[논문]탄소전극의 질소 및 산소 도핑에 따른 바나듐 레독스-흐름전지 양극 및 음극에서의 촉매화학적 특성 연구

임혜빈; 김지연; 이정석; 이두환

doi:10.7464/ksct.2017.23.3.308

탄소전극의 질소 및 산소 도핑에 따른 바나듐 레독스-흐름전지 양극 및 음극에서의 촉매화학적 특성 연구
Performance of Carbon Cathode and Anode Electrodes Functionalized by N and O Doping Treatments for Charge-discharge of Vanadium Redox Flow Battery 원문보기

청정기술 = Clean technology, v.23 no.3, 2017년, pp.308 - 313

임혜빈 (서울시립대학교 화학공학과) , 김지연 (서울시립대학교 화학공학과) , 이정석 , 이두환 (서울시립대학교 화학공학과)

초록
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본 연구에서는 Graphite Felt (GF) 전극의 표면에 산소와 질소의 도핑을 통하여 전기화학적 특성을 개선하고, 이의 촉매화학적 효과를 바나듐 레독스 흐름전지의 양극과 음극의 특성비교를 통하여 관찰하였다. 탄소전극 표면의 산소와 질소 동시 도핑은 GF 샘플을 773 K에서 암모니아-공기 ($NH_3=50%$, $O_2=10%$) 혼합가스에 노출시켜 Chemical Vapor Deposition (CVD) 방법으로 제조하였다. 이러한 산소-질소 동시 도핑의 전기화학적 효과는 산소만으로 도핑 처리된 GF 샘플과 비교하여 분석, 평가하였다. 탄소전극 샘플들의 표면 구조와 화학적 조성은 Scanning Electron Microscopy (SEM)와 X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) 방법을 통하여 분석하였다. 결과물로 얻어진 탄소전극은 바나듐 레독스-흐름전지의 양극과 음극에 동시 적용하여 충-방전 사이클을 진행하고, 각 전극이 흐름전지의 효율과 양극과 음극에서의 전기화학적 특성에 미치는 효과를 비교하여 분석하였다. 산소와 질소의 동시 도핑으로 처리된 GF 전극은 산소만으로 활성화된 전극에 비하여 흐름전지의 전압 및 에너지 효율에서 2% 이상의 향상 효과를 보여주었다. 특히, 탄소전극 표면의 산소-질소의 동시 도핑은 음극반응에서 우수한 전기화학적 특성을 유도하는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we investigated the electrocatalytic effects of the N and O co-doping of Graphite Felt (GF) electrode for the vanadium redox flow battery (VRFB) at the cathode and the anode reaction, respectively. The electrodes were prepared by chemical vapor deposition (CVD) with $NH_3-O_2$ at 773 K, and its effects were compared with an electrode prepared by an O doping treatment. The surface morphology and chemical composition of the electrodes were characterized by scanning electron microscopy (SEM) and photoelectron spectroscopy (XPS). The electrocatalytic properties of these electrodes were characterized in a VRFB single cell comparing the efficiencies and performance of the electrodes at the cathode, anode, and single cell level. The results exhibited about 2% higher voltage and energy efficiencies on the N-O-GF than the O-GF electrode. It was found that the N and O co-doping was particularly effective in the enhancement of the reduction-oxidation reaction at the anode.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 N 과 O 기능기로 도핑 처리된 N-O-GF 전극과 산소만으로 처리된 O-GF 전극의 전기화학적 특성을 바나듐 레독스-흐름전지 single cell에서 비교 평가하였다. 특히, 양극과 음극에서 전극의 특성을 in-situ로 평가할 수 있도록 cell 을 설계하여, 양극반응과 음극반응 그리고 전체 single cell에서 전극의 표면처리가 미치는 효과를 분석하였다.
최근에 본 연구그룹은 질소와 산소를 탄소전극에 동시 도핑 할 경우 산소 또는 질소 한가지 원소만으로 도핑 한 전극에 비하여 바나듐 산화-환원 반응에 대하여 우수한 촉매화학적 효과를 나타내는 것을 연구하여 발표하였다[13]. 그러나, 기존에 발표된 대부분의 바나듐 레독스-흐름전지 전극관련 연구들에서는 (i) 탄소전극의 촉매화학적 특성을 양극과 음극반응에서 cyclic voltammetry (CV) 방법으로 각각 기초 평가한 후, (ii) 단위전지에 적용 시 전지의 전체 성능변화를 단순비교하는 형식으로 발표되어 왔다.

제안 방법

Single cell 충·방전에 따르는 전극의 전기화학적 특성을 보다 효과적으로 측정하기 위하여, 충·방전시의 전압변화에서 초기의 OCV 값을 빼주어 과전압 변화에 따르는 voltage loss를 평가하였다.
Single cell의 양극 과 음극에서의 전극저항에 따르는 voltage loss를 구별하여 각각 비교하기 위하여, 추가적인 비교전극을 막의 양쪽에 맞닿게 설치하고 충·방전 과정에서 비교전극 대비 half cell의 전압변화를 in-situ로 측정하고 그 결과를 비교하였다.
양쪽 전해액은 연동 펌프(Master flex, Cole-Parmer)를 이용하여 25 mL min^-1 유량으로 흐름전지 셀의 양극과 음극에 동일한 속도로 각각 공급하였다. potensio/galvano-stat 시스템(Ivium stat, Ivium technology)을 이용하여 OCV를 측정 후 충전을 셀의 전압이 1.6 V가 될 때까지 진행하였고, 방전은 초기 OCV 측정 후 셀 전체전압이 1.0 V가 될 때까지 진행하였다. 충․방전을 진행하면서 양극과 음극 전압변화를 부가적으로 측정하여 변화를 관찰하였다.
이전에 발표된 연구결과에 따르면, quaternary-N, pyridinicN, pyrrolic-N, O-H, COOH 등 질소 및 산소 기능기의 경우 탄소전극의 표면에서 바나듐 금속이온의 전기화학적 산화-환원 반응을 촉진하는 촉매적 기능을 나타냄이 보고되고 있다[6,14]. 따라서 이러한 촉매적 활성을 갖는 질소와 산소의 기능기들이 동시에 도핑된 탄소 전극이 바나듐 레독스-흐름전지의 실제 충․방전 운행에서 음극과 양극에서 어떠한 반응 특성을 갖는지를 본 연구에서 설계, 제작된 흐름전지 셀을 이용하여 in-situ로 분석하였다.
이를 위하여 양극과 음극, 멤브레인, 전체 단위전지 각각에 대하여 전압과 저항을 측정할 수 있도록 단위전지 셀을 설계하고 제조하여 실험을 진행하였다. 또한, 질소와 산소원자의 동시 도핑에 대한 효과를 평가하기 위하여 산소원자만으로 도핑 처리된 상용 GF 전극을 비교 샘플로 사용하였다. 결과로, 질소와 산소의 기능기가 동시에 도핑된 GF 전극은 음극에서의 바나듐 산화-환원 반응(V²⁺/V³⁺)에 대하여 특히 촉매화학적 효과가 우수한 것으로 판명되었다.
999%, 100 mL min^-1)를 흘리면서 승온하였다. 반응온도에 도달 후 질소와 산소의 혼합가스(NH₃ = 50%, O₂= 10%, N₂ = balance)를 흘려주면서 3시간 동안 GF 표면으로 질소와 산소 기능기의 도핑을 진행하였다. 반응 종결 후 표면 처리된 샘플은 질소를 흘리면서(100 mL min^-1) 상온으로 서서히 냉각시켰다.
본 실험에서 제조된 N-O-GF 전극과 O-GF 전극은 흐름전지 single cell에 전극으로 적용하여 충·방전 시 성능과 특성을 분석하였다.
본 연구에서 제시된 전극의 평가 접근방법과 실험적 결과는 실질적 충·방전 운행에서 바나듐 이온의 양극과 음극반응 및 전체 단위전지의 성능에 미치는 영향을 구별하여 구체적으로 평가할 수 있는 방법으로 평가된다.
본 연구에서는 GF 전극을 암모니아-공기 조건에서 CVD 방법으로 표면 처리하여 질소와 산소 기능기를 도핑하고, 이의 바나듐 산화-환원 전기화학 반응에 대한 촉매화학적 효과를 레독스-흐름전지의 실제 충-방전 운행시에 양극과 음극반응에 대하여 각각 in-situ로 동시에 구별하여 평가하였다. 이를 위하여 양극과 음극, 멤브레인, 전체 단위전지 각각에 대하여 전압과 저항을 측정할 수 있도록 단위전지 셀을 설계하고 제조하여 실험을 진행하였다.
이렇게 처리된 샘플의 전기화학적 특성 비교를 위하여, 산소만으로 도핑 처리된 상용화된 GF 전극을 비교 군으로 사용하였다(JNTG Co, GF050CH). 비교평가의 용이를 위해서 이 샘플은 O-GF로 명명하고 동일한 조건에서 전기화학적 특성평가를 진행하였다.
실험에 적용된 GF 전극들의 물리적 표면특성은 Scanning Electron Microscopy (SEM, SNE-3000M, SEC)를 이용하여 30kV 가속전압에서 분석하였다. 전극 표면의 원자 조성은 X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS, AXIS Ultra-DLD, KratosAnalytical)를 이용하여 Al Kα 단색광을 이용하여 분석하였다.
결과물로 얻어진 샘플은 N-O-GF로 명명하였다. 이렇게 처리된 샘플의 전기화학적 특성 비교를 위하여, 산소만으로 도핑 처리된 상용화된 GF 전극을 비교 군으로 사용하였다(JNTG Co, GF050CH). 비교평가의 용이를 위해서 이 샘플은 O-GF로 명명하고 동일한 조건에서 전기화학적 특성평가를 진행하였다.
본 연구에서는 GF 전극을 암모니아-공기 조건에서 CVD 방법으로 표면 처리하여 질소와 산소 기능기를 도핑하고, 이의 바나듐 산화-환원 전기화학 반응에 대한 촉매화학적 효과를 레독스-흐름전지의 실제 충-방전 운행시에 양극과 음극반응에 대하여 각각 in-situ로 동시에 구별하여 평가하였다. 이를 위하여 양극과 음극, 멤브레인, 전체 단위전지 각각에 대하여 전압과 저항을 측정할 수 있도록 단위전지 셀을 설계하고 제조하여 실험을 진행하였다. 또한, 질소와 산소원자의 동시 도핑에 대한 효과를 평가하기 위하여 산소원자만으로 도핑 처리된 상용 GF 전극을 비교 샘플로 사용하였다.
전극 표면의 원자 조성은 X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS, AXIS Ultra-DLD, KratosAnalytical)를 이용하여 Al Kα 단색광을 이용하여 분석하였다.
에너지효율(energy efficiency)은 충·방전 에너지 즉 충전된 전력과 방전된 전력의 비율을 보는 것으로 이때 전력은 연속적으로 측정되는 전류와 전압을 곱하여 더하는 방법으로 계산하였다. 전압효율(voltage efficiency)은 충전시의 전압과 방전시의 전압 비율로 계산이 가능하며, 본 연구에서는 에너지효율을 전류효율로 나눈 값으로 계산하였다[15]. Figure 3(a)를 살펴보면 N-O-GF가 충전을 시작할 때의 전압이 낮고 충전시간 또한 O-GF에 비하여 길다는 것을 확인할 수 있다.
충·방전 실험 시 양쪽 전극의 전압변화를 각각 측정하기 위해 추가적 기준전극(Ag/AgCl)을 셀의 양극과 음극에 각각 삽입하였고, current collector와 기준전극 간의 전압변화로부터 양극, 음극, 이온교환막, 그리고 전체 single cell에서의 Open Circuit Voltage (OCV)와 충·방전에 따르는 전압변화를 각각 연속적으로 동시에 측정할 수 있도록 설계하였다.
0 V가 될 때까지 진행하였다. 충․방전을 진행하면서 양극과 음극 전압변화를 부가적으로 측정하여 변화를 관찰하였다.
본 연구에서는 N 과 O 기능기로 도핑 처리된 N-O-GF 전극과 산소만으로 처리된 O-GF 전극의 전기화학적 특성을 바나듐 레독스-흐름전지 single cell에서 비교 평가하였다. 특히, 양극과 음극에서 전극의 특성을 in-situ로 평가할 수 있도록 cell 을 설계하여, 양극반응과 음극반응 그리고 전체 single cell에서 전극의 표면처리가 미치는 효과를 분석하였다. 결과로, N-O-GF 전극은 촉매화학적 활성증가로 인하여 O-GF 전극에 대비하여 전체 흐름전지 single cell의 전압 및 에너지효율에서 2% 이상 증가한 결과를 보여 주었다.
처리되지 않은 GF050 샘플은 pristine-GF로 명명하였다. 표면처리를 위하여 pristine-GF 샘플을 수평형 석영 유리관 반응기(L = 1400 mm, I.D. = 50 mm) 안에 위치시킨 후 반응기의 온도를 773 K (ramp = 10 K min^-1)까지 질소(99.999%, 100 mL min^-1)를 흘리면서 승온하였다. 반응온도에 도달 후 질소와 산소의 혼합가스(NH₃ = 50%, O₂= 10%, N₂ = balance)를 흘려주면서 3시간 동안 GF 표면으로 질소와 산소 기능기의 도핑을 진행하였다.

대상 데이터

본 연구를 위하여 설계, 제작된 바나듐 흐름전지 single cell (Il do F & C, single cell v-3)은 음극과 양극이 대칭적인 구조를 이루고 있다.
본 연구에서는 탄소전극으로 레독스-흐름전지에서 폭넓게 적용되는 Graphite Felt (GF) 형태의 전극을 사용하였다. 질소와 산소의 도핑은 JNTG 사의 GF050 상용 샘플을 이용하여 CVD 방법으로 진행하였다.
충·방전 실험 시 양쪽 전극의 전압변화를 각각 측정하기 위해 추가적 기준전극(Ag/AgCl)을 셀의 양극과 음극에 각각 삽입하였고, current collector와 기준전극 간의 전압변화로부터 양극, 음극, 이온교환막, 그리고 전체 single cell에서의 Open Circuit Voltage (OCV)와 충·방전에 따르는 전압변화를 각각 연속적으로 동시에 측정할 수 있도록 설계하였다. 전해질은 1.6M V(III)/V(IV) 혼합물이 3.5 M 황산 수용액에 용해된 전극용액(Dalian Bolong New Materials Co., LTD.)을 전기화학적 산화-환원을 통하여 V(III)과 V(IV) 전해질로 각각 제조하여 이용하였다.

이론/모형

본 연구에서는 탄소전극으로 레독스-흐름전지에서 폭넓게 적용되는 Graphite Felt (GF) 형태의 전극을 사용하였다. 질소와 산소의 도핑은 JNTG 사의 GF050 상용 샘플을 이용하여 CVD 방법으로 진행하였다. 처리되지 않은 GF050 샘플은 pristine-GF로 명명하였다.

성능/효과

전압효율(voltage efficiency)은 충전시의 전압과 방전시의 전압 비율로 계산이 가능하며, 본 연구에서는 에너지효율을 전류효율로 나눈 값으로 계산하였다[15]. Figure 3(a)를 살펴보면 N-O-GF가 충전을 시작할 때의 전압이 낮고 충전시간 또한 O-GF에 비하여 길다는 것을 확인할 수 있다. 각 전극에 따르는 충․방전량은N-O-GF (충전 = 27.
Figure 2(b)는 각 전극샘플의 표면에 도핑된 질소와 산소 기능기의 조성에 대한 XPS 정량분석 결과를 나타낸다. PristineGF 샘플에서는 질소의 특성피크는 거의 나타나지 않았으며, 산소의 특성 피크만이 뚜렷이 관찰되었고 산소원자는 C-O와 O-H 결합형태로 대부분 존재하였다. 반면, N-O-GF 전극에서는 다량의 질소와 산소 원자가 도핑 되었음이 관찰되었고, 도핑된 질소원자는 대부분 pyridinic-N, pyrrolic-N, 그리고 quaternary-N 구조로 결합하여 표면에 존재하는 것으로 판명되었다.
Figure 3(a)를 살펴보면 N-O-GF가 충전을 시작할 때의 전압이 낮고 충전시간 또한 O-GF에 비하여 길다는 것을 확인할 수 있다. 각 전극에 따르는 충․방전량은N-O-GF (충전 = 27.5, 방전 = 26.8 A h L^-1) 전극에서 O-GF(충전 = 25.4, 방전 = 24.7 A h L^-1)에 비하여 높은 결과를 나타내었다. 따라서, N 과 O 기능기가 함께 도핑된 탄소전극은 산소만으로 도핑된 전극에 비하여 single cell에서 흐름전지의 충․방전 시 더 많은 전하량을 저장하고 이용할 수 있다는 것을 보여준다.
각 전극에서의 voltage loss를 비교한 결과 N-O-GF 전극은 음극반응(V2+↔ V3+)에 대하여 O-GF 전극보다 특히 우수한 특성을 보여주었고, 양극 반응에서는 O-GF 전극이 다소 낮은 voltage loss 결과를 나타내었다.
특히, 양극과 음극에서 전극의 특성을 in-situ로 평가할 수 있도록 cell 을 설계하여, 양극반응과 음극반응 그리고 전체 single cell에서 전극의 표면처리가 미치는 효과를 분석하였다. 결과로, N-O-GF 전극은 촉매화학적 활성증가로 인하여 O-GF 전극에 대비하여 전체 흐름전지 single cell의 전압 및 에너지효율에서 2% 이상 증가한 결과를 보여 주었다. 각 전극에서의 voltage loss를 비교한 결과 N-O-GF 전극은 음극반응(V²⁺↔ V³⁺)에 대하여 O-GF 전극보다 특히 우수한 특성을 보여주었고, 양극 반응에서는 O-GF 전극이 다소 낮은 voltage loss 결과를 나타내었다.
Figure 4는 single cell 충·방전에 따르는 voltage loss를 N-O-GF와 O-GF에 대하여 비교하여 나타내었다. 결과로, 바나듐 레독스-흐름전지의 충전 반응에서는 single cell의 전체 저항에 대한 voltage loss 측면에서 두 전극의 성능 차이는 크지 않은 것으로 보여진다. 그러나, 방전 반응에서는 N-O-GF 전극을 적용한 cell이 O-GF 전극을 적용한 것보다 적은 voltage loss를 나타내었다.
또한, 질소와 산소원자의 동시 도핑에 대한 효과를 평가하기 위하여 산소원자만으로 도핑 처리된 상용 GF 전극을 비교 샘플로 사용하였다. 결과로, 질소와 산소의 기능기가 동시에 도핑된 GF 전극은 음극에서의 바나듐 산화-환원 반응(V²⁺/V³⁺)에 대하여 특히 촉매화학적 효과가 우수한 것으로 판명되었다. 이에 따라, 산소원자만으로 도핑 처리된 GF 전극에 비교하여 질소와 산소로 동시에 도핑 처리된 전극은 단위전지의 충·방전에 따르는 전압, 에너지 효율에서 2% 이상 우수한 효과를 보여 주는 것으로 판명 되었다.
Figure 6에서는 충․방전 과정에서의 voltage loss 값을 가해준 전류로 나누어 양극, 음극, 전체 single cell에서의 저항 값을 비교하여 분석하였다. 그 결과로 특히 주목할 점은, N-O-GF 전극의 경우 충전과 방전반응에 따르는 전극 저항이 양극과 음극에서 유사함을 보여주고 있는 반면, O-GF의 경우는 양극과 음극반응에서 매우 큰 전극저항의 차이를 보여주고 있다. 따라서, N-O-GF 전극에서 보여지는 양극과 음극에서의 반응에 대한 균일성은 흐름전지의 충·방전 운행의 효율 면에서도 기여하고 있는 것으로 보여진다.
7 A h L^-1)에 비하여 높은 결과를 나타내었다. 따라서, N 과 O 기능기가 함께 도핑된 탄소전극은 산소만으로 도핑된 전극에 비하여 single cell에서 흐름전지의 충․방전 시 더 많은 전하량을 저장하고 이용할 수 있다는 것을 보여준다. 이러한 N-O-GF의 특성은 Figure 3(b)의 전압, 전류, 에너지 효율에서도 잘 나타나고 있다.
PristineGF 샘플에서는 질소의 특성피크는 거의 나타나지 않았으며, 산소의 특성 피크만이 뚜렷이 관찰되었고 산소원자는 C-O와 O-H 결합형태로 대부분 존재하였다. 반면, N-O-GF 전극에서는 다량의 질소와 산소 원자가 도핑 되었음이 관찰되었고, 도핑된 질소원자는 대부분 pyridinic-N, pyrrolic-N, 그리고 quaternary-N 구조로 결합하여 표면에 존재하는 것으로 판명되었다. O-GF 전극의 경우 산소의 특성피크가 크게 관찰되었으며 C-O와 O-H 결합구조 형태로 대부분의 산소원자가 전극표면에 존재하는 것으로 판명되었다.
반복되는 충·방전에서 N-O-GF 전극을 적용한 single cell은 O-GF를 적용한 cell에 비하여 약 2% 정도 높은 전압효율을 지속적으로 보여주었고, 이는 N-O-GF 전극이 바나늄 산화-환원 반응에 대하여 O-GF 전극보다 우수한 촉매화학적 특성을 나타냄을 증명하고 있다.
이 방법을 통하여 충·방전 실험을 진행함과 동시에 전극의 종류에 따른 전체 cell의 voltage loss를 양극과 음극으로 나누어 측정하여 비교함으로써 전체 cell 성능에 각 전극이 어떤 영향을 주는지 상세히 평가할 수 있었다.
반복되는 충·방전에서 N-O-GF 전극을 적용한 single cell은 O-GF를 적용한 cell에 비하여 약 2% 정도 높은 전압효율을 지속적으로 보여주었고, 이는 N-O-GF 전극이 바나늄 산화-환원 반응에 대하여 O-GF 전극보다 우수한 촉매화학적 특성을 나타냄을 증명하고 있다. 이러한 N-O-GF 전극의 반응특성 향상은 또한 흐름전지의 에너지 효율을 2% 이상 향상시키는 매우 긍정적인 효과를 나타냄을 확인할 수 있었다. Table 1에 single cell의 10회 충^․방전 cycle에서 각 전극에 따르는 평균 전류, 전압, 에너지 효율을 비교하여 나타내었다.
이에 따라, 산소원자만으로 도핑 처리된 GF 전극에 비교하여 질소와 산소로 동시에 도핑 처리된 전극은 단위전지의 충·방전에 따르는 전압, 에너지 효율에서 2% 이상 우수한 효과를 보여 주는 것으로 판명 되었다.
전체적으로 볼 때, 충․방전 모두 양극반응(VO2+ ↔ VO2+)에서는O-GF에서의 voltage loss가 적은 반면 음극반응(V3+ ↔ V2+)에서는 N-O-GF 전극이 더 낮은 voltage loss를 보여줌을 확인할 수 있었다.
Figure 2(a)에 Pristine-GF, N-O-GF, 그리고 O-GF 전극의 SEM 분석결과를 나타내었다. 질소와 산소로 CVD 방법에 의하여 도핑 처리된 N-O-GF 전극은 구성 섬유의 형태나 표면구조에서 Pristine-GF 전극과 유사하게 매끄러웠으며, 이는 비교적 높은 온도(873 K)에서 NH₃-O₂ 분위기로 활성화 처리하였음에도 전극표면의 물리화학적 손상은 크게 일어나지 않았음을 보여준다. O-GF 전극 또한 Pristine-GF와 비교하여 산소 도핑 처리에 의한 특별한 구조의 손상을 보여주지 않았다.
각 전극에서의 voltage loss를 비교한 결과 N-O-GF 전극은 음극반응(V²⁺↔ V³⁺)에 대하여 O-GF 전극보다 특히 우수한 특성을 보여주었고, 양극 반응에서는 O-GF 전극이 다소 낮은 voltage loss 결과를 나타내었다. 특히, N-O-GF 전극의 경우 양극과 음극반응에 대하여 유사한 전극저항을 나타낸 반면, O-GF의 경우 양극과 음극반응에 대하여 전극저항의 차이가 매우 큼을 확인할 수 있었다. 이러한 전극의 in-situ 평가방법과 실험적 결과는 실질적 충·방전 운행에서 탄소전극의 전기화학적 특성이 양극과 음극반응 및 전체 single cell에서 미치는 영향을 구별하여 구체적으로 분석할 수 있는 방법으로 평가된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	현재의 대표적 EES 기술은 무엇이 있는가?	태양전지 및 풍력을 이용한 친환경적 전력생산은 향후 지속적으로 증가할 것으로 예측되고 있으나, 이들 기술은 에너지 수요에 따르는 안정적 공급의 시간적 불일치라는 대표적 단점을 가지고 있으므로 이의 해결을 위한 대용량 전기에너지 저장(Electric Energy Storage, EES) 기술의 중요성은 향후 증가될 것으로 전망되고 있다[1]. 현재의 대표적 EES 기술로는 pumped-hydro, compressed air storage, flywheels, 그리고 전기화학적 저장 방법 등이 있으며, 이들 기술의 전개는 적용 분야, 지정학적 특성, 그리고 시스템 효율 등에 따라 달라진다. 바나듐 레독스-흐름전지는 대표적 전기화학적 저장방법의 하나로, 바나듐 금속이온의 산화-환원 반응을 이용하여 전기에너지를 화학적으로 저장하는 방법이다[2].
	바나듐 레독스-흐름전지는 무엇인가?	현재의 대표적 EES 기술로는 pumped-hydro, compressed air storage, flywheels, 그리고 전기화학적 저장 방법 등이 있으며, 이들 기술의 전개는 적용 분야, 지정학적 특성, 그리고 시스템 효율 등에 따라 달라진다. 바나듐 레독스-흐름전지는 대표적 전기화학적 저장방법의 하나로, 바나듐 금속이온의 산화-환원 반응을 이용하여 전기에너지를 화학적으로 저장하는 방법이다[2]. 흐름전지는 그 구조가 양극과 음극, 이온전도 막, 그리고 두 개의 bipolar plate로 전기화학적 셀이 구성되며, 바나듐 금속이온은 일반적으로 황산 용액에 용해되어 외부 저장용기에 저장된다[3,4].
	탄소전극의 표면특성을 다양한 방법으로 개질하여 전기화학적 특성을 증대하는 것이 중요한 이유는 무엇인가?	위의 산화-환원 반응은 각 탄소전극의 표면에서 진행되므로, 전극의 전기화학적 특성은 레독스-흐름전지의 효율과 성능특성에 매우 큰 영향을 미치게 된다. 따라서, 탄소전극의 표면특성을 다양한 방법으로 개질하여 전기화학적 특성을 증대코자 하는 연구가 최근 많이 발표 되어 지고 있으며, 대표적으로는 산소[5] 또는 질소원자[6]의 도핑, Bi [7]과 Ir [8] 등의 금속 또는 Nb2O4 [9], PbO2 [10], TiO2 [11], WO3 [12] 등과 같은 금속산화물의 표면 도입을 들 수 있다.

참고문헌 (15)

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Weber, A. Z., Mench, M. M., Meyers, J. P., Ross, P. N., Gostick, J. T., and Liu, Q., "Redox Flow Batteries: A Review," J. Appl. Electrochem., 41, 1137-1164 (2011).

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Li, B., Gu, M., Nie, Z., Wei, X., Wang, C., Sprenkle, V., and Wang, W., "Nanorod Niobium Oxide as Powerful Catalysts for an All Vanadium Redox Flow Battery," Nano Lett., 14, 158-165 (2013).
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Tseng, T.-M., Huang, R.-H., Huang, C.-Y., Liu, C.-C., Hsueh, K.-L., and Shieu, F.-S., "Carbon Felt Coated with Titanium Dioxide/Carbon Black Composite as Negative Electrode for Vanadium Redox Flow Battery," J. Electrochem. Soc., 161, A1132-A1138 (2014).

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Shen, Y., Xu, H., Xu, P., Wu, X., Dong, Y., and Lu, L., "Electrochemical Catalytic Activity of Tungsten Trioxide-Modified Graphite Felt Toward $VO^{2+}/VO_2{^+}$ Redox Reaction," Electrochim. Acta, 132, 37-41 (2014).

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Kim, J., Lim, H., Jyoung, J., Lee, E., Yi, J., and Lee, D., "High Electrocatalytic Performance of N and O Atomic Co-Functionalized Carbon Electrodes for Vanadium Redox Flow Battery," Carbon, 111, 592-601 (2017).

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Jin, J., Fu, X., Liu, Q., Liu, Y., Wei, Z., Niu, K., and Zhang, J., "Identifying the Active Site in Nitrogen-Doped Graphene for the $VO^{2+}/VO_2{^+}$ Redox Reaction," ACS Nano, 6, 4764-4773 (2013).
Ponce de Leon, C., Frias-Ferrer, A., Gonzalez-Garcia, J., Szanto, D. A., and Walsh, F. C., "Redox Flow Cells for Energy Conversion," J. Power Sources, 160, 716-732 (2006).

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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