KR102014986B1 - 유기 전해액 및 이를 포함하는 레독스 플로우 전지 - Google Patents

Abstract

유기 전해액 및 이를 포함하는 레독스 플로우 전지가 개시된다. 용해도가 뛰어나고 수분 및 열에 대해 안정한 전해질을 사용함으로써 에너지 밀도가 높은 전지를 제공할 수 있다.

Description

유기 전해액 및 이를 포함하는 레독스 플로우 전지 {Organic electrolyte solution and redox flow battery comprising the same }

유기 전해액 및 이를 포함하는 레독스 플로우 전지가 제공된다. 더욱 상세하게는 높은 에너지 밀도를 나타내는 전지를 제공할 수 있는 유기 전해액 및 이를 포함하는 레독스 플로우 전지가 제공된다.

2차 전지는 고효율 에너지 저장 시스템으로, 소형 모바일용으로부터 중대형 전력 저장용까지 다양한 용도로 사용되고 있다. 특히, 반도체 및 액정 분야, 음향 분야 및 휴대전화, 노트북과 같은 정보통신 분야에서 주요 핵심부품으로 사용되고 있으며, 최근에는 하이브리드 자동차의 동력원으로 사용되고 있다.

이러한 전력저장 시스템에는 더욱 안정한 에너지 공급과 높은 에너지 변환효율이 요구되고 있으며, 최근에 대규모 전력 저장 시스템에 가장 적합한 고출력 및 고내구성의 2차 전지로서 레독스 플로우 전지가 각광 받고 있다.

이러한 레독스 플로우 전지는 다른 전지와는 다르게 활물질이 고체가 아닌 수용액 상태의 이온으로 존재하며, 양극과 음극에서 각 이온들의 산화/환원 반응에 의해 전기 에너지를 저장 및 발생하는 메커니즘을 가진다.

즉, 레독스 플로우 전지는 전극의 활물질이 용매에 녹아 있는 전해액(용액) 상태이며, 산화수가 다른 양극전해액과 음극전해액으로 구성된 전지를 충전시키면 양극에서는 산화반응이, 음극에서는 환원반응이 일어나며, 전지의 기전력은 양극전해액과 음극전해액을 구성하고 있는 레독스 커플(redox couple)의 표준전극전위(E⁰)의 차이에 의해서 결정된다. 한편, 전해액은 전해액 탱크로부터 펌프에 의해 공급되며 양극과 음극의 표면에서 산화환원 반응속도가 빠른 일반 전지의 장점과 높은 출력 특성을 가지는 연료전지의 장점을 동시에 가진다.

본 발명의 한 측면은 에너지 밀도가 큰 레독스 플로우 전지용 유기 전해액을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 한 측면은 상기 유기 전해액을 포함하는 레독스 플로우 전지를 제공하는 것이다.

한 측면에 따라 금속-리간드 배위 화합물을 전해질로 포함하는 유기 전해액으로서, 상기 리간드는 유기 포스페이트계 화합물인 유기 전해액이 제공된다.

일 구현예에 따르면 상기 금속은 Ni, Co, Fe, Ru, Zn, Mn, Y, Zr, Ti, Cr, Mg, Ce, Cu, Pb 및 V로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.

다른 구현예에 따르면 상기 상기 금속-리간드 배위 화합물은 가역적인 산화 환원 반응을 할 수 있다.

다른 측면에 따라 양극 및 양극 전해액을 포함하는 양극 셀;

음극 및 음극 전해액을 포함하는 음극 셀; 및

상기 양극 셀과 음극 셀 사이에 위치하는 이온교환막을 포함하는 레독스 플로우 전지에 있어서,

상기 양극 전해액과 음극 전해액 중 하나 이상이 상기 유기 전해액인 레독스 플로우 전지가 제공된다.

한 측면에 따르면 에너지 밀도가 높은 레독스 플로우 전지용 유기 전해액 및 이를 포함하는 레독스 플로우 전지를 얻을 수 있다.

도 1은 레독스 플로우 전지의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 2는 제조예 1 내지 제조예 8에서 얻은 전해질을 포함하는 유기 전해액의 순환 전압전류측정 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 non-flow type 전지의 충방전 전압 그래프이다.

이하에서 예시적인 하나 이상의 구현예에 따른 유기 전해액 및 이를 포함하는 레독스 플로우 전지에 대하여 더욱 상세히 설명한다.

일 구현예에 따른 유기 전해액은 금속-리간드 배위 화합물을 전해질로 포함하며, 상기 리간드는 유기 포스페이트계 화합물이다.

레독스 플로우 전지는 전기 부하를 포함하는 외부 회로에 연결하여 전류를 흐르게 함으로써 방전되며, 반대로 전지에 외부 전원을 연결하여 전류가 유입되게 함으로써 충전이 진행된다.

일반적으로 양극 전해액(catholyte)은 레독스 커플이 2가지 산화가(oxidation state) 중 높은 쪽으로 산화될 때 충전되며, 2가지 산화가 중 낮은 쪽으로 환원될 때 방전된다. 역으로, 음극 전해액(anolyte)은 레독스 커플이 2가지 산화가 중 낮은 쪽으로 환원될 때 충전되며, 2가지 산화가 중 높은 쪽으로 산화될 때 방전된다:

양극

Cⁿ → C^{n -y} + ye^- (충전)

C^{n -y} + ye^- → Cⁿ (방전)

(C: 양극 전해질)

음극

A^{n -x} + xe^- → Aⁿ (충전)

Aⁿ → A^{n -x} + xe^- (방전)

(A: 음극 전해질)

수계 용매를 사용하는 종래의 레독스 플로우 전지의 경우 작동 전위가 물 분해 전위 영역에 한정되기 때문에 구동 전압이 낮으므로 에너지 밀도가 낮다는 단점을 가지고 있다. 따라서 비수계 용매를 사용함으로써 상기와 같은 문제점을 해결할 수 있으나, 종래의 전해질은 비수계 용매에 대한 용해도가 낮고, 금속 이온의 환원시 석출되는 경향이 있어서 원하는 에너지 밀도를 얻기가 곤란하고, 사이클 횟수가 증가할수록 충방전 비가역 용량이 누적되어 셀 수명이 감소하게 된다.

본 발명의 일 구현예에서는 금속-리간드 배위 화합물로 이루어지는 전해질을포함하고, 상기 금속-리간드 배위 화합물의 리간드가 유기 포스페이트계 화합물이어서 화학적 및 열적으로 안정하고 수분에 안정하여 에너지 밀도 및 충방전 효율이 높은 레독스 플로우 전지를 제공할 수 있다.

상기 금속-리간드 배위 화합물에서 금속은 Ni, Co, Fe, Ru, Zn, Mn, Y, Zr, Ti, Cr, Mg, Ce, Cu, Pb 및 V로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다. 이 중에서 특히 Ni 또는 Fe가 바람직하다.

상기 금속-리간드 배위 화합물은 가역적인 산화 환원 반응을 할 수 있다.

상기 유기 포스페이트계 화합물은 하기 화학식 1의 화합물일 수 있다:

[화학식 1]

상기 식에서

R¹, R² 및 R³는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 8의 알킬, 탄소수 2 내지 8의 알케닐, 탄소수 2 내지 8의 알키닐, 탄소수 5 내지 12의 아릴, 탄소수 6 내지 12의 아랄킬, 및 탄소수 2 내지 8의 아실기중에서 선택된 1종일 수 있다.

예를 들어, R¹, R² 및 R³는 각각 독립적으로 메틸, 에틸, 알릴, 페닐 또는 벤질 일 수 있다. 상기 알킬, 알케닐, 알키닐, 아릴, 아랄킬 및 아실기의 1개 이상의 수소 원자는 치환될 수 있다.

상기 유기 포스페이트계 화합물은 트리메틸포스페이트, 트리에틸포스페이트, 트리프로필포스페이트 또는 트리페닐포스페이트 일 수 있다.

상기 금속-리간드 배위 화합물에서 상기 리간드 화합물은 상기 금속에 대하여 3 내지 6 당량의 양으로 결합되어 있을 수 있다.

상기 금속-리간드 배위 화합물은 하기 화합물 중 1종 이상일 수 있다:

상기 식들에서 Me는 메틸기를 의미한다.

본 발명의 일 구현예에 따른 유기 전해액은 상기 금속-리간드 배위 화합물의 짝 음이온으로서 BF₄ ^-, PF₆ ^-, ClO₄ ^-, CF₃SO₃ ^-, 또는 (CF₃SO₂)₂N^-를 더 포함할 수 있다.

상기 금속-리간드 배위 화합물은 짝 음이온과 함께 이온성 액체 형태일 수 있다. 이 경우 용매를 사용하지 않고 그 자체를 유기 전해액으로 사용할 수 있다. 또한 상기 금속-리간드 배위 화합물은 용매에 용해시켜 사용할 수 있다. 이온성 액체 형태로 존재하는 경우에는 별도의 용매를 사용하지 않아도 무방하므로 금속 이온의 농도가 높은 유기 전해액을 얻을 수 있다.

상기 금속-리간드 배위 화합물은 용매중의 용액으로 존재하는 경우 유기 전해액 중에 0.1M 내지 3M의 농도로 존재할 수 있다. 상기 범위내에 드는 경우 전지의 저장 특성을 나타낼 수 있다.

상기 용매로는 수계 용매 또는 비수계 용매 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.

상기 수계 용매로는 황산, 염산, 인산, 메탄술폰산 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다.

상기 비수계 용매로는 디메틸 아세트아미드, 디에틸 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 아세토니트릴, γ-부티로락톤(GBL), 프로필렌 카보네이트(PC), 에틸렌 카보네이트(EC), N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 플루오로에틸렌 카보네이트, N,N-디메틸아세트아미드 및 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.

본 발명의 일 구현예에 따른 유기 전해액은 지지전해질을 더 포함할 수 있다.상기 지지전해질은 LiBF₄, LiPF₆, LiClO₄, LiCF₃SO₃, Li(CF₃SO₂)₂N, NaBF₄, NaPF₆, Na₂SO₄, TEAPF₆, TBAPF₆, TEABF₄ 및 TBABF₄중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.

다른 측면에 따라, 양극 및 양극 전해액을 포함하는 양극 셀; 음극 및 음극 전해액을 포함하는 음극 셀; 및 상기 양극 셀과 음극 셀 사이에 위치하는 이온교환막을 포함하는 레독스 플로우 전지에 있어서, 상기 양극 전해액과 음극 전해액 중 하나 이상이 상기 유기 전해액인 레독스 플로우 전지가 제공된다.

도 1은 레독스 플로우 전지를 간략하게 나타낸 도면이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 레독스 플로우 전지는 이온교환막(10)에 의해 양극 셀(1)과 음극 셀(2)로 나뉘어진다. 양극 셀(1)과 음극 셀(2)은 각각 양극(13)과 음극(14)을 포함한다. 양극 셀(1)은 파이프(41)를 통해 양극 전해액(11)을 공급 및 방출하기 위한 양극 탱크(21)에 연결되어 있다. 마찬가지로 음극 셀(2)은 파이프(42)를 통해 음극 전해액(12)을 공급 및 방출하기 위한 음극 탱크(22)에 연결되어 있다. 전해액은 펌프(31, 32)를 통해 순환하고, 양극(13)과 음극(14)에서 이온의 원자가 변경 반응에 따라 충전 및 방전이 일어난다.

상기 이온교환막(10)은 양극 전해액(11)과 음극 전해액(12)의 활물질 이온간의 혼합을 방지하고 지지 전해질의 전하운반체 이온의 전달만 허용한다.

일 구현예에 따르면 상기 양극 전해액과 음극 전해액중 하나는 금속-리간드배위 화합물을 전해질로 포함하고, 상기 리간드가 유기 포스페이트계 화합물인 유기전해액일 수 있다.

즉, 양극 전해액 또는 음극 전해액의 하나가 금속-리간드배위 화합물을 전해질로 포함하고, 상기 리간드가 유기 포스페이트계 화합물인 유기전해액인 경우 상대측 음극 전해액 또는 양극 전해액은 공지의 전해질을 포함할 수 있다.

상기 양극 전해액과 음극 전해액 중 하나 이상은 가역적인 산화 환원 반응을하는 금속-리간드 배위 화합물을 포함할 수 있다.

상기 양극 전해액 / 음극 전해액은 Fe²⁺/Ni⁰의 레독스 커플을 포함할 수 있다.

상기 레독스 플로우 전지는 상기 양극 셀 및 상기 음극 셀과 각각 유체 연결된 양극 전해액 탱크 및 음극 전해액 탱크를 더 포함할 수 있다.

상기 이온교환막으로는 종래의 레독스 플로우 전지에 사용되는 이온교환막을 제한없이 사용할 수 있으며, 양이온 교환막으로는 스티렌-디비닐벤젠 공중합체를 설폰화하여 얻어지는 양이온 교환막, 테트라플루오로에틸렌과 퍼플루오로설포닐에톡시비닐에테르의 공중합체를 베이스로 하여 설폰산기를 도입한 양이온 교환막, 테트라플루오로에틸렌과 카르복시기를 측쇄에 가지는 퍼플루오로비닐에테르와의 공중합체로 이루어지는 양이온 교환막, 방향족 폴리설폰 공중합체를 베이스로 하여 술폰산기를 도입한 양이온 교환막 등을 이용할 수 있다.

상기 레독스 플로우 전지는 기존의 휴대폰, 휴대용 컴퓨터 등의 용도 외에, 전기차량(Electric Vehicle)과 같은 고용량, 고출력이 요구되는 용도에도 적합하며, 기존의 내연기관, 연료전지, 수퍼커패시터 등과 결합하여 하이브리드 차량(Hybrid Vehicle) 등에도 사용될 수 있다. 또한, 상기 레독스 플로우 전지는 고출력, 고전압이 요구되는 기타 모든 용도에 사용될 수 있다.

이하에서는 본 발명을 실시예 및 비교예를 들어 보다 상세히 설명하나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

제조예 1 내지 4: Fe(BF₄)₂ (TMPO)_n·6H₂O (n=3, 4, 5, 6)

아이보리색 고체인 Fe(BF₄)₂·6H₂O 3g (8.88mmol)을 둥근 바닥 플라스크에 넣었다. 상기 둥근 바닥 플라스크에 아르곤 라인을 연결하여 아르곤 분위기로 맞춘 후 각각 3, 4, 5 및 6당량에 해당하는 트리메틸포스페이트(trimethylphosphate: TMPO, 무색 오일, B.P.: 198℃)를 주사기로 첨가하였다. 이 때, 트리메틸포스페이트에 상기 철염이 녹지 않고 현탁되어 있다. 상기 둥근 바닥 플라스크에 환류 컨덴서를 설치하고 난 후, 오일 바스를 이용하여 140℃에서 아르곤 조건하에서 자기 교반기로 교반하여 반응을 진행하였다. 반응이 진행되는 도중에 점도가 높은 아이보리색 액체로 변하게 되고 약 1시간 경과하면 액체가 전체적으로 주황색으로 변하는 것을 확인할 수 있고, 이 변화가 관찰되면 교반을 종료하고 온도를 상온까지 낮추었다. 원소 분석(사용기기명: Elemental Analyzer - CHNS, 모델명: CHNS-932, LECO Corp./ US )을 통하여 합성 결과를 확인하였다.

	원소 분석(%)		외관
	이론값	실험값
제조예 1 Fe(TMPO)3(BF4)2·6H2O	C: 14.27, H: 5.19	C: 14.94, H: 4.26	아이보리색 액체
제조예 2 Fe(TMPO)4(BF4)2·6H2O	C: 16.05, H: 5.39	C: 16.82, H: 4.74	아이보리색 액체
제조예 3 Fe(TMPO)5(BF4)2·6H2O	C: 17.36, H: 5.54	C: 17.58, H: 5.22	아이보리색 액체
제조예 4 Fe(TMPO)6(BF4)2·6H2O	C: 18.35, H:5.65	C: 18.73, H: 5.21	아이보리색 액체

제조예 5 내지 8: Ni(TMPO)_n(BF₄)₂·6H₂O의 제조(n=3, 4, 5, 6)

녹색 고체인 Ni(BF₄)₂·6H₂O 3g (8.81mmol)을 둥근 바닥 플라스크에 넣었다.

상기 둥근 바닥 플라스크에 아르곤 라인을 연결하여 아르곤 분위기로 맞춘 다음 각각 3, 4, 5 및 6당량 수에 맞춰서 트리메틸포스페이트 (무색 오일, B.P.: 198℃)를 주사기로로 첨가하였다. 이 때, 트리메틸포스페이트에 상기 니켈염이 녹지 않고 현탁되어 있다.

상기 둥근 바닥 플라스크에 환류 컨덴서를 설치하고 난 후, 오일 바스를 이용하여 140℃에서 아르곤 조건하에서 자기 교반기로 교반하여 반응을 진행하였다. 반응이 진행되는 도중에 점도가 높은 초록색 액체로 변하게 되고 반응이 약 1시간 정도 지나면 이 액체가 전체적으로 검정색으로 변하는 것을 확인할 수 있으며, 이 변화가 관찰되면 교반을 종료하고 온도를 상온까지 낮추었다. 원소 분석(사용기기명: Elemental Analyzer - CHNS , 모델명: CHNS-932, LECO Corp./ US)을 통하여 합성 결과를 확인하였다.

	원소 분석(%)		외관
	이론값	실험값
제조예 5 Ni(TMPO)3(BF4)2·6H2O	C: 14.21, H: 5.17	C: 13.97, H: 4.76	녹색 액체
제조예 6 Ni(TMPO)4(BF4)2·6H2O	C: 16.00, H: 5.37	C: 15.32, H: 4.85	녹색 액체
제조예 7 Ni(TMPO)5(BF4)2·6H2O	C: 17.31 H: 5.52	C: 15.46, H: 4.48	녹색 액체
제조예 8 Ni(TMPO)6(BF4)2·6H2O	C: 18.31, H:5.63	C: 16.62, H: 4.77	녹색 액체

순환전압전류법( Cyclic Voltammetry )

상기 제조예 3 내지 8에서 얻은 전해질을 사용하여 전위 주사 속도(scan rate) 10mV/s, 전위 주사 범위는 Fe(TMPO)₅(BF₄)₂의 경우 -0.5V ~ 1.0V, Fe(TMPO)₆(BF₄)₂의 경우 -0.5V ~ 1.0V, Ni(TMPO)₃(BF₄)₂의 경우 -2V ~ 1.0V, Ni(TMPO)₄(BF₄)₂의 경우 -2V ~ 1.0V, Ni(TMPO)₅(BF₄)₂의 경우 -2V ~ 1.0V, Ni(TMPO)₆(BF₄)₂의 경우 -2V ~ 1.0V 로 하여 100 사이클 동안 전위 변화에 따른 전류값 변화를 측정하였다. 순환전압전류 곡선을 측정하기 위한 셀은 참고 전극(reference electrode)으로는 용매를 프로필렌카보네이트를 사용하고 AgNO₃를 0.1M 녹인 Ag/Ag⁺ 전극을 사용하고, 작업 전극(working electrode)으로는 카본 펠트를 사용하며 보조전극(counter electrode)으로는 백금을 사용하여 구성하였다.

상기 시험 결과는 도 2 및 표 3에 나타내었다. 도 2에서 (a) 내지 (f)는 각각 제조예 3 내지 제조예 8에 해당한다. 도 2에서 보듯이 본 발명의 구현예에 따른 금속-리간드 배위 화합물로 이루어지는 전해질은 전해액 중에서 석출되지 않고 용해된 상태로 안정함을 알 수 있다. 또한 100 사이클이 진행됨에 따라 피크가 거의 감소되지 않는 것으로 보아 본 발명의 일 구현예에 따른 전해질의 전기화학적 안정성이 뛰어남을 알 수 있다.

	표준환원전위(V)
제조예 3	0.455
제조예 4	0.455
제조예 5	-0.5
제조예 6	-0.5
제조예 7	-0.5
제조예 8	-0.75

한편, 금속-리간드 배위 화합물중 금속 이온의 몰 농도로 측정하였다. 여기서 금속 이온의 몰 농도는 배위 화합물의 밀도(g/ml)/몰 분자량(g/mol)로 계산하였다.

	금속 몰농도(M)
제조예 1	1.78
제조예 2	1.5
제조예 3	1.3
제조예 4	1.16
제조예 5	1.97
제조예 6	1.69
제조예 7	1.25
제조예 8	1.1

상기 표에서 보듯이 본 발명의 일 구현예에 따른 금속-리간드 배위 화합물은 이온성 액체로 존재가능하므로 용매를 사용하지 않고 금속염 단독으로 전해질로 사용가능하고 이 경우 금속 이온의 몰농도가 높아 에너지 밀도가 높은 레독스 플로우 전지를 제조하는 데 사용할 수 있다.

실시예 1

0.2M Fe(TMPO)₅(BF₄)₂를 PC 5 ml에 녹여 양극 전해액으로 하고 0.2M Co(bpy)₃(BF₄)₂를 5ml PC에 녹여 음극 전해액으로 한 다음 충전을 실시하였다. 각각 지지전해질로 0.5M TEABF4 염을 녹여 사용하였다.

카본 펠트(Nippon Graphite, GF20-3, t = 3 mm, A = 5ⅹ5 cm²)를 공기 분위기에서 500℃로 5시간 동안 열처리하여 준비된 전극을 사용하였으며 전지는 non-flow type 전지를 다음과 같이 제조하여 평가하였다. 이온교환막은 양이온 교환막(제품명: Nafion 117 제조사명: Dupont)을 사용하였다.

너트 일체형 엔드 플레이트(end plate)가 밑으로 오게 한 후 절연체, 집전체(current collector) 및 바이폴라 플레이트를 적층 하였다. 5ⅹ5cm² 정사각형 카본 펠트(carbon felt) 전극을 1/2로 잘라 직사각형으로 한 후 바이폴라 플레이트의 요면(concave) 안에 삽입하였다.

상기 방법으로 제조한 양극 카본 펠트 전극 및 음극 카본 펠트 각각에 상기에서 제조한 유기 전해액을 3 ml를 주액한 후 조립하였다. 접시 스프링이 끼워진 볼트를 토크 렌치(torque wrench)로 1.5 Nm까지 대각선 순서로 조여주었다. 조립 완료 후 각 전극의 주액 구멍으로 나머지 전해액을 주액 한 후, 테플론 볼트(teflon bolt)로 막았다. 기체 누출 홀(leak hole)이 있는 것이 각 바이폴라 플레이트에 한 개씩 사용되도록 하였다.

실시예 2

Fe(TMPO)₅(BF₄)₂ 대신 Fe(bpy)₃(BF₄)₂, Co(bpy)₃(BF₄)₂ 대신 Ni(TMPO)₃BF₄ 를 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 레독스 플로우 전지를 제조하였다.

비교예 1

1M VOSO₄ (Aldrich, 97% hydrate)과 2M H₂SO₄(Aldrich 96% 용액)의 조성을 갖는 수용액으로부터 1M의 V^{2 +}, V^{5 +} 용액을 제조하여 양극 전해액 및 음극 전해액으로 사용하였다. 전극은 카본 펠트(carbon felt, Nippon Graphite, GF20-3, t = 3 mm, A = 5ⅹ5 cm²)를 사용하였고, 이온교환막은 수소 이온으로 치환된 나피온 117을 사용하였다. All vanadium 전지 조립 방법 및 순서는 상기 실시예 1의 전지 조립 방법 및 순서와 동일하다.

충방전 평가(non-flow type 전지)

상기 제조한 전지를 이용하여 상온(25℃)에서 충방전 실험을 수행하였다.

충방전 조건은 각각의 조성에 따라 충전시 10mA로 1.4~2.3V까지 정전류로 충전하였다. 방전은 0.8~1.7V까지 5mA의 정전류로 방전시켰다. 상기와 같은 충방전을 9회 반복하였다.

그 결과는 도 3 및 표 5와 같다.

	양극 전해액	음극 전해액	OCV (V)
실시예 1	Fe(TMPO)5(BF4)2	Co(bpy)3(BF4)2	1.955
실시예 2	Fe(bpy)3(BF4)2	Ni(TMPO)3BF4	1.12
비교예 1	V	V	1.2

상기 표 5 및 도 3으로부터 실시예 1의 에너지 밀도는 29Wh/kg(1.955V, 1.3M Fe(TMPO)₅(BF₄)₂)로, 비교예 1의 에너지 밀도는 25Wh/kg(OCV 1.2V, 2M V)에 비해 16% 향상되었음을 알 수 있다. 또한 실시예 1의 에너지 효율 평균은 89.5%로 같은 조건에서의 비교예 1의 에너지 효율은 22.4%에 비해 3.99배 이상 향상되었음을 알 수 있다.

1: 양극 셀 2: 음극 셀
10: 이온교환막
11: 양극 전해액 12: 음극 전해액
13: 양극 14: 음극
21, 22: 탱크 31, 32: 펌프
41, 42: 파이프

Claims (18)

1. 금속-리간드 배위 화합물을 전해질로 포함하는 유기 전해액으로서,
   상기 금속-리간드 배위 화합물의 짝 음이온으로서 BF₄ ^-, PF₆ ^-, ClO₄ ^-, CF₃SO₃ ^-, 또는 (CF₃SO₂)₂N^-를 더 포함하고,
   상기 리간드는 유기 포스페이트계 화합물이고,
   상기 금속-리간드 배위 화합물은 수화된 형태인 유기 전해액.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 유기 포스페이트계 화합물은 하기 화학식 1의 화합물인 유기 전해액:
   [화학식 1]
   

   

   
   상기 식에서
   R¹, R² 및 R³는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 8의 알킬, 탄소수 2 내지 8의 알케닐, 탄소수 2 내지 8의 알키닐, 탄소수 5 내지 12의 아릴, 탄소수 6 내지 12의 아랄킬, 및 탄소수 2 내지 8의 아실기중에서 선택된 1종인 유기 전해액.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 금속은 Ni, Co, Fe, Ru, Zn, Mn, Y, Zr, Ti, Cr, Mg, Ce, Cu, Pb 및 V중에서 1종인 유기 전해액.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 유기 포스페이트계 화합물은 트리메틸포스페이트, 트리에틸포스페이트, 트리프로필포스페이트 또는 트리페닐포스페이트인 유기 전해액.
5. 제1항에 있어서,
   상기 금속-리간드 배위 화합물에서 상기 리간드 화합물은 상기 금속에 대하여 3 내지 6 당량의 양으로 결합되어 있는 유기 전해액.
6. 제 1항에 있어서,
   상기 금속-리간드 배위 화합물은 가역적인 산화 환원 반응을 하는 유기 전해액.
7. 제 1항에 있어서,
   상기 금속-리간드 배위 화합물이 하기 화합물 중 1종 이상인 유기 전해액:
   

   

   

   
   
   

   

   

   
   
   

   
8. 삭제
9. 제 1항에 있어서,
   상기 금속-리간드 배위 화합물은 이온성 액체 형태인 유기 전해액.
10. 제 1항에 있어서,
    상기 금속-리간드 배위 화합물은 용매에 용해되어 있는 유기 전해액.
11. 제 10항에 있어서,
    상기 용매는 비수계 용매인 유기 전해액.
12. 제 11항에 있어서,
    상기 비수계 용매는 디메틸 아세트아미드, 디에틸 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 아세토니트릴, γ-부티로락톤(GBL), 프로필렌 카보네이트 (PC), 에틸렌 카보네이트(EC), N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 플루오로에틸렌 카보네이트, 및 N, N-디메틸아세트아미드 중에서 선택된 1종 이상인 유기 전해액.
13. 제1항에 있어서,
    지지전해질을 더 포함하는 유기 전해액.
14. 제13항에 있어서,
    상기 지지전해질은 LiBF₄, LiPF₆, LiClO₄, LiCF₃SO₃, Li(CF₃SO₂)₂N, NaBF₄, NaPF₆, Na₂SO₄, TEAPF₆, TBAPF₆, TEABF₄ 및 TBABF₄중에서 선택된 1종 이상인 유기 전해액.
15. 양극 및 양극 전해액을 포함하는 양극 셀;
    음극 및 음극 전해액을 포함하는 음극 셀; 및
    상기 양극 셀과 음극 셀 사이에 위치하는 이온교환막을 포함하는 레독스 플로우 전지에 있어서,
    상기 양극 전해액과 음극 전해액 중 하나 이상이 제 1 항 내지 제 7 항, 제 9 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 따른 유기 전해액인 레독스 플로우 전지.
16. 제 15항에 있어서,
    상기 양극 전해액과 음극 전해액은 Fe²⁺/Ni⁰ 인 레독스 커플을 포함하는 레독스 플로우 전지.
17. 제 15 항에 있어서,
    상기 양극 셀 및 상기 음극 셀 각각과 유체 연결된 양극 전해액 탱크 및 음극 전해액 탱크를 더 포함하는 레독스 플로우 전지.
18. 제 15 항에 있어서,
    상기 이온교환막은 음이온 교환막인 레독스 플로우 전지.

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