바나듐 레독스 흐름 전지 (Vanadium redox flow battery, VRB) 시스템 운전 중 양이온 교환막을 통한 바나듐이온의 투과로 인하여 성능이 저하되는 문제점을 보완하기 위해 판상형태의 탄소물질인 산화그라핀 (Graphene Oxide, GO)을 기존에 사용하였던 양이온 교환막인 Nafion 양이온 교환막 표면에 열압착 방식으로 코팅하여 양이온 교환막 개선 및 VRB 성능 향상을 도모하였다. 개선된 양이온 교환막의 물리화학적 특성분석을 위하여 SEM (Scanning Electron Microscopy)분석, 이온 교환 용량, 수분 흡수 및 수소이온 전도도를 측정하였다. 산화그라핀층을 코팅한 결과, SEM 분석을 통해 양이온 교환막 표면에 약 $0.93{\mu}m$의 산화그라핀층이 형성된 것을 확인할 수 있었다. 산화그라핀을 코팅하여 개선된 양이온 교환막의 수소이온 전도도 측정 결과, 상용 양이온 교환막의 27% 수준으로 감소하였음을 확인하였으며, 동시에 바나듐이온 투과실험을 실시한 결과, 개선된 양이온 교환막의 바나듐이온 투과도가 기존 상용 양이온 교환막의 25% 이하 수준으로 감소하였음을 확인할 수 있었다. VRB 단위전지 성능실험을 실시하여 충-방전 특성을 분석한 결과, 산화그라핀을 코팅하여 개선된 양이온 교환막을 VRB 시스템에 적용하였을 경우, 바나듐이온의 투과도 감소로 인하여 쿨롱효율이 증가하였음을 확인할 수 있었고, 그로 인하여 전체적인 에너지효율이 상용막을 적용하였을 때 보다 증가하였음을 확인할 수 있었다. 따라서, 본 연구를 통해 양이온 교환막 표면에 판상형태의 탄소물질인 산화그라핀을 코팅하는 방법이 바나듐이온 투과도를 저하시키고 VRB의 시스템성능을 향상시킬 수 있는 효과적인 방법임을 제시할 수 있었다.
바나듐 레독스 흐름 전지 (Vanadium redox flow battery, VRB) 시스템 운전 중 양이온 교환막을 통한 바나듐이온의 투과로 인하여 성능이 저하되는 문제점을 보완하기 위해 판상형태의 탄소물질인 산화그라핀 (Graphene Oxide, GO)을 기존에 사용하였던 양이온 교환막인 Nafion 양이온 교환막 표면에 열압착 방식으로 코팅하여 양이온 교환막 개선 및 VRB 성능 향상을 도모하였다. 개선된 양이온 교환막의 물리화학적 특성분석을 위하여 SEM (Scanning Electron Microscopy)분석, 이온 교환 용량, 수분 흡수 및 수소이온 전도도를 측정하였다. 산화그라핀층을 코팅한 결과, SEM 분석을 통해 양이온 교환막 표면에 약 $0.93{\mu}m$의 산화그라핀층이 형성된 것을 확인할 수 있었다. 산화그라핀을 코팅하여 개선된 양이온 교환막의 수소이온 전도도 측정 결과, 상용 양이온 교환막의 27% 수준으로 감소하였음을 확인하였으며, 동시에 바나듐이온 투과실험을 실시한 결과, 개선된 양이온 교환막의 바나듐이온 투과도가 기존 상용 양이온 교환막의 25% 이하 수준으로 감소하였음을 확인할 수 있었다. VRB 단위전지 성능실험을 실시하여 충-방전 특성을 분석한 결과, 산화그라핀을 코팅하여 개선된 양이온 교환막을 VRB 시스템에 적용하였을 경우, 바나듐이온의 투과도 감소로 인하여 쿨롱효율이 증가하였음을 확인할 수 있었고, 그로 인하여 전체적인 에너지효율이 상용막을 적용하였을 때 보다 증가하였음을 확인할 수 있었다. 따라서, 본 연구를 통해 양이온 교환막 표면에 판상형태의 탄소물질인 산화그라핀을 코팅하는 방법이 바나듐이온 투과도를 저하시키고 VRB의 시스템성능을 향상시킬 수 있는 효과적인 방법임을 제시할 수 있었다.
Cation exchange membrane (Nafion) was modified to reduce the vanadium ion permeation through the membrane and to increase the vanadium redox flow battery (VRB) system performance by coating the graphene oxide (GO) which has nano-plate like morphology. Modified membrane properties were studied by mea...
Cation exchange membrane (Nafion) was modified to reduce the vanadium ion permeation through the membrane and to increase the vanadium redox flow battery (VRB) system performance by coating the graphene oxide (GO) which has nano-plate like morphology. Modified membrane properties were studied by measuring the ion exchange capacity (I.E.C), water uptake and proton conductivity. The thickness of the coated layer on the surface of the Nafion membrane was observed as $0.93{\mu}m$ by SEM. Proton conductivity and vanadium ion permeability of the modified membrane were decreased to 27% and 25% compared to that of the commercial Nafion membrane respectively. VRB single cell performance test was performed to compare the system performance of the VRB applied with commercial Nafion membrane and modified membrane. VRB system applied with modified membrane showed higher coulombic efficiency and energy efficiency than the VRB system applied with the commercial Nafion membrane due to the reduction of the vanadium ion permeation. From these result, we could suggest that the membrane modification by coating the GO on the surface of the Nafion membrane could be one of the promising strategies to reduce the vanadium ion permeation and to increase the VRB system performance effectively.
Cation exchange membrane (Nafion) was modified to reduce the vanadium ion permeation through the membrane and to increase the vanadium redox flow battery (VRB) system performance by coating the graphene oxide (GO) which has nano-plate like morphology. Modified membrane properties were studied by measuring the ion exchange capacity (I.E.C), water uptake and proton conductivity. The thickness of the coated layer on the surface of the Nafion membrane was observed as $0.93{\mu}m$ by SEM. Proton conductivity and vanadium ion permeability of the modified membrane were decreased to 27% and 25% compared to that of the commercial Nafion membrane respectively. VRB single cell performance test was performed to compare the system performance of the VRB applied with commercial Nafion membrane and modified membrane. VRB system applied with modified membrane showed higher coulombic efficiency and energy efficiency than the VRB system applied with the commercial Nafion membrane due to the reduction of the vanadium ion permeation. From these result, we could suggest that the membrane modification by coating the GO on the surface of the Nafion membrane could be one of the promising strategies to reduce the vanadium ion permeation and to increase the VRB system performance effectively.
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문제 정의
본 연구에서는 양이온 교환막을 통한 바나듐이온 투과현상에 대한 시스템 성능저하 문제점을 해결하기 위하여, VRB 시스템에서 사용되는 기존 Nafion 양이온 교환막 표면에 산화그라핀 (Graphene Oxide, GO)층을 코팅하여 바나듐이온의 투과도를 감소시키고자 하였다. 제조된 양이온 교환막의 바나듐 투과특성을 분석하기 위하여 바나듐이온 투과실험을 실시하였고, 개선된 양이온 교환막의 물리화학적 특성분석을 위하여 SEM (Scanning Electron Microscopy) 분석, 이온 교환 용량 (Ion Exchange Capacity), 수분 흡수 (Water uptake) 및 수소 이온 전도도를 측정하였다.
가설 설정
오른쪽 저장소에서 일정한 시간간격으로 용액을 채취한 후 Inductively Coupled Plasma (ICP, thermo fisher scientific, ICAP-6500 DUO)를 이용하여 바나듐이온의 농도를 분석하였다. 왼쪽 저장소의 바나듐이온 농도의 변화는 실험 중 변하지 않는다고 가정하였으며 모든 투과도 실험은 상온에서 실시하였다.
제안 방법
8 V로 통제하였다.18)충-방전 전류는 단위면적당 각각 20 mA, 40 mA, 60 mA, 80 mA로 변화시켜 VRB 시스템의 충-방전 특성을 평가하였다.
VRB 단위전지 성능실험은 WBCS3000S Automatic battery cycler 충-방전 기기 (Wona tech)를 이용하여 상온에서 실시하였다. 전극은 레이온계열의 카본펠트 (Nippon Carbon Co.
전처리된 양이온 교환막에 산화그라핀 코팅용액을 딥-코팅 방법으로 코팅한 후 24시간 동안 상온에서 건조하였다. 건조된 코팅막 샘플에 단위 면적당 2 MPa의 압력으로 120℃에서 4분동안 열압착기를 이용하여 hot pressing 공정을 수행하였다.
그라파이트와 제조된 산화그라핀 입자들의 결정성 및 구조를 확인하기 위하여 X-선 회절분석기 (XRD, Rigaku, D/MAX-2200)를 사용하여 측정하였고, 1.54056의 Cu-Kα X선을 이용하여 주사속도는 2º/s, 주사 각도는 5º에서 80º 범위에서 측정하였다.
또한, VRB 단위전지 성능실험을 실시하여 개선된 양이온 교환막을 VRB 시스템에 적용했을 때의 충-방전 특성을 분석하였다.
5M V3+/VO2+ 이온이 녹아있는 용액을 사용하였으며, 전체 15 mL의 전해질을 유량펌프 (Peristaltic pump, GP 100)를 이용하여 분당 4 mL 속도로 시스템에 공급하였다. 또한, 카본펠트와 그라파이트 전극 플레이트의 부식을 방지하기 위해 전해질 농도를 바탕으로 이론 충전용량을 계산한 후, 기존 연구팀에서 수행한 방식과 동일하게 전체 충전용량의 75%를 계산하여 통제하였으며, 방전 최저전압은 0.8 V로 통제하였다.18)충-방전 전류는 단위면적당 각각 20 mA, 40 mA, 60 mA, 80 mA로 변화시켜 VRB 시스템의 충-방전 특성을 평가하였다.
바나듐이온 투과도를 측정하기 위하여 막을 가운데에 두고 한쪽에 1.5 M VOSO4+ 2M H2SO4 용액을, 다른 한쪽에는 1.5 M MgSO4+ 2M H2SO4 용액을 충전하여 MgSO4가 충전된 쪽의 시간에 따른 바나듐 이온 농도 변화를 측정하였다.
상용 양이온 교환막인 Nafion막 (du Pont) 표면의 유기물들을 제거하기 위하여 3 wt% H2O2 용액에 양이온 교환막을 담근 후 90℃ 이상의 온도에서 1시간 동안 유지하였으며, 그 후 막 표면의 H2O2를 제거하기 위하여 초순수로 세척하였다. Nafion막을 H+로 치환하기 위해 막을 0.
양이온 교환막의 수소이온 전도도값은 4-probe 방식의 전기전도도 셀 (BekkTech, BT-112)과 전기전도도 측정기 (BekkTech, BT-552)를 사용하여 상온에서 측정하였다. 수소이온 전도도를 측정하기 전, 수분 흡수를 위해 양이온 교환막을 초순수에 24 hr 동안 보관하였으며 실험은 각 샘플의 전도도값의 평형값을 측정하기 위해 10분 이상 수행하였다. 그라파이트와 제조된 산화그라핀 입자들의 결정성 및 구조를 확인하기 위하여 X-선 회절분석기 (XRD, Rigaku, D/MAX-2200)를 사용하여 측정하였고, 1.
다시 초순수 1000 mL를 첨가 한 후 30% H2O2 (DAEJUNG CHEMICAL & METALS) 를 첨가하여 반응을 종료하였으며, 이때 생성물 용액의 색상이 짙은 갈색에서 옅은 갈색으로 변하는 것을 확인 할 수 있었다. 수차례 반복적인 필터 및 세척공정을 거친 후 최종적으로 갈색의 케이크 형상의 물질을 얻었으며, 필요한 농도의 산화그라핀 용액을 얻기 위하여 산화그라핀 케이크를 일정량 초순수에 분산 시킨 후 초음파를 가하여 분산 시켰다.
양이온 교환막 표면에 산화그라핀 (GO)층을 코팅시키고 양이온 교환막과의 접착력을 향상시키기 위하여 Nafion 아이오노머 용액 (5 wt% Nafion ionomer solution, 이코상사)과 산화그라핀 수용액 (1wt%)을 1:1의 무게비로 혼합한 후, 4시간 동안 초음파 분산을 시켜 산화그라핀 코팅용액을 제조하였다. 전처리된 양이온 교환막에 산화그라핀 코팅용액을 딥-코팅 방법으로 코팅한 후 24시간 동안 상온에서 건조하였다.
양이온 교환막의 수소이온 전도도값은 4-probe 방식의 전기전도도 셀 (BekkTech, BT-112)과 전기전도도 측정기 (BekkTech, BT-552)를 사용하여 상온에서 측정하였다. 수소이온 전도도를 측정하기 전, 수분 흡수를 위해 양이온 교환막을 초순수에 24 hr 동안 보관하였으며 실험은 각 샘플의 전도도값의 평형값을 측정하기 위해 10분 이상 수행하였다.
열압착 방법을 통해 상용 Nafion 112 막에 0.93 μm 두께의 산화그라핀층을 코팅한 적층구조의 막을 제조하였고 Nafion 112, 산화그라핀이 코팅된 Nafion 112 및 Nafion 117 막의 특성분석을 실시하였다.
양이온 교환막의 면적은 4 cm2이고, 두 저장소의 용액부피는 50 mL로 일정하게 유지시켰다. 오른쪽 저장소에서 일정한 시간간격으로 용액을 채취한 후 Inductively Coupled Plasma (ICP, thermo fisher scientific, ICAP-6500 DUO)를 이용하여 바나듐이온의 농도를 분석하였다. 왼쪽 저장소의 바나듐이온 농도의 변화는 실험 중 변하지 않는다고 가정하였으며 모든 투과도 실험은 상온에서 실시하였다.
왼쪽 저장소에는 2 M H2SO4과 1.5 M VOSO4 (Sigma Aldrich)이 혼합된 용액을 충전 하였으며, 오른쪽 저장소에는 2 M H2SO4 과 1.5M MgSO4 (YAKURI PURE CHEMICALS)가 혼합된 용액을 충전하여 두 저장소의 이온 강도를 동일하게 유지시킴으로써 실험 중 삼투압 효과에 의한 이온의 이동효과를 최소화 하였다. 양이온 교환막의 면적은 4 cm2이고, 두 저장소의 용액부피는 50 mL로 일정하게 유지시켰다.
양이온 교환막 표면에 산화그라핀 (GO)층을 코팅시키고 양이온 교환막과의 접착력을 향상시키기 위하여 Nafion 아이오노머 용액 (5 wt% Nafion ionomer solution, 이코상사)과 산화그라핀 수용액 (1wt%)을 1:1의 무게비로 혼합한 후, 4시간 동안 초음파 분산을 시켜 산화그라핀 코팅용액을 제조하였다. 전처리된 양이온 교환막에 산화그라핀 코팅용액을 딥-코팅 방법으로 코팅한 후 24시간 동안 상온에서 건조하였다. 건조된 코팅막 샘플에 단위 면적당 2 MPa의 압력으로 120℃에서 4분동안 열압착기를 이용하여 hot pressing 공정을 수행하였다.
54056의 Cu-Kα X선을 이용하여 주사속도는 2º/s, 주사 각도는 5º에서 80º 범위에서 측정하였다. 제조된 산화그라핀의 구조적인 특성분석을 위하여 투과 전자현미경 (TEM, JEOL, JEM-2010) 분석을 수행하였고, 양이온 교환막의 표면과 단면을 관찰하기 위해 주사 전자현미경 (SEM, HITACHI, S-3200N)분석을 실시하였다.
본 연구에서는 양이온 교환막을 통한 바나듐이온 투과현상에 대한 시스템 성능저하 문제점을 해결하기 위하여, VRB 시스템에서 사용되는 기존 Nafion 양이온 교환막 표면에 산화그라핀 (Graphene Oxide, GO)층을 코팅하여 바나듐이온의 투과도를 감소시키고자 하였다. 제조된 양이온 교환막의 바나듐 투과특성을 분석하기 위하여 바나듐이온 투과실험을 실시하였고, 개선된 양이온 교환막의 물리화학적 특성분석을 위하여 SEM (Scanning Electron Microscopy) 분석, 이온 교환 용량 (Ion Exchange Capacity), 수분 흡수 (Water uptake) 및 수소 이온 전도도를 측정하였다.
파우더 형상의 흑연 (Fluka) 5 g과 NaNO3 (DAEJUNG CHEMICAL & METALS) 5g을 98 wt% H2SO4 (DAEJUNG CHEMICAL & METALS) 230mL와 섞어서 강하게 교반하여 2시간 동안의 에이징 과정을 거친 후 KMnO4 (KANTO CHEMICALS) 30 g을 천천히 첨가하여 다시 2시간 동안 교반을 하였다.
대상 데이터
VRB 단위전지 성능실험은 WBCS3000S Automatic battery cycler 충-방전 기기 (Wona tech)를 이용하여 상온에서 실시하였다. 전극은 레이온계열의 카본펠트 (Nippon Carbon Co., Ltd.)를 사용하였고 면적은 4 cm2를 사용하였으며, 전해질은 각각 2M H2SO4에 1.5M V3+/VO2+ 이온이 녹아있는 용액을 사용하였으며, 전체 15 mL의 전해질을 유량펌프 (Peristaltic pump, GP 100)를 이용하여 분당 4 mL 속도로 시스템에 공급하였다. 또한, 카본펠트와 그라파이트 전극 플레이트의 부식을 방지하기 위해 전해질 농도를 바탕으로 이론 충전용량을 계산한 후, 기존 연구팀에서 수행한 방식과 동일하게 전체 충전용량의 75%를 계산하여 통제하였으며, 방전 최저전압은 0.
이론/모형
산화그라핀은 기존 Hummers and Offeman 방법을 이용하여 제조 하였으며,19-20) 간략한 설명은 다음과 같다. 파우더 형상의 흑연 (Fluka) 5 g과 NaNO3 (DAEJUNG CHEMICAL & METALS) 5g을 98 wt% H2SO4 (DAEJUNG CHEMICAL & METALS) 230mL와 섞어서 강하게 교반하여 2시간 동안의 에이징 과정을 거친 후 KMnO4 (KANTO CHEMICALS) 30 g을 천천히 첨가하여 다시 2시간 동안 교반을 하였다.
성능/효과
Nafion 112, 열압착된 Nafion 112, 산화그라핀이 코팅된 Nafion 112 그리고 Nafion 117 막의 최대 에너지효율 값은 충-방전 전류밀도 40 mA/cm2에서 각각 76.01%, 82.03%, 85.22% 그리고 81.92%를 보였다. 열압착된 Nafion 112 막의 경우, 바나듐이온의 투과를 효과적으로 감소시킬 수는 있었으나, 내부저항의 증가로 인하여 에너지효율이 급격하게 낮아졌음을 확인할 수 있었다.
Nafion 112, 열압착된 Nafion 112, 산화그라핀이 코팅된 Nafion 112 및 Nafion 117 막을 이용하여 바나듐이온 투과도를 측정한 결과, 산화그라핀 코팅에 의한 막의 바나듐이온 투과도가 단순히 열압착 공정만을 마친 막보다 다소 감소하였으며 열압착 또는 산화그라핀을 코팅하지 않은 막에 비해 약 1/4 이하로 현저하게 감소됨을 확인 할 수 있었다. 이런 특성을 활용하기 위하여 제조된 산화그라핀 코팅 Nafion 112막을 VRB에 적용하여 충-방전 실험을 실시한 결과 VRB 시스템 쿨롱효율 및 에너지효율이 증가됨을 확인 할 수 있었다.
VRB 성능실험에서 전류밀도가 증가함에 따라 쿨롱효율은 상승하는 경향성을 보이는데, 이는 전류밀도가 증가할수록 충-방전시간이 단축되어 양이온 교환막을 통한 바나듐이온의 투과량이 줄어들기 때문에 나타나는 현상으로 사료된다. Nafion 112, 열압착된 Nafion 112, 산화그라핀이 코팅된 Nafion 112와 Nafion 117 막의 최대 쿨롱효율 값은 전류밀도 80 mA/cm2에서 각각 88.06%, 94.15%, 94.47% 그리고 91.58%을 나타내었다. Nafion 112 막의 쿨롱효율이 가장 낮은 값을 나타내는 이유는 양이온 교환막의 두께가 가장 얇기 때문에 단위시간당 막을 통한 바나듐이온의 투과량이 가장 많았기 때문으로 사료된다.
93 μm 두께의 산화그라핀층을 코팅한 적층구조의 막을 제조하였고 Nafion 112, 산화그라핀이 코팅된 Nafion 112 및 Nafion 117 막의 특성분석을 실시하였다. Nafion 112과 Nafion 117 막의 경우 두께 차이를 제외하면 막의 특성에 큰 차이가 없었으며, 산화 그라핀을 코팅한 Nafion 112 막의 경우 산화그라핀층의 수소이온 전도 방해로 인한 수소이온 전도도 감소 현상이 나타났다.
3을 이용해 측정된 VO2+ 이온의 투과도값을 나타내었다. Nafion 112와 Nafion 117 막의 경우 비슷한 투과도값을 나타내고 있으나, 열압착된 Nafion 112 막과 산화그라핀이 코팅된 Nafion 112 막의 경우, 바나듐이온 투과도가 열압착 공정 또는 산화그라핀을 코팅하지 않은 막에 비해 약 1/4 수준으로 감소하였음을 확인 할 수 있었고, 특히 산화그라핀이 코팅된 Nafion 112 막의 바나듐이온 투과도값이 가장 낮았음을 확인 할 수 있었다. 이를 통해서, 산화그라핀이 코팅된 Nafion 112 막의 경우 바나듐이온의 투과를 효과적으로 감소시킬 수 있음을 확인할 수 있었으며, 바나듐 레독스 흐름 전지 (VRB)에 산화그라핀층이 코팅된 Nafion 막을 적용할 경우 VRB 시스템 성능 향상을 도모할 수 있을 것으로 판단하여 VRB 성능 평가를 실시하였다.
83 mS/cm로 급격히 감소하였음을 확인 할 수 있었다. 각각 막들의 이온 교환 용량을 측정한 결과 Nafion 112와 Nafion 117 막의 이온 교환 용량은 각각 0.831과 0.874 mmol/g을 나타내었으며, 산화그라핀이 코팅된 Nafion 112 막의 경우 0.819 mmol/g으로 세 종류의 막 모두 비슷한 수준의 값을 보임을 확인 할 수 있었다.
다시 초순수 1000 mL를 첨가 한 후 30% H2O2 (DAEJUNG CHEMICAL & METALS) 를 첨가하여 반응을 종료하였으며, 이때 생성물 용액의 색상이 짙은 갈색에서 옅은 갈색으로 변하는 것을 확인 할 수 있었다.
1과 같이 건조된 막의 질량과 수분을 흡수한 상태에서 막의 질량에 의해 정의된다. 두께가 서로 다른 Nafion 112, Nafion 117 상용막의 경우 막의 구성성분이 동일한 물질이기 때문에 수분 흡수가 거의 비슷한 수준으로 나타났지만, 이에 반하여 산화그라핀이 코팅된 Nafion 112 막의 경우 수분 흡수값이 코팅 전에 비하여 60%정도의 수준으로 낮아졌음을 확인 할 수 있었다. 또한, Nafion 112와 Nafion 117 막의 수소이온의 전도도는 각각 83.
두께가 서로 다른 Nafion 112, Nafion 117 상용막의 경우 막의 구성성분이 동일한 물질이기 때문에 수분 흡수가 거의 비슷한 수준으로 나타났지만, 이에 반하여 산화그라핀이 코팅된 Nafion 112 막의 경우 수분 흡수값이 코팅 전에 비하여 60%정도의 수준으로 낮아졌음을 확인 할 수 있었다. 또한, Nafion 112와 Nafion 117 막의 수소이온의 전도도는 각각 83.46과 90.12 mS/cm로 비슷한 값을 보였지만, 산화그라핀이 코팅된 Nafion 112 막의 경우 수소이온 전도도가 26.83 mS/cm로 급격히 감소하였음을 확인 할 수 있었다. 각각 막들의 이온 교환 용량을 측정한 결과 Nafion 112와 Nafion 117 막의 이온 교환 용량은 각각 0.
5배 가량 두꺼운 Nafion 117 막 보다 더 적은 양의 바나듐이온이 투과 되었음을 확인할 수 있었다. 또한, 열압착된 Nafion 112 막과 Nafion 117 막을 통해 투과된 바나듐이온의 농도를 비교한 결과, 열압착된 Nafion 112 막의 바나듐이온 농도가 상당히 감소되었음을 확인 할 수 있었는데, 이는 열압착 공정 중 Nafion막 내부의 cluster 크기가 수축하여 투과되는 바나듐이온의 양이 감소하였기 때문으로 사료된다. 하지만 산화그라핀이 코팅된 Nafion 112 막과 압착된 Nafion 112 막의 바나듐이온 투과 경향성 기울기값을 비교한 결과, 산화그라핀이 코팅된 Nafion 112 막의 기울기 값이 낮은 것으로 보아 바나듐이온이 투과되는 것을 가장 효과적으로 감소시켰음을 확인 할 수 있었다.
Nafion 112, 열압착된 Nafion 112, 산화그라핀이 코팅된 Nafion 112 및 Nafion 117 막을 이용하여 바나듐이온 투과도를 측정한 결과, 산화그라핀 코팅에 의한 막의 바나듐이온 투과도가 단순히 열압착 공정만을 마친 막보다 다소 감소하였으며 열압착 또는 산화그라핀을 코팅하지 않은 막에 비해 약 1/4 이하로 현저하게 감소됨을 확인 할 수 있었다. 이런 특성을 활용하기 위하여 제조된 산화그라핀 코팅 Nafion 112막을 VRB에 적용하여 충-방전 실험을 실시한 결과 VRB 시스템 쿨롱효율 및 에너지효율이 증가됨을 확인 할 수 있었다.
Nafion 112와 Nafion 117 막의 경우 비슷한 투과도값을 나타내고 있으나, 열압착된 Nafion 112 막과 산화그라핀이 코팅된 Nafion 112 막의 경우, 바나듐이온 투과도가 열압착 공정 또는 산화그라핀을 코팅하지 않은 막에 비해 약 1/4 수준으로 감소하였음을 확인 할 수 있었고, 특히 산화그라핀이 코팅된 Nafion 112 막의 바나듐이온 투과도값이 가장 낮았음을 확인 할 수 있었다. 이를 통해서, 산화그라핀이 코팅된 Nafion 112 막의 경우 바나듐이온의 투과를 효과적으로 감소시킬 수 있음을 확인할 수 있었으며, 바나듐 레독스 흐름 전지 (VRB)에 산화그라핀층이 코팅된 Nafion 막을 적용할 경우 VRB 시스템 성능 향상을 도모할 수 있을 것으로 판단하여 VRB 성능 평가를 실시하였다.
5배 정도 두껍기 때문에 바나듐이온의 투과현상을 감소시켜 쿨롱효율은 상대적으로 높게 나타나지만 내부저항 증가로 인하여 전압효율이 감소함을 확인 할 수 있었다. 이에 반해 산화그라핀이 코팅된 Nafion 112 막의 경우 막의 두께가 Nafion 117 막에 비하여 현저히 얇음에도 불구하고 쿨롱효율이 더 높게 나타났으며 전압효율도 더 높게 나타났음을 확인 할 수 있었다. 다만 비슷한 두께의 Nafion 112 막과 산화그라핀층이 코팅된 Nafion 112 막을 비교해 보면 산화그라핀층 코팅으로 인하여 Table.
이와 같은 결과를 통해 상용 Nafion막에 산화그라핀층을 코팅할 경우 산화그라핀층이 효과적인 수소이온 전도를 방해함과 동시에 산화그라핀층을 코팅하기 위한 열압착 공정에 의하여 막의 물리적 구조가 변경됨을 확인 할 수 있었으며, 이온 교환 용량에 큰 변화가 없는 것으로 보아 열압착 공정에 의한 Nafion막 내부의 이온 교환 용량을 결정하는 술폰기의 양이 크게 감소되지 않았음을 확인 할 수 있었다.
또한, 열압착된 Nafion 112 막과 Nafion 117 막을 통해 투과된 바나듐이온의 농도를 비교한 결과, 열압착된 Nafion 112 막의 바나듐이온 농도가 상당히 감소되었음을 확인 할 수 있었는데, 이는 열압착 공정 중 Nafion막 내부의 cluster 크기가 수축하여 투과되는 바나듐이온의 양이 감소하였기 때문으로 사료된다. 하지만 산화그라핀이 코팅된 Nafion 112 막과 압착된 Nafion 112 막의 바나듐이온 투과 경향성 기울기값을 비교한 결과, 산화그라핀이 코팅된 Nafion 112 막의 기울기 값이 낮은 것으로 보아 바나듐이온이 투과되는 것을 가장 효과적으로 감소시켰음을 확인 할 수 있었다. 이는 GO 나노입자들이 양이온 교환막 표면에 얇은층을 형성함으로 인하여 바나듐이온들이 막을 투과하는 경향을 감소시켰기 때문으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
VRB의 장점은?
바나듐 레독스 흐름 전지 (Vanadium Redox Flow Battery, VRB)는 산화수가 다양한 바나듐이온을 활물질로 사용하여 이들의 산화 및 환원 반응을 통해 화학적 에너지가 전기적 에너지로 전환되는 원리를 활용한 대용량 에너지 저장 시스템으로써, 1985년 Skyllas-Kazacos 등에 의해 연구되기 시작하여 많은 관심을 받고 있으며, 현재도 활발한 연구가 진행되고 있다. VRB 는 다른 이차전지에 비해 수명이 길고 유지보수 비용이 저렴하고, 상온에서 작동이 가능하며 환경오염물질을 많이 배출하지 않는 등 많은 장점을 가지고 있다.1-4) VRB는 양극에서 VO2+/VO2+ 커플 산화-환원 반응에 의해 발생된 1.
바나듐 레독스 흐름 전지의 구성요소는?
26 V의 전압을 나타낼 수 있다.5) 이러한 VRB 시스템은 기본적으로 황산용액에 VO2+/VO2+와 V2+/V3+의 산화수가 서로 다른 바나듐이온이 용해되어 있는 용액을 각각 양극전해질과 음극전해질로 사용하고 있으며, 2개의 펌프, 전기활성 종들의 산화와 환원이 이루어지는 베터리 스택, 카본 펠트 전극, 그리고 수소이온 교환을 위한 양이온 교환막 등으로 구성되어 있다. 그 중에서 양이온 교환막은 양극과 음극전해질의 효율적인 분리를 통해 시스템의 전기적 균형을 유지하며, 동시에 수소이온을 전도시켜 시스템이 효율적으로 작동 될 수 있도록 하는 VRB 시스템에서 상당히 중요한 구성요소 중의 하나이다.
바나듐 레독스 흐름 전지란?
바나듐 레독스 흐름 전지 (Vanadium Redox Flow Battery, VRB)는 산화수가 다양한 바나듐이온을 활물질로 사용하여 이들의 산화 및 환원 반응을 통해 화학적 에너지가 전기적 에너지로 전환되는 원리를 활용한 대용량 에너지 저장 시스템으로써, 1985년 Skyllas-Kazacos 등에 의해 연구되기 시작하여 많은 관심을 받고 있으며, 현재도 활발한 연구가 진행되고 있다. VRB 는 다른 이차전지에 비해 수명이 길고 유지보수 비용이 저렴하고, 상온에서 작동이 가능하며 환경오염물질을 많이 배출하지 않는 등 많은 장점을 가지고 있다.
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