KR101921299B1 - Anion exchange membrane for vanadium redox flow battery and vanadium redox flow battery comprising thereof - Google Patents
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Abstract
이미다졸(imidazole)기, 벤즈이미다졸(benzimidazole)기, 피리딘(pyridine)기, 트리아졸(triazole)기, 테트라졸(tetrazole)기 또는 아민(amine)기로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 기본 폴리머; 및 술폰산기가 도핑된 음이온 교환기를 포함하는 폴리머; 를 포함하는 바나듐 레독스 흐름전지용 음이온 교환막이 제공된다. 상기 기본 폴리머가 포함됨으로써 바나듐 이온의 크로스오버가 줄어들어 바나듐 레독스 흐름전지의 쿨롱 효율을 향상시키고, 음이온 교환기를 포함하는 폴리머를 포함함으로써 저항을 낮추어 전압 효율을 향상시킬 수 있다.(S) selected from the group consisting of an imidazole group, a benzimidazole group, a pyridine group, a triazole group, a tetrazole group or an amine group, Base polymer; And an anion exchanger doped with a sulfonic acid group; An anion exchange membrane for a vanadium redox flow cell. By including the base polymer, the crossover of vanadium ions is reduced to improve the coulombic efficiency of the vanadium redox flow battery, and the polymer containing the anion exchanger can be included to improve the voltage efficiency by lowering the resistance.
Description
본 명세서는 액정성 바나듐 레독스 흐름전지용 음이온 교환막 및 이를 포함하는 바나듐 레독스 흐름전지에 관한 것으로서, 상기 음이온 교환막에 폴리벤즈이미다졸과 같은 기본 폴리머를 포함하여, 전도성, 안정성 등이 높은 음이온 교환막 및 이를 포함하는 바나듐 레독스 흐름전지에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
최근, 화석 연료 사용에 따라 온실 가스 발생 및 환경 오염 문제를 야기하는 화력 발전이나 시설 안정성 및 폐기물 처리의 문제점을 갖는 원자력 발전 등의 기존 발전 시스템들이 여러 가지 한계점을 들어내면서 보다 친환경적이고 높은 효율을 갖는 에너지의 개발과 이를 이용한 전력 공급 시스템의 개발에 대한 연구가 크게 증가하고 있다.In recent years, existing power generation systems, such as thermal power generation, facility stability and nuclear power generation, which cause greenhouse gas generation and environmental pollution problems due to the use of fossil fuels, suffer from various limitations and are more environmentally friendly and highly efficient Research on the development of energy and the development of power supply system using it has been greatly increased.
이와 관련해 전기 에너지를 화학 에너지로 변환하여 저장하였다가 필요시 다시 전기 에너지로 변환하여 쓸 수 있으며, 경량화가 가능한 이차 전지에 대한 개발이 활발하게 진행되고 있다.In this regard, electric energy is converted into chemical energy, stored, and then converted into electrical energy if necessary, and development of a lightweight secondary battery is actively under way.
특히, 대용량 전력저장 시스템으로서 리튬이온전지, 나트륨 황전지, 레독스 흐름전지, 초고용량 커패시터, 납축전지 등이 개발되거나 개발중인 상태인데, 그 중 전력 저장 등 대형화 시스템에 가장 적합한 고용량 및 고효율 이차 전지로서 레독스 흐름전지(Redox Flow Battery, RFB)가 각광받고 있다.In particular, lithium-ion batteries, sodium-sulfur batteries, redox-flow batteries, ultra-high-capacity capacitors, and lead acid batteries are being developed or being developed as large-capacity power storage systems. Among them, high-capacity and high- Redox Flow Battery (RFB) is attracting attention.
이러한 레독스 흐름전지는 다른 전지와는 다르게 활물질을 고체 상태가 아닌 수용액 상태의 이온으로 사용하여, 양극과 음극에서 각 이온들의 산화-환원 반응에 의하여 에너지를 저장하는 메카니즘을 갖는 전지로서, 레독스 커플에 따라 V/Br, Zn/Br 및 V/V 등과 같은 종류가 있으며, 그 중 바나듐 레독스 흐름전지(Vanadium Redox Flow Battery, VRB)는 높은 개방회로 전압, 양극/음극에 같은 종류의 산화/환원물질을 사용할 수 있으므로, 다른 종류의 레독스 흐름전지에 비하여 많은 연구가 이루어져 왔다.Unlike other batteries, such a redox flow cell has a mechanism of storing energy by oxidation-reduction reaction of each ion in an anode and a cathode using an active material as an ion in an aqueous solution state not in a solid state, There are various types such as V / Br, Zn / Br and V / V depending on the couple. Among them, Vanadium Redox Flow Battery (VRB) has high open circuit voltage, Reductions can be used, and thus much research has been done in comparison with other types of redox flow cells.
한편, 바나듐 레독스 흐름전지는 전달 매체로 전해액을 이용하기 때문에 이온교환막(ion exchange mebrane)이 필요한데, 이온교환막은 바나듐 레독스 흐름전지의 전지의 수명 및 제조단가를 결정짓는 핵심 소재로서, 실제 전이금속을 포함하는 강산성 물질을 전해액으로 사용하는 시스템에 적용되기 위하여 내산성, 내산화성이 우수해야 하며 낮은 투과도, 우수한 기계적 물성이 요구된다.On the other hand, the vanadium redox flow cell uses an electrolyte as a transfer medium and thus requires an ion exchange membrane. The ion exchange membrane is a core material that determines the lifetime and manufacturing cost of the battery of the vanadium redox flow battery, In order to be applied to a system using a strongly acidic substance including a metal as an electrolytic solution, it is required to have excellent acid resistance and oxidation resistance, low permeability, and excellent mechanical properties.
특히, 이온교환막은 양극 전해액의 V4+ 및 V5+ 이온이 음극 전해액으로 크로스오버(crossover)되거나 음극 전해액의 V2+, V3+ 이온이 양극 전해액으로 크로스오버(crossover) 되어 전해액이 오염되어 전지의 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있는 역할을 가진다.Particularly, in the ion exchange membrane, the V 4+ and V 5+ ions of the cathode electrolyte are crossovered to the cathode electrolyte, or the V 2+ and V 3+ ions of the cathode electrolyte are crossovered to the cathode electrolyte, So that the performance of the battery can be prevented from deteriorating.
그러나, 현재 레독스 흐름전지에 사용되는 이온교환막은 일반적으로 기존에 리튬 이차 전지 등에 사용되던 분리막으로서, 이러한 기존 분리막은 양극과 음극 전해액 간의 이온의 크로스 오버를 발생시키고 전지의 에너지밀도를 저하시키는 문제점을 가지고 있다.However, current ion exchange membranes used in redox flow cells are generally used as separator membranes for lithium secondary batteries. Conventional separation membranes have a problem of causing crossover of ions between an anode and a cathode electrolyte and lowering energy density of a battery. Lt; / RTI >
예를 들어, 대표적인 상용 이온교환막인 나피온(Nafion)의 경우 높은 이온전도도와 우수한 화학안정성으로 인하여 레독스 흐름전지의 이온교환막으로 널리 사용되고 있지만, 고가일 뿐만 아니라 무엇보다도 바나듐 이온이 쉽게 투과하는 단점으로 인해 투과선택도가 낮아 성능이 저하되는 문제점을 안고 있다. 또한, 상기 문제점을 해결하기 위하여 막 두께를 증가시키는 경우, 저항이 커져 전압 효율(voltage efficiency)이 낮아진다는 단점이 있다.For example, Nafion, a typical commercial ion exchange membrane, is widely used as an ion exchange membrane for redox flow cells due to its high ionic conductivity and excellent chemical stability. However, it is not only expensive but also has a drawback that vanadium ions easily permeate The transmission selectivity is low and the performance is degraded. Further, when the film thickness is increased to solve the above problem, there is a disadvantage that the voltage efficiency is lowered due to a large resistance.
본 발명의 구현예들에서는, 일측면에서, 이미다졸(imidazole)기, 벤즈이미다졸(benzimidazole)기, 피리딘(pyridine)기, 트리아졸(triazole)기, 테트라졸(tetrazole)기 또는 아민(amine)기로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 기본 폴리머; 및 술폰산기가 도핑된 음이온 교환기를 포함하는 폴리머; 를 포함하는 바나듐 레독스 흐름전지용 음이온 교환막을 제공하고자 한다. In embodiments of the present invention, in one aspect, an imidazole group, a benzimidazole group, a pyridine group, a triazole group, a tetrazole group, A basic polymer comprising at least one member selected from the group consisting of (meth) acrylate; And an anion exchanger doped with a sulfonic acid group; To provide an anion exchange membrane for a vanadium redox flow battery.
또한 본 발명의 구현예들에서는, 다른 일측면에서, 애노드; 캐소드; 상기 애노드 및 상기 캐소드 사이에 배치되는 전술한 음이온 교환막; 상기 애노드에 공급되는 전해질 용액을 포함하는 애노드 전해질 공급부; 및 상기 캐소드에 공급되는 전해질 용액을 포함하는 캐소드 전해질 공급부를 포함하는 바나듐 레독스 흐름전지을 제공하고자 한다. Also in embodiments of the present invention, in another aspect, an anode; Cathode; The above-described anion exchange membrane disposed between the anode and the cathode; An anode electrolyte supply part including an electrolyte solution supplied to the anode; And a cathode electrolyte supply part including an electrolyte solution supplied to the cathode.
본 발명의 예시적인 구현예들에서는 이미다졸(imidazole)기, 벤즈이미다졸(benzimidazole)기, 피리딘(pyridine)기, 트리아졸(triazole)기, 테트라졸(tetrazole)기 또는 아민(amine)기로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 기본 폴리머; 및 술폰산기가 도핑된 음이온 교환기를 포함하는 폴리머; 를 포함하는 바나듐 레독스 흐름전지용 음이온 교환막을 제공한다. Exemplary embodiments of the present invention include compounds of the present invention which are comprised of an imidazole group, a benzimidazole group, a pyridine group, a triazole group, a tetrazole group or an amine group A base polymer comprising at least one member selected from the group consisting of: And an anion exchanger doped with a sulfonic acid group; An anion exchange membrane for a vanadium redox flow battery.
본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 애노드; 캐소드; 상기 애노드 및 상기 캐소드 사이에 배치되는 전술한 음이온 교환막; 상기 애노드에 공급되는 전해질 용액을 포함하는 애노드 전해질 공급부; 및 상기 캐소드에 공급되는 전해질 용액을 포함하는 캐소드 전해질 공급부를 포함하는 바나듐 레독스 흐름전지를 제공한다.In exemplary embodiments of the present invention, an anode; Cathode; The above-described anion exchange membrane disposed between the anode and the cathode; An anode electrolyte supply part including an electrolyte solution supplied to the anode; And a cathode electrolyte supply part including an electrolyte solution supplied to the cathode.
본 발명의 예시적인 구현예들에 의하면 음이온 교환 물질을 포함하는 폴리벤즈이미다졸과 같은 폴리머를 음이온 교환막에 포함하여, 바나듐 이온의 크로스오버를 낮춤으로써, 높은 쿨롱 효율(coulombic efficiency)을 유지할 수 있다. 또한, 상기 폴리머가 포함된 음이온 교환막을 사용하는 경우, 많은 양의 물을 흡수함으로써, 저항을 낮춰 전압 효율(voltage efficiency)을 높일 수 있으며, 궁극적으로 에너지 효율(energy efficiency)이 우수한 바나듐 레독스 흐름전지를 제조할 수 있다.According to exemplary embodiments of the present invention, a polymer such as polybenzimidazole including an anion exchange material is included in an anion exchange membrane to maintain a high coulombic efficiency by lowering the crossover of vanadium ions . In addition, when an anion exchange membrane containing the polymer is used, a large amount of water can be absorbed to increase the voltage efficiency by lowering the resistance, and ultimately, the vanadium redox flow A battery can be manufactured.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 바나듐 레독스 흐름전지이다.
도 2는 본 발명의 비교예 1 내지 4에 따른 막의 쿨롱 효율을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 비교예 1 내지 4에 따른 막의 전압 효율을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1 및 2, 비교예 5 내지 7에 따른 막의 쿨롱 효율, 전압 효율 및 에너지 효율을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예 3 및 4, 비교예 7 및 8에 따른 막의 에너지 효율을 나타낸 것이다. 1 is a vanadium redox flow cell according to an embodiment of the present invention.
2 shows the coulombic efficiency of the membranes according to Comparative Examples 1 to 4 of the present invention.
3 shows the voltage efficiency of the films according to Comparative Examples 1 to 4 of the present invention.
4 shows the coulombic efficiency, voltage efficiency and energy efficiency of the membranes according to Examples 1 and 2 and Comparative Examples 5 to 7 of the present invention.
5 shows the energy efficiency of the membranes according to Examples 3 and 4 and Comparative Examples 7 and 8 of the present invention.
용어 정의Term Definition
본원 명세서에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.In this specification, when a component is referred to as "comprising ", it is to be understood that it may include other components as well, without departing from the other components unless specifically stated otherwise.
본 명세서에서 “이온교환막”은 바나듐 레독스 흐름전지 내에서 캐소드 전해질과 애노드 전해질을 분리시키고, 전지 구동시 발생하는 이온을 선택적으로 이동시키는 역할을 하는 막을 의미한다.As used herein, the term " ion exchange membrane " means a membrane that separates a cathode electrolyte and an anode electrolyte in a vanadium redox flow cell and selectively moves ions generated during battery operation.
예시적인 Illustrative 구현예들의Implementations 설명 Explanation
이하, 본 발명의 예시적인 구현예들을 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail.
본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 이미다졸(imidazole)기, 벤즈이미다졸(benzimidazole)기, 피리딘(pyridine)기, 트리아졸(triazole)기, 테트라졸(tetrazole)기 또는 아민(amine)기로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 기본 폴리머; 및 술폰산기가 도핑된 음이온 교환기를 포함하는 폴리머; 를 포함하는 바나듐 레독스 흐름전지용 음이온 교환막을 제공한다.In exemplary embodiments of the present invention, an imidazole group, a benzimidazole group, a pyridine group, a triazole group, a tetrazole group or an amine group A base polymer comprising at least one selected from the group consisting of: And an anion exchanger doped with a sulfonic acid group; An anion exchange membrane for a vanadium redox flow battery.
VRFB의 성능은 주로 쿨롱 효율(coulombic efficiency, CE = 100 % x 방전 전하량 / 충전 전하량), 전압 효율 (voltage efficiency, VE = 100 % x 평균 방전 전압 / 평균 충전 전압)을 측정하고, 그 결과 에너지 효율(energy efficiency, EE = CExVE)을 측정한다. 이러한 효율성은 더욱 향상되어야하고, 이온 교환막은 상기 효율에 영향을 미치는 가장 중요한 요소들 중 하나이다.The performance of VRFB is mainly measured by coulombic efficiency (CE = 100% x discharge charge / charge charge), voltage efficiency (VE = 100% x average discharge voltage / average charge voltage) (energy efficiency, EE = CExVE). This efficiency must be further improved, and the ion exchange membrane is one of the most important factors affecting the efficiency.
상기 기본 폴리머가 전이금속을 포함하는 강산성 용액에서 높은 화학적 안정성을 가지므로, 상기 음이온 교환막의 내산성, 내산화성을 우수하게 한다. 특히, 상기 기본 폴리머에 강산이 도핑된 경우, 반복 단위당 2 개의 양전하를 띄며 물질의 산화 안정성을 증가시키는 역할을 하므로, 바나듐 레독스 흐름전지의 전해질에서 음이온 교환막의 내산성은 더욱 높아진다.Since the base polymer has high chemical stability in a strongly acidic solution containing a transition metal, the anion exchange membrane has excellent acid resistance and oxidation resistance. Particularly, when the base polymer is doped with a strong acid, it has two positive charges per repetitive unit and increases the oxidation stability of the material. Therefore, the acid resistance of the anion exchange membrane in the electrolyte of the vanadium redox flow cell is further increased.
상기 기본 폴리머를 포함하는 양이온 교환막의 경우, 양이온 교환막이기 때문에, 바나듐 이온의 투과성이 높아 바나듐 이온의 연속적인 크로스오버로 인해 쿨롱 효율을 감소시킨다. 상기 문제점을 해결하기 위하여 막 두께를 증가시키는 경우, 저항이 커져 전압 효율(voltage efficiency)을 낮춘다. In the case of the cation exchange membrane comprising the base polymer, since it is a cation exchange membrane, the permeability of the vanadium ion is high, so that the Coulomb efficiency is reduced due to continuous crossover of the vanadium ion. When the film thickness is increased to solve the above problem, the resistance increases to lower the voltage efficiency.
따라서, 본 발명의 경우, 기본 폴리머를 양이온이 아닌 음이온 교환기를 포함하는 폴리머와 블렌드함으로써, 상기 음이온 교환기를 포함하는 폴리머가 기본 폴리머에 비교하여 바나듐 양이온 전달을 막음으로써, 음이온 교환막의 쿨롱 효율을 우수하게 한다. 또한, 상기 블렌딩으로 인해 형태(morphology)를 개선시키는 효과가 있을 수 있으며 이것이 전압 효율을 개선하는 것으로 생각된다. Thus, in the case of the present invention, by blending the base polymer with a polymer comprising an anion exchanger which is not a cation, the polymer comprising the anion exchanger blocks the transmission of the vanadium cation compared to the base polymer, so that the Coulomb efficiency of the anion- . It is also believed that the blending may have the effect of improving morphology, which improves the voltage efficiency.
다시 말하면, 상기 쿨롱 효율은 음이온 교환 물질의 첨가에 의하여 바나듐 이온의 크로스오버를 감소시킴으로써 개선되고, 음이온 교환기를 포함하는 폴리머를 블렌드함으로써 전도도가 높아져 전압 효율이 높아지므로, 전체 에너지 효율이 높아지게 된다. In other words, the Coulomb efficiency is improved by reducing the crossover of vanadium ions by the addition of an anion exchange material, and by blending the polymer including the anion exchanger, the conductivity becomes high and the voltage efficiency becomes high, so that the total energy efficiency becomes high.
하전된 기는 DABCO 또는 트리메틸아민, 이미다졸륨 또는 벤즈이미다졸륨기, 메탈로센 유도기, 구아니디늄 등으로부터 유래된 4 차 암모늄기일 수 있다. 치환기는 전형적으로 x가 1 내지 20 인 (CH2) x를 통해 중합체에 연결된다.The charged groups may be DABCO or quaternary ammonium groups derived from trimethylamine, imidazolium or benzimidazolium groups, metallocene derivatives, guanidinium, and the like. Substituents are typically connected to the polymer through (CH 2 ) x where x is 1 to 20.
예시적인 일 구현예에서, 상기 기본 폴리머는 폴리벤즈이미다졸(PBI), 폴리벤즈이미다졸-OO(PBI-OO), 및 O-폴리벤즈이미다졸(O-PBI)로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상일 수 있다. In an exemplary embodiment, the base polymer is at least one selected from the group consisting of polybenzimidazole (PBI), polybenzimidazole-OO (PBI-OO), and O-polybenzimidazole It can be more than one.
상기 폴리벤즈이미다졸(PBI), 폴리벤즈이미다졸-OO(PBI-OO), 및 O-폴리벤즈이미다졸(O-PBI)은 사다리 타입 구조의 고분자로서, 메인 체인에 헤테로고리를 포함하고 있으므로, 열안정성이 우수하고, 분자 내의 상호작용으로 인하여 탄성율이 우수하다. 따라서, 음이온 교환막의 팽창을 감소시킬 수 있다. The above polybenzimidazole (PBI), polybenzimidazole-OO (PBI-OO) and O-polybenzimidazole (O-PBI) are polymers of ladder type structure and contain a heterocycle in the main chain , Excellent in thermal stability, and excellent in elastic modulus due to interactions within the molecule. Therefore, the expansion of the anion exchange membrane can be reduced.
예시적인 일 구현예에서, 상기 기본 폴리머는 메타-폴리벤즈이미다졸(meta-PBI)일 수 있다. In an exemplary embodiment, the base polymer may be meta-polybenzimidazole (meta-PBI).
예시적인 일 구현예에서, 상기 기본 폴리머는 상기 바나듐 레독스 흐름전지용 음이온 교환막 전체 중량을 기준으로 50 중량% 이상일 수 있고, 99% 이하일 수 있다.In an exemplary embodiment, the base polymer may be at least 50 wt%, and may be at most 99 wt%, based on the total weight of the anion exchange membrane for the vanadium redox flow battery cell.
상기 기본 폴리머의 함량이 50 중량% 미만인 경우, 음이온 교환막의 안정성 및 쿨롱 효율이 감소될 수 있다. When the content of the base polymer is less than 50% by weight, the stability of the anion exchange membrane and the coulombic efficiency can be reduced.
예시적인 일 구현예에서, 상기 음이온 교환기를 포함하는 폴리머의 함량은 상기 바나듐 레독스 흐름전지용 음이온 교환막 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%일 수 있다.In an exemplary embodiment, the content of the polymer comprising an anion exchanger may be 1 to 50 wt% based on the total weight of the anion exchange membrane for the vanadium redox flow battery cell.
한편, 상기 음이온 교환기를 포함하는 폴리머에 술폰기를 도핑하여, 술폰기가 다중 전하의 바나듐 이온과 상호 작용하여 고정화되면 이 지점에서 채널 크기가 감소될 수 있다. 따라서, 고정된 바나듐 이온의 양전하가 다른 바나듐 이온의 접근 또는 수송을 제한하여 바나듐 이온의 크로스오버를 감소시킬 수 있다. On the other hand, if the sulfone group is doped to the polymer including the anion exchanger and the sulfone group is immobilized by interaction with the multiple charges of vanadium ions, the channel size may be reduced at this point. Thus, the positive charge of the fixed vanadium ions can limit the access or transport of other vanadium ions, thereby reducing the crossover of the vanadium ions.
상기 음이온 교환기를 포함하는 폴리머의 주쇄는 지방족 또는 방향족 또는 이들의 혼합이고, 골격 또는 측쇄 또는 둘 다에 하전된 기를 포함할 수 있다. 하전된 기는 DABCO 또는 트리메틸아민, 이미다졸륨 또는 벤즈이미다졸륨기, 메탈로센 유도기, 구아니디늄 등으로부터 유래된 4 차 암모늄기일 수 있다.The backbone of the polymer comprising an anion-exchange group may be aliphatic or aromatic or a mixture thereof, and may include groups attached to the backbone or side chain or both. The charged groups may be DABCO or quaternary ammonium groups derived from trimethylamine, imidazolium or benzimidazolium groups, metallocene derivatives, guanidinium, and the like.
예시적인 일 구현예에서, 상기 음이온 교환기를 포함하는 폴리머는 -OH, -COOH, 알킬화된 이미다졸리움(alkylated imidazolium), 알킬화된 테트라졸리움(alkylated tetrazolium), 알킬화된 트리아졸리움(alkylated triazolium) 및 알킬화된 암모늄(alkylated amonnium)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.상기 치환기들은 전형적으로 x가 1 내지 20 인 (CH2)x를 통해 중합체에 연결된다.In an exemplary embodiment, the polymer comprising the anion exchanger is selected from the group consisting of -OH, -COOH, alkylated imidazolium, alkylated tetrazolium, alkylated triazolium, and alkylated Alkylated amonium. The substituents are typically connected to the polymer through (CH 2 ) x where x is 1 to 20.
예시적인 일 구현예에서, 상기 음이온 교환기를 포함하는 폴리머는 암모늄기를 포함할 수 있다. 특히, 암모늄기를 포함하는 경우 음이온 교환에 용이하여, 전도도가 높아지므로 전체 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.In an exemplary embodiment, the polymer comprising the anion exchanger may comprise an ammonium group. Particularly, when an ammonium group is contained, anion exchange is easy and the conductivity is increased, so that the total energy efficiency can be improved.
본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 애노드; 캐소드; 상기 애노드 및 상기 캐소드 사이에 배치되는 전술한 음이온 교환막; 상기 애노드에 공급되는 전해질 용액을 포함하는 애노드 전해질 공급부; 및 상기 캐소드에 공급되는 전해질 용액을 포함하는 캐소드 전해질 공급부를 포함하는 바나듐 레독스 흐름전지를 제공한다.In exemplary embodiments of the present invention, an anode; Cathode; The above-described anion exchange membrane disposed between the anode and the cathode; An anode electrolyte supply part including an electrolyte solution supplied to the anode; And a cathode electrolyte supply part including an electrolyte solution supplied to the cathode.
상기 애노드 및 캐소드는 전해액의 산화/환원을 위한 활성 사이트를 제공하는 것으로 통상의 전극 재질이 가능하며, 일례로 탄소부직포, 탄소섬유, 탄소페이퍼 등 특별히 한정하지 않으며, 일례로 탄소섬유 펠트전극이 사용될 수 있다.The anode and the cathode provide an active site for oxidation / reduction of the electrolytic solution. The anode and the cathode may be made of a common electrode material. For example, carbon nonwoven fabric, carbon fiber, carbon paper and the like are not particularly limited. .
상기 애노드 전해질 공급부 및 캐소드 전해질 공급부는 각 전해질 용액을 저장하는 탱크 및 상기 탱크에 저장된 각 전해질 용액을 애노드 또는 캐소드로 전달하는 역할을 하는 펌프로 구성될 수 있다.The anode electrolyte supply part and the cathode electrolyte supply part may be composed of a tank for storing each electrolyte solution and a pump for transferring each electrolyte solution stored in the tank to the anode or the cathode.
상기 바나듐 레독스 흐름전지의 작동 원리에 대해 간단히 설명하면, 상기 캐소드 전해질 공급부측 탱크에 캐소드 전해질 용액이 저장되어 있다가 충/방전시에 상기 캐소드 전해질 용액이 펌프를 통하여 캐소드 활물질 유입구을 통하여 캐소드로 전달된 후, 산화/환원 반응이 완료되면 캐소드 활물질 유출구를 통해 다시 캐소드 전해질 공급부측 탱크로 이송된다. 애노드 전해질 용액 또한 상기와 마찬가지로 탱크와 전극 사이에서 유동된다.The operation principle of the vanadium redox flow cell is briefly described as follows. The cathode electrolyte solution is stored in the tank on the cathode electrolyte supply portion, and the cathode electrolyte solution is delivered to the cathode through the pump active material inlet port during charge / And after the oxidation / reduction reaction is completed, it is transported again through the cathode active material outlet to the tank for the cathode electrolyte supply portion. The anode electrolyte solution also flows between the tank and the electrode as described above.
예시적인 일 구현예에서, 상기 캐소드 전해질은 (VO2)2SO4, VO(SO4) 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 상기 캐소드 전해질 용액은 강산 또는 강산 및 물로 이루어진 혼합용매 및 이에 용해된 캐소드 전해질을 포함할 수 있다.In an exemplary embodiment, the cathode electrolyte may be (VO 2 ) 2 SO 4 , VO (SO 4 ), or a mixture thereof. The cathode electrolyte solution may include a mixed solvent of strong acid or strong acid and water and a cathode electrolyte dissolved therein.
예시적인 일 구현예에서, 상기 애노드 전해질은 VSO4, V2(SO4)3 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 상기 애노드 전해질 용액은 강산 또는 강산 및 물로 이루어진 혼합용매 및 이에 용해된 애노드 전해질을 포함할 수 있다.In an exemplary embodiment, the anode electrolyte may be VSO 4 , V 2 (SO 4 ) 3, or a mixture thereof. The anode electrolyte solution may include a mixed solvent composed of strong acid or strong acid and water and an anode electrolyte dissolved therein.
상기 강산은 구체적으로 황산, 염산, 인산, 질산 등을 포함할 수 있다. The strong acid may specifically include sulfuric acid, hydrochloric acid, phosphoric acid, nitric acid and the like.
상기 캐소드 전해질 및 애노드 전해질은 지지전해질을 추가로 더 포함할 수 있고, 지지전해질은 레독스 쌍의 산화/환원 반응을 원활하게 도울뿐더러 레독스 쌍이 산화 상태가 변할 때 반쪽 이온(count ion)으로도 레독스 쌍과 이온 쌍(ion pair)를 이루는 역할을 한다. 상기 지지전해질로는 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 공지된 바의 것이면 모두 사용이 가능하다. The cathode electrolyte and the anode electrolyte may further include a supporting electrolyte, and the supporting electrolyte may facilitate oxidation / reduction reaction of the redox pair, It forms the ion pair with the redox pair. The supporting electrolyte is not particularly limited in the present invention, and any known electrolyte may be used.
구체적으로, 상기 지지전해질은 LiBF4, LiPF6, LiClO4, LiCH3SO3, Li(CF3SO2)2N, 테트라에틸암모늄 테트라플루오로보레이트(TEABF4, tetraethylammonium tetrafluoroborate), 테트라뷰틸 암모늄 테트라플루오로보레이트(TBABF4, tetrabuthyl ammonium tetrafluoroborate), NaBF4, NaPF6, 트리메틸설포닐클로라이드(trimethylsulfonylchloride), (NH4)2SO4 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하여 이루어질 수 있다.Specifically, the supporting electrolyte may be selected from the group consisting of LiBF 4 , LiPF 6 , LiClO 4 , LiCH 3 SO 3 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, tetraethylammonium tetrafluoroborate (TEABF 4 ), tetrabutylammonium tetra At least one selected from the group consisting of tetrabutyl ammonium tetrafluoroborate (TBABF 4 ), NaBF 4 , NaPF 6 , trimethylsulfonylchloride, (NH 4 ) 2 SO 4, and combinations thereof .
이하, 본 발명의 예시적인 구현예들에 따른 구체적인 실시예를 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니며 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예들이 구현될 수 있고, 단지 하기 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 함과 동시에 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 실시를 용이하게 하고자 하는 것임이 이해될 것이다.Hereinafter, specific embodiments according to exemplary embodiments of the present invention will be described in more detail. It should be understood, however, that the invention is not limited to the embodiments described below, but that various embodiments of the invention may be practiced within the scope of the appended claims, It will be understood that the invention is intended to facilitate the practice of the invention to those skilled in the art.
제조예Manufacturing example
제조예Manufacturing example 1 - One - 요넨의Jonen's 합성 synthesis
1.0015g (4.24mmol)의 BIm(60 ℃에서 24 시간 동안 사용하기 전에 진공 건조)을 무수 디메틸아세트아미드(DMAc) 15ml에 4시간 동안 Troom에서 아르곤 분위기 하에 용해시켰다. 그 다음, 0.1786g의 NaH (헥산 중 60 %)를 첨가하고 1시간 동안 교반하였다. 이후, 1.1188g의 α,α'-디브로모-p-크실렌(4.24mmol)을 첨가하고, 반응 온도를 80℃로 증가시켰다. 48시간 후 용액을 아세톤에서 침전시키고, 침전물을 세척 및 진공 여과하여, 60℃에서 24시간 이상 진공 건조시켰다.1.0015 g (4.24 mmol) of BIm (vacuum dried before being used at 60 캜 for 24 hours) were dissolved in 15 ml of anhydrous dimethylacetamide (DMAc) for 4 hours under argon atmosphere in T room . Then 0.1786 g of NaH (60% in hexane) was added and stirred for 1 hour. Then, 1.1188 g of?,? '- dibromo-p-xylene (4.24 mmol) was added and the reaction temperature was increased to 80 ° C. After 48 hours the solution was precipitated in acetone and the precipitate was washed and vacuum filtered and vacuum dried at 60 DEG C for 24 hours or more.
1H NMR (DMSO-d6, δ (ppm)) : 8.14 (m, 2H, 벤즈이미다졸), 7.77 (m, 2H, 벤즈이미다졸), 7.07 (s, 페닐), 5.50 (m, 4H, 메틸렌), 2.35 (s, 3H, 파라 위치의 메틸기), 1.63 (s, 6H, 오쏘 위치의 메틸기). 1 H NMR (DMSO-d 6 , δ (ppm)): 8.14 (m, 2H, benzimidazole), 7.77 (m, 2H, benzimidazole), 7.07 (s, phenyl), 5.50 (m, 4H, Methylene), 2.35 (s, 3H, methyl group at para position), 1.63 (s, 6H, methyl group at ortho position).
실시예Example
실시예Example 1 One
하기 구조를 가지는 폴리벤즈이미다졸-OO(PBI-OO)과 요넨(ionene)을 1:1의 비율로 포함하는 음이온 교환막을 제조하였다. An anion exchange membrane containing polybenzimidazole -OO (PBI-OO) and ionene having the following structure in a ratio of 1: 1 was prepared.
먼저, 상업용 PBI-OO를 Troom의 DMSO에 48시간 동안 용해시켰다. 다음으로, 이온을 첨가하고, 실온에서 24시간 동안 교반을 계속 하였다. 교반 후, 용액을 20℃에서 30분 동안 15,000RPM으로 원심 분리 하였다. 원심분리된 용액을 3 mm s-1의 속도 및 300 ㎛의 에어 갭 (air gap)을 갖는 유리판 상에 캐스팅하였으며, 상기 캐스팅은 ca. 20°C 및 21% 상대 습도에서 수행되었다. 캐스트 막을 오븐에 넣고 감압하에 40±1 ℃에서 72시간 동안 건조시켰다. 용매 증발 후, DMSO 흔적을 제거하기 위해 멤브레인을 24시간 동안 실온수 욕조에 두었다. 그 후, 멤브레인을 60℃의 진공 오븐에서 48시간 동안 건조시켰다. 막을 형성하는 용액(약 18.2 중량%) 및 합성된 막의 두께를 하기 표 1에 나타내었다.First, commercial PBI-OO was dissolved in DMSO in T room for 48 hours. Next, ions were added and stirring was continued for 24 hours at room temperature. After stirring, the solution was centrifuged at 15,000 RPM for 30 minutes at 20 < 0 > C. The centrifuged solution was cast on a glass plate with a speed of 3 mm s < -1 > and an air gap of 300 [mu] m, the casting being ca. 20 ° C and 21% relative humidity. The cast membrane was placed in an oven and dried at 40 +/- 1 DEG C for 72 hours under reduced pressure. After solvent evaporation, the membrane was placed in a room temperature water bath for 24 hours to remove the DMSO traces. The membrane was then dried in a vacuum oven at 60 DEG C for 48 hours. The film forming solution (about 18.2 wt%) and the thickness of the synthesized film are shown in Table 1 below.
실시예Example 2 2
폴리벤즈이미다졸-OO(PBI-OO)과 요넨(ionene)을 0.7: 1로 포함하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 음이온 교환막을 제조하였다(상기 표 1 참조). Anion exchange membranes were prepared in the same manner as in Example 1 except that polybenzimidazole -OO (PBI-OO) and ionene were contained in a ratio of 0.7: 1 (see Table 1).
실시예Example 3 3
메타-폴리벤즈이미다졸(meta-PBI)과 음이온 교환기를 포함하는 폴리머인 FAA3를 포함하는 음이온 교환막을 15㎛ 두께로 제조하였다. An anion exchange membrane comprising meta-polybenzimidazole (meta-PBI) and FAA3, a polymer comprising an anion exchanger, was prepared to a thickness of 15 mu m.
실시예Example 4 4
메타-폴리벤즈이미다졸(meta-PBI)과 음이온 교환기를 포함하는 폴리머인 FAA3를 포함하는 음이온 교환막을 25㎛ 두께로 제조하였다. An anion exchange membrane comprising meta-polybenzimidazole (meta-PBI) and FAA3, a polymer comprising an anion exchanger, was prepared to a thickness of 25 mu m.
비교예Comparative Example 1 One
시판 중인 메타-폴리벤즈이미다졸(meta-PBI)을 포함하는 막을 준비하였다. A membrane containing commercially available meta-polybenzimidazole (meta-PBI) was prepared.
비교예Comparative Example 2 2
양이온 교환막으로 Nafion 221을 준비하였다.Nafion 221 was prepared as a cation exchange membrane.
비교예Comparative Example 3 3
메타-폴리벤즈이미다졸(meta-PBI)과 Nafion를 포함하는 이온 교환막을 제조하였다. (NP11)An ion exchange membrane containing meta-polybenzimidazole (meta-PBI) and Nafion was prepared. (NP11)
먼저, Nafion 분산액 D2021 20wt%를 유리 바이알에 채우고, 용매를 60℃에서 먼저 주위 압력하에, 이어서 진공하에 증발시켰다. Nafion 중합체 잔류 물을 22.7g DMAc에 재용해시키고, 암모니아 (8-30 wt% 물)를 첨가하였다. 그런 다음 PBI 분말 (분자량=56,000g/mol)을 나피온:메타-폴리벤즈이미다졸(meta-PBI)=1:1의 비율로 첨가하고 맑은 용액을 얻고, 교반하면서 용해시켰다. 상기 용액을 닥터 블레이드 (400-500㎛ 갭폭)를 갖는 유리판 상에 캐스팅하였다. 필름을 60℃에서 주위 압력에서 1시간 동안 건조한 다음 진공 상태에서 건조시켰다(하기 표 2 참조). First, 20 wt% of Nafion dispersion D2021 was filled in a glass vial and the solvent was first evaporated under ambient pressure at 60 DEG C and then under vacuum. The Nafion polymer residue was redissolved in 22.7 g DMAc and ammonia (8-30 wt% water) was added. Then, PBI powder (molecular weight = 56,000 g / mol) was added in a ratio of Nafion: meta-polybenzimidazole (meta-PBI) = 1: 1 to obtain a clear solution and dissolved with stirring. The solution was cast on a glass plate with a doctor blade (400-500 mu m gap width). The film was dried at 60 DEG C at ambient pressure for 1 hour and then dried under vacuum (see Table 2 below).
비교예Comparative Example 4 4
PBI 분말 (분자량=56,000g/mol)을 나피온:메타-폴리벤즈이미다졸(meta-PBI)=1:3의 비율로 첨가하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 음이온 교환막을 제조하였다. (NP13)Except that PBI powder (molecular weight = 56,000 g / mol) was added at a ratio of Nafion: meta-polybenzimidazole (meta-PBI) = 1: 3 Respectively. (NP13)
비교예Comparative Example 5 5
시판 중인 폴리벤즈이미다졸-OO(PBI-OO)을 포함하는 막을 제조하였다. A film containing commercially available polybenzimidazole-OO (PBI-OO) was prepared.
비교예Comparative Example 6 6
양이온 교환막으로 Nafion 211을 준비하였다.
비교예Comparative Example 7 7
양이온 교환막으로 25㎛ 두께의 Nafion 212를 준비하였다.A 25 μm thick Nafion 212 was prepared as a cation exchange membrane.
비교예Comparative Example 8 8
양이온 교환막으로 175㎛ 두께의 Nafion 117을 준비하였다.175 탆 thick Nafion 117 was prepared as a cation exchange membrane.
실험예Experimental Example
쿨롱 효율(CE)은 방전 시간과 충전 시간의 비율로 구하였다. 최소 및 최대 전압은 각각 1.0 및 1.7V였다. 전압 효율(VE)은 평균 방전 전압과 평균 충전 전압의 비로서 얻어졌다. 에너지 효율(EE)은 CE와 VE를 곱함으로써 얻어졌다. The coulombic efficiency (CE) was determined by the ratio of the discharge time to the charge time. The minimum and maximum voltages were 1.0 and 1.7 V, respectively. The voltage efficiency (VE) was obtained as the ratio of the average discharge voltage to the average charge voltage. Energy efficiency (EE) was obtained by multiplying CE and VE.
실험예Experimental Example 1-순수 1- pure water metameta -- PBI막과PBI membrane and metameta -- PBIPBI // 나피온과Nafion and 블렌드한Blended 막의 비교 Comparison of membranes
도 2를 참조하면, 비교예 1에 따른 순수 meta-PBI막은 meta-PBI와 나피온을 블렌드한 비교예 3 및 비교예 4에 비교하여, 쿨롱 효율이 낮다. 그러나, 도 3을 참조하면, 전체 전압 효율은 비교예 1이 블렌드한 비교예 3 및 4에 비하여 높다는 사실을 알 수 있다. 이는 나피온의 경우, 전도성이 낮아지기 때문인 것으로 생각된다. Referring to FIG. 2, the pure meta-PBI membrane according to Comparative Example 1 has a lower coulombic efficiency than that of Comparative Example 3 and Comparative Example 4 in which meta-PBI and Nafion are blended. However, referring to FIG. 3, it can be seen that the total voltage efficiency is higher than that of Comparative Examples 3 and 4 in which Comparative Example 1 is blended. This is thought to be due to the lower conductivity of Nafion.
실험예Experimental Example 2- 2- PBIPBI -OO/-OO / 요넨Jonen 막과 Membrane 나피온Nafion , 순수 , pure PBIPBI -- OO막과의OO film 비교 compare
도 4를 참조하면, 실시예 1 및 2에 따른 PBI-OO/요넨 막은 나피온, 순수 PBI-OO막에 비하여 전압 효율이 우수하다는 사실을 알 수 있다.Referring to FIG. 4, it can be seen that the PBI-OO / Yonen membranes according to Examples 1 and 2 are superior in voltage efficiency to Nafion and pure PBI-OO films.
실험예Experimental Example 3- 3- PBIPBI // FAA3FAA3 막과 Membrane 나피온Nafion , 순수 , pure PBI막과의PBI membrane 비교 compare
도 5을 참조하면, 비교예 7 및 8의 순수 나피온은 쿨롱 효율이 낮은 반면, 실시예 3 및 4에 따른 음이온 교환막은 쿨롱 효율이 우수하다는 사실을 알 수 있다. 막의 효율은 80mA/cm2에서 측정되었다.Referring to FIG. 5, it can be seen that the pure Nafion of Comparative Examples 7 and 8 has a low coulombic efficiency while the anion exchange membranes according to Examples 3 and 4 are excellent in coulombic efficiency. The film efficiency was measured at 80 mA / cm < 2 >.
210 : 캐소드
220 : 애노드
230 : 음이온 교환막
280 : 캐소드 전해질 용액 탱크
281 : 캐소드 전해질 용액 펌프
290 : 애노드 전해질 용액 탱크
291 : 애노드 전해질 용액 펌프210: cathode
220: anode
230: anion exchange membrane
280: cathode Electrolyte solution tank
281: cathode electrolyte solution pump
290: anode electrolyte solution tank
291: anode electrolyte solution pump
Claims (9)
음이온 교환기를 포함하는 폴리머; 를 포함하고,
상기 음이온 교환기를 포함하는 폴리머는 4급 암모늄기를 포함하며,
상기 기본 폴리머와 상기 음이온 교환기를 포함하는 폴리머는 블렌드된 것을 특징으로 하는 바나듐 레독스 흐름전지용 음이온 교환막.
(S) selected from the group consisting of an imidazole group, a benzimidazole group, a pyridine group, a triazole group, a tetrazole group or an amine group, Base polymer; And
A polymer comprising an anion exchanger; Lt; / RTI >
The polymer comprising the anion exchanger comprises a quaternary ammonium group,
An anion exchange membrane for a vanadium redox flow cell, wherein the polymer comprising the base polymer and the anion exchange group is blended.
상기 기본 폴리머는 폴리벤즈이미다졸(PBI), 폴리벤즈이미다졸-OO(PBI-OO), 및 O-폴리벤즈이미다졸(O-PBI)로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 하는 바나듐 레독스 흐름전지용 음이온 교환막.
The method according to claim 1,
Wherein the base polymer is at least one or more selected from the group consisting of polybenzimidazole (PBI), polybenzimidazole-OO (PBI-OO), and O-polybenzimidazole (O- Anodic exchange membranes for redox flow batteries.
상기 기본 폴리머는 메타-폴리벤즈이미다졸(meta-PBI)인 것을 특징으로 하는 바나듐 레독스 흐름전지용 음이온 교환막.
The method according to claim 1,
Wherein the base polymer is meta-polybenzimidazole (meta-PBI).
상기 기본 폴리머는 상기 바나듐 레독스 흐름전지용 음이온 교환막 전체 중량을 기준으로 50 중량% 이상인 것을 특징으로 하는 바나듐 레독스 흐름전지용 음이온 교환막.
The method according to claim 1,
Wherein the base polymer is at least 50 wt% based on the total weight of the anion exchange membrane for the vanadium redox flow battery.
캐소드;
상기 애노드 및 상기 캐소드 사이에 배치되는 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항의 음이온 교환막;
상기 애노드에 공급되는 전해질 용액을 포함하는 애노드 전해질 공급부; 및
상기 캐소드에 공급되는 전해질 용액을 포함하는 캐소드 전해질 공급부를 포함하는 바나듐 레독스 흐름전지.
Anode;
Cathode;
An anion exchange membrane according to any one of claims 1 to 4 disposed between the anode and the cathode;
An anode electrolyte supply part including an electrolyte solution supplied to the anode; And
And a cathode electrolyte supply portion including an electrolyte solution supplied to the cathode.
상기 캐소드 전해질은 (VO2)2SO4, VO(SO4) 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 바나듐 레독스 흐름전지.
8. The method of claim 7,
Wherein the cathode electrolyte is (VO 2 ) 2 SO 4 , VO (SO 4 ), or a mixture thereof.
상기 애노드 전해질은 VSO4, V2(SO4)3 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 바나듐 레독스 흐름전지.8. The method of claim 7,
Wherein the anode electrolyte is VSO 4 , V 2 (SO 4 ) 3, or a mixture thereof.
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