KR20230073518A - 레독스 흐름전지용 이온교환 강화복합막, 이의 제조방법, 및 이를 포함하는 레독스 흐름전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 목적은 레독스 흐름전지용 이온교환 강화복합막 이의 제조방법, 및 이를 포함하는 레독스 흐름전지를 제공하는데 있다. 이를 위하여 본 발명은 하기 화학식 1 또는 하기 화학식 2의 과불소계 이오노머 및 소수성을 갖는 반결정성 고분자를 포함하는 막성분이 다공성 지지체의 내부 기공 및 외부 표면에 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지용 이온교환 강화복합막:
이의 제조방법 및 이를 이온교환막으로 포함하는 레독스 흐름전지를 제공한다. 본 발명에 따르면 이온교환막이 수분을 흡수하여 부풀어지는 것이 억제되고, 이에 따라 바나듐 이온이 투과되는 것이 감소되어, 결과적으로 이와 같은 이온교환막을 사용하는 레독스 흐름전지는 내구성이 향상되고 에너지 효율이 향상되는 효과가 있다.
이의 제조방법 및 이를 이온교환막으로 포함하는 레독스 흐름전지를 제공한다. 본 발명에 따르면 이온교환막이 수분을 흡수하여 부풀어지는 것이 억제되고, 이에 따라 바나듐 이온이 투과되는 것이 감소되어, 결과적으로 이와 같은 이온교환막을 사용하는 레독스 흐름전지는 내구성이 향상되고 에너지 효율이 향상되는 효과가 있다.
Description
본 발명은 레독스 흐름전지용 이온교환 강화복합막 이의 제조방법, 및 이를 포함하는 레독스 흐름전지에 관한 것이다.
지구온난화 문제를 해결하기 위해 전 세계적으로 화석연료의 사용을 축소하고 이를 신재생에너지로 대체하고자 노력하고 있다. 태양광, 풍력발전 등의 신재생에너지는 전력생산량이 일정치 못하기 때문에 끊임없이 변동하는 전력망 수요에 따른 일관되고 즉각적인 전력공급에 대응하기 어려운 단점을 가지고 있다. 이로 인해 생산된 전력을 저장해 두었다가 필요한 시기에 전력을 공급하는 대용량 에너지 저장장치의 필요성이 증대되고 있으며, 출력과 용량을 보다 용이하게 설계할 수 있는 레독스 흐름전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
레독스 흐름전지는 전해액에 존재하는 활물질을 통해 충·방전되는 시스템으로 전지의 성능은 활물질에 따라 전기화학적 성능 차이를 갖는다. 바나듐을 활물질로 사용하는 바나듐 레독스 흐름전지는 상대적으로 높은 전압을 구현할 수 있으며, 양극과 음극에 같은 종류의 활물질을 사용하여 혼액이 되었을 때도 사용할 수 있는 장점이 있다. 하지만 이러한 장점에도 불구하고 낮은 에너지 효율로 인한 한계를 가지고 있으며, 이를 극복하기 위해서는 이온교환막을 통한 바나듐 이온 투과 현상으로 인한 자가 방전을 최소화하고 물리화학적 안정성이 우수한 이온교환막 개발이 필요하다.
이와 관련하여, 대한민국 공개특허 제10-2018-0103340호는 바나듐 레독스 흐름전지용 음이온 교환막 및 이를 포함하는 바나듐 레독스 흐름전지를 개시하고 있으며, 구체적으로는 이미다졸(imidazole)기, 벤즈이미다졸(benzimidazole)기, 피리딘(pyridine)기, 트리아졸(triazole)기, 테트라졸(tetrazole)기 또는 아민(amine)기로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 기본 폴리머; 및 술폰산기가 도핑된 음이온 교환기를 포함하는 폴리머; 를 포함하는 바나듐 레독스 흐름전지용 음이온 교환막을 개시하고 있다. 그러나, 상기 기술의 교환막으로는 이온투과도에 대한 이온전도도의 비율로 정의되는 선택도가 높게 나오지 않는 문제점이 있다.
이에 본 발명의 발명자들은 교환막이 수분을 흡수하는 것을 억제하여 부풀림이 발생하는 것을 억제하고, 이에 따라 바나듐 이온이 투과되는 정도를 감소시켜, 궁극적으로는 레독스 흐름전지의 내구성과 에너지 효율을 향상시키는 방법을 연구하여 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 레독스 흐름전지용 이온교환 강화복합막 이의 제조방법, 및 이를 포함하는 레독스 흐름전지를 제공하는데 있다.
이를 위하여 본 발명은
하기 화학식 1 또는 하기 화학식 2의 과불소계 이오노머 및 소수성을 갖는 반결정성 고분자를 포함하는 막성분이 다공성 지지체의 내부 기공 및 외부 표면에 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지용 이온교환 강화복합막:
<화학식 1>
(상기 화학식 1에서, x는 5 내지 14의 정수, y=1, m=1, n=2)
<화학식 2>
(상기 화학식 2에서, x는 5 내지 14의 정수, y=1, m=0, n은 1 내지 5의 정수)을 제공한다.
또한 본 발명은
하기 화학식 1 또는 하기 화학식 2의 과불소계 이오노머 및 소수성을 갖는 반결정성 고분자를 용매에 도입하여 혼합용액을 제조하는 단계;
상기 혼합용액으로 다공성 지지체의 공극 내부를 코팅하는 단계; 및
상기 혼합용액으로 다공성 지지체의 외부 표면을 코팅하는 단계;
를 포함하는 레독스 흐름전지용 이온교환 강화복합막의 제조방법:
<화학식 1>
(상기 화학식 1에서, x는 5 내지 14의 정수, y=1, m=1, n=2)
<화학식 2>
(상기 화학식 2에서, x는 5 내지 14의 정수, y=1, m=0, n은 1 내지 5의 정수)을 제공한다.
나아가 본 발명은
상기 이온교환 강화복합막을 이온교환막으로 포함하는 레독스 흐름전지를 제공한다.
본 발명에 따르면 이온교환막이 수분을 흡수하여 부풀어지는 것이 억제되고, 이에 따라 바나듐 이온이 투과되는 것이 감소되어, 결과적으로 이와 같은 이온교환막을 사용하는 레독스 흐름전지는 내구성이 향상되고 에너지 효율이 향상되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제조예에서 제조된 혼합용액의 투명도를 보여주는 사진이고,
도 2는 본 발명의 실시예에 의하여 제조된 강화복합막의 상면에 대한 FE-SEM 사진이고,
도 3은 본 발명의 실시예에 의하여 제조된 강화복합막의 측면에 대한 FE-SEM 사진이고,
도 4는 본 발명의 실시예에 의하여 제조된 강화복합막에 대한 EDS 맵핑 사진이고,
도 5는 본 발명의 실시예 및 비교예에 의하여 제조된 강화복합막의 이온교환용량을 보여주는 그래프이고,
도 6은 본 발명의 실시예 및 비교예에 의하여 제조된 강화복합막의 워터-업테이크 및 스웰링 레시오를 보여주는 그래프이고,
도 7은 본 발명의 실시예 및 비교예에 의하여 제조된 강화복합막의 이온전도도 및 이온투과도를 보여주는 그래프이고, 및
도 8은 본 발명의 실시예 및 비교예에 의하여 제조된 강화복합막의 선택도를 보여주는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의하여 제조된 강화복합막의 상면에 대한 FE-SEM 사진이고,
도 3은 본 발명의 실시예에 의하여 제조된 강화복합막의 측면에 대한 FE-SEM 사진이고,
도 4는 본 발명의 실시예에 의하여 제조된 강화복합막에 대한 EDS 맵핑 사진이고,
도 5는 본 발명의 실시예 및 비교예에 의하여 제조된 강화복합막의 이온교환용량을 보여주는 그래프이고,
도 6은 본 발명의 실시예 및 비교예에 의하여 제조된 강화복합막의 워터-업테이크 및 스웰링 레시오를 보여주는 그래프이고,
도 7은 본 발명의 실시예 및 비교예에 의하여 제조된 강화복합막의 이온전도도 및 이온투과도를 보여주는 그래프이고, 및
도 8은 본 발명의 실시예 및 비교예에 의하여 제조된 강화복합막의 선택도를 보여주는 그래프이다.
본 발명은 레독스 흐름전지용 이온교환 강화복합막 및 이의 제조방법, 나아가 이를 포함하는 레독스 흐름전지에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 예를 들어, 반결정성 소수성 고분자가 포함된 이오노머 분산액을 다공성 지지체에 함침시켜 강화복합막을 제조한 것으로서, 첨가한 반결정성 소수성 고분자는 전해질층의 수분 흡수로 인한 부피 팽창을 억제하고, 이로 인해 이온 투과도를 억제시켜 화학적 내구성과 장기간 운전에 대해 우수한 에너지 효율을 갖는 바나듐 레독스 흐름전지용 강화복합막 및 그 제조방법, 나아가 이를 포함하는 레독스 흐름전지에 관한 것이다.
본 발명은
하기 화학식 1 또는 하기 화학식 2의 과불소계 이오노머 및 소수성을 갖는 반결정성 고분자를 포함하는 막성분이 다공성 지지체의 내부 기공 및 외부 표면에 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지용 이온교환 강화복합막:
<화학식 1>
(상기 화학식 1에서, x는 5 내지 14의 정수, y=1, m=1, n=2)
<화학식 2>
(상기 화학식 2에서, x는 5 내지 14의 정수, y=1, m=0, n은 1 내지 5의 정수)을 제공한다.
이하 본 발명의 이온교환 강화복합막을 각 구성별로 상세히 설명한다.
본 발명의 레독스 흐름전지용 이온교환 강화복합막은 막성분이 다공성 지지체의 내부 기공 및 외부 표면에 코팅되어 있는 구조를 가지며, 이때 막성분은 상기 정의된 바와 같은 과불소계 이오노머와 소수성을 갖는 반결정성 고분자를 포함하여, 바나듐 이온 투과도를 억제시켜 장기 구동하에서 이온교환 강화복합막의 화학적 내구성 향상과 에너지 효율 감소를 억제시키는 효과가 있다.
한편, 본 발명의 이온교환 강화복합막에 포함되는 상기 소수성을 갖는 반결정성 고분자는 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 퍼플루오로알콕시알칸(PFA), 및 에틸렌테트라플루오로에틸렌(ETFE)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다. 상기 소수성을 갖는 반결정성 고분자는 이온교환 강화복합막 내에서 막의 수팽윤도를 억제하여 막의 기계적 물성을 강화시켜주고 레독스 이온의 투과성을 낮추어 막의 효율을 높여주는 기능을 수행하고, 따라서, 이와 같은 기능을 수행할 수 있고, 막을 형성하기 위한 혼합용액을 제조함에 문제가 없다면 반드시 이에 한정되어야 하는 것은 아니다.
본 발명의 이온교환 강화복합막은 다공성 지지체를 포함하며, 이는 구체적으로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 및 폴리테트라플루오로에틸렌으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종의 다공성 지지체일 수 있고, 수분을 흡수하지 않으면서 이온교환막으로서의 기계적 강도를 가질 수 있는 지지체라면 반드시 이에 한정되어야 하는 것은 아니다.
본 발명의 레독스 흐름전지용 이온교환 강화복합막은 상기한 바와 같이, 상기 정의된 막성분이 다공성 지지체의 내부 기공 및 외부 표면에 코팅되어 있는 구조를 가지며, 이때 외부 표면에 코팅되는 구조는 지지체 외부의 상부 및 하부 면 모두에 코팅층이 형성되는 구조일 수 있다.
한편, 본 발명의 레독스 흐름전지용 이온교환 강화복합막은 바나듐 이온 투과도에 대한 이온전도도의 비율로 정의되는 선택도가 5 (109·S·min/cm3) 이상인 것이 바람직하다.
이때, 이온전도도는 이하의 식 1에 의하여 계산된다.
<식 1>
(상기 식에서, L은 두 개의 측정 전극 사이의 거리이며, R은 Nyquist impedance diagram에서 얻어지는 저항을 나타낸다. S는 전해질막의 단면적이다.)
또한 바나듐 이온 투과도는 이하의 식 2에 의하여 계산된다.
<식 2>
(상기 식에서, dC/dt는 MgSO4가 용해되어 있는 챔버의 시간에 따른 VO2+의 농도변화율, V는 각 챔버에 사용된 용액의 부피, L은 제조된 막의 두께, CVO 2+는 VOSO4 챔버의 VO2+ 농도, A는 유효막면적(두 챔버 사이의 개구 넓이)을 나타낸다.)
마지막으로, 상기 정의된 바와 같이, 선택도는 이하의 식 3에 의하여 계산된다.
<식 3>
선택도 = 이온전도도 / 이온투과도
본 발명에 따른 이온교환막은 상기 식들에 의하여 계산되는 선택도가 5 (109·S·min/cm3) 이상으로 나타나, 레독스 흐름전지의 이온교환막으로서의 성능이 우수하다는 것을 알 수 있다.
또한, 본 발명은
하기 화학식 1 또는 하기 화학식 2의 과불소계 이오노머 및 소수성을 갖는 반결정성 고분자를 용매에 도입하여 혼합용액을 제조하는 단계;
상기 혼합용액으로 다공성 지지체의 공극 내부를 코팅하는 단계; 및
상기 혼합용액으로 다공성 지지체의 외부 표면을 코팅하는 단계;
를 포함하는 레독스 흐름전지용 이온교환 강화복합막의 제조방법:
<화학식 1>
(상기 화학식 1에서, x는 5 내지 14의 정수, y=1, m=1, n=2)
<화학식 2>
(상기 화학식 2에서, x는 5 내지 14의 정수, y=1, m=0, n은 1 내지 5의 정수)을 제공한다.
이하 본 발명의 제조방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.
본 발명의 레독스 흐름전지용 이온교환 강화복합막의 제조방법은 상기 정의된 화학식 1 또는 화학식 2의 과불소계 이오노머 및 소수성을 갖는 반결정성 고분자를 용매에 도입하여 혼합용액을 제조하는 단계를 포함한다. 본 발명의 제조방법에 의하여 제조되는 이온교환 강화복합막은 상기 정의된 바와 같은 과불소계 이오노머와 소수성을 갖는 반결정성 고분자가 혼합되어 포함되어 있음에 의하여 우수한 특성을 갖게 된다. 이를 위하여 본 발명의 제조방법은 상기와 같이 정의된 이오노머와, 소수성 고분자를 용매에 도입하여 혼합용액을 제조하는 단계를 포함한다.
다음으로, 본 발명의 제조방법은 상기 혼합용액으로 다공성 지지체의 공극 내부를 코팅하는 단계를 포함한다. 본 발명의 제조방법에 의하여 제조되는 이온교환 강화복합막은 다공성 지지체에 상기 언급된 바와 같은 막성분이 코팅되어 있는 구조를 가지며, 이를 위하여 우선 상기 제조된 혼합용액으로 다공성 지지체의 공극 내부를 코팅하는 단계를 포함한다.
다음으로, 본 발명의 제조방법은 상기 다공성 지지체의 공극 내부를 코팅한 이후에, 상기 혼합용액으로 다공성 지지체의 외부 표면을 코팅하는 단계를 포함한다. 이릍 통하여, 내부 공극이 코팅된 다공성 지지체의 외부 표면에 상기 혼합용액의 코팅층이 형성되게 된다. 이때 외부 표면을 코팅하는 단계는 다공성 지지체의 상부면 또는 하부면과 같이 일면만을 코팅하거나 또는 양면을 모두 코팅하는 방법으로 수행될 수 있다. 일면만을 코팅하는 경우에도, 코팅된 혼합용액이 다공성 지지체 내부로 흘러 반대면에도 코팅층이 형성될 수도 있다. 이와 같은 공정을 통하여 다공성 지지체의 내부 및 외부에 전체적으로 상기 혼합용액에 의한 코팅층이 형성되게 된다.
한편, 본 발명의 제조방법 중 상기 혼합용액을 제조하는 단계에서 사용될 수 있는 용매는 N-메틸 피롤리돈(NMP), 디메틸설폭사이드(DMSO), 디메틸아세트아미드(DMAc) 및 디메틸포름아미드(DMF)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 또는 이들의 혼합용매일 수 있으며, 본 발명의 제조방법에서 사용되는 상기 정의된 과불소계 이오모머와 소수성을 갖는 반결정서 고분자를 모두 용해시켜 균일한 용액을 제조할 수 있는 용매라면 반드시 이에 한정되어야 하는 것은 아니다.
다음으로, 본 발명의 제조방법 중 상기 혼합용액을 제조하는 단계에서, 상기 과불소계 이오노머와 소수성을 갖는 반결정성 고분자는 중량비로 90 : 10 내지 60 : 40의 비율로 혼합되는 것이 바람직하다. 만약 상기 비율이 90 : 10 미만인 경우에는 상기 반결정성 고분자의 함량이 너무 낮아 수팽윤성 및 레독스 이온 투과도 억제에 한계가 있는 문제점이 있고, 60 : 40을 초과하는 경우에는 상기 과불소계 이오노머와 반결정성 고분자가 고르게 섞이지 않아 막의 성능이 오히려 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명의 제조방법에서 사용되고 있는 소수성을 갖는 반결정성 고분자는 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 퍼플루오로알콕시알칸(PFA), 및 에틸렌테트라플루오로에틸렌(ETFE)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다. 상기 소수성을 갖는 반결정성 고분자는 이온교환 강화복합막 내에서 막의 수팽윤도를 억제하여 막의 기계적 물성을 강화시켜주고 레독스 이온의 투과성을 낮추어 막의 효율을 높여주는 기능을 수행하고, 따라서, 이와 같은 기능을 수행할 수 있고, 막을 형성하기 위한 혼합용액을 제조함에 문제가 없다면 반드시 이에 한정되어야 하는 것은 아니다.
또한, 본 발명의 제조방법에서 상기 혼합용액을 제조하는 단계는 50 내지 200 ℃의 온도 범위에서 교반함에 의하여 수행되는 것이 바람직하다. 만약 온도가 50 ℃ 미만인 경우에는 과불소계 이오노머와 소수성을 갖는 반결정성 고분자가 충분히 혼합되어 균일한 혼합용액이 제조되지 못하는 문제점이 있고, 그 온도가 200 ℃를 초과하는 경우에는 이오노머 및 고분자가 고온에 의하여 열변성이 될 수 있는 문제점이 있다.
본 발명의 제조방법에서 혼합용액으로 다공성 지지체의 외부 표면을 코팅하는 단계는 혼합용액으로 다공성 지지체의 상부 및 하부의 외부 표면 모두를 코팅하는 방법으로 수행될 수 있다. 이를 통하여, 이온교환 강화 복합막의 외부 양면 및 내부 공극이 모두 상기 정의된 바와 같은 막성분에 의하여 코팅되어 이온교환막으로서의 성능이 개선되는 효과가 있다.
본 발명의 제조방법에 따르면, 간단한 방법으로 레독스 흐름전지에 사용되는 이온교환 복합막을 제조할 수 있으며, 제조된 이온교환 복합막이 수분의 흡수를 억제하여 부풀림이 억제되고, 이에 따라 바나듐 이온이 투과되는 것을 억제하여, 궁극적으로는 레독스 흐름전지의 내구성과 에너지 효율을 향상시키는 효과가 있다.
나아가 본 발명은 상기한 바와 같은 레독스 흐름전지용 이온교환 강화복합막을 이온교환막으로 포함하는 레독스 흐름전지를 제공한다. 이상 설명된 바와 같은 장점을 갖는 이온교환 강화복합막을 이온교환막으로 포함하는 레독스 흐름전지는 내구성 및 에너지 효율이 향상되는 장점이 있다.
이하 본 발명을 제조예, 실시예, 비교예 및 실험예에 의하여 보다 구체적으로 설명한다. 이하의 기재는 본 발명을 구체적으로 설명하고자 하는 것일 뿐, 이하의 설명에 의하여 본 발명의 권리범위가 한정되어 해석되는 것을 의도하는 것은 아니다.
<제조예>
과불소계 이오노머와 소수성을 갖는 반결정서 고분자의 혼합용액 제조
이온전도성 작용기로 술폰산(-SO3 -H+)을 갖는 분말상태의 fumion®FS-720s 이오노머 (Fumatech, Equivalent weight: 720 g/mol) 5 중량%과 용매로 디메틸아세트아미드(DMAc) 95 중량%를 넣고 상온에서 24시간 교반하였다. 상기 분산액을 용액 캐스팅 법(solution casting method)을 이용하여 페트리-디쉬(petri-dish)에 용액을 붓고 오븐에서 용매를 건조시키는 과정을 통해 프리스탠딩(free-standing) 형태의 전해질막으로 제조하였다. 산 형태의 상기 분리막을 나트륨염 상태(-SO3 -Na+)로 치환하기 위해 NaOH 1 중량% 수용액에 넣고 80℃에서 90분간 가열하는 과정과 과도한 염을 제거하기 위해 증류수에 넣고 80℃에서 90분간 가열하는 과정을 거쳐 오븐에서 건조하였다. 고온 고압 반응기 안에 상기 나트륨염 상태의 분리막 6 중량%과 N-메틸 피롤리돈(NMP) 94 중량%을 넣고, 200℃에서 24시간 초임계 반응시켜 이오노머 분산액을 제조하였다. 상기 제조한 이오노머 분산액에 폴리불화비닐리덴플로라이드(PVDF) 분말을 넣고, 80℃에서 24시간 교반하여 혼합 분산액을 제조하였다. 상기 fumion®FS-720s 이오노머와 PVDF 고분자 혼합 분산액에서 PVDF 고분자 함량은 제조하는 혼합분산액에 포함된 고분자(PVDF+이오노머) 대비 0 중량%부터 10 중량%씩 조절하여 50 중량%까지로 하였다. 이를 식 4로부터 계산하였다.
<식 4>
(상기 식 4에서, WP는 PVDF의 무게(g), WI는 이오노머의 무게(g)를 나타낸다.)
<실시예 1 내지 5 및 비교예 1>
이온교환 강화복합막의 제조
공극률 52%, 두께 9㎛의 폴리에틸렌 다공성 지지체를 N-메틸 피롤리돈에 상온에서 2시간 동안 함침한 후에 80℃에서 1시간 동안 진공 건조하여 지지체 내부의 불순물을 제거하는 전처리를 하였다. 전처리된 다공성 지지체 내부와 표면에 전해질층이 균일하게 형성될 수 있도록 2단계에 거쳐 코팅하였다. 먼저 전처리된 지지체 표면에 제조예에서 제조된의 혼합용액을 도포하고, 지지체 기공 사이에 분산액이 잘 함침될 수 있도록 분산액이 도포된 지지체 면 위에 바코터(bar coater)를 올려놓고 아래로 누르면서 수평 이동하였다. 그다음으로 지지체 표면에 충분한 전해질층 형성을 위해 상기 지지체를 페트리-디쉬(petri-dish)에 놓고 혼합용액을 부어 함침 시켰다. 이때 페트리-디쉬에 붓는 혼합용액의 양을 조절하여 강화복합막의 두께를 조절할 수 있다. 용매를 제거하기 위해 페트리-디쉬를 80℃ 오븐에서 24시간 건조 시켰고, 80℃ 진공오븐에서 3시간 더욱 건조시켜 29 ± 6 ㎛ 두께(표 1)의 강화복합막을 제조하였다. 획득한 강화복합막은 전해질층을 산 형태로 만들기 위해 1 노르말농도 염산(1N HCl)에 상온에서 24시간 함침시킨 뒤, 초순수로 3회 이상 세척 하였다. 완성된 강화복합막은 초순수에 보관하였다.
| PVDF 함량 (중량%) | 강화복합막의 두께(μm) | |
| 비교예 1 | 0 | 23 |
| 실시예 1 | 10 | 27 |
| 실시예 2 | 20 | 28 |
| 실시예 3 | 30 | 24 |
| 실시예 4 | 40 | 24 |
| 실시예 5 | 50 | 35 |
<비교예 2>
과불소화계 이오노머인 나피온 필름(NR211, Dufont)은 1 노르말농도 염산(1N HCl)에 상온에서 24시간 함침시킨 뒤, 초순수로 3회 이상 세척하였다. 세척한 분리막은 초순수에 보관하였다.
<비교예 3>
제조예에서와 동일하게 혼합용액을 제조하되, PVDF를 첨가하지 않고 용액을 제조한 후, 용액 캐스팅 법(solution casting method)을 이용하여 페트리-디쉬에 용액을 붓고 오븐에서 용매를 건조시키는 과정을 통해 프리스탠딩(free-standing) 형태의 전해질막으로 제조하였다. 획득한 분리막은 전해질층을 산 형태로 만들기 위해 1 노르말농도 염산(1N HCl)에 상온에서 24시간 함침시킨 뒤, 초순수로 3회 이상 세척하였다. 완성된 분리막은 초순수에 보관하였다.
비교예 2와 비교예 3에서 제조된 이온교환막의 두께는 다음의 표 2와 같다.
| 이온교환막의 두께(μm) | |
| 비교예 2 (NR211) | 29 |
| 비교예 3 (Fumion) | 25 |
<실험예 1>
강화복합막의 SEM 및 EDS 분석
상기 실시예 2에서 제조된 강화복합막의 구조적 특성을 관찰하기 위한 FE-SEM 분석 결과와 EDS 맵핑(mapping)을 통한 지지체 기공내 과불소계 이오노머 함침 여부를 확인하였다. 측정된 강화복합막의 표면과 단면의 분석 이미지를 도 2 및 도 3에 도시하였다. 또한, 다공성 지지체층에 이오노머 및 PVDF의 함침 여부를 확인하기 위해 강화복합막 단면에 대해서 EDS 맵핑을 수행하여 이오노머와 PVDF에 공통적으로 포함되어 있는 불소(F) 원소분석을 실시하였다. 측정된 F 원소 EDS 맵핑 결과를 도 4에 도시하였다. 도 4를 통해 알 수 있듯이, 본 발명의 강화복합막은 다공성 지지체의 기공 사이에도 이오노머와 PVDF가 충분히 함침되어 있음을 확인하였다.
<실험예 2>
강화복합막의 이온교환용량(IEC)의 측정
실시예 및 비교예에서 제조된 강화복합막을 상온에서 24시간 초순수에 담근 후 100℃ 진공오븐에서 24시간 건조한 뒤, 무게를 측정하였다. 1 몰농도 염화나트륨(NaCl) 용액에 24시간 동안 침지해 H+ 이온을 침출시켰다. 0.1 몰농도 NaOH 용액으로 적정하여 치환되어 나온 H+ 이온의 양을 측정하였다. 이온교환용량은 식 5를 통해 계산하였다.
<식 5>
(여기서, V는 적정 용액인 0.1 몰농도 NaOH의 부피(ml)이고, C는 NaOH의 농도(N), Wd는 건조 후의 강화복합막 무게(g)를 나타낸다.)
상기 실험 결과를 도 5에 나타내었다. 도 5에 따르면, PVDF 함량이 증가함에 따라 이오노머의 비율이 상대적으로 낮아 이온교환기의 함량이 적어지는 것을 알 수 있다.
<실험예 3>
강화복합막의 워터-업테이크(water uptake) 측정
실시예 및 비교예에서 제조된 강화복합막을 상온에서 24시간 초순수에 담근 후 100℃ 진공오븐에서 24시간 건조한 뒤, 건조 전후 무게차를 계산하였다. 이를 식 6으로부터 계산하였다.
<식 6>
(여기서, Ww은 건조 전의 강화복합막 무게(g), Wd는 건조 후의 강화복합막 무게(g)를 나타낸다.)
상기 실험 결과를 도 6에 나타내었다. 도 6에 따르면, 소수성이고 기계적 강도가 높은 PVDF 함량이 증가함에 따라 막의 수팽윤성이 억제되어 워터-업테이크가 현저히 감소하고 이에 따라 막의 기계적 물성이 향상되는 것을 알 수 있다.
<실험예 4>
강화복합막의 스웰링 레시오(swelling ratio) 측정
실험예 3과 동일하게 실시예 및 비교예에서 제조된 강화복합막을 상온에서 24시간 초순수에 담근 후 100℃ 진공오븐에서 24시간 건조한 뒤, 건조 전후 부피 차이를 계산하였다. 이를 식 7로부터 계산하였다.
<식 7>
(여기서, Xw, Yw, Zw는 각각 건조 전의 강화복합막 가로, 세로, 두께(cm)를 나타내고, Xd, Yd, Zd는 각각 건조 후의 강화복합막 가로, 세로, 두께(cm)를 나타낸다.)
상기 실험 결과를 도 6에 나타내었다. 도 6에 따르면, 소수성이고 기계적 강도가 높은 PVDF 함량이 증가함에 따라 막의 수팽윤성이 억제되어 스웰링 레시오가 현저히 감소하고 이에 따라 막의 기계적 물성이 향상되는 것을 알 수 있다.
<실험예 5>
강화복합막의 이온전도도 측정
실시예 및 비교예에서 제조된 막을 1×4 cm2로 준비한 뒤, 셀에 끼우고 초순수에 넣어 25℃를 유지하였다. 셀과 연결된 전위가변기(potentiostat) 전기화학 분석 장치(Zive SP1, Wonatech)로부터 특정 전압을 인가하여 전류를 측정하였다. 측정된 임피던스 저항값을 통해 수소 이온전도도를 계산하였다. 이를 식 1을 통해 계산하였다.
<식 1>
(여기서, L은 두 개의 측정 전극 사이의 거리이며, R은 Nyquist impedance diagram에서 얻어지는 저항을 나타낸다. S는 전해질막의 단면적으로 계산하였다.)
상기 실험 결과를 도 7에 나타내었다. 도 7에 따르면, PVDF 함량이 증가함에 따라 이오노머의 비율이 상대적으로 낮아 이온교환기의 함량이 적어져 이온전도도가 감소하는 것을 알 수 있다.
<실험예 6>
강화복합막의 바나듐 이온 투과도 측정
1 몰농도 MgSO4를 2 몰농도 H2SO4에, 1 몰농도 VOSO4를 2 몰농도 H2SO4 용액에 용해시켜 두 종류의 전해질을 준비한 뒤, 실시예 및 비교예에서 제조된 막을 두 챔버 사이에 넣은 후 각각의 전해질을 넣고 시간별로 VO2+의 투과되는 양을 분광광도계(spectrophotometer)를 이용하여 측정하였다. 이온 투과도는 식 2를 통해 계산하였다.
<식 2>
(여기서, dC/dt는 MgSO4가 용해되어 있는 챔버의 시간에 따른 VO2+의 농도변화율, V는 각 챔버에 사용된 용액의 부피, L은 제조된 막의 두께, CVO 2+는 VOSO4 챔버의 VO2+ 농도, A는 유효막면적(두 챔버 사이의 개구 넓이)을 나타낸다.)
상기 실험 결과를 도 7에 나타내었다. 도 7에 따르면, 소수성이고 기계적 강도가 높은 PVDF 함량이 증가함에 따라 막의 수팽윤성이 억제되어 스웰링 레시오가 현저히 감소하고 이에 따라 레독스 이온이 통과하는 채널의 크기가 감소하여 레독스 이온투과도가 매우 현저하게 낮아져, 이온투과도의 감소에도 불구하고, 전기화학적인 측면에서 효율적인 막이 형성되는 것을 알 수 있다.
<실험예 7>
강화복합막의 선택도 측정
상기 실험예 5와 실시예 6에서 측정된 이온전도도와 이온투과도를 바탕으로 이하의 식 3을 이용하여 강화복합막의 선택도를 계산하였고, 그 결과를 도 8에 나타내었다.
<식 3>
선택도 = 이온전도도 / 이온투과도
도 8에 따르면, 본원발명의 실시예들에 의한 이온전도도의 경우 비교예들 대비 선택도가 우수하며, 특히 실시예 3, 실시예 4 및 실시예 5에 의하여 제조된 강화복합막의 경우 선택도가 현저히 우수하다는 것을 알 수 있다.
Claims (12)
- 하기 화학식 1 또는 하기 화학식 2의 과불소계 이오노머 및 소수성을 갖는 반결정성 고분자를 포함하는 막성분이 다공성 지지체의 내부 기공 및 외부 표면에 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지용 이온교환 강화복합막:
<화학식 1>
(상기 화학식 1에서, x는 5 내지 14의 정수, y=1, m=1, n=2)
<화학식 2>
(상기 화학식 2에서, x는 5 내지 14의 정수, y=1, m=0, n은 1 내지 5의 정수).
- 제1항에 있어서, 상기 소수성을 갖는 반결정성 고분자는 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 퍼플루오로알콕시알칸(PFA), 및 에틸렌테트라플루오로에틸렌(ETFE)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지용 이온교환 강화복합막.
- 제1항에 있어서, 상기 다공성 지지체는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 및 폴리테트라플루오로에틸렌으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종의 다공성 지지체인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지용 이온교환 강화복합막.
- 제1항에 있어서, 상기 레독스 흐름전지용 이온교환 강화복합막은 지지체의 내부 기공과 외부의 상부 및 하부 면 모두에 코팅층이 형성되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지용 이온교환 강화복합막.
- 제1항에 있어서, 상기 레독스 흐름전지용 이온교환 강화복합막의 바나듐 이온 투과도에 대한 이온전도도의 비율로 정의되는 선택도는 5 (109·S·min/cm3) 이상인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지용 이온교환 강화복합막.
- 하기 화학식 1 또는 하기 화학식 2의 과불소계 이오노머 및 소수성을 갖는 반결정성 고분자를 용매에 도입하여 혼합용액을 제조하는 단계;
상기 혼합용액으로 다공성 지지체의 공극 내부를 코팅하는 단계; 및
상기 혼합용액으로 다공성 지지체의 외부 표면을 코팅하는 단계;
를 포함하는 레독스 흐름전지용 이온교환 강화복합막의 제조방법:
<화학식 1>
(상기 화학식 1에서, x는 5 내지 14의 정수, y=1, m=1, n=2)
<화학식 2>
(상기 화학식 2에서, x는 5 내지 14의 정수, y=1, m=0, n은 1 내지 5의 정수).
- 제6항에 있어서, 상기 용매는 N-메틸 피롤리돈(NMP), 디메틸설폭사이드(DMSO), 디메틸아세트아미드(DMAc) 및 디메틸포름아미드(DMF)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 또는 이들의 혼합용매인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지용 이온교환 강화복합막의 제조방법.
- 제6항에 있어서, 상기 혼합용액을 제조하는 단계는 과불소계 이오노머 및 소수성을 갖는 반결정성 고분자를 중량비로 90 : 10 내지 60 : 40의 비율로 혼합하여 수행되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지용 이온교환 강화복합막의 제조방법.
- 제6항에 있어서, 상기 소수성을 갖는 반결정성 고분자는 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 퍼플루오로알콕시알칸(PFA), 및 에틸렌테트라플루오로에틸렌(ETFE)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지용 이온교환 강화복합막의 제조방법.
- 제6항에 있어서, 상기 혼합용액을 제조하는 단계는 50 내지 200 ℃의 온도에서 교반함에 의하여 수행되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지용 이온교환 강화복합막의 제조방법.
- 제6항에 있어서, 상기 혼합용액으로 다공성 지지체의 외부 표면을 코팅하는 단계는 혼합용액으로 다공성 지지체의 상부 및 하부의 외부 표면 모두를 코팅하는 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지용 이온교환 강화복합막의 제조방법.
- 제1항에 따른 레독스 흐름전지용 이온교환 강화복합막을 이온교환막으로 포함하는 레독스 흐름전지.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020210159985A KR20230073518A (ko) | 2021-11-19 | 2021-11-19 | 레독스 흐름전지용 이온교환 강화복합막, 이의 제조방법, 및 이를 포함하는 레독스 흐름전지 |
Applications Claiming Priority (1)
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| KR1020210159985A KR20230073518A (ko) | 2021-11-19 | 2021-11-19 | 레독스 흐름전지용 이온교환 강화복합막, 이의 제조방법, 및 이를 포함하는 레독스 흐름전지 |
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| KR20230073518A true KR20230073518A (ko) | 2023-05-26 |
Family
ID=86537004
Family Applications (1)
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| KR1020210159985A KR20230073518A (ko) | 2021-11-19 | 2021-11-19 | 레독스 흐름전지용 이온교환 강화복합막, 이의 제조방법, 및 이를 포함하는 레독스 흐름전지 |
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| KR (1) | KR20230073518A (ko) |
-
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- 2021-11-19 KR KR1020210159985A patent/KR20230073518A/ko not_active Application Discontinuation
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