전 바나듐 레독스 흐름전지를 위한 불소부를 포함한 얇은 강화 이온교환막 : 산화 안정성을 향상시킨 이온교환막 개발 Thin reinforced ion-exchange membranes containing fluorine moiety for all-vanadium redox flow battery원문보기
본 연구에서는 전 바나듐 레독스 흐름 전지 (all-vanadium redox flow battery, VRFB)에 이용되는 세공충진 이온교환막의 최적 설계를 수행하였다. VRFB에서 이온교환막은 양극과 음극 활물질을 분리하며 수소 이온을 선택적으로 이동시키는 역할을 하며 전지의 충·방전 성능을 좌우하는 핵심 구성 요소이다. VRFB를 위한 이온교환막은 강한 내산성을 가지며 동시에 낮은 ...
본 연구에서는 전 바나듐 레독스 흐름 전지 (all-vanadium redox flow battery, VRFB)에 이용되는 세공충진 이온교환막의 최적 설계를 수행하였다. VRFB에서 이온교환막은 양극과 음극 활물질을 분리하며 수소 이온을 선택적으로 이동시키는 역할을 하며 전지의 충·방전 성능을 좌우하는 핵심 구성 요소이다. VRFB를 위한 이온교환막은 강한 내산성을 가지며 동시에 낮은 바나듐 이온 투과도와 이온 전달 저항 특성을 가지는 것이 이상적이다. 또한 상용화 관점에서 제조 단가가 저렴해야 한다. 전통적으로 VRFB의 분리막으로 대표적인 과불소계 양이온교환막인 Nafion 막이 사용되어 왔으나 높은 막 비용과 활물질의 투과로 인해 대체 가능한 탄화수소계 이온교환막이 모색되고 있다. 탄화수소계 이온교환막은 과불소계 이온교환막보다 현저히 낮은 바나듐 이온 투과도와 우수한 개회로 전압을 나타낸다. 그러나 우수한 전지 효율에도 불구하고 Nafion 막에 비해 상대적으로 낮은 화학적 안정성으로 인해 시스템에 적용하기 어려운 문제점을 안고 있다. 이런 문제점을 해결하기 위해 본 연구에서는 불소부를 포함한 이오노머를 탄화수소계 다공성 지지체에 함침시킨 세공충진 이온교환막을 개발하였다. 부분불소계 이온교환막은 탄화수소계 이온교환막에 비해 화학적 안정성을 향상시킬 수 있으며 동시에 과불소계에 비해 간단한 제조 방법으로 제조 단가를 낮출 수 있다는 장점을 가지고 있다. 세공충진 이온교환막은 일반적으로 저렴한 폴리에틸렌 다공성 필름을 지지체로 사용하여 제조되며 얇은 막 두께와 동시에 우수한 화학적 및 물리적 안정성을 가지고 있어 최근 전기 투석 및 연료 전지 등 다양한 전기화학 응용 분야에서 활용이 기대되고 있다. 본 연구에서는 VRFB 응용을 위한 부분불소계 세공충진 이온교환막의 최적 설계 조건을 도출하기 위해 모노머 혼합액의 몰 비율을 조절함에 따른 막 성능 인자와 VRFB 충·방전 성능 간의 상관관계를 고찰하였다. 이온교환막의 지지체로 25 μm 두께의 폴리에틸렌 다공성 필름을 사용하였고 모노머 혼합액 제조를 위한 단량체로 4-vinylbenzyl chloride (VBC) 및 styrene (Sty)와 1H,1H,5H-octafluoropentyl methacrylate (OFPMA), 열중합 개시제로 benzoyl peroxide (BPO), 그리고 가교제로 divinylbenzene (DVB)을 선택하였다. 폴리에틸렌 다공성 필름에 상기 단량체 혼합액을 충진시킨 후 열처리를 통해 고분자를 중합하였고 연속된 아민화 및 술폰화를 통해 이온 교환기를 도입하였다. 제조된 부분불소계 세공충진 이온교환막은 상용 이온교환막 대비 현저히 낮은 막 저항을 나타내었으며 동시에 지지체의 강인한 물리적 특성 및 우수한 화학적 안정성으로 VRFB 응용이 가능한 특성을 나타냄을 확인하였다. 또한 non-charged 영역을 가지는 다공성 필름을 사용하여 제조되는 세공충진 이온교환막의 특성상 상용 이온교환막 대비 낮은 이온 전도도를 나타내었으나, 이때 막 두께와 견고한 불소 단량체인 OFPMA의 함량을 조절함으로써 적절한 이온 전도도 값을 나타냄을 확인하였다. 충·방전 실험 결과, 음이온교환막 및 양이온교환막 모두에서 OFPMA의 함량이 가장 높은 조건일 때 89.9% 및 87.6%의 가장 높은 에너지 효율을 나타내었으며, 이때 상용 이온교환막보다 우수한 전류 및 에너지 효율을 나타냄을 확인할 수 있었다. 따라서 최적의 부분불소계 모노머 혼합액 함량을 결정함으로써 우수한 화학적 안정성 및 전기화학적 특성을 달성하였고 cross-over를 최소화할 수 있었다. 또한 우수한 기계적 물성을 가지는 세공충진 이온교환막을 제조함으로써 VRFB에 적용 가능한 이온교환막을 개발하였다.
본 연구에서는 전 바나듐 레독스 흐름 전지 (all-vanadium redox flow battery, VRFB)에 이용되는 세공충진 이온교환막의 최적 설계를 수행하였다. VRFB에서 이온교환막은 양극과 음극 활물질을 분리하며 수소 이온을 선택적으로 이동시키는 역할을 하며 전지의 충·방전 성능을 좌우하는 핵심 구성 요소이다. VRFB를 위한 이온교환막은 강한 내산성을 가지며 동시에 낮은 바나듐 이온 투과도와 이온 전달 저항 특성을 가지는 것이 이상적이다. 또한 상용화 관점에서 제조 단가가 저렴해야 한다. 전통적으로 VRFB의 분리막으로 대표적인 과불소계 양이온교환막인 Nafion 막이 사용되어 왔으나 높은 막 비용과 활물질의 투과로 인해 대체 가능한 탄화수소계 이온교환막이 모색되고 있다. 탄화수소계 이온교환막은 과불소계 이온교환막보다 현저히 낮은 바나듐 이온 투과도와 우수한 개회로 전압을 나타낸다. 그러나 우수한 전지 효율에도 불구하고 Nafion 막에 비해 상대적으로 낮은 화학적 안정성으로 인해 시스템에 적용하기 어려운 문제점을 안고 있다. 이런 문제점을 해결하기 위해 본 연구에서는 불소부를 포함한 이오노머를 탄화수소계 다공성 지지체에 함침시킨 세공충진 이온교환막을 개발하였다. 부분불소계 이온교환막은 탄화수소계 이온교환막에 비해 화학적 안정성을 향상시킬 수 있으며 동시에 과불소계에 비해 간단한 제조 방법으로 제조 단가를 낮출 수 있다는 장점을 가지고 있다. 세공충진 이온교환막은 일반적으로 저렴한 폴리에틸렌 다공성 필름을 지지체로 사용하여 제조되며 얇은 막 두께와 동시에 우수한 화학적 및 물리적 안정성을 가지고 있어 최근 전기 투석 및 연료 전지 등 다양한 전기화학 응용 분야에서 활용이 기대되고 있다. 본 연구에서는 VRFB 응용을 위한 부분불소계 세공충진 이온교환막의 최적 설계 조건을 도출하기 위해 모노머 혼합액의 몰 비율을 조절함에 따른 막 성능 인자와 VRFB 충·방전 성능 간의 상관관계를 고찰하였다. 이온교환막의 지지체로 25 μm 두께의 폴리에틸렌 다공성 필름을 사용하였고 모노머 혼합액 제조를 위한 단량체로 4-vinylbenzyl chloride (VBC) 및 styrene (Sty)와 1H,1H,5H-octafluoropentyl methacrylate (OFPMA), 열중합 개시제로 benzoyl peroxide (BPO), 그리고 가교제로 divinylbenzene (DVB)을 선택하였다. 폴리에틸렌 다공성 필름에 상기 단량체 혼합액을 충진시킨 후 열처리를 통해 고분자를 중합하였고 연속된 아민화 및 술폰화를 통해 이온 교환기를 도입하였다. 제조된 부분불소계 세공충진 이온교환막은 상용 이온교환막 대비 현저히 낮은 막 저항을 나타내었으며 동시에 지지체의 강인한 물리적 특성 및 우수한 화학적 안정성으로 VRFB 응용이 가능한 특성을 나타냄을 확인하였다. 또한 non-charged 영역을 가지는 다공성 필름을 사용하여 제조되는 세공충진 이온교환막의 특성상 상용 이온교환막 대비 낮은 이온 전도도를 나타내었으나, 이때 막 두께와 견고한 불소 단량체인 OFPMA의 함량을 조절함으로써 적절한 이온 전도도 값을 나타냄을 확인하였다. 충·방전 실험 결과, 음이온교환막 및 양이온교환막 모두에서 OFPMA의 함량이 가장 높은 조건일 때 89.9% 및 87.6%의 가장 높은 에너지 효율을 나타내었으며, 이때 상용 이온교환막보다 우수한 전류 및 에너지 효율을 나타냄을 확인할 수 있었다. 따라서 최적의 부분불소계 모노머 혼합액 함량을 결정함으로써 우수한 화학적 안정성 및 전기화학적 특성을 달성하였고 cross-over를 최소화할 수 있었다. 또한 우수한 기계적 물성을 가지는 세공충진 이온교환막을 제조함으로써 VRFB에 적용 가능한 이온교환막을 개발하였다.
In this work, we prepared pore-filled ion-exchange membrane by filling the pores of a polyethylene (PE) porous film as a substrate with a monomer mixture containing 1H,1H,5H-octafluoropentyl methacrylate (OFPMA), a monomer having a fluorine moiety. The pore-filled ion-exchange membrane containing fl...
In this work, we prepared pore-filled ion-exchange membrane by filling the pores of a polyethylene (PE) porous film as a substrate with a monomer mixture containing 1H,1H,5H-octafluoropentyl methacrylate (OFPMA), a monomer having a fluorine moiety. The pore-filled ion-exchange membrane containing fluorine moiety developed both a cation exchange membrane and an anion exchange membrane to analyze the cross-over phenomenon and characteristics in VRFB. Due to the characteristics of the substrate having a non-charged region, lower ionic conductivity was expected than that of a commercial ion-exchange membranes, but improved by controlling the thin film thickness and the robust fluorine monomer OFPMA. In addition, since the PE porous film has excellent physical stability, it was confirmed that the prepared pore-filled ion-exchange membrane has superior physical strength compared to a commercial ion exchange membrane. Since VRFB operates under strong acidic conditions, it requires an ion-exchange membrane with excellent chemical stability, so the oxidation stability test of the manufactured ion-exchange membrane was conducted by controlling the content of OFPMA, and its chemical stability is superior to that of commercial ion-exchange membranes. As a result of the VRFB performance test, the prepared pore-filled ion-exchange membrane showed higher energy efficiency than the commercial ion exchange membrane. At this time, the manufacturing cost can be lowered with a simple manufacturing process and low support cost.
In this work, we prepared pore-filled ion-exchange membrane by filling the pores of a polyethylene (PE) porous film as a substrate with a monomer mixture containing 1H,1H,5H-octafluoropentyl methacrylate (OFPMA), a monomer having a fluorine moiety. The pore-filled ion-exchange membrane containing fluorine moiety developed both a cation exchange membrane and an anion exchange membrane to analyze the cross-over phenomenon and characteristics in VRFB. Due to the characteristics of the substrate having a non-charged region, lower ionic conductivity was expected than that of a commercial ion-exchange membranes, but improved by controlling the thin film thickness and the robust fluorine monomer OFPMA. In addition, since the PE porous film has excellent physical stability, it was confirmed that the prepared pore-filled ion-exchange membrane has superior physical strength compared to a commercial ion exchange membrane. Since VRFB operates under strong acidic conditions, it requires an ion-exchange membrane with excellent chemical stability, so the oxidation stability test of the manufactured ion-exchange membrane was conducted by controlling the content of OFPMA, and its chemical stability is superior to that of commercial ion-exchange membranes. As a result of the VRFB performance test, the prepared pore-filled ion-exchange membrane showed higher energy efficiency than the commercial ion exchange membrane. At this time, the manufacturing cost can be lowered with a simple manufacturing process and low support cost.
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