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KR102018538B1 - A Separator for Zn-Br Redox Flow Battery, Manufacturing method thereof and A Zn-Br Redox Flow Battery containing the same - Google Patents

A Separator for Zn-Br Redox Flow Battery, Manufacturing method thereof and A Zn-Br Redox Flow Battery containing the same Download PDF

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KR102018538B1
KR102018538B1 KR1020180024658A KR20180024658A KR102018538B1 KR 102018538 B1 KR102018538 B1 KR 102018538B1 KR 1020180024658 A KR1020180024658 A KR 1020180024658A KR 20180024658 A KR20180024658 A KR 20180024658A KR 102018538 B1 KR102018538 B1 KR 102018538B1
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KR
South Korea
Prior art keywords
redox flow
flow battery
separator
porous film
coating layer
Prior art date
Application number
KR1020180024658A
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Korean (ko)
Inventor
고일환
이강노
Original Assignee
주식회사 케이엠
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Publication date
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Abstract

본 발명에 따른 징크-브로민 산화환원 흐름 전지용 분리막은, 폴리올레핀계 수지 다공성 필름; 상기 다공성 필름의 적어도 일면에 코팅된 불소계 계면활성제 코팅층; 및 상기 불소계 계면활성제 코팅층의 표면에 코팅되며, 폴리테트라플루오르메틸렌 골격에 술폰산기가 도입된 고분자 코팅층을 구비한다.
본 발명에 따른 징크-브로민 산화환원 흐름 전지용 분리막은 폴리올레핀계 수지 다공성 필름에 나피온을 함침시킴으로서 폴리올레핀계 수지 다공성 필름의 기계적 강도와 나피온의 전해액에 대한 젖음성 등의 장점을 동시에 구비한다. 더불어, 다공성 필름의 적어도 일면에 코팅된 불소계 계면활성제 코팅층으로 인해 물을 포함하는 액체 전해액에 대한 젖음성이 더욱 개선되어, 이러한 분리막을 구비한 징크-브로민 산화환원 흐름 전지의 전압효율이나 에너지 효율이 개선된다.
The separator for zinc-bromine redox flow battery according to the present invention comprises a polyolefin resin porous film; A fluorine-based surfactant coating layer coated on at least one surface of the porous film; And a polymer coating layer coated on the surface of the fluorine-based surfactant coating layer and having sulfonic acid group introduced into the polytetrafluoromethylene skeleton.
The membrane for zinc-bromine redox flow battery according to the present invention is impregnated with Nafion in the polyolefin-based resin porous film and has the advantages such as mechanical strength of the polyolefin-based resin porous film and wettability of the electrolyte of Nafion. In addition, the wettability of the liquid electrolyte containing water is further improved due to the fluorine-based surfactant coating layer coated on at least one surface of the porous film, thereby improving the voltage efficiency and energy efficiency of the zinc-bromine redox flow battery having the separator. Is improved.

Description

징크-브로민 산화환원 흐름 전지용 분리막, 그 제조방법 및 이를 구비한 징크-브로민 산화환원 흐름 전지{A Separator for Zn-Br Redox Flow Battery, Manufacturing method thereof and A Zn-Br Redox Flow Battery containing the same}Separator for Zn-Br Redox Flow Battery, Manufacturing method, and A Zn-Br Redox Flow Battery containing the same }

본 발명은 징크-브로민 산화환원 흐름 전지에 사용되는 분리막, 그 제조방법 및 이를 구비한 징크-브로민 산화환원 흐름 전지에 관한 것이다. The present invention relates to a separator used in a zinc-bromine redox flow battery, a method of manufacturing the same, and a zinc-bromine redox flow battery having the same.

통상적인 에너지는 에너지 위기 및 환경 오염을 이유로 재생 에너지로 대체되고 있다. 풍력이나 태양 에너지와 같은 재생 에너지는 대규모 시설로 발전하고 있다. 그러나 풍력 및 태양 에너지는 발전상의 안정성을 보장하기 어려운 한계로 인해 전력망에 미치는 영향은 점점 악화되고 있는 실정이다.Conventional energy is being replaced by renewable energy because of energy crisis and environmental pollution. Renewables such as wind and solar power are developing into large-scale facilities. However, the wind and solar energy is a situation that the impact on the grid is getting worse due to the limitations of the power generation stability.

이에 따라, 부하 평준화 (load-shifting)를 실현하는 안정적인 재생 에너지를 얻기 위해, 저비용, 고효율의 고용량 에너지 저장 시스템에 대한 연구 및 개발을 필요로 한다.Accordingly, in order to obtain stable renewable energy that realizes load-shifting, research and development on a low cost, high efficiency, high capacity energy storage system is required.

다양한 에너지 저장 시스템 중에서도 산화환원 흐름 전지는 용량 조절이 가능하고, 고상 반응이 없으며, 전극 물질의 마이크로구조 변화가 없는 등 저비용에 긴 수명, 그리고 높은 신뢰도와 작동 및 유지에 드는 비용이 적다는 장점으로 인해 연구 및 개발이 집중되어 왔다.Among the various energy storage systems, the redox flow cell has the advantages of low capacity, long life, high reliability and low operation and maintenance, such as adjustable capacity, no solid phase reaction, and no microstructure change of the electrode material. As a result, research and development has been concentrated.

산화환원 흐름 전지 중, 징크-브로민 산화환원 흐름 전지는 산화환원 커플로서 Zn과 Br을 사용하며, 충전시 Br이 양극에서 산화반응을, Zn이 음극에서 환원반응을 하는 원리를 이용한다.Among the redox flow cells, zinc-bromine redox flow cells use Zn and Br as redox couples, and use the principle that Br reacts with oxidation at the cathode and Zn reacts with the cathode during charging.

징크-브로민 산화환원 흐름 전지는 액체 전해액의 성분으로서 물을 반드시 포함한다. 폴리올레핀계 수지 다공성 필름으로 된 분리막은 기계적 강도는 우수하나 이러한 전해액에 젖음성이 불량하다. 한편, 나피온 (Nafion, 듀폰사)과 같이 폴리테트라플루오르메틸렌 골격에 술폰산기가 도입된 고분자는 열적으로 안정되고 Br에 대한 화학적 안정성이 높으며 프로톤 전도성이 있는 고분자로서 징크-브로민 산화환원 흐름 전지의 액체 전해액에 대한 젖음성이 좋고 막 저항도 낮다. 또한, Br2 크로스오버(crossover)를 저감시키는 장점이 있다. 따라서, 이 폴리올레핀계 수지 다공성 필름에 나피온을 함침시킴으로서 폴리올레핀계 수지 다공성 필름의 기계적 강도와 나피온의 전해액에 대한 젖음성 등을 동시에 이용한 복합 분리막이 제안되었다 (아사히 카세히사의 SF-600).Zinc-bromine redox flow cells necessarily contain water as a component of the liquid electrolyte. The separator made of a polyolefin resin porous film has excellent mechanical strength but poor wettability with such an electrolyte. Meanwhile, polymers in which sulfonic acid groups are introduced into a polytetrafluoromethylene skeleton, such as Nafion (Dupont), are thermally stable, have high chemical stability against Br, and have proton conductivity. Good wettability to liquid electrolyte and low membrane resistance. In addition, there is an advantage of reducing the Br 2 crossover. Therefore, by impregnating Nafion to this polyolefin-based resin porous film, a composite membrane using simultaneously the mechanical strength of the polyolefin-based resin porous film and the wettability of the electrolyte of Nafion and the like has been proposed (SF-600 by Asahi Kasehi).

그러나, SF-600과 같은 복합 분리막은 폴리올레핀계 수지 다공성 필름을 구비하므로, 물을 포함하는 징크-브로민 산화환원 흐름 전지의 액체 전해액에 대한 젖음성을 더욱 개선할 필요가 있다.However, since the composite separator such as SF-600 is provided with a polyolefin resin porous film, it is necessary to further improve the wettability of the liquid electrolyte of the zinc-bromine redox flow battery including water.

한국 공개특허공보 10-2016-0064545호Korean Unexamined Patent Publication No. 10-2016-0064545 한국 공개특허공보 10-2015-0145309호Korean Unexamined Patent Publication No. 10-2015-0145309

본 발명의 과제는 상기와 같은 기술적 배경을 고려하여 창안된 것으로서, 폴리올레핀계 수지 다공성 필름과 그 표면에 형성된 폴리테트라플루오르메틸렌 골격에 술폰산기가 도입된 고분자 코팅층을 구비한 징크-브로민 산화환원 흐름 전지용 분리막의 액체 전해액에 대한 젖음성을 더욱 개선한 징크-브로민 산화환원 흐름 전지용 분리막, 그 제조방법 및 이를 구비한 징크-브로민 산화환원 흐름 전지를 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above technical background, and has a polyolefin resin porous film and a zinc-bromine redox flow battery having a polymer coating layer having sulfonic acid group introduced into a polytetrafluoromethylene skeleton formed on its surface. Disclosed is a separator for a zinc-bromine redox flow battery, which further improves the wettability of a liquid electrolyte of the separator, a method of manufacturing the same, and a zinc-bromine redox flow battery having the same.

본 발명의 다른 기술적 과제는 전술한 징크-브로민 산화환원 흐름 전지용의 제조방법으로서 폴리올레핀계 수지 다공성 필름의 기공도를 효율적으로 더 높이는 제조방법을 제공하는데 있다.Another technical problem of the present invention is to provide a manufacturing method for efficiently increasing the porosity of a polyolefin resin porous film as a manufacturing method for the zinc-bromine redox flow battery described above.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 징크-브로민 산화환원 흐름 전지용 분리막은,In order to achieve the above object, the membrane for zinc-bromine redox flow battery according to the present invention,

폴리올레핀계 수지 다공성 필름;Polyolefin resin porous film;

상기 다공성 필름의 적어도 일면에 코팅된 불소계 계면활성제 코팅층; 및A fluorine-based surfactant coating layer coated on at least one surface of the porous film; And

상기 불소계 계면활성제 코팅층의 표면에 코팅되며, 폴리테트라플루오르메틸렌 골격에 술폰산기가 도입된 고분자 코팅층을 구비한다.It is coated on the surface of the fluorine-based surfactant coating layer, and is provided with a polymer coating layer in which sulfonic acid groups are introduced into the polytetrafluoromethylene skeleton.

본 발명의 분리막에 있어서, In the separator of the present invention,

상기 폴리올레핀계 수지는 폴리프로필렌이고, 상기 불소계 계면활성제는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물이고, 상기 폴리테트라플루오르메틸렌 골격에 술폰산기가 도입된 고분자는 나피온 (Nafion)인 것이 바람직하다. The polyolefin-based resin is polypropylene, the fluorine-based surfactant is a compound represented by the following formula (1), and the polymer in which the sulfonic acid group is introduced into the polytetrafluoromethylene skeleton is preferably Nafion.

Figure 112018020951099-pat00001
Figure 112018020951099-pat00001

본 발명의 분리막에 있어서, 상기 다공성 필름은 무기 미세입자 충전제가 분산된 폴리올레핀계 수지 연신 필름인 것이 바람직하고, 상기 다공성 필름의 두께는 10 내지 500인 것이 바람직하고, 상기 불소계 계면활성제 코팅층의 두께는 0.1 내지 1㎛인 것이 바람직하고, 상기 고분자 코팅층의 두께는 1 내지 3㎛인 것이 바람직하다.  In the separator of the present invention, the porous film is preferably a polyolefin resin stretched film in which inorganic fine particle filler is dispersed, the thickness of the porous film is preferably 10 to 500, the thickness of the fluorine-based surfactant coating layer is It is preferable that it is 0.1-1 micrometer, and it is preferable that the thickness of the said polymer coating layer is 1-3 micrometers.

또한, 본 발명은 양극, 음극, 물을 포함하는 액체 전해질 및 앞서 기재한 징크-브로민 산화환원 흐름 전지용 분리막을 구비하는 징크-브로민 산화환원 흐름 전지를 제공한다.The present invention also provides a zinc-bromine redox flow battery having a positive electrode, a negative electrode, a liquid electrolyte containing water, and a separator for the zinc-bromine redox flow battery described above.

또한, 본 발명의 징크-브로민 산화환원 흐름 전지용 분리막의 제조방법은, In addition, the manufacturing method of the separator for zinc-bromine redox flow battery of the present invention,

(S1) 폴리올레핀계 수지다공성 필름을 준비하는 단계;(S1) preparing a polyolefin resin porous film;

(S2) 상기 다공성 필름의 적어도 일면에 불소계 계면활성제 용액을 코팅하고 건조시켜 불소계 계면활성제 코팅층을 형성하는 단계; 및(S2) coating and drying a fluorine-based surfactant solution on at least one surface of the porous film to form a fluorine-based surfactant coating layer; And

(S3) 상기 불소계 계면활성제 코팅층의 표면에, 폴리테트라플루오르메틸렌 골격에 술폰산기가 도입된 고분자 용액을 코팅하고 건조시켜 폴리테트라플루오르메틸렌 골격에 술폰산기가 도입된 고분자 코팅층을 형성하는 단계를 구비한다. (S3) coating a polymer solution having a sulfonic acid group introduced into the polytetrafluoromethylene skeleton and drying the surface of the fluorine-based surfactant coating layer to form a polymer coating layer having a sulfonic acid group introduced into the polytetrafluoromethylene skeleton.

본 발명의 징크-브로민 산화환원 흐름 전지용 분리막의 제조방법에 있어서, 상기 (S1)의 다공성 필름의 준비 단계는, 혼련된 폴리올레핀계 수지와 무기 미세입자 충전제의 혼합물을 압출하여 미연신 필름을 제조하는 제1 단계;In the method for preparing a separator for a zinc-bromine redox flow battery of the present invention, in the preparing of the porous film of (S1), an unstretched film is prepared by extruding a mixture of the kneaded polyolefin resin and an inorganic fine particle filler. A first step of doing;

상기 미연신 필름을 연신하여 연신 필름을 제조하는 제2 단계; 및Drawing a stretched film by stretching the unstretched film; And

상기 연신 필름을 산성 용액으로 처리하는 제3 단계를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다. 무기 미세입자 충전제로는 탄산칼슘, 실리카, 탄산 마그네슘, 알루미나, 마이카, 산화티탄 및 카오링으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상을 사용할 수 있다. 이 때, 무기 미세입자 충전제의 평균 입경은 0.1 내지 300 ㎛인 것이 바람직하다. It is preferable that a third step of treating the stretched film with an acidic solution. As the inorganic microparticle filler, any one or more selected from the group consisting of calcium carbonate, silica, magnesium carbonate, alumina, mica, titanium oxide and kaoring may be used. At this time, it is preferable that the average particle diameter of an inorganic fine particle filler is 0.1-300 micrometers.

또한, 상기 제1 단계는 상기 미연신 필름을 MD방향으로 1축 연신하는 수행하는 것이 바람직하고, 상기 산성 용액은 초산 용액을 수용하는 것이 바람직하다. In addition, the first step is preferably performed to uniaxially stretch the unstretched film in the MD direction, and the acidic solution preferably contains acetic acid solution.

본 발명의 징크-브로민 산화환원 흐름 전지용 분리막은 폴리올레핀계 수지 다공성 필름에 나피온을 함침시킴으로서 폴리올레핀계 수지 다공성 필름의 기계적 강도와 나피온의 전해액에 대한 젖음성 등의 장점을 동시에 구비한다. 더불어, 다공성 필름의 적어도 일면에 코팅된 불소계 계면활성제 코팅층으로 인해 물을 포함하는 액체 전해액에 대한 젖음성이 더욱 개선되어, 이러한 분리막을 구비한 징크-브로민 산화환원 흐름 전지의 전압효율이나 에너지 효율이 개선된다.The separator for zinc-bromine redox flow battery of the present invention is impregnated with Nafion in a polyolefin resin porous film, and has the advantages of mechanical strength of the polyolefin resin porous film and wettability of the electrolyte of Nafion. In addition, the wettability of the liquid electrolyte containing water is further improved due to the fluorine-based surfactant coating layer coated on at least one surface of the porous film, thereby improving the voltage efficiency and energy efficiency of the zinc-bromine redox flow battery having the separator. Is improved.

또한, 본 발명의 징크-브로민 산화환원 흐름 전지용 분리막의 제조시 폴리올레핀계 수지 다공성 필름을 본원에서 정한 소정의 방법으로 준비하면, 산성 용액의 처리에 의해 연신 필름에 포함된 무기 미세입자 충전제의 표면이 용출됨에 따라 다공성 필름의 기공도를 향상시킬 수 있다. 즉, 산성 용액은 무기 미세입자 충전제를 용해시킬 수 있으므로, 산성 용액에 의해 연신 필름에 혼입된 무기 미세입자 충전제의 표면이 용해되어 추출되므로, 용해된 무기 미세입자 충전제의 볼륨만큼 기공이 더 형성되어 다공성 필름의 기공도가 개선된다. 연신 공정을 거치면서 혼입된 무기 미세 입자 충전제의 주위도 기공이 형성되는데, 산성 용액의 처리에 따라 무기 미세 입자 충전제의 주위에 형성된 기공이 커지게 되므로, 기공분포가 크게 커지는 현상은 거의 발생하지 않게 된다. 따라서, 가혹 조건을 채택하지 않고도 효율적으로 기공도를 높인 다공성 필름을 이용할 수 있다. In addition, when the polyolefin-based resin porous film is prepared by a predetermined method in the preparation of the zinc-bromine redox flow battery separator of the present invention, the surface of the inorganic fine particle filler included in the stretched film by treatment of an acidic solution As this elutes, the porosity of the porous film can be improved. That is, since the acidic solution can dissolve the inorganic fine particle filler, since the surface of the inorganic fine particle filler mixed in the stretched film is dissolved and extracted by the acidic solution, pores are further formed by the volume of the dissolved inorganic fine particle filler. The porosity of the porous film is improved. Pores are also formed around the inorganic fine particle filler that is mixed during the stretching process, and the pores formed around the inorganic fine particle filler become larger according to the treatment of the acidic solution, so that the pore distribution hardly increases. do. Therefore, it is possible to use a porous film having increased porosity efficiently without adopting harsh conditions.

도 1 및 도 2는 본원의 실시예 1에 따른 분리막을 구성하는 폴리올레핀계 수지 다공성 필름 제조시 사용된 탄산칼슘의 스펙을 나타낸 도면이고,
도 3은 본원의 실시예 1에 따른 분리막을 구성하는 폴리올레핀계 수지 다공성 필름 제조시 무기 충전제의 배합 비율에 따른 무연신 필름들의 SEM 사진이고,
도 4는 본원의 실시예 1에 따른 분리막을 구성하는 폴리올레핀계 수지 다공성 필름 제조시 무기 충전제의 배합비율을 50중량%로 한 미연신 필름 및 연신 배율에 따른 필름들의 SEM 사진들이고,
도 5는 본원의 실시예 1에 따른 분리막을 구성하는 폴리올레핀계 수지 다공성 필름 제조시 초산을 처리한 연신 필름의 단면 SEM 사진이고,
도 6는 본원의 실시예 1에 따른 분리막을 구성하는 폴리올레핀계 수지 다공성 필름 제조시 초산을 처리한 연신 필름의 표면 SEM 사진이고,
도 7는 참고예 2에 따라 초산을 처리한 무연신 필름의 단면 SEM 사진이고,
도 8은 참고예 2에 따라 초산을 처리한 무연신 필름의 표면 SEM 사진이다.
도 9는 본원의 실시예 1에 따른 분리막을 구성하는 불소계 계면활성제 코팅층 구비 폴리올레핀계 수지 다공성 필름의 나피온 코팅층 형성 전 후의 표면과 단면의 SEM 사진이고,
도 10은 실시예 1 및 비교예 1~2의 막을 이용하여 징크-브로민 산화환원 흐름 셀을 제조하는 공정 개략도이고,
도 11 및 도 12는 각각 실시예 1에 따라 제조한 분리막을 구비한 셀과, 비교예 1~2에 따른 분리막을 구비한 셀을 각각 구비한 셀의 전압효율과 에너지 효율을 측정하여 도시한 그래프이다.
1 and 2 is a view showing the specification of the calcium carbonate used in the production of a polyolefin resin porous film constituting the separator according to Example 1 of the present application,
3 is an SEM photograph of unstretched films according to the blending ratio of the inorganic filler when preparing the polyolefin-based resin porous film constituting the separator according to Example 1 of the present application,
FIG. 4 is SEM images of unstretched films having a blending ratio of an inorganic filler 50 wt% and films according to a draw ratio when preparing a polyolefin-based resin porous film constituting the separator according to Example 1 of the present application,
5 is a cross-sectional SEM photograph of a stretched film treated with acetic acid when preparing a polyolefin-based resin porous film constituting the separator according to Example 1 of the present application;
6 is a SEM image of the surface of the stretched film treated with acetic acid when preparing a polyolefin-based resin porous film constituting the separator according to Example 1 of the present application,
7 is a cross-sectional SEM photograph of the non-oriented film treated with acetic acid according to Reference Example 2,
8 is a SEM image of the surface of a non-oriented film treated with acetic acid according to Reference Example 2. FIG.
9 is a SEM photograph of the surface and cross section before and after forming the Nafion coating layer of the polyolefin resin porous film with a fluorine-based surfactant coating layer constituting the separator according to Example 1 of the present application,
10 is a process schematic diagram of preparing a zinc-bromine redox flow cell using the membranes of Example 1 and Comparative Examples 1-2;
11 and 12 are graphs of measuring the voltage efficiency and the energy efficiency of a cell having a separator prepared in Example 1 and a cell having a separator according to Comparative Examples 1 and 2, respectively. to be.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail. Prior to this, terms or words used in the specification and claims should not be construed as having a conventional or dictionary meaning, and the inventors should properly explain the concept of terms in order to best explain their own invention. Based on the principle that can be defined, it should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention. Therefore, the embodiments described in the specification and the drawings shown in the drawings are only the most preferred embodiment of the present invention and do not represent all of the technical idea of the present invention, various modifications that can be replaced at the time of the present application It should be understood that there may be equivalents and variations.

본 발명에 따른 징크-브로민 산화환원 흐름 전지용 분리막은,Separation membrane for zinc-bromine redox flow battery according to the present invention,

폴리올레핀계 수지 다공성 필름;Polyolefin resin porous film;

상기 다공성 필름의 적어도 일면에 코팅된 불소계 계면활성제 코팅층; 및A fluorine-based surfactant coating layer coated on at least one surface of the porous film; And

상기 불소계 계면활성제 코팅층의 표면에 코팅되며, 폴리테트라플루오르메틸렌 골격에 술폰산기가 도입된 고분자 코팅층을 구비한다.It is coated on the surface of the fluorine-based surfactant coating layer, and is provided with a polymer coating layer in which sulfonic acid groups are introduced into the polytetrafluoromethylene skeleton.

징크-브로민 산화환원 흐름 전지용 분리막의 용도로서 이용되는 폴리올레핀계 수지 다공성 필름은 당 업계에 잘 알려져 있다. 통상적으로 폴리프로필렌 수지가 많이 이용되나 이에 한정되지 않으며, 1축 연신 다공성 필름 또는 2축 연신의 다공성 필름이 많이 이용되나 역시 이에 한정되지 않는다. 두께는 10 내지 500㎛인 것이 바람직하다. Polyolefin-based resin porous films used as separators for zinc-bromine redox flow batteries are well known in the art. Typically, a polypropylene resin is used a lot, but is not limited thereto. A uniaxially stretched porous film or a biaxially stretched porous film is also widely used, but is not limited thereto. It is preferable that the thickness is 10-500 micrometers.

다공성 필름의 적어도 일면에는 불소계 계면활성제 코팅층이 형성된다. 불소계 계면활성제는 불소기를 2 이상 함유하는 화합물로서, 후술하는 폴리테트라플루오르메틸렌 골격에 술폰산기가 도입된 고분자 코팅층을 통해 소수성인 폴리올레핀계 수지 다공성 필름의 기공으로 물을 포함하는 액체 전해액이 잘 젖어들도록 도와준다. 두께는 0.1 내지 1㎛인 것이 바람직하다. A fluorine-based surfactant coating layer is formed on at least one surface of the porous film. The fluorine-based surfactant is a compound containing two or more fluorine groups, and helps the liquid electrolyte containing water to wet well into the pores of the hydrophobic polyolefin resin porous film through the polymer coating layer having sulfonic acid group introduced into the polytetrafluoromethylene skeleton described below. give. It is preferable that the thickness is 0.1-1 micrometer.

불소계 계면활성제로는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 사용할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.As the fluorine-based surfactant, a compound represented by the following Chemical Formula 1 may be used, but is not limited thereto.

<화학식 1><Formula 1>

Figure 112018020951099-pat00002
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불소계 계면활성제 코팅층의 표면에는, 폴리테트라플루오르메틸렌 골격에 술폰산기가 도입된 고분자 코팅층이 형성된다. 나피온과 같이 폴리테트라플루오르메틸렌 골격에 술폰산기가 도입된 고분자는 앞서 설명한 바와 같이 열적으로 안정되고 Br에 대한 화학적 안정성이 높으며 프로톤 전도성이 있는 고분자로서 징크-브로민 산화환원 흐름 전지의 액체 전해액에 대한 젖음성이 좋고 막 저항도 낮다. 또한, Br2 크로스오버(crossover)를 저감시키는 장점이 있다. 다만, 고가이므로, 예를 들어, 1 내지 3㎛의 두께로 형성하는 것이 바람직하다. On the surface of the fluorine-based surfactant coating layer, a polymer coating layer in which a sulfonic acid group is introduced into a polytetrafluoromethylene skeleton is formed. Polymers in which sulfonic acid groups are introduced into polytetrafluoromethylene backbone, such as Nafion, are thermally stable, chemically stable against Br, and proton-conducting polymers, as described above, for liquid electrolyte in zinc-bromine redox flow cells. Good wettability and low membrane resistance. In addition, there is an advantage of reducing the Br 2 crossover. However, since it is expensive, it is preferable to form in thickness of 1-3 micrometers, for example.

위와 같은 3층 구조의 분리막 (미도시)는 폴리올레핀계 수지 다공성 필름의 적어도 일면에 불소계 계면활성제 코팅층의 형성되며, 이에 따라 불소계 계면활성제는 폴리올레핀계 수지 다공성 필름의 표면과 기공에 위치하게 된다. 또한, 불소계 계면활성제 코팅층의 표면에 형성된 고분자 코팅층에 의해, 고분자 성분이 불소계 계면활성제 코팅층의 표면에 위치하며, 폴리올레핀계 수지 다공성 필름의 표면과 기공에도 침투하여 위치할 수 있음은 물론이다. Separation membrane (not shown) of the three-layer structure as described above is a fluorine-based surfactant coating layer is formed on at least one surface of the polyolefin-based resin porous film, and thus the fluorine-based surfactant is located on the surface and pores of the polyolefin-based resin porous film. In addition, by the polymer coating layer formed on the surface of the fluorine-based surfactant coating layer, the polymer component may be located on the surface of the fluorine-based surfactant coating layer, and may be located in the surface and pores of the polyolefin-based resin porous film.

전술한 분리막은 양극, 음극, 물을 포함하는 액체 전해질과 함께 구비되어 징크-브로민 산화환원 흐름 전지를 구성한다. The separator described above is provided with a liquid electrolyte including a positive electrode, a negative electrode, and water to constitute a zinc-bromine redox flow battery.

한편, 본 발명의 징크-브로민 산화환원 흐름 전지용 분리막의 제조방법은, On the other hand, the manufacturing method of the separator for zinc-bromine redox flow battery of the present invention,

(S1) 폴리올레핀계 수지다공성 필름을 준비하는 단계;(S1) preparing a polyolefin resin porous film;

(S2) 상기 다공성 필름의 적어도 일면에 불소계 계면활성제 용액을 코팅하고 건조시켜 불소계 계면활성제 코팅층을 형성하는 단계; 및(S2) coating and drying a fluorine-based surfactant solution on at least one surface of the porous film to form a fluorine-based surfactant coating layer; And

(S3) 상기 불소계 계면활성제 코팅층의 표면에, 폴리테트라플루오르메틸렌 골격에 술폰산기가 도입된 고분자 용액을 코팅하고 건조시켜 폴리테트라플루오르메틸렌 골격에 술폰산기가 도입된 고분자 코팅층을 형성하는 단계를 구비한다. (S3) coating a polymer solution having a sulfonic acid group introduced into the polytetrafluoromethylene skeleton and drying the surface of the fluorine-based surfactant coating layer to form a polymer coating layer having a sulfonic acid group introduced into the polytetrafluoromethylene skeleton.

먼저, 폴리올레핀계 수지 다공성 필름을 준비한다(S1 단계). 앞서 설명한 바와 같이, 징크-브로민 산화환원 흐름 전지용 분리막의 용도로서 이용되는 폴리올레핀계 수지 다공성 필름은 당 업계에 잘 알려져 있으며, 특별히 한정되지 않는다.First, prepare a polyolefin resin porous film (step S1). As described above, the polyolefin resin porous film used as the use of the separator for the zinc-bromine redox flow battery is well known in the art and is not particularly limited.

특히, 폴리올레핀계 수지 다공성 필름의 기공도를 효율적으로 더 높이기 위하여, 혼련된 폴리올레핀계 수지와 무기 미세입자 충전제의 혼합물을 압출하여 미연신 필름을 제조하는 제1 단계; 상기 미연신 필름을 연신하여 연신 필름을 제조하는 제2 단계; 및 상기 연신 필름을 산성 용액으로 처리하는 제3 단계를 포함하여 준비되는 것이 바람직하다. In particular, in order to efficiently increase the porosity of the polyolefin resin porous film, a first step of extruding a mixture of the kneaded polyolefin resin and the inorganic fine particle filler to prepare an unstretched film; Drawing a stretched film by stretching the unstretched film; And a third step of treating the stretched film with an acidic solution.

먼저, 혼련된 폴리올레핀계 수지와 무기 미세입자 충전제의 혼합물을 압출하여 미연신 필름을 제조한다(제1 단계).First, a mixture of the kneaded polyolefin resin and the inorganic fine particle filler is extruded to prepare an unstretched film (first step).

폴리올레핀 수지로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등 전기화학소자용 분리막의 제조에 이용될 수 있는 수지라면 모두 사용이 가능하다. 또한, 무기 미세입자 충전제로는 탄산칼슘, 실리카, 탄산 마그네슘, 알루미나, 마이카, 산화티탄, 카오링 등과 같이 산성 용액에 용해될 수 있는 것이라면 모두 사용이 가능하다. 바람직하게는 탄산칼슘이 이용될 수 있다. 무기 미세입자 충전제의 평균 입경은 원하는 기공크기에 따라 적절히 선택할 수 있는데, 예를 들어 0.1 내지 300㎛인 것이 바람직하고, 0.3 내지 50㎛인 것이 더욱 바람직하고, 0.5 내지 30㎛인 것이 더욱 더 바람직하다. As the polyolefin resin, any resin that can be used for the production of a separator for an electrochemical device such as polyethylene and polypropylene can be used. In addition, the inorganic fine particle filler may be used as long as it can be dissolved in an acidic solution such as calcium carbonate, silica, magnesium carbonate, alumina, mica, titanium oxide, kaoring, and the like. Preferably calcium carbonate can be used. The average particle diameter of the inorganic fine particle filler can be appropriately selected according to the desired pore size, for example, preferably 0.1 to 300 µm, more preferably 0.3 to 50 µm, still more preferably 0.5 to 30 µm. .

폴리올레핀계 수지와 무기 미세입자를 혼련한 혼합물을 압출하여 미연신 필름을 제조하는 방법은 잘 알려진 건식제조 방식으로서, 예를 들어 폴리올레핀계 수지와 필요에 따라 20 ~ 60 중량%의 무기 미세 입자 충전제를 혼련한 후 혼련된 재료를 펠렛으로 제조한 후 이를 압출하여 미연신 필름을 제조할 수 있다.A method for producing an unstretched film by extruding a mixture of polyolefin resins and inorganic fine particles is a well-known dry manufacturing method, for example, using a polyolefin resin and 20 to 60% by weight of inorganic fine particle filler as required. After kneading, the kneaded material may be prepared into pellets and then extruded to produce an unstretched film.

이어서, 미연신 필름을 연신하여 연신 필름을 제조한다(제2 단계).Next, the unstretched film is stretched to prepare a stretched film (second step).

연신 방법은 1축 연신 또는 2축 연신 모두 사용이 가능하나, 미연신 필름을 MD방향으로 1축 연신하는 수행하는 것이 경제성과 생산성 측면에서 바람직하다.Although the stretching method can be used for both uniaxial stretching or biaxial stretching, it is preferable to perform uniaxial stretching of the unstretched film in the MD direction in view of economics and productivity.

미연신 필름을 연신하는 연신 배율은 원하는 분리막의 기계적 강도와 기공크기를 고려하여 선택할 수 있는데, 예를 들어 2 ~ 6배로 연신할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.The draw ratio for stretching the unstretched film may be selected in consideration of the desired mechanical strength and pore size of the separator, but may be stretched 2 to 6 times, but is not limited thereto.

그런 다음, 연신된 상기 연신 필름을 산성 용액으로 처리한다(제3 단계). The stretched stretched film is then treated with an acidic solution (third step).

앞서 설명한 바와 같이, 산성 용액은 무기 미세입자 충전제를 용해시킬 수 있으므로, 산성 용액에 의해 연신 필름에 혼입된 무기 미세입자 충전제의 표면이 용해되어 추출되므로, 용해된 무기 미세입자 충전제의 볼륨만큼 기공이 더 형성되어 필름의 기공도가 개선된다. 연신 공정을 거치면서 혼입된 무기 미세 입자 충전제의 주위도 기공이 형성되는데, 산성 용액의 처리에 따라 무기 미세 입자 충전제의 주위에 형성된 기공이 커지게 되므로, 기공분포가 크게 커지는 현상은 거의 발생하지 않게 된다. 따라서, 연신배율을 높이는 등의 가혹 조건을 채택하지 않고도 효율적으로 다공성 필름의 기공도를 높일 수 있다. As described above, since the acidic solution can dissolve the inorganic microparticle filler, the surface of the inorganic microparticle filler mixed into the stretched film is dissolved and extracted by the acidic solution, so that the pores are as large as the volume of the dissolved inorganic microparticle filler. It is further formed to improve the porosity of the film. Pores are also formed around the inorganic fine particle filler that is mixed during the stretching process, and the pores formed around the inorganic fine particle filler become larger according to the treatment of the acidic solution, so that the pore distribution hardly increases. do. Therefore, the porosity of the porous film can be efficiently increased without adopting harsh conditions such as increasing the draw ratio.

산성 용액으로는 강산이나 약산 모두 사용이 가능하나, 연신 필름의 기계적 물성에 영향을 적게 미치는 초산과 같은 약산을 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 측면에서, 연신 필름에 처리되는 산성 용액의 pH는 1 ~ 5인 것이 바람직하고, pH가 1.5 ~ 4인 것을 사용하는 것이 더욱 바람직하고, pH가 1~3인 것을 사용하는 것이 더욱 더 바람직하다.As the acidic solution, both strong and weak acids may be used, but it is preferable to use a weak acid such as acetic acid which has little effect on the mechanical properties of the stretched film. In this respect, the pH of the acidic solution treated on the stretched film is preferably 1 to 5, more preferably 1.5 to 4, and even more preferably 1 to 3 pH. .

산성 용액의 처리 방법은 제한되지 않는데, 예를 들어 산성 용액이 담긴 조에 연신 필름을 침지시키는 방법이 이용될 수 있다. 산성 용액의 온도 역시 조절이 가능한데, 공정의 용이성을 위해 상온에서 처리하는 것이 바람직하다.The treatment method of the acidic solution is not limited, for example, a method of immersing the stretched film in a bath containing the acidic solution may be used. The temperature of the acidic solution can also be controlled, preferably at room temperature for ease of processing.

전술한 다공성 필름의 제조방법에 있어서, 제2 단계에 투입하기 전 압출된 미연신 필름을 어닐링하거나, 제2 단계 후에 열 고정(hot setting)을 할 수 있음은 당연하다고 할 것이다. In the above-described method for producing a porous film, it will be obvious that the extruded unstretched film may be annealed before the second step, or hot set after the second step.

폴리올레핀계 수지 다공성 필름이 준비되면, 다공성 필름의 적어도 일면에 불소계 계면활성제 용액을 코팅하고 건조시켜 불소계 계면활성제 코팅층을 형성한다(S2 단계).When the polyolefin resin porous film is prepared, at least one surface of the porous film is coated with a fluorine-based surfactant solution and dried to form a fluorine-based surfactant coating layer (step S2).

불소계 계면활성제 코팅층의 도입으로 인해 폴리올레핀계 수지의 친수성이 향상되어 물을 포함하는 액체 전해액에 대한 젖음성이 개선된다.Introduction of the fluorine-based surfactant coating layer improves the hydrophilicity of the polyolefin-based resin, thereby improving the wettability of the liquid electrolyte solution containing water.

불소계 계면활성제로는 전술한 화합물을 사용할 수 있으며, 불소계 계면활성제를 N-메틸 피롤리돈 (NMP) 등의 용매에 용해시킨 용액을 다공성 필름의 적어도 일면에 코팅한 후 건조시킴으로서 코팅층을 형성할 수 있으며, 코팅 방법은 제한되지 않는다.The above-mentioned compounds may be used as the fluorine-based surfactant, and a coating layer may be formed by coating a solution in which a fluorine-based surfactant is dissolved in a solvent such as N-methyl pyrrolidone (NMP) on at least one surface of the porous film and then drying it. And the coating method is not limited.

이어서, 불소계 계면활성제 코팅층의 표면에, 폴리테트라플루오르메틸렌 골격에 술폰산기가 도입된 고분자 용액을 코팅하고 건조시켜 폴리테트라플루오르메틸렌 골격에 술폰산기가 도입된 고분자 코팅층을 형성한다(S3 단계). Subsequently, the polymer solution in which the sulfonic acid group is introduced into the polytetrafluoromethylene skeleton is coated on the surface of the fluorine-based surfactant coating layer and dried to form the polymer coating layer in which the sulfonic acid group is introduced into the polytetrafluoromethylene skeleton (step S3).

나피온과 같은 폴리테트라플루오르메틸렌 골격에 술폰산기가 도입된 고분자를 N-메틸 피롤리돈 (NMP) 등의 용매에 용해시킨 용액을 코팅한 후 건조시킴으로서 고분자 코팅층을 형성할 수 있으며, 코팅 방법은 제한되지 않는다. 고분자 용액 코팅시 용액 함침의 균일성을 위해 1차 코팅을 실시한 후 잉여 용액을 제가한 다음, 다시 2차 코팅을 실시하는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. A polymer coating layer can be formed by coating a solution in which a sulfonic acid group is introduced into a polytetrafluoromethylene skeleton such as Nafion in a solvent such as N-methyl pyrrolidone (NMP) and then drying it, thereby forming a polymer coating layer. It doesn't work. When coating the polymer solution, it is preferable to remove the excess solution after performing the first coating for uniformity of solution impregnation, and then to perform the second coating again, but is not limited thereto.

위와 같은 방법으로 제조된 본원의 분리막은 양극, 음극, 물을 포함하는 액체 전해질과 함께 통상적인 방법으로 조립되어 징크-브로민 산화환원 흐름 전지로 제조된다. The separator of the present application prepared by the above method is assembled into a zinc-bromine redox flow cell by a conventional method with a liquid electrolyte including a positive electrode, a negative electrode, and water.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어져서는 안된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples. However, embodiments according to the present invention can be modified in many different forms, the scope of the present invention should not be construed as limited to the embodiments described below. Embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art.

실시예Example 1 One

<다공성 필름의 제조><Production of Porous Film>

기공도 및 기공크기 측정방법Method of measuring porosity and pore size

기공룰 분석기(수은법)로서, Micromeritics社 Autopore IV9520을 이용하여 기공도를 측정하었다 As a pore rule analyzer (mercury method), porosity was measured using a Micromeritics Autopore IV9520.

기공 크기는 Porometer (POROLUX 1000, IB-FT GmbH)를 이용하여 측정하였다. 16.0 dynes/cm의 표면장력을 갖는 porewick 용액에 시편을 10분 이상 함침시킨 다음, 상온에서 실시하였다.Pore size was measured using a Porometer (POROLUX 1000, IB-FT GmbH). The porewick solution having a surface tension of 16.0 dynes / cm was impregnated with the specimen for at least 10 minutes, and then subjected to room temperature.

탄산칼슘Calcium carbonate

도 1 및 도 2에 나타난 스펙의 탄산 칼슘을 사용하였다.Calcium carbonate in the specifications shown in FIGS. 1 and 2 was used.

연신Stretch 등 공정 조건 Process conditions

하기 표 1과 같이 실시하였다.It carried out as Table 1 below.

구 분division UnitUnit PilotPilot 무연신No extension 연신2배Extension 연신3배Stretch three times 연신 4배Stretch 4 times Screw RPMScrew RPM RPMRPM 3030 5050 6363 75 75 Casting RollCasting roll m/minm / min 1.41.4 1.41.4 1.41.4 1.41.4 MDOMDO 1st Stretch1st Stretch m/minm / min 1.41.4 2.02.0 2.52.5 2.72.7 2nd Stretch2nd stretch m/minm / min 1.41.4 2.52.5 3.53.5 4.04.0 3rd Stretch3rd Stretch m/minm / min 1.41.4 2.82.8 4.54.5 6.56.5 RatioRatio %% 00 200200 300300 400400 ThicknessThickness Μm 200200 200200 200200 200200 Machine SpeedMachine speed 1st Cooling1st Cooling m/minm / min 2.02.0 3.53.5 5.05.0 6.5 6.5

참고예Reference Example 1 One

폴리에틸렌 수지 (LG화학 상품명: LB7500N)를 탄산칼슘과 하기 표 2의 비율로 배합, 혼련하여 미연신 필름을 제조하였다.Polyethylene resin (LG Chemical Trade Name: LB7500N) was blended and kneaded with calcium carbonate in the ratio of the following Table 2 to prepare an unstretched film.

무기충전제
배합비율(중량%)
Inorganic filler
Compounding ratio (% by weight)
Thickness
(㎛)
Thickness
(Μm)
기공크기
(㎛)
Pore size
(Μm)
기공도(%)Porosity (%)
3030 200200 16.1216.12 2525 4040 200200 16.7816.78 26.126.1 5050 200200 17.117.1 27.227.2

표 2에 따라 얻어진 무연신 필름들의 SEM 사진을 도 3에 나타냈다.SEM images of the unstretched films obtained according to Table 2 are shown in FIG. 3.

이어서, 무기 충전제 배합을 50중량%로 한 미연신 필름을 이용하여 하기 표 3에 따라 연신하였고, 그에 따른 기공 크기 등을 아래 표 3에 나타냈다.Subsequently, it was stretched according to Table 3 below using an unstretched film having an inorganic filler formulation of 50% by weight, and the pore size and the like accordingly are shown in Table 3 below.

구분division Thickness
(㎛)
Thickness
(Μm)
기공크기
(㎛)
Pore size
(Μm)
기공도(%)Porosity (%)
무연신No extension 200200 17.117.1 27.227.2 연신 2배Draw twice 200200 19.78(14%↑)19.78 (14% ↑) 30.1(9%↑)30.1 (9% ↑) 연신 3배Stretch three times 200200 32.9(48%↑)32.9 (48% ↑) 35.1(23%↑)35.1 (23% ↑) 연신 4배Stretch 4 times 200200 29.3(42%↑)29.3 (42% ↑) 39.1(31%↑)39.1 (31% ↑)

표 3에 따라 얻어진 필름들의 SEM 사진을 도 4에 나타냈다.SEM photographs of the films obtained according to Table 3 are shown in FIG. 4.

제조예Production Example 1 One

참고예 1에 따라 탄산칼슘을 50중량% 함유하는 연신 4배의 필름을, 초산 15 중량%의 수용액에 5분간 침지시켰고, 얻어진 필름의 SEM 사진을 도 5에 나타냈다.According to the reference example 1, the stretched 4 times film containing 50 weight% of calcium carbonate was immersed for 5 minutes in 15weight% of acetic acid aqueous solution, and the SEM photograph of the obtained film was shown in FIG.

평균 기공크기는 49nm, 기공도는 60%로 측정되었는데, 이러한 수치로부터 표 3의 기공크기 29.3nm 및 기공도 39.1%보다 증대된 것을 알 수 있다. 이는 도 5의 단면사진 및 도 6의 표면사진으로부터 기공이 증대되었음을 확인할 수 있다. The average pore size was measured at 49 nm and porosity was 60%. From these figures, it can be seen that the pore size was increased from 29.3 nm and porosity 39.1%. This can be confirmed that the pores are increased from the cross-sectional photograph of Figure 5 and the surface photograph of FIG.

참고예Reference Example 2 2

무기 충전제 배합을 50중량%로 한 표 3의 무연신 필름을 이용하여 제조예 1과 동일하게 초산을 처리하였고, 얻어진 필름의 SEM 사진을 도 7 및 도 8에 나타냈다. 도 7의 단면사진 및 도 8의 표면사진으로부터, 연신을 실시하지 않은 무기 충전제 함유 필름은 산처리를 실시해도 기공이 크게 증대되지 않았음을 알 수 있다. Acetic acid was treated in the same manner as in Production Example 1 using the unstretched film of Table 3 having an inorganic filler formulation of 50% by weight, and SEM photographs of the obtained film were shown in FIGS. 7 and 8. From the cross-sectional photograph of FIG. 7 and the surface photograph of FIG. 8, it can be seen that the pores were not greatly increased even when the acid-treated inorganic filler-containing film was not subjected to stretching.

위 결과로부터, 본 발명의 징크-브로민 산화환원 흐름 전지용 분리막의 제조시 제조예 1에 따라 폴리올레핀계 수지 다공성 필름을 준비하면, 산성 용액의 처리에 의해 연신 필름에 포함된 무기 미세입자 충전제의 표면이 용출됨에 따라 다공성 필름의 기공도를 향상시킬 수 있음을 알 수 있다. 즉, 산성 용액은 무기 미세입자 충전제를 용해시킬 수 있으므로, 산성 용액에 의해 연신 필름에 혼입된 무기 미세입자 충전제의 표면이 용해되어 추출되므로, 용해된 무기 미세입자 충전제의 볼륨만큼 기공이 더 형성되어 다공성 필름의 기공도가 개선된다. 연신 공정을 거치면서 혼입된 무기 미세 입자 충전제의 주위도 기공이 형성되는데, 산성 용액의 처리에 따라 무기 미세 입자 충전제의 주위에 형성된 기공이 커지게 되므로, 기공분포가 크게 커지는 현상은 거의 발생하지 않게 된다. 따라서, 가혹 조건을 채택하지 않고도 효율적으로 기공도를 높인 다공성 필름을 이용할 수 있다. From the above results, when preparing a polyolefin-based resin porous film according to Preparation Example 1 in the preparation of the zinc-bromine redox flow battery separator of the present invention, the surface of the inorganic microparticle filler contained in the stretched film by treatment of an acidic solution As it is eluted, it can be seen that the porosity of the porous film can be improved. That is, since the acidic solution can dissolve the inorganic fine particle filler, since the surface of the inorganic fine particle filler mixed in the stretched film is dissolved and extracted by the acidic solution, pores are further formed by the volume of the dissolved inorganic fine particle filler. The porosity of the porous film is improved. Pores are also formed around the inorganic fine particle filler that is mixed during the stretching process, and the pores formed around the inorganic fine particle filler become larger according to the treatment of the acidic solution, so that the pore distribution hardly increases. do. Therefore, it is possible to use a porous film having increased porosity efficiently without adopting harsh conditions.

<불소계 계면활성제 코팅층의 형성><Formation of Fluorine-Based Surfactant Coating Layer>

상기 화학식 1로 표시되는 불소계 계면활성제를 NMP에 30 중량%의 농도로 용해시킨 용액을 준비한 다음, 이를 제조예 1의 제조방법에 따라 제조한 두께 20㎛의 다공성 필름의 일면에 캐스팅하고 건조시켜 약 1㎛의 두께의 불소계 계면활성제 코팅층을 형성하였다.After preparing a solution in which the fluorine-based surfactant represented by Formula 1 was dissolved in NMP at a concentration of 30% by weight, it was cast on one surface of a porous film having a thickness of 20 μm prepared according to the preparation method of Preparation Example 1, and dried. A fluorine-based surfactant coating layer having a thickness of 1 μm was formed.

<< 폴리테트라플루오르메틸렌Polytetrafluoromethylene 골격에  On the skeleton 술폰산기가Sulfonic acid 도입된 고분자 코팅층의 형성> Formation of Introduced Polymer Coating Layer>

듀폰사에서 구매한 Nafion D520 용액을 건조시킨 후 N-메틸 피롤리돈 (NMP)에 10 중량%의 농도로 용해시킨 용액을 준비한 다음, 이를 다공성 필름 위에 형성된 불소계 계면활성제 코팅층의 표면에 1차 캐스팅한 후 잉여용액을 제거한 후, 다시 2차 캐스팅하고 건조시켜 약 2㎛의 두께의 폴리테트라플루오르메틸렌 골격에 술폰산기가 도입된 고분자 코팅층을 형성하였다.After the Nafion D520 solution purchased from DuPont was dried, a solution dissolved in N-methyl pyrrolidone (NMP) at a concentration of 10% by weight was prepared. After removing the excess solution, the second casting and drying again to form a polymer coating layer in which sulfonic acid groups were introduced into a polytetrafluoromethylene skeleton having a thickness of about 2 μm.

도 9에 본원의 실시예 1에 따른 분리막을 구성하는 불소계 계면활성제 코팅층 구비 폴리올레핀계 수지 다공성 필름의 나피온 코팅층 형성 전 후의 표면과 단면의 SEM 사진을 나타냈다. 9 is a SEM photograph of the surface and the cross section before and after the formation of the Nafion coating layer of the polyolefin resin porous film with a fluorine-based surfactant coating layer constituting the separator according to Example 1 of the present application.

비교예Comparative example 1 One

아사히카세히사로부터 구매한 SF-600 분리막 (Nafion-filled porous polypropylene membrane)을 사용하였다.A SF-600 membrane (Nafion-filled porous polypropylene membrane) purchased from Asahi Kaseihisa was used.

비교예Comparative example 2 2

두께 50㎛의 Nafion 212 막(나라셀텍사)을 순수로 12시간 전처리하여 물에 대한 젖음성을 개선시킨 상태에서 사용하였다.Nafion 212 membrane (Nara Cell Tech Co., Ltd.) having a thickness of 50 µm was pretreated with pure water for 12 hours, and used in a state of improving wettability with water.

<전압 효율 및 에너지 효율의 측정><Measurement of Voltage Efficiency and Energy Efficiency>

실시예 1 및 비교예 1~2의 막을 이용하여 도 10의 공정에 따라 120㎠ 크기의 징크-브로민 산화환원 흐름 셀을 각각 제조하였다.Zinc-bromine redox flow cells each having a size of 120 cm 2 were prepared according to the process of FIG. 10 using the membranes of Example 1 and Comparative Examples 1-2.

도 11은 실시예 1에 따라 제조한 분리막을 구비한 셀(PP_Nafion 80DI12hr)과, 비교예 1에 따른 분리막을 구비한 셀(SF600)과, 비교예 2에 따른 분리막(Nafion 212 80DI12hr)을 구비한 셀의 전압효율을 측정하여 도시한 그래프이다.FIG. 11 is a view showing a cell (PP_Nafion 80DI12hr) having a separator prepared according to Example 1, a cell (SF600) having a separator according to Comparative Example 1, and a separator (Nafion 212 80DI12hr) according to Comparative Example 2. It is a graph which measures the voltage efficiency of a cell.

또한 도 12는 실시예 1에 따라 제조한 분리막을 구비한 셀과, 비교예 1에 따른 분리막을 구비한 셀과, 비교예 2에 따른 분리막 구비한 셀의 에너지 효율을 측정하여 도시한 그래프이다.In addition, Figure 12 is a graph showing the measurement of the energy efficiency of the cell having a membrane in accordance with an embodiment having a membrane cell according to a cell and, in Comparative Example 1 having the manufactured membrane according to 1, and Comparative Example 2 .

실시예 1과 비교예 1의 분리막은 폴리올레핀계 수지 다공성 필름을 구비하므로 비교예 2의 나피온 막보다 기계적 강도가 우수하다. 또한, 도 11 및 도 12에서 입증된 바와 같이, 나피온 코팅층 형성 전에 불소계 계면활성제 코팅층을 형성한 실시예 1의 분리막을 구비한 셀이 불소계 계면활성제 코팅층을 형성하지 않은 비교예 1의 셀보다 전압 효율 및 에너지 효율이 개선되었음을 확인할 수 있다.Since the separators of Example 1 and Comparative Example 1 have a polyolefin-based resin porous film, the mechanical strength is superior to that of the Nafion membrane of Comparative Example 2. 11 and 12, the cell with the separator of Example 1, in which the fluorine-based surfactant coating layer was formed before the Nafion coating layer was formed, had a voltage higher than that of the cell of Comparative Example 1, which did not form the fluorine-based surfactant coating layer. It can be seen that the efficiency and energy efficiency have been improved.

Claims (14)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete (S1) 폴리올레핀계 수지 다공성 필름을 준비하는 단계;
(S2) 상기 다공성 필름의 적어도 일면에 불소계 계면활성제 용액을 코팅하고 건조시켜 불소계 계면활성제 코팅층을 형성하는 단계; 및
(S3) 상기 불소계 계면활성제 코팅층의 표면에, 폴리테트라플루오르메틸렌 골격에 술폰산기가 도입된 고분자 용액을 코팅하고 건조시켜 폴리테트라플루오르메틸렌 골격에 술폰산기가 도입된 고분자 코팅층을 형성하는 단계를 구비하고,
상기 (S1)의 다공성 필름의 준비 단계는, 혼련된 폴리올레핀계 수지와 무기 미세입자 충전제의 혼합물을 압출하여 미연신 필름을 제조하는 제1 단계;
상기 미연신 필름을 연신하여 연신 필름을 제조하는 제2 단계; 및
상기 연신 필름을 산성 용액으로 처리하는 제3 단계를 포함하는 징크-브로민 산화환원 흐름 전지용 분리막의 제조방법.
(S1) preparing a polyolefin resin porous film;
(S2) coating and drying a fluorine-based surfactant solution on at least one surface of the porous film to form a fluorine-based surfactant coating layer; And
(S3) coating a polymer solution having a sulfonic acid group introduced into a polytetrafluoromethylene skeleton on a surface of the fluorine-based surfactant coating layer and drying the same to form a polymer coating layer having a sulfonic acid group introduced into a polytetrafluoromethylene skeleton;
The preparing of the porous film of (S1) may include a first step of extruding a mixture of the kneaded polyolefin resin and the inorganic fine particle filler to prepare an unstretched film;
Drawing a stretched film by stretching the unstretched film; And
A method of manufacturing a separator for a zinc-bromine redox flow battery comprising a third step of treating the stretched film with an acidic solution.
삭제delete 제6항에 있어서,
상기 무기 미세입자 충전제는 탄산칼슘, 실리카, 탄산 마그네슘, 알루미나, 마이카, 산화티탄 및 카오링으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 징크-브로민 산화환원 흐름 전지용 분리막의 제조방법.
The method of claim 6,
The inorganic fine particle filler is any one or more selected from the group consisting of calcium carbonate, silica, magnesium carbonate, alumina, mica, titanium oxide and kaoring, wherein the zinc-bromine redox flow battery separator.
제6항에 있어서,
상기 무기 미세입자 충전제의 평균 입경은 0.1 내지 300㎛인 것을 특징으로 하는 징크-브로민 산화환원 흐름 전지용 분리막의 제조방법.
The method of claim 6,
The average particle diameter of the inorganic fine particle filler is 0.1 to 300㎛ method for producing a separator for zinc-bromine redox flow battery.
제6항에 있어서,
상기 제1 단계는 상기 미연신 필름을 MD방향으로 1축 연신하는 수행하는 것을 특징으로 하는 징크-브로민 산화환원 흐름 전지용 분리막의 제조방법.
The method of claim 6,
The first step is a method for producing a separator for zinc-bromine redox flow battery, characterized in that the uniaxial stretching of the unstretched film in the MD direction.
제6항에 있어서,
상기 산성 용액은 초산 용액인 것을 특징으로 하는 징크-브로민 산화환원 흐름 전지용 분리막의 제조방법.
The method of claim 6,
The acid solution is a method for producing a zinc-bromine redox flow battery separator, characterized in that the acetic acid solution.
제6항에 있어서,
상기 폴리올레핀계 수지는 폴리프로필렌이고, 상기 불소계 계면활성제는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물이고, 상기 폴리테트라플루오르메틸렌 골격에 술폰산기가 도입된 고분자는 나피온 (Nafion)인 것을 특징으로 하는 징크-브로민 산화환원 흐름 전지용 분리막의 제조방법:
<화학식 1>
Figure 112019047287619-pat00004
The method of claim 6,
The polyolefin-based resin is polypropylene, the fluorine-based surfactant is a compound represented by the following formula (1), the polymer in which the sulfonic acid group is introduced into the polytetrafluoromethylene skeleton is Nafion (Nafion), characterized in that Method for preparing a separator for a redox flow battery:
<Formula 1>
Figure 112019047287619-pat00004
제6항에 있어서,
상기 다공성 필름은 무기 미세입자 충전제가 분산된 폴리올레핀계 수지 연신 필름인 것을 특징으로 하는 징크-브로민 산화환원 흐름 전지용 분리막의 제조방법.
The method of claim 6,
The porous film is a method for producing a separator for zinc-bromine redox flow battery, characterized in that the polyolefin resin stretched film in which inorganic fine particle filler is dispersed.
제6항에 있어서,
상기 다공성 필름의 두께는 10 내지 500㎛이고, 상기 불소계 계면활성제 코팅층의 두께는 0.1 내지 1㎛이고, 상기 고분자 코팅층의 두께는 1 내지 3㎛인 것을 특징으로 하는 징크-브로민 산화환원 흐름 전지용 분리막의 제조방법.
The method of claim 6,
Separation membrane of the zinc-bromine redox flow battery, characterized in that the thickness of the porous film is 10 to 500㎛, the thickness of the fluorine-based surfactant coating layer is 0.1 to 1㎛, the thickness of the polymer coating layer is 1 to 3㎛. Manufacturing method.
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20100006809A (en) * 2008-07-10 2010-01-22 한양대학교 산학협력단 Fluorinated polymer electrolyte membrane comprising fully or partially fluorinated surfactant and fuel cell comprising the same
KR20150145309A (en) 2014-06-18 2015-12-30 희성전자 주식회사 Manufacturing method for separator including filler and electro-chemical device having the same
KR20160064545A (en) 2014-11-28 2016-06-08 롯데케미칼 주식회사 Zn-Br Redox Flow Battery System
KR20170037387A (en) * 2015-09-25 2017-04-04 롯데케미칼 주식회사 Porous membrane of zinc-bromine redox flow battery, preparation method for porous membrane of zinc-bromine redox flow battery, and zinc-bromine redox flow battery
KR101750928B1 (en) * 2015-12-02 2017-06-26 에스케이씨 주식회사 Membrane for redox flow battery and method of fabricating same
KR20180004775A (en) * 2015-05-08 2018-01-12 셀가드 엘엘씨 Improved, coated or processed microporous battery separators, rechargeable lithium batteries, systems and associated manufacturing and / or use methods

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20100006809A (en) * 2008-07-10 2010-01-22 한양대학교 산학협력단 Fluorinated polymer electrolyte membrane comprising fully or partially fluorinated surfactant and fuel cell comprising the same
KR20150145309A (en) 2014-06-18 2015-12-30 희성전자 주식회사 Manufacturing method for separator including filler and electro-chemical device having the same
KR20160064545A (en) 2014-11-28 2016-06-08 롯데케미칼 주식회사 Zn-Br Redox Flow Battery System
KR20180004775A (en) * 2015-05-08 2018-01-12 셀가드 엘엘씨 Improved, coated or processed microporous battery separators, rechargeable lithium batteries, systems and associated manufacturing and / or use methods
KR20170037387A (en) * 2015-09-25 2017-04-04 롯데케미칼 주식회사 Porous membrane of zinc-bromine redox flow battery, preparation method for porous membrane of zinc-bromine redox flow battery, and zinc-bromine redox flow battery
KR101750928B1 (en) * 2015-12-02 2017-06-26 에스케이씨 주식회사 Membrane for redox flow battery and method of fabricating same

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