WO2016064181A1 - Method for reducing membrane permeability of vanadium ion, and vanadium redox battery comprising membrane prepared by same - Google Patents

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노태근
한중진
최형삼
김영제
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율리비치 가돕스키드미트리
그레보비치 세르게예프블라디미르
이프지니이브나 마카에바엘레나
레모비치 코클로프알렉세이
엘렉산드로프나 자카로바율리아
알렉산드로프나 노보스콜체바올가
브라디미로비치 쿠발코프알렉세이
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Abstract

The present invention relates to a method for reducing permeability of a vanadium ion of a cation exchange membrane. Moreover, the present invention relates to a vanadium redox battery which comprises a membrane that has been modified by means of the method such that a vanadium ion, which is to be used in the vanadium redox battery, has low permeability.

Description

바나듐 이온에 대한 막 투과도 감소 방법 및 이 방법에 의하여 제조된 막을 포함하는 바나듐 레독스 배터리Method for reducing membrane permeability for vanadium ions and vanadium redox battery comprising membrane prepared by the method
본 출원은 2014년 10월 21일에 러시아특허청에 제출된 러시아 특허 출원 제 2014142533호의 출원일의 이익을 주장하며, 그 내용 전부는 본 명세서에 포함된다.This application claims the benefit of the date of application of Russian Patent Application No. 2014142533, filed with the Russian Patent Office on October 21, 2014, the entire contents of which are incorporated herein.
본 발명은 양이온 교환 막의 바나듐 이온에 대한 투과도를 감소시키는 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 바나듐 레독스 배터리에서 사용하기 위하여 바나듐 이온에 대한 낮은 투과도를 제공하도록, 상기 방법에 의하여 개질된 막을 포함하는 바나듐 레독스 배터리에 관한 것이다.The present invention relates to a method for reducing the permeability to vanadium ions of a cation exchange membrane. The invention also relates to a vanadium redox battery comprising a membrane modified by the method to provide low permeability to vanadium ions for use in a vanadium redox battery.
산업 발전에 따라 점점 더 많은 에너지를 필요로 하는 반면, 비재생성 에너지 공급원의 세계 보유량이 빠르고 지속적으로 고갈되고 있으며, 이는 새로운 에너지 공급원의 탐색과 이들의 산업적 이용을 위한 방법의 개발을 현대 과학 및 산업의 최우선적 과업의 하나로 만들었다. 강력한 에너지 배터리가 부족한 것은 지속가능한 에너지인 태양과 바람을 대안적인 재생성 에너지 공급원으로서 대규모 시행을 하기 위한 주요 과제이다. 신속하게 충전할 수 있는 에너지 집약 배터리의 부족도 역시 전기 자동차의 대규모 제조 및 사용을 방해하는 주요한 제약이다. While industrial development requires more and more energy, the world reserves of non-renewable energy sources are rapidly and continually depleted, which has led to the discovery of new energy sources and the development of methods for their industrial use in modern science and industry. Made one of our top priorities. The lack of powerful energy batteries is a major challenge for large-scale implementation of sustainable energy, solar and wind as alternative renewable energy sources. The lack of energy-intensive batteries that can be charged quickly is also a major constraint that hinders large-scale manufacturing and use of electric vehicles.
최근 바나듐 레독스 배터리가 에너지 효율, 자본 비용, 라이프사이클 비용 및 특정 요건의 부재의 특정 조합으로 인하여 가장 유망한 종류의 신규한 배터리들 중의 하나로서 고려된다[G. Kean, A. A. Shah, F. C. Walsh. Int . J. Energy Res., 2011, DOI:10 .1002/er.1863]. 레독스 배터리에 있어서, 두 개의 레독스 커플(couples)이 산화와 환원 반응에 의한 에너지 저장을 위하여 전기 활성 물질로서 사용된다. 몇몇 간행물에 기재된 바와 같이[A. Rarasuraman, T. M. Lim, C.Menictas, M. SKyllas-Kazacos. Review of material research and development for vanadium redox flow battery applications. Electrochimica Acta , 101(2013) 27-40; AU Patent No. 575247, AU Patent No. 696452, AU Patent No. 704534, US Patent Nos. 6143443 and 6562514], 바나듐 레독스 배터리의 작용 원리는 4가지의 산화 정도 V(II), V(III), V(IV) 및 V(V)로 존재하는 바나듐의 능력에 기초한다. 일반적인 배터리는 VO2 + / VO2+ 쌍을 함유하는 캐소드 전해질을 갖는 탱크와 V (II) / V (III) 쌍을 함유하는 애노드 전해질을 갖는 탱크를 포함한다. 상기 탱크들로부터 나오는 전해질은 펌프에 의하여 직렬로 또는 병렬로 연결된 전기화학적 셀들의 적층체를 통하여 순환하여 불활성 전극들과 반응을 수행한다. 각 전기화학적 셀은 VO2 + 및 VO2+ 이온을 함유하는 양의 하프 셀 및 V (III) 및 V (II) 이온을 함유하는 음의 하프 셀을 함유한다. 2개의 하프 셀들은 이온 교환 막(ion exchange membrane, IEM)에 의하여 격리되며, 이 이온 교환 막은, 혼합시 배터리 작동 용량의 손실을 초래할 수 있는 상이한 산화 상태를 갖는 바나듐 이온들이 상기 막을 통하여 이동하는 것을 방지하는 배터리의 주요 구성요소이다. 따라서, 바나듐 이온에 대한 낮은 투과도에 더하여, 이상적인 막은 높은 수소 전도도, 산성 용액에서의 우수한 화학적 안정성, 산화제 V(V) 및 환원제 V(II)에 대한 높은 안정성 및 높은 기계적 강도를 가져야 한다. Recent vanadium redox batteries are considered as one of the most promising new batteries due to the particular combination of energy efficiency, capital cost, lifecycle cost and the absence of specific requirements [G. Kean, AA Shah, FC Walsh. Int . J. Energy Res., 2011, DOI: 10. 1002 / er . 1863 ]. In redox batteries, two redox couples are used as the electroactive material for energy storage by oxidation and reduction reactions. As described in some publications [A. Rarasuraman, TM Lim, C. Menictas, M. SKyllas-Kazacos. Review of material research and development for vanadium redox flow battery applications. Electrochimica Acta , 101 (2013) 27-40; AU Patent No. 575247, AU Patent No. 696452, AU Patent No. 704534, US Patent Nos. 6143443 and 6562514], the principle of action of vanadium redox batteries is based on the ability of vanadium to exist at four oxidation degrees V (II), V (III), V (IV) and V (V). The general battery comprises a tank having an anode electrolyte containing the tank and V (II) / V (III ) having a pair of cathode electrolyte containing the VO 2 + / VO 2+ pair. The electrolyte from the tanks circulates through a stack of electrochemical cells connected in series or in parallel by a pump to react with the inert electrodes. Each electrochemical cell comprises a negative half cell containing a 2 + VO and VO 2+ ion positive half-cell and V (III) and V (II) ion-containing. The two half cells are isolated by an ion exchange membrane (IEM), which allows vanadium ions with different oxidation states to move through the membrane, which can result in a loss of battery operating capacity when mixed. It is the main component of the battery to prevent. Thus, in addition to low permeability to vanadium ions, the ideal membrane should have high hydrogen conductivity, good chemical stability in acidic solutions, high stability to oxidizers V (V) and reducing agent V (II) and high mechanical strength.
듀폰에서 제조된 상이한 함량의 설포 잔기를 갖는 나피온(Nafion®)과 같은 설포 함유 공중합체로 제조된 과불소화 막은 높은 수소 전도도, 전해질 용액에 대한 우수한 내구성 및 충분히 높은 기계적 강도를 갖기 때문에 전술한 조건들을 대부분 만족한다. 이러한 막의 주요한 단점은 높은 바나듐 이온 투과도이며, 이는 배터리의 효과 감소를 초래하는 배터리의 자가 방전율의 이유가 된다. The above-mentioned conditions because perfluorinated membranes made from sulfo-containing copolymers such as Nafion® having different amounts of sulfo residues made in DuPont have high hydrogen conductivity, good durability against electrolyte solutions and sufficiently high mechanical strength. Most satisfied with them. The main disadvantage of such membranes is their high vanadium ion permeability, which is the reason for the self-discharge rate of the battery which leads to a decrease in the effect of the battery.
바나듐 이온에 대한 막 투과도를 감소시키고 막의 작동 파라미터들을 개선하기 위한 많은 시도들이 일찍부터 보고되어 왔다. Many attempts have been reported early to reduce membrane permeability for vanadium ions and to improve membrane operating parameters.
이러한 시도 중 하나는 대안적인 중합체 물질들로 제조된 막을 사용하는 것 및 "샌드위치" 타입 복합체 막의 개발이다. 폴리설폰 및 이의 유도체들이 대안적인 중합체 및 공중합체(예, EP patent 0790658), 2 이상의 폴리머들의 혼합물(예, U.S. patent application 2011/0136016), 공중합체(예컨대, U.S. patent application No. 2011/0318644 and No. 2012/0196188, X. Luo et al., J. Phys. Chem . B, 2005, 109, 20310-20314), 텅스토인산(tungstophosphoric acid)으로 처리된 폴리프로필렌/설포 폴리에테르에테르케톤[C. Jia et al., J. Power Sources, 2010, 195, 4380-4383]으로 사용된다. 그러나, 전술한 모든 방법의 공통적인 단점은 나피온 막과 비교하여 바나듐 이온에 대한 막 투과도의 감소가 불충분하다는 것이다(대략 2-10배). One such attempt is the use of membranes made of alternative polymeric materials and the development of "sandwich" type composite membranes. Polysulfones and derivatives thereof are alternative polymers and copolymers (eg EP patent 0790658), mixtures of two or more polymers (eg US patent application 2011/0136016), copolymers (eg US patent application No. 2011/0318644 and No. 2012/0196188, X. Luo et al., J. Phys. Chem . B, 2005, 109, 20310-20314 ), polypropylene / sulfo polyetheretherketone treated with tungstophosphoric acid [ C . Jia et al., is used to J. Power Sources, 2010, 195, 4380-4383]. However, a common disadvantage of all the aforementioned methods is that the reduction in membrane permeability for vanadium ions is insufficient compared to Nafion membranes (approximately 2-10 times).
나피온 막을 바나듐 이온의 투과도를 감소시키기 위하여 개질하기 위한 많은 시도들이 기재되어 있으며, 예컨대 나피온 막의 표면 상에서의 계면 중합을 통하여 나피온 폴리음이온 또는 폴리양이온의 표면에 이소프탈로일 디클로라이드 코팅을 적용하여, 나피온 표면 상에 흡착된 폴리에틸렌이민의 복합체 내에 혼입된 설포기들을 클로로-설포 기들로 전환하도록 하는 것[QTLuo, HM Zhang, J. Chen, P. Qian, Y.F. Zhai, J. Membr . Sci ., 2008, 311, 98], 막 표면 상에서 피롤 및 아닐린의 화학적 중합에 의하여 폴리양이온 배리어를 얻는 것[B. Schwenzer, S. Kim, M. Vijayakumar, Z.G. Yang, J. Liu, J. Membr . Sci ., 2011, 3 372, 11; J. Zeng, C. Jiang, Y. Wang, J. Chen, S. Zhu, B. Zhao, R. Wang, Electrochem . Commun ., 2008, 10, 372], 인시츄로 수행하는 졸-겔 반응을 통하여 테트라에톡시실란과 같은 무기 물질에 의하여 표면을 블록킹하는 것[J. Xi, Z. Wu, X. Qiu, L. Chen, J. Power Sources, 2007, 166, 531; D. Schulte, J. Drillkens, B. Schulte, D.U. Sauer, J. Electrochem . Soc ., 2010, 157, A989; X. Teng, Y. Zhao, J. Xi, Z. Wu, X. Qiu, L. Chen, J. Membr . Sci ., 2009, 341, 149; N. Wang, S. Peng, D. Lu, S. Liu, Y. Liu, K Huang, J Solid State Electrochem ., 2011, 1], 또는 폴리비닐리덴 플루오라이드와 컴파운딩하는 것[Z. Mai, H. Zhang, X. Li, S. Xiao, J. Power Sources, 2011, 196, 5737]이 있다. 전술한 나피온 막의 개질에 대한 시도들은 바나듐 이온에 대한 투과도의 감소를 제공하며, 결과로서 본래 나피온 막과 비교하여 자가 방전율 감소와 쿨롱 효율 및 에너지 효율의 증가를 초래한다. 그러나, 전술한 시도들은 바나듐 이온의 막 투과도를 최대 10배 감소시킬 수 있다. 문헌 [B. Schwenzer, S. Kim, M. Vijayakumar, Z.G. Yang, J. Liu, J. Membr . Sci ., 2011, 372, 11]은 나피온 막의 표면상 에의 아닐린 중합이 바나듐 이온의 막 투과도를 약 100배(two orders of magnitude) 이상의 감소시킨다고 나타내었으나, 활용가능한 분석 방법을 이용하여 좀더 정확한 데이터를 제공하지는 못했다. Many attempts have been made to modify Nafion membranes to reduce the permeability of vanadium ions, for example applying an isophthaloyl dichloride coating to the surface of a Nafion polyanion or polycation via interfacial polymerization on the surface of the Nafion membrane. To convert the sulfo groups incorporated in the complex of polyethyleneimine adsorbed on the Nafion surface to chloro-sulfo groups. [QTLuo, HM Zhang, J. Chen, P. Qian, YF Zhai , J. Membr . Sci ., 2008, 311, 98 ], to obtain a polycation barrier by chemical polymerization of pyrrole and aniline on the membrane surface [B. Schwenzer, S. Kim, M. Vijayakumar, ZG Yang, J. Liu, J. Membr . Sci ., 2011, 3 372, 11 ; J. Zeng, C. Jiang, Y. Wang, J. Chen, S. Zhu, B. Zhao, R. Wang, Electrochem . Commun ., 2008, 10, 372 ], blocking the surface with an inorganic material such as tetraethoxysilane via a sol-gel reaction carried out in situ [J. Xi, Z. Wu, X. Qiu, L. Chen, J. Power Sources, 2007, 166, 531 ; D. Schulte, J. Drillkens, B. Schulte, DU Sauer, J. Electrochem . Soc ., 2010, 157, A989 ; X. Teng, Y. Zhao, J. Xi, Z. Wu, X. Qiu, L. Chen, J. Membr . Sci ., 2009, 341, 149 ; N. Wang, S. Peng, D. Lu, S. Liu, Y. Liu, K Huang, J Solid State Electrochem ., 2011, 1 ], or compounding with polyvinylidene fluoride [Z. Mai, H. Zhang, X. Li, S. Xiao, J. Power Sources, 2011, 196, 5737 ]. Attempts to modify the Nafion membrane described above provide a reduction in permeability to vanadium ions, resulting in a decrease in self discharge rate and an increase in coulomb efficiency and energy efficiency compared to the original Nafion membrane. However, the foregoing attempts can reduce the membrane permeability of vanadium ions up to 10 times. See, B. Schwenzer, S. Kim, M. Vijayakumar, ZG Yang, J. Liu, J. Membr . Sci ., 2011, 372, 11 ] showed that aniline polymerization on the surface of Nafion membranes reduced the membrane permeability of vanadium ions by more than two orders of magnitude, but more accurate data using available analytical methods Did not provide.
본 발명과 가장 가까운 접근은 문헌 [LANeves, J.Benavente, IMCoelhoso, JGCrespo. J. Membr . Sci ., 2010, 347, 42] 및 문헌 [L.A.Neves, I.M.Coelhoso, J.G.Crespo. J. Membr . Sci ., 2010, 360, 363]에 보고되었으며, 이들은 다량의 양이온성 계면활성제를 이온성 액상 양이온의 형태로서 연료 전지용 나피온 막에 도입하는 것을 기재한다. 상기 문헌의 주요 목적은, 연료 전지에서 막 성능에 악영향을 미치는, 고온에서 나피온 막 내에서 발생하는 수분 순실을 감소시키는 것이었다. 상기 양이온성 계면활성제는 계면활성제의 40% (w/w) 수용액 중에 막을 인큐베이션함으로써 막에 첨가되었다. 양이온성 계면활성제는 실제로 나피온 막 내에 임베드되었고, 막 내의 계면활성제의 혼입 정도는 최대로 도달하였으며 (계면활성제와 결합되는 나피온 설포네이트 기의 대략 90%까지), 약 20시간 인큐베이션 후 일정함을 유지하였고, 이는 메탄올과 가스에 대한 막 투과도의 현저한 감소를 초래하였음을 나타내었다. 개질된 막의 고온에서의 수분 손실은 상당히 감소하였다. 그러나, 상기 문헌은 바나듐 이온의 막 투과도 감소를 목적으로 하지 않았으며, 이 연구에는 양이온성 계면화성제에 의한 막의 개질이 바나듐 이온의 투과율에 영향을 미친다는 증거는 포함되어 있지 않다. The closest approach to the invention is described in LANeves, J. Benavente, IM Coelhoso, JG Crespo. J. Membr . Sci ., 2010, 347, 42 and LANeves, IM Coelhoso, JG Crespo. J. Membr . Sci ., 2010, 360, 363 , which describe the introduction of large amounts of cationic surfactants into the Nafion membrane for fuel cells in the form of ionic liquid cations. The main purpose of this document was to reduce the moisture net loss occurring in the Nafion membrane at high temperatures, which adversely affects membrane performance in fuel cells. The cationic surfactant was added to the membrane by incubating the membrane in 40% (w / w) aqueous solution of the surfactant. The cationic surfactant was actually embedded in the Nafion membrane, the degree of incorporation of the surfactant in the membrane reached to the maximum (up to approximately 90% of the Nafion sulfonate groups associated with the surfactant), which was constant after about 20 hours of incubation It was shown that this resulted in a significant decrease in membrane permeability for methanol and gas. The moisture loss at high temperatures of the modified membranes was significantly reduced. However, the document is not intended to reduce the membrane permeability of vanadium ions, and this study does not include evidence that the modification of the membrane by cationic surfactants affects the permeability of vanadium ions.
또 다른 그룹의 연구자들에 의한 문헌[WU Xue-Wen, LIU Su-Qin, HUANG Ke-Long. Characteristics of CTAB as Electrolyte Additive for Vanadium Redox Flow Battery. Journal of Inorganic Materials Vol. 2010, 25 No. 6. 641- 646]은 바나듐 레독스 배터리용으로 설계된 전해질 첨가제로서 양이온성 계면활성제인 세틸트리메틸암모늄 브로마이드(cetyltrimethylammonium bromide)의 사용을 기재하였다. 전해질 조성물에의 계면활성제의 도입은 V(V) 이온의 용해도를 증사시킴으로써 전해질의 농도를 높이고, 산화 / 환원 반응 V (IV) / V (V)을 촉진시키고, 전극의 작동을 향상시켜, 전하 수송 저항성을 낮추기 때문에 배터리 성능에 긍정적인 영향을 갖는다고 나타나있다. 그러나, 바나듐 이온에 대한 막 투과도의 감소는 상기 연구의 목적이 아니었고, 양이온 계면활성제에 의한 전술한 개질이 바나듐 이온에 대한 막 투과도에 효과가 있다는 증거는 제시하지 않았다.Another group of researchers reported: WU Xue-Wen, LIU Su-Qin, HUANG Ke-Long. Characteristics of CTAB as Electrolyte Additive for Vanadium Redox Flow Battery. Journal of Inorganic Materials Vol. 2010, 25 No. 6. 641- 646] have described the use of a cationic surfactant cetyltrimethylammonium bromide (cetyltrimethylammonium bromide) as an electrolyte additive, designed for the vanadium redox battery. The introduction of surfactant into the electrolyte composition increases the concentration of the electrolyte by increasing the solubility of V (V) ions, promotes the oxidation / reduction reaction V (IV) / V (V), improves the operation of the electrode, It has been shown to have a positive effect on battery performance because of lower transport resistance. However, the reduction of membrane permeability for vanadium ions was not the purpose of this study, and there was no evidence that the above modification with cationic surfactants had an effect on membrane permeability for vanadium ions.
따라서, 최근, 바나듐 레독스 배터리에서 개질된 막을 사용하기 위하여, 특히 나피온에서, 바나듐 이온에 대한 양이온 교환 막의 투과도를 상당히 감소시키는 간단하고 실현가능한 방법의 개발에 대한 상당한 요구가 있다.Thus, in recent years, there is a significant need for the development of a simple and feasible method for using modified membranes in vanadium redox batteries, especially in Nafion, which significantly reduces the permeability of cation exchange membranes to vanadium ions.
본 발명은 양이온 교환 막의 바나듐 이온에 대한 투과도를 감소시키는 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 바나듐 레독스 배터리에서 사용하기 위하여 바나듐 이온에 대한 낮은 투과도를 제공하도록, 상기 방법에 의하여 개질된 막을 포함하는 바나듐 레독스 배터리를 제공한다.The present invention relates to a method for reducing the permeability to vanadium ions of a cation exchange membrane. The present invention also provides a vanadium redox battery comprising a membrane modified by the method to provide low permeability for vanadium ions for use in a vanadium redox battery.
본 발명의 일 실시상태는 바나듐 이온에 대한 막의 투과도를 감소시키는 방법을 제공한다. 구체적으로, 상기 방법은 양이온성 계면활성제 또는 상기 양이온성 계면활성제의 혼합물을 함유하는 수용액 또는 염수액 중에 막을 인큐베이션함으로써 양이온성 계면활성제를 막 표면 및 막 내 중 적어도 일부에 도입하는 단계를 포함한다. 일 예에 따르면, 상기 막은 양이온 교환 막이다. 또 하나의 예에 따르면, 상기 막은 설포기를 갖는 중합체 막이다. One embodiment of the present invention provides a method for reducing the permeability of a membrane to vanadium ions. Specifically, the method includes introducing the cationic surfactant to the membrane surface and at least a portion of the membrane by incubating the membrane in an aqueous solution or saline solution containing the cationic surfactant or a mixture of the cationic surfactant. According to one example, the membrane is a cation exchange membrane. According to another example, the membrane is a polymer membrane having sulfo groups.
본 발명에 따르면, 바나듐 이온에 대한 투과도 감소는 양이온성 계면활성제 또는 상기 양이온성 계면활성제의 혼합물을 함유하는 수용액 또는 염수액 중에 막을 인큐베이션함으로써 상기 막에 양이온성 계면활성제(cS)를 도입함으로써 달성된다. 용어 "상기 막에의 계면활성제의 도입"은 상기 양이온성 계면활성제(cS)가 상기 막의 표면 상 및/또는 상기 막의 내부에, 바람직하게는 막의 표면 상 및 내부 모두에 위치할 수 있다는 것을 의미한다.According to the present invention, the decrease in permeability to vanadium ions is achieved by introducing a cationic surfactant (cS) into the membrane by incubating the membrane in an aqueous solution or saline solution containing a cationic surfactant or a mixture of the cationic surfactants. . The term “incorporation of a surfactant into the membrane” means that the cationic surfactant (cS) can be located on the surface of the membrane and / or inside the membrane, preferably both on and inside the membrane. .
본 발명의 상기 실시상태에 따른 방법은 바나듐 이온에 대한 막 투과도를 감소시키게 하며, 바나딜 이온 VO2+의 투과도 측정시, 본래 비개질된 막 투과도에 비하여 5배, 더 바람직하게는 약 10배, 더욱 바람직하게는 약 100배, 더더욱 바람직하게는 약 1,000배, 더더욱 바람직하게는 약 10,000배, 더더욱 바람직하게는 약 100,000배 이상까지 감소된다. The method according to this embodiment of the present invention allows to reduce the membrane permeability to vanadium ions, 5 times, more preferably about 10 times compared to the original unmodified membrane permeability when measuring the permeability of vanadium ion VO 2+ More preferably about 100-fold, even more preferably about 1,000-fold, even more preferably about 10,000-fold, even more preferably about 100,000-fold or more.
본 발명의 또 하나의 실시상태는 애노드, 캐소드 및 상기 애노드와 캐소드 사이에 구비된 분리막을 포함하고, 상기 분리막이 전술한 방법에 의하여 제조된 막인 것인 바나듐 레독스 배터리를 제공한다.Another embodiment of the present invention provides an vanadium redox battery comprising an anode, a cathode, and a separator provided between the anode and the cathode, wherein the separator is a membrane manufactured by the above-described method.
본 발명의 또 하나의 실시상태는 애노드, 캐소드 및 상기 애노드와 캐소드 사이에 구비된 분리막을 포함하고, 상기 분리막이 양이온성 계면활성제 또는 양이온성 계면활성제의 혼합물이 막의 표면 상 및 막 내부 중 적어도 일부에 구비된 막인 것인 바나듐 레독시 배터리를 제공한다. 이와 같은 막은 전술한 방법에 의하여 제조될 수 있다. Another embodiment of the present invention includes an anode, a cathode and a separator provided between the anode and the cathode, wherein the separator is a cationic surfactant or a mixture of cationic surfactants on at least part of the surface of the membrane and inside the membrane. It provides a vanadium redox battery that is a film provided in. Such a film can be prepared by the method described above.
본 발명의 실시상태들에 따른 막은 바나듐 이온에 대한 낮은 투과도를 가지며, 바니딜 이온 VO2+의 투과도 측정시, 6x10-7 cm2 min-1 이하, 5x10-7 cm2 min-1 이하, 더 바람직하게는 1x10-7 cm2 min-1 이하, 더더욱 바람직하게는 1x10-8 cm2 min-1 이하, 더더욱 바람직하게는 1x10-9 cm2 min-1 이하, 더더욱 바람직하게는 1x10-10cm2 min-1 이하이다.The membrane according to the embodiments of the present invention has a low permeability to vanadium ions, 6x10 -7 cm 2 min -1 or less, 5x10 -7 cm 2 min -1 or less, when measuring the permeability of vanidyl ion VO 2+ , more Preferably 1x10 -7 cm 2 min -1 or less, even more preferably 1x10 -8 cm 2 min -1 or less, even more preferably 1x10 -9 cm 2 min -1 or less, even more preferably 1x10 -10 cm 2 min -1 or less.
본 발명에 따른 개질된 막을 포함하는 바나듐 레독스 플로우 배터리는 바나듐 이온에 대한 낮은 투과도를 가지므로, 높은 농도의 염이 막과 계면활성제 사이의 결합을 파괴하지 않는다는 장점이 있다.The vanadium redox flow battery comprising the modified membrane according to the present invention has a low permeability to vanadium ions, so that a high concentration of salt does not break the bond between the membrane and the surfactant.
본 발명의 일 실시상태에 따른 방법은 막의 바나듐 이온에 대한 투과도를 감소시키는 방법이다. The method according to one embodiment of the present invention is a method of reducing the permeability of vanadium ions of the membrane.
구체적으로, 상기 방법은 양이온성 계면활성제 또는 상기 양이온성 계면활성제의 혼합물을 함유하는 수용액 또는 염수액 중에 막을 인큐베이션함으로써 양이온성 계면활성제를 막 표면 및 막 내 중 적어도 일부에 도입하는 단계를 포함한다.Specifically, the method includes introducing the cationic surfactant to the membrane surface and at least a portion of the membrane by incubating the membrane in an aqueous solution or saline solution containing the cationic surfactant or a mixture of the cationic surfactant.
본 발명에 있어서, 용어 "인큐베이션"이란 상기 막을 용액에 노출시키는 것을 의미한다. 노출이란 접촉을 포함한다. In the present invention, the term "incubation" means exposing the membrane to a solution. Exposure includes contact.
일 실시상태에 따르면, 상기 막은 양이온 교환 막이다. 양이온 교환 막으로 사용되는 막이라면 특별히 한정되지 않는다. 예컨대, 상기 양이온 교환 막으로는 음이온성 기, 예컨대 설포기(-SO3H), -SO3 -M+, -COOH, -COO-M+, -PO3H2, -PO3H-M+ 및 -PO3 2-2M+ 중 적어도 하나의 작용기를 갖는 중합체 막이 사용될 수 있으며, 여기서 M은 1가 양이온, 예컨대 Li, Na 또는 K 양이온이다. According to one embodiment, the membrane is a cation exchange membrane. The membrane used as the cation exchange membrane is not particularly limited. For example, the cation exchange membrane to the anionic groups such as sulfo (-SO 3 H), -SO 3 - M +, -COOH, -COO - M +, -PO 3 H 2, -PO 3 H - M + and -PO 3 2- 2M + of the polymer film may be used having at least one functional group, where M is a monovalent cation, such as Li, Na or K cations.
또 하나의 실시상태에 따르면, 상기 막은 설포기를 갖는 중합체 막이다. According to another embodiment, the membrane is a polymer membrane having sulfo groups.
상기 실시상태에 따르면, 설포기 함유 양이온 교환 중합체 막을 양이온성 계면활성제(cS) 또는 상기 양이온성 계면활성제의 혼합물을 함유하는 수용액 또는 염수액 중에 인큐베이션하는 경우, 상기 막에 반대로 대전된 양이온성 계면활성제(cS)가 도입됨으로써 바나듐 이온에 대한 투과도 감소가 달성된다. According to the above embodiment, when the sulfo group-containing cation exchange polymer membrane is incubated in an aqueous solution or saline solution containing a cationic surfactant (cS) or a mixture of the cationic surfactant, the cationic surfactant charged opposite to the membrane. By introducing (cS), a decrease in permeability to vanadium ions is achieved.
또 하나의 실시상태에 따르면, 상기 양이온성 계면활성제는 소수성 모이어티를 갖고, 상기 막은 소수성 단편(fragment)을 포함한다. 상기 양이온성 계면활성제의 소수성 모이어티와 상기 막의 소수성 단편은 소수성 상호작용을 할 수 있다. 예컨대, 상기 양이온성 계면활성제의 소수성 모이어티는 알킬 모이어티이다. According to another embodiment, the cationic surfactant has a hydrophobic moiety, and the membrane includes a hydrophobic fragment. The hydrophobic moiety of the cationic surfactant and the hydrophobic fragment of the membrane can have a hydrophobic interaction. For example, the hydrophobic moiety of the cationic surfactant is an alkyl moiety.
본 발명자들에 의하여 수행된 실험 연구(보다 상세히는 실시예 4 및 5)는 설포 함유 막, 예컨대 나피온-117을 양이온성 계면활성제의 용액 중에 노출시키는 것에 의하여 상기 막에 대부분의 양의 계면활성제가 결합되고(막의 1 설포기당 대략 계면활성제 1 이온), 증류수 중에서 막을 장기간 인큐베이션하거나 물 및/또는 황산 중에서 가열하여도 막으로부터 양이온성 계면활성제(cS)의 주목할만한 침출이 발생하지 않음을 나타내었다. 따라서, 상기 막에 양이온성 계면활성제가 결합하는 주요 작용 힘은 양이온성 계면활성제의 기와 상기 막의 설포기 사이의 정전기적 상호작용인 한편, 계면활성제의 알킬 모이어티와 막의 소수성 단편(fragment) 사이의 소수성 상호작용은 최종 구조의 추가적인 안정화를 제공하는 것으로 추측될 수 있었다. Experimental studies conducted by the present inventors (more specifically Examples 4 and 5) show that most of the amount of surfactant in the membrane by exposing sulfo containing membranes, such as Nafion-117, in a solution of cationic surfactant. Is bound (approximately surfactant 1 ions per sulfo group of the membrane), and no significant leaching of the cationic surfactant (cS) from the membrane occurs even if the membrane is incubated for a long time in distilled water or heated in water and / or sulfuric acid. It was. Thus, the main action force of the cationic surfactant binding to the membrane is the electrostatic interaction between the groups of the cationic surfactant and the sulfo groups of the membrane, while between the alkyl moiety of the surfactant and the hydrophobic fragment of the membrane. Hydrophobic interactions could be assumed to provide additional stabilization of the final structure.
본 발명에 따르면, 상기 설포기를 갖는 중합체 막으로서, 막형성을 위한 산업적 또는 실험적 방법에 의하여 제조된 설폰기 함유 중합체 막이 사용될 수 있으며, 비한정적인 예로는 상이한 함량의 설포기를 갖는 테트라플루오로에틸렌의 공중합체, 예컨대 나피온 막(Nafion®)이 사용될 수 있다. 구체적으로, 나피온 막으로는 나피온 112, 나피온 115, 나피온 117, 나피온 125, 나피온 212, 나피온 NR211, 나피온 NR212, 나피온 1110, 나피온 XL 등이 있다. According to the present invention, as the polymer membrane having the sulfo group, a sulfone group-containing polymer membrane prepared by an industrial or experimental method for film formation can be used, and non-limiting examples are tetrafluoro having different content of sulfo groups. Copolymers of ethylene, such as Nafion®, can be used. Specifically, Nafion 112, Nafion 115, Nafion 117, Nafion 125, Nafion 212, Nafion NR211, Nafion NR212, Nafion 1110, Nafion XL and the like.
상기 막은 2종 이상의 재료를 포함할 수 있으며, 상기 재료의 예로는 술포기를 포함하는 하나 또는 2 이상의 폴리머, 및/또는 카르복시기를 포함하는 하나 또는 2 이상의 폴리머, 및/또는 인기(phosphor-group)를 포함하는 하나 또는 2 이상의 폴리머, 및 추가로 하나 또는 2 이상의 비이온성 폴리머 등이 있다. The membrane may comprise two or more materials, examples of which include one or two or more polymers comprising sulfo groups, and / or one or two or more polymers containing carboxyl groups, and / or phosphor-groups. One or two or more polymers, and further one or two or more nonionic polymers.
일 실시상태에 따르면, 상기 막은 양이온성 계면활성제에 의한 개질 전에 과산화수소 용액 중에서, 황산 용액 중에서, 그리고 증류수 중에서 연이어 가열될 수 있다. According to one embodiment, the membrane may be subsequently heated in a hydrogen peroxide solution, in a sulfuric acid solution, and in distilled water prior to modification with a cationic surfactant.
일 실시상태에 따르면, 상기 막은 양이온성 계면활성제에 의한 개질 후에 과산화수소 용액 중에서, 황산 용액 중에서, 그리고 증류수 중에서 연이어 끓이는 것(boiling)을 수행할 수 있다. According to one embodiment, the membrane may be subjected to subsequent boiling in a hydrogen peroxide solution, in a sulfuric acid solution, and in distilled water after modification by a cationic surfactant.
일 실시상태에 따르면, 상기 막은 양이온성 계면활성제에 의한 개질 전과 후에 각각 과산화수소 용액 중에서, 황산 용액 중에서, 그리고 증류수 중에서 연이어 끓이는 것을 수행할 수 있다.According to an exemplary embodiment, the membrane may be continuously boiled in hydrogen peroxide solution, sulfuric acid solution, and distilled water before and after reforming by a cationic surfactant.
일 실시상태에 따르면, 상기 양이온성 계면활성제는 하기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 화합물 또는 이들의 혼합물을 포함한다.According to one embodiment, the cationic surfactant includes a compound represented by Formula 1 or Formula 2 or a mixture thereof.
[화학식 1] [Formula 1]
Figure PCTKR2015011123-appb-I000001
Figure PCTKR2015011123-appb-I000001
[화학식 2][Formula 2]
Figure PCTKR2015011123-appb-I000002
Figure PCTKR2015011123-appb-I000002
상기 화학식 1 및 2에 있어서, In Chemical Formulas 1 and 2,
R1은 수소, 메틸 또는 에틸이고, R 1 is hydrogen, methyl or ethyl,
R2는 수소, 메틸, 에틸, 페닐, 페닐메틸, 히드록시메틸 또는 히드록시에틸이며, R 2 is hydrogen, methyl, ethyl, phenyl, phenylmethyl, hydroxymethyl or hydroxyethyl,
R3은 수소, C1 내지 C20의 알킬, C6 내지 C20의 아릴, C7 내지 C20의 아릴알킬, C1 내지 C20의 히드록시알킬, (CH2CH2O)nR, 또는 (CH2)pCOO-이고, 여기서 n은 4 내지 100의 정수이고, R은 수소 또는 C1 내지 C20의 알킬이며, p는 1 내지 12의 정수이고, R 3 is hydrogen, C 1 to C 20 alkyl, C 6 to C 20 aryl, C 7 to C 20 arylalkyl, C 1 to C 20 hydroxyalkyl, (CH 2 CH 2 O) n R, Or (CH 2 ) p COO , where n is an integer from 4 to 100, R is hydrogen or alkyl of C 1 to C 20 , p is an integer from 1 to 12,
R4는 C8 내지 C20의 알킬, C8 내지 C20의 히드록시알킬, -COOR',-R"COOR"' 또는 -R"OCOR"'이고, 여기서 R' 및 R"'는 C8 내지 C20의 알킬이고, R"는 C1 내지 C3의 알킬렌이며;R 4 is C 8 to C 20 alkyl, C 8 to C 20 hydroxyalkyl, -COOR ',-R "COOR"' or -R "OCOR"', where R' and R "'are C 8 To C 20 alkyl, R ″ is C 1 to C 3 alkylene;
R5는 C8 내지 C20의 알킬, -COOR',-R"COOR"' 또는 -R"OCOR"'이고, 여기서 R' 및 R"'는 C8 내지 C20의 알킬이고, R"는 C1 내지 C3의 알킬렌이며;R 5 is C 8 to C 20 alkyl, -COOR ',-R "COOR"' or -R "OCOR"', where R' and R "'are alkyl of C 8 to C 20 and R" is C 1 to C 3 alkylene;
X는 음이온기이다.X is an anionic group.
일 예에 따르면, R1은 H, -CH3, 또는 -C2H5이다. According to one example, R 1 is H, —CH 3 , or —C 2 H 5 .
일 예에 따르면, R2는 H, -CH3, -C2H5, -C6H5, -CH2C6H5, -CH2OH, 또는 -C2H4OH이다. According to one embodiment, R 2 is H, —CH 3 , —C 2 H 5 , —C 6 H 5 , —CH 2 C 6 H 5 , —CH 2 OH, or —C 2 H 4 OH.
일 예에 따르면, R3는 H, -CH3, -C2H5, -C6H5, -CH2C6H5, -CH2OH, -C2H4OH, (CH2CH2O)nR(여기서 n은 4 내지 100의 정수, R은 수소 또는 C1-C20 알킬), C8-C18 알킬이다.According to one embodiment, R 3 is H, -CH 3 , -C 2 H 5 , -C 6 H 5 , -CH 2 C 6 H 5 , -CH 2 OH, -C 2 H 4 OH, (CH 2 CH 2 O) n R (where n is an integer from 4 to 100, R is hydrogen or C 1 -C 20 alkyl), C 8 -C 18 alkyl.
일 예에 따르면, R4는 C8-C20 알킬, (CH2)mOH(여기서 m은 8 내지 20의 정수) 또는 -(CH2)kOC(O)(CH2)l(여기서 k는 1 내지 3의 정수, l은 8 내지 18의 정수)이다. According to one example, R 4 is C 8 -C 20 alkyl, (CH 2 ) m OH (where m is an integer from 8 to 20) or — (CH 2 ) k OC (O) (CH 2 ) l where k Is an integer of 1 to 3, l is an integer of 8 to 18).
일 예에 따르면, R5는 C8-C20 알킬, 또는 -(CH2)kOC(O)(CH2)l(여기서 k는 1 내지 3의 정수, l은 8 내지 18의 정수)이다. According to one example, R 5 is C 8 -C 20 alkyl, or — (CH 2 ) k OC (O) (CH 2 ) 1 , where k is an integer from 1 to 3 and l is an integer from 8 to 18. .
일 예에 따르면, X는 -Cl-, -Br-, -CH3OSO3 -, 또는 -C2H5OSO3 -이다. In one example, X is -Cl -, -Br -, -CH 3 OSO 3 -, or -C 2 H 5 OSO 3 - a.
일 실시상태에 따르면, 상기 양이온성 계면활성제는 이중 꼬리를 갖는 계면활성제를 포함하며, 그 예로는 디데실디메틸암모늄 브로마이드, 디옥타데실디메틸암모늄 브로마이드 등이 있다. According to one embodiment, the cationic surfactant includes a surfactant having a double tail, and examples thereof include didecyldimethylammonium bromide, dioctadecyldimethylammonium bromide and the like.
일 실시상태에 따르면, 상기 양이온성 계면활성제는 베타인(betaine)을 포함하며, 그 예로는 GENAGEN CAB (alkylamidopropyl betaines) 및 GENAGEN LAB (alkyldimethyl betaines)이 있으며, 이들은 C8-C18의 알킬을 가지며, GLOBALAMINES에 의하여 제공된다. According to one embodiment, the cationic surfactant includes betaine, for example, GENAGEN alkylamidopropyl betaines (CABN) and GENAGEN alkyldimethyl betaines (LAB), which have C 8 -C 18 alkyl. It is provided by GLOBALAMINES.
일 실시상태에 따르면, 상기 양이온성 계면활성제는 측쇄에 히드록시기를 가지며, 그 예로는 Praepagen HY가 있다. According to one embodiment, the cationic surfactant has a hydroxyl group in the side chain, for example Praepagen HY.
일 실시상태에 따르면, 막 내에 양이온성 계면활성제의 도입은 양이온성 계면활성제 또는 이들의 혼합물을 함유하는 수용액 또는 염수액 중에 막을 약 100oC 내지 약 10 oC의 온도에서 유지함으로써 수행될 수 있다. 온도를 감소시키면 막 내에 양이온성 계면활성제의 흡착 속도를 감소시킬 수 있으며, 양이온성 계면활성제의 용해도를 감소시킬 수 있으므로, 용액 내에서의 막 인큐베이션에 요구되는 시간을 증가시킬 필요가 있다. According to one embodiment, the introduction of the cationic surfactant into the membrane may cause the membrane to be in an aqueous solution or saline solution containing the cationic surfactant or a mixture thereof from about 100 ° C. to about 10 o can be carried out by maintaining at a temperature of C. Reducing the temperature can reduce the adsorption rate of the cationic surfactant in the membrane and can reduce the solubility of the cationic surfactant, thus increasing the time required for membrane incubation in solution.
일 실시상태에 따르면, 용액 내 양이온성 계면활성제의 농도는 약 10-5 M 내지 약 1 M, 바람직하게는 10-3 M 내지 0.5 M, 더 바람직하게는 10-2 M 내지 0.1 M이다. 계면활성제 농도를 5-10 mM 미만으로 낮추는 것은 용액 중에서의 막의 인큐베이션 시간을 증가시킬 필요가 있을 수 있다. According to one embodiment, the concentration of cationic surfactant in the solution is about 10 -5 M to about 1 M, preferably 10 -3 M to 0.5 M, more preferably 10 -2 M to 0.1 M. Lowering the surfactant concentration below 5-10 mM may need to increase the incubation time of the membrane in solution.
용액 중의 양이온성 계면활성제의 절대량은 목적하는 막의 충진 정도 D에 의하여 결정된다: The absolute amount of cationic surfactant in the solution is determined by the degree of packing D of the desired membrane:
D=[cS]bound/[SO3H]membr (1)D = [cS] bound / [SO 3 H] membr (1)
여기서, [cS]bound은 막에 결합되는 양이온성 계면활성제의 양(몰 수)이고, [SO3H]membr는 막 내의 설포 잔기의 절대량이다(몰 수).Wherein [cS] bound is the amount of cationic surfactant bound to the membrane (molar number) and [SO 3 H] membr is the absolute amount of sulfo residues in the membrane (molar number).
[SO3H]membr = (m - mH2O )/ 1100 [SO 3 H] membr = (m-m H2O ) / 1100
여기서, m은 팽윤된 막의 질량(그램, g)이고, mH2O은 실험적으로 결정된 막의 팽윤 정도로부터 계산된 샘플 내 물의 질량이며, 1100은 실시예에서 사용된 나피온 117의 그램 당량(gram equivalent)이고 하나의 설포기당 건조 나피온 중량을 나타낸다. 막의 재료로서 다른 중합체가 사용되는 경우, 1100은 해당 중합체의 설포기당 건조 중량으로 대체될 수 있다. Where m is the mass (gram, g) of the swollen membrane, m H 2 O is the mass of water in the sample calculated from the experimentally determined degree of swelling of the membrane, and 1100 is the gram equivalent of Nafion 117 used in the examples. And dry Nafion weight per sulfo group. If another polymer is used as the material of the membrane, 1100 may be replaced by the dry weight per sulfo group of the polymer.
원하는 충진 정도 D를 얻기 위하여 요구되는 용액 중의 양이온성 계면활성제의 절대량은 계면활성제가 정량적으로 결합하는 것을 가정하여 관계식 (1)에 의하여 결정되며, 따라서 [cS]bound는 용액 중의 양이온성 계면활성제의 총량과 동등하다. 막의 최대 충진 정도를 얻는 것이 요구되는 경우에, 용액 중의 계면활성제는 과량으로 존재할 수 있다.The absolute amount of cationic surfactant in the solution required to obtain the desired degree of packing D is determined by equation (1) assuming that the surfactant binds quantitatively, so [cS] bound is the value of the cationic surfactant in the solution. Equivalent to the total amount. If it is desired to obtain the maximum degree of filling of the membrane, the surfactant in solution may be present in excess.
양이온성 계면활성제 또는 상기 양이온성 계면활성제의 혼합물 용액 중의 막의 유지 시간(retention time)은 양이온성 계면활성제의 농도, 양이온성 계면활성제 및 막의 화학적 성질 및 가공 온도에 의하여 결정될 수 있다. 일반적으로, 계면활성제 용액 중에서의 막 인큐베이션 시간은 약 1 시간 내지 수 주까지, 더 바람직하게는 10시간 내지 48시간으로 다양하다. The retention time of the membrane in the cationic surfactant or a mixture solution of the cationic surfactant may be determined by the concentration of the cationic surfactant, the chemical properties of the cationic surfactant and the membrane, and the processing temperature. In general, the membrane incubation time in the surfactant solution varies from about 1 hour to several weeks, more preferably from 10 hours to 48 hours.
일 실시상태에 따르면, 상기 양이온성 계면활성제 용액은 무기 및/또는 유기 염 및 알칼리 금속 이온 중 적어도 1이상을 더 포함할 수 있다. According to an exemplary embodiment, the cationic surfactant solution may further include at least one of inorganic and / or organic salts and alkali metal ions.
상기 무기 및/또는 유기 염으로는 수용성 저분자량 물질이 사용될 수 있으며, 예컨대 클로라이드, 브로마이드, 설페이트, 포스페이트, 카보네이트, 아세테이트, 옥살레이트 등이 있다. 상기 금속 카운터이온의 예로는 나트륨, 포타슘, 리튬, 세슘, 칼슘, 마그네슘, 란타늄, 구리, 니켈 이온 등이 있다. 개질된 막이 높은 염 및 산 농도(예컨대, 1 M MgSO4, 1 M VOSO4, 2.5 M H2SO4)와 접촉한 채로 두었을 때(적어도 3주간) 바나듐 이온에 대한 극히 낮은 투과도를 유지한다는 사실은 상기와 같은 높은 농도의 염이 막과 계면활성제 사이의 결합을 파괴하지 않고, 결론적으로 상기 결합을 방해하지 않는다는 것을 나타낸다.As the inorganic and / or organic salt, water-soluble low molecular weight materials may be used, such as chloride, bromide, sulfate, phosphate, carbonate, acetate, oxalate and the like. Examples of the metal counterion include sodium, potassium, lithium, cesium, calcium, magnesium, lanthanum, copper, nickel ions, and the like. The fact that the modified membrane maintains extremely low permeability to vanadium ions when left in contact with high salt and acid concentrations (eg, 1 M MgSO 4 , 1 M VOSO 4 , 2.5 MH 2 SO 4 ) (at least 3 weeks). Indicates that such high concentrations of salts do not break the bond between the membrane and the surfactant and consequently do not interfere with the bond.
일 실시상태에 따르면, 상기 양이온성 계면활성제 용액은 무기 또는 유기 산을 더 포함할 수 있다. 상기 무기 또는 유기 산의 예로는 염산, 황산, 인산, 아세트산, 시트르산 등이 있다. According to one embodiment, the cationic surfactant solution may further include an inorganic or organic acid. Examples of the inorganic or organic acid include hydrochloric acid, sulfuric acid, phosphoric acid, acetic acid, citric acid and the like.
본 발명에 따른 방법은 바나듐 이온에 대한 막의 투과도를 본래 비개질된 막 투과도와 비교할 때 5배, 더 바람직하게는 약 10배, 더더욱 바람직하게는 약 100배, 더더욱 바람직하게는 약 1,000배, 더더욱 바람직하게는 약 10,000배, 더더욱 바람직하게는 약 100,000배 이상 감소시킨다. The process according to the invention is 5 times, more preferably about 10 times, even more preferably about 100 times, even more preferably about 1,000 times, even more when comparing the membrane's permeability to vanadium ions with its original unmodified membrane permeability. Preferably at least about 10,000 times, even more preferably at least about 100,000 times.
본 발명에 따른 방법에 의하여 양이온성 계면활성제의 도입에 의하여 얻어진 막은 바나듐 이온에 대하여 낮은 투과도를 가지며, 바나딜 이온 VO2+ 의 투과도 측정시 6x10-7 cm2 min-1 이하, 더 바람직하게는 1x10-7 cm2 min-1 이하, 더더욱 바람직하게는 1x10-9 cm2 min-1 이하, 더더욱 바람직하게는 1x10-10cm2 min-1 이하이다.Membranes obtained by the introduction of cationic surfactants by the method according to the invention have a low permeability to vanadium ions, 6x10 -7 cm 2 min -1 or less, more preferably when measuring the permeability of vanadium ions VO 2+ 1 × 10 −7 cm 2 min −1 or less, even more preferably 1 × 10 −9 cm 2 min −1 or less, even more preferably 1 × 10 −10 cm 2 min −1 or less.
일 실시상태에 따르면, 애노드, 캐소드 및 상기 애노드와 캐소드 사이에 구비된 분리막을 포함하고, 상기 분리막이 전술한 방법에 의하여 제조된 막인 것인 바나듐 레독스 배터리를 제공한다.According to one embodiment, there is provided a vanadium redox battery comprising an anode, a cathode and a separator provided between the anode and the cathode, wherein the separator is a membrane manufactured by the above-described method.
일 실시상태에 따르면, 애노드, 캐소드 및 상기 애노드와 캐소드 사이에 구비된 분리막을 포함하고, 상기 분리막이 양이온 계면활성제 또는 상기 양이온 계면활성제의 혼합물이 막의 표면 상 및 막 내부 중 적어도 일부에 구비된 막인 것인 바나듐 레독스 배터리를 제공한다.According to one embodiment, an anode, a cathode and a separator provided between the anode and the cathode, the separator is a cationic surfactant or a mixture of the cationic surfactant is a membrane provided on the surface of the membrane and at least part of the inside of the membrane It provides a vanadium redox battery.
이온에 대한 막 바나듐 투과도의 결정Determination of Membrane Vanadium Permeability for Ions
바나듐 이온에 대한 막 투과도는, 연구된 막에 의하여 분리된 2개의 동일한 하프 셀로 이루어진 셀을 이용한, 바나딜 이온 V(IV)의 투과도에 의하여 특징지워진다. 2.5 M 황산 중의 1 M VOSO4 수용액을 특정 개구를 통하여 하나의 하프 셀에 넣고, 2.5 M H2SO4 중의 1 M MgSO4 용액을 또 하나의 하프 셀에 넣었다. 각 용액의 부피는 0.8 ml이었고, VOSO4 / MgSO4 용액과 접촉하는 막의 작동 영역은 0.875 cm2이었다. 충진된 셀을 실온에서 교반없이 놓아 두었다. 초기 (비개질된) 막의 투과도를 결정하기 위하여, 막을 통과한 바나듐 이온 농도의 추가 측정을 위하여 충진 후 30-60분 후에, MgSO4를 포함하는 하프 셀로부터 10-200 mkl 분액(aliquot)을 취하였다. 개질된 막의 투과도를 결정하는 경우, 충진 후 4-30일에 MgSO4를 포함하는 하프 셀로부터 용액의 분액을 취하였다. Membrane permeability for vanadium ions is characterized by the permeability of vanadil ion V (IV) using a cell consisting of two identical half cells separated by the studied membrane. A 1 M VOSO 4 aqueous solution in 2.5 M sulfuric acid was placed in one half cell through a specific opening and 1 M MgSO 4 solution in 2.5 MH 2 SO 4 was placed in another half cell. The volume of each solution was 0.8 ml and the working area of the membrane in contact with the VOSO 4 / MgSO 4 solution was 0.875 cm 2 . The filled cell was left at room temperature without stirring. To determine the permeability of the initial (unmodified) membrane, 10-200 mkl aliquots are taken from a half cell containing MgSO 4 after 30-60 minutes after filling for further measurement of vanadium ion concentration through the membrane. It was. When determining the permeability of the modified membrane, aliquots of the solution were taken from the half cell containing MgSO 4 4-30 days after filling.
바나듐 이온 농도는 4-(2-피리딜아조)레소시놀(4-(2-pyridylazo)resorcinol, PAR)과의 색상 반응을 이용하여 하기와 같이 측정하였다. 10 ml 부피 측정 플라스크에, 1 M Na-아세테이트 버퍼 (pH 6.5) 1 ml, PAR 0.1% 수용액 0.5 ml, 상기 샘플 용액 및 2.5 M 황산을 중화시켜 pH를 6.2 - 6.7로 조절하기 위한 것과 대략 동일한 부피의 5M NaOH를 넣었다. 상기 용액 부피는 (2회 증류된) 증류수로 요구되는 값(10 ml)까지 조정되었다. 시험 용액의 부피(분액)를, PAR을 포함하는 부피 측정 플라스크 중의 바나듐 최종 농도가 약 4x10-6 내지 2x10-5 M의 범위 내가 되도록 선택하였다. 상기 용액을 완전히 혼합하고, 흡수 스펙트럼을 450-600 nm 범위에서 기록하였고, pH 6.2 내지 6.7에서 복합체 PAR-V(IV)의 최대 흡수도에 대응하는 540±2 nm 파장에서 광학 밀도를 측정하였다. The vanadium ion concentration was measured as follows using a color reaction with 4- (2-pyridylazo) resosocinol (4- (2-pyridylazo) resorcinol (PAR)). In a 10 ml volumetric flask, approximately 1 volume of 1 M Na-acetate buffer (pH 6.5), 0.5 ml of PAR 0.1% aqueous solution, the sample solution and 2.5 M sulfuric acid to neutralize the pH to 6.2-6.7 5M NaOH was added. The solution volume was adjusted to the required value (10 ml) with distilled water (distilled twice). The volume (separation) of the test solution was chosen such that the final vanadium concentration in the volumetric flask containing PAR was in the range of about 4 × 10 −6 to 2 × 10 −5 M. The solution was mixed thoroughly and the absorption spectra were recorded in the 450-600 nm range and the optical density was measured at a wavelength of 540 ± 2 nm corresponding to the maximum absorbance of the composite PAR-V (IV) at pH 6.2-6.7.
대조구로서, 상기 샘플 용액 대신에 2.5 M H2SO4 중의 MgSO4의 1 M 용액의 분액을 대응하는 샘플 용액의 부피와 동등한 부피로 첨가한 것을 제외하고는, 모든 시약(아세테이트 버퍼, PAR 및 NaOH)를 함유하는 용액을 사용하였다. As a control, all reagents (acetate buffer, PAR and NaOH), except that an aliquot of a 1 M solution of MgSO 4 in 2.5 MH 2 SO 4 was added in a volume equivalent to that of the corresponding sample solution instead of the sample solution. A solution containing was used.
흡광 계수(extinction coefficient, eM)는 부게르-람베르트(Bouguer-Lambert) A=(A540 - A540k) = eMlc 에 따른 검정 커브(calibration curve)에 의하여 결정되었으며, 여기서 A540는 540 nm에서 PAR를 갖는 분석물질 복합체의 광학 밀도이고, A540 k는 540 nm에서 PAR을 갖는 대조구 용액의 광학 밀도이며, eM는 몰 흡광 계수이고, l은 광학 경로(optical path)이며, c는 PAR과 착체를 형성하는 바나딜 이온인 V(IV)의 농도이다. PAR은 충분히 과량으로 존재한다. 실험적으로 측정된 eM는 eM 540=3.57 104 l x mol- 1 x cm- 1 이며, 이는 농도 범위 0.1-1.2 mkg/ml에서 V(V)와의 PAR 복합체에 대하여 문헌 [J.Schneider, l.J. Csanyi , Mikcohimica Acta , 1976, II, 271- 282]에 보고된 eM 545 =3.45 104 l x mol-1 x cm-1와 일치한다. The extinction coefficient (e M ) was determined by a calibration curve according to Bouguer-Lambert A = (A 540 -A 540 k) = e M lc, where A 540 Is the optical density of the analyte complex with PAR at 540 nm, A 540 k is the optical density of the control solution with PAR at 540 nm, e M is the molar extinction coefficient, l is the optical path, c is the concentration of V (IV) which is the vanadyl ion which forms a complex with PAR. PAR is present in sufficient excess. The experimentally measured e M is e M 540 = 3.57 10 4 lx mol - 1 x cm - 1 , which is described for the PAR complex with V (V) in the concentration range 0.1-1.2 mkg / ml [ J. Schneider, lJ Csanyi , Mikcohimica Acta, 1976, coincides with the II, 271- 282] The e M 545 = 3.45 10 4 lx mol -1 x cm -1 reported.
황산 및 마그네슘 설페이트의 존재하에 바나듐 이온의 전술한 측정 방법을 입증하기 위하여, 바나듐 표준 용액을 이용한 특정 대조 연구를 수행하였다. 즉, 표준 VOSO4 용액 (1 mg/ml) 10 mkl를 10 ml 부피 측정 플라스크 세트에 첨가하였고, 각각은 1 M Na-아세테이트 버퍼 (pH 6.5) 1 ml, 0.1 % PAR 수용액 0.5 ml, 및 2.5 M H2SO4 중의 1 M MgSO4 0 to 0.8 ml를 함유한다. 5 M NaOH의 대응하는 동등 부피(즉, 0 내지 0.8 ml)을 중화를 위하여 각 플라스크에 첨가하였다. 상기 시약들을 혼합한 후, 샘플의 부피를 (2회 증류된) 증류수로 10 ml로 조정하였다. 얻어진 샘플의 pH를 6.2 내지 6.5의 범위 내로 조절하였다. MgSO4 및 H2SO4 의 상이한 함량 하에 얻어진 A=(A540 - A540k) 값의 정량은 황산(최종 농도가 0.25 M 까지임)도 최종 농도가 0.08 M까지인 마그네슘 설페이트도 바나듐의 측정의 정확도(accuracy) 및 정확성(correctness)에 영향을 미치지 않는다는 것을 나타낸다. In order to demonstrate the aforementioned method of measuring vanadium ions in the presence of sulfuric acid and magnesium sulfate, a specific control study with vanadium standard solution was conducted. That is, 10 mkl of standard VOSO 4 solution (1 mg / ml) was added to a set of 10 ml volumetric flasks, each containing 1 ml of 1 M Na-acetate buffer (pH 6.5), 0.5 ml of 0.1% aqueous PAR solution, and 2.5 MH. 2 contains a 1 M MgSO 4 0 to 0.8 ml of SO 4. The corresponding equivalent volume of 5 M NaOH (ie 0-0.8 ml) was added to each flask for neutralization. After mixing the reagents, the volume of the sample was adjusted to 10 ml with distilled water (distilled twice). The pH of the obtained sample was adjusted in the range of 6.2 to 6.5. Quantification of the A = (A 540 -A 540 k) values obtained under different contents of MgSO 4 and H 2 SO 4 was carried out to determine the amount of vanadium sulfate with magnesium sulfate with a final concentration of up to 0.25 M and sulfuric acid (up to 0.25 M). It does not affect the accuracy and correctness of the.
PAR과의 복합체 중의 V(IV)의 농도는 실험적으로 측정한 광학 밀도 A540 및 A540 k 및 실험적으로 측정한 흡광 계수를 이용하여 부게르-람베르트 식으로부터 계산하였다. 막을 통과한, 즉 MgSO4를 갖는 하프 셀 내에서의 V(IV)의 농도를 결정하기 위하여, PAR과의 복합체 제조시 샘플의 희석액을 다음과 같이 고려하였다: CV(IV)= Cmeas X Vflask / Vsample, 여기서 CV(IV)는 마그네슘 설페이트를 포함하는 하프 셀 내의 바나듐 이온 농도이고, Cmeas는 PAR과의 복합체 중의 측정된 바나듐 농도이며, Vflask 은 PAR과의 복합체의 제조시 사용된 부피 측정 플라스크의 부피(보통 10 ml)이고, Vsample은 PAR과의 복합체를 제조하기 위하여 MgSO4를 갖는 하프-셀에서 취하여 부피 측정 플라스크에 첨가한 분액의 부피이다. The concentration of V (IV) in the complex with PAR was calculated from the Burger-Lambert equation using experimentally measured optical densities A 540 and A 540 k and experimentally measured extinction coefficients. To determine the concentration of V (IV) in the half cell that passed through the membrane, i.e. with MgSO 4 , the dilution of the sample was considered as follows when preparing the complex with PAR: C V (IV) = C meas X V flask / V sample , where C V (IV) is the vanadium ion concentration in the half cell containing magnesium sulfate, C meas is the measured vanadium concentration in the complex with PAR, and V flask is the preparation of the complex with PAR The volume of the volumetric flask used (usually 10 ml) and V sample is the volume of aliquot taken from the half-cell with MgSO 4 and added to the volumetric flask to prepare a complex with PAR.
바나듐(IV) 이온에 대한 막의 투과도(P)는 문헌 [ ChuankunJia , Jianguo Liu , Chuanwei Yan . Journal of Power Sources, 2010, 195, 4380- 4383]에 주어진 관계식 (2)에 따라 계산되었다.: Vanadium (IV) membrane permeability for ions (P) is described in [ChuankunJia, Jianguo Liu , Chuanwei Yan . Journal of Power Sources, was calculated according to the equation (2) given in 2010, 195, 4380-4383]:
V × c(t) / t = S × P / L (cA - c(t)), (2) V × c (t) / t = S × P / L (c A -c (t)), (2)
여기서, P는 막 투과도(cm2 min-1)이고,V는 마그네슘 설페이트를 포함하는 하프-셀 내의 용액의 부피이며(본 케이스에서 0.8 ml),c(t)는 셀 충진 후 시간 t에서 MgSO4를 함유하는 하프-셀 내의 바나듐 이온의 실험적으로 측정된 농도이고, Where P is the membrane permeability (cm 2 min −1 ), V is the volume of the solution in the half-cell containing magnesium sulfate (0.8 ml in this case), and c (t) is MgSO at time t after cell filling. Experimentally measured concentration of vanadium ions in a half-cell containing 4 ,
t는 분으로 나타내는 시간이며, t is the time in minutes,
S는 용액과 접촉하는 막 면적이고(본 케이스에서 S = 0.785 cm2), S is the membrane area in contact with the solution (S = 0.785 cm 2 in this case),
L은 막의 두께(cm)이며, L is the thickness of the membrane in cm
cA는 VOSO4 (1 M)를 함유하는 하프-셀 내의 바나듐 이온의 초기 농도이다. c A is the initial concentration of vanadium ions in the half-cell containing VOSO 4 (1 M).
당연히, 막을 통한 이온의 분산 속도는 막의 양면 상의 이들의 농도의 차이에 의존하므로, 시간에 따라 감소한다. 따라서, 관계식 (2)로부터 계산된 투과도 값은 시간에 따라 평준화된다. 막의 투과도가 낮은 경우들에 있어서, 시간에 따른 이온의 분산 속도는 거의 일정하다고 추정될 수 있다(J. Xi et all, J. Mater. Chem., 2008, 18, 1232-12314).Naturally, the rate of dispersion of ions through the membrane depends on the difference in their concentration on both sides of the membrane and therefore decreases with time. Therefore, the transmittance value calculated from relation (2) is leveled with time. In cases where the permeability of the membrane is low, the rate of ion dispersion can be estimated to be nearly constant over time ( J. Xi et all, J. Mater. Chem., 2008, 18, 1232-12314) .
막의 두께는 마이크로미터 단위로 측정하였다. The thickness of the membrane was measured in micrometers.
본 발명의 몇몇 실시상태에 따른 막은 낮은 바나듐 이온에 대한 투과도를 갖는다. 투과도는 바나딜 이온 VO2+의 투과도 측정시 6x10-7 cm2 min-1 이하, 5x10-7 cm2 min-1 이하, 더 바람직하게는 1x10-7 cm2 min-1 이하, 더더욱 바람직하게는 1x10-9 cm2 min-1 이하, 더더욱 바람직하게는 1x10-10cm2 min-1 이하이다.Membranes according to some embodiments of the present invention have a low permeability to vanadium ions. The permeability is 6x10 -7 cm 2 min -1 or less, 5x10 -7 cm 2 min -1 or less, more preferably 1x10 -7 cm 2 min -1 or less, even more preferably, when measuring the permeability of vanadil ion VO 2+ . 1 × 10 −9 cm 2 min −1 or less, even more preferably 1 × 10 −10 cm 2 min −1 or less.
본 발명의 실시상태들에 따른 막에 있어서, 막 내의 1개의 음이온성 기 (예컨대, 설포기) 당 양이온성 계면활성제의 양이온성 기의 수는 약 0.01 내지 약 2, 바람직하게는 약 0.2 내지 약 1, 더 바람직하게는 약 0.5 내지 약 1이다. In membranes according to embodiments of the invention, the number of cationic groups of the cationic surfactant per one anionic group (eg, sulfo group) in the membrane is from about 0.01 to about 2, preferably from about 0.2 to about 1, more preferably about 0.5 to about 1.
막의 두께는 목적에 따라 결정될 수 있다. The thickness of the film can be determined depending on the purpose.
본 발명에 따르면, 계면활성제 개질은 막 이온 전도도의 상당한 감소를 초래한다. According to the present invention, surfactant modifications result in a significant decrease in membrane ion conductivity.
본 발명의 일 실시상태는 상기 막을 포함하는 것을 제외하고는 당기술분야에 알려져 있는 바나듐 레독스 배터리의 구성 및 제조방법이 적용될 수 있다. 상기 바나듐 레독스 배터리는 애노드 전해액을 저장하고 애노드 전해액을 애노드에 공급하고, 애노드로부터 유출된 애노드 전해액을 수용하는 애노드 전해액 저장부와, 캐소드 전해액을 저장하고, 캐소드 전해액을 캐소드에 공급하고, 캐소드로부터 유출된 캐소드 전해액을 수용하는 캐소드 전해액 저장부를 더 포함할 수 있다.Exemplary embodiments of the present invention may be applied to the construction and manufacturing method of a vanadium redox battery known in the art, except for including the membrane. The vanadium redox battery stores an anode electrolyte and supplies the anode electrolyte to the anode, an anode electrolyte storage part for receiving the anode electrolyte leaked from the anode, a cathode electrolyte, a cathode electrolyte supplied to the cathode, and a cathode The method may further include a cathode electrolyte storage unit configured to receive the spilled cathode electrolyte.
본 발명은 이하의 실시예에서 더욱 자세히 설명되지만, 여기에 기재된 세부사항들이 제한 사항으로 해석되어서는 안 된다. Although the invention is described in more detail in the following examples, the details described herein should not be construed as limitations.
실시예 Example
실시예 1(비교예) Example 1 (comparative example)
나피온 막(Nafion 117, DuPont)을 증류수 (1 시간), 3% H2O2 (1.5 시간), 증류수 (1 시간), 0.5 M H2SO4 (1.5 시간), 증류수(1 시간) 중에서 연속적으로 끓임으로써 준비하였다. 전술한 방법을 이용하여 이온 V(IV)에 대한 막의 투과도를 측정하였다. 물 중에서 또는 2.5 M H2SO4 중에서 팽윤된 막의 두께는 60 마이크로미터였다. 셀 충진 후 30분 및 60분 내에, MgSO4를 포함하는 하프 셀 내의 바나듐 이온의 농도는 각각 28 mM 및 47 mM이었다. 식 (2)에 의하여 계산된 막의 평균 투과도는 6.2 × 10-6 cm2/min (30 분 인큐베이션) 및 5.2 × 10-6 cm2 min-1 (충진된 셀이 실온에서 60분간 인큐베이션되었음)이었다. 막의 이온전도도는 표준 임피던스 스펙트로스코피 방법에 의하여 측정되었으며, 0.1 S/sm이었다. The Nafion membrane (Nafion 117, DuPont) was continuous in distilled water (1 hour), 3% H 2 O 2 (1.5 hours), distilled water (1 hour), 0.5 MH 2 SO 4 (1.5 hours), distilled water (1 hour) Prepared by boiling. The permeability of the membrane to ion V (IV) was measured using the method described above. The thickness of the swollen film in water or in 2.5 MH 2 SO 4 was 60 micrometers. Within 30 and 60 minutes after cell filling, the concentration of vanadium ions in the half cell containing MgSO 4 was 28 mM and 47 mM, respectively. The average permeability of the membrane calculated by equation (2) was 6.2 × 10 −6 cm 2 / min (30 min incubation) and 5.2 × 10 −6 cm 2 min −1 (filled cells were incubated at room temperature for 60 minutes). . The ion conductivity of the membrane was measured by standard impedance spectroscopy method and was 0.1 S / sm.
실시예 2Example 2
규모 약 4x3 cm를 갖는 물-팽윤된 나피온 막(Nafion 1110, DuPont)을 실시예 1에 기재한 바와 같이 준비하고, 도데실트리메틸암모늄 클로라이드 용액 10mM 20 ml에 넣고 상온에서 16시간 놓아두었다. 그 후, 상기 막을 2회 증류된 증류수로 완전히 세척하고, 바나듐에 대한 투과도를 측정하기 위하여 셀 내에 넣었다. 정확히 1주일 내에, 마그네슘 설페이트를 포함하는 하프-셀로부터의 용액을 정량하여 10 ml 부피 측정 플라스크에 옮기고, 전술한 과정에 따른 바나듐 농도 측정을 위하여 필요한 시약을 첨가하고, 부피를 10 ml로 조정하고, 상기 용액을 완전히 교반하고, 생성물의 pH(pH = 6.4)를 조절하고, 흡수도를 측정하였다. MgSO4를 포함하는 하프-셀 내의 바나듐 이온의 농도는 0.1 mM이었다. 상기 개질 후 막의 두께는 65 마이크로미터였다. 식 (2)를 이용하여 계산된 막 투과도는 6.6 × 10-11 cm2/min이었다. 막의 이온전도도는 0.003 S/sm이었다.A water-swelled Nafion membrane (Nafion 1110, DuPont) having a scale of about 4 × 3 cm was prepared as described in Example 1, placed in 20 ml of 10 mM dodecyltrimethylammonium chloride solution and left at room temperature for 16 hours. The membrane was then washed thoroughly with distilled distilled water twice and placed in the cell to measure the permeability to vanadium. Exactly within a week, the solution from the half-cell containing magnesium sulfate is quantified and transferred to a 10 ml volumetric flask, the necessary reagents are added for the determination of vanadium concentration according to the procedure described above, and the volume is adjusted to 10 ml. The solution was stirred thoroughly, the pH of the product (pH = 6.4) was adjusted and the absorbance measured. The concentration of vanadium ions in the half-cell containing MgSO 4 was 0.1 mM. The thickness of the membrane after the modification was 65 micrometers. The membrane permeability calculated using Equation (2) was 6.6 × 10 −11 cm 2 / min. The ion conductivity of the membrane was 0.003 S / sm.
실시예 3Example 3
나피온 막(Nafion117)을 실시예 1에 기재한 바와 같이 준비하였다. 준비된 막(대략 3 × 3 cm)을 도데실아민 하이드로클로라이드의 15 mM 용액 15 ml에 넣었다. 즉, 10 g DDA(도데실아민)를 15 ml 2회 증류된 물과 혼합하고, 이어서 농축된 HCl 용액을 첨가하여 pH 2로 조절하였다. 유리병(vial)을 인큐베이터에 넣고, 50oC에서 하루동안 인큐베이션하여 계면활성제를 용해하였다. 막을 계면활성제 용액을 함유하는 유리병에 넣고 50oC의 온도 조절 장치에서 7일간 유지하였다. 막 투과도는 실시예 2에 기재한 바와 같이 측정하였다. 셀 로딩하고 7일 후, MgSO4를 포함하는 하프-셀 내의 바나듐 농도는 0.06 mM이었다. 막 두께는 65 mkm이었다. 식 (2)를 이용하여 계산된 막 투과도는 3.94 × 10-11 cm2/min 이었다. 막의 이온전도도는 0.0017 S/sm이었다.Nafion membrane (Nafion117) was prepared as described in Example 1. The prepared membrane (approximately 3 × 3 cm) was placed in 15 ml of a 15 mM solution of dodecylamine hydrochloride. That is, 10 g DDA (dodecylamine) was mixed with 15 ml distilled water twice and then adjusted to pH 2 by addition of concentrated HCl solution. Vials were placed in an incubator and incubated at 50 ° C. for one day to dissolve the surfactant. The membranes were placed in glass jars containing the surfactant solution and held for 7 days at a temperature controller of 50 ° C. Membrane permeability was measured as described in Example 2. Seven days after cell loading, the vanadium concentration in the half-cell containing MgSO 4 was 0.06 mM. The film thickness was 65 mkm. The membrane permeability calculated using Equation (2) was 3.94 × 10 −11 cm 2 / min. The ion conductivity of the membrane was 0.0017 S / sm.
실시예 4Example 4
양이온성 계면활성제 용액 중에서의 막의 인큐베이션 시간이 바나듐 이온에 대한 투과도에 미치는 효과를 연구하였다. 이를 위하여, 실시예 1에 기재한 바와 같이 준비한 나피온-117 막 5개의 샘플(약 4 × 3 cm)을 운데실피리디늄 브로마이드 10 mM 용액 15 ml 각각에 넣고, 실온에서 1시간, 3시간, 5시간, 16시간 및 24시간 유지하였다. 막을 물로 세척하고, 투과도를 실시예 2에 기재한 바와 같이 측정하였다. 측정 결과를 표 1에 요약하였다. The effect of membrane incubation time in the cationic surfactant solution on the permeability to vanadium ions was studied. To this end, 5 samples (approximately 4 × 3 cm) of five Nafion-117 membranes prepared as described in Example 1 were placed in 15 ml of 10 mM solution of undecylpyridinium bromide, respectively, at room temperature for 1 hour, 3 hours, 5 hours, 16 hours and 24 hours were maintained. The membrane was washed with water and the permeability was measured as described in Example 2. The measurement results are summarized in Table 1.
막 처리 시간Membrane treatment time 셀을 충진한 후 시간 (sampling moment)Sampling moment after filling the cell MgSO4를 갖는 하프-셀 내의 VO2+ 농도, mMVO 2+ concentration in half-cell with MgSO 4 , mM 막 투과도, cm2/minMembrane permeability, cm 2 / min
1 시간1 hours 3 시간3 hours 1212 4.4×10-7 4.4 × 10 -7
3 시간3 hours 3 일3 days 0.30.3 4.6×10-10 4.6 × 10 -10
5 시간5 hours 7 일7 days 0.60.6 3.9×10-10 3.9 × 10 -10
16 시간16 hours 7 일7 days 0.60.6 3.9×10-10 3.9 × 10 -10
24 시간24 hours 7 일7 days 0.30.3 2.0×10-10 2.0 × 10 -10
상기 데이터는 양이온성 계면활성제 10 mM 용액 중에 상기 막을 단지 3 시간 인큐베이션하는 것이 본래의 비개질된 나피온 막과 비교할 때 바나듐에 대한 막 투과도의 대략 10배를 감소시킨다는 것을 나타낸다. The data indicate that only 3 hours of incubation of the membrane in a 10 mM solution of cationic surfactant reduces approximately 10 times the membrane permeability to vanadium as compared to the original unmodified Nafion membrane.
실시예Example 5 5
막 개질의 정도가 막의 바나딜 이온에 대한 투과도에 미치는 효과를 평가하였다. 상기와 같이 준비된 Nafion-117 막 샘플을 양이온성 계면활성제 세틸 피리디늄 클로라이드(cetyl pyridinium chloride, CPC)로 개질하였고, 용액 중의 양이온성 계면활성제의 농도는 최대 l= 259 nm에서의 흡광도 값에 의하여 분광분석적으로(spectrophotometrically) 측정될 수 있다(몰 흡광 계수(molar extinction coefficient) = em4100 l mol-1 cm-1). The effect of the degree of membrane modification on the permeability of vanadil ions of the membrane was evaluated. The Nafion-117 membrane sample prepared as described above was modified with a cationic surfactant cetyl pyridinium chloride (CPC), and the concentration of cationic surfactant in the solution was determined by absorbance values at maximum l = 259 nm. It can be measured spectrophotometrically (molar extinction coefficient = e m 4100 l mol -1 cm -1 ).
실험을 다음과 같이 수행하였다. 약 0.1 g의 중량을 갖는 막 샘플 3개 각각(규모 2 × 2 cm)을 2회 증류된 물 5 ml 및 상이한 함량의 CPC을 함유하는 개별 유리병에 넣었다. The experiment was performed as follows. Each of three membrane samples (2 × 2 cm in size) weighing about 0.1 g were placed in separate glass bottles containing 5 ml of distilled water twice and different amounts of CPC.
상기 막의 각 샘플 중의 설포-잔기(몰수)의 절대량을 측정하기 위하여, 50oC에서 일정한 중량이 될 때까지 팽윤된 막 샘플을 건조함으로써 팽윤된 막 샘플 중의 수분 함량을 측정하였다. 미리 준비된 나피온-117 막의 물 중에서 팽윤된 상태의 수분 함량은 25%이었다. 하나의 설포기 당 나피온의 건조 중량에 대응하는 나피온 117의 그램 당량(gram equivalent)이 1100이라는 사실을 고려할 때, 각 막의 샘플 중 설포기의 절대량은 하기와 같았다:To determine the absolute amount of sulfo-residues (moles) in each sample of the membrane, the water content in the swollen membrane sample was measured by drying the swollen membrane sample until constant weight at 50 ° C. The water content of the previously prepared Nafion-117 membrane in water in the swollen state was 25%. Given the fact that the gram equivalent of Nafion 117, corresponding to the dry weight of Nafion per one sulfo group, is 1100, the absolute amount of sulfo groups in the sample of each membrane was as follows:
[SO3H]membr = 0.1 g × 0.75 / 1100 g/mol = 6.82 × 10- 5 mol. [SO 3 H] membr = 0.1 g × 0.75 / 1100 g / mol = 6.82 × 10 - 5 mol.
막 내의 모든 설포-기가 양이온성 계면활성제의 이온과 결합할 수 있다고 가정할 때, 10 mM CPC 1.36 ml (샘플 번호 1, [CPC] / [SO3]의 몰비 = 0.2), 10 mM CPC 3.4 ml (샘플 번호 2, [CPC] / [SO3]의 몰비 = 0.5) 및 10 mM CPC 6.82 ml (샘플 번호 3, [CPC] / [SO3]의 몰비 = 1.0)를 샘플들에 첨가하였다. 용액 중의 CPC 농도는 2일 및 5일 내에 각 용액에 대하여 분광분석적으로 측정하였다. 상기 막에 결합된 계면활성제의 양 [cS]bound 은 주위 배지 중의 CPC 농도의 감소에 의하여 측정되었다. Assuming that all sulfo-groups in the membrane can bind the ions of the cationic surfactant, 1.36 ml of 10 mM CPC (molar ratio of Sample No. 1, [CPC] / [SO 3 ] = 0.2), 10 ml CPC 3.4 ml (Molar ratio of sample number 2, [CPC] / [SO 3 ] = 0.5) and 6.82 ml of 10 mM CPC (molar ratio of sample number 3, [CPC] / [SO 3 ] = 1.0) were added to the samples. The CPC concentration in the solution was determined spectroscopically for each solution within 2 and 5 days. The amount [cS] bound of the surfactant bound to the membrane was measured by decreasing the CPC concentration in the surrounding medium.
2일 내에, 계면활성제의 대부분의 양이 막에 흡착된 것으로 나타났다(용액 중의 잔류 CPC 농도는 첨가된 양의 2%를 초과하지 않았다.Within 2 days, most of the surfactant appeared to be adsorbed on the membrane (residual CPC concentration in solution did not exceed 2% of the added amount.
따라서, 막의 개질(충진) 정도 D = [cS]bound / [SO3H]가 0.2, 0.5 및 1인 개질된 막의 3개의 샘플을 얻고, 실시예 2에 기재한 바와 같이 바나듐 이온에 대한 막 투과도 및 막 이온 전도성의 측정을 위하여 사용되었다. 결과를 표 2에 요약하였다. Thus, three samples of the modified membrane with the degree of modification (filling) of the membrane D = [cS] bound / [SO 3 H] of 0.2, 0.5 and 1 were obtained and the membrane permeability to vanadium ions as described in Example 2 And for measurement of membrane ion conductivity. The results are summarized in Table 2.
막의 충진 정도Membrane filling degree 셀 로딩 후 시간 (sampling moment)Sampling moment after cell loading MgSO4를 갖는 하프-셀 내의 VO2+ 농도, mMVO 2+ concentration in half-cell with MgSO 4 , mM 막 투과도cm2/minMembrane permeability cm 2 / min 막 이온 전도도Membrane ion conductivity
미개질 막Unmodified membrane 0.5 시간0.5 hour 2828 6.2 ×10-6 6.2 × 10 -6 0.10.1
0.20.2 2 시간2 hours 1010 5.5×10-7 5.5 × 10 -7 0.090.09
0.50.5 3 일3 days 66 9.2×10-9 9.2 × 10 -9 0.0170.017
1One 7 일7 days 0.10.1 6.6×10-11 6.6 × 10 -11 0.00160.0016
상기 제시된 데이터는 적은 충진 정도에서도(D = 0.2), 바나듐 이온에 대한 막의 투과도가 거의 10배 감소된다는 것을 나타낸다. 계면활성제의 등몰 결합(equimolar binding of surfactant)(막의 1 설포기당 1 계면활성제 이온)은 대략 100,000배의 투과도를 감소시킨다는 것을 나타낸다. The data presented above show that even at a small degree of filling (D = 0.2), the permeability of the membrane to vanadium ions is reduced by almost 10 times. The equimolar binding of surfactant (one surfactant ion per one sulfo group of the membrane) indicates a decrease of approximately 100,000 times permeability.
실시예 6Example 6
나피온 막(Nafion1100, DuPont)을 실시예 1에 기재한 바와 같이 준비하였다. 규모 약 4x3 cm를 갖는 물-팽윤된 막을 준비하고, 도데실피리디늄 클로라이드 15 mM 용액 15 ml에 넣고, 실온에서 16 시간 유지하도록 두었다. 막 투과도는 실시예 2에 기재한 바와 같이 측정하였다. 셀 로딩하고 21일 내, MgSO4를 함유하는 하프-셀 내 바나듐 농도는 3 mM이었다. 팽윤된 개질된 막의 두께는 65 마이크로미터이었다. 식 (2)를 이용하여 계산된 막 투과도는 6.6 × 10-10 cm2/min이었다. 막의 이온전도도는 0.0017 S/sm이었다.Nafion membranes (Nafion1100, DuPont) were prepared as described in Example 1. Water-swelled membranes having a scale of about 4 × 3 cm were prepared, placed in 15 ml of 15 mM dodecylpyridinium chloride solution and left to hold at room temperature for 16 hours. Membrane permeability was measured as described in Example 2. Within 21 days of cell loading, the vanadium concentration in the half-cell containing MgSO 4 was 3 mM. The thickness of the swollen modified film was 65 micrometers. The membrane permeability calculated using Equation (2) was 6.6 × 10 −10 cm 2 / min. The ion conductivity of the membrane was 0.0017 S / sm.
실시예 7Example 7
나피온 막(Nafion 1110, DuPont)을 실시예 1에 기재한 바와 같이 준비하였다. 규모 약 3x3 cm를 갖는 준비된 막을 세틸피리디늄 클로라이드 10 mM 용액 15 ml에 넣고, 약 100oC에서 7시간 동안 인큐베이션하였다. 막 투과도를 실시예 2에 기재한 바와 같이 측정하였다. 셀 로딩하고 7일 후, MgSO4를 갖는 하프-셀 내 바나듐 농도는 0.1mM이었다. 막 두께는 65 마이크로미터이었다. 식 (2)를 이용하여 계산된 막 투과도는 6.6 × 10 -11 cm2/min이었다. 막의 이온전도도는 0.0016 S/sm이었다.Nafion membrane (Nafion 1110, DuPont) was prepared as described in Example 1. Prepared membranes having a scale of about 3 × 3 cm were placed in 15 ml of 10 mM cetylpyridinium chloride solution and incubated at about 100 ° C. for 7 hours. Membrane permeability was measured as described in Example 2. Seven days after cell loading, the vanadium concentration in the half-cell with MgSO 4 was 0.1 mM. The film thickness was 65 micrometers. The membrane permeability calculated using Equation (2) was 6.6 × 10 −11 cm 2 / min. The ion conductivity of the membrane was 0.0016 S / sm.
실시예 8Example 8
나피온 막(Nafion 1110, DuPont)을 실시예 1에 기재한 바와 같이 준비하였다. 준비된 막(대략 3 × 3 cm)을 세틸트리메틸암모늄 브로마이드 70 mM 용액 15 ml에 넣고, 약 50oC에서 48시간 동안 인큐베이션하였다. 막 투과도를 실시예 2에 기재한 바와 같이 측정하였다. 셀 로딩하고 430시간(대략 18일) 후, MgSO4를 갖는 하프-셀 내 바나듐 농도는 0.089 mM이었다. 식 (2)를 이용하여 계산된 막 투과도는 2.3 × 10 -11 cm2/min 이었다.Nafion membrane (Nafion 1110, DuPont) was prepared as described in Example 1. The prepared membrane (approximately 3 × 3 cm) was placed in 15 ml of cetyltrimethylammonium bromide 70 mM solution and incubated at about 50 ° C. for 48 hours. Membrane permeability was measured as described in Example 2. After 430 hours (approximately 18 days) of cell loading, the vanadium concentration in the half-cell with MgSO 4 was 0.089 mM. The membrane permeability calculated using Equation (2) was 2.3 × 10 −11 cm 2 / min.
실시예 9Example 9
나피온 막(Nafion-117)을 실시예 1에 기재한 바와 같이 준비하였다. 준비된 막(대략 3x4 cm)을 Praepagen HY 용액 10 ml에 넣었다. 제조자에 의하여 지시된 바와 같이, Praepagen HY은 일반식 R1R2R3R4N+X-, 여기서 R1=R2=CH3, R3=(CH2)2OH, R4=C10-C20 알킬, 주로 C12 (대략 65-70%) 및 C14 (약 23-28%)의 혼합물, X=Cl인 양이온성 계면활성제의 혼합물의 대략 40% (wt)의 수용액이다. 용액을 준비하기 위하여 2회 증류된 증류수 10 ml에, Praepagen HY 약 40% 용액 75 mkl를 첨가하였다.Nafion membrane (Nafion-117) was prepared as described in Example 1. The prepared membrane (approximately 3 × 4 cm) was placed in 10 ml of Praepagen HY solution. As it described by the manufacturer's instructions, Praepagen HY of the general formula R 1 R 2 R 3 R 4 N + X -, where R 1 = R 2 = CH 3 , R 3 = (CH 2) 2 OH, R 4 = C 10 is an aqueous solution of -C 20 alkyl, mainly C 12 (approximately 65-70%) and C 14 (about 23-28%) mixture, approximately 40% (wt) of the X = Cl the cationic surfactant mixtures of the. To 10 ml of distilled water distilled twice to prepare a solution, 75 mkl of Praepagen HY about 40% solution was added.
상기 막을 상기에서 제조한 용액에 넣고, 실온에서 20시간 유지하였다. 막 투과도를 실시예 2에서 기재한 바와 같이 측정하였다. 셀 로딩하고 7일 후, MgSO4를 갖는 하프-셀 내 바나듐 농도는 0.5 mM이었다. 막 두께는 65 mkm이었다. 식 (2)를 이용하여 계산된 막 투과도는 3.3 × 10-10 cm2/min 이었다. 막의 이온전도도는 0.0017 S/sm이었다.The membrane was placed in the solution prepared above and kept at room temperature for 20 hours. Membrane permeability was measured as described in Example 2. Seven days after cell loading, the vanadium concentration in the half-cell with MgSO 4 was 0.5 mM. The film thickness was 65 mkm. The membrane permeability calculated using Equation (2) was 3.3 × 10 −10 cm 2 / min. The ion conductivity of the membrane was 0.0017 S / sm.
실시예 10Example 10
상기 막에 대한 양이온성 계면활성제의 결합 안정성을 연구하였다. 이 목적을 위하여, 실시예 6에 따라 얻어진 막을 2회 증류된 물의 50 ml 중에서 2주간 인큐베이션하였다. 탈착된 계면활성제(도데실피리디늄 클로라이드, DDPC)의 양을 분광분석적으로 측정하였다(eM=4100 l mol- 1 cm-1). 용액 중의 DDPC농도는 1.5 × 10-5M이었고, 이는 1% 미만의 탈착정도에 대응한다. 식 (2)를 이용하여 계산된 막 투과도는 실시예 6의 초기 개질된 막과 비교할 때 변화하지 않았고, 6.6 × 10-10 cm2/min 이었다.The binding stability of the cationic surfactant to the membrane was studied. For this purpose, the membrane obtained according to Example 6 was incubated for two weeks in 50 ml of twice distilled water. The amount of desorbed surfactant (dodecylpyridinium chloride, DDPC) was determined spectroscopically (e M = 4100 l mol - 1 cm -1 ). The DDPC concentration in the solution was 1.5 × 10 −5 M, which corresponds to a degree of desorption of less than 1%. The membrane permeability calculated using Equation (2) did not change as compared to the initial modified membrane of Example 6 and was 6.6 × 10 −10 cm 2 / min.
실시예 11Example 11
막에 대한 양이온성 계면활성제의 결합 안정성에 대한 고온의 효과를 연구하였다. 이 목적을 위하여, 실시예 6에 따라 얻어진 막을 증류수 100 ml 중에서 1 시간 끓였다. 용액 내 DDPC 농도는 분광분석법에 의하여 측정될 수 없었으며, 이는 탈착정도가 1% 미만이었음을 나타낸다. 식 (2)를 이용하여 계산된 막 투과도는 변화하지 않았고, 6.6 × 10-10 cm2/min 이었다.The effect of high temperatures on the binding stability of cationic surfactants to membranes was studied. For this purpose, the membrane obtained according to Example 6 was boiled in 100 ml of distilled water for 1 hour. The DDPC concentration in the solution could not be determined by spectroscopy, indicating that the degree of desorption was less than 1%. The membrane permeability calculated using Equation (2) did not change, and was 6.6 × 10 −10 cm 2 / min.
실시예 12Example 12
황산 중에서의 준비가 양이온성 계면활성제/막 결합에 미치는 영향을 연구하였다. 이 목적을 위하여 실시예 6에 따라 제조된 막을 0.5 M H2SO4 40 ml에서 1시간, 2회 증류된 증류수 40 ml에서 1시간 연속적으로 끓었다. 식 (2)를 이용하여 계산된 막 투과도는 1.6 × 10-9 cm2/min, 즉 약 2.4배 증가하였고, 본래 비개질된 막의 투과도에 비하여 약 1,000배 아래를 유지하였다. The effect of preparation in sulfuric acid on cationic surfactant / membrane binding was studied. For this purpose the membrane prepared according to Example 6 was boiled continuously for 1 hour in 40 ml of 0.5 MH 2 SO 4 and 40 ml of distilled water distilled twice for 1 hour. The membrane permeability calculated using Equation (2) increased 1.6 × 10 −9 cm 2 / min, or about 2.4 times, and remained below about 1,000 times compared to the permeability of the original unmodified membrane.
실시예 13Example 13
나피온 막(Nafion 1110, DuPont)을 실시예 1에 기재한 바와 같이 준비하였다. 준비된 막(약 3 × 3 cm)을 세틸피리디늄 클로라이드 용액 10 mM 15 ml에 넣고 실온에서 2시간 유지하도록 두었다. 상기 막을 물로 완전히 세척하고, 150oC에서 24시간 어닐링하였다. 상기 막을 2회 증류된 물 50 ml 중에 밤새 인큐베이션한 후, 그것의 투과도를 실시예 2에 기재된 바와 같이 측정하였다. 셀 로딩하고 7일 후 MgSO4를 갖는 하프-셀 내의 바나듐 농도는 0.1 mM 이었다. 막 두께는 65 mkm이었다. 식 (2)를 이용하여 계산된 막 투과도는 6.6 × 10-11 cm2/min 이었다. Nafion membrane (Nafion 1110, DuPont) was prepared as described in Example 1. The prepared membrane (about 3 x 3 cm) was placed in 15 ml of 10 mM cetylpyridinium chloride solution and kept at room temperature for 2 hours. The membrane was washed thoroughly with water and annealed at 150 ° C. for 24 hours. Stop the film After overnight incubation in 50 ml of distilled water twice, its permeability was measured as described in Example 2. The vanadium concentration in the half-cell with MgSO 4 after 7 days of cell loading was 0.1 mM. The film thickness was 65 mkm. The membrane permeability calculated using Equation (2) was 6.6 × 10 −11 cm 2 / min.
실시예 14Example 14
나피온 막(Nafion1100, DuPont)을 실시예 1에 기재한 바와 같이 준비하였다. 물-팽윤되어 준비된 막(0.23 g)을 디데실디메틸암모늄 브로마이드(didecyldimethylammonium bromide) 0.005 M 20 ml에 넣고([cS]/[SO3H]membr = 0.7), 실온에서 36시간 인큐베이션하였다. 막 투과도를 실시예 2에 기재된 바와 같이 측정하였다. 셀 로딩하고 11일 후, MgSO4를 갖는 하프-셀 내의 바나듐 농도는 0.9 mM 이었다. 막 두께는 65 mkm이었다. 식 (2)를 이용하여 계산된 막 투과도는 4.0 × 10 -10 cm2/min 이었다. 막의 이온전도도는 0.0017 S/sm이었다.Nafion membranes (Nafion1100, DuPont) were prepared as described in Example 1. A water-swelled membrane prepared (0.23 g) was placed in 20 ml of 0.005 M of didecyldimethylammonium bromide ([cS] / [SO 3 H] membr = 0.7) and incubated for 36 hours at room temperature. Membrane permeability was measured as described in Example 2. After 11 days of cell loading, the vanadium concentration in the half-cell with MgSO 4 was 0.9 mM. The film thickness was 65 mkm. The membrane permeability calculated using Equation (2) was 4.0 × 10 −10 cm 2 / min. The ion conductivity of the membrane was 0.0017 S / sm.
실시예 15Example 15
나피온 막(Nafion-1100)을 실시예 1에 기재한 바와 같이 준비하였다. 중량 0.29 g을 갖는 물-팽윤되어 준비된 막을 디데실디메틸암모늄 브로마이드(didecyldimethylammonium bromide) 용액 0.005 M 20 ml에 넣고([cS]/[SO3H]membr = 0.55), 실온에서 24시간 인큐베이션하였다. 막 투과도를 실시예 2에 기재된 바와 같이 측정하였다. 셀 로딩하고 4일 후, MgSO4를 갖는 하프-셀 내의 바나듐 농도는 0.03 mM 이었다. 막 두께는 65 mkm이었다. 식 (2)를 이용하여 계산된 막 투과도는 3.5 × 10-11 cm2/min 이었다.Nafion membrane (Nafion-1100) was prepared as described in Example 1. A water-swelled, prepared membrane having a weight of 0.29 g was placed in 20 ml of 0.005 M of didecyldimethylammonium bromide solution ([cS] / [SO 3 H] membr = 0.55) and incubated at room temperature for 24 hours. Membrane permeability was measured as described in Example 2. Four days after cell loading, the vanadium concentration in the half-cell with MgSO 4 was 0.03 mM. The film thickness was 65 mkm. The membrane permeability calculated using Equation (2) was 3.5 × 10 −11 cm 2 / min.
실시예 16Example 16
나피온 막(Nafion-117)을 실시예 1에 기재한 바와 같이 준비하였다. 물-팽윤되어 준비된 막(0.22 g)을 디데실디메틸암모늄 브로마이드(didecyldimethylammonium bromide) 용액 0.01 M 30 ml에 넣고([cS]/[SO3H]membr = 2), 실온에서 24시간 인큐베이션하였다. 막 투과도를 실시예 2에 기재된 바와 같이 측정하였다. 셀 로딩하고 11일(261 시간) 후, MgSO4를 갖는 하프-셀 내의 바나듐 농도는 0.06 mM 이었다. 막 두께는 65 mkm이었다. 식 (2)를 이용하여 계산된 막 투과도는 2.3 × 10-11 cm2/min 이었다. Nafion membrane (Nafion-117) was prepared as described in Example 1. A membrane prepared with water-swell (0.22 g) was placed in 30 ml of 0.01 M of didecyldimethylammonium bromide solution ([cS] / [SO 3 H] membr = 2) and incubated at room temperature for 24 hours. Membrane permeability was measured as described in Example 2. After 11 days (261 hours) of cell loading, the vanadium concentration in the half-cell with MgSO 4 was 0.06 mM. The film thickness was 65 mkm. The membrane permeability calculated using Equation (2) was 2.3 × 10 −11 cm 2 / min.
실시예 17Example 17
나피온 막(Nafion 1110)을 실시예 1에 기재한 바와 같이 준비하였다. 물-팽윤되어 준비된 막(0.22 g)을 디데실디메틸암모늄 브로마이드(didecyldimethylammonium bromide) 용액 0.005 M 30 ml에 넣고([cS]/[SO3H]membr = 1.02), 50oC에서 24시간 인큐베이션하였다. 막 투과도를 실시예 2에 기재된 바와 같이 측정하였다. 셀 로딩하고 11일 후, MgSO4를 갖는 하프-셀 내의 바나듐 농도는 0.13 mM 이었다. 막 두께는 65 mkm이었다. 식 (2)를 이용하여 계산된 막 투과도는 5.5 × 10-11 cm2/min 이었다. 막의 이온전도도는 0.001 S/sm이었다.Nafion membrane (Nafion 1110) was prepared as described in Example 1. Water-swelled membranes (0.22 g) were placed in 30 ml of 0.005 M of didecyldimethylammonium bromide solution ([cS] / [SO 3 H] membr = 1.02) and incubated at 50 ° C. for 24 hours. . Membrane permeability was measured as described in Example 2. After 11 days of cell loading, the vanadium concentration in the half-cell with MgSO 4 was 0.13 mM. The film thickness was 65 mkm. The membrane permeability calculated using Equation (2) was 5.5 × 10 −11 cm 2 / min. The ion conductivity of the membrane was 0.001 S / sm.
실시예 18Example 18
0.01 M 아세트산 중의 데실아민(decylamine) 0.01 M 용액 30 ml을 준비하기 위하여, 계면활성제 샘플을 아세트산 0.01 M 용액에 넣고, 50oC에서 밤샘 유지하도록 두어 계면활성제를 용해하였다. 나피온-117(0.17 g)의 물-팽윤되어 준비된 막을 0.01 M 아세트산 중의 데실아민 용액 0.01 M 30 ml에 넣고, 1주일간 50oC에서 유지하였다. 막 투과도를 실시예 2에 기재된 바와 같이 측정하였다. 식 (2)를 이용하여 계산된 막 투과도는 1.2 × 10-10 cm2/min 이었다. To prepare 30 ml of a 0.01 M solution of decylamine in 0.01 M acetic acid, a surfactant sample was placed in a 0.01 M solution of acetic acid and left to stay overnight at 50 ° C. to dissolve the surfactant. A water-swelled, prepared membrane of Nafion-117 (0.17 g) was placed in 30 ml of 0.01 M solution of decylamine in 0.01 M acetic acid and maintained at 50 ° C. for 1 week. Membrane permeability was measured as described in Example 2. The membrane permeability calculated using Equation (2) was 1.2 × 10 −10 cm 2 / min.
실시예 19Example 19
나피온 막(Nafion1100, DuPont)을 실시예 1에 기재한 바와 같이 준비하였다. 물-팽윤되어 준비된 막(0.19 g)을 디옥타데실디메틸암모늄 브로마이드 용액 0.005 M 20 ml에 넣고([cS]/[SO3H]membr = 0.76), 50oC에서 36시간 인큐베이션하였다. 막 투과도를 실시예 2에 기재된 바와 같이 측정하였다. 셀 로딩하고 22일 후, MgSO4를 갖는 하프-셀 내의 바나듐 농도는 15.5 mM 이었다. 막 두께는 65 mkm이었다. 식 (2)를 이용하여 계산된 막 투과도는 7.2 × 10-8 cm2/min 이었다.Nafion membranes (Nafion1100, DuPont) were prepared as described in Example 1. A membrane prepared with water-swell (0.19 g) was placed in 20 ml of 0.005 M dioctadecyldimethylammonium bromide solution ([cS] / [SO 3 H] membr = 0.76) and incubated at 50 ° C. for 36 hours. Membrane permeability was measured as described in Example 2. After 22 days of cell loading, the vanadium concentration in the half-cell with MgSO 4 was 15.5 mM. The film thickness was 65 mkm. The membrane permeability calculated using Equation (2) was 7.2 × 10 −8 cm 2 / min.

Claims (21)

  1. 양이온성 계면활성제 또는 상기 양이온성 계면활성제의 혼합물을 함유하는 수용액 또는 염수액 중에 막을 인큐베이션함으로써 양이온성 계면활성제를 막 표면 및 막 내 중 적어도 일부에 도입하는 단계를 포함하는 바나듐 이온에 대한 막의 투과도를 감소시키는 방법. Incorporating the cationic surfactant into the membrane surface and at least a portion of the membrane by incubating the membrane in an aqueous solution or saline solution containing the cationic surfactant or a mixture of the cationic surfactant to improve the membrane's permeability to vanadium ions. How to reduce.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 막은 양이온 교환 막인 것인 방법. The method of claim 1, wherein the membrane is a cation exchange membrane.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 막은 설포기를 갖는 중합체 막인 것인 방법. The method of claim 1, wherein the membrane is a polymer membrane having sulfo groups.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 막은 양이온성 계면활성제를 막에 도입한 후에, 본래의 비개질 막에 비하여, 바나딜 VO2+ 이온의 투과도가 5배 이상 감소된 것인 방법. The method of claim 1, wherein after introducing the cationic surfactant into the membrane, the permeability of vanadil VO 2+ ions is reduced by at least five times as compared to the original unmodified membrane.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 양이온성 계면활성제는 소수성 모이어티를 갖고, 상기 막은 소수성 단편(fragment)을 포함하는 것인 방법. The method of claim 1, wherein the cationic surfactant has a hydrophobic moiety and the membrane comprises a hydrophobic fragment.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 양이온성 계면활성제 도입 전, 도입 후, 또는 도입 전과 후, 상기 막을 과산화수소 용액 중에서, 황산 용액 중에서, 그리고 증류수 중에서 연이어 가열하는 단계를 더 포함하는 것인 방법. The method of claim 1, further comprising the step of subsequently heating the membrane in hydrogen peroxide solution, in sulfuric acid solution, and in distilled water before, after, or before introduction of the cationic surfactant.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 막은 설포기를 갖는 중합체와 그외 1종 이상의 중합체를 포함하는 것인 방법. The method of claim 1, wherein the membrane comprises a polymer having sulfo groups and at least one other polymer.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 양이온성 계면활성제는 하기 화학식 1 또는 2로 표시되는 화합물 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것인 방법:The method of claim 1, wherein the cationic surfactant comprises a compound represented by the following Chemical Formula 1 or 2 or a mixture thereof:
    [화학식 1] [Formula 1]
    Figure PCTKR2015011123-appb-I000003
    Figure PCTKR2015011123-appb-I000003
    [화학식 2][Formula 2]
    Figure PCTKR2015011123-appb-I000004
    Figure PCTKR2015011123-appb-I000004
    상기 화학식 1 및 2에 있어서, In Chemical Formulas 1 and 2,
    R1은 수소, 메틸 또는 에틸이고, R 1 is hydrogen, methyl or ethyl,
    R2는 수소, 메틸, 에틸, 페닐, 페닐메틸, 히드록시메틸 또는 히드록시에틸이며, R 2 is hydrogen, methyl, ethyl, phenyl, phenylmethyl, hydroxymethyl or hydroxyethyl,
    R3은 수소, C1 내지 C20의 알킬, C6 내지 C20의 아릴, C7 내지 C20의 아릴알킬, C1 내지 C20의 히드록시알킬, (CH2CH2O)nR, 또는 (CH2)pCOO-이고, 여기서 n은 4 내지 100의 정수이고, R은 수소 또는 C1 내지 C20의 알킬이며, p는 1 내지 12의 정수이고, R 3 is hydrogen, C 1 to C 20 alkyl, C 6 to C 20 aryl, C 7 to C 20 arylalkyl, C 1 to C 20 hydroxyalkyl, (CH 2 CH 2 O) n R, Or (CH 2 ) p COO , where n is an integer from 4 to 100, R is hydrogen or alkyl of C 1 to C 20 , p is an integer from 1 to 12,
    R4는 C8 내지 C20의 알킬, C8 내지 C20의 히드록시알킬, -COOR',-R"COOR"' 또는 -R"OCOR"'이고, 여기서 R' 및 R"'는 C8 내지 C20의 알킬이고, R"는 C1 내지 C3의 알킬렌이며;R 4 is C 8 to C 20 alkyl, C 8 to C 20 hydroxyalkyl, -COOR ',-R "COOR"' or -R "OCOR"', where R' and R "'are C 8 To C 20 alkyl, R ″ is C 1 to C 3 alkylene;
    R5는 C8 내지 C20의 알킬, -COOR',-R"COOR"' 또는 -R"OCOR"'이고, 여기서 R' 및 R"'는 C8 내지 C20의 알킬이고, R"는 C1 내지 C3의 알킬렌이며;R 5 is C 8 to C 20 alkyl, -COOR ',-R "COOR"' or -R "OCOR"', where R' and R "'are alkyl of C 8 to C 20 and R" is C 1 to C 3 alkylene;
    X는 음이온기이다.X is an anionic group.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 양이온성 계면활성제는 이중 꼬리를 갖는 계면활성제, 양쪽성 베타인(betaine) 또는 측쇄에 히드록시기를 갖는 계면활성제를 포함하는 것인 방법. The method of claim 1, wherein the cationic surfactant comprises a surfactant having a double tail, an amphoteric betaine or a surfactant having a hydroxyl group in the side chain.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 인큐베이션은 100oC 내지 10 oC의 온도에서 수행되는 것인 방법. The method of claim 1, wherein the incubation is 100 o C to 10 o carried out at a temperature of C.
  11. 청구항 1에 있어서, 상기 수용액 또는 염수액 중 양이온성 계면활성제의 농도는 10-5 M 내지 1 М인 것인 방법. The method of claim 1, wherein the concentration of cationic surfactant in the aqueous solution or saline solution is 10 −5 M to 1 М.
  12. 청구항 1에 있어서, 상기 수용액 또는 염수액은 무기염, 유기염, 알칼리 금속 이온, 무기산 및 유기산 중 적어도 하나를 더 포함하는 것인 방법. The method of claim 1, wherein the aqueous solution or saline solution further comprises at least one of an inorganic salt, an organic salt, an alkali metal ion, an inorganic acid and an organic acid.
  13. 애노드, 캐소드 및 상기 애노드와 캐소드 사이에 구비된 분리막을 포함하고, 상기 분리막이 청구항 1 내지 12 중 어느 한 항에 따른 방법에 의하여 제조된 막인 것인 바나듐 레독스 배터리. A vanadium redox battery comprising an anode, a cathode and a separator provided between the anode and the cathode, wherein the separator is a membrane prepared by the method according to any one of claims 1 to 12.
  14. 애노드, 캐소드 및 상기 애노드와 캐소드 사이에 구비된 분리막을 포함하고, 상기 분리막이 양이온성 계면활성제 또는 상기 양이온 계면활성제의 혼합물이 막의 표면 상 및 막 내부 중 적어도 일부에 구비된 막인 것인 바나듐 레독스 배터리. Vanadium redox, including an anode, a cathode, and a separator provided between the anode and the cathode, wherein the separator is a cationic surfactant or a mixture of the cationic surfactants provided on at least part of the surface of the membrane and inside the membrane. battery.
  15. 청구항 14에 있어서, 상기 막 내의 설포기 1개 당 상기 막에 결합된 양이온성 계면활성제의 양이온성 기의 수의 비율은 0.01 내지 2개인 것인 바나듐 레독스 배터리. 15. The vanadium redox battery of claim 14, wherein the ratio of the number of cationic groups of the cationic surfactant bound to the membrane per sulfo group in the membrane is 0.01 to 2.
  16. 청구항 14에 있어서, 상기 막은 양이온 교환 막인 것인 바나듐 레독스 배터리. The vanadium redox battery of claim 14, wherein the membrane is a cation exchange membrane.
  17. 청구항 14에 있어서, 상기 막은 설포기를 갖는 중합체 막인 것인 바나듐 레독스 배터리. The vanadium redox battery of claim 14, wherein the membrane is a polymer membrane having sulfo groups.
  18. 청구항 14에 있어서, 상기 양이온성 계면활성제는 소수성 모이어티를 갖고, 상기 막은 소수성 단편(fragment)을 포함하는 것인 바나듐 레독스 배터리. The vanadium redox battery of claim 14, wherein the cationic surfactant has a hydrophobic moiety and the membrane comprises a hydrophobic fragment.
  19. 청구항 14에 있어서, 상기 막은 설포기를 갖는 중합체와 그외 1종 이상의 중합체를 포함하는 것인 바나듐 레독스 배터리. The vanadium redox battery of claim 14, wherein the membrane comprises a polymer having sulfo groups and at least one other polymer.
  20. 청구항 14에 있어서, 상기 양이온성 계면활성제는 하기 식 1 또는 2로 표시되는 화합물 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것인 바나듐 레독스 배터리:The vanadium redox battery of claim 14, wherein the cationic surfactant comprises a compound represented by the following Formula 1 or 2 or a mixture thereof:
    [화학식 1] [Formula 1]
    Figure PCTKR2015011123-appb-I000005
    Figure PCTKR2015011123-appb-I000005
    [화학식 2][Formula 2]
    Figure PCTKR2015011123-appb-I000006
    Figure PCTKR2015011123-appb-I000006
    상기 화학식 1 및 2에 있어서, In Chemical Formulas 1 and 2,
    R1은 수소, 메틸 또는 에틸이고, R 1 is hydrogen, methyl or ethyl,
    R2는 수소, 메틸, 에틸, 페닐, 페닐메틸, 히드록시메틸 또는 히드록시에틸이며, R 2 is hydrogen, methyl, ethyl, phenyl, phenylmethyl, hydroxymethyl or hydroxyethyl,
    R3은 수소, C1 내지 C20의 알킬, C6 내지 C20의 아릴, C7 내지 C20의 아릴알킬, C1 내지 C20의 히드록시알킬, (CH2CH2O)nR, 또는 (CH2)pCOO-이고, 여기서 n은 4 내지 100의 정수이고, R은 수소 또는 C1 내지 C20의 알킬이며, p는 1 내지 12의 정수이고, R 3 is hydrogen, C 1 to C 20 alkyl, C 6 to C 20 aryl, C 7 to C 20 arylalkyl, C 1 to C 20 hydroxyalkyl, (CH 2 CH 2 O) n R, Or (CH 2 ) p COO , where n is an integer from 4 to 100, R is hydrogen or alkyl of C 1 to C 20 , p is an integer from 1 to 12,
    R4는 C8 내지 C20의 알킬, C8 내지 C20의 히드록시알킬, -COOR',-R"COOR"' 또는 -R"OCOR"'이고, 여기서 R' 및 R"'는 C8 내지 C20의 알킬이고, R"는 C1 내지 C3의 알킬렌이며;R 4 is C 8 to C 20 alkyl, C 8 to C 20 hydroxyalkyl, -COOR ',-R "COOR"' or -R "OCOR"', where R' and R "'are C 8 To C 20 is alkyl and R ″ is C 1 to C 3 alkylene;
    R5는 C8 내지 C20의 알킬, -COOR' ,-R"COOR"' 또는 -R"OCOR"'이고, 여기서 R' 및 R"'는 C8 내지 C20의 알킬이고, R"는 C1 내지 C3의 알킬렌이며;R 5 is C 8 to C 20 alkyl, -COOR ',-R "COOR"' or -R "OCOR"', where R' and R "'are alkyl of C 8 to C 20 and R" is C 1 to C 3 alkylene;
    X는 음이온기이다.X is an anionic group.
  21. 청구항 14에 있어서, 상기 양이온성 계면활성제는 이중 꼬리를 갖는 계면활성제, 양쪽성 베타인(betaine) 또는 측쇄에 히드록시기를 갖는 계면활성제를 포함하는 것인 바나듐 레독스 배터리. The vanadium redox battery of claim 14, wherein the cationic surfactant comprises a surfactant having a double tail, an amphoteric betaine, or a surfactant having a hydroxyl group in a side chain.
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