up to the charge cut-off voltage, the charge/discharge capacity means a state in which the charge is emptied up to the discharge cut-off voltage, and energy efficiency means the charge capacity compared to the charge/discharge capacity. The three factors can be provided as indicators for judging the lifespan and performance of the electrolyte.

본 발명의 산화환원 첨가제는 개선된 전지 용량과 에너지 효율을 지닌 전해액을 제공할 수 있다.The redox additive of the present invention can provide an electrolyte having improved battery capacity and energy efficiency.

본 기재에서 산화환원 첨가제를 투입하여 고효율, 고품질, 고성능의 바나듐 전해액을 경제적으로 제조함으로써, 신재생에너지, 스마트그리드, 전력발전소 등 바나듐 레독스 플로우 배터리가 사용되는 모든 분야에 응용/적용 가능한 효과가 있다. By economically manufacturing high-efficiency, high-quality, and high-performance vanadium electrolytes by adding redox additives in this base material, the effect that can be applied/applied to all fields where vanadium redox flow batteries are used, such as new and renewable energy, smart grids, and power plants have.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.Hereinafter, preferred examples are presented to help the understanding of the present invention, but the following examples are merely illustrative of the present invention, and it will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications are possible within the scope and spirit of the present invention, It goes without saying that such variations and modifications fall within the scope of the appended claims.

[실시예][Example]

이하 실시예로서 설명할 바나듐 전해액 조성은 바나듐 화합물 1.6 몰, 황산 4.0 몰이며, 바나듐 전해액의 이온가는 3.5가로서 바나듐 4가 이온과 바나듐 3가 이온이 1:1의 몰 비로 섞여 있는 바나듐 전해액이다. The composition of the vanadium electrolyte solution, which will be described as an example below, is 1.6 moles of a vanadium compound and 4.0 moles of sulfuric acid. The vanadium electrolyte has an ionic value of 3.5 and is a vanadium electrolyte in which vanadium tetravalent ions and vanadium trivalent ions are mixed in a molar ratio of 1:1.

실시예의 전해액을 제조하는데 필요한 재료는 다음과 같다.Materials required to prepare the electrolyte solution of the embodiment are as follows.

저품위 바나듐 화합물 146 g(99 % 저품위), 98 % 농도의 황산 용액 400 g, 물 775 g, 질소계 환원제(하이드라진 모노하이드레이트) 80 중량% 수용액 38.0 g, 산화환원 첨가제(삼산화몰리브덴) 0.15 g.Low grade vanadium compound 146 g (99% low grade), 98% sulfuric acid solution 400 g, water 775 g, nitrogen-based reducing agent (hydrazine monohydrate) 80% by weight aqueous solution 38.0 g, redox additive (molybdenum trioxide) 0.15 g.

여기에서 하이드라진 모노하이드레이트는 바나듐 몰수에 0.375를 곱한 값에 해당하는 몰수만큼 필요하고, 바나듐 화합물 1.6 몰에 대해 약 0.6 M 만큼 필요하다. 하이드라진의 경우 하이드라진 모노하이드레이트 80 중량 % 수용액을 사용하였고, 산화환원 첨가제로는 삼산화몰리브데넘을 사용하였다. 본 기재에서 M은 용액 1 L 속에 녹아 있는 용질의 몰수(mol/L)을 의미한다.Here, hydrazine monohydrate is required as much as the number of moles corresponding to the value obtained by multiplying the number of moles of vanadium by 0.375, and about 0.6 M is required with respect to 1.6 moles of the vanadium compound. In the case of hydrazine, an 80 wt% aqueous solution of hydrazine monohydrate was used, and molybdenum trioxide was used as a redox additive. In this description, M means the number of moles (mol/L) of the solute dissolved in 1 L of the solution.

본 기재에서 %는 별도로 정의하지 않는 경우 중량%를 의미한다. In the present description, % means % by weight unless otherwise defined.

실시예의 전해액을 제조하는데 필요한 장치는 다음과 같다.The apparatus required for preparing the electrolyte solution of the embodiment is as follows.

1 L 이상을 반응시킬 수 있는 반응 탱크(이하, '반응기'라고도 함), 교반기, 온도조절이 가능한 히터기 및 온도계, 여과 시스템(펌프, 튜브, 필터 등)으로 구성되며, 장치 중 전해액과 접촉이 있는 면은 유리, PTFE, PE, Teflon 등과 같은 내산성 및 내화학성을 지닌 재질이어야 한다.It is composed of a reaction tank (hereinafter referred to as 'reactor') that can react 1 L or more, a stirrer, a heater and thermometer capable of temperature control, and a filtration system (pump, tube, filter, etc.) The facing surface should be made of a material with acid resistance and chemical resistance such as glass, PTFE, PE, Teflon, etc.

상기 반응 탱크에 바나듐 화합물(V2O5), 황산(H2SO4), 탈이온수(DIW) 및 하이드라진 모노하이드레이트(N2H4·H2O)를 원료 투입구를 통해 투입하고, 투입된 반응 원료는 교반기로 교반하면서 1단계 환원반응을 시작하였다. Vanadium compound (V 2 O 5 ), sulfuric acid (H 2 SO 4 ), deionized water (DIW), and hydrazine monohydrate (N 2 H 4 ·H 2 O) were added to the reaction tank through the raw material input port, and the reaction was introduced The raw material was stirred with a stirrer to start the first-step reduction reaction.

상기 1단계 환원반응이 종료되면 반응물을 여과 수단(Filtration)이 설치된 순환배관을 통과시켜 불순물을 제거하고, 이후 삼산화몰리브데넘(MoO3)을 반응기에 투입한 뒤, 반응 탱크를 둘러싼 자켓식 열교환기(히터기)로 반응물을 가온하여 2단계 환원반응을 진행하였다. When the first-step reduction reaction is completed, the reactant is passed through a circulation pipe equipped with a filtration means (Filtration) to remove impurities, and then molybdenum trioxide (MoO 3 ) is put into the reactor, and then jacketed heat exchange surrounding the reaction tank A two-step reduction reaction was carried out by heating the reactants with a heater (heater).

환원반응 중에 발생되는 수증기, 질소 가스 중 수증기는 냉각시켜 반응기로 회수하고 질소 가스는 외부로 배출할 수 있다. 2단계 환원반응이 끝나면 여과 수단(Filtration)이 설치된 배출배관을 통해 불순물을 재차 제거하고 최종 전해액 생성물(V3.5+ electrolyte product)을 수득하였다. Water vapor generated during the reduction reaction and water vapor in nitrogen gas can be cooled and recovered to the reactor, and nitrogen gas can be discharged to the outside. When the two-step reduction reaction was completed, impurities were again removed through a discharge pipe equipped with filtration, and a final electrolyte product (V 3.5+ electrolyte product) was obtained.

이하 실시예 1의 전해액 제조 단계를 단계별로 구분하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the electrolyte preparation step of Example 1 will be described in detail by dividing the steps.

<실시예 1: 3단계 제조공정 실험> <Example 1: Three-step manufacturing process experiment>

1 단계: 바나듐 원료 및 질소계 환원제의 투입 단계Step 1: Input step of vanadium raw material and nitrogen-based reducing agent

1단계에서는 원료 투입 유량은 크게 고려되지 않지만 원료 투입 순서는 고려할 필요가 있다. In step 1, the input flow rate of raw materials is not considered much, but the order of raw material input needs to be considered.

원료 투입 순서는 교반기의 작동 하에 물 → 바나듐 → 하이드라진 모노하이드레이트의 순서로 반응 탱크(반응기)에 투여하는 방법이 가장 바람직하다. 이 과정에서 물은 일정량 나누어 넣을 수도 있다. 예를 들면, 물의 일부를 하이드라진 모노하이드레이트와 섞어 희석하여 투여하는 방법이 가능하고, 또한 물과 바나듐 화합물을 넣은 뒤 원료 투입구 안쪽에 붙어있는 바나듐 화합물을 처리하기 위해 물을 흘려주어 반응기 안으로 씻어 넣는 방법도 가능하다. 다만, 바나듐 화합물을 넣기 전에 반응기 안에 물이 있는 경우가 바나듐 화합물의 반응기 내 분산에 있어 조금 더 유리할 수 있다. 바나듐 화합물을 넣은 뒤 물을 투입하게 되면 반응기 바닥과 바나듐 화합물-물 경계면 사이에 바나듐 화합물의 고립이 보다 쉽게 발생하게 되고, 고립되어 뭉쳐진 바나듐 화합물은 불필요한 부하를 발생시킬 여지가 있다.As for the order of raw material input, it is most preferable to administer to the reaction tank (reactor) in the order of water → vanadium → hydrazine monohydrate under the operation of the stirrer. A certain amount of water may be added in this process. For example, it is possible to dilute a portion of water with hydrazine monohydrate and administer it. Also, after adding water and a vanadium compound, to treat the vanadium compound attached to the inside of the raw material inlet, a method of flushing it into the reactor by flowing water is also possible However, if there is water in the reactor before adding the vanadium compound, it may be more advantageous in dispersing the vanadium compound in the reactor. When water is added after adding the vanadium compound, the vanadium compound is more easily isolated between the reactor bottom and the vanadium compound-water interface, and the isolated and aggregated vanadium compound may generate unnecessary load.

1 단계에서 가장 바람직하지 못한 배합 방법은 바나듐 화합물과 하이드라진 모노하이드레이트를 바로 섞는 방법이다. 바나듐 화합물과 하이드라진 모노하이드레이트를 섞고 물을 넣은 뒤, 후술하는 2 단계에서 황산을 투여하여 전해액을 만들면, 원재료인 바나듐 화합물의 일부가 황산에 용해되지 않고 침전이 일어나게 된다. 물 없이 두 원료를 섞으면 격렬한 반응 하에 연기와 열이 발생하고, 바나듐 화합물은 검게 변하게 된다. The most undesirable mixing method in step 1 is a method of directly mixing the vanadium compound and hydrazine monohydrate. When a vanadium compound and hydrazine monohydrate are mixed and water is added, and sulfuric acid is administered in step 2 to be described later to make an electrolyte, a part of the vanadium compound, a raw material, is not dissolved in the sulfuric acid, and precipitation occurs. When the two raw materials are mixed without water, smoke and heat are generated under a vigorous reaction, and the vanadium compound turns black.

이와 같은 현상으로부터 유추해 볼 때, 순간적인 반응열에 의해 하이드라진 화합물 일부가 분해되어 황산 투입 이후 환원 기능을 하지 못해 바나듐 화합물의 침전이 발생하는 것으로 추정된다. 이 단계에서 하이드라진 모노하이드레이트는 전체 38.0 g 중 먼저 25.2 g을 투입하였다. 이 투입 과정에서 반응기 내 온도는 10 ℃ 이내로 소폭 상승할 수 있다.Inferred from such a phenomenon, it is estimated that a part of the hydrazine compound is decomposed by the instantaneous heat of reaction, and thus the reduction function is not performed after the sulfuric acid is added, resulting in precipitation of the vanadium compound. In this step, 25.2 g of hydrazine monohydrate was first added out of the total 38.0 g. During this input process, the temperature in the reactor may be slightly increased to within 10 °C.

2 단계: 황산 투입 단계Step 2: Addition of sulfuric acid

2 단계는 상기 1 단계에서 배합된 반응 용액에 발열을 고려하여 황산 투입 유량을 결정할 수 있다. 황산은 천천히 투입되어 용기 벽면에 반응 용액이 가급적 튀지 않도록 하는 것이 좋고, 이때 발열 온도는 110 ℃를 넘기지 않는 것이 바람직하다. 이 과정에서 오픈 리플럭스 콘덴서와 같은 기체 배출 및 포집 장치가 필요하고, 냉각 장치나 히터기(열교환기)와 같은 가열 장치가 추가로 필요할 수 있다In step 2, the sulfuric acid input flow rate may be determined in consideration of exotherm in the reaction solution formulated in step 1. Sulfuric acid is introduced slowly to prevent the reaction solution from splashing on the wall of the container as much as possible, and it is preferable that the exothermic temperature does not exceed 110 °C. In this process, gas evacuation and collection devices such as open reflux condensers are required, and additional heating devices such as cooling devices or heaters (heat exchangers) may be required.

하기 도 1은 황산 유량 240 ml/hr 또는 480 ml/hr 하에 환원제를 사용한 환원반응이 수행되는 시간에 따른 온도 변화를 살펴본 그래프이다. 1 is a graph showing the change in temperature according to time during which a reduction reaction using a reducing agent is performed under a sulfuric acid flow rate of 240 ml/hr or 480 ml/hr.

하기 도 1을 참조하면, 황산 투입 전반부에서는 온도 상승이 가파른 기울기를 보이다가 유량 240 ml/hr의 경우에는 약 25분 무렵의 시점, 그리고 유량 480 ml/hr의 경우에는 약 13분 무렵의 시점에서 각각 온도 하락이 관찰되었다. 전반부에서의 온도 상승은 바나듐 1.6M이 황산 1.6M(약 100ml)에 용해되어 바나듐 5가 이온으로 환원되는 동시에 환원된 바나듐 5가 이온이 하이드라진 모노하이드레이트에 의해 4가 이온으로 변화되는 과정에서 발생하는 발열이 가장 큰 요인이다. 반면, 특정 시점 이후의 온도는 240ml/hr의 경우 약하락, 480ml/hr의 경우 유지가 관찰되었다. 따라서 황산의 유량속도 조절은 반응기 크기, 반응물 양 및 조성뿐만 아니라 반응 지점까지 고려하여 설계하는 것이 바람직하다.1, in the first half of the sulfuric acid input, the temperature rise shows a steep slope, at a time point of about 25 minutes in the case of a flow rate of 240 ml/hr, and at a time point of about 13 minutes in the case of a flow rate of 480 ml/hr Each temperature drop was observed. The temperature rise in the first half occurs when 1.6M of vanadium is dissolved in 1.6M of sulfuric acid (about 100ml) and reduced to vanadium pentavalent ions, while the reduced vanadium pentavalent ions are converted to tetravalent ions by hydrazine monohydrate. Fever is the biggest factor. On the other hand, the temperature after a specific time point was observed to decrease slightly in the case of 240ml/hr and to be maintained in the case of 480ml/hr. Therefore, it is desirable to design the flow rate control of sulfuric acid in consideration of the reactor size, reactant amount and composition as well as the reaction point.

본 실시예에서 전반부는 200 내지 300 ml/h, 바람직하게는 220 내지 260 ml/h, 더욱 바람직하게는 235 내지 245 ml/h로, 후반부는 430 내지 530 ml/h, 바람직하게는 460 내지 500 ml/h, 더욱 바람직하게는 475 내지 485 ml/h로 설정하여 산화환원반응을 수행하였다. 본 실시예에서의 유량 속도는 본 실시예를 구현하기 위한 장비 등의 실험 조건에서의 범위 값이며, 두 구간에서의 유량 제어를 타겟 온도 하에서 실시할 때 가장 바람직할 것이다.In this embodiment, the first half is 200 to 300 ml/h, preferably 220 to 260 ml/h, more preferably 235 to 245 ml/h, and the second half is 430 to 530 ml/h, preferably 460 to 500 ml/h, more preferably 475 to 485 ml/h, and the redox reaction was performed. The flow rate in this embodiment is a range value in experimental conditions such as equipment for implementing this embodiment, and it will be most preferable when the flow rate control in the two sections is performed under the target temperature.

본 실시예에서 실험한 1단계-2단계의 공정(물→ 바나듐 화합물 → 하이드라진 모노하이드레이트 → 황산, 이하 '유량 실시예'라 함)은 물→ 바나듐 화합물 → 황산 → 하이드라진 모노하이드레이트의 순서로 투입하는 방법(이하, '유량 비교예'라 함)에 비해 2가지의 장점을 가진다. The process of step 1 and 2 tested in this example (water → vanadium compound → hydrazine monohydrate → sulfuric acid, hereinafter referred to as the 'flow example') was introduced in the order of water → vanadium compound → sulfuric acid → hydrazine monohydrate. It has two advantages over the method (hereinafter referred to as 'flow rate comparative example').

첫째로 반응시간이 짧고, 둘째로 환원제의 환원 효율이 높다. First, the reaction time is short, and secondly, the reduction efficiency of the reducing agent is high.

만일, 유량 비교예와 같이 물 + 바나듐 화합물에 하이드라진 모노하이드레이트에 앞서 황산을 240 ml/hr의 속도로 50 내지 70 분, 구체적으로는 60 분에 걸쳐 투여한 경우에는 온도가 26 ℃에서 81 ℃로 상승하게 된다. 이어서 하이드라진 모노하이드레이트 25.2 g을 물 100 g에 희석하고 유입속도를 250 ml/hr으로 투입할 경우 약 30 분의 시간이 소요되는데, 최종 온도는 105 ℃로 나타났다. 여기에서 하이드라진 모노하이드레이트는 물 100 중량부에 20 내지 30 중량부를 혼합하여 희석시켜 사용하는 것이 바람직하다.If, as in the flow rate comparative example, sulfuric acid was administered to water + vanadium compound prior to hydrazine monohydrate at a rate of 240 ml/hr for 50 to 70 minutes, specifically 60 minutes, the temperature was increased from 26 ° C to 81 ° C. will rise Then, when 25.2 g of hydrazine monohydrate is diluted in 100 g of water and the inflow rate is 250 ml/hr, it takes about 30 minutes, and the final temperature was 105 °C. Here, hydrazine monohydrate is preferably used by diluting 20 to 30 parts by weight of 100 parts by weight of water.

하이드라진은 상온에서도 순간적으로 5가 이온을 4가 이온으로 환원시키는 것이 가능한 환원력을 지니고 있으며, 하이드라진의 끓는점 114 ℃인 점을 함께 고려하면, 고온에서의 하이드라진 투입은 물에 희석한다 하더라도 결코 공정 제어에 적합하지 않다. 뿐만 아니라, 하이드라진의 소실 가능성을 높여 품질 영향력에도 긍정적 효과를 주기 어렵다. 참고로, 고온에서의 투입이 필요하다면, 유량 비교예와 같이 유량 제어를 통한 희석 하이드라진 원료를 배합하는 방법을 사용할 수 있다.Hydrazine has a reducing power capable of instantaneously reducing pentavalent ions to tetravalent ions even at room temperature, and considering that hydrazine has a boiling point of 114°C, hydrazine input at high temperature is never used in process control even if diluted with water. Inappropriate. In addition, it is difficult to have a positive effect on quality influence by increasing the possibility of hydrazine disappearance. For reference, if input at a high temperature is required, a method of compounding a diluted hydrazine raw material through flow control as in the flow rate comparative example may be used.

한편, 하이드라진 모노하이드레이트를 먼저 넣고 황산을 나중에 넣는 경우, 저온에서부터 하이드라진의 환원이 시작되기 때문에 상대적으로 온도 상승에 대한 부작용이 적고 전체 공정 시간을 단축시킬 수 있다. 즉, 유량 실시예의 투입 순서를 따르면 유량 조절 원료가 황산 1종류인 반면, 유량 비교예의 투입 순서를 따르면 유량 조절 원료가 2종류가 되므로 공정 시간이나 처리에 어려움이 따를 수 있다.On the other hand, when hydrazine monohydrate is added first and sulfuric acid is added later, since the reduction of hydrazine starts from a low temperature, there are relatively few side effects on temperature increase and the overall process time can be shortened. That is, if the flow rate control material is one type of sulfuric acid according to the flow rate example, there are two types of flow rate control material according to the flow rate comparative example, so processing time or processing may be difficult.

하이드라진은 끓는점 114 ℃와는 별개로, 온도가 180 ℃ 이상이 되면 NH3 + NH으로, 온도가 350 ℃ 이상이 되면 N2 + 2H2로 분해되는데, 고온에 하이드라진 모노하이드레이트를 투입할 경우 국소적인 부분에서 발생하는 열에 의해 하이드라진이 환원제 역할을 하지 못한 채 분해될 가능성이 높아진다. 이론적으로는 114℃ 이상의 기상 하이드라진이라 하더라도 소실이 없다면 정상적인 반응이 가능할 수 있겠으나, 실제 공정 측면에서는 소실을 일으킬 여지가 많다. 이러한 부반응 및 소실로 인해 실험적으로는 양론비보다 약 4~7 % 정도의 함량을 투입하여야 유량 비교예에서 3.5가를 맞출 수 있다. 반면, 유량 실시예는 0 내지 3 % 정도의 함량을 소모하면 충분하므로, 유량 비교예에 비해 소실 및 부반응의 문제로부터 극도로 우세하다.Apart from the boiling point of 114 ℃, hydrazine decomposes into NH 3 + NH when the temperature is 180 ℃ or higher, and N 2 + 2H 2 when the temperature is 350 ℃ or more. The possibility of decomposition of hydrazine without acting as a reducing agent increases due to the heat generated in Theoretically, even gaseous hydrazine above 114° C. may have a normal reaction if there is no loss, but there is a lot of room for loss in the actual process. Due to these side reactions and disappearance, experimentally, an amount of about 4 to 7% of the stoichiometric ratio must be added to achieve 3.5 value in the flow rate comparative example. On the other hand, since it is sufficient to consume a content of about 0 to 3% in the flow rate example, it is extremely superior from the problems of loss and side reactions compared to the flow rate comparative example.

2 단계의 종결 시점은 황산 투입이 완료되는 시점일 수도 있고, 110 ℃ 이하에서 2 시간 내로 추가 교반을 실시할 수도 있다.The end time of step 2 may be the time when sulfuric acid input is completed, or additional stirring may be performed at 110° C. or less within 2 hours.

2 단계에서 5가 바나듐 이온의 환원 과정에서 나온 가스 부산물(N2)을 용기 밖으로 내보내고, 기화된 H2O 및 H2SO4는 응축 냉각시켜 반응기 내 머물게 하여 고온 유지(110 ℃ 내외)를 가능하게 하면, 반응 효율을 극대화하면서도 반응기 내 조성의 변화를 막을 수 있는 장점이 있다.In step 2, the gas by-product (N 2 ) from the reduction process of pentavalent vanadium ions is discharged out of the vessel, and the vaporized H 2 O and H 2 SO 4 are condensed and cooled to stay in the reactor to maintain a high temperature (around 110 ℃). This has the advantage of maximizing the reaction efficiency and preventing a change in the composition in the reactor.

3 단계: 3.5가 전해액 제조 단계Step 3: Preparation of the 3.5-valent electrolyte solution

다음으로, 반응기에 산화환원 첨가제로 삼산화몰리브데넘 0.15 g(V2O5 100 중량부 대비 0.1 중량부)을 투입하고 히터기 또는 열교환기를 이용하여 반응기 온도를 110 ℃로 맞추었다. Next, 0.15 g of molybdenum trioxide (0.1 parts by weight relative to 100 parts by weight of V 2 O 5 ) was added to the reactor as a redox additive, and the reactor temperature was adjusted to 110° C. using a heater or a heat exchanger.

이어서 하이드라진 모노하이드레이트 잔량 12.8 g을 반응기에 투입하였다. 반응기 온도가 110 ℃에 이르지 않아도 하이드라진 모노하이드레이트를 첨가할 수 있으나, 80 ℃ 이하, 특히 60 ℃ 이하에서 하이드라진 모노하이드레이트를 4가 전해액에 첨가할 경우, 황산-하이드라진 염을 형성하여 하이드라진의 환원 기능이 저하될 소지가 있다. Then, 12.8 g of the remaining amount of hydrazine monohydrate was added to the reactor. Although hydrazine monohydrate can be added even if the reactor temperature does not reach 110 °C, when hydrazine monohydrate is added to the tetravalent electrolyte solution at 80 °C or less, particularly 60 °C or less, sulfuric acid-hydrazine salt is formed and the reducing function of hydrazine is reduced. may be lowered.

3 단계에서 4가 바나듐 이온의 환원 과정에서 나온 가스 부산물(N2)은 용기 밖으로 내보내고, 기화된 H2O 및 H2SO4는 응축 냉각시켜 반응기 내 머물게 하여 고온 유지(110 ℃ 내외)를 가능하게 하면, 반응 효율을 극대화하면서도 반응기 내 조성의 변화를 막을 수 있는 장점이 있다. 3 단계 공정에 소요되는 시간은 12 시간 이내이다. In step 3, the gas by-product (N 2 ) from the reduction process of tetravalent vanadium ions is discharged out of the vessel, and the vaporized H 2 O and H 2 SO 4 are condensed and cooled to stay in the reactor to maintain a high temperature (around 110 ℃). This has the advantage of maximizing the reaction efficiency and preventing a change in the composition in the reactor. The time required for the three-step process is less than 12 hours.

상기 실시예 1을 3단계로 구분한 것은 단지 설명을 위한 구분이며, 전체적으로는 동일한 반응기 내에서 진행되는 단일 공정이다. 본 실시예에서는 산화환원 첨가제 투입 시점을 3단계에서 진행하고 있으나, 하이드라진 내지 황산 투입 전인 1 단계의 바나듐 투입시 함께 투입할 수도 있다. The division of Example 1 into three steps is for illustrative purposes only, and as a whole is a single process carried out in the same reactor. In this embodiment, although the redox additive is added in step 3, it may be added together when the vanadium is added in step 1 before adding hydrazine or sulfuric acid.

도 1에서는 산화환원 첨가제가 황산 유량에 미치는 영향력을 함께 표시하였으며, 240 ml/hr의 유량속도에서 산화환원 첨가제의 유무에 따른 유의미한 차이는 없다. 이는 하이드라진이 가진 바나듐 5가에 대한 환원력이 너무 강하여 산화환원 첨가제가 촉매로서의 역할을 특별히 수행하지 않거나, 수행하더라도 유의미한 수준의 영향력이 없음을 의미한다. 산화환원 첨가제의 투입시점은 상술한 3단계에 투입할 수 있으나 이에 한정하는 것은 아니며, 1단계 또는 2단계라도 투입 가능하다. 1 shows the effect of the redox additive on the sulfuric acid flow rate, and there is no significant difference depending on the presence or absence of the redox additive at a flow rate of 240 ml/hr. This means that the reducing power of hydrazine to vanadium pentavalent is too strong, so that the redox additive does not particularly play a role as a catalyst, or does not have a significant level of influence even if it does. The input time of the redox additive may be added to the above-described 3 step, but is not limited thereto, and may be added in the 1st or 2nd step.

<실시예 2 내지 5: 산화환원 첨가제 함량변경 실험><Examples 2 to 5: Redox additive content change experiment>

상기 실시예 1에서 사용한 삼산화몰리브데넘 0.15 g(V2O5 100 중량부 대비 0.1 중량부)을 0.30 g(0.2 중량부: 실시예 2), 0.60 g(0.4 중량부: 실시예 3), 1.2 g(0.8 중량부: 실시예 4), 2.4 g(1.6 중량부: 실시예 5)으로 각각 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 실험을 반복하였다. 0.15 g of molybdenum trioxide (0.1 parts by weight relative to 100 parts by weight of V 2 O 5 ) used in Example 1 was added to 0.30 g (0.2 parts by weight: Example 2), 0.60 g (0.4 parts by weight: Example 3), The same experiment as in Example 1 was repeated except that 1.2 g (0.8 parts by weight: Example 4) and 2.4 g (1.6 parts by weight: Example 5) were respectively changed.

<실시예 6: 고품위 원료를 이용한 제조 공정><Example 6: Manufacturing process using high quality raw materials>

상기 실시예 4의 1단계에서 사용한 저품위 바나듐 화합물(순도 99 %)을 고품위 바나듐 화합물(순도 99.9 %)로 대체한 것을 제외하고는 상기 실시예 4와 동일한 실험을 반복하였다. The same experiment as in Example 4 was repeated except that the low-grade vanadium compound (purity 99%) used in step 1 of Example 4 was replaced with a high-grade vanadium compound (purity 99.9%).

<비교예 1: 산화환원 첨가제 미사용-전기분해 제조 공정><Comparative Example 1: No redox additive-electrolysis manufacturing process>

비교예 1의 전기분해를 위한 바나듐 4가 전해액을 제조하는데 필요한재료는 다음과 같다.Materials required for preparing the vanadium tetravalent electrolyte for electrolysis of Comparative Example 1 are as follows.

바나듐 화합물 146 g, 98 % 황산 400 g, 물 775 g, 옥살산 무수물(질소계 환원제를 대체한 유기 환원제) 72.0 g146 g of vanadium compound, 400 g of 98% sulfuric acid, 775 g of water, 72.0 g of oxalic anhydride (organic reducing agent replacing nitrogen-based reducing agent)

반응기에 바나듐 화합물, 옥살산 무수물, 물을 투입하고, 실시예 1에서 설명한 것과 같이 발열을 고려하여 황산을 투입하였다. A vanadium compound, oxalic anhydride, and water were added to the reactor, and sulfuric acid was added in consideration of exotherm as described in Example 1.

황산 투입이 완료된 시점부터 105 ℃에서 추가 교반을 대략 3시간 정도 실시하였다. 환원반응이 종료되면 여과 수단(Filtration)이 설치된 배출배관을 통해 불순물을 제거하고 전기분해 대상의 전해액 생성물(V4+ electrolyte product) 약1 L를 수득하였다. From the time the sulfuric acid was added, additional stirring was performed at 105° C. for about 3 hours. When the reduction reaction was completed, impurities were removed through a discharge pipe equipped with a filtration means, and approximately 1 L of an electrolysis target electrolyte product (V 4+ electrolyte product) was obtained.

수득한 바나듐 4가 화합물은 양극 탱크와 음극 탱크에 330 ml씩 넣고 330 ml는 남겨둔 채 전기분해를 실시하였다. 전기분해는 정전류 모드에서 150 mA/cm2 조건으로 1.8V 전압까지 도달하도록 하여 양극 탱크로부터 5가 바나듐 화합물 300 ml 이상을 수득하였다. 330 ml each of the obtained vanadium tetravalent compound was placed in a positive electrode tank and a negative electrode tank, and electrolysis was performed while leaving 330 ml of the obtained vanadium tetravalent compound. Electrolysis was carried out in a constant current mode to reach a voltage of 1.8V under 150 mA/cm 2 conditions to obtain 300 ml or more of a pentavalent vanadium compound from the anode tank.

전기분해로 수득한 5가 바나듐 화합물 300 ml와, 전기분해하지 않고 남아있는 바나듐 4가 화합물 330 ml 중 300 ml와 합쳐 600 ml의 바나듐 3.5가 전해액을 최종 수득하고 여과 수단을 이용하여 불순물을 다시 제거하였다. 이 과정에서 약간의 산화수가 벗어날 경우 남은 여분의 양으로 조절할 수 있다. 300 ml of the pentavalent vanadium compound obtained by electrolysis and 300 ml of 330 ml of the 330 ml of the vanadium tetravalent compound remaining without electrolysis are combined to obtain 600 ml of a vanadium 3.5-valent electrolyte solution, and impurities are removed again using filtration means did. In this process, if some oxidized water deviate, it can be adjusted with the remaining excess amount.

<비교예 2: 산화환원 첨가제 과량 사용> <Comparative Example 2: Excessive use of redox additives>

상기 실시예 1에서 사용한 삼산화몰리브데넘 0.29 g(V2O5 100 중량부 대비 0.2 중량부)을 15 g(10 중량부)으로 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 실험을 반복하였다. The same experiment as in Example 1 was repeated except that 0.29 g of molybdenum trioxide (0.2 parts by weight relative to 100 parts by weight of V 2 O 5 ) used in Example 1 was changed to 15 g (10 parts by weight). .

<시험예 1: 전지성능 평가시험><Test Example 1: Battery performance evaluation test>

상기 실시예 1 내지 6, 및 비교예 1 내지 2에서 제조된 각 전해액의 성능을 평가하기 위해 하기의 방법으로 성능을 측정하였다. In order to evaluate the performance of each electrolyte prepared in Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 2, the performance was measured in the following manner.

100 mA/cm2의 전류로 전압이 1.60 V에 이를 때까지 정전류 충전하고, 이어서 방전시에 전압이 0.8 V에 이를 때까지 100 mA/cm2의 역 정전류로 방전하였다. 상기와 같은 사이클을 30회 반복한 뒤 그 결과를 정리하여 하기 표 1에 나타내었다. A constant current was charged with a current of 100 mA/cm 2 until the voltage reached 1.60 V, and then discharged with a reverse constant current of 100 mA/cm 2 until the voltage reached 0.8 V during discharging. After repeating the above cycle 30 times, the results are summarized and shown in Table 1 below.

하기 표 1에서, 산화환원 첨가제 함량은 V2O5 100 중량부 대비 MoO3 중량부를 나타내고, 반응소요시간은 황산 투입이 완료된 시점으로부터 산화수 변동이 거의 일어나지 않아 반응종료로 판단한 시점까지 소요된 시간이고, 충전용량, 방전용량, 에너지효율은 각각 30번째 cycle의 값이며, 함량(ppm)은 전해액 내 산화환원 첨가제 MoO3의 주성분인 Mo의 함량을 나타낸다.In Table 1 below, the redox additive content represents 3 parts by weight of MoO relative to 100 parts by weight of V 2 O 5 , and the reaction time is the time taken from the time when sulfuric acid input is completed to the time it is determined that the reaction is complete because the oxidation number hardly does not occur. , charge capacity, discharge capacity, and energy efficiency are the values of the 30th cycle, respectively, and the content (ppm) represents the content of Mo, the main component of the redox additive MoO 3 in the electrolyte.

구분division 실시예1Example 1 실시예2Example 2 실시예3Example 3 실시예4Example 4 실시예5Example 5 실시예6Example 6 비교예1Comparative Example 1 비교예2Comparative Example 2 산화환원 첨가제
(중량부)
Redox additive
(parts by weight)
0.10.1 0.20.2 0.40.4 0.80.8 1.61.6 0.80.8 -- 1010
원료 순도Raw material purity 저품위low quality 저품위low quality 저품위low quality 저품위low quality 저품위low quality 고품위high quality 저품위low quality 저품위low quality 반응소요
시간(hr)
reaction required
time (hr)
1212 1010 88 6.56.5 5.55.5 6.56.5 -- 1.51.5
최종
산화수
final
oxidation number
3.5033.503 3.4983.498 3.5003.500 3.5013.501 3.5003.500 3.4993.499 3.5013.501 3.5013.501
충전 용량 (Ah)Charge capacity (Ah) 2.302.30 2.312.31 2.242.24 2.312.31 2.162.16 2.342.34 2.162.16 1.711.71 방전 용량 (Ah)Discharge capacity (Ah) 2.222.22 2.222.22 2.152.15 2.212.21 2.082.08 2.252.25 2.082.08 1.641.64 에너지효율(%)Energy efficiency (%) 80.7280.72 81.0881.08 80.7480.74 80.5780.57 78.5578.55 80.7280.72 79.5679.56 79.8179.81 함량(ppm)Content (ppm) 71.071.0 134.2134.2 271.6271.6 538.5538.5 1118.41118.4 532.2532.2 -- 5974.25974.2

상기 표 1 및 하기 도 3에 나타낸 바와 같이, 산화환원 첨가제 투입량은 전해액 제조 도중 최종 산화수에 영향주지 않았으며, 이로부터 환원량에 관여하지 않으면서 반응속도에만 영향을 끼치는 것을 확인하였다. As shown in Table 1 and FIG. 3 below, it was confirmed that the amount of the redox additive input did not affect the final oxidation number during the preparation of the electrolyte, and only affected the reaction rate without being involved in the reduction amount.

상기 표 1 및 하기 도 2에 나타낸 바와 같이, 환원반응의 소요시간은 산화환원 첨가제 함량과 전술한 수학식 1-1과 같은 비율적 음의 상관관계를 보이는 것을 확인할 수 있었다.As shown in Table 1 and FIG. 2 below, it was confirmed that the time required for the reduction reaction showed a proportional negative correlation with the redox additive content as shown in Equation 1-1 above.

상기 표 1 내 실시예 4 및 6에서 보듯이, 저품위 바나듐 화합물로 제조한 것과 고품위 바나듐 화합물로 제조한 전해액의 성능 차이는 뚜렷하게 구별되지 않음을 알 수 있다. As shown in Examples 4 and 6 in Table 1, it can be seen that the performance difference between the electrolyte prepared with the low-grade vanadium compound and the electrolyte prepared with the high-grade vanadium compound is not clearly distinguished.

상기 표 1 내 실시예 1 내지 6, 및 비교예 1에서 보듯이, 전기분해로 제조한 전해액 대비 본 발명의 공정에 따라 제조한 전해액의 성능이 우위에 있음을 확인할 수 있으며, 이를 도 4 내지 6에서 확인하였다.As shown in Examples 1 to 6 and Comparative Example 1 in Table 1, it can be seen that the performance of the electrolyte prepared according to the process of the present invention is superior to that of the electrolyte prepared by electrolysis, which is shown in FIGS. 4 to 6 was confirmed in

상기 표 1 내 실시예 5 및 비교예 2에서 보듯이, 산화환원 첨가제가 적정량을 넘어 투입되면 반응속도는 약간 개선될 수 있으나 전해액 성능이 감소되는 것을 확인할 수 있다. 본 실시예들에 의하면 산화환원 첨가제가 10 중량부 수준에서 탁월한 성능 저하가 있음을 확인할 수 있으며, 이를 도 4 내지 6에서 확인하였다. As shown in Example 5 and Comparative Example 2 in Table 1, when the redox additive is added in excess of an appropriate amount, the reaction rate may be slightly improved, but it can be seen that the electrolyte performance is reduced. According to the present examples, it can be confirmed that the redox additive has excellent performance degradation at the level of 10 parts by weight, which was confirmed in FIGS. 4 to 6 .

상기 표 1에 나타낸 것과 같이, 에너지 효율은 비교예 1의 결과를 포함하여 산화환원 첨가제 투입량에 따른 변화가 비교적 미미한 것을 확인하였다. As shown in Table 1, it was confirmed that the change in energy efficiency according to the amount of the redox additive, including the results of Comparative Example 1, was relatively insignificant.

<시험예 2 : 실시예 1 내지 6에 대한 수학식 1 확인시험><Test Example 2: Equation 1 confirmation test for Examples 1 to 6>

본 기재에서 수학식 1은 상기 실시예 1 내지 6의 값을 대입하여 하기 수학식 1-1과 같이 구체화할 수 있다.In the present description, Equation 1 can be embodied as Equation 1-1 below by substituting the values of Examples 1 to 6.

[수학식 1-1] tR = -2.233ln(Ma/Mv) - 3.8086, (R2=0.9925)[Equation 1-1] t R = -2.233ln(Ma/Mv) - 3.8086, (R 2 =0.9925)

상기 수학식 1-1은 실시예 1에서의 산화환원 첨가제와 반응속도 관계가 비율적 음의 상관관계로서 아레니우스 식을 따른 것으로, 도 2에서 확인하였다. 즉, 상기 수학식 1-1을 이용하여 원료, 조성, 공정조건의 변수로부터 산화환원 첨가제의 양을 결정하여 공정 시간을 제어할 수 있다.In Equation 1-1, the relationship between the redox additive and the reaction rate in Example 1 is a proportional negative correlation, and it follows the Arrhenius equation, and is confirmed in FIG. 2 . That is, the process time can be controlled by determining the amount of the redox additive from the variables of the raw material, composition, and process condition using Equation 1-1.

<시험예 3: 산화환원 첨가제 및 기타 첨가제 병용시험><Test Example 3: Redox additive and other additive combination test>

시험예 3에서는 전해액 온도 안정성을 위해 투입하는 것으로 공지된 H3PO4를 첨가하고 산화환원 첨가제와의 상호 영향력을 확인하였다. In Test Example 3, H 3 PO 4 known to be added for electrolyte temperature stability was added, and the mutual influence with the redox additive was confirmed.

구체적으로, 상기 실시예 3과 동일한 방법으로 산화환원 첨가제를 사용한 전해액 샘플을 준비한 다음 전기분해하여 참고예 1a 내지 4a의 5가 전해액을 준비하였다. Specifically, electrolyte samples using redox additives were prepared in the same manner as in Example 3, and then electrolyzed to prepare pentavalent electrolytes of Reference Examples 1a to 4a.

상기 비교예 1과 동일한 방법으로 전해액 샘플을 준비하여 참고예 1b 내지 4b의 5가 전해액을 준비하다. By preparing an electrolyte sample in the same manner as in Comparative Example 1, the pentavalent electrolyte of Reference Examples 1b to 4b was prepared.

수득된 참고예 1a 내지 4b의 8종 전해액에서 50 ℃ 하에 바나듐 이온의 석출 경과를 관찰하였으며, 결과를 하기 표 2에 나타내었다.Precipitation of vanadium ions was observed at 50° C. in the obtained 8 electrolyte solutions of Reference Examples 1a to 4b, and the results are shown in Table 2 below.

구분division 참고예1aReference Example 1a 참고예1bReference Example 1b 참고예2aReference Example 2a 참고예2bReference Example 2b 참고예3aReference Example 3a 참고예3bReference example 3b 참고예4aReference Example 4a 참고예4bReference Example 4b 첨가제additive H3PO4 H 3 PO 4 H3PO4 H 3 PO 4 H3PO4 H 3 PO 4 H3PO4 H 3 PO 4 H3PO4 H 3 PO 4 H3PO4 H 3 PO 4 H3PO4 H 3 PO 4 H3PO4 H 3 PO 4 V2O5대비
첨가제량
V 2 O 5 contrast
additive amount
3중량부3 parts by weight 3중량부3 parts by weight 6중량부6 parts by weight 6중량부6 parts by weight 9중량부9 parts by weight 9중량부9 parts by weight 12중량부12 parts by weight 12중량부12 parts by weight
산화수oxidation number 3.5013.501 3.5003.500 3.5003.500 3.5023.502 3.5013.501 3.4993.499 3.4993.499 3.5003.500 산화환원 첨가제량Redox additive amount 0.4중량부0.4 parts by weight 전기분해electrolysis 0.4중량부0.4 parts by weight 전기분해electrolysis 0.4중량부0.4 parts by weight 전기분해electrolysis 0.4중량부0.4 parts by weight 전기분해electrolysis 반응소요시간reaction time 8h8h 전기분해electrolysis 8h8h 전기분해electrolysis 8h8h 전기분해electrolysis 8h8h 전기분해electrolysis 5가이온
석출시간
(50℃)
pentaion
precipitation time
(50℃)
~110h~110h ~110h~110h ~180h~180h ~180h~180h ~250h~250h ~250h~250h ~320h~320h ~320h~320h

상기 표 2의 참고예 1a 내지 4b에서 확인할 수 있듯이, 산화환원 첨가제와 H3PO4 첨가제는 서로 영향을 주지 않는 것을 알 수 있다. 이러한 상호 관계는 H3PO4 첨가제에만 국한되지 않는다.As can be seen in Reference Examples 1a to 4b of Table 2, it can be seen that the redox additive and the H 3 PO 4 additive do not affect each other. This correlation is not limited to the H 3 PO 4 additive.

따라서, 본 발명의 실시예들에 따른 산화환원 첨가제, 이를 포함하는 전해액은 단축된 반응 시간 하에 반응하여 고품질의 성능을 제공함으로써 신재생에너지, 스마트그리드, 전력발전소 등 바나듐 레독스 플로우 전지가 사용되는 모든 분야에 응용될 수 있다.Therefore, the redox additive according to the embodiments of the present invention, and the electrolyte containing the same, react under a shortened reaction time to provide high-quality performance, so that a vanadium redox flow battery such as a new renewable energy, a smart grid, or a power plant is used. It can be applied in all fields.

Claims (17)

바나듐 화합물로서, 5가 바나듐 화합물을 4가 바나듐 화합물로 환원시키는 제1 단계; 및 상기 4가 바나듐 화합물을 3.3 내지 3.7가 바나듐 화합물로 환원시키는 제2 단계를 포함하되,
상기 제1 단계와 상기 제2 단계 중 적어도 하나에 산화환원 첨가제를 투입하며,
상기 산화환원 첨가제는 상기 제1 단계에서 바나듐 화합물을 환원시키는데 사용되는 질소계 환원제보다 환원력이 낮은 물질인 것을 특징으로 하는 바나듐 전해액 제조방법.
A first step of reducing a pentavalent vanadium compound to a tetravalent vanadium compound as a vanadium compound; and a second step of reducing the tetravalent vanadium compound to a 3.3 to 3.7 vanadium compound,
adding a redox additive to at least one of the first step and the second step,
The redox additive is a vanadium electrolyte manufacturing method, characterized in that the reducing power is lower than the nitrogen-based reducing agent used to reduce the vanadium compound in the first step.
제1항에 있어서,
상기 제1 단계는 ⅰ) 5가 바나듐 화합물과 물을 투입하는 단계, ⅱ) 질소계 환원제를 투입하는 단계, 및 ⅲ) 황산을 투입하는 단계를 순차적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 바나듐 전해액 제조방법.
According to claim 1,
The first step comprises sequentially i) adding a pentavalent vanadium compound and water, ii) adding a nitrogen-based reducing agent, and iii) adding sulfuric acid.
제2항에 있어서,
상기 산화환원 첨가제는, 상기 제1 단계에서 상기 황산과 탈수반응하여 수용액을 형성한 다음 자체 환원되면서 상기 질소계 환원제를 산화시켜 질소 기체를 발생시키는 것을 특징으로 하는 바나듐 전해액의 제조방법.
3. The method of claim 2,
The redox additive is a method for producing a vanadium electrolyte, characterized in that the dehydration reaction with the sulfuric acid in the first step to form an aqueous solution and then oxidize the nitrogen-based reducing agent while reducing itself to generate nitrogen gas.
제3항에 있어서,
상기 산화환원 첨가제는 황산과의 탈수 반응된 수용액 상태로 상기 제2 단계에서 상기 4가 바나듐 화합물을 환원시키는데 사용되는 것을 특징으로 하는 바나듐 전해액 제조방법.
4. The method of claim 3,
The redox additive is used to reduce the tetravalent vanadium compound in the second step in a dehydrated aqueous solution state with sulfuric acid.
제1항에 있어서,
상기 산화환원 첨가제는 몰리브데넘 금속, 산화몰리브데넘(MoxOy), 질화몰리브데넘(MoxNy), 염화몰리브데넘(MoxCly), 황화몰리브데넘(MoxSy), 인화몰리브데넘(MoxPy), 탄화몰리브데넘(MoxCy), 몰리브데넘 금속 산화물(MoxMyOz), 몰리브데넘 금속 질화물(MoxMyNz), 몰리브데넘 금속 염화물(MoxMyClz), 몰리브데넘 금속 황화물(MoxMySz), 몰리브데넘 금속 인화물(MoxMyPz) 및 몰리브데넘 금속 탄화물(MoxMyCz) 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 바나듐 전해액 제조방법.
According to claim 1,
The redox additive is molybdenum metal, molybdenum oxide (MoxOy), molybdenum nitride (MoxNy), molybdenum chloride (MoxCly), molybdenum sulfide (MoxSy), molybdenum phosphide (MoxPy), Molybdenum Carbide (MoxCy), Molybdenum Metal Oxide (MoxMyOz), Molybdenum Metal Nitride (MoxMyNz), Molybdenum Metal Chloride (MoxMyClz), Molybdenum Metal Sulfide (MoxMySz), Molybdenum Metal Phosphide ( MoxMyPz) and molybdenum metal carbide (MoxMyCz) vanadium electrolyte manufacturing method, characterized in that at least one selected from the group consisting of.
제5항에 있어서,
상기 산화환원 첨가제의 금속은 Al, As, Ba, Ca, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Ga, K, Mg, Mn, Na, Ni, Pb, Si, Sn, Ti, Zn, Au, Ag, Pt, Ru, Pd, Li, Ir, W, Nb, Zr, Ta, Ge, 및 In 중에서 선택된 종 또는 복수의 종이 합금을 이룬 금속일 수 있고, 상기 x와 y(x/y) 또는 x,y 및 z(x/y/z)는 서로 독립적으로 0 내지 1의 정수인 것을 특징으로 하는 바나듐 전해액 제조방법.
6. The method of claim 5,
The metal of the redox additive is Al, As, Ba, Ca, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Ga, K, Mg, Mn, Na, Ni, Pb, Si, Sn, Ti, Zn, Au, Ag , Pt, Ru, Pd, Li, Ir, W, Nb, Zr, Ta, Ge, and a species or a plurality of species selected from In may be a metal forming an alloy, wherein x and y (x / y) or x, y and z (x/y/z) are each independently an integer of 0 to 1.
제1항에 있어서,
상기 산화환원 첨가제는 상기 5가 바나듐 화합물 100 중량부 기준으로 0.1 내지 1.6 중량부로 포함하는 것을 특징으로 하는 바나듐 전해액 제조방법.
According to claim 1,
The redox additive is a vanadium electrolyte preparation method, characterized in that it comprises 0.1 to 1.6 parts by weight based on 100 parts by weight of the pentavalent vanadium compound.
제1항에 있어서,
상기 질소계 환원제는 상기 바나듐 화합물 100 중량부 기준으로 10 내지 35 중량부로 포함하는 것을 특징으로 하는 바나듐 전해액 제조방법.
According to claim 1,
The nitrogen-based reducing agent is a method for producing a vanadium electrolyte, characterized in that it comprises 10 to 35 parts by weight based on 100 parts by weight of the vanadium compound.
제1항에 있어서,
상기 5가 바나듐 화합물 및 질소계 환원제의 몰 농도(M; mol/L)의 비는 1 : 0.1 내지 1.6인 것을 특징으로 하는 바나듐 전해액 제조방법.
According to claim 1,
A method for producing a vanadium electrolyte, characterized in that the ratio of the molar concentration (M; mol/L) of the pentavalent vanadium compound and the nitrogen-based reducing agent is 1:0.1 to 1.6.
제1항에 있어서,
상기 제2 단계는 70 내지 120 ℃ 하에 수행하는 것을 특징으로 하는 바나듐 전해액 제조방법.
According to claim 1,
The second step is a method for producing a vanadium electrolyte, characterized in that it is carried out at 70 to 120 ℃.
제1항에 있어서,
상기 5가 바나듐 화합물은 순도 90 % 이상, 99.9 % 미만의 저품위 화합물이거나, 순도 99.9 % 이상의 고품위 화합물인 것을 특징으로 하는 바나듐 전해액 제조방법.
According to claim 1,
The pentavalent vanadium compound is a low-grade compound having a purity of 90% or more and less than 99.9%, or a high-grade compound having a purity of 99.9% or more.
제1항에 있어서,
상기 제1 단계 이후 또는 제2 단계 이후에 여과하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바나듐 전해액 제조방법.
According to claim 1,
Method for producing a vanadium electrolyte, characterized in that it comprises the step of filtering after the first step or after the second step.
(A)용매에 5가 바나듐 화합물을 투입한 다음 질소계 환원제를 투입하여 반응 혼합물을 제조하는 단계;
(B)상기 반응 혼합물에 황산과 산화환원 첨가제를 투입하여 탈수 반응을 수행하면서 상기 5가 바나듐 화합물을 4가 바나듐 화합물로 환원시키는 단계;
(C)상기 탈수 반응물이 상기 질소계 환원제를 산화시켜 질소 기체를 생성하면서 자체 환원물을 생성하는 단계; 및
(D)상기 반응물을 가온하여 상기 자체 환원물이 산화되면서 상기 4가 바나듐 화합물을 3.3 내지 3.7가 바나듐 화합물로 환원시키는 단계; 를 포함하며,
상기 질소계 환원제는 상기 (A) 단계에 전량 투입하거나 혹은 (A) 단계와 (D) 단계에 분할 투입하는 것을 특징으로 하는 바나듐 전해액의 제조방법.
(A) preparing a reaction mixture by adding a pentavalent vanadium compound to a solvent and then adding a nitrogen-based reducing agent;
(B) reducing the pentavalent vanadium compound to a tetravalent vanadium compound while performing a dehydration reaction by adding sulfuric acid and a redox additive to the reaction mixture;
(C) generating a self-reduced product while the dehydration reactant oxidizes the nitrogen-based reducing agent to generate nitrogen gas; and
(D) reducing the tetravalent vanadium compound to a 3.3 to 3.7 vanadium compound while the self-reduced product is oxidized by heating the reactant; includes,
The nitrogen-based reducing agent is a method for producing a vanadium electrolyte, characterized in that the total amount is added to the step (A) or divided into steps (A) and (D).
제13항에 있어서,
상기 산화환원 첨가제는 황산과의 탈수 반응에 의한 수용액 상태로 반응에 참여하여 산화환원 첨가제 유래 부산물이 생성되지 않는 것을 특징으로 하는 바나듐 전해액의 제조방법
14. The method of claim 13,
The redox additive participates in the reaction in an aqueous solution state by dehydration reaction with sulfuric acid, so that by-products derived from the redox additive are not produced.
제13항에 있어서,
상기 (D) 단계는 70 내지 120 ℃의 반응 온도와 산화환원 첨가제의 투입량을 하기 수학식 1에 대입하여 계산된 바나듐 화합물의 환원반응시간을 적용하여 수행하는 것을 특징으로 하는 바나듐 전해액 제조방법.
[수학식 1]
tR = Aln(Ma/Mv)+ B
(여기서, tR은 반응시간(min)이고, A는 속도상수, B는 농도상수, Ma는 산화환원 첨가제의 투입량(g), Mv는 바나듐 화합물의 투입량(g)이다)
14. The method of claim 13,
Step (D) is performed by applying the reduction reaction time of the vanadium compound calculated by substituting the reaction temperature of 70 to 120° C. and the input amount of the redox additive into Equation 1 below.
[Equation 1]
t R = Aln(Ma/Mv)+B
(Where t R is the reaction time (min), A is the rate constant, B is the concentration constant, Ma is the input amount of the redox additive (g), and Mv is the input amount (g) of the vanadium compound)
제1항 내지 제15항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 바나듐 전해액. A vanadium electrolyte solution prepared by the method of any one of claims 1 to 15. 제16항의 바나듐 전해액을 포함하는 레독스 플로우 전지.A redox flow battery comprising the vanadium electrolyte of claim 16 .
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