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문제 정의
- 바나듐 레독스 흐름 전지(vanadium redox flow battery, VRFB)용 전해액의 열적 안정성을 향상시키기 위해 클로로황산 (HSO3Cl)을 첨가한 전해액의 특성에 대해 평가하였다. 전해액 특성은 CV(cyclic voltammetry)를 측정함으로서 진행하였다.
제안 방법
- )을 첨가하여 비교 전해액을 제조하였다. 그리고 본 연구에서는 2.1M VOSO4 in 2M H2SO4의 전해액을 E1, 2.1M VOSO4 in 2M H2SO4+0.5M HSO3Cl의 전해액을 E2, 2.1M VOSO4 in 2M H2SO4+1.0M HSO3Cl의 전해액을 E3라 명명하였다.
- 기준전극, 비교전극과 작동전극은 측정하고자 하는 전해액이 담겨 있는 비커에 설치하여, 정전류/정전압 계측기(HPCS2, Wonatech Co.)에 연결하였고, 전해액의 CV특성은 10∼90 mV/s의 스캔 속도로 측정하였다.
- 전해액 특성은 CV(cyclic voltammetry)를 측정함으로서 진행하였다. 또한 VRFB에서의 클로로황산을 첨가한 전해액의 전기화학적 특성에 대해 평가하였다.
- )에 용해시킴으로서 제조하였다. 또한 제조한 전해액에 0.5~1 mol의 클로로황산(HSO3Cl, Kanto Chemical Co.)을 첨가하여 비교 전해액을 제조하였다. 그리고 본 연구에서는 2.
- Cl)을 첨가하여, 이 전해액의 열적 안정성 및 전기화학적 특성 평가를 진행하였다. 또한 클로로황산이 첨가된 전해액을 사용한 전지의 성능에 대해서도 평가하였다.
- 본 연구에서는 바나듐 레독스 흐름 전지용 전해액에 클로로황산(HSO3Cl)을 첨가하여, 이 전해액의 열적 안정성 및 전기화학적 특성 평가를 진행하였다. 또한 클로로황산이 첨가된 전해액을 사용한 전지의 성능에 대해서도 평가하였다.
- Cl)을 첨가한 전해액의 특성에 대해 평가하였다. 전해액 특성은 CV(cyclic voltammetry)를 측정함으로서 진행하였다. 또한 VRFB에서의 클로로황산을 첨가한 전해액의 전기화학적 특성에 대해 평가하였다.
- 제조한 5가 바나듐 이온 수용액을 바이얼 병에 30 mL씩 주입하여 밀봉한 후, 항온･항습 챔버에 넣고 40℃를 유지하였다. 전해액의 열적안정성은 전해액에서의 침전물의 생성여부를 시간 경과에 따라 관찰함으로써 평가하였다.
- 제조한 전해액은 CV (cyclic voltammetry)를 측정함으로서 전기화학적 특성을 평가하였다.
- 충･방전은 30사이클 동안 진행하였으며, 전지의 전류효율(CE), 전압효율(VE), 에너지효율(EE)는 다음 식을 이용하여 산출하였다.
대상 데이터
- 격막으로 양이온교환막인 Nafion117 (Dupont Co.)을, 집전체로 고분자 함침의 그라파이트 플레이트(8650,일도F&C)를, 전극으로 카본 펠트(XF30A, Toyobo Co.)를 사용하였고, 전극면적은 72 cm2이었다.
- 기본 전해액은 바나듐 전해질인 2.1mol의 바나딜셀페이트(VOSO4･nH2O, Shinko Chemical Co.)를 사용하여 용매인 2 M (mol/L)의 황산(H2SO4, Matunoen Chemical Co.)에 용해시킴으로서 제조하였다. 또한 제조한 전해액에 0.
- 백금 와이어를 비교전극(counter electrode)으로 사용하였고, 작동 전극(working electrode)으로는 카본펠트(carbon felt, XF30A, Toyobo Co.)를, 기준전극(reference electrode)으로는 포화 카로멜 전극(saturated calomel electrode, SCE)을 사용하였다. 작동전극의 면적은 0.
- 양극액으로 55 mL의 제조한 전해액(4가 바나듐이온 수용액)을, 음극액으로 50 mL의 제조한 전해액을 전해환원한 수용액(3가 바나듐 이온 수용액)을 사용하였다. 전해액의 유속은 1 mL/min･cm2이었다.
이론/모형
- VRFB전지의 충･방전은 정전류/정전압 계측기(HPCS2, Wonatech Co.)를 사용하여 60 mA/cm2의 전류밀도에서, 충전은 1.6 V까지, 방전은 1.0 V까지 진행하는 cut-off 방법에 의해 진행하였다.
성능/효과
- 1) CV측정 결과, 클로로황산를 첨가한 전해액의 전위와 전류밀도의 최댓값은 클로로황산을 첨가하지 않은 전해액보다 높은 값을 보였으며, 클로로 황산을 첨가함으로서 전해액의 활성이 높아지는 것을 확인할 수 있었다.
- 2) 제조한 전해액의 5가 바나듐 이온 수용액을 40℃에서 열적안정성 평가를 진행한 결과, 클로로황산의 첨가에 의해 5가 바나듐 이온 수용액으로부터 V2O5석출을 억제하며, 클로로황산을 첨가하지 않은 전해액보다 열적안정성이 뛰어남을 확인할 수 있었다.
- 3) VRFB에서 제조한 전해액의 충･방전 30사이클 동안의 효율을 측정한 결과, 클로로황산을 첨가한 전해액을 사용한 VRFB의 에너지효율(82.4%)이 클로로황산을 첨가하지 않은 전해액을 사용한 VRFB의 에너지효율(72.5%)보다 높음을 확인할 수 있었다.
- 4) VRFB의 전해액으로 황산용액에 바나딜 설페이트를 용해한 전해액에 클로로황산을 첨가한 전해액은 VFRB용으로 충분히 활용이 가능하며, 전지의 에너지밀도도 향상시킬 수 있다는 가능성을 확인할 수 있었다.
- E1전해액을 사용한 VRFB의 평균 전류효율은 89.0%, 평균 전압효율은 81.5%, 평균 에너지효율은 72.5%를 보였다. E2전해액을 사용한 VRFB의 평균 전류효율은 94.
- 3%를 보였다. E2전해액을 사용한 VRFB의 전류효율은 93.5~95.9%, 전압효율은 85.7~87.6%, 에너지효율은 80.5~83.5%를 보였다. E3 전해액을 사용한 VRFB의 전류효율은 93.
- 5%를 보였다. E2전해액을 사용한 VRFB의 평균 전류효율은 94.7%, 평균 전압효율은 87.0%, 평균 에너지효율은 82.4%를 보였다. E3전해액을 사용한 VRFB의 평균 전류효율은 94.
- E3전해액을 사용한 VRFB의 평균 전류효율은 94.9%, 평균 전압효율은 86.0%, 평균 에너지효율은 81.6%를 보였다.
- Fig. 3과 Table 1의 결과로부터, 클로로황산을 첨가함으로서 전해액의 전위차 값과 전류밀도 값이 향상됨을 알 수 있었다. 따라서 전해액에 클로로황산의 첨가는 전위차 값과 전류밀도 값의 향상과 함께 VRFB의 에너지밀도를 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.
- 일반적으로 최대 피크 전류비가 1의 값에 가까울수록 반응메커니즘은 가역적으로 진행된다는 것을 의미한다. 따라서 본 연구에서 실험한 3가지 전해액의 전극반응은 가역적으로 진행됨을 알 수 있다.
- 3과 Table 1의 결과로부터, 클로로황산을 첨가함으로서 전해액의 전위차 값과 전류밀도 값이 향상됨을 알 수 있었다. 따라서 전해액에 클로로황산의 첨가는 전위차 값과 전류밀도 값의 향상과 함께 VRFB의 에너지밀도를 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.
- 이상의 결과로부터 황산용액에 바나딜 설페이트를 용해한 전해액에 클로로황산을 첨가하는 것은 5가 바나듐 이온 수용액의 열적안정성을 향상시키고, 전지의 효율도 동시에 향상시키는 것을 알 수 있었다. 따라서 클로로황산을 첨가한 전해액은 VFRB용으로 충분히 활용이 가능하며, 전지의 에너지밀도도 향상시킬 수 있다는 가능성을 확인할 수 있었다.
- 이상의 결과로부터 황산용액에 바나딜 설페이트를 용해한 전해액에 클로로황산을 첨가하는 것은 5가 바나듐 이온 수용액의 열적안정성을 향상시키고, 전지의 효율도 동시에 향상시키는 것을 알 수 있었다. 따라서 클로로황산을 첨가한 전해액은 VFRB용으로 충분히 활용이 가능하며, 전지의 에너지밀도도 향상시킬 수 있다는 가능성을 확인할 수 있었다.
- 클로로황산을 첨가한 전해액을 사용한 VRFB의 에너지효율은 클로로황산을 첨가하지 않은 전해액을 사용한 VRFB의 에너지효율보다 높은 값을 보였다. 이는 클로로황산을 첨가함으로서 전해액의 활성이 높아졌기 때문이라 판단된다.
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