KR20230054228A - 수계 레독스 흐름전지 전해액의 제조방법 - Google Patents

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KR20230054228A
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권용재
신민규
노찬호
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서울과학기술대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 수계 레독스 흐름전지 전해액에 관한 것으로, 본 발명의 일 측면은, 금속염, 결합 리간드 및 자유 리간드를 탈이온수에 용해하여 착화합물 용액을 제조하는 단계; 상기 착화합물 용액에 수산화칼륨(KOH)을 첨가 및 교반하여 전해질 용액을 제조하는 단계; 및 상기 전해질 용액 내 형성된 칼륨염을 침전법으로 제거한 후, 탈이온수를 첨가하는 단계;를 포함하는, 수계 레독스 흐름전지 전해액의 제조방법을 제공한다.

Description

수계 레독스 흐름전지 전해액의 제조방법 {MANUFACTURING METHOD OF AN ELECTROLYTE SOLUTION FOR AQUEOUS REDOX FLOW BATTERY}
본 발명은 수계 레독스 흐름전지 전해액에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 활물질을 고농도로 포함하는 염기성 수계 레독스 흐름전지 전해액에 관한 것이다.
신재생 에너지 수요가 증가함에 따라 신재생 에너지의 문제점인 발전의 간헐성, 전력 품질의 불균일성 등을 해결하기 위한 에너지 저장장치(Energy Storage System, ESS)의 중요성이 증대되고 있다.
레독스 흐름전지 (Redox Flow Battery; RFB)는 스마트 그리드의 핵심 파트로 사용될 수 있는 고용량 에너지 저장장치(large-scale energy storage)로 신재생 에너지의 핵심 기술로 주목받고 있다. 레독스 흐름전지는 활물질(Active material)과 전해액 종류에 따라 원하는 전압과 용량을 자유롭게 설정할 수 있고, 전극 자체가 반응하는 것이 아니기 때문에 전극의 수명을 증가시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 일반적인 레독스 흐름전지의 모식도이다. 레독스 흐름전지는 에너지를 저장하는 활물질이 탱크에 보관되어 있다가 충전과 방전이 필요할 때 반응 셀로 들어가 에너지를 교환하고 다시 탱크로 되돌아오는 방식으로 작동된다.
레독스 흐름전지에 영향을 주는 핵심 요소에는 전극, 이온교환막, 전해액 및 이에 녹아 있는 활물질이 있다. 이 중, 활물질은 전지의 전압, 용량, 전해액 조건 등 레독스 흐름전지의 핵심 특성을 결정하는 중요한 요소로서 실제 레독스 흐름전지의 명칭 또한 활물질 기준으로 정해진다. 대표적으로 바나듐을 활물질로 이용한 바나듐 레독스 흐름전지가 있으며, 현재 레독스 흐름전지 시장의 대부분을 차지하고 있다.
그러나 바나듐 레독스 흐름전지의 경우 활물질인 바나듐 차제의 가격이 상대적으로 높고, 전지 전압의 한계가 존재하며, 전해액의 높은 산성도로 인한 문제들이 발생하는 단점들이 존재하기 때문에, 이를 해결하기 위해 바나듐을 대체하기 위한 다양한 활물질들이 개발되고 있다.
일례로, 철을 이용하는 활물질이 각광 받고 있는데, 철과 유기 리간드를 결합하여 만드는 철 기반 유기금속 화합물은 활물질의 산화환원 전위를 다양하게 조절할 수 있으며, 분자 자체가 상대적으로 크기 때문에 활물질이 한쪽 전극에서 반대쪽 전극으로 넘어가는 크로스오버(cross over) 현상을 줄일 수 있다는 이점이 존재한다.
이에, 철과 같은 금속을 기반으로 하는 다양한 유기 금속화합물들이 활물질로 개발되고 있으나, 합성 과정은 전혀 최적화되어 있지 않아 전해액 내 활물질의 용해도를 높이는데 한계가 존재한다.
따라서, 전해액 내 활물질의 용해도를 높일 수 있는 고농도 전해액 제조 기술이 개발될 필요가 있다.
전술한 배경기술은 발명자가 본원의 개시 내용을 도출하는 과정에서 보유하거나 습득한 것으로서, 반드시 본 출원 전에 일반 공중에 공개된 공지기술이라고 할 수는 없다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 활물질이 고농도로 용해될 수 있는 수계 레독스 흐름전지 전해액의 제조방법을 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 분야 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면은, 금속염, 결합 리간드 및 자유 리간드를 탈이온수에 용해하여 착화합물 용액을 제조하는 단계; 상기 착화합물 용액에 수산화칼륨(KOH)을 첨가 및 교반하여 전해질 용액을 제조하는 단계; 및 상기 전해질 용액 내 형성된 칼륨염을 침전법으로 제거한 후, 탈이온수를 첨가하는 단계;를 포함하는, 수계 레독스 흐름전지 전해액의 제조방법을 제공한다.
일 실시형태에 따르면, 상기 금속염은, 철(Fe), 알루미늄(Al), 크로뮴(Cr), 티타늄(Ti), 스칸듐(Sc), 구리(Cu) 및 바나듐(V)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 금속을 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 리간드는, 아미노 알코올계 화합물을 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 착화합물 용액 중, 상기 자유 리간드의 농도는, 0.1 M 내지 0.5 M인 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 착화합물 1 M 당 첨가되는 상기 수산화칼륨의 농도는, 1 M 내지 10 M인 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 자유 리간드 1 M 당 첨가되는 상기 수산화칼륨의 농도는, 1 M 내지 5 M인 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 보조전해질로 첨가되는 상기 수산화칼륨의 농도는, 0.25 M 내지 0.5 M인 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 금속염 및 상기 결합 리간드가 반응하여 착화합물을 형성하는 것이고, 상기 착화합물의 수율은, 85 % 이상인 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 수계 레독스 흐름전지 전해액 중 상기 착화합물의 농도는, 0.1 M 내지 2.5 M인 것일 수 있다.
본 발명의 다른 측면은, 상기 제조방법으로 제조된 수계 레독스 흐름전지 전해액을 포함하는, 레독스 흐름전지를 제공한다.
본 발명에 따른 수계 레독스 흐름전지 전해액의 제조방법은, 활물질인 착화합물을 수계 합성하고, 합성 시 리간드 및 수산화칼륨(KOH)의 농도를 조절함으로써, 활물질이 고농도로 용해된 수계 레독스 흐름전지 전해액을 제조할 수 있는 효과가 있다.
특히, 고체 활물질을 용액에 용해하여 전해액을 제조하는 것이 아니라, 활물질을 용액 합성하여 이를 그대로 전해액으로 사용함으로써, 전해액 제조 과정을 단순화함과 동시에 활물질을 고농도로 포함하는 전해액을 얻을 수 있다.
또한, 종래 기술과 비교하여 전해액 내 포함된 자유 리간드의 양을 줄일 수 있어 불필요한 추가 비용 발생을 방지할 수 있고, 고농도의 활물질 합성 시 높은 수율을 유지할 수 있게 되어 가격 경쟁력을 확보할 수 있다.
본 발명에 따라 제조된 수계 레독스 흐름전지 전해액을 사용한 레독스 흐름전지는, 고농도의 활물질을 포함하는 전해액을 사용함으로써, 전해액 단위 부피당 높은 수준의 용량을 구현할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 레독스 흐름전지의 모식도이다.
도 2는, 착화합물인 Fe(BIS-TRIS)의 합성 전후의 자외선-가시광선 분광법에 의한 분석 결과 그래프이다.
도 3은, 착화합물인 Fe(BIS-TRIS)의 합성 후의 순환전압전류법에 의한 분석 결과 그래프이다.
도 4는, 리간드 비율을 고정한 경우 활물질 합성 수율과 리간드 비율을 조절한 실시예 1의 활물질 농도에 따른 활물질 합성 수율을 비교한 그래프이다.
도 5는, 활물질 농도 별 활물질의 안정성이 확보되는 금속과 리간드의 최소 비율을 나타낸 그래프이다.
도 6은, 전해액 내 활물질 농도 별 Fe(BIS-TRIS)/Ferrocyanide 레독스 쌍을 이용하는 레독스 흐름전지의 방전 용량을 나타낸 그래프이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 일 측면은, 금속염, 결합 리간드 및 자유 리간드를 탈이온수에 용해하여 착화합물 용액을 제조하는 단계; 상기 착화합물 용액에 수산화칼륨(KOH)을 첨가 및 교반하여 전해질 용액을 제조하는 단계; 및 상기 전해질 용액 내 형성된 칼륨염을 침전법으로 제거한 후, 탈이온수를 첨가하는 단계;를 포함하는, 수계 레독스 흐름전지 전해액의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 수계 레독스 흐름전지 전해액의 제조방법은, 활물질인 착화합물을 용액 합성범을 사용하여 합성하고, 합성 시 리간드 및 수산화칼륨(KOH)의 농도를 조절함으로써, 활물질이 고농도로 용해된 수계 레독스 흐름전지 전해액을 제조할 수 있는 효과가 있다.
특히, 고체 활물질을 용액에 용해하여 전해액을 제조하는 것이 아니라, 활물질을 용액 합성하여 이를 그대로 전해액으로 사용함으로써, 전해액 제조 과정을 단순화함과 동시에 활물질을 고농도로 포함하는 전해액을 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 수계 레독스 흐름전지 전해액의 제조방법에 있어서, 첫번째 단계는, 금속염, 결합 리간드 및 자유 리간드를 탈이온수에 용해하여 착화합물 용액을 제조하는 단계이다.
상기 금속염의 금속이온은 상기 결합 리간드와 반응하여 착화합물 즉, 활물질을 형성한다. 여기서, 상기 자유 리간드는 상기 금속 이온과 결합하지 않고 용액 내 그대로 존재하는 리간드를 의미하는 것으로, 착화합물이 안정적으로 형성될 수 있도록 한다.
일 실시형태에 따르면, 상기 금속염은, 철(Fe), 알루미늄(Al), 크로뮴(Cr), 티타늄(Ti), 스칸듐(Sc), 구리(Cu) 및 바나듐(V)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 금속을 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 금속염은, 질산염, 황산염, 인산염, 칼본산염, 아세트산염, 염화물, 할로겐화물, 수산화물 및 아세틸아세톤염으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 리간드는, 아미노 알코올계 화합물을 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 아미노 알코올계 화합물은, 트리에탄올아민, 트리이소프로판올아민, 3-(비스(2-히드록시에틸)아미노)-2-히드록시프로판-1-술폰산 및 2,2-비스(히드록시메틸)-2,2',2'-니트릴로트리에탄올)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 착화합물 용액 중, 상기 금속염 및 상기 결합 리간드의 몰비는, 1 : 1 내지 1 : 2인 것일 수 있다.
상기 결합 리간드 및 상기 자유 리간드는 동일한 물질이거나 상이한 물질일 수 있고, 바람직하게는 동일한 리간드 물질을 사용할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 착화합물 용액 중, 상기 자유 리간드의 농도는, 0.1 M 내지 0.5 M인 것일 수 있다.
만일, 상기 착화합물 용액 중 상기 자유 리간드의 농도가 상기 범위 미만일 경우, 착화합물이 안정적으로 형성되지 않을 수 있다.
반면, 상기 착화합물 용액 중 상기 자유 리간드의 농도가 상기 범위를 초과할 경우, 전해액의 점도가 증가하여 레독스 흐름전지의 성능이 저하될 수 있으며, 전해액 생산 가격이 증가하고 고농도 합성 시 합성 수율이 급격하게 하락할 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 수계 레독스 흐름전지 전해액의 제조방법은, 전해액 내 자유 리간드의 농도를 특정 범위로 조절함으로써, 종래 알려진 합성 기술들과 비교하여 전해액 내 불필요한 자유 리간드의 함량을 줄여 전해액 생산 가격을 낮출 수 있으며, 고농도 합성 시 높은 합성 수율을 확보할 수 있는 장점을 갖는다.
본 발명에 따른 수계 레독스 흐름전지 전해액의 제조방법에 있어서, 두번째 단계는, 상기 착화합물 용액에 수산화칼륨(KOH)을 첨가 및 교반하여 전해질 용액을 제조하는 단계이다.
구체적으로, 착화합물 용액에 수산화칼륨을 첨가하고, 이를 천천히 녹인 뒤, 충분히 교반하여 전해질 용액을 제조한다. 이 때, 상기 교반은 20 시간 내지 30 시간 동안 수행될 수 있다.
상기 수산화칼륨(KOH)은, 활물질 합성 시 합성 수율을 높이는데 핵심적인 요소로 작용할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 착화합물 1 M 당 첨가되는 상기 수산화칼륨의 농도는, 1 M 내지 10 M인 것일 수 있다.
바람직하게는, 2 M 내지 8 M인 것일 수 있고, 더욱 바람직하게는, 3 M 내지 6 M인 것일 수 있으며, 더욱 더 바람직하게는, 3 M 내지 5 M인 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 자유 리간드 1 M 당 첨가되는 상기 수산화칼륨의 농도는, 1 M 내지 5 M인 것일 수 있다.
바람직하게는, 1 M 내지 4 M인 것일 수 있고, 더욱 바람직하게는, 2 M 내지 4 M인 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 보조전해질로 첨가되는 상기 수산화칼륨의 농도는, 0.25 M 내지 0.5 M인 것일 수 있다.
본 발명에 따른 수계 레독스 흐름전지 전해액의 제조방법은, 수산화칼륨을 활물질 및 자유 리간드의 함량에 따라 적정 비율로 첨가하고, 보조전해질로서 일정 농도 범위로 첨가하여, 활물질의 높은 합성 수율을 확보할 수 있다. 특히, 고농도의 활물질 합성 시 높은 합성 수율을 확보할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 따른 수계 레독스 흐름전지 전해액의 제조방법에 있어서, 세번째 단계는, 상기 전해질 용액 내 형성된 칼륨염을 침전법으로 제거한 후, 탈이온수를 첨가하는 단계이다.
상기 전해질 용액은, 수산화 칼륨의 첨가로 인해 칼륨염이 생성되고, 생성된 칼륨염은 침전법에 의해 제거될 수 있다. 상기 침전법으로 칼륨염을 제거한 후, 탈이온수를 목표 부피까지 첨가함으로써 원하는 부피의 전해액이 제조된다.
일 실시형태에 따르면, 상기 금속염 및 상기 결합 리간드가 반응하여 착화합물을 형성하는 것이고, 상기 착화합물의 수율은, 85 % 이상인 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 착화합물의 수율은, 90 % 이상 또는 95 % 이상일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 착화합물은, Fe(BIS-TRIS)을 포함할 수 있다. Fe(BIS-TRIS)는 철을 기반으로 하는 활물질 중 상대적으로 더 음의 산화환원전위를 가지며, 기타 부반응이 존재하지 않는다는 장점을 가지고 있는 활물질이다.
종래 기술에서는, Fe(BIS-TRIS) 활물질을 고체상으로 얻어 용매에 녹이는 방식으로 전해액을 제조하였으나, 이러한 기술은 전해액 내 활물질의 농도를 높이는데 한계가 있으며, 이에 따라 전해액 단위 부피당 높은 용량을 구현할 수 없었다.
이와 비교하여, 본 발명에 따른 수계 레독스 흐름전지 전해액 제조 방법은, Fe(BIS-TRIS)와 같은 착화합물을 용액 합성하여 직접 전해액으로 사용하고, 합성 시 리간드 및 수산화칼륨의 농도, 상대적인 첨가량 등을 최적 범위로 조절함으로써, 고농도의 Fe(BIS-TRIS)가 높은 수율로 합성되어 존재하는 고농도 및 고용량 전해액을 얻을 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 수계 레독스 흐름전지 전해액 중 상기 착화합물의 농도는, 2.5 M 이상인 것일 수 있다.
본 발명에 따라 제조된 수계 레독스 흐름전지 전해액은, 착화합물 즉, 활물질이 2.5 M 이상의 고농도로 용해될 수 있으며, 이를 통해 레독스 흐름전지의 고용량 구현이 가능하다.
일 실시형태에 따르면, 상기 수계 레독스 흐름전지 전해액 중 상기 착화합물의 농도는, 0.1 M 내지 2.5 M인 것일 수 있다.
본 발명에 따라 제조된 수계 레독스 흐름전지 전해액은, 염기성 수계 레독스 흐름전지 전해액일 수 있다.
본 발명의 다른 측면은, 상기 제조방법으로 제조된 수계 레독스 흐름전지 전해액을 포함하는, 레독스 흐름전지를 제공한다.
일 실시형태에 따르면, 상기 레독스 흐름전지 전해액은, 음극 전해액일 수 있다.
본 발명에 따라 제조된 수계 레독스 흐름전지 전해액을 사용한 레독스 흐름전지는, 고농도의 활물질을 포함하는 전해액을 사용함으로써, 전해액 단위 부피당 높은 수준의 용량을 구현할 수 있는 효과가 있다.
이하, 실시예 및 비교예에 의하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다.
단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
<실시예> Fe(BIS-TRIS)를 포함하는 수계 레독스 흐름전지 전해액의 제조
탈이온수에 Fe2(SO4)3를 녹인 후, 리간드로 2,2-비스(하이드록시메틸)-2,2',2'-나이트릴로트리에탄올을 첨가하고 충분히 교반하였다. Fe2(SO4)3와 리간드가 용해된 용액에 KOH를 천천히 녹인 후, 24시간 이상 충분히 교반한 뒤, 용액 속 K2SO4를 침전법을 사용하여 제거하였다.
K2SO4가 제거된 용액에 탈이온수를 첨가하여 목표 부피를 맞추었다.
이 때, 활물질인 착화합물 1 M 당 4 M의 KOH, 전해액에 녹아 있는 자유 리간드 1 M 당 3 M의 KOH, 전해액의 보조 전해질로서 0.25 M 내지 0.5 M의 KOH를 첨가하였다. 또한, 자유 리간드의 양은 0.1 M 내지 0.5 M의 농도로 포함되도록 하였다.
전해액 내 활물질 즉, 착화합물인 Fe(BIS-TRIS)가 정상적으로 합성되었는지를 자외선-가시광성 분광법 및 순환전압전류법을 통해 확인하였다.
도 2는, 착화합물인 Fe(BIS-TRIS)의 합성 전후의 자외선-가시광선 분광법에 의한 분석 결과 그래프이다.
도 2를 참조하면, 합성 완결 전과 비교하여 합성 완결 후 450 nm 내지 475 nm 사이에서 흡광도가 변화한 것을 확인할 수 있으며, 이를 통해 착화합물인 Fe(BIS-TRIS)가 성공적으로 합성되었음을 알 수 있다.
도 3은, 착화합물인 Fe(BIS-TRIS)의 합성 후의 순환전압전류법에 의한 분석 결과 그래프이다.
도 3을 참조하면, 착화합물인 Fe(BIS-TRIS)가 성공적으로 합성되어 활물질로 작용하고 있음을 확인할 수 있다.
<실험예 1> 활물질 농도 별 활물질 합성 수율 확인
리간드 비율을 일정 범위로 고정하여 활물질을 합성한 경우와 본 발명에 따라 리간드 비율을 조절하여 활물질을 합성한 실시예 1 의 활물질 농도에 따른 활물질 합성 수율을 비교하였다.
도 4는, 리간드 비율을 고정한 경우 활물질 합성 수율과 리간드 비율을 조절한 실시예 1의 활물질 농도에 따른 활물질 합성 수율을 비교한 그래프이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 합성 방법의 경우 리간드 비율이 고정된 합성 방법과 비교하여, 고농도의 활물질에서도 높은 합성 수율이 확보되는 것을 확인할 수 있다.
구체적으로 1.5 M의 농도까지 100 %에 가까운 합성 수율을 나타냈으며, 2.0 M에서 90 % 이상의 합성 수율을 나타냈고, 2.5 M의 고농도에서도 85% 이상의 높은 합성 수율을 보이는 것을 확인할 수 있다.
<실험예 2> 활물질 농도 별 금속 및 리간드 비율에 따른 안정성 평가
각 활물질 농도에 따른 물질의 안정성이 확보되는 금속과 리간드의 최소 비율을 CV 실험 및 레독스 흐름전지 실험을 통해 확인하였다.
도 5는, 활물질 농도 별 활물질의 안정성이 확보되는 금속과 리간드의 최소 비율을 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, 활물질 농도가 0.5 M 내지 2.0 M인 범위에서, 금속에 대한 리간드 비율이 1.25 이상일 경우에 물질의 안정성이 확보됨을 확인할 수 있다.
<실험예 3> 활물질 농도에 따른 레독스 흐름전지의 용량 확인
전해액 내 활물질의 용해도 증가에 따른 Fe(BIS-TRIS)/Ferrocyanide 레독스 쌍을 이용하는 레독스 흐름전지의 용량을 측정하였다.
이 때, 1~6 사이클은 80 mA/cm2, 7~11 사이클은 120 mA/cm2, 12~16 사이클은 160 mA/cm2, 17~26 사이클은 80 mA/cm2의 전류밀도를 사용하여 충방전을 실시하였다.
도 6은, 전해액 내 활물질 농도 별 Fe(BIS-TRIS)/Ferrocyanide 레독스 쌍을 이용하는 레독스 흐름전지의 방전 용량을 나타낸 그래프이다.
도 6을 참조하면, 활물질의 용해도가 증가할수록 레독스 흐름전지의 용량이 증가됨을 확인할 수 있으며, 이를 통해 고용량 레독스 흐름전지 구현을 위해서는 전해액 내 활물질의 용해도를 향상이 필수적임을 이해할 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.

Claims (5)

  1. 금속염, 결합 리간드 및 자유 리간드를 탈이온수에 용해하여 착화합물 용액을 제조하는 단계;
    상기 착화합물 용액에 수산화칼륨(KOH)을 첨가 및 교반하여 전해질 용액을 제조하는 단계; 및
    상기 전해질 용액 내 형성된 칼륨염을 침전법으로 제거한 후, 탈이온수를 첨가하는 단계;를 포함하는,
    수계 레독스 흐름전지 전해액의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속염은,
    철(Fe), 알루미늄(Al), 크로뮴(Cr), 티타늄(Ti), 스칸듐(Sc), 구리(Cu) 및 바나듐(V)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 금속을 포함하는 것인,
    수계 레독스 흐름전지 전해액의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 리간드는, 아미노 알코올계 화합물을 포함하는 것이고,
    상기 착화합물 용액 중, 상기 자유 리간드의 농도는, 0.1 M 내지 0.5 M인 것인,
    수계 레독스 흐름전지 전해액의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 착화합물 1 M 당 첨가되는 상기 수산화칼륨의 농도는, 1 M 내지 10 M이고,
    상기 자유 리간드 1 M 당 첨가되는 상기 수산화칼륨의 농도는, 1 M 내지 5 M이고,
    보조전해질로 첨가되는 상기 수산화칼륨의 농도는, 0.25 M 내지 0.5 M인 것인,
    수계 레독스 흐름전지 전해액의 제조방법.
  5. 제1항의 제조방법으로 제조된 수계 레독스 흐름전지 전해액을 포함하는,
    레독스 흐름전지.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117317331A (zh) * 2023-11-28 2023-12-29 华中科技大学 一种铬螯合物的正极电解液及液流电池

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