VRFB에 사용되는 막의 수송 능력은 배터리 성능에 필수적인 요소이다. 탁월한 배터리 성능을 위해서는 높은 양 성자 전도도와 낮은 바나듐 이온 투과도가 달성되어야 한다. 하지만 양성자 전도도와 바나듐 이온 투과도 사이에는 상충관계 가 존재한다. 따라서 이 상충관계를 해결하는 것이 VRFB의 발전에 필수적이다. 또한 높은 쿨롱 효율, 전압 효율 및 에너지 효율을 유지하는 것이 고성능 VRFB를 위해 필수적이다. 최근 복합막과 SPEEK 막을 중심으로 나피온 막의 기존 한계를 극 복하기 위한 다양한 시도가 이루어지고 있다. VRFB은 이 논문에서 검토하는 복합막에서 충전식 배터리의 필수 등급이다.

전 바나듐 레독스 흐름 전지(VRFB)는 유망한 대용량 에너지 저장 기술 중 하나이다. 이온교환막은 VRFB의 충⋅ 방전 성능 및 내구성을 좌우하는 핵심 구성 요소이다. 본 연구에서는 기존 탄화수소계 이온교환막의 단점을 보완하기 위해 우수한 물리적 및 화학적 안정성을 갖는 다공성 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 지지체의 세공에 불소부가 포함된 탄화수 소계 이오노머를 충진하는 방식으로 세공충진 음이온교환막(PFAEMs)을 제조하였다. 얇은 다공성 PTFE 지지체의 사용으로 전기적 저항을 현저히 낮출 수 있었으며 PTFE 지지체의 사용과 더불어 충진 이오노머에 불소부를 도입함으로써 막의 산화 안정성을 크게 향상시킬 수 있었다. 충⋅방전 성능 평가 결과, PFAEM에 불소부의 함량이 증가할수록 높은 전류 효율을 나타내었으며 낮은 전기적 저항으로 상용막 대비 우수한 전압 효율 및 에너지 효율을 보였다. 또한, 산화 안정성 및 충⋅방전 성능의 관점에서 소수성 PTFE 지지체의 사용이 더 바람직함을 확인하였다.

메타바나듐산 암모늄으로 제조한 전해액과 양이온교환막인 Nafion117을 활용하는 바나듐 레독스 흐름 전지 (vanadium redox flow battery, VRFB)의 전기화학적 성능을 평가하였다. VRFB의 전기화학적 성능은 전류밀도 60 mA/cm2에 서 측정하였다. 메타바나듐산 암모늄으로 제조된 전해액을 사용한 VRFB의 평균 전류효율은 94.9%, 평균 전압효율은 82.2%, 평균 에너지효율은 78.0%를 보였다. 그리고 메타바나듐산 암모늄으로 제조된 전해액을 사용한 VRFB의 각 효율은 바나딜 설 페이트(VOSO4)로 제조된 전해액을 사용한 VRFB의 각 효율과 비교하여 거의 동등한 값을 갖는다는 것을 확인하였다.

기존의 바나듐 레독스 흐름전지(vanadium redox flow battery, VRFB)에서 사용하고 있는 과불소계이오노머인 나피 온(Nafion)은 전해질에 존재하는 바나듐 이온의 투과도가 높아, 바나듐 이온이 분리막을 투과하여 반대쪽 전해질로 교차 이동 하는 문제를 갖고 있다. VRFB에서 바나듐 이온의 투과는 서로 다른 산화수를 갖는 바나듐 이온이 부반응을 일으켜 충전, 방전 용량의 감소를 야기하고, 장기적인 성능 감소를 일으키는 원인이 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 SiO2에 3-aminopropyl group이 도입된 나노입자(fS)를 Nafion에 분산시켜 바나듐 이온의 투과를 감소시키고, VRFB의 장기적인 성능 의 향상을 도모하고자 하였다. SiO2에 붙어 있는 아민기(-NH2)가 Nafion의 술폰산 음이온(SO3 -)과 이온결합을 형성함과 동시 에, 암모늄 양이온(-NH3 +)의 양전하가 바나듐 이온에 대해 Gibbs-Donnan 효과를 나타내어 낼 것이라고 기대하였다. fS를 섞은 Nafion 용액의 pH와 Nafion-fS 막의 IEC 측정을 통해 암모늄 양이온과 술폰산 음이온의 이온결합이 존재하는 것을 확인하였고, fS의 양이 많아질수록 바나듐 이온의 투과도가 감소하는 것을 확인하였다. VRFB 단위 전지에 제조한 복합막을 도입하였을 때, 150 mA/cm2의 전류밀도에서 충방전 사이클을 200회 반복 진행하여도 방전용량을 최대 80%까지 유지할 수 있었다.

본 연구에서는 전 바나듐 레독스 흐름전지(VRFB)에 적용하기 위한 세공충진 음이온교환막의 최적 설계 조건을 도출하고자 하였다. 실험결과를 통해 VRFB 충방전 성능에 가장 지대한 영향을 미치는 막 설계인자는 이온교환용량, 지지체의 기공율 및 가교도임을 확인할 수 있었다. 즉, 상기 인자들에 의해 VRFB의 ohmic loss와 활물질의 crossover가 결정되었다. 또 한 세공충진 음이온교환막의 제조 시 낮은 가교도에서 이온교환용량을 감소시키는 것과 높은 이온교환용량에서 가교도를 증 가시키는 두 가지 방안을 검토하였다. 그 결과 충분히 높은 이온교환용량에서 가교도를 최적화 하는 것이 VRFB 충방전 성능 관점에서 바람직한 것으로 판단되었다.

Owing to their scalability, flexible operation, and long cycle life, vanadium redox flow batteries (VRFBs) have gained immense attention over the past few years. However, the VRFBs suffer from significant polarization, which decreases their cell efficiency. The activation polarization occurring during vanadium redox reactions greatly affects the overall performance of VRFBs. Therefore, it is imperative to develop electrodes with numerous catalytic sites and a long cycle life. In this study, we synthesized heteroatom-rich carbon-based freestanding papers (H-CFPs) by a facile dispersion and filtration process. The H-CFPs exhibited high specific surface area (~820 m2 g–1) along with a number of redox-active heteroatoms (such as oxygen and nitrogen) and showed high catalytic activity for vanadium redox reactions. The H-CFP electrodes showed excellent electrochemical performance. They showed low anodic and cathodic peak potential separation (ΔEp) values of ~120 mV (positive electrolyte) and ~124 mV (negative electrolyte) in cyclic voltammetry conducted at a scan rate of 5 mV s–1. Hence, the H-CFP-based VRFBs showed significantly reduced polarization.

최근, 친환경적인 태양광, 풍력 등 재생에너지를 이용하는 발전시스템의 보급 및 인프라 구축, 차세대 전력망인 스마트 그리드 시스템에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 이러한 재생에너지를 이용하는 발전은 재생에너지의 변동성을 수용하고, 원활한 전력공급 및 발전설비의 효율적인 활용을 위해 에너지저장 기술(ESS, energy storage system)이 필요하다. 레독스 흐름 전지(RFB, redox flow battery)는 재생에너지의 원활한 부하평준화에 의한 전력공급, 주파수 조절, 비상용 전력을 위한 ESS의 하나로 기술개발이 이루어지고 있다. 본 발표에서는 RFB에서의 이온교환막의 필요성, 이온교환막이 갖추어야할 특성 등에 대해 설명하고자 한다.

신재생 에너지의 확대를 위한 대용량 에너지 저장장치로서 레독스 흐름전지 기술의 중요성이 부각되고 있다. 레독스 흐름전지는 양극 및 음극 전해액을 셀에 순환시켜 전해액에 용해되어 있는 활물질의 산화 및 환원 반응을 유도시키는 전지로서 전지의 효율 및 수명 확보를 위해서 양쪽 전해액을 분리시켜 주며 이온전달을 일으킬 수 있는 멤브레인의 사용이 필수적이다. 그러나 기존 레독스 흐름전지에 사용되는 멤브레인은 활물질 차단 특성, 이온 전달 특성, 물리화학적 내구성 및 가격 측면에서 부족한 특성이 많으며, 이를 개선함으로서 레독스 흐름전지의 효율, 수명 향상 및 가격저감 효과를 얻을 수 있다. 본 연구에서는 이러한 레독스 흐름전지용 멤브레인의 문제점을 정리하고, 이를 개선시키기 위한 멤브레인 소재 및 구조설계 전략에 대해 논의한다. 특히 활물질 차단과 내구성 향상 혹은 가격저감을 동시에 만족시키는 복합막 기술을 소개한다.

Polyphenylene sulfide(PPS) is a hydrocarbon polymer which has resistance to heat, chemicals and generality due to its low cost. To produce cationic exchange polymer, PPS was blended with sulfonation process and Polyvinylidenedifluoride(PVdF) was also applied for membrane-flexibility. After production of sulfonated-PPS (sPPS)/PVdf blend membrane, membrane property evaluation is concomitant. Water uptake and Dimensional change were highly enhanced by the incorporation of PVdF in blend membrane. Also stability of sPPS/PVdF blend membrane in VO2+ solution was highly improved. When the amount of PVdF is increasing, however, proton conductivity shows a slightly downward tendency. Consequently, the optimization of PVdF Content in sPPS/PVdf blend membrane is an important factor for the realization of VRFB system.

Recently, the most commonly used membrane in vanadium redox flow battery (VRFB) is hydrocarbon-based cation exchange membrane. However, hydrophilic blocks or hydrophilic moieties have been considered as the main reason on degradation of hydrocarbon-based ionomers, while the significance of hydrophobic moiety has been neglected in ionomers. Herein, the poly(p-phenylene)s-based cation conducting polymeric membrane materials with different hydrophobic block structures were successfully synthesized by Ni(0)-catalyzed coupling polymerization for investigating the effect of the hydrophobic block structure on durability of membrane in VRFB.

바나듐 산화환원 흐름 전지에 핵심적으로 사용되는 이온교환막은 일반적으로 양이온교환막을 사용하고 있으나 co-ion인 바나듐 이온의 투과에 의한 장기적 성능 저하 문제를 해결하기 어렵다. 따라서 본 연구에서는 바나듐 투과도 및 장 기 운전 안정성의 특성을 파악하기 위해 세 가지 다른 관능기를 보유한 음이온교환막을 제조하였다. 기저막으로는 다공성 폴 리에틸렌 필름에 benzyl chloride (VBC)과 divinylbenzene (DVB)을 충진 및 가교 중합하여 제조한 후, 세 가지 다른 아민 관 능기를 각각 도입하였다. 제조된 음이온교환막들에 대해 바나듐 이온 투과 정도 및 장기 운전 안정성을 관찰한 결과 triethylamine을 관능기로 적용한 음이온교환막에서 높은 에너지효율을 유지하면서도 가장 장기적 운전 안정성을 확보할 수 있었다.