[논문]바나듐레독스흐름전지용 카본펠트전극의 알칼리용액을 이용한 표면개질

김선회; 이건주

doi:10.7316/khnes.2016.27.4.372

바나듐레독스흐름전지용 카본펠트전극의 알칼리용액을 이용한 표면개질
Surface Treatment with Alkali Solution of Carbon Felt for Vanadium Redox Flow Battery 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.27 no.4, 2016년, pp.372 - 377

김선회 (상지대학교 신에너지.자원공학과) , 이건주 (상지대학교 환경공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The carbon felt used as the electrode of vanadium redox flow battery (VRFB) requires imprived electrochemical activity for better battery performance and efficiencies. Many efforts have been tried to improve electrochemical activity of the carbon felt as electrodes. In this study the alkali solution, KOH, is applied on surface treatment of the carbon felt electrode. The carbon felts were treated with KOH under room temperature and $80^{\circ}C$. The isopropyl alcohol was applied to improve wettability of the carbon felt during KOH treatment. The KOH treated carbon felt was analyzed by using the X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The XPS analysis of carbon felt electrode revealed on increase in the overall surface oxygen content of the carbon felts after KOH treatment. Also, cyclic voltametry tests showed electrochemical characteristics enhancement of the carbon felt.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 바나듐레독스흐름전지에 전극으로 널리 사용하고 있는 카본펠트의 표면을 KOH와 같은 알칼리를 이용하여 표면에 관능기를 도입하는 시도를 실시하여 그 성능의 증대를 시도하였다. 그 결과의 검증을 위하여 순환전압법(cyclic voltametry, CV)으로 카본펠트의 전기화학적 특성의 파악을 수행하였다.

제안 방법

카본펠트 전극을 KOH처리 하게 되면 표면에 KOH로 인한 변화가 생길 것이다. KOH처리를 하는 과정에 있어서 20°C와 80°C의 온도에서 2시간동안 담궈 두었다. 또한, KOH용액과의 젖음성을 좋게하기 위하여 IPA를 카본펠트에 도입하여 위에서와 같은 온도에서 KOH처리를 실시하였다.
이 때, KOH는 20°C과 80°C 두 가지의 온도에서 처리하였다. 그리고 KOH용액에 카본펠트 처리를 할 때 이소프로필알콜(IPA)을 적용하여 카본 펠트가 KOH용액에 잘 젖게 한 것과 그렇지 않은 경우를 만들어 총 4가지의 카본펠트 샘플을 제작하였다. 그리고 KOH처리 되어진 카본펠트는 소닉클리너를 이용하여 표면에 부착되어진 KOH를 제거하였다.
바나듐레독스 흐름전지에서 사용되는 PAN 계열의 카본펠트 전극을 KOH 와 같은 알칼리용액에 표면처리를 진행하고, KOH용액에 침착 시 젖음성을 향상시키기 위하여 IPA를 사용하였다. 그 결과 전기 화학적으로 활성을 높일 수 있었다.

대상 데이터

5 mm of nominal thickness JNTG product). 그리고 비교전극 (counter electrode)으로서 백금 와이어를 사용하였고, 기준전극(reference electrode)으로는 Ag/AgCl 전극을 사용하였다. 4 cm² (1 cm×4 cm)의 면적으로 카본펠트를 제작하여 그 카본펠트를 작동전극으로 하여 전기화학적 특성을 살피기 위하여 CV테스트를 실시하였다.
1에서는 cyclic voltammetry의 측정을 위한 실험 설정을 표현하였다. 작동전극(working electrode)으로 카본펠트를 사용하였다 (4.5 mm of nominal thickness JNTG product). 그리고 비교전극 (counter electrode)으로서 백금 와이어를 사용하였고, 기준전극(reference electrode)으로는 Ag/AgCl 전극을 사용하였다.

데이터처리

본 연구에서 표면처리 되어진 카본펠트는 cyclic voltammetry (CV)를 이용하여 그 전기화학적 특성을 평가하였다. Fig.

성능/효과

1) KOH처리 후 CV 측정 결과 표면처리 되어진 카본펠트의 바나듐 용액 내에서 VO²⁺ /VO₂⁺ 의 반응 성의 증가를 확인 하였으며, 이는 카본펠트의 KOH 처리가 바나듐레독스흐름전지의 전극으로서의 가치를 증가시켰음을 확인하였다.
2) CV테스트 결과 카본펠트를 80°C에서 KOH처리를 하고 이 때 IPA를 이용하여 더 침착이 잘 이루어지게한 경우 CV 평가에서 가장 우수한 산화 peak (I_a)를 확보할 수 있었다.
3) XPS 측정 결과 표면처리 되어진 카본펠트의 표면에 산소계 작용기들이 생성된 것을 확인할 수 있었다. ;

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	레독스흐름전지란 무엇인가?	여러 가지의 에너지저장장치 중 레독스흐름전지는, 현재 가장 각광을 받고있는 Li이온에 비하여 대용량화가 용이하고 10년 이상의 장수명이 입증된 전지로서, 대용량 전력저장 시스템으로 가장 유망한 방식이라고 할 수 있다 3) . 그 중 활물질을 바나듐으로 사용하고 있는 바나듐레독스흐름전지는 전바나듐계라고 불리며(vanadium redox flow battery, VRFB) 호주의 University of New South Wales 의 Skylas-Kazacos 교수에 의해서 제안되어 현재 가장 널리 사용되고 있는 흐름전지 중의 하나이다 3) .
	바나듐레독스흐름전지에서 사용되는 관능기들은 무엇이 있는가?	전극의 화학적, 전기화학적 및 열적 활성화 등을 통하여 전극표면에 도입되는 관능기들로서는 카보닐 그룹 (C-O 혹은 C=O), 페놀그룹 (C-OH), 에테르그룹 (C-O-C) 혹은 카르복실그룹 (-COOH) 등이 있다. 이러한 친수성 관능기들이 본래 소수성을 띠고 있는 카본펠트의 표면에 도입되어 바나듐 및 황산으로 구성된 전해질 내에서 전기화학반응의 반응 사이트를 제공한다고 알려져 있다 9,10) .
	재생에너지를 사용할 때 에너지저장장치가 필수적으로 필요한 이유는 무엇인가?	최근 화석연료의 사용으로 인한 환경오염 등의 문제로 인하여 재생에너지의 사용이 에너지와 환경의 문제로 크게 대두되고 있다. 하지만, 풍력 및 태양광 등의 재생에너지는 본연의 간헐성으로 인하여 생산의 예측이 어렵기 때문에 에너지저장장치(energy storage system. ESS)의 설치가 필수적이라고 할 수 있다.

참고문헌 (12)

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