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KR20140026265A - Method of manufacturing electrolyte for vanadium secondary battery and apparatus thereof - Google Patents

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KR20140026265A
KR20140026265A KR1020130096662A KR20130096662A KR20140026265A KR 20140026265 A KR20140026265 A KR 20140026265A KR 1020130096662 A KR1020130096662 A KR 1020130096662A KR 20130096662 A KR20130096662 A KR 20130096662A KR 20140026265 A KR20140026265 A KR 20140026265A
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현대중공업 주식회사
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Abstract

The present invention provides an economic and direct method of manufacturing an electrolyte for a secondary battery using cheap V2O5, in which insoluble pentavalent vanadium is not produced, and an apparatus including the electrolyte. According to the present invention, a sulfuric acid (H2SO4) aqueous solution is inserted in a half cell for oxidation, and a V2O5 dispersion and an H2SO4 aqueous solution are inserted in a half cell for reduction, respectively. Then, a potential is applied to an oxidation electrode and a reduction electrode by voltage of 1.7-2.5 V and current of 20-100 mA/cm2. The application of the potential is conducted by two steps. A trivalent vanadium solution (electrolyte for an anode) and a tetravalent vanadium solution (electrolyte for a cathode) may be economically manufactured by using cheap V2O5 (a pentavalent material) without generating insoluble pentavalent vanadium. [Reference numerals] (AA) Water or sulfuric acid

Description

이차전지용 전해액 제조방법과 그 장치{Method of manufacturing electrolyte for Vanadium secondary battery and apparatus thereof}Method of manufacturing electrolyte for secondary battery and apparatus therefor {Method of manufacturing electrolyte for Vanadium secondary battery and apparatus}

본 발명은 바나듐 이차전지용 전해액 제조방법 및 그 장치에 관한 것으로, 저가의 물질인 V2O5 (5가 물질)를 사용하여 불용(不用)물질인 5가 바나듐의 생성이 없이 이차전지에 쓰이는 3가 바나듐 용액 (음극 전해질) 및 4가 바나듐 용액 (양극 전해질)을 경제적으로 제조할 수 있는 이차전지용 전해액 제조방법 및 그 장치에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for manufacturing an electrolyte solution for a vanadium secondary battery, and a device thereof, wherein 3 is used for a secondary battery without the production of a pentavalent vanadium using an inexpensive material, V 2 O 5 (a pentavalent material). The present invention relates to a method for producing an electrolyte solution for a secondary battery and an apparatus thereof, which can economically prepare a vanadium solution (cathode electrolyte) and a tetravalent vanadium solution (anode electrolyte).

최근 지구 온난화의 주요 원인인 온실가스 배출을 억제하기 위한 방법으로 태양광에너지나 풍력에너지 같은 재생에너지가 각광을 받고 있으며 이들의 실용화 보급을 위해 많은 연구가 진행되고 있다. 그러나 상기 재생에너지는 입지환경이나 자연조건에 의해 크게 영향을 받는다. 더욱이, 재생에너지는 출력 변동이 심하기 때문에 에너지를 연속적으로 고르게 공급할 수 없다는 단점이 있다.Recently, renewable energy, such as solar energy and wind energy, has been spotlighted as a method for suppressing greenhouse gas emission, which is a major cause of global warming, and a lot of researches are being carried out for their practical use. However, the renewable energy is greatly affected by the location environment or natural conditions. Moreover, there is a disadvantage in that renewable energy cannot supply energy evenly continuously because the output fluctuates severely.

따라서, 에너지의 출력을 고르게 하기 위해서 출력이 높을 때는 에너지를 저장하고 출력이 낮을 때는 저장된 에너지를 사용할 수 있는 저장장치의 개발이 중요시 되고 있으며, 대용량의 전력저장을 위한 2차전지로는 납축전지, NaS 전지 그리고 산화환원 유동 에너지 저장장치(redox flow energy storage device) 등이 있다.Therefore, in order to even out the energy output, it is important to develop a storage device that stores energy when the output is high and uses the stored energy when the output is low. Batteries and redox flow energy storage devices.

상기 납축전지는 다른 전지에 비해 상당히 안정된 기술로써 산업용으로 널리 사용되고 있으나 낮은 효율 및 주기적인 교체로 인한 유지 보수의 비용과 전지 교체시 발생하는 산업폐기물의 처리문제 등의 단점이 있다. The lead acid battery has been widely used in the industry as a technology that is considerably more stable than other batteries, but has disadvantages such as low efficiency and maintenance costs due to periodic replacement and disposal of industrial waste generated during battery replacement.

상기 NaS 전지의 경우 에너지 효율이 높은 것이 장점이나 300℃이상의 고온에서 작동하는 단점이 있다.The NaS battery has an advantage of high energy efficiency but has a disadvantage of operating at a high temperature of 300 ° C. or higher.

이에 반하여, 산화환원 유동 에너지 저장장치(redox flow energy storage device)는 유지 보수 비용이 적고 상온에서 작동가능하며 용량과 출력을 각기 독립적으로 설계할 수 있는 특징이 있다. 특히 전력 저장 물질로서 다양한 산화수를 가지는 바나듐 원소를 사용하는 산화환원 유동 에너지 저장장치(redox flow energy storage device)는 경제성과 수명 면에서 큰 경쟁력을 가지기 때문에 최근 대용량 저장장치로의 많은 연구가 진행되고 있는 실정이다.In contrast, redox flow energy storage devices are characterized by low maintenance costs, operable at room temperature, and independently designed capacity and output. In particular, redox flow energy storage devices, which use vanadium elements having various oxidation numbers as power storage materials, have great competitiveness in terms of economy and lifespan. It is true.

그러나, 산화환원 유동 에너지 저장장치(redox flow energy storage device)에 필요한 양극 및 음극 전해액 (각각 4가 용액 및 3가 용액 필요)을 얻기 위해 종래의 방법은 도 1 에 도시한 형태의 전해 전지 (electrolytic cell)를 이용하여, 출발 원료 (starting material)인 VOSO4 수용액으로부터 전해액을 제조한다. 이 경우 산화 전극(anode) 쪽에서는 전지 운용에 필요한 3가 바나듐 용액이 얻어지지만, 동시에 반대편 환원 전극 (cathode) 쪽에서 불용 (不用) 물질인 5가의 바나듐 용액이 필연적으로 생성되기 때문에, 전지로의 재활용이 매우 어렵고, 이로 인해 경제성과 생산 효율이 저하되는 현상이 발생하고 있었다. However, in order to obtain the positive and negative electrolytes (required tetravalent and trivalent solutions, respectively) required for the redox flow energy storage device, the conventional method is an electrolytic cell of the type shown in FIG. cell) to prepare an electrolyte from an aqueous starting solution of VOSO 4 . In this case, a trivalent vanadium solution necessary for battery operation is obtained on the anode side, but at the same time, an insoluble substance, a pentavalent vanadium solution, is inevitably generated on the opposite cathode side, and thus recycled to the battery. This is very difficult, resulting in a decrease in economic efficiency and production efficiency.

특히, 3가 바나듐 용액 (바나듐 산화환원 유동 에너지 저장장치의 음극 전해액으로 사용됨)을 얻는 원재료이자 직접 양극 전해액 재료로 쓰이는 VOSO4 가격이 비싸, 비용대비 효율이 낮고, 전해액 제조비용이 증대되는 등 여러가지 문제점이 있었다.
In particular, VOSO 4 , which is a raw material for obtaining trivalent vanadium solution (used as a cathode electrolyte of a vanadium redox flow energy storage device) and a direct anode electrolyte material, is expensive, has low cost-effectiveness, and increases electrolyte manufacturing cost. There was a problem.

공개특허공보 공개번호 10-2011-0064058(2011.06.15)Published Patent Publication No. 10-2011-0064058 (2011.06.15) 공개특허공보 공개번호 10-2011-0088881(2011.08.04)Publication No. 10-2011-0088881 (2011.08.04) 공개특허공보 공개번호 10-2011-0119775(2011.11.02)Published Patent Publication No. 10-2011-0119775 (2011.11.02)

본 발명의 목적은 저가의 V2O5 를 사용하여, 불용 (不用) 물질인 5가 바나듐의 생성이 없이 직접 이차전지용 전해액을 경제적으로 제조할 수 있는 이차전지용 전해액 제조방법과 그 장치를 제공하는 것이다.
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a method for manufacturing an electrolyte solution for a secondary battery and an apparatus thereof, which can directly manufacture an electrolyte solution for a secondary battery economically without using inexpensive V 2 O 5 , without the generation of pentavalent vanadium. will be.

본 발명은 이차전지에 필요한 양극 전해액 (4가 바나듐 용액) 및 음극 전해액 (3가 바나듐 용액)을 얻기 위해, 소정의 출발 물질 (5가 바나듐 화합물)을 환원시키는 이차전지용 전해액 제조방법과 그 장치에 있어서, The present invention provides a method for producing a secondary battery electrolyte solution and apparatus for reducing a predetermined starting material (a hexavalent vanadium compound) in order to obtain a positive electrode electrolyte (tetravalent vanadium solution) and a negative electrode electrolyte (trivalent vanadium solution) required for a secondary battery. In

산화 반쪽 셀 (anodic half cell)은 셀 내부로부터 전자를 포집하기 위한 산화 전극 (anode) 및 물(증류수) 또는 2∼5M 황산(H2SO4) 수용액으로 이루어지고, 환원 반쪽 셀 (cathodic half cell)은 셀 내부에 전자를 공급하기 위한 환원 전극 (cathode) 및 1∼3M V2O5 / 2∼5M H2SO4 수용액의 혼합용액으로 이루어지며,An oxidic half cell consists of an anode (anode) and water (distilled water) or an aqueous solution of 2-5 M sulfuric acid (H 2 SO 4 ) to collect electrons from inside the cell, and a cathode half cell. ) Is composed of a mixed solution of a cathode and a 1 to 3 M V 2 O 5/2 to 5 M H 2 SO 4 aqueous solution for supplying electrons into the cell,

산화 반쪽 셀 내의 물질 즉, 물(증류수) 또는 2∼5M 황산(H2SO4) 수용액을 교반기에 의해 교반하고, 환원 반쪽 셀 내의 물질 즉, 1∼3M V2O5 / 2∼5M H2SO4 의 혼합 수용액을 교반기에 의해 교반하며, 파워서플라이를 통해 산화 및 환원 전극에 전압은 1.7∼2.5V, 전류는 20∼100㎃/㎠로 전위를 인가하되, 상기 전위인가는 높은 정전류 (약 100㎃/㎠) - 높은 전압 (약 2.5V)으로 컷 - 오프하는 1차 스텝과, 낮은 정전압 (약 1.7V) - 낮은 전류 (약 20㎃/㎠) 컷 - 오프하는 2차 스텝으로 이루어지도록 되어 있다. 또는 1차와 2차 스텝 사이에 중율 정전류 (약 80㎃/㎠) - 중 전압, 약 2V)로 1개 혹은 그 이상의 온건한 중간 단계를 넣을 수도 있다.
The material in the oxidized half cell, i.e. water (distilled water) or 2-5 M sulfuric acid (H 2 SO 4 ) aqueous solution, is stirred with a stirrer and the material in the reduced half cell, i.e. 1-3 M V 2 O 5 /2-5 M H 2 The mixed aqueous solution of SO 4 is stirred by a stirrer, and a potential is applied to the oxidation and reduction electrode through a power supply at a voltage of 1.7 to 2.5 mA and a current of 20 to 100 mA / cm 2, but the application of the potential is a high constant current (about 100 ㎃ / ㎠)-the first step to cut-off at high voltage (about 2.5 V), and low constant voltage (about 1.7 V)-the second step to cut-off at low current (about 20 ㎃ / ㎠) It is. Alternatively, one or more moderate intermediate stages may be placed between the primary and secondary steps, with a constant constant current (about 80 mA / cm 2)-medium voltage, about 2 V).

본 발명은 저가의 V2O5 을 사용하여, 바나듐 이차전지용 전해액의 제조단가를 낮추고, 제조 단계에서 전해액으로 활용할 수 없는 5가 바나듐이 생성되지 않아 공정의 효율과 자원 활용도를 향상시키는 효과가 있다. The present invention has the effect of lowering the manufacturing cost of the vanadium secondary battery electrolyte using low-cost V 2 O 5 , and does not generate pentavalent vanadium that cannot be used as an electrolyte in the manufacturing step, thereby improving the efficiency and resource utilization of the process. .

또한 본 발명은 전해액 제조 (V2O5의 환원)를 위한 전해 전지의 양쪽 전극에 2단계 이상의 조건 (전압 및 전류 조건)으로 전력을 분리 인가하여 장치의 손상을 방지하고, 반응완결시간을 단축시켜 신속하게 전해액을 제조할 수 있는 등 효과가 있다.
In addition, the present invention is applied to the two electrodes of the electrolytic cell for the preparation of the electrolyte solution (reduction of V 2 O 5 ) to separate the power under two or more conditions (voltage and current conditions) to prevent damage to the device, shortening the reaction completion time It is effective to prepare an electrolyte solution quickly.

도 1 은 종래의 전해액 제조 장치 구성을 보인 예시도
도 2 는 본 발명에 따른 구성을 보인 예시도
도 3 은 본 발명에 따른 전극-집전판의 구성을 보인 예시도
도 4 는 본 발명에 따른 전력 인가 방법 (2단계)의 효용성을 설명한 예시도
1 is an exemplary view showing a conventional electrolyte solution manufacturing apparatus configuration
2 is an exemplary view showing a configuration according to the present invention
3 is an exemplary view showing the configuration of an electrode-current collecting plate according to the present invention;
4 is an exemplary view illustrating the utility of the power application method (step 2) according to the present invention.

도 2 는 본 발명에 따른 구성을 보인 예시도를, 도 3 은 본 발명에 따른 전극-집전판의 구성을 보인 예시도를 도시한 것으로, 2 is an exemplary view showing a configuration according to the present invention, Figure 3 is an exemplary view showing a configuration of an electrode-current collector according to the present invention,

본 발명은 산화 전극(10)과, 환원 전극(20)과, 이들 양 전극 사이에 설치되는 이온교환격막(30)을 구비하는 전해 전지 셀(40)의 산화 반쪽 셀(50)과 환원 반쪽 셀(60)에 산화조 전해액(70) 및 환원조 전해액(80)을 각각 공급하여 전압 및 전류를 인가해 산화 환원 반응을 일으키는 전해액 제조 장치(100)에 있어서, According to the present invention, the oxidized half cell 50 and the reduced half cell of an electrolytic battery cell 40 including an oxidation electrode 10, a reduction electrode 20, and an ion exchange diaphragm 30 provided between these two electrodes. In the electrolytic solution manufacturing apparatus 100 which supplies the oxidation tank electrolyte 70 and the reduction tank electrolyte 80 to 60, and applies a voltage and an electric current, and produces a redox reaction,

상기 산화조 전해액(70)은 물(증류수) 또는 2∼5M 황산(H2SO4) 수용액으로 이루어지고,The oxidizing bath electrolyte 70 is made of water (distilled water) or 2-5 M sulfuric acid (H 2 SO 4 ) aqueous solution,

상기 환원조 전해액(80)은 1∼3M V2O5 현탁액과 2∼5M H2SO4 수용액의 혼합용액으로 이루어져 있다.
The reducing bath electrolyte 80 is composed of a mixed solution of 1 to 3 M V 2 O 5 suspension and 2 to 5 M H 2 SO 4 aqueous solution.

상기 산화 전극(10) 및 환원 전극(20)은 전극 고정부, 전극 및 집전판을 포함하여 구성되어 있다. The oxidation electrode 10 and the reduction electrode 20 are configured to include an electrode fixing part, an electrode, and a current collector plate.

상기 전극 고정부는 전극을 압축하고, 집전판에 고정하기 위한 지지체 기능을 구비하며, 내산성 플라스틱으로 형성될 수 있다. 이때, 전극 고정부의 구성은 하나의 실시예일 뿐, 전극을 고정할 수 있는 방법은 어느 것이든 가능하다. The electrode fixing part has a support function for compressing the electrode and fixing the electrode to the current collecting plate, and may be formed of an acid resistant plastic. At this time, the configuration of the electrode fixing unit is only one embodiment, any method that can be fixed to the electrode is possible.

상기 전극은 황산 또는 염산 수용액인 전해액 환경에서 화학적으로 안정한 동시에 파우더 소스로부터 전자를 공급받아 전해액에 전달하거나, 그 반대 역할을 할 수 있도록 충분한 전도성과 반응 면적을 가지는 전도성 다공기재(일예로 카본 또는 그라파이트 펠트를 사용할 수 있음), 카본 페이퍼, 안정한 집전판에 코팅된 카본 또는 그라파이트 파우더 혼합체, 내산성 금속소재(백금, 금 등) 또는, 금/백금 코팅된 금속 전극(타이타늄, 스테인레스 등) 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. The electrode is chemically stable in an electrolytic solution environment of sulfuric acid or hydrochloric acid solution and at the same time, a conductive porous substrate (eg, carbon or graphite) having sufficient conductivity and reaction area to receive electrons from the powder source and transfer them to the electrolyte, or vice versa. At least one of felt), carbon paper, a carbon or graphite powder mixture coated on a stable current collector plate, an acid resistant metal material (platinum, gold, etc.), or a gold / platinum coated metal electrode (titanium, stainless, etc.) It may include.

상기 집전판은 상기 전극이 카본펠트, 카본 파우더 혼합체 등 전도성 다공기재로 이루어져 전해액이 침투할 수 있는 경우, 내산성/전도성을 구비하고 전극으로부터 전하를 집전할 수 있는 소재인 내산성 전도체를 포함할 수 있으며, 상기 내산성 전도체는 카본(또는 그라파이트)-플라스틱 복합체, 불투과성(non permeable) 그라파이트 플레이트, 그라파이트 포일 등의 비금속성 집전판 또는, 금/백금 코팅된 금속 집전판을 사용할 수 있다. When the electrode is made of a conductive porous material such as carbon felt and carbon powder mixture, the current collector plate may include an acid resistant conductor which is a material having acid resistance / conductivity and capable of collecting electric charge from the electrode. The acid resistant conductor may be a non-metal current collector such as a carbon (or graphite) -plastic composite, a non permeable graphite plate, a graphite foil, or a gold / platinum coated metal current collector.

또한, 상기 집전판은 전극이 불투과성 소재로 이루어져 있을 경우, 구리, 니켈 등 전도성이 좋은 금속 또는 합금집전판을 사용할 수 있다.
In addition, when the electrode is made of an impermeable material, it is possible to use a metal or alloy collector plate having good conductivity, such as copper and nickel.

상기와 같이 구성된 본 발명의 산화 전극(10) 및 환원 전극(20)은 도 3 에 도시된 바와 같이, 파워서플라이(90)로부터 전류를 공급받거나 전류를 공급하는 집전판(11,21), 전해액이 집전판에 직접 닿는 것을 막아주고 전극으로부터 전자를 집전하여 집전판에 전달하는 내산성 전도체(12,22), 전해액의 반응에 필요한 전자를 주고받는 전도성 다공기재(13,23), 전도성 다공기재를 압축하고 집전판에 고정하기 위한 전극고정부(14,24)가 적층된 것을 사용하는 것이 가장 바람직하다. As shown in FIG. 3, the oxidation electrode 10 and the reduction electrode 20 of the present invention configured as described above are supplied with current from the power supply 90 or current collector plates 11 and 21 for supplying current, and an electrolyte solution. The acid-resistant conductors 12 and 22 which prevent direct contact with the current collector plates and collect electrons from the electrodes and transfer them to the current collector plates, conductive porous materials 13 and 23 that transmit and receive electrons required for the reaction of the electrolyte, and conductive porous materials Most preferably, a stack of electrode fixing parts 14 and 24 for compressing and fixing the current collector plate is used.

또한, 상기 전극고정부(14,24)는 내산성 소재를 사용한 메시 또는 프레임 형태로 형성될 수 있다.In addition, the electrode fixing parts 14 and 24 may be formed in a mesh or frame shape using an acid resistant material.

또한, 본 발명의 산화 전극(10) 및 환원 전극(20)은 집접판(11,21)을 중심으로, 내산성 전도체(12,22), 전도성 다공기재(13,23), 전극고정부(14,24)가 단면 또는 양면으로 적층 될 수 있다.
In addition, the oxidation electrode 10 and the reduction electrode 20 of the present invention, around the current collector plate (11, 21), acid-resistant conductors (12, 22), conductive porous substrate (13, 23), electrode fixing part 14 24 may be stacked on one or both sides.

상기 전해 전지셀(40)은 강산성 전해액 환경에서 견딜 수 있는 소재와 전해액이 누액되지 않는 밀봉구조를 구비하고, 내화학성과 성형성이 좋은 소재 또는 이러한 소재 또는 내화학성 페인트로 코팅된 전해조를 사용할 수 있다. 상기 내화학성과 성형성이 좋은 소재는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등에서 선택된 1종 이상이 포함될 수 있다.
The electrolytic battery cell 40 is provided with a material that can withstand a strong acid electrolyte environment and the sealing structure does not leak the electrolyte solution, and can be used for a good chemical resistance and moldability material or an electrolytic cell coated with such a material or chemical resistant paint have. The material having good chemical resistance and moldability may include at least one selected from polyethylene, polypropylene, and the like.

상기 전해 전지셀(40)의 형태는 산화전극(10), 환원전극(20) 및, 이온교환격막(30)의 설치를 위한 사각형태가 일반적이나, 전극의 종류, 교반방법 등에 따라 이중구조의 원통형등의 다양한 형태로 형성할 수 있다.
The electrolytic battery cell 40 is generally rectangular in shape for the installation of the anode 10, the cathode 20, and the ion exchange diaphragm 30. It can be formed in various forms such as a cylinder.

상기 이온교환격막(30)은 전기분해반응을 통해 산화 반쪽 셀 및 환원 반쪽 셀내의 산화 환원 반응을 진행시킬 때, 전자의 이동에 따라 발생하는 전하의 불균형을 보상하기 위해 특정한 방향으로 양이온 또는 음이온을 이동시켜 줄 수 있는 고분자 수지막 또는 동일한 역할을 하는 무기소재의 격막/염다리를 사용할 수 있다. 대표적 양이온 교환막으로는 R-SO3H, R-COOH 구조를 가지는 양이온 교환 수지, R-NOH, R-NH2 등의 구조를 가지는 음이온 교환수지를 사용할 수 있다. 상기 이온교환격막(30)은 상용화된 공지의 것을 사용할 수 있으며, 일예로 Nafion(Dupont), Neosepta(ASTOM), Selemion(Asahi) 등을 사용할 수 있다.
When the ion exchange membrane 30 undergoes a redox reaction in the oxidized half cell and the reduced half cell through an electrolysis reaction, the ion exchange diaphragm 30 generates cations or anions in a specific direction in order to compensate for an imbalance in charge generated by the movement of electrons. A polymer resin film which can be moved or a diaphragm / bridge of inorganic material having the same role can be used. As a typical cation exchange membrane, an anion exchange resin having a structure such as a R-SO 3 H, a cation exchange resin having an R-COOH structure, R-NOH, or a R-NH 2 may be used. The ion exchange diaphragm 30 may be a commercially known one and may be used, for example, Nafion (Dupont), Neosepta (ASTOM), Selemion (Asahi), or the like.

상기 산화조 전해액(70)은 물(증류수)을 사용하며, 반응기내의 충분한 이온 전도성 확보를 위하여 황산(H2SO4)을 첨가하여 2∼5M 황산(H2SO4) 수용액을 사용하는 것이 바람직하다.
The oxidizing bath electrolyte 70 uses water (distilled water), and it is preferable to use sulfuric acid (H 2 SO 4 ) to add 2-5 M sulfuric acid (H 2 SO 4 ) aqueous solution to ensure sufficient ion conductivity in the reactor. Do.

이와 같은 산화조 전해액(70)은 전기분해반응을 통해 환원조 전해액(80)의 V2O5 를 환원시킬 수 있는 전자를 내어 놓아 산화반응이 진행되게 하고, 이러한 산화 반응시 유해하거나 불필요한 물질을 생성하지 않는다. 또한, 상기 산화조 전해액(70)으로 2∼5M 황산(H2SO4) 수용액을 사용하나, 실제 반응에 참여하는 물질은 용매인 물이며, 이는 황산이온의 환원전위가 물보다 충분히 높아서 본원발명에 따른 반응조건에서는 반응이 일어나기 어렵기 때문이다. (제조 과정이 완료된 후 용매인 물의 보충만으로 다음 번 제조에 재활용이 가능하다.)
Such an oxidizing bath electrolyte 70 emits electrons capable of reducing V 2 O 5 of the reducing bath electrolyte 80 through an electrolysis reaction to allow the oxidation reaction to proceed, and removes harmful or unnecessary substances during the oxidation reaction. Do not create In addition, 2 to 5 M sulfuric acid (H 2 SO 4 ) aqueous solution is used as the oxidizing bath electrolyte 70, but the material participating in the actual reaction is water, which is a solvent, and this is because the reduction potential of sulfate ion is sufficiently higher than that of the present invention. This is because the reaction hardly occurs under the reaction conditions. (After the manufacturing process is completed, it can be recycled in the next production only by adding water, which is a solvent.)

상기 환원조 전해액(80)은 1∼3M V2O5 현탁액과 2∼5M H2SO4 수용액의 혼합용액으로 이루어져 있다. 상기 V2O5 현탁액은 물에 대한 용해도가 매우 낮아 일부는 녹아 있으나, 전체적으로 분산된 용액(suspended solution) 형태를 유지하고 있으므로, 이에 지속적인 교반과 함께 H2SO4 수용액을 혼합하여, 환원되어 녹아나오는 3가 및 4가 바나듐 이온에 대한 충분한 전해특성을 확보한다. 또한, 단위 배치(batch)당 생산성을 높이기 위해서는 높은 V2O5 농도가 유리하나, 3M의 농도를 초과할 경우, 과전압 및 용액내 전하분포의 불균형등이 초래되는 문제점이 있으므로, 1∼3M의 V2O5 이 바람직하다.
The reducing bath electrolyte 80 is composed of a mixed solution of 1 to 3 M V 2 O 5 suspension and 2 to 5 M H 2 SO 4 aqueous solution. The V 2 O 5 suspension has a very low solubility in water, but part of it is dissolved, but maintains a totally dispersed solution, so that H 2 SO 4 is mixed with continuous stirring to reduce and melt. Securing sufficient electrolytic properties to the trivalent and tetravalent vanadium ions coming out. In addition, in order to increase productivity per unit batch, high V 2 O 5 concentration is advantageous, but when the concentration exceeds 3 M, there is a problem that overvoltage and unbalance of charge distribution in the solution are caused. V 2 O 5 is preferred.

도 2 에서 110 은 산화조 전해액탱크, 130 은 환원조 전해액탱크이며, 상기 전해액탱크 및 작용은 공지의 기술이므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
In FIG. 2, 110 is an oxidizing tank electrolyte tank, 130 is a reducing tank electrolyte tank, and the electrolyte tank and the action are well known techniques, and thus a detailed description thereof will be omitted.

본 발명은 산화 전극(10)과, 환원 전극(20)과, 이들 양 전극 사이에 설치되는 이온교환격막(30)을 구비하는 전해 전지 셀(40)의 산화 반쪽 셀(50)과 환원 반쪽 셀(60)에 산화조 전해액(70) 및 환원조 전해액(80)을 각각 공급하고, 전압 및 전류의 인가에 의해 산화 환원 반응을 일으켜 전해액을 제조하는 방법에 있어서,
According to the present invention, the oxidized half cell 50 and the reduced half cell of an electrolytic battery cell 40 including an oxidation electrode 10, a reduction electrode 20, and an ion exchange diaphragm 30 provided between these two electrodes. In the method of supplying the oxidizing bath electrolyte 70 and the reducing bath electrolyte 80 to 60, respectively, and causing an redox reaction by application of a voltage and an electric current,

산화 반쪽 셀(50)내의 물(증류수) 또는 2∼5M 황산(H2SO4) 수용액을 교반기(41)에 의해 교반하고, Water (distilled water) or 2-5 M sulfuric acid (H 2 SO 4 ) aqueous solution in the oxidized half cell 50 is stirred by the stirrer 41,

환원 반쪽 셀(60)내의 1∼3M V2O5 현탁액과 2∼5M H2SO4 수용액의 혼합용액을 교반기(41)에 의해 교반하며,The mixed solution of the 1 to 3 M V 2 O 5 suspension and the 2 to 5 M H 2 SO 4 aqueous solution in the reducing half cell 60 is stirred by the stirrer 41,

파워서플라이(90)를 통해 산화 전극(10) 및 환원 전극(20)에 전압은 1.7∼2.5V, 전류는 20∼100㎃/㎠로 전력을 인가하되,The power is applied to the oxidation electrode 10 and the reduction electrode 20 through the power supply 90 at a voltage of 1.7 to 2.5 mA and a current of 20 to 100 mA / cm 2,

전력 인가는 고율(高率)의 정전류 충전(CC charging method = constant current)하는 1차 스텝과, 낮은 정전압을 유지하며 저율(低率)의 전류로 충전(CV charging method = constant voltage)하는 2차 스텝으로 이루어지고,The power is applied in the first step of high rate constant current charging (CC charging method = constant current) and in the second rate of low current charging (CV charging method = constant voltage) while maintaining low constant voltage. Made up of steps,

상기 1차스텝은 전류는 100㎃/㎠, 컷 오프 전압은 2.5V 으로 전력이 인가되며,The first step is powered by a current of 100 mA / ㎠, cut-off voltage of 2.5 mA,

상기 2차 스텝은 전압은 1.7V, 컷 오프 전류는 20㎃/㎠ 으로 전력이 인가되도록 되어 있다.
In the secondary step, electric power is applied at a voltage of 1.7 V and a cut-off current of 20 mA / cm 2.

이때, 상기 인가전위가 2.5V를 초과할 경우, 집전판 등의 부품들이 손상될 수 있으며, 상기 1차 스텝 및 2차 스텝에 의한 단계적 전원인가는 충분히 높은 전류조건으로 전해를 진행할 경우, 전지내부 저항 등에 의해 과전압이 발생하여 반응이 완결되지 못한 채 설정 전압에 이르러 종료되는 현상, 또는 이와 같은 현상을 막기 위하여 매우 낮은 전류를 가할 때 반응완결에 소요되는 시간이 지나치게 길어지게 되는 문제점을 해소하기 위한 것이다. 장치 특성 및 필요에 따라 단계를 1, 2, 3차 등으로 더 세분화하여 공정 효율성을 높일 수 있다.
In this case, when the applied potential exceeds 2.5 kV, components such as a current collector plate may be damaged, and when the stepped power applied by the first and second steps is performed under sufficiently high current conditions, the inside of the battery may be damaged. In order to solve the problem that the overvoltage occurs due to the resistance and the reaction is not completed, and reaches the set voltage, or the time taken to complete the reaction becomes too long when a very low current is applied to prevent such a phenomenon. will be. Depending on the device characteristics and needs, the steps can be further subdivided into 1st, 2nd, 3rd, etc. to increase process efficiency.

상기와 같이 이루어진 본 발명은 산화 반쪽 셀에서는 물 또는 황산으로부터 산소가 생성되고, 환원 반쪽 셀에서는 고체상태의 V2O5 로부터 이차전지에 사용되는 양극 및 음극 전해액인 4가, 3가 바나듐용액이 동시에 생성되게 된다.
In the present invention made as described above, oxygen is generated from water or sulfuric acid in the oxidized half cell, and a tetravalent and trivalent vanadium solution, which is a positive electrode and a negative electrode electrolyte solution used in a secondary battery, is used from a solid state V 2 O 5 in a half cell. It will be created at the same time.

도 4 는 본 발명에 따른 전력 인가 방법 (2단계)의 효용성을 설명한 예시도를 도시한 것으로, 도 4 의 (a)는 인가전류의 크기와 과전압/반응 진행정도의 관계를 보인 그래프를 도시한 것으로, 높은 전류를 인가할 수록 과전압이 커져서, 동일한 종료 전압에서 충분한 반응 진행 정도에 도달하기 어렵게 됨을 알 수 있다. 따라서 충분한 반응을 진행시키려면, 종료 전압을 높게 설정하거나, 낮은 전류로 충전해야 하지만, 종료전압을 높게 설정할 경우 부품의 손상(부식 등)이나 부반응(용매의 분해, gas 생성)이 발생되고, 낮은 전류로 충전할 경우, 시간이 오래 걸리게 되는 문제점이 발생되므로, 전력인가의 조절은 공정효율성에 큰 영향을 미치게 된다.Figure 4 shows an exemplary view illustrating the utility of the power application method (step 2) according to the present invention, Figure 4 (a) shows a graph showing the relationship between the magnitude of the applied current and the degree of progress of the overvoltage / reaction It can be seen that the higher the voltage is applied, the greater the overvoltage becomes, so that it is difficult to reach a sufficient degree of reaction progress at the same termination voltage. Therefore, in order for the reaction to proceed sufficiently, the termination voltage must be set high or charged with a low current. However, if the termination voltage is set high, component damage (corrosion, etc.) or side reactions (solvent decomposition, gas generation) can occur. When charging with current, a problem that takes a long time occurs, so the adjustment of power application has a great influence on the process efficiency.

도 4 의 (b)는 2차스템에서 CV충전(constant voltage,정전압류충전)시의 효율을 도시한 것으로, 1차에서 고율 정전류 충전(CC 충전) 으로 어느 정도 반응을 진행시킨 후, 부족한 반응 진행 정도를 보충하기 위해 2차로 CV 충전 하게 되면, CV 충전에서는 셀의 전압이 유지된 채, 인가 전류가 서서히 줄어들게 되므로 필요에 따라 시간과 반응 정도를 적절히 조정하여 효율성을 높일 수 있다.
Figure 4 (b) shows the efficiency at the time of CV charging (constant voltage, constant voltage charging) in the secondary system, the reaction after the reaction to a certain degree by high rate constant current charging (CC charging) in the first, insufficient reaction Secondary CV charging to compensate for progression, while the voltage of the cell is maintained in the CV charging, the applied current gradually decreases, so that the efficiency can be increased by appropriately adjusting the time and reaction degree as necessary.

상기와 같이 구성된 본 발명의 산화 반쪽 셀 및 환원 반쪽 셀에서의 반응은 아래와 같이, 5가의 바나듐이 생성되지 않을 수 있을 뿐 아니라, SO2, Cl2 가스 등의 유해물질이 생성되지 않을 수 있다.
The reaction in the oxidized half cell and the reduced half cell of the present invention configured as described above may not generate pentavalent vanadium, as well as harmful substances such as SO 2 , Cl 2 gas, and the like.

[산화 반쪽 셀-산화반응][Oxidation half cell-oxidation reaction]

2H2O → O2(↑) + 4H+ + 4e- 2H 2 O → O 2 (↑ ) + 4H + + 4e -

[환원 반쪽 셀-환원반응][Reduction half cell-reduction reaction]

V2O5(s) + 8H+ + 3e- → V3 + + VO2 + + 4H2O V 2 O 5 (s) + 8H + + 3e - → V 3 + + VO 2 + + 4H 2 O

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위내에 있게 된다.
It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims and their equivalents. Of course, such modifications are within the scope of the claims.

(10) : 산화전극 (20) : 환원전극
(11,21): 집전판 (12,22): 내산성 전도체
(13,23): 전도성 다공기재 (14,24): 전극 고정부
(30) : 이온교환격막 (40) : 전해 전지 셀
(41) : 교반기 (50) : 산화 반쪽 셀
(60) : 환원 반쪽 셀 (70) : 산화조 전해액
(80) : 환원조 전해액 (90) : 파워서플라이
(100) : 전해액 제조 장치
10: anode electrode 20: cathode electrode
(11,21): Current collector plate (12,22): Acid-resistant conductor
(13,23): Porous conductive material (14,24): Electrode fixing part
(30): ion exchange membrane (40): electrolytic battery cell
41: stirrer 50: oxidation half cell
60: reducing half cell 70: oxidizing bath electrolyte
(80): Reduction Tank Electrolyte (90): Power Supply
100: electrolyte solution manufacturing apparatus

Claims (8)

산화 전극과, 환원 전극과, 이들 양 전극 사이에 설치되는 이온교환격막을 구비하는 전해 전지 셀의 산화 반쪽 셀과 환원 반쪽 셀에 산화조 전해액 및 환원조 전해액을 각각 공급하여 전압 및 전류를 인가해 산화 환원 반응을 일으키는 전해액 제조 장치에 있어서,
상기 산화조 전해액은 물 또는 2∼5M 황산(H2SO4) 수용액을 포함하고,
상기 환원조 전해액(80)은 1∼3M V2O5 현탁액과 2∼5M H2SO4 수용액의 혼합용액을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지용 전해액 제조장치.
An oxidizing bath electrolyte and a reducing bath electrolyte are supplied to an oxidizing half cell and a reducing half cell of an electrolytic battery cell having an oxidizing electrode, a reducing electrode, and an ion exchange diaphragm provided between these electrodes, respectively, to supply voltage and current. In the electrolytic solution manufacturing apparatus which produces a redox reaction,
The oxidizing bath electrolyte contains water or an aqueous solution of 2-5 M sulfuric acid (H 2 SO 4 ),
The reduction tank electrolyte 80 is a secondary battery electrolyte production apparatus characterized in that it comprises a mixed solution of 1 to 3 M V 2 O 5 suspension and 2 to 5 M H 2 SO 4 aqueous solution.
청구항 1 에 있어서;
상기 산화 전극 또는 환원 전극은, 파워서플라이로부터 전류를 공급받거나 전류를 공급하는 집전판; 전해액이 집전판에 직접 닿는 것을 막아주고 전극으로부터 전자를 집전하여 집전판에 전달하는 내산성 전도체; 전해액의 반응에 필요한 전자를 주고받는 전도성 다공기재; 전도성 다공기재를 압축하고 집전판에 고정하기 위한 내산성 소재를 사용한 전극 고정부;가 적층된 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전해액 제조장치.
The method of claim 1,
The oxidation electrode or the reduction electrode, the current collector is supplied with a current from the power supply or supply current; An acid resistant conductor that prevents the electrolyte from directly contacting the current collector plate and collects electrons from the electrode and transfers the electrons to the current collector plate; Conductive porous materials for transmitting and receiving electrons required for the reaction of the electrolyte solution; Electrode solution manufacturing apparatus for a secondary battery comprising a laminated; electrode fixing portion using an acid-resistant material for compressing the conductive porous material and fixed to the current collector plate.
청구항 2 에 있어서;
상기 내산성 전도체는 카본 또는 그라파이트-플라스틱 복합체, 불투과성(non permeable) 그라파이트 플레이트, 그라파이트 포일, 금 또는 백금 코팅된 금속 집전판 중 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전해액 제조장치.
The method of claim 2,
The acid resistance conductor is a carbon or graphite-plastic composite, an impermeable (non permeable) graphite plate, graphite foil, gold or platinum coated metal current collector, characterized in that it comprises at least one selected from the metal current collector plate.
청구항 2 에 있어서;
상기 전도성 다공기재는 카본 또는 그라파이트 펠트인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전해액 제조장치.
The method of claim 2,
The conductive porous material is a secondary battery electrolyte manufacturing apparatus, characterized in that the carbon or graphite felt.
청구항 2 에 있어서;
상기 전극고정부는 메쉬 또는 프레임 형상인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전해액 제조장치.
The method of claim 2,
The electrode fixing part is a secondary battery electrolyte manufacturing apparatus, characterized in that the shape of the mesh.
산화 전극과, 환원 전극과, 이들 양 전극 사이에 설치되는 이온교환격막을 구비하는 전해 전지 셀의 산화 반쪽 셀과 환원 반쪽 셀에 산화조 전해액 및 환원조 전해액을 각각 공급하고, 전압 및 전류의 인가에 의해 산화 환원 반응을 일으켜 전해액을 제조하는 방법에 있어서,
산화 반쪽 셀내의 물 또는 황산(H2SO4) 수용액을 교반하고,
환원 반쪽 셀내의 V2O5 현탁액과 황산(H2SO4) 수용액의 혼합용액을 교반하며,
파워서플라이를 통해 산화 전극 및 환원 전극에 전압은 1.7∼2.5V, 전류는 20∼100㎃/㎠로 전력을 인가하되,
전력 인가는 고율(高率)의 정전류 충전(CC charging method = constant current)하는 1차 스텝과, 낮은 정전압을 유지하며 저율(低率)의 전류로 충전(CV charging method = constant voltage)하는 2차 스텝을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지용 전해액 제조방법.
The oxidizing bath electrolyte and the reducing bath electrolyte are respectively supplied to the oxidized half cell and the reduced half cell of the electrolytic battery cell having an oxidizing electrode, a reducing electrode, and an ion exchange diaphragm provided between these electrodes, and application of voltage and current, respectively. In the method for producing an electrolyte by causing a redox reaction by
Stir in water or sulfuric acid (H 2 SO 4 ) aqueous solution in the oxidized half cell,
Stirring the mixed solution of the V 2 O 5 suspension and sulfuric acid (H 2 SO 4 ) aqueous solution in the reducing half cell,
The power supply is applied to the oxidation electrode and the reduction electrode with a voltage of 1.7 ~ 2.5 전류, current of 20 ~ 100㎃ / ㎠,
The power is applied in the first step of high rate constant current charging (CC charging method = constant current) and in the second rate of low current charging (CV charging method = constant voltage) while maintaining low constant voltage. Electrolytic solution manufacturing method for a secondary battery, characterized in that it comprises a step.
청구항 6 에 있어서;
상기 1차스텝은 전류는 100㎃/㎠, 컷 오프 전압은 2.5V 으로 전력이 인가되며,
상기 2차 스텝은 전압은 1.7V, 컷 오프 전류는 20㎃/㎠ 으로 전력이 인가되도록 한 것을 특징으로 하는 이차전지용 전해액 제조방법.
The method of claim 6, further comprising:
The first step is powered by a current of 100 mA / ㎠, cut-off voltage of 2.5 mA,
The secondary step is a secondary battery electrolyte manufacturing method, characterized in that the power is applied to the voltage 1.7V, cut-off current 20 mA / ㎠.
청구항 6 에 있어서;
황산(H2SO4) 수용액은 2∼5M 황산(H2SO4) 수용액이고, V2O5 현탁액은 1∼3M V2O5 현탁액인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전해액 제조방법.
The method of claim 6, further comprising:
The aqueous solution of sulfuric acid (H 2 SO 4 ) is a 2-5 M aqueous solution of sulfuric acid (H 2 SO 4 ), and the V 2 O 5 suspension is a 1-3 M V 2 O 5 suspension.
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