[논문]바나듐 레독스 흐름전지 양극 반응 향상을 위한 코발트 산화물 전극 개질법 연구

박정목; 고민성

doi:10.5695/jkise.2019.52.3.180

바나듐 레독스 흐름전지 양극 반응 향상을 위한 코발트 산화물 전극 개질법 연구
Improvement of Cathode Reaction of Vanadium Redox Flow Battery by Reforming Graphite Felt Electrode Using Cobalt Oxide 원문보기

한국표면공학회지 = Journal of the Korean institute of surface engineering, v.52 no.3, 2019년, pp.180 - 185

박정목 (부경대학교 금속공학과) , 고민성 (부경대학교 금속공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The demands to improve the performance of the vanadium redox flow battery have attracted an intense research on modifying the carbon-based electrode. In this study, the surface of graphite felt was reformed, using cobalt oxide. The cobalt oxide was implanted into graphite felt during hydrothermal and two step heat treatments. The cobalt was deposited by hydrothermal method and the two step heat treatments made lots of holes on the graphite felt surface which is called as porous surface. The porous surface acts as an electrochemically active site for the cathodic reaction of vanadium redox flow battery. The reformed electrode shows the electrochemically improved performance compared with the pristine electrode.

주제어

표/그림 (5)

그림 Fig. 1. SEM images of (a) Pristine GF, (b) Hydrothermal GF, (c) Heat GF, (d) H₂ GF
그림 Fig. 2. SEM image of (a) H₂ GF. EDS images show surface elements of H₂ GF (b) C, (c) O, (d) Co
그림 Fig. 3. XRD patterns of each GF (a) Hydrothermal GF CoO₃, Heat GF Co₃O₄, H₂ GF α-Co. XRD reference data (b) CoO₃ (ICSD : 98-009-3854), Co₃O₄ (ICSD : 98-006-9375), α-Co (ICSD : 98-005-3805)
그림 Fig. 4. Cyclic voltammograms of each GF for V (IV)/V (V) redox couple in 0.1 M V (IV) + 3 M H₂SO₄ electrolyte (a) H₂ GF treated at various temperature, (b) H₂ GF treated at various time, (c) Pristine GF, Hydrothermal GF, Heat GF, H₂ GF, (d) Various scan rates of Pristine GF, (e) Various scan rates of H₂ GF, (f) Peak current density vs square root scan rate of Pristine GF and H₂ GF
표 Table 1. Electrochemical performance of GF for V (IV)/V (V) redox couple in 0.1 M V (IV) + 3 M H₂SO₄ electrolyte

AI 본문요약
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문제 정의

열처리 공정별 생성된 전극에 대한 전극 표면 분석과 전기화학적 측정으로, 개질된 전극이 표면적과 전기화학적 활성을 증가시키는 과정임을 증명하고, VRFB 전극 성능 개선법으로서 제시하고자 한다.

제안 방법

Pristine GF 전극 및 개질한 GF 전극을 0.1 M V (IV) + 3 M H₂SO₄ 용액에서 순환전압전류법 (Cyclic Voltammetry)으로 산화환원 반응의 전압 최대치, 전류 최대치를 5 mV/s의 주사속도로 측정했고, scan rate (0.5, 1, 2, 3, 5 mV/s)별로 측정하여 반응성 및 가역성을 확인하기 위한 반전지 특성 평가를 진행했다. 작업전극 (Working electrode)은 두께 0.
Pristine GF 전극, Heat GF 전극, H₂ GF 전극의 I_pa, I_pc를 통해 표면적 증가의 영향을 확인할 수 있다. Pristine GF 전극에 비해 H₂ GF 전극의 mass transfer 특성이 향상되었는지 확인하기 위해 Cyclic voltammetry (CV)로 scan rate별 양극 반응을 측정했다. 모든 scan rate에서 H₂ GF 전극의 I_pa, I_pc가 높음을 그림 4 (f)에서 확인할 수 있다.
각 열처리 진행 후 GF 표면 분석을 위해 주사 전자 현미경 (Scanning Electron Microscope, SEM)을 사용했다. 그림 1 (a)는 Pristine GF 전극 표면을 보여준다.
각 열처리별 전극에 존재하는 Co 결정구조를 알기 위해 X-선 회절 장치 (X-Ray Diffraction, XRD) 로 분석했다. 그림 3 (a)를 보면 Hydrothermal GF 전극은 17.
두께 0.3 cm, 크기 4 cm × 4 cm GF 전극의 저항 측정을 위해 디지털 멀티미터 (Digital multimeter, Fluke 287 True RMS multimeter)를 사용했다.
두께 0.3 cm, 크기 4 cm × 4 cm인 GF 전극과 질산코발트 1g을 녹인 증류수 150 ml를 200 ml 오토 클레이브(Autoclave)에 넣고, 합성오븐에서 150℃, 10 시간 열처리 진행한 후, 박스로에 80℃, 2 시간 30 분 건조하여 수열법 전극을 만들었다.
디지털 멀티미터로 Pristine GF 전극과 Hydrothermal GF 전극의 저항을 측정하였고, 각각 1.14 Ω, 1.34 Ω을 나타내어 저항 증가를 확인 했다.
본 연구는 수열법으로 Co 전구체를 GF 전극 표면에 도입하였고, 분위기에 따른 열처리로 전극 표면을 개질했다. 전극 표면을 SEM, EDS, XRD로 분석한 결과, 열처리 후 전극 표면에 공극 생성 정도가 달랐고, 전극 표면에 Co 존재를 확인했으며, 전극 표면에 합성된 Co 결정구조(CoO₃, Co₃O₄ and α-Co)가 다름을 확인했다.
본 연구는 전기화학적 활성을 높일 뿐만 아니라 전극 개질을 위해 금속 기반 전극 촉매를 도입했다. 선행연구에서 입증된 Co 산화물의 촉매 효과와 전극 개질 능력이 우수하여, Co 전구체를 전극 표면에 도입하였고, 추가적인 단계별 열처리를 통해 다공성 표면을 유도했다.
3 cm, 크기 4 cm × 4 cm인 GF 전극과 질산코발트 1g을 녹인 증류수 150 ml를 200 ml 오토 클레이브(Autoclave)에 넣고, 합성오븐에서 150℃, 10 시간 열처리 진행한 후, 박스로에 80℃, 2 시간 30 분 건조하여 수열법 전극을 만들었다. 수열법 전 극을 박스로에 375℃, 30 분 열처리하여 열처리법 전극을 만들었다. 열처리법 전극을 수소 분위기로 에서 유량 500 ml/min, 850℃, 2 시간 열처리하여 분위기 열처리법 전극을 만들었다.
에너지 분산형 분광기 (Energy Dispersive Spectrometry, EDS)를 이용하여 H2 GF 전극의 표면에 존재하는 원소를 분석했다.
수열법 전 극을 박스로에 375℃, 30 분 열처리하여 열처리법 전극을 만들었다. 열처리법 전극을 수소 분위기로 에서 유량 500 ml/min, 850℃, 2 시간 열처리하여 분위기 열처리법 전극을 만들었다.
전극 표면과 Co 입자 구조가 전기화학적으로 미치는 영향을 알기 위해 전기화학 평가를 진행했다. E_pa (Anodic potential peak), E_pc (Cathodic potential peak), ΔE (Peak potential separation), I_pa (Anodic current density peak), I_pc (Cathodic current density peak), I_pa/I_pc (The ratio of anodic current density peak to cathodic current density peak)는 각각 산화 전압 peak, 환원 전압 peak, 산화 전압 peak와 환원 전압 peak 차, 산화 전류밀도 peak, 환원 전류밀도 peak, 산화 전류밀도 peak/환원 전류밀도 peak를 의미한다.

대상 데이터

전극은 흑연펠트 (Graphite Felt, GF) 전극 PAN GF-20-3 (Nippon carbon)을 사용하였다. 질산코발트 (Cobalt II Nitrate hexahydrate, Co(NO₃)₂·6H₂O, Acros organics)가 금속 전구체로 사용되었다.
전기 화학 평가를 위해 황산바나듐 (Vanadium (IV) oxide sulfate hydrate, VOSO4·xH2O, Sigma-Aldrich)과 황산 (Sulfuric acid, H2SO4, Junsei)이 혼합된 용액을 사용하였다.
질산코발트 (Cobalt II Nitrate hexahydrate, Co(NO3)2·6H2O, Acros organics)가 금속 전구체로 사용되었다.

성능/효과

H2 GF 전극은 44.10o , 51.38o , 75.62o 에서 peak를 나타내어 α-Co 결정구조가 확인됐다.
H2 GF 전극은 Pristine GF 전극과 비교 시, ΔE는 감소했고 Ipa, Ipc 값은 증가했다.
전기화학 평가는 전극 표면의 공극 형성에 의한 표면적 증가와 Co 결정구조 차이에 따라 mass transfer를 비롯한 전극 성능 차이를 보여주었다. 각 전극 성능을 비교했을 때, H₂ GF 전극이 다공성 표면과 Co의 촉매효과로 다른 전극보다 우수한 전기화학적 성능을 나타냈다. 결론적으로, Co 산화물을 이용한 H₂ GF 전극 개질법은 VRFB의 낮은 에너지 밀도를 해결하기 위한 효과적인 방법이 될 것이다.
값이 가장 크다. 본 연구에서 제시한 H₂ GF 전극 표면 개질 공정으로 전기화학적 성능 향상이 가능함을 확인할 수 있다.
에너지 분산형 분광기 (Energy Dispersive Spectrometry, EDS)를 이용하여 H₂ GF 전극의 표면에 존재하는 원소를 분석했다. 분석을 통해 Co가 전극 표면 및 공극 안에 존재함을 확인했다.
전극 표면을 SEM, EDS, XRD로 분석한 결과, 열처리 후 전극 표면에 공극 생성 정도가 달랐고, 전극 표면에 Co 존재를 확인했으며, 전극 표면에 합성된 Co 결정구조(CoO3, Co3O4 and α-Co)가 다름을 확인했다.
전기화학 평가 결과에서 알 수 있듯이, H2 GF 전극은 mass transfer 성능을 향상시켰고, ΔE 값이 가장 작고, Ipa와 Ipc 값이 가장 크다.

후속연구

각 전극 성능을 비교했을 때, H₂ GF 전극이 다공성 표면과 Co의 촉매효과로 다른 전극보다 우수한 전기화학적 성능을 나타냈다. 결론적으로, Co 산화물을 이용한 H₂ GF 전극 개질법은 VRFB의 낮은 에너지 밀도를 해결하기 위한 효과적인 방법이 될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전기화학적 에너지 저장 장치인 레독스 흐름 전지 (Redox Flow Battery, RFB)의 장점은?	에너지 저장 장치에는 전기적 (슈퍼 커패시터), 전기화학적 (리튬이온배터리, 납축전지, 레독스 흐름전지), 전자기적 (초전도체), 열적 (태양열), 기계적 (플라이휠) 장치 등이 있다[1]. 이 중 전기화학적 에너지 저장 장치인 레독스 흐름 전지 (Redox Flow Battery, RFB)는 에너지 저장부와 전력 생산부의 독립적인 설계, 우수한 열관리 능력, 빠른 반응, 긴 수명을 장점으로 가지기 때문에 재생가능 에너지와 연계하기 좋은 장치로 평가된다[1,2]. 그러나 다양한 활물질 쌍으로 이루어진 RFB[3]는 양극과 음극 전해액 활물질의 교차 오염으로 인한 에너지 손실 문제가 있다.
	에너지 저장 장치에는 무엇이있는가?	에너지 저장 장치에는 전기적 (슈퍼 커패시터), 전기화학적 (리튬이온배터리, 납축전지, 레독스 흐름전지), 전자기적 (초전도체), 열적 (태양열), 기계적 (플라이휠) 장치 등이 있다[1]. 이 중 전기화학적 에너지 저장 장치인 레독스 흐름 전지 (Redox Flow Battery, RFB)는 에너지 저장부와 전력 생산부의 독립적인 설계, 우수한 열관리 능력, 빠른 반응, 긴 수명을 장점으로 가지기 때문에 재생가능 에너지와 연계하기 좋은 장치로 평가된다[1,2].
	VRFB는 바나듐 (V)이온의 산화환원 반응을 이용하여 충전과 방전을 하며, 반응식은?	양극: VO2+H2O ↔ VO2++2H++e- E0=1.00V (1) 음극: V3+e- ↔ V2+ E0=-0.25V (2) 전체: VO2++H2O+V3+ ↔ VO2++2H++V3+ E0=1.25V (3)

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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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