KR20230081090A - Reactor for manufacturing vanadium electrolyte - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a reactor for producing a vanadium electrolyte and a method for producing a vanadium electrolyte. The method of the present invention requires no catalyst support. The method of the present invention has no loss of a catalyst. The method of the present invention has a fast production rate. The present invention includes: a discharge unit for discharging a mixture; and a filtration unit positioned on the side of the discharge unit and including a plurality of pores to separate a solid catalyst.

Description

바나듐 전해액 제조용 반응기{Reactor for manufacturing vanadium electrolyte}Reactor for manufacturing vanadium electrolyte {Reactor for manufacturing vanadium electrolyte}

본 발명은 바나듐 전해액 제조용 반응기에 관한다. 상기 반응기는 기존과는 다른 형태를 가진다. The present invention relates to a reactor for preparing a vanadium electrolyte. The reactor has a shape different from the conventional ones.

본 발명은 바나듐 전해액의 제조 방법에 관한다. 구체적으로, 본 발명의 바나듐 전해액의 제조 방법은 상기 바나듐 전해액 제조용 반응기를 이용한다.The present invention relates to a method for preparing a vanadium electrolyte solution. Specifically, the method for preparing a vanadium electrolyte of the present invention uses the reactor for preparing the vanadium electrolyte.

본 발명은 바나듐 이온 배터리용 전해액의 제조 방법에 관한다. The present invention relates to a method for preparing an electrolyte solution for a vanadium ion battery.

전기차 시장이 급성장함에 따라 배터리 시장도 급성장하고 있다. 현재 시장의 대부분을 차지하는 배터리는 리튬 이온 배터리다. 그러나, 리튬 이온 배터리는 화재의 위험성이 있다. 따라서 이 화재 위험성을 해소하거나, 리튬 이온 배터리를 대체할 수 있는 다른 종류의 배터리를 도입할 필요가 있다. As the electric vehicle market is growing rapidly, the battery market is also growing rapidly. Currently, the batteries that make up the majority of the market are lithium-ion batteries. However, lithium ion batteries have a risk of fire. Therefore, it is necessary to eliminate this risk of fire or to introduce a different type of battery that can replace lithium ion batteries.

최근 리튬 이온 배터리 대체를 위해 바나듐 이온 배터리가 개발됐다. 바나듐 이온 배터리는 기존의 바나듐 레독스 흐름 전지(VRFB)와는 다른 구조를 가진다. 바나듐 이온 배터리에 적용되는 전해액에 대한 연구가 이루어졌다. 바나듐 이온 배터리에 적용되는 전해액은 오산화 바나듐(V2O5)을 출발 물질로 하는 4 가 바나듐 화합물(V(IV))을 포함하는 전해액이다. 해당 전해액을 바나듐 배터리에 사용하는 경우, 충전 시 V(IV)의 V(V)로의 산화 반응이 일어나는 양극과 V(IV)의 V(II)로의 환원 반응(V(IV)의 V(III)로의 환원 후, V(III)의 V(II)로의 환원 진행)이 일어나는 음극 각각에 필요한 전해액의 양이 달라진다. 따라서, 양 전극에 필요한 전해액의 비율을 맞추기 위해서, 바나듐 전해액은 V(III/IV) 형태로 전환돼 유통된다. 여기서, V(III/IV)는 3 가 바나듐 화합물(V(III))과 4 가 바나듐 화합물(V(IV))이 약 1:1의 부피 비로 혼합된 용액이다. V(III/IV) 형태로 유통되는 전해액이 보통 바나듐 전해액으로 불린다. 상기 바나듐 전해액을 제조하는 방법으로는 크게 세가지 방식이 알려져 있다. Recently, vanadium ion batteries have been developed to replace lithium ion batteries. A vanadium ion battery has a structure different from that of a conventional vanadium redox flow battery (VRFB). A study was conducted on an electrolyte solution applied to a vanadium ion battery. An electrolyte solution applied to a vanadium ion battery is an electrolyte solution containing a tetravalent vanadium compound (V(IV)) using vanadium pentoxide (V 2 O 5 ) as a starting material. When the corresponding electrolyte is used in a vanadium battery, the positive electrode where the oxidation reaction of V(IV) to V(V) occurs during charging and the reduction reaction of V(IV) to V(II) (V(IV) to V(III) After reduction to V(III) to V(II), the amount of electrolyte required for each cathode where the reduction of V(III) to V(II) occurs varies. Therefore, in order to match the ratio of the electrolyte required for both electrodes, the vanadium electrolyte is converted into V (III/IV) form and distributed. Here, V(III/IV) is a solution in which a trivalent vanadium compound (V(III)) and a tetravalent vanadium compound (V(IV)) are mixed in a volume ratio of about 1:1. Electrolytes distributed in the form of V(III/IV) are usually called vanadium electrolytes. As a method for preparing the vanadium electrolyte, three methods are known.

첫번째 방법은 전기 화학 방식이다(도 1 참조). 전기 화학 방식은 4 가 바나듐을 흐름 전지의 양극 전해액 및 음극 전해액으로 사용하면서, 흐름 전지의 SOC(충전율, State Of Charge)를 약 50 %로 설정하여 대략 절반의 4 가 바나듐이 환원된 음극 전해액에서 바나듐 전해액을 얻는 방식이다. 전기 화학 방식은 양극 전해액에서 얻은 바나듐 전해액을 재순환시키는 공정이 필요하고, V(III)와 V(IV)의 부피 비율을 정확히 맞추기가 어렵다. The first method is an electrochemical method (see FIG. 1). In the electrochemical method, while using tetravalent vanadium as the positive and negative electrolytes of the flow battery, the SOC (State Of Charge) of the flow battery is set to about 50%, and approximately half of the tetravalent vanadium is reduced in the negative electrolyte. It is a method of obtaining a vanadium electrolyte. The electrochemical method requires a process of recycling the vanadium electrolyte obtained from the anode electrolyte, and it is difficult to precisely match the volume ratio of V(III) and V(IV).

두번째 방법은 환원제 방식이다. 환원제 방식은 삼산화 바나듐(V2O3)을 오산화 바나듐의 환원제로 작용시켜서 바나듐 전해액을 얻는 비교적 단순한 방식이다. 환원제 방식은 전기 화학 방식보다는 쉽다. 그러나, 환원제 방식은 원료 물질의 정확한 순도와 반응 비율을 반드시 엄격히 조절해야 하고, 환원제로 사용하는 삼산화 바나듐이 고가다. The second method is the reducing agent method. The reducing agent method is a relatively simple method in which vanadium trioxide (V 2 O 3 ) acts as a reducing agent for vanadium pentoxide to obtain a vanadium electrolyte. The reducing agent method is easier than the electrochemical method. However, the reducing agent method must strictly control the exact purity and reaction rate of raw materials, and vanadium trioxide used as a reducing agent is expensive.

세번째 방법은 촉매 반응 방식이다. 촉매 반응 방식에서는 4 가 바나듐의 일부를 촉매의 존재 하에 포름산 등의 환원제와 반응시켜서 바나듐 전해액을 얻는다. 촉매 반응 방식은 공정을 매우 단순하게 구성할 수 있으므로, 공정 설비 투자비를 매우 줄일 수 있는 이점이 있다. 최근 촉매 반응 방식을 이용하여 바나듐 전해액을 얻는 방법에 대한 연구가 각광받고 있다. The third method is a catalytic reaction method. In the catalytic reaction method, a portion of tetravalent vanadium is reacted with a reducing agent such as formic acid in the presence of a catalyst to obtain a vanadium electrolyte. Since the catalytic reaction method can configure a very simple process, there is an advantage in that the investment cost for process equipment can be greatly reduced. Recently, research on a method of obtaining a vanadium electrolyte using a catalytic reaction method is in the spotlight.

특허문헌 1과 비특허문헌 1 모두 탄소 지지체에 담지된 백금 촉매(Pt/C)를 이용하여 바나듐 전해액을 얻는 촉매 반응 공정을 소개한다. 이러한 촉매를 적용하는 경우, 전해액이 탄소 지지체를 향해 흐를 때 촉매 성분이 탄소 지지체에서 떨어져 나갈 수 있다. 그 결과, 촉매가 반응 과정에서 소실될 수 있고, 이로 인해 제품의 품질도 떨어질 수 있다. 또한, 특허문헌 1과 비특허문헌 1 모두 기존의 기존에 알려진 촉매 반응기를 바나듐 전해액 제조에 사용하는 것에 그치고, 바나듐 전해액의 생산 속도도 빠르지 못하다(약 60L/hr).Both Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 introduce a catalytic reaction process for obtaining a vanadium electrolyte using a platinum catalyst (Pt/C) supported on a carbon support. In the case of applying such a catalyst, the catalyst component may be separated from the carbon support when the electrolyte solution flows towards the carbon support. As a result, the catalyst may be lost in the reaction process, and thus the quality of the product may be deteriorated. In addition, both Patent Literature 1 and Non-Patent Literature 1 only use a previously known catalyst reactor for producing a vanadium electrolyte, and the production rate of the vanadium electrolyte is not fast (about 60 L/hr).

공개특허공보 제10-2019-0102532호Publication No. 10-2019-0102532

Catalytic production of impurity-free V3.5+ electrolyte for vanadium redox flow batteries, Nature Communications Catalytic production of impurity-free V3.5+ electrolyte for vanadium redox flow batteries, Nature Communications

본 발명은 촉매 지지체가 불필요한 바나듐 전해액 제조용 반응기를 제공하고자 한다. An object of the present invention is to provide a reactor for preparing a vanadium electrolyte that does not require a catalyst support.

본 발명은 촉매의 소실이 없는 바나듐 전해액 제조용 반응기를 제공하고자 한다. The present invention is to provide a reactor for preparing a vanadium electrolyte without loss of catalyst.

본 발명은 바나듐 전해액을 빠르게 제조할 수 있는 바나듐 전해액 제조용 반응기를 제공하고자 한다.An object of the present invention is to provide a reactor for preparing a vanadium electrolyte capable of rapidly producing a vanadium electrolyte.

본 발명의 목적은 위의 내용에 제한되지 않는다.The object of the present invention is not limited to the above.

상기 과제 해결을 위해, 본 발명의 바나듐 전해액 제조용 반응기는, 4 가 바나듐 화합물 및 환원제의 반응 생성물 및 고상의 촉매를 포함하는 혼합물을 배출하는 배출부; 및 상기 배출부 측에 위치하고, 복수의 기공을 포함하여 상기 고상의 촉매를 분리하는 여과부;를 포함한다.In order to solve the above problems, the reactor for preparing a vanadium electrolyte of the present invention includes a discharge unit for discharging a mixture including a reaction product of a tetravalent vanadium compound and a reducing agent and a solid catalyst; and a filtration unit located at a side of the discharge unit and including a plurality of pores to separate the solid catalyst.

본 발명의 바나듐 전해액 제조용 반응기는 촉매 지지체가 불필요하다.The reactor for producing a vanadium electrolyte of the present invention does not require a catalyst support.

본 발명의 바나듐 전해액 제조용 반응기는 촉매의 소실이 없다. The reactor for producing a vanadium electrolyte of the present invention does not lose a catalyst.

본 발명의 바나듐 전해액 제조용 반응기는 바나듐 생산 속도가 빠르다. The reactor for preparing a vanadium electrolyte of the present invention has a high vanadium production rate.

도 1은 종래 기술에 따른 바나듐 전해액을 얻는 공정의 모식도다.
도 2는 본 발명에 따른 바나듐 전해액을 얻는 공정의 모식도다.
1 is a schematic diagram of a process for obtaining a vanadium electrolyte according to the prior art.
2 is a schematic diagram of a process for obtaining a vanadium electrolyte solution according to the present invention.

이하 본 출원의 내용에 대해서 보다 상세하게 설명한다. Hereinafter, the contents of the present application will be described in more detail.

본 발명은 바나듐 전해액 제조용 반응기에 관한다. 즉 본 발명은 반응기에 관한 것으로, 특히 바나듐 전해액 제조에 적용됐을 때 더욱 적합하다. 여기서, 바나듐 전해액은, 3 가 바나듐 화합물(V(III))과 4 가 바나듐 화합물(V(IV))을 포함하면서, 3 가 바나듐 화합물(V(III))과 4 가 바나듐 화합물(V(IV))이 약 1:1의 부피 비로 혼합된 용액을 의미한다. 다만 상기의 혼합 비율은 오차 등을 고려하여 적절히 확장될 수 있다. 예를 들어, 상기 바나듐 전해액에서 상기 4 가 바나듐 화합물(V(IV))과 상기 3 가 바나듐 화합물(V(III))의 부피 비율(V(IV):V(III))은 4:6 내지 6:4 범위 내일 수 있다. 상기 비율은, 다른 예시에서, 4.5:5.5 내지 5.5:4.5, 4.9:5.1 내지 5.1:4.9, 또는 4.99:5.01 내지 5.01:4.99 범위 내일 수 있다.The present invention relates to a reactor for preparing a vanadium electrolyte. That is, the present invention relates to a reactor, and is particularly suitable when applied to the production of a vanadium electrolyte. Here, the vanadium electrolyte solution includes a trivalent vanadium compound (V(III)) and a tetravalent vanadium compound (V(IV)), and a trivalent vanadium compound (V(III)) and a tetravalent vanadium compound (V(IV) )) is a mixed solution in a volume ratio of about 1:1. However, the above mixing ratio may be appropriately expanded in consideration of errors and the like. For example, the volume ratio (V(IV):V(III)) of the tetravalent vanadium compound (V(IV)) and the trivalent vanadium compound (V(III)) in the vanadium electrolyte is 4:6 to It can be within the 6:4 range. In other examples, the ratio may be in the range of 4.5:5.5 to 5.5:4.5, 4.9:5.1 to 5.1:4.9, or 4.99:5.01 to 5.01:4.99.

반응기는, 원료가 공급되는 원료 공급부, 원료 내 반응물의 반응이 일어나는 반응부, 반응 생성물을 배출하는 배출부를 일반적으로 포함한다.The reactor generally includes a raw material supply unit for supplying raw materials, a reaction unit for reacting reactants in the raw materials, and a discharge unit for discharging reaction products.

본 발명의 반응기를 적용하는 반응은 촉매의 존재 하에 진행하는 반응이다. 따라서, 본 발명은 보통의 반응기와는 달리 특히 배출부와 추가의 부분을 포함하는 것을 특징으로 한다.A reaction to which the reactor of the present invention is applied is a reaction that proceeds in the presence of a catalyst. Thus, the present invention is characterized in that, unlike the usual reactors, it comprises in particular an outlet and an additional part.

본 발명의 바나듐 전해액 제조용 반응기는, 배출부 및 여과부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 반응기를 적용한 바나듐 전해액 제조 공정의 모식도를 도 2에 나타냈다. 도 2에서 표시된 부분이 본 발명의 반응기다.The reactor for preparing a vanadium electrolyte according to the present invention is characterized in that it includes a discharge unit and a filtering unit. 2 shows a schematic diagram of a vanadium electrolyte manufacturing process using the reactor of the present invention. The part shown in Figure 2 is the reactor of the present invention.

상기 배출부는, 4 가 바나듐 화합물 및 환원제의 반응 생성물 및 고상의 촉매를 포함하는 혼합물을 배출한다. 상기 여과부는 상기 배출부 측에 위치하고, 복수의 기공을 포함하여 상기 고상의 촉매를 분리한다. 그 결과 상기 혼합물에 포함된 촉매는 상기 여과부로 걸러지고, 이를 제외한 나머지 물질, 예를 들어 바나듐 전해액만 상기 반응기에서 유출될 수 있다.The discharge unit discharges a mixture including a reaction product of a tetravalent vanadium compound and a reducing agent and a solid catalyst. The filtration unit is located on the side of the discharge unit and includes a plurality of pores to separate the solid catalyst. As a result, the catalyst included in the mixture is filtered through the filtering unit, and only materials other than the catalyst, for example, a vanadium electrolyte, may flow out of the reactor.

상기 4 가 바나듐 화합물 및 환원제의 반응 생성물은, 전술한 바나듐 전해액에 해당할 수 있다. A reaction product of the tetravalent vanadium compound and the reducing agent may correspond to the above-described vanadium electrolyte.

“여과부”는 불균일 혼합물, 예를 들어, 고-액 혼합물을 통과시키면 액상의 물질만 투과하고, 고상의 물질은 거르는 역할을 하는 체 또는 필터 등의 기능적 표현이다. 본 발명은 여과부를 배출부 측에 위치시킨 반응기를 적용한다. 이로써 배출 대상 물질이 불균일 혼합물일 때, 고체 물질은 반응기 내부에 잔류하도록 하고, 액상 내지 기상의 물질만 반응기 외부로 유출되도록 할 수 있다. 이를 통해, 반응에 사용된 촉매가 외부로 유출되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 이 경우 촉매의 응집을 예방하는데 필요한 촉매 지지체 또한 불필요하다. 나아가, 본 발명의 반응기를 사용하면, 촉매를 연속적으로(교체하는 공정이 불필요하다) 사용할 수 있기 때문에, 생성물인 바나듐 전해액을 빨리 얻을 수 있다. “Filtration unit” is a functional expression such as a sieve or filter that passes through a heterogeneous mixture, for example, a solid-liquid mixture, only permeates liquid substances and filters solid substances. The present invention applies to a reactor in which the filtration unit is located on the side of the discharge unit. Accordingly, when the material to be discharged is a heterogeneous mixture, the solid material may remain inside the reactor, and only the liquid or gaseous material may be discharged out of the reactor. Through this, it is possible to prevent the catalyst used in the reaction from leaking out to the outside. In addition, in this case, the catalyst support required to prevent aggregation of the catalyst is also unnecessary. Furthermore, since the reactor of the present invention can continuously use the catalyst (replacement process is unnecessary), the vanadium electrolyte as a product can be quickly obtained.

이처럼, 배출부와 여과부를 설치한 반응기의 경우, 촉매 지지체가 불필요하고, 촉매의 손실을 없앨 수 있으며, 생성물을 빠르게 제조할 수 있다. In this way, in the case of a reactor equipped with a discharge unit and a filtration unit, a catalyst support is unnecessary, catalyst loss can be eliminated, and products can be rapidly produced.

일 구현예에서, 상기 여과부는 반응기 내부에 존재할 수 있다. 구체적으로, 상기 여과부는 반응기 내부에 존재하여, 상기 반응 생성물과 촉매를 포함하는 혼합물이 상기 여과부의 기공에 맞닿도록, 혹은 접촉하도록 할 수 있다. 즉, 본 발명의 반응기를 적용하는 반응에서, 그 반응의 생성물이 상기 여과부를 반드시 거친 다음에 상기 반응기로부터 배출되도록 상기 반응기가 설계될 수 있다. 그 결과, 상기 여과부에서 분리된 촉매는 상기 반응기 내부에 잔류한다.In one embodiment, the filtration unit may be present inside the reactor. Specifically, the filtration unit may be present inside the reactor so that the mixture including the reaction product and the catalyst may contact or contact pores of the filtration unit. That is, the reactor may be designed such that, in a reaction using the reactor of the present invention, a product of the reaction must pass through the filter before being discharged from the reactor. As a result, the catalyst separated from the filtration unit remains inside the reactor.

또한, 상기 여과부는 다수의 기공을 포함하는데, 이러한 기공이 촉매 입자 사이의 응집이 일어나지 않게 이들을 이격시키는 기능도 한다. 따라서, 상기 여과부를 구비함에 따라, 본 발명의 반응기를 사용하는 반응의 촉매는 이의 응집을 방지하는 기능을 하는 구조체가 필요하지 않다. 즉, 본 발명의 반응기를 적용하는 반응의 촉매에는 이의 응집을 방지하거나 비표면적을 높이기 위에 적용되는 촉매 지지체가 필요 없을 수 있다. 보통의 촉매가 이의 기능을 하는 금속 성분과 이를 담지하는 촉매 지지체를 포함한다면, 본 발명에서 적용하는 촉매는 상기 촉매 지지체가 없는 것일 수 있다. 즉 촉매는 금속 성분으로만 구성된 것일 수 있다.In addition, the filtration unit includes a plurality of pores, and these pores also function to separate the catalyst particles so that aggregation does not occur. Therefore, as the filtering unit is provided, the reaction catalyst using the reactor of the present invention does not require a structure functioning to prevent its aggregation. That is, the catalyst of the reaction using the reactor of the present invention may not require a catalyst support applied to prevent its aggregation or increase its specific surface area. If a normal catalyst includes a metal component that functions as such and a catalyst support supporting the metal component, the catalyst used in the present invention may not have the catalyst support. That is, the catalyst may be composed only of metal components.

일 구현예에서, 상기 촉매는 그 기능을 갖도록 하는 성분으로서 금속 성분을 포함할 수 있다. 상기 금속 성분으로는, 단일 금속, 금속간 화합물 또는 합금일 수 있다. 보통 바나듐 화합물의 환원 반응에는 탄소에 담지된 백금(Pt/C)을 적용하는데, 본 발명에서는 이러한 백금 계열의 성분을 촉매의 활성 성분으로 포함할 수 있다. In one embodiment, the catalyst may include a metal component as a component to have its function. The metal component may be a single metal, an intermetallic compound or an alloy. Platinum (Pt/C) supported on carbon is usually applied to the reduction reaction of the vanadium compound, but in the present invention, such a platinum-based component may be included as an active component of the catalyst.

일 구현예에서, 상기 촉매는 백금과 기타 금속(예: 전이 금속)의 금속간 화합물을 포함할 수 있다. 도 2에서 해당 촉매는 IMCC로 표시돼 있고, IMCC는 “Inter-Mettallic Compound Catalyst”의 약어다. 여기서 금속간 화합물은 합금과 달리 이종의 금속 원소가 소정의 규칙을 가지면서 배열된 구조를 가지는 것을 의미한다. 상기 촉매가 금속간 화합물을 포함하는지 여부는 그 금속의 결정 구조 분석(예: XRD)을 통해 확인할 수 있다. 일 구현예에서, 상기 촉매는 FePt, FePt3, CoPt, CoPt3 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.In one embodiment, the catalyst may include an intermetallic compound of platinum and other metals (eg, transition metals). In FIG. 2, the corresponding catalyst is indicated as IMCC, and IMCC is an abbreviation of “Inter-Mettallic Compound Catalyst”. Here, the intermetallic compound means having a structure in which heterogeneous metal elements are arranged according to a predetermined rule, unlike an alloy. Whether or not the catalyst contains an intermetallic compound can be confirmed through crystal structure analysis (eg XRD) of the metal. In one embodiment, the catalyst may include FePt, FePt 3 , CoPt, CoPt 3 or a combination thereof.

상기 촉매로 적절한 크기를 가지는 것을 선택할 수 있다. 일 구현예에서, 상기 촉매의 크기는 5 ㎛ 내지 50 ㎛ 범위 내일 수 있다. 다른 구현예에서, 상기 촉매 크기의 하한은, 10 ㎛, 15 ㎛, 20 ㎛, 25 ㎛ 또는 30 ㎛일 수 있다. 다른 구현예에서, 상기 촉매 크기의 상한은 45 ㎛ 또는 40 ㎛일 수 있다. 상기 촉매의 크기는 예를 들어 고해상도 TEM에 내장된 EDS의 line scan 기능으로 측정할 수 있다. As the catalyst, one having an appropriate size may be selected. In one embodiment, the size of the catalyst may be in the range of 5 μm to 50 μm. In another embodiment, the lower limit of the size of the catalyst may be 10 μm, 15 μm, 20 μm, 25 μm or 30 μm. In another embodiment, the upper limit of the catalyst size may be 45 μm or 40 μm. The size of the catalyst can be measured, for example, by a line scan function of EDS built into a high-resolution TEM.

전술한 것처럼, 상기 반응기의 여과부는 다수의 기공을 포함한다. 또한, 상기 촉매는 상기 여과부를 통해서 통과하지 않아야 하므로, 상기 기공의 크기는 촉매의 크기보다는 작다. 일 구현예에서, 상기 기공의 평균 크기는 0.5 ㎛ 내지 5 ㎛ 범위 내일 수 있다. As mentioned above, the filtration portion of the reactor includes a plurality of pores. In addition, since the catalyst should not pass through the filter, the size of the pores is smaller than that of the catalyst. In one embodiment, the average size of the pores may be in the range of 0.5 μm to 5 μm.

상기 기공의 평균 크기는, 다른 예시에서, 0.75 ㎛ 이상 또는 1 ㎛ 이상일 수 있고, 4 ㎛ 이하, 3 ㎛ 이하, 2 ㎛ 이하 또는 1 ㎛ 이하일 수 있다.In another example, the average size of the pores may be 0.75 μm or more or 1 μm or more, and may be 4 μm or less, 3 μm or less, 2 μm or less, or 1 μm or less.

전술한 것처럼, 본 발명의 방법은 상기 촉매를 사용한 반응이 하나의 반응기에서 연속적으로 일어나고, 그 반응을 진행하는 반응기 내부에 여과부가 있기 때문에, 촉매는 한번 공급되면 그 반응기 가동을 중단할 때까지 다른 이유가 없는 한 추가로 공급하지 않아도 된다. 즉, 본 발명의 반응기를 사용하면, 촉매는 1회만 공급해도 된다.As described above, in the method of the present invention, since the reaction using the catalyst continuously occurs in one reactor and there is a filtration unit inside the reactor in which the reaction proceeds, once the catalyst is supplied, it is supplied in another reactor until the operation of the reactor is stopped. No additional supply is required unless there is a reason. That is, if the reactor of the present invention is used, the catalyst may be supplied only once.

본 발명의 반응기는 상기 요소 외에도 바나듐 전해액 제조에 필요한 기타 공지의 필수 구성을 포함할 수 있으며, 이에 대한 상세한 설명을 생략하더라도, 당업자는 쉽게 본 발명의 반응기를 이해할 수 있을 것이다. In addition to the above elements, the reactor of the present invention may include other known essential components required for preparing a vanadium electrolyte, and even if a detailed description thereof is omitted, those skilled in the art will easily understand the reactor of the present invention.

본 발명은, 다른 예시에서, 바나듐 전해액의 제조 방법에 관한다. 상기 방법은 본 발명의 반응기를 이용한다.The present invention, in another example, relates to a method for preparing a vanadium electrolyte solution. The method utilizes the reactor of the present invention.

본 발명에서는 촉매가 관여하는 반응을 이용하여 바나듐 전해액을 제조한다. 즉 본 발명에서 주로 활용하는 화학 반응은 4 가 바나듐 화합물의 촉매 존재 하의 환원 반응이다. 따라서, 본 발명에서는 반응 원료를 제조하고, 그 원료를 촉매 반응기에 공급하며, 공급한 원료를 반응기에서 반응시킨 후, 반응 생성물을 반응기에서 유출시키는 과정을 통해 진행된다(도 2 참조).In the present invention, a vanadium electrolyte is prepared using a reaction involving a catalyst. That is, the chemical reaction mainly used in the present invention is a reduction reaction in the presence of a catalyst of a tetravalent vanadium compound. Therefore, in the present invention, a reaction raw material is prepared, the raw material is supplied to the catalyst reactor, the supplied raw material is reacted in the reactor, and then the reaction product is discharged from the reactor (see FIG. 2).

본 발명은 적어도, 원료 제조 단계; 원료 공급 단계; 촉매 공급 단계; 반응 단계; 및 생성물 유출 단계;를 포함한다. 이하에서는, 각 단계 별로 보다 자세히 설명한다. The present invention at least, the raw material manufacturing step; raw material supply step; catalyst supply step; reaction step; and a product outflow step. Hereinafter, each step is described in more detail.

본 발명은 적어도, 원료 제조 단계; 반응 단계; 및 생성물 유출 단계;를 포함한다. 이하에서는, 각 단계 별로 보다 자세히 설명한다. The present invention at least, the raw material manufacturing step; reaction step; and a product outflow step. Hereinafter, each step is described in more detail.

본 발명은, 원료 제조 단계에서, 4 가 바나듐 화합물 및 상기 4 가 바나듐 화합물의 환원제를 포함하는 원료를 제조한다. 여기서, 4 가 바나듐 화합물의 환원제는, 용어 그대로, 자신은 산화하면서 4 가 바나듐 화합물을 환원시킬 수 있는 물질을 의미한다. 여기서, 상기 원료는 상기 4 가 바나듐 화합물의 염을 용해시킨 것을 의미할 수 있다. In the present invention, in the raw material preparation step, a raw material containing a tetravalent vanadium compound and a reducing agent for the tetravalent vanadium compound is prepared. Here, the reducing agent for a tetravalent vanadium compound, as the term implies, means a substance capable of reducing a tetravalent vanadium compound while oxidizing itself. Here, the raw material may mean a dissolved salt of the tetravalent vanadium compound.

일 구현예에서, 상기 4 가 바나듐 화합물의 환원제는 포름산, 포름 알데히드, 메탄올, 옥살산 및 암모늄 하이드록사이드 중 적어도 하나일 수 있다. 바람직하게는, 상기 4 가 바나듐 화합물의 환원제는 포름산 및 옥살산 중 적어도 하나일 수 있다. 보다 바람직하게는, 상기 4 가 바나듐 화합물의 환원제는 포름산일 수 있다. 여기서 옥살산은 상기 4 가 바나듐 화합물의 전구체인 오산화 바나듐의 환원제로 사용될 수 있다. In one embodiment, the reducing agent of the tetravalent vanadium compound may be at least one of formic acid, formaldehyde, methanol, oxalic acid and ammonium hydroxide. Preferably, the reducing agent for the tetravalent vanadium compound may be at least one of formic acid and oxalic acid. More preferably, the reducing agent for the tetravalent vanadium compound may be formic acid. Here, oxalic acid may be used as a reducing agent for vanadium pentoxide, which is a precursor of the tetravalent vanadium compound.

상기 원료를 수득하는 방식은 특별히 제한되지 않는다. 일 구현예에서, 상기 원료는 상기 4 가 바나듐 화합물의 염과, 4 가 바나듐 화합물의 환원제와, 적절한 용매를 혼합하여 얻은 것일 수 있다. A method of obtaining the raw material is not particularly limited. In one embodiment, the raw material may be obtained by mixing a salt of the tetravalent vanadium compound, a reducing agent of the tetravalent vanadium compound, and an appropriate solvent.

다른 일 구현예에서, 상기 원료는 다른 혼합물의 반응 생성물일 수 있다. 즉 상기 원료는 다른 혼합물을 반응시켜서 얻은 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 원료는 오산화 바나듐(V2O5), 환원제(도 2의 옥살산, C2H2O4) 및 황산 수용액(도 2, Aq. H2SO4)을 포함하는 전구체 혼합물의 반응 생성물일 수 있다. 즉, 상기 원료 제조 단계는 오산화 바나듐, 오산화 바나듐의 환원제 및 황산 수용액을 포함하는 전구체 혼합물의 반응 생성물을 얻는 것일 수 있다. In another embodiment, the raw material may be a reaction product of another mixture. That is, the raw material may be obtained by reacting another mixture. Specifically, the raw material is a reaction of a precursor mixture including vanadium pentoxide (V 2 O 5 ), a reducing agent (oxalic acid, C 2 H 2 O 4 in FIG. 2 ), and an aqueous sulfuric acid solution (FIG. 2, Aq. H 2 SO 4 ). may be a product. That is, the step of preparing the raw material may be to obtain a reaction product of a precursor mixture including vanadium pentoxide, a reducing agent of vanadium pentoxide, and an aqueous solution of sulfuric acid.

여기서, 환원제는 상기 오산화 바나듐이 용해되면 발생하는 5가 바나듐 화합물의 환원제일 수 있다. 또한 상기 환원제는 상기 4 가 바나듐 화합물의 환원제와 같은 것일 수도 있고, 다른 것일 수도 있다. 상기 전구체 혼합물의 반응 생성물이 상기 원료에 해당하나 그 준비과정에서 모두 반응하므로, 상기 환원제는 상기 4 가 바나듐 화합물의 환원제와 다른 것일 수 있다. Here, the reducing agent may be a reducing agent for a pentavalent vanadium compound generated when the vanadium pentoxide is dissolved. Also, the reducing agent may be the same as the reducing agent for the tetravalent vanadium compound, or may be different. Since the reaction products of the precursor mixture correspond to the raw materials but all react during the preparation process, the reducing agent may be different from the reducing agent of the tetravalent vanadium compound.

전술한 것처럼, 본 발명은 4 가 바나듐 화합물의 환원 반응을 주요 반응으로 진행한다. 여기서 상기 4 가 바나듐 화합물도 다른 반응, 예를 들어 전술한 5가 바나듐 화합물의 환원 반응을 통해 얻을 수 있다. As described above, the present invention proceeds as a main reaction for the reduction of a tetravalent vanadium compound. Here, the tetravalent vanadium compound can also be obtained through another reaction, for example, a reduction reaction of the aforementioned pentavalent vanadium compound.

일 예시에서, 상기 원료를 얻는 반응, 즉 상기 5가 바나듐 화합물을 포함하는 전구체 혼합물의 반응은 상기 원료의 반응이 일어나는 반응기와 다른 반응기에서 진행될 수 있다. 후술하지만, 상기 원료의 반응은 촉매의 존재 하에 진행하기 때문이다. 즉 상기 전구체 혼합물은 어느 하나의 반응기에서 반응된 후, 이의 생성물이 상기 원료의 반응이 일어나는 다른 반응기로 공급될 수 있다. 도 2에서 전구체 혼합물의 반응이 일어나는 반응기는 “Mixing”으로 표시돼 있다. 도 2에서 원료의 반응이 일어나는 반응기는 “Filtering”으로 표시돼 있다(해당 반응기가 본 발명의 반응기에 해당한다). 상기 원료를 얻는 반응과, 상기 원료를 반응시켜서 목적 생성물을 얻는 반응은 같은 반응기 내에서 진행될 수는 있다. 그러나, 이 경우 미반응 5가 바나듐 화합물 전구체(예: 오산화 바나듐)가 반응기 내의 촉매와 상호 작용할 수 있으므로, 원료를 얻는 반응에서는 촉매가 없는 상태에서 진행한 후, 원료를 반응시키는 반응 재개 시 투입하는 공정이 필요하므로, 각 반응을 다른 반응기에서 진행하는 것이 효과적이다. In one example, the reaction of obtaining the raw material, that is, the reaction of the precursor mixture including the pentavalent vanadium compound may be performed in a reactor different from a reactor in which the reaction of the raw material occurs. As will be described later, this is because the reaction of the raw materials proceeds in the presence of a catalyst. That is, after the precursor mixture is reacted in one reactor, its product may be supplied to another reactor where the reaction of the raw material takes place. In FIG. 2, the reactor in which the reaction of the precursor mixture takes place is indicated as “ Mixing ”. In FIG. 2, the reactor in which the raw material reaction occurs is indicated as “ Filtering ” (the reactor corresponds to the reactor of the present invention). A reaction for obtaining the raw material and a reaction for obtaining a target product by reacting the raw material may be performed in the same reactor. However, in this case, since the unreacted pentavalent vanadium compound precursor (eg, vanadium pentoxide) may interact with the catalyst in the reactor, the reaction to obtain the raw material proceeds in the absence of a catalyst, and then the reaction to react the raw material is restarted. Since the process is required, it is effective to proceed each reaction in a different reactor.

본 발명의 방법은, 상기 원료를 제조한 다음, 이를 반응기에서 반응시키는 반응 단계;를 포함한다. 구체적으로, 본 발명의 방법은, 상기 원료를 촉매의 존재 하에 상기 반응기에서 반응시켜서, 4 가 바나듐 화합물, 3 가 바나듐 화합물 및 촉매를 포함하면서, 상기 4 가 바나듐 화합물(V(IV))과 상기 3 가 바나듐 화합물(V(III))의 부피 비율(V(IV):V(III))이 4:6 내지 6:4 범위 내인 생성물을 얻는다. 상기 반응 단계에서는, 구체적으로, 상기 4 가 바나듐 화합물의 일부를 환원제와 반응시켜서 3 가 바나듐 화합물과 4가 바나듐 화합물을 포함하는 혼합물을 제조한다. The method of the present invention includes a reaction step of preparing the raw material and then reacting it in a reactor. Specifically, in the method of the present invention, the raw material is reacted in the reactor in the presence of a catalyst to obtain a tetravalent vanadium compound (V(IV)) and the A product in which the volume ratio (V(IV):V(III)) of the trivalent vanadium compound (V(III)) is in the range of 4:6 to 6:4 is obtained. In the reaction step, specifically, a mixture containing a trivalent vanadium compound and a tetravalent vanadium compound is prepared by reacting a portion of the tetravalent vanadium compound with a reducing agent.

상기 촉매는 반응기로 공급된 후, 상기 반응기에서 상기 원료의 반응을 촉진시킨다. 이 때 상기 촉매의 공급량도 적절히 조절 가능하다. 일 구현예에서, 상기 촉매의 공급량은, 상기 원료 1 mL 당 1 mg 내지 10 mg 범위 내일 수 있다. 촉매 함량이 많으면 반응 속도가 빨라져서 반응 시간이 짧아질 수 있으나, 너무 많으면 경제적이지 못하다. 따라서, 반응 속도와 공정 경제를 고려하여 촉매의 공급량을 적절히 조절하는 것이 좋다. 다른 구현예에서, 상기 촉매 공급량의 하한은 2 mg, 3 mg, 4 mg, 5 mg 또는 6 mg일 수 있다. 다른 구현예에서, 상기 촉매 공급량의 상한은 9 mg, 8 mg, 7 mg 또는 6 mg일 수 있다. After being supplied to the reactor, the catalyst accelerates the reaction of the raw material in the reactor. At this time, the supply amount of the catalyst can also be appropriately adjusted. In one embodiment, the supply amount of the catalyst may be within the range of 1 mg to 10 mg per 1 mL of the raw material. If the catalyst content is high, the reaction rate is increased and the reaction time may be shortened, but too much catalyst is not economical. Therefore, it is good to appropriately adjust the supply amount of the catalyst in consideration of the reaction rate and process economy. In another embodiment, the lower limit of the catalyst feed amount may be 2 mg, 3 mg, 4 mg, 5 mg or 6 mg. In another embodiment, the upper limit of the catalyst feed amount may be 9 mg, 8 mg, 7 mg or 6 mg.

전술한 것처럼, 본 발명의 방법은 상기 촉매를 사용한 반응이 하나의 반응기에서 연속적으로 일어나고, 그 반응을 진행하는 반응기 내부에 여과부가 있기 때문에, 촉매는 한번 공급되면 그 반응기 가동을 중단할 때까지 다른 이유가 없는 한 추가로 공급하지 않아도 된다. 즉, 일 구현예에서, 상기 촉매의 공급은 1회 진행되는 것일 수 있다. As described above, in the method of the present invention, since the reaction using the catalyst continuously occurs in one reactor and there is a filtration unit inside the reactor in which the reaction proceeds, once the catalyst is supplied, it is supplied in another reactor until the operation of the reactor is stopped. No additional supply is required unless there is a reason. That is, in one embodiment, the supply of the catalyst may be performed once.

본 발명은, 생성물 유출 단계에서, 상기 생성물을 상기 반응기에서 유출시킨다. 여기서 생성물 유출 단계는 상기 생성물이 상기 반응기 내부의 여과부를 통과하도록 진행한다. 그 결과 상기 생성물에 포함된 상기 여과부로 걸러지고, 이를 제외한 나머지 물질, 예를 들어 바나듐 전해액만 상기 반응기에서 유출될 수 있다. In the present invention, in the product discharge step, the product is discharged from the reactor. In the step of discharging the product, the product passes through a filter inside the reactor. As a result, the product is filtered through the filtering unit included in the product, and only materials other than this, for example, a vanadium electrolyte, may flow out of the reactor.

일 구현예에서, 상기 생성물이 상기 반응기 내부의 여과부를 통과하도록 상기 생성물 유출 단계를 진행함에 따라, 상기 생성물 내의 촉매가 상기 반응기 내부의 여과부에 잔류할 수 있다. 즉, 상기 생성물 유출 단계는, 상기 생성물의 촉매가 상기 반응기 내부의 여과부에 잔류하도록 진행하는 것일 수 있다. In one embodiment, as the product discharge step proceeds so that the product passes through the filtration unit inside the reactor, the catalyst in the product may remain in the filtration unit inside the reactor. That is, the step of discharging the product may proceed so that the catalyst of the product remains in the filtration unit inside the reactor.

위에서 설명한 내용의 과정을 바나듐 전해액 제조 공정을 진행하게 되면, 별도의 촉매 지지체 없이도 촉매 반응 진행이 가능하고, 반응 종료 후에도 촉매가 소실되지 않으며, 반응 진행도 빠른 시간 내에 가능하다. When the process described above is performed in the vanadium electrolyte preparation process, the catalytic reaction can proceed without a separate catalyst support, the catalyst does not disappear even after the reaction is completed, and the reaction can proceed quickly.

이하, 실시예로 본 발명의 내용을 설명하지만, 하기 실시예가 본 발명의 내용을 제한하는 것은 아니다. 또한 실시예의 공정은 도 2를 참조하면 어렵지 않게 이해될 수 있다. Hereinafter, the content of the present invention will be described with examples, but the following examples do not limit the content of the present invention. In addition, the process of the embodiment can be easily understood by referring to FIG. 2 .

[실시예 1][Example 1]

1L 부피의 반응기에 오산화 바나듐, 환원제(옥살산), 황산 수용액을 11:8:81의 중량 비율(오산화 바나듐 : 환원제 : 황산수용액)로 공급했다. 상기 반응기는 Glass Reactor였다. 상기 반응기의 온도를 80 ℃에서 3 시간 동안 유지하여 4 가 바나듐 전해액을 제조했다. Vanadium pentoxide, a reducing agent (oxalic acid), and an aqueous sulfuric acid solution were supplied to a 1 L reactor in a weight ratio of 11:8:81 (vanadium pentoxide:reducing agent:sulfuric acid aqueous solution). The reactor was a Glass Reactor. The temperature of the reactor was maintained at 80° C. for 3 hours to prepare a tetravalent vanadium electrolyte.

이후 약 1L의 부피를 가지고, 내벽은 유리 처리(Glass Lined) 되어 있으며, 내부에 Sefar사의 1 ㎛ PP Woven Filter를 설치한 반응기를 준비했다. 상기 필터는 상기 반응기를 유동하는 유체가 상기 필터에 맞닿는 방향으로 설치돼 있다.Thereafter, a reactor having a volume of about 1 L, an inner wall of which is glass-lined, and a 1 μm PP Woven Filter manufactured by Sefar was installed therein was prepared. The filter is installed in a direction in which the fluid flowing through the reactor comes into contact with the filter.

상기 반응기에 위에서 준비한 4 가 바나듐 전해액 10 mL, 포름산 0.186 mL 및 촉매로 촉매 지지체가 없는 FePt 0.06 g을 투입했다.10 mL of the above-prepared tetravalent vanadium electrolyte, 0.186 mL of formic acid, and 0.06 g of FePt without a catalyst support were added to the reactor.

상기 반응기의 온도를 80 ℃ 정도로 유지하면서 상기 반응기 내의 반응을 진행했다. 4 가 바나듐 화합물의 전환율(%, 생성된 3 가 바나듐 화합물의 부피/투입한 4 가 바나듐 화합물의 부피)이 100 %가 되는 시점의 시간을 측정했다. 반응 개시 후 약 1 분이 되는 시점에 4 가 바나듐 화합물의 전환율이 100 %가 됐고, 최종 제품에서 촉매는 검출되지 않았다.The reaction in the reactor proceeded while maintaining the temperature of the reactor at about 80°C. The time at which the conversion rate of the tetravalent vanadium compound (%, the volume of the produced trivalent vanadium compound/the volume of the introduced tetravalent vanadium compound) reached 100% was measured. At about 1 minute after the start of the reaction, the conversion rate of the tetravalent vanadium compound reached 100%, and no catalyst was detected in the final product.

[실시예 2][Example 2]

촉매로 촉매 지지체가 없는 FePt3을 적용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 과정을 진행했다. 반응 개시 후 약 1 분이 되는 시점에 4 가 바나듐 화합물의 전환율이 100 %가 됐고, 최종 제품에서 촉매는 검출되지 않았다.The same procedure as in Example 1 was performed except that FePt 3 without a catalyst support was used as a catalyst. At about 1 minute after the start of the reaction, the conversion rate of the tetravalent vanadium compound reached 100%, and no catalyst was detected in the final product.

[실시예 3][Example 3]

촉매로 촉매 지지체가 없는 CoPt를 적용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 과정을 진행했다. 반응 개시 후 약 3 분이 되는 시점에 4 가 바나듐 화합물의 전환율이 100 %가 됐고, 최종 제품에서 촉매는 검출되지 않았다.The same procedure as in Example 1 was performed except that CoPt without a catalyst support was used as a catalyst. At about 3 minutes after the start of the reaction, the conversion rate of the tetravalent vanadium compound reached 100%, and no catalyst was detected in the final product.

[실시예 4][Example 4]

촉매로 촉매 지지체가 없는 CoPt3을 적용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 과정을 진행했다. 반응 개시 후 약 3 분이 되는 시점에 4 가 바나듐 화합물의 전환율이 100 %가 됐고, 최종 제품에서 촉매는 검출되지 않았다.The same procedure as in Example 1 was performed except that CoPt 3 without a catalyst support was used as a catalyst. At about 3 minutes after the start of the reaction, the conversion rate of the tetravalent vanadium compound reached 100%, and no catalyst was detected in the final product.

이를 통해 본 발명의 방법으로 바나듐 전해액을 제조하는 경우 촉매 지지체가 불필요하고, 촉매의 소실이 없으며, 빠르게 바나듐 전해액을 제조할 수 있음을 확인할 수 있다. Through this, it can be confirmed that when the vanadium electrolyte is prepared by the method of the present invention, a catalyst support is not required, the catalyst is not lost, and the vanadium electrolyte can be rapidly prepared.

Claims (5)

4 가 바나듐 화합물 및 환원제의 반응 생성물 및 고상의 촉매를 포함하는 혼합물을 배출하는 배출부; 및
상기 배출부 측에 위치하고, 복수의 기공을 포함하여 상기 고상의 촉매를 분리하는 여과부;를 포함하는,
바나듐 전해액 제조용 반응기.
a discharge unit for discharging a mixture including a reaction product of a tetravalent vanadium compound and a reducing agent and a solid catalyst; and
A filtration unit located on the side of the discharge unit and including a plurality of pores to separate the solid catalyst;
A reactor for producing vanadium electrolyte.
제1 항에 있어서,
상기 여과부에서 분리된 촉매는 상기 반응기 내부에 잔류하는 것인,
바나듐 전해액 제조용 반응기.
According to claim 1,
The catalyst separated from the filtration unit remains inside the reactor,
A reactor for producing vanadium electrolyte.
제1 항에 있어서,
상기 촉매는 촉매 지지체가 없는 것인,
바나듐 전해액 제조용 반응기.
According to claim 1,
The catalyst is without a catalyst support,
A reactor for producing vanadium electrolyte.
제1 항에 있어서,
상기 촉매는 FePt, FePt3, CoPt, CoPt3 또는 이들의 조합을 포함하는 것인,
바나듐 전해액 제조용 반응기.
According to claim 1,
The catalyst comprises FePt, FePt 3 , CoPt, CoPt 3 or a combination thereof,
A reactor for producing vanadium electrolyte.
제1 항에 있어서,
상기 기공의 평균 크기는 0.5 ㎛ 내지 5 ㎛ 범위 내인 것인,
바나듐 전해액 제조용 반응기.
According to claim 1,
The average size of the pores is in the range of 0.5 μm to 5 μm,
A reactor for producing vanadium electrolyte.
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Catalytic production of impurity-free V3.5+ electrolyte for vanadium redox flow batteries, Nature Communications

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