• 멤브레인
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• 제30권5호
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• pp.307-318
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• 2020

기존의 바나듐 레독스 흐름전지(vanadium redox flow battery, VRFB)에서 사용하고 있는 과불소계이오노머인 나피온(Nafion)은 전해질에 존재하는 바나듐 이온의 투과도가 높아, 바나듐 이온이 분리막을 투과하여 반대쪽 전해질로 교차 이동하는 문제를 갖고 있다. VRFB에서 바나듐 이온의 투과는 서로 다른 산화수를 갖는 바나듐 이온이 부반응을 일으켜 충전, 방전 용량의 감소를 야기하고, 장기적인 성능 감소를 일으키는 원인이 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 SiO₂에 3-aminopropyl group이 도입된 나노입자(fS)를 Nafion에 분산시켜 바나듐 이온의 투과를 감소시키고, VRFB의 장기적인 성능의 향상을 도모하고자 하였다. SiO₂에 붙어 있는 아민기(-NH₂)가 Nafion의 술폰산 음이온(SO₃^-)과 이온결합을 형성함과 동시에, 암모늄 양이온(-NH₃⁺)의 양전하가 바나듐 이온에 대해 Gibbs-Donnan 효과를 나타내어 낼 것이라고 기대하였다. fS를 섞은 Nafion 용액의 pH와 Nafion-fS 막의 IEC 측정을 통해 암모늄 양이온과 술폰산 음이온의 이온결합이 존재하는 것을 확인하였고, fS의 양이 많아질수록 바나듐 이온의 투과도가 감소하는 것을 확인하였다. VRFB 단위 전지에 제조한 복합막을 도입하였을 때, 150 mA/㎠의 전류밀도에서 충방전 사이클을 200회 반복 진행하여도 방전용량을 최대 80%까지 유지할 수 있었다.

• 한국수소및신에너지학회논문집
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• 제26권2호
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• pp.170-178
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• 2015

In this study, we carry out a study on how to improve performance of vanadium redox flow battery (VRFB) through promoting reaction rate of rate determining vanadium reaction ($[VO]^{2+}/[VO_2]^+$). In order to do that, three different carbons like Vulcan (XC-72), CMK3 and MSU-F-C are adopted as the catalysts, while their catalytic activity and reaction reversibility are evaluated using half-cell tests. Their topological images are also measured by TEM. For estimation of the VRFB performance, multiple charge-discharge curves of VRFBs including the catalysts are measured by single cell tests. As a result of that, MSU-F-C shows relatively excellent catalytic activity and reaction reversibility as well as large surface area compared to those of Vulcan (XC-72) and CMK3. Also, in terms of the performance of VRFBs including the catalysts, VRFB including MSU-F-C indicates (i) low charging/discharging overpotentials and low internal resistance, (ii) high charge/discharge capacities and (iii) high energy efficiency. These VRFB performance data are well agreed with results on catalytic activity and reaction reversibility. The reason that MSU-F-C induces superior VRFB performances is attributed to (i) its large surface area and (ii) its hydrophilic surface functional groups that mainly consist of hydroxyl bonds that are supposed to play active surface site role for facilitaing $[VO]^{2+}/[VO_2]^+$ redox reaction. Based on the above results, it is found that adoption of MSU-F-C as catalyst for VRFB results in improvement in VRFB performance by promoting the languid $[VO]^{2+}/[VO_2]^+$ redox reaction.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제57권2호
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• pp.239-243
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• 2019

본 연구에서는 Anthraquinone-2,7-disulfonic acid (2,7-AQDS)와 Tiron을 수계 레독스 흐름 전지 음극 및 양극 활물질로 사용하며 기존의 황산 전해질 대신 중성인 염화암모늄 ($NH_4Cl$)을 전해질로 도입하였다. 이렇게 전해질을 변경함으로써, 황산 전해질의 낮은 셀 전압(0.76 V)을 1.01 V까지 향상시킬수 있다. 성능 최적화를 위해 염화암모늄 전해질에 0.1 M로 활물질 농도를 맞춰 컷-오프 전압에 변화를 주며 완전지셀 성능을 평가하였다. 0.2~1.6 V 구간의 컷-오프 전압으로 $40mA/cm^2$ 하에서 20 사이클 동안 완전지셀을 테스트한 결과, 충전 동안 수소가 발생하였다. 이에 컷-오프 전압 조절로 충전 전압을 낮춰서 수소 발생을 제한하고자 0.2~1.2 V 구간으로 $40mA/cm^2$ 하에서 완전지셀 테스트를 진행하였다. 수소 발생은 없었으며, 전류 효율 99%, 방전 용량 3.3 Ah/L의 성능을 보였다.

• 공업화학
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• 제31권6호
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• pp.639-645
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• 2020

레독스흐름전지(redox flow battery, RFB)의 구성 부품 중 전극은 전해액의 확산층 역할을 함과 동시에 전자의 통로 역할을 담당하여 출력에 직접적인 영향을 미치는 주요 부품이다. 본 연구는 Fe2+/Fe3+와 V2+/V3+를 레독스 커플로 사용한 RFB 시스템에 chloric/sulfuric mixed acid 지지 전해액을 사용한 경우 전극 종류 및 활성화 정도에 따른 용량, 쿨롱 효율, 에너지 효율을 비교하여 최적의 전극 및 활성화 정도를 제시하였다. 실험에 사용된 5종의 탄소 전극을 사용한 단일셀 평가에서 모두 이론 용량에 근사한 값을 보여 신뢰성을 확보하였으며, 사용된 전극 중 GFD4EA는 상대적으로 우수한 에너지 효율 및 충방전 용량을 나타내었다. 활성화 온도에 따른 전기화학적 성능 고찰을 위하여 GFD4EA 전극을 공기 분위기 하에서 400, 450, 500, 600 및 700 ℃에서 열처리하여 활성화하였다. 질량 변화, 주사전자현미경(SEM) 및 XPS 분석을 통하여 활성화 전 후의 물성 변화를 관찰하였으며, 각각의 온도에서 활성화된 전극을 적용한 RFB 단일셀 평가를 실시하여 전기화학적 성능을 비교하였다.

• 전기화학회지
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• 제17권2호
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• pp.94-102
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• 2014

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.

• 공업화학
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• 제25권3호
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• pp.292-299
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• 2014

본 연구에서는 바나듐 레독스 흐름전지의 효율을 향상시키고자 탄소펠트에 열산화 반응과 암모니아수 처리를 이용하여 질소가 도핑된 탄소펠트 전극을 제조하였다. 또한 제조된 탄소펠트 전극의 전기화학적 특성평가를 위하여 CV 실험 및 충/방전 실험을 실시하였다. 암모니아수 처리온도가 증가함에 따라 탄소펠트 표면의 질소 관능기가 증가함을 XPS를 통하여 확인하였으며, CV 측정 결과 암모니아수 처리된 탄소펠트는 열산화된 탄소펠트에 비하여 산화/환원의 반응성이 우수함을 확인하였다. 충/방전 실험결과 $300^{\circ}C$에서 암모니아수 처리한 탄소펠트 전극은 열산화된 탄소펠트 전극보다 에너지효율, 전압효율, 전류효율이 각각 약 6.93, 1.0, 4.5%씩 향상됨을 알 수 있었다. 이는 질소 관능기가 탄소펠트 전극과 전해질 사이의 전기화학적 성능 향상에 도움을 주었기 때문으로 사료된다.

• 멤브레인
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• 제31권5호
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• pp.351-362
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• 2021

전 바나듐 레독스 흐름 전지(VRFB)는 유망한 대용량 에너지 저장 기술 중 하나이다. 이온교환막은 VRFB의 충·방전 성능 및 내구성을 좌우하는 핵심 구성 요소이다. 본 연구에서는 기존 탄화수소계 이온교환막의 단점을 보완하기 위해 우수한 물리적 및 화학적 안정성을 갖는 다공성 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 지지체의 세공에 불소부가 포함된 탄화수소계 이오노머를 충진하는 방식으로 세공충진 음이온교환막(PFAEMs)을 제조하였다. 얇은 다공성 PTFE 지지체의 사용으로 전기적 저항을 현저히 낮출 수 있었으며 PTFE 지지체의 사용과 더불어 충진 이오노머에 불소부를 도입함으로써 막의 산화 안정성을 크게 향상시킬 수 있었다. 충·방전 성능 평가 결과, PFAEM에 불소부의 함량이 증가할수록 높은 전류 효율을 나타내었으며 낮은 전기적 저항으로 상용막 대비 우수한 전압 효율 및 에너지 효율을 보였다. 또한, 산화 안정성 및 충·방전성능의 관점에서 소수성 PTFE 지지체의 사용이 더 바람직함을 확인하였다.

• 멤브레인
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• 제26권6호
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• pp.432-448
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• 2016

최근 이온 교환 고분자 전해질 막을 활용한 고효율 에너지 전환 및 저장 장치에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 고분자 전해질 연료전지, 레독스 흐름전지 및 역전기투석 등 다양한 에너지 시스템에서 에너지 효율 향상을 위해 이온교환 전해질 막의 양/음이온의 선택적 수송 거동이 중요시되고 있다. 본 총설은 각각의 고효율 전해질 전지 시스템에 따라 요구되는 다양한 이온 교환막의 선택적 양/음이온 투과 거동의 한계점을 고찰하고, 한계를 극복하기 위한 다양한 구조의 고분자 이온 교환 복합막의 장점 및 단점을 정리하였다. 고분자 가교법 및 다공성 지지체 복합막 이외에 다양한 구조의 신규다공성 무기 나노입자를 유-무기 이온교환 복합막에 도입하는 시도가 이루어지고 있는 동시에, 이온 선택도 향상을 위한 다양한 형태의 표면 개질 방법이 개발되고 있으며, 이를 통해 이온 교환 복합막의 선택적 양/음이온 거동의 한계를 극복하는 전략을 제시하고 있다.

• 한국수소및신에너지학회논문집
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• 제26권4호
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• pp.324-330
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• 2015

The electrolyte flow rates of vanadium redox flow battery play very important role in terms of ion transfer to electrolyte, kinetics and pump efficiency in system. In this paper a vanadium redox flow battery single cell was tested to suggest the optimization criteria of electrolyte flow rates on the efficiencies. The compared electrolyte circulation flow rates in this experimental work were 15, 30 and 45 mL/min. The charge/discharge characteristics of the flow rate of 30 mL/min was the best out of all flow rates in terms of charging and discharging time. The current efficiencies, voltage efficiencies and energy efficiencies at the flow rate of 30 mL/min were the best. The IR losses obtained at thd current density of $40mA/cm^2$, at the flow rates of 15, 30 and 45 mL/min were 0.085 V, 0.042 V and 0.115 V, respectively. The charge efficiencies at the current density of $40mA/cm^2$ were 96.42%, 96.45% and 96.29% for the electrolyte flow rates of 15, 30 and 45 mL/min, respectively. The voltge efficiencies at the current density of $40mA/cm^2$ were 77.34%, 80.62% and 76.10% for the electrolyte flow rates of 15, 30 and 45 mL/min, respectively. Finally, the energy efficiencies at the current density of $40mA/cm^2$ were 74.57%, 77.76% and 73.27% for the electrolyte flow rates of 15, 30 and 45 mL/min, respectively. The optimum flow rates of electrolytes were 20 mL/min in most of operating variables of vanadium redox flow battery.

• 공업화학
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• 제34권2호
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• pp.175-179
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• 2023

본 연구에서는 음극 활물질로 폴리옥소메탈에이트(polyoxometalate, POM)인 포스포몰리브 산(phosphomolybdic acid)와 양극 활물질로 페로시아나이드(ferrocyanide)를 지지 전해질인 수산화나트륨 수용액을 이용하여 산화환원 흐름 전지(redox flow battery, RFB)를 구성하였다. 다양한 농도의 수산화나트륨 수용액(1.0 M, 1.2 M, 1.4 M, 1.5 M, 1.6 M)을 이용하여 배터리의 성능테스트를 진행하였으며, 각 물질에 대한 전기화학적 특성과 안정성에 대해 연구하였다. 지지 전해질의 농도는 음극 활물질인 포스포몰리브 산에 영향을 주며 최적 값이 존재하고 농도가 증가할수록 전해질 저항이 줄어들게 되며 1.5 M에서 가장 줄어드는 현상을 확인하였고 1.6 M로 농도가 증가할 시 전해질 저항이 다시 증가한다는 것을 확인하였다. 전해질 저항의 감소는 전체 에너지 효율에도 영향을 주어 농도가 증가됨에 따라 효율은 증가하며 1.5 M에서 가장 좋은 배터리 성능을 보인다는 것을 확인하였다.