KR20220146891A - PBI-based membrane doped with a sulfur-containing acid solution having improved performance, preparation method thereof and use thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 성능이 개선된 황 함유 산 도핑된 PBI 기반 멤브레인, 이의 제조방법 및 이의 용도에 관한 것이다.The present invention relates to a sulfur-containing acid doped PBI-based membrane with improved performance, a method for preparing the same and a use thereof.
화석연료의 고갈과 환경오염에 대한 문제를 해결하기 위하여 사용효율을 향상시킴으로써 화석연료를 절약하거나 재생가능한 에너지를 보다 많은 분야에 적용하고자 하는 노력이 이루어지고 있다. 태양열 및 풍력과 같은 재생가능한 에너지원은 이전보다 더 많이 효율적으로 사용되고 있으나, 이들 에너지원은 간헐적이며 예측 불가능하다. 이러한 특성으로 인해 이들 에너지원에 대한 의존도가 제한되며, 현재 일차전력원 중 재생에너지원이 차지하는 비율은 매우 낮다.Efforts are being made to save fossil fuels or apply renewable energy to more fields by improving the efficiency of use in order to solve the problems of depletion of fossil fuels and environmental pollution. Renewable energy sources such as solar and wind are being used more efficiently than ever before, but these energy sources are intermittent and unpredictable. Due to these characteristics, dependence on these energy sources is limited, and the proportion of renewable energy sources among the current primary power sources is very low.
재충전 가능한 전지(rechargeable battery)는 단순하고 효율적인 전기 저장 방법을 제공하므로 이를 소형화하여 이동성을 높여 간헐적 보조 전원이나 랩탑, 태블릿 PC, 휴대전화 등의 소형가전의 전원으로 활용하고자하는 노력이 지속되고 있다.Rechargeable batteries provide a simple and efficient method of storing electricity, so efforts are being made to miniaturize them and increase their mobility to use them as intermittent auxiliary power sources or as power sources for small home appliances such as laptops, tablet PCs, and mobile phones.
레독스 흐름 전지(RFB; Redox Flow Battery)는 전해질의 전기화학적인 가역반응에 의한 충전과 방전을 반복하여 에너지를 장기간 저장하여 사용할 수 있는 2차전지이다. 전지의 용량과 출력 특성을 각각 좌우하는 스택과 전해질 탱크가 서로 독립적으로 구성되어 있어 전지 설계가 자유로우며 설치 공간 제약도 적다.A redox flow battery (RFB) is a secondary battery that can store and use energy for a long time by repeating charging and discharging by an electrochemical reversible reaction of an electrolyte. The stack and the electrolyte tank, which determine the capacity and output characteristics of the battery, are configured independently of each other, so the design of the battery is free and the installation space is small.
또 레독스 흐름 전지는 발전소나 전력계통, 건물에 설치해 급격한 전력수요 증가에 대응할 수 있는 부하 평준화 기능, 정전이나 순간저전압을 보상하거나 억제하는 기능 등을 가지고 있으며 필요에 따라 자유롭게 조합할 수 있는 매우 효율적인 에너지저장 기술이며 대규모 에너지저장에 적합한 시스템이다.In addition, the redox flow battery has a load leveling function that can respond to a sudden increase in power demand by installing it in a power plant, power system, or building, and a function to compensate or suppress power failure or instantaneous low voltage. It is an energy storage technology and is a system suitable for large-scale energy storage.
이러한 레독스 흐름 전지는 두 종류의 전해질 용액을 포함한다. 하나는 애노드 전극반응에서 활성 물질을 저장하며 다른 하나는 캐소드 전극반응에 사용된다. 실제 레독스 흐름 전지에서 전해질 반응은 캐소드와 애노드에서 서로 상이하며 전해질액 흐름현상이 존재하므로 캐소드쪽과 애노드쪽에서 압력차가 발생한다. 대표적인 레독스 흐름 전지인 전바나듐계 레독스 흐름 전지에서 양극 및 음극 전해질의 반응은 하기와 같다.These redox flow batteries include two types of electrolyte solutions. One stores the active material in the anode reaction and the other is used in the cathode reaction. In an actual redox flow battery, the electrolyte reaction is different between the cathode and the anode, and since the electrolyte solution flow phenomenon exists, a pressure difference occurs between the cathode side and the anode side. The reaction of the positive and negative electrolytes in the all-vanadium-based redox flow battery, which is a representative redox flow battery, is as follows.
따라서, 양 전극에서의 압력차를 극복하고 충전과 방전을 반복하여도 우수한 전지성능을 나타내기 위해서는 물리적 화학적 내구성이 우수한 분리막을 필요로 한다. 그러나, 물리적 내구성을 향상시키기 위하여 분리막의 두께를 증가시키는 경우 이로 인한 저항이 증가하게 되는 단점이 있다.Therefore, in order to overcome the pressure difference at both electrodes and to exhibit excellent battery performance even after repeated charging and discharging, a separator having excellent physical and chemical durability is required. However, when the thickness of the separator is increased in order to improve physical durability, there is a disadvantage in that resistance is increased due to this.
대용량 에너지 저장 기술의 하나로서, 바나듐 레독스 흐름 전지(vanadium redox flow battery; VRFB)는 높은 안정성, 긴 사용주기(long life cycle), 높은 가성비, 유연한 디자인, 높은 반응 속도, 적은 환경 손상 등의 장점을 가지므로, 시장의 인정을 받고 있으며, 대용량 전기화학적 에너지 저장 기술로서 우선적으로 선택되고 있다. 분리막은 상기 흐름 전지에서 주요 구성요소의 하나로서, 1) 애노드 전해질 용액과 캐소드 전해질 용액을 분리하여 전해질 용액의 크로스오버(crossover)를 차단하며; 2) 양성자(proton)를 전달하는 역할을 한다. 이러한 분리막의 성능은 전환 에너지 저장 효율 및 전지 수명에 직접적으로 연관된다. 현재 상업화된 멤브레인은 주로 퍼플루오로술폰산 수지, 예컨대, 나피온(Nafion) 기반의 양성자 교환 멤브레인이며, 이는 높은 양성자 전도성 및 우수한 화학적 안정성을 가지나 높은 친수성-소수성 상분리로 인해 바나듐 이온의 크로스오버가 높다. 따라서, 전지의 쿨롱 효율(coulomb effect)이 감소하고, 이는 장기안정성에 악영향을 미칠 수 있다. 나피온과 비교하여, 술폰화된 탄화수소 멤브레인(예컨대, 술폰화된 폴리스타이렌, 술폰화된 폴리에테르술폰, 술폰화된 폴리에테르케톤, 술폰화된 폴리이민 등)은 일반적으로 낮은 비용, 우수한 열 저항성, 높은 기계적 강도, 낮은 바나듐 이온 크로스오버 등의 장점을 가지나, 대부분의 술폰화된 탄화수소 멤브레인은 주쇄에 에테르기(ether)를 포함하기 때문에 5가 바나듐 이온(VO2 +)에 의해 쉽게 분해(degradation)될 수 있다. 따라서 상기 언급된 탄화수소계열의 멤브레인들은 나피온에 비해 훨씬 더 열악한 화학적 안정성을 가지므로, 전지의 수명(service life)이 짧고 실제 사용을 위한 요구를 만족시킬 수 없다.As one of the large-capacity energy storage technologies, the vanadium redox flow battery (VRFB) has high stability, long life cycle, high cost-effectiveness, flexible design, high reaction rate, and low environmental damage. Because of its advantages, it has been recognized by the market and is preferentially selected as a large-capacity electrochemical energy storage technology. The separator is one of the main components in the flow battery, and 1) separates the anode electrolyte solution and the cathode electrolyte solution to block crossover of the electrolyte solution; 2) It plays a role in transferring protons. The performance of these separators is directly related to conversion energy storage efficiency and battery life. Currently commercialized membranes are mainly proton exchange membranes based on perfluorosulfonic acid resins, such as Nafion, which have high proton conductivity and good chemical stability, but high crossover of vanadium ions due to high hydrophilic-hydrophobic phase separation. . Accordingly, the coulomb effect of the battery is reduced, which may adversely affect long-term stability. Compared to Nafion, sulfonated hydrocarbon membranes (e.g., sulfonated polystyrene, sulfonated polyethersulfone, sulfonated polyetherketone, sulfonated polyimine, etc.) generally have low cost, good heat resistance, Although it has advantages such as high mechanical strength and low vanadium ion crossover, most sulfonated hydrocarbon membranes contain ether groups in the main chain, so they are easily degraded by pentavalent vanadium ions (VO 2 + ). can be Therefore, since the above-mentioned hydrocarbon-based membranes have much poorer chemical stability than Nafion, the service life of the battery is short and cannot satisfy the requirements for practical use.
한편 폴리벤즈이미다졸(polybenzimidazole; PBI)은 방향족 헤테로고리형 고분자이며, 에테르기를 포함하지 않으므로 대부분의 탄화수소 고분자에 비해 우수한 화학적 안정성을 갖는다. 또한, PBI 멤브레인은 이온 전도성을 갖지 않지만, 이미다졸 고리의 양성자성 NH 그룹은 KOH 등의 염기에 의해 탈양성자화될 수 있고, 이미다졸 고리의 염기성 N 그룹은 황산(sulfuric acid; SA) 또는 인산(phosphoric acid; PA) 등의 산에 의해 양성자화될 수 있으므로, 산 또는 염기에 침지시켜 전도성을 띄도록 할 수 있다. 이에 따라 최근 PBI는 바나듐 레독스 흐름 전지(vanadium redox flow battery; VRFB)를 위한 새로운 소재로 대두되고 있다(Journal of Electrochemical Energy Conversion and Storage, 2018, 15, article 010801). 그러나 여전히 전도도는 Nafion의 전도도(문헌상 50-70 mS/cm 정도)에 비해 훨씬 더 낮은 수준에 머무르고 있다.Meanwhile, polybenzimidazole (PBI) is an aromatic heterocyclic polymer and has excellent chemical stability compared to most hydrocarbon polymers because it does not contain an ether group. In addition, although PBI membranes do not have ion conductivity, the protic NH group of the imidazole ring can be deprotonated by a base such as KOH, and the basic N group of the imidazole ring is formed with sulfuric acid (SA) or phosphoric acid. Since it can be protonated by an acid such as (phosphoric acid; PA), it can be immersed in an acid or a base to make it conductive. Accordingly, PBI is recently emerging as a new material for a vanadium redox flow battery (VRFB) (Journal of Electrochemical Energy Conversion and Storage, 2018, 15, article 010801). However, the conductivity is still much lower than that of Nafion (50-70 mS/cm in literature).
종합적으로, 멤브레인이 충분히 팽윤(swelling)되면 양성자 전도도가 증가하는 반면, 바나듐 이온의 크로스오버도 동시에 증가하게 되므로 이를 조절할 필요가 있다.Overall, when the membrane is sufficiently swollen, the proton conductivity increases, while the crossover of vanadium ions also increases, so it is necessary to control it.
본 발명자들은 바나듐 레독스 흐름 전지에 적용 가능한 멤브레인을 제조할 수 있는 방법을 개발하고자 예의 연구 노력한 결과, 고농도의 황 함유 산 용액 예컨대, 황산 용액으로 선처리 후 전지의 전해질 용액과 유사한 농도의 황 함유 산 용액으로 평형화하여 제조된 황 함유 산 도핑된 PBI 멤브레인이 증가된 양성자 전도도 및 향상된 이온 선택도를 나타내는 우수한 성능을 발휘함을 확인하고 본 발명을 완성하였다.As a result of intensive research efforts to develop a method for manufacturing a membrane applicable to a vanadium redox flow battery, the present inventors have prepared a sulfur-containing acid with a concentration similar to that of the electrolyte solution of the battery after pretreatment with a high-concentration sulfur-containing acid solution, for example, a sulfuric acid solution. The present invention was completed by confirming that the sulfur-containing acid-doped PBI membrane prepared by equilibration with a solution exhibited excellent performance showing increased proton conductivity and improved ion selectivity.
본 발명에서 개시되는 각각의 설명 및 실시형태는 각각의 다른 설명 및 실시 형태에도 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에서 개시된 다양한 요소들의 모든 조합이 본 발명의 범주에 속한다. 또한, 하기 기술되는 구체적인 서술에 의하여 본 발명의 범주가 제한된다고 할 수 없다.Each description and embodiment disclosed in the present invention is also applicable to each other description and embodiment. That is, all combinations of the various elements disclosed herein fall within the scope of the present invention. In addition, it cannot be said that the scope of the present invention is limited by the specific descriptions described below.
또한, 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 통상의 실험만을 사용하여 본 발명에 기재된 본 발명의 특정 양태에 대한 다수의 등가물을 인지하거나 확인할 수 있다. 또한, 이러한 등가물은 본 발명에 포함되는 것으로 의도된다.In addition, those skilled in the art will recognize, or be able to ascertain using no more than routine experimentation, many equivalents to the specific embodiments of the invention described herein. Also, such equivalents are intended to be encompassed by the present invention.
아울러, 본 발명의 명세서 전체에 있어서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.In addition, throughout the specification of the present invention, when a part "includes" a certain component, it does not exclude other components unless otherwise stated, but may further include other components. it means.
이하, 본 발명을 보다 자세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
상기 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 제1양태는 폴리벤즈이미다졸(polybenzimidazole; PBI)-기반 고분자 멤브레인을 1 M 내지 17 M 농도의 황 함유 제1산용액으로 선도핑하는 제1단계; 및 상기 선도핑된 멤브레인을 상기 황 함유 제1산용액보다 낮은 농도의 황 함유 제2산용액에서 평형화하는 제2단계;를 포함하는, 황 함유 산 도핑된 PBI 멤브레인의 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above object, a first aspect of the present invention is a first step of doping a polybenzimidazole (PBI)-based polymer membrane with a sulfur-containing first acid solution having a concentration of 1 M to 17 M; and a second step of equilibrating the pre-doped membrane in a sulfur-containing second acid solution having a concentration lower than that of the sulfur-containing first acid solution.
본 발명은 바나듐 레독스 흐름전지(vanadium redox flow battery; VRFB)에 사용 가능하도록 PBI에 산을 도핑하여 개선된 성능의 PBI-기반 멤브레인을 개발하고자 고안된 것으로, 소정의 시간 동안 고농도의 황 함유 산 용액, 예컨대, 황산 용액으로 선처리한 후 전지의 전해질과 유사한 농도, 예컨대, 레독스 흐름 전지에서의 전해질 농도인 2 M 내지 3 M 농도의 황산 용액으로 평형화함으로써 도핑된 산의 농도가 동일 또는 유사하더라도 면적비저항(area specific resistance; ARS)이 현저히 감소되고 투과성 및/또는 전도도가 다소 증가되며, 선택성이 현저히 향상된 멤브레인을 제공할 수 있음을 발견한 것에 기초한다.The present invention is designed to develop a PBI-based membrane with improved performance by doping PBI with an acid so that it can be used in a vanadium redox flow battery (VRFB), and a high concentration of sulfur-containing acid solution for a predetermined time. , for example, after pretreatment with a sulfuric acid solution, the area even if the concentration of the doped acid is the same or similar by equilibrating with a sulfuric acid solution having a concentration similar to the electrolyte of the battery, for example, 2 M to 3 M concentration, which is the electrolyte concentration in a redox flow battery. It is based on the discovery that it is possible to provide membranes with significantly reduced area specific resistance (ARS) and somewhat increased permeability and/or conductivity and significantly improved selectivity.
본 발명에 사용되는 PBI-기반 고분자 멤브레인은 그 자체로서는 이온전도성을 띄지 않으나, 이에 포함된 이미다졸기에 KOH 등의 염기에 의해 탈양성자화될 수 있는 양이온성 NH 그룹을, 황산이나 인산 등 산에 의해 양성자화될 수 있는 염기성 N 그룹을 포함하므로 산이나 염기에 침지시켜 이온전도성을 갖도록 개질할 수 있다.The PBI-based polymer membrane used in the present invention by itself does not exhibit ion conductivity, but contains a cationic NH group that can be deprotonated by a base such as KOH to an imidazole group contained therein, and an acid such as sulfuric acid or phosphoric acid. Since it contains a basic N group that can be protonated by , it can be modified to have ionic conductivity by immersion in an acid or a base.
예컨대, 상기 폴리벤즈이미다졸(PBI)-기반 고분자는 메타-PBI, 파라-PBI, ab-PBI, 2OH-PBI, O-PBI, PBI-OO, PBI-HFA(4,4'-(hexafluoroisopropylidene)bis(benzoic acid)), PBI-OH, 술폰화된 파라-PBI, 피리딘 개질된 PBI, 불소화된 PBI, 메시틸(mesityl)-PBI, 터페닐(terphenyl)-PBI, 헥사메틸-p-터페닐 PBI, 또는 이들의 유도체로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 또는 이들의 혼합물 또는 공중합체(co-polymer)일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.For example, the polybenzimidazole (PBI)-based polymer is meta-PBI, para-PBI, ab-PBI, 2OH-PBI, O-PBI, PBI-OO, PBI-HFA (4,4'-(hexafluoroisopropylidene)) bis(benzoic acid)), PBI-OH, sulfonated para-PBI, pyridine-modified PBI, fluorinated PBI, mesityl-PBI, terphenyl-PBI, hexamethyl-p-terphenyl It may be one selected from the group consisting of PBI, or a derivative thereof, or a mixture or copolymer (co-polymer) thereof, but is not limited thereto.
예컨대, 상기 황 함유 제1산용액 및 황 함유 제2산용액은 각각 독립적으로 황산(sulfuric acid, H2SO4), 메탄황산(methansulfonic acid, CH3SO3H) 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 구체적으로, 황 함유 제1산용액 및 황 함유 제2산용액으로 모두 황산 용액을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.For example, the sulfur-containing first acid solution and the sulfur-containing second acid solution may each independently be sulfuric acid (H 2 SO 4 ), methanesulfonic acid (CH 3 SO 3 H), or a mixture thereof. . Specifically, a sulfuric acid solution may be used as both the sulfur-containing first acid solution and the sulfur-containing second acid solution, but is not limited thereto.
예컨대, 본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 황 함유 제1산용액으로는 8 내지 14 M 황 함유 산 용액을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.For example, in the manufacturing method of the present invention, an 8 to 14 M sulfur-containing acid solution may be used as the sulfur-containing first acid solution, but is not limited thereto.
또한, 본 발명의 제조방법에서 상기 제1단계는 동일 또는 감소하는 농도의 황산 용액으로 2회 이상 반복하여 수행할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In addition, in the manufacturing method of the present invention, the first step may be repeated twice or more with a sulfuric acid solution of the same or decreasing concentration, but is not limited thereto.
예컨대, 상기 제조방법은 -10 내지 300℃에서 수행될 수 있다. 구체적으로, 25 내지 60℃에서 수행될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 본 발명의 구체적인 실시예에서는 상기 제조방법에서의 고농도의 황산 용액으로의 1차 도핑 온도가 멤브레인의 성능 특히, 면적비저항에 거의 영향을 미치지 않는 것을 확인하였다(도 2).For example, the manufacturing method may be carried out at -10 to 300 ℃. Specifically, it may be carried out at 25 to 60 ℃, but is not limited thereto. In a specific example of the present invention, it was confirmed that the first doping temperature with a high concentration of sulfuric acid solution in the above manufacturing method had little effect on the performance of the membrane, particularly the area resistivity (FIG. 2).
예컨대, 본 발명의 제조방법의 제2단계에서 사용되는 상기 황 함유 제2산용액은 금속 이온을 추가로 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 나아가, 상기 금속 이온은 바나듐 이온일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.For example, the sulfur-containing second acid solution used in the second step of the manufacturing method of the present invention may further include metal ions, but is not limited thereto. Furthermore, the metal ion may be a vanadium ion, but is not limited thereto.
본 발명의 제2양태는 8 내지 17 M 황 함유 산 용액으로 1차 도핑 후 적용하고자 하는 흐름전지의 전해질 농도와 유사한 농도의 황 함유 산 용액으로 평형화한 황 함유 산 도핑된 폴리벤즈이미다졸(PBI)-기반 고분자을 포함하는 바나듐 레독스 흐름전지(vanadium redox flow battery; VRFB)용 멤브레인을 제공한다.The second aspect of the present invention is a sulfur-containing acid-doped polybenzimidazole (PBI) equilibrated with a sulfur-containing acid solution having a concentration similar to the electrolyte concentration of the flow battery to be applied after primary doping with an 8 to 17 M sulfur-containing acid solution. Provided is a membrane for a vanadium redox flow battery (VRFB) containing a )-based polymer.
상기 멤브레인은 제1양태의 방법으로 제조될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The membrane may be manufactured by the method of the first aspect, but is not limited thereto.
예컨대, 상기 멤브레인은 다공성 고분자 또는 다공성 탄소 층에 의해 지지될 수 있다. 구체적으로, 상기 멤브레인은 전술한 소재의 다공성 지지체 상에 주조될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.For example, the membrane may be supported by a porous polymer or a porous carbon layer. Specifically, the membrane may be cast on the porous support of the aforementioned material, but is not limited thereto.
예컨대, 본 발명의 멤브레인은 증가된 전도도 및/또는 높은 선택성을 나타냄은 물론, 고농도의 황 함유 산 용액으로 전처리 하지 않은 멤브레인에 비해 현저히 감소된 면적비저항을 가지므로 높은 전류밀도에서 사용하기 위한 레독스 흐름 전지에 적용시 빠른 충/방전을 가능하도록 할 수 있다.For example, the membrane of the present invention exhibits increased conductivity and/or high selectivity, as well as a significantly reduced areal resistivity compared to a membrane not pretreated with a high concentration of sulfur-containing acid solution. When applied to a flow battery, it can enable fast charging/discharging.
본 발명의 제3양태는 분리막으로서 상기 제1양태의 방법으로 제조된 멤브레인을 구비한 레독스 흐름 전지를 제공한다.A third aspect of the present invention provides a redox flow battery having the membrane manufactured by the method of the first aspect as a separator.
본 발명의 용어 "레독스 흐름 전지(redox flow battery)"는 전기활성종을 포함하는 전해질(electrolyte)이, 가역적으로 화학적 에너지를 직접 전기로 전환하는 전기화학적 전지(electrochemical cell)를 통해 흐르는, 재충전 가능한 전지의 일종으로, 모든 전기활성 성분이 전해질에 용해되어 있는 가역적인 전지이다. 중력 공급 시스템(gravity feed system)이 사용되기도 하나, 주로 추가적인 전해질은 외부에, 일반적으로 별도의 탱크에 저장되며 펌프에 의해 셀에 공급된다. 흐름 전지는 전해질액을 교체(내연기관의 연료 탱크를 보충하는 것과 유사한 방식으로)하는 동시에 재활성화(re-energization)를 위해 소모된 물질을 회복함으로써 빠르게 재충전될 수 있다. 이러한 레독스 흐름 전지에 있어서, 전지의 에너지는 전해질 부피 예컨대, 탱크 크기에 의해, 전력은 전극면적 예컨데, 반응기 크기에 의해 결정되므로 다른 전지와 마찬가지로 에너지가 전력으로부터 완전히 분리(decoupled)된다.As used herein, the term “redox flow battery” means that an electrolyte containing an electroactive species flows through an electrochemical cell that reversibly converts chemical energy directly into electricity, a rechargeable, A possible type of battery is a reversible battery in which all electroactive components are dissolved in an electrolyte. A gravity feed system is also used, but mainly the additional electrolyte is stored externally, usually in a separate tank, and is supplied to the cell by a pump. Flow cells can be recharged rapidly by replacing electrolyte (in a similar way to replenishing fuel tanks in internal combustion engines) while at the same time recovering spent material for re-energization. In such a redox flow cell, energy is completely decoupled from power, as in other cells, since the cell's energy is determined by the electrolyte volume, eg tank size, and power is determined by the electrode area, eg, reactor size.
이러한 레독스 흐름 전지는 다른 전지와는 달리 전기활성종이 고체가 아닌 수용액 상태의 이온으로 존재하며, 캐소드 및 애노드에서 각각의 이온들의 산화/환원 반응에 의해 에너지를 저장하는 메커니즘을 갖는다. 전술한 반응을 일으키기 위한 캐소드 전해질 및 애노드 전해질은 별도의 보관탱크에 각각 보관되어 셀 하우징에 형성된 전해질 유입구를 통해 각각 셀 하우징 내부로 유입되어 캐소드 전극 및 애노드 전극과 접촉하여 반응을 일으킨 후, 각각의 전해질 유출구를 통해 외부로 유출되는 순환시스템을 갖는다. 상기 전지는 전기부하를 포함하는 외부 회로에 전기적 부하를 연결하여 전류를 흐르게 함으로써 방전되며, 반대로 전지에 외부 전원을 연결하여 전류를 유입되게 함으로써 충전이 진행된다. 일반적으로 캐소드 전해질 용액(catholyte)은 레독스 커플이 두 가지 전자가 상태 중 높은 쪽으로 산화될 때 충전되며, 낮은 쪽으로 환원될 때 방전된다. 애노드 전해질 용액에서는 반대 현상이 나타난다.In this redox flow battery, unlike other batteries, the electroactive species exists as ions in an aqueous solution state rather than as a solid, and has a mechanism of storing energy by oxidation/reduction reactions of respective ions at the cathode and the anode. The cathode electrolyte and the anode electrolyte for causing the above-described reaction are stored in separate storage tanks, respectively, are introduced into the cell housing through the electrolyte inlet formed in the cell housing, and come into contact with the cathode electrode and the anode electrode to cause a reaction, and then each It has a circulation system that flows out through the electrolyte outlet. The battery is discharged by connecting an electric load to an external circuit including the electric load and allowing a current to flow. Conversely, charging is performed by connecting an external power source to the battery to allow a current to flow. In general, the catholyte is charged when the redox couple is oxidized to the higher of the two electron states, and discharged when reduced to the lower one. In the anode electrolyte solution, the opposite phenomenon occurs.
상기한 바와 같이 대부분의 레독스 흐름 전지는 두 개의 분리된 전해질 용액으로 구성된다. 하나는 애노드 전극반응에서 전기활성 물질을 저장하며 다른 하나는 캐소드 전극반응에 사용된다. 충전시에는 역으로 적용될 것이다. 신선한 또는 사용된 전해질은 순환하고 단일 저장 탱크에 저장될 수 있다. 또는 전기활성 물질의 농도를 개별적으로 조절할 수 있다. 화학적 단전을 야기할 수 있는 전기활성종의 혼합을 방지하기 위하여 이온교환막을 분리막으로 사용한다.As mentioned above, most redox flow batteries consist of two separate electrolyte solutions. One stores the electroactive material in the anode reaction and the other is used in the cathode electrode reaction. When charging, the reverse will be applied. Fresh or used electrolyte can be circulated and stored in a single storage tank. Alternatively, the concentration of the electroactive material may be individually adjusted. An ion exchange membrane is used as a separation membrane to prevent mixing of electroactive species that can cause chemical disconnection.
본 발명의 용어 "분리막"은 상기 레독스 흐름 전지에서 전기활성종의 혼합을 방지하기 위하여 도입하는 이온교환막을 지칭하는 것으로, 상기 분리막으로 분리된 양 전극에서 공통의 상대 이온 전달체(common counter ion carrier) 만이 상기 분리막을 통과한다. 예컨대, 애노드에서 Na2S2가 Na2S4로 전환되고 캐소드에서 Br2가 2Br로 전환되는 브로민-폴리설파이드 시스템에 있어서, 전기중성조건을 유지하기 위하여 애노드에서 과량의 Na+ 이온은 캐소드로 전달된다. 유사하게, 애노드에서 V2+가 V3+로 산화되고 캐소드에서 V5+가 V4+로 환원되는 바나듐 시스템에서, 양성자 및 하이드로늄 이온(hydronium ion; H3O+)은 양성자 전도성 막을 통해 애노드에서 캐소드로 이동한다.As used herein, the term "separator" refers to an ion exchange membrane introduced to prevent mixing of electroactive species in the redox flow battery, and a common counter ion carrier in both electrodes separated by the separator. ) only passes through the separation membrane. For example, in a bromine-polysulfide system in which Na 2 S 2 is converted to Na 2 S 4 at the anode and Br 2 is converted to 2Br at the cathode, excess Na + ions at the anode are removed from the cathode to maintain electroneutral conditions. is transmitted to Similarly, in a vanadium system in which V 2+ is oxidized to V 3+ at the anode and V 5+ is reduced to V 4+ at the cathode, protons and hydronium ions (H 3 O + ) pass through a proton conducting membrane. from the anode to the cathode.
실제 레독스 흐름 전지에서 전해질 반응은 캐소드와 애노드에서 서로 상이하며 전해질액 흐름현상이 존재하므로 캐소드쪽과 애노드쪽에서 압력차가 발생한다. 따라서, 상기 분리막은 이러한 압력차에 의해 파괴되지 않도록 우수한 물리적 강도를 갖는 것이 바람직하다.In an actual redox flow battery, the electrolyte reaction is different between the cathode and the anode, and since the electrolyte solution flow phenomenon exists, a pressure difference occurs between the cathode side and the anode side. Therefore, the separation membrane preferably has excellent physical strength so as not to be destroyed by such a pressure difference.
본 발명의 레독스 흐름 전지는 상기 분리막의 일측에는 캐소드 전해질 및 캐소드 전극을, 타측에는 애노드 전해질 및 애노드 전극을 차례로 구비한 것이 특징이다.The redox flow battery of the present invention is characterized in that one side of the separator is provided with a cathode electrolyte and a cathode electrode, and an anode electrolyte and an anode electrode are sequentially provided on the other side of the separator.
상기 캐소드 전극 및 애노드 전극은 당업계에 통상적으로 사용되는 전극 소재를 사용할 수 있다. 예컨대, 탄소펠트, 탄소부직포, 그라파이트 펠트, 그라파이트 플레이트 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.For the cathode electrode and the anode electrode, electrode materials commonly used in the art may be used. For example, carbon felt, carbon nonwoven fabric, graphite felt, graphite plate, etc. may be used, but the present invention is not limited thereto.
일례로 레독스 흐름 전지를 설명하면, 본 발명의 레독스 흐름 전지는 소정의 크기를 갖는 셀 하우징; 상기 셀 하우징의 중심을 가로지르며 설치된 분리막; 셀 하우징 내부의 상기 분리막에 의해 분리된 좌/우 양측에 각각 위치하는 캐소드 전극 및 애노드 전극; 상기 캐소드 전극이 위치한 측의 셀 하우징의 상/하단에 형성되어 캐소드 전극에 사용되는 전해액의 유입 및 유출을 수행하는 캐소드 전해질 유입구 및 캐소드 전해질 유출구; 및 상기 애노드 전극이 위치한 측의 셀 하우징의 상/하단에 형성되어 애노드 전극에 사용되는 전해액의 유입 및 유출을 수행하는 애노드 전해질 유입구 및 애노드 전해질 유출구;를 포함하여 구성할 수 있다.When describing the redox flow battery as an example, the redox flow battery of the present invention includes a cell housing having a predetermined size; a separator installed across the center of the cell housing; a cathode electrode and an anode electrode located on both left and right sides separated by the separator inside the cell housing; a cathode electrolyte inlet and a cathode electrolyte outlet formed on the upper/lower side of the cell housing on the side where the cathode electrode is located to perform inflow and outflow of the electrolyte used in the cathode electrode; and an anode electrolyte inlet and an anode electrolyte outlet formed on the upper/lower side of the cell housing on the side where the anode electrode is located and performing inflow and outflow of the electrolyte used for the anode electrode.
예컨대, 본 발명의 레독스 흐름 전지는 상기 캐소드 전해질로 V(IV)/V(V) 레독스 커플을, 애노드 전해질로 V(II)/V(III) 레독스 커플을 사용하는 전바나듐계 레독스 전지; 또는 상기 캐소드 전해질로 Fe(II)/Fe(III) 레독스 커플을, 음극 전해질로 V(II)/V(III) 레독스 커플을 사용하는 기타 금속계 레독스 전지일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.For example, the redox flow battery of the present invention uses a V(IV)/V(V) redox couple as the cathode electrolyte and a V(II)/V(III) redox couple as the anode electrolyte. dog cell; Or it may be another metal-based redox battery using Fe(II)/Fe(III) redox couple as the cathode electrolyte and V(II)/V(III) redox couple as the cathode electrolyte, but is not limited thereto. .
본 발명의 제4양태는 상기 제1양태의 방법으로 제조된 멤브레인을 구비한 전기화학 시스템을 제공한다.A fourth aspect of the present invention provides an electrochemical system having a membrane produced by the method of the first aspect.
예컨대, 상기 전기화학 시스템은 전해조(electrolyzers), 연료전지(fuel cells), 또는 배터리(batteries)일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 예컨대, 본 발명의 멤브레인은 향상된 이온 전도성 및/또는 선택성을 가지므로, 전기화학 시스템 일반에서 애노드와 캐소드를 분리하기 위해, 연료전지에서 연료와 산화제의, 배터리에서 산화환원 화성종들의, 및/또는 전해조에서 수소와 산소의 크로스오버(crossover)를 차단하기 위한 분리막으로 구비될 수 있다.For example, the electrochemical system may be, but is not limited to, electrolyzers, fuel cells, or batteries. For example, the membranes of the present invention have improved ionic conductivity and/or selectivity, so as to separate the anode and cathode in electrochemical systems in general, fuel and oxidant in fuel cells, redox species in batteries, and/or It may be provided as a separator for blocking crossover of hydrogen and oxygen in the electrolytic cell.
본 발명의 제조방법은 전해질과 동일한 농도의 황 함유 산 용액으로 도핑하기에 앞서, 보다 높은 농도의 황 함유 산 용액으로 전처리하는 단순한 추가 공정을 통해, 면적비저항이 현저히 감소됨은 물론, 투과성 및/또는 전도도가 증가되고, 나아가 매우 우수한 선택성을 갖는 멤브레인을 제공할 수 있으므로 바나듐 레독스 흐름 전지에 유용하게 적용할 수 있다.In the manufacturing method of the present invention, through a simple additional process of pretreatment with a higher concentration of sulfur-containing acid solution prior to doping with a sulfur-containing acid solution of the same concentration as the electrolyte, the area resistivity is significantly reduced, as well as the permeability and/or It can be usefully applied to a vanadium redox flow battery because the conductivity is increased, and furthermore, a membrane having a very good selectivity can be provided.
도 1은 다양한 농도의 황산 용액으로 1차 도핑 후 2 M 황산 용액으로 평형화한 황산 도핑된 PBI 멤브레인의 1차 도핑 용액의 농도에 따른 산 도핑 수준을 나타낸 도이다.
도 2는 다양한 온도에서 다양한 농도의 황산 용액으로 1차 도핑 후 2 M 황산 용액으로 평형화한 황산 도핑된 PBI 멤브레인(두께 10 μm)의 1차 도핑 용액의 농도에 따른 면적비저항을 나타낸 도이다.1 is a diagram showing the acid doping level according to the concentration of the first doping solution of a sulfuric acid-doped PBI membrane equilibrated with a 2M sulfuric acid solution after first doping with a sulfuric acid solution of various concentrations.
2 is a diagram showing the area resistivity according to the concentration of the primary doping solution of a sulfuric acid-doped PBI membrane (10 μm thick) equilibrated with a 2 M sulfuric acid solution after primary doping with a sulfuric acid solution of various concentrations at various temperatures.
이하 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 예시적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. However, these examples are for illustrative purposes only and the scope of the present invention is not limited to these examples.
비교예 1: 표준 공정에 의한 황산 도핑된 PBI 멤브레인의 제조Comparative Example 1: Preparation of Sulfuric Acid Doped PBI Membrane by Standard Process
PBI 멤브레인을 실온에서 2M 황산 용액에 24시간 동안 침지시켜 황산 도핑된 PBI 멤브레인을 제조하였다.A PBI membrane doped with sulfuric acid was prepared by immersing the PBI membrane in 2M sulfuric acid solution at room temperature for 24 hours.
실시예 1: 다중 도핑 공정에 의한 황산 도핑된 PBI 멤브레인의 제조Example 1: Preparation of Sulfuric Acid Doped PBI Membrane by Multiple Doping Process
PBI 멤브레인은 다양한 온도(25, 40, 60 또는 80℃)에서 다양한 농도의 황산 용액(2, 4, 6, 8 또는 10 M)에 침지시켜 도핑하였다. 이후 상기 멤브레인을 실온에서 24시간 동안 이후 전지에 적용시 사용되는 전해질의 농도(예컨대, 2 M)의 황산 용액에 침지시켜 평형화하였다. PBI는 18 M의 진한 황산 용액에 용해되는 것으로 알려져 있는 바, 도핑 용액의 최대 농도는 12 M을 사용하였다.PBI membranes were doped by immersion in various concentrations of sulfuric acid solution (2, 4, 6, 8 or 10 M) at various temperatures (25, 40, 60 or 80 °C). The membrane was then equilibrated by immersion in a sulfuric acid solution of the concentration (eg, 2 M) of the electrolyte used for subsequent application to the cell at room temperature for 24 hours. Since PBI is known to dissolve in 18 M concentrated sulfuric acid solution, the maximum concentration of the doping solution was 12 M.
실험예 1: 황산 도핑된 PBI 멤브레인의 산 도핑 수준 확인Experimental Example 1: Confirmation of Acid Doping Level of Sulfuric Acid Doped PBI Membrane
상기 비교예 1 및 실시예 1에 따라 준비한 일련의 황산 도핑된 PBI 멤브레인에 대해 산 도핑 수준을 측정하여 도 1에 나타내었다. 낮은 농도에서, PBI 멤브레인의 산 함량은 주위 용액과 항상 평형을 이루었다. 도 1에 나타난 바와 같이, 8 M 황산 용액으로 1차 도핑한 멤브레인은 2 M 황산 용액으로 도핑한 멤브레인에 비해 2배의 산을 흡수하였다. 그러나, 이들 고도로 산 도핑된 멤브레인을 다시 전지에 적용시 사용되는 산 농도인 2 M 황산 용액으로 평형화시킨 멤브레인은 2 M 황산 용액으로 도핑한 비교예 멤브레인과 거의 동일한 조성을 나타내었다. 이는, 10 M 이상 고농도의 황산 용액으로 처리시, 고농도의 황산 용액에 의한 선처리가 최종 평형화된 멤브레인의 조성에는 영향을 주지 않음을 나타낸다.The acid doping level was measured for a series of sulfuric acid-doped PBI membranes prepared according to Comparative Example 1 and Example 1, and is shown in FIG. 1 . At low concentrations, the acid content of the PBI membrane was always in equilibrium with the surrounding solution. As shown in FIG. 1 , the membrane first doped with 8 M sulfuric acid solution absorbed twice as much acid as the membrane doped with 2 M sulfuric acid solution. However, these highly acid-doped membranes were equilibrated with 2 M sulfuric acid solution, which is the acid concentration used when applying to the battery again, and showed almost the same composition as the comparative membranes doped with 2 M sulfuric acid solution. This indicates that when treated with a high concentration of sulfuric acid solution of 10 M or more, the pretreatment with a high concentration of sulfuric acid solution does not affect the composition of the final equilibrated membrane.
실험예 2: 황산 도핑된 PBI 멤브레인의 면적비저항에 대한 1차 도핑 용액의 농도의 효과Experimental Example 2: Effect of Concentration of Primary Doping Solution on Area Resistivity of PBI Membrane Doped with Sulfuric Acid
상기 비교예 1 및 실시예 1에 따라 준비한 일련의 황산 도핑된 PBI 멤브레인의 면적비저항을 다음의 식에 따라 산출하였다:The area resistivity of a series of sulfuric acid-doped PBI membranes prepared according to Comparative Example 1 and Example 1 was calculated according to the following equation:
. .
나아가, 산 처리시 온도를 달리하면서(25, 40, 60 또는 80℃) 제조한 멤브레인에 대해 면적비저항을 산출하여 도 2에 나타내었다. 상기 실험예 1에서 확인한 바와 같이, 산 도핑 수준에 있어서 1차 도핑 시 10 M 및 12 M의 고농도 황산 용액을 사용한 경우에만 약간의 증가만이 관찰되었다. 이상과 같은 도핑 수준에서의 미흡한 효과에도 불구하고, 도 2에 나타난 바와 같이, 이들 멤브레인에 대해 측정된 면적비저항은 1차 도핑 용액의 산 농도가 증가함에 따라 현저히 감소하였으며, 이때, 온도에 따른 영향은 관찰되지 않았다.Furthermore, the area resistivity was calculated for the membranes prepared at different temperatures during acid treatment (25, 40, 60, or 80° C.) and is shown in FIG. 2 . As confirmed in Experimental Example 1, only a slight increase in the acid doping level was observed only when 10 M and 12 M high concentration sulfuric acid solutions were used during the first doping. In spite of the insufficient effect at the doping level as described above, as shown in FIG. 2 , the area resistivity measured for these membranes significantly decreased as the acid concentration of the primary doping solution increased, and at this time, the effect of temperature was not observed.
실험예 3: 황산 도핑된 PBI 멤브레인의 추가적인 물성 분석Experimental Example 3: Additional Physical Properties Analysis of Sulfuric Acid Doped PBI Membrane
상기 실시예 1에 따라 제조한 일련의 황산 도핑된 멤브레인 중 면적비저항이 현저히 감소된 10 M 및 12 M 황산 용액으로 1차 도핑 후 2 M 황산 용액으로 평형화하여 제조한 멤브레인에 대한 추가적인 분석을 통해, 투과성, 전도도 및 선택성을 측정하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따라 준비한 고농도의 황산 용액으로 1차 도핑 후 2 M 황산 용액으로 평형화한 멤브레인에서 이온의 이동이 촉진되었으며, 이에 따라 본 멤브레인을 통한 투과성 및 전도도가 모두 증가하였다. 한편, 양성자는 바나듐 이온에 비해 크기가 훨씬 더 작으므로, 양으로 하전된 PBI 사슬의 이미다졸 그룹과 더 적은 전기적 척력을 가짐과 동시에, 그루투스 메커니즘(Grotthuss mechanism)을 통해 바나듐 이온에 비해 더 쉽게 전도될 수 있으므로, 상대적으로 높은 선택성 값을 나타내었다. 비교예로는 (전)상업적 VRFB 시스템에 대한 표준 멤브레인인 나피온 212에 대해 공지된 문헌값을 사용하였다. 나피온 212에 대한 문헌값과 비교할 때, 10 M 황산 용액으로 1차 도핑하고 2 M 황산 용액으로 평형화한 PBI 멤브레인은 나피온 212에 비해 바나듐 이온에 대해 낮은 투과성 및 전도도를 나타낸 반면, 29배 내지 163배의 더 높은 선택성을 갖는 것을 확인하였다. 즉, 본 발명의 멤브레인은 상용화된 나피온 212에 비해 낮은 전도도를 나타내기는 하나 현저히 향상된 선택성을 나타내므로 VRFB 시스템에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명의 멤브레인은 다소 전도도가 낮기는 하나 바나듐 이온의 투과성이 낮고 현저히 향상된 선택성을 나타내므로, 멤브레인의 두께를 조절함으로써 예컨대, 보다 얇게 형성함으로써 저항을 낮추어 낮은 전도도를 극복할 수 있다. 그러나 나피온의 경우 두께를 감소시키는 경우 바나듐 이온의 크로스오버가 현저히 높아지면서 빠른 자가방전 및/또는 전지의 낮은 쿨롱 효율을 유발할 수 있다. 따라서, 본 발명의 멤브레인은 상용되고 있는 나피온에 비해 전도도가 다소 낮기는 하지만 낮은 이온 투과성 및/또는 현저히 증가된 선택성을 토대로 멤브레인의 두께를 조절함으로써 이를 보완할 수 있으므로 VRFB 시스템에 유용하게 사용될 수 있다.Through additional analysis of the membranes prepared by first doping with 10 M and 12 M sulfuric acid solutions with significantly reduced area resistivity among the series of sulfuric acid-doped membranes prepared according to Example 1 and equilibrating with 2 M sulfuric acid solution, Permeability, conductivity and selectivity were measured, and the results are shown in Table 1 below. As shown in Table 1, the movement of ions was promoted in the membrane equilibrated with 2 M sulfuric acid solution after primary doping with the high concentration sulfuric acid solution prepared according to the embodiment of the present invention, and thus the permeability and conductivity through the membrane all increased. On the other hand, since protons are much smaller in size than vanadium ions, they have less electrical repulsion with imidazole groups of positively charged PBI chains, and at the same time, they are more easily compared to vanadium ions through the Grotthuss mechanism. Since it can be conducted, it exhibited a relatively high selectivity value. As a comparative example, a known literature value for Nafion 212, a standard membrane for a (pre)commercial VRFB system, was used. Compared with the literature values for Nafion 212, the PBI membrane first doped with 10 M sulfuric acid solution and equilibrated with 2 M sulfuric acid solution showed lower permeability and conductivity for vanadium ions compared to Nafion 212, whereas 29 times to It was confirmed that the selectivity was 163 times higher. That is, the membrane of the present invention exhibits significantly improved selectivity, although lower conductivity compared to the commercially available Nafion 212, and thus can be applied to the VRFB system. That is, although the membrane of the present invention has somewhat low conductivity, the permeability of vanadium ions is low and the selectivity is remarkably improved. However, in the case of Nafion, when the thickness is reduced, the crossover of vanadium ions is significantly increased, which may cause rapid self-discharge and/or low coulombic efficiency of the battery. Therefore, although the membrane of the present invention has somewhat lower conductivity compared to Nafion, which is commercially available, it can be compensated for by adjusting the thickness of the membrane based on low ion permeability and/or significantly increased selectivity, so it can be usefully used in a VRFB system. have.
[A] J. Mater. Chem. A, 2017, 5: 16663-16671,[A] J. Mater. Chem. A, 2017, 5: 16663-16671,
[B] ACS Appl. Mater. Interfaces, 2013, 5: 7559-7566,[B] ACS Appl. Mater. Interfaces, 2013, 5: 7559-7566,
[C] Int. J. Electrochem. Sci., 2014, 9: 3060-3067.[C] Int. J. Electrochem. Sci., 2014, 9: 3060-3067.
[약어][Abbreviation]
PA: phosphoric acidPA: phosphoric acid
PBI: polybenzimidazolePBI: polybenzimidazole
PPA: polyphosphoric acidPPA: polyphosphoric acid
VRFB: vanadium redox flow batteryVRFB: vanadium redox flow battery
SA: sulfuric acidSA: sulfuric acid
이상의 설명으로부터, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이와 관련하여, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.From the above description, those skilled in the art to which the present invention pertains will be able to understand that the present invention may be embodied in other specific forms without changing the technical spirit or essential characteristics thereof. In this regard, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive. The scope of the present invention should be construed as being included in the scope of the present invention, rather than the above detailed description, all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims described below and their equivalents.
Claims (14)
상기 선도핑된 멤브레인을 상기 황 함유 제1산용액보다 낮은 농도의 황 함유 제2산용액에서 평형화하는 제2단계;를 포함하는, 황 함유 산 도핑된 PBI 멤브레인의 제조방법.
A first step of predoping a polybenzimidazole (PBI)-based polymer membrane with a sulfur-containing first acid solution having a concentration of 1 M to 17 M; and
A second step of equilibrating the pre-doped membrane in a sulfur-containing second acid solution having a lower concentration than that of the sulfur-containing first acid solution;
상기 폴리벤즈이미다졸(PBI)-기반 고분자는 메타-PBI, 파라-PBI, ab-PBI, 2OH-PBI, O-PBI, PBI-OO, PBI-HFA(4,4'-(hexafluoroisopropylidene)bis(benzoic acid)), PBI-OH, 술폰화된 파라-PBI, 피리딘 개질된 PBI, 불소화된 PBI, 메시틸(mesityl)-PBI, 터페닐(terphenyl)-PBI, 헥사메틸-p-터페닐 PBI, 또는 이들의 유도체로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 또는 이들의 혼합물 또는 공중합체(co-polymer)인 것인, 제조방법.
The method of claim 1,
The polybenzimidazole (PBI)-based polymer is meta-PBI, para-PBI, ab-PBI, 2OH-PBI, O-PBI, PBI-OO, PBI-HFA (4,4'-(hexafluoroisopropylidene)bis( benzoic acid)), PBI-OH, sulfonated para-PBI, pyridine-modified PBI, fluorinated PBI, mesityl-PBI, terphenyl-PBI, hexamethyl-p-terphenyl PBI, Or one selected from the group consisting of derivatives thereof, or a mixture or copolymer (co-polymer) thereof, the manufacturing method.
상기 황 함유 제1산용액은 8 내지 14 M 산 용액인 것인, 제조방법.
According to claim 1,
The sulfur-containing first acid solution is an 8 to 14 M acid solution, the manufacturing method.
-10 내지 300℃에서 수행되는 것인, 제조방법.
According to claim 1,
Which is carried out at -10 to 300 ℃, the manufacturing method.
25 내지 60℃에서 수행되는 것인, 제조방법.
According to claim 1,
Which is carried out at 25 to 60 ℃, the manufacturing method.
상기 황 함유 제2산용액은 금속 이온을 추가로 포함하는 것인, 제조방법.
According to claim 1,
The method of claim 1, wherein the sulfur-containing second acid solution further comprises a metal ion.
상기 금속 이온은 바나듐 이온인 것인, 제조방법.
7. The method of claim 6,
The metal ion is a vanadium ion, the manufacturing method.
Vanadium containing a sulfur-containing acid-doped polybenzimidazole (PBI)-based polymer equilibrated with a sulfur-containing acid solution having a concentration similar to the electrolyte concentration of the flow battery to be applied after primary doping with an 8 to 17 M sulfur-containing acid solution Membrane for vanadium redox flow battery (VRFB).
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 방법으로 제조된 것인, 멤브레인.
9. The method of claim 8,
A membrane prepared by the method of any one of claims 1 to 7.
A redox flow battery having a membrane manufactured by the method of any one of claims 1 to 7 as a separator.
상기 캐소드 전해질로 V(IV)/V(V) 레독스 커플을, 애노드 전해질로 V(II)/V(III) 레독스 커플을 사용하는 전바나듐계 레독스 전지인 것인, 레독스 흐름 전지.
11. The method of claim 10,
It is an all-vanadium-based redox battery using a V(IV)/V(V) redox couple as the cathode electrolyte and a V(II)/V(III) redox couple as the anode electrolyte, a redox flow battery .
상기 캐소드 전해질로 Fe(II)/Fe(III) 레독스 커플을, 음극 전해질로 V(II)/V(III) 레독스 커플을 사용하는 기타 금속계 레독스 전지인 것인, 레독스 흐름 전지.
11. The method of claim 10,
The redox flow battery of the other metal-based redox battery using Fe (II) / Fe (III) redox couple as the cathode electrolyte, V (II) / V (III) redox couple as the negative electrolyte.
An electrochemical system with a membrane made according to claim 1 .
상기 전기화학 시스템은 전해조(electrolyzers), 연료전지(fuel cells), 또는 배터리(batteries)인 것인, 전기화학 시스템.
14. The method of claim 13,
wherein the electrochemical system is electrolyzers, fuel cells, or batteries.
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