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2021년 12월 8일 (수) 05:42 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 탄소나노소재를 이용한 VRFB 전극의 전기화학적 촉매 성능 향상

영문 : Improving the electrochemical catalyst performance of VRFB electrodes using carbon nanomaterials

과제 팀명

Energy Solution

지도교수

이두환 교수님

개발기간

2021년 9월 ~ 2021년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 화학공학과 20163400** 백**(팀장)

서울시립대학교 화학공학과 20163400** 백**

서울시립대학교 화학공학과 20163400** 오**

서울시립대학교 화학공학과 20163400** 이**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ VRFB(Vanadium Redox Flow Battery)는 전해액에 존재하는 금속이온의 redox반응을 이용하여 전해액에 전기를 저장하는 기술이다. 전해액이 전극과 분리되어 있는 구조를 가져 안정성을 확보할 수 있으며 용량을 크게 만들 수 있는 장점이 있다.

◇ 전해액에 vanadium이 사용되는 VRFB는 상업적으로 사용이 가능하고 널리 개발 중이다. 다른 전지에 비해 cell의 전압이 높고, 산화수가 다양하고 안정성이 높기 때문이다. 그리고 양극과 음극을 이루는 물질의 성분이 같기 때문에 다른 RFB에 비해 cross-contamination의 우려가 없다.

◇ VRFB에 사용되는 전극의 전기화학적 성능을 향상시키기 위해 다양한 탄소나노소재(rGO, CNT, Exfoliated Graphene)가 사용되고 있다. 하지만 일반적으로 사용되는 CV, EIS 측정 방식으로는 kinetic적인 성능 향상을 정량적으로 알기 어렵다.

◇ 이번 과제에서는 RDE(Rotating Disk Electrode)를 이용하여 순수 kinetic적인 전극의 성능을 측정하고 이를 분석함으로써 각 탄소나노소재들의 성능을 비교할 것이다.

개발 과제의 배경

◇ VRFB전극의 성능 향상을 위해 다양한 방법들이 연구되고 있고 그 성능을 평가하기 위해 여러 전기화학적 측정 방법이 사용되고 있다. 대표적으로 CV, EIS, LSV 등이 있다. 하지만 일반적으로 이러한 방법을 사용하여 측정할 경우 diffusion에 의한 영향으로 반응의 순수한 kinetic적인 분석을 하기 어렵다.

◇ RDE는 working electrode를 특정 속도로 회전시켜 diffusion의 영향을 없애고 순수하게 kinetic적인 분석을 할 수 있는 측정 장비이다. 이를 이용하여 CV, EIS, LSV를 측정할 경우 각 sample의 kinetic적인 영향만을 볼 수 있다.

◇ VRFB관련 분야에서 RDE를 사용해 순수하게 kinetic적인 영향을 분석하는 연구가 매우 적다. 하지만 VRFB에 사용되는 전극의 성능을 평가함에 있어 kinetic적인 분석은 다른 외부 요인을 제거하고 성능 향상을 위해 사용되는 소재의 효과를 판단하는데 중요한 역할을 한다.

◇ 이번 과제를 통해 여러 탄소나노소재의 reaction rate constant를 구하고 이를 통해 향후 진행될 연구들의 기초적인 데이터를 제공하는 연구를 진행한다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ RDE를 통해 VRFB 전극에 사용되는 탄소나노소재의 CV, EIS, LSV 결과를 분석한다.

◇ CV, LSV 결과 값을 활용하여 각 탄소나노소재를 사용했을 때의 반응속도상수를 구하고 이를 비교하여 각 소재의 전기화학적 특성을 비교한다.

◇ EIS 결과 값을 이용하여 각 소재들이 가지는 charge tranfer 저항을 도출하고 이를 비교하여 각 소재의 전기화학적 특성을 비교한다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

◇ Graphene oxide nanosheets/multi-walled carbon nanotubes hybrid as an excellent electrocatalytic material towards / redox couples for vanadium redox flow batteries.[1]

본 연구는 탄소 펠트에 graphene oxide nanosheet(GO)와 multi-walled carbon nanotube(MWCNT)를 동시에 탄소 펠트 표면에 올려 합성하는 것이다. GO와 MWCNT는 서로 얽히면서 탄소 펠트 표면에 합성되어 효율적인 전기화학적 활성점 네트워크를 형성한다. 이를 통해 탄소 펠트 전극은 효율적이면서 빠르게 이온을 전달할 수 있는 성질을 가지게 된다. GO, 혹은 MWCNT를 단독으로 사용한 탄소 펠트 전극보다 더욱 높은 성능을 기대할 수 있다.

◇ Enhanced vanadium redox flow battery performance using graphene nanoplatelets to decorate carbon electrodes[2]

본 연구는 RDE 측정 방법을 이용하여 graphene nanopaltes의 kinetic적인 성능을 평가했다. 이때 평가방법으로는 LSV를 이용한 반응 속도 상수 계산, CV와 EIS를 통한 전기화학적 성능의 정량적인 계산이 포함된다. RDE를 이용하여 kinetic적인 성능을 분석한 것에 의미가 있지만, graphene nanopaltes 자체만 평가 하였으며, 일반적으로 자주 사용되는 CNT, rGO는 평가에서 제외되어 있다. 본 연구에서는 이 연구를 발판삼아 다양한 탄소 나노 소재의 kinetic적인 성능을 평가할 것이다.

Fig.2 RDE를 이용한 CV 분석 그래프

Fig.3 RDE를 이용한 EIS 분석 그래프

• 특허조사 및 특허 전략 분석

◇ 바나듐 레독스 흐름전지에 주로 사용되는 전극의 재료는 탄소펠트이다. 본 발명에서 제시된 탄소펠트는 표면에 배치된 이온흡착층을 포함하며, 상기 이온흡착층은 전도성 탄소 및 결합 고분자 수지를 포함하고, 상기 탄소펠트의 탄소 섬유 표면에는 하나 이상의 기능기가 결합되어 있다. 일구현예에 따른 탄소펠트 전극은 탄소섬유 표면에서의 반응 이온종의 흡착과 확산이 증가된다. 따라서 이러한 탄소펠트 전극을 이용하면 산화환원 반응의 가역성과 전류밀도가 향상된다. 따라서 본 발명의 탄소펠트 전극을 이용하면 충방전용량 및 전압효율이 개선된 바나듐 레독스 흐름전지를 제조할 수 있다.

Fig.4 RDE를 이용한 CV 분석 그래프

◇본 발명은 순차적 처리방법을 이용한 탄소펠트 전극의 표면 개질 방법 및 이를 이용한 바나듐 레독스 흐름전지에 관한 것이다. 본 발명에 따른 탄소펠트 전극의 표면 개질 방법은, 전극의 내부 구조를 변형시키지 않으면서도 비교적 간단한 공정만으로 탄소펠트 전극의 표면에 다량의 산소 작용기와 질소 작용기를 도입시킬 수 있다. 또한, 상술한 바와 같이 다량의 산소 작용기와 질소 작용기가 도입된 탄소펠트 전극은 바나듐 레독스 흐름전지에 적용시켰을 때, 산화/환원 반응의 활성을 증가시켜 전지의 방전용량 및 에너지 효율을 향상시키는데 현저한 효과를 나타낸다.

FIg.5 본 발명의 처리방법을 적용한 탄소 펠트의 SEM 사진

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 탄소 펠트 자체는 소수성을 지니고 있어 후처리를 통해 바나듐 레독스 흐름 전지에 사용되어야 한다. 후처리로는 탄소 나노 소재 사용, 이종 원소 도핑 등 다양한 방법이 사용되고 있다. 그중에서도 탄소 나노 소재를 이용하는 발명이 꾸준히 증가하고 있는 추세다. 본 발명을 통해 급증하고 있는 개발 환경에 탄소 나노 소재의 정량적인 kinetic적인 성능을 제시하고 보다 직관적으로 효율적인 발명을 진행할 수 있을 것이다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

◇ 본 연구를 통해 성능이 증가한 VRFB가 상용화된다면 친환경에너지의 불안정한 전력 공급이라는 단점을 보완할 수 있다. 이를 통해 친환경에너지의 활용성이 증가하고 환경 보호에 도움이 될 것이다.

◇ VRFB의 성능이 향상되어 상용화된다면 주거지와 상업시설, 공장 등 다양한 산업 분야에 사용될 수 있다. 발전 잉여전력을 저장하여, 전력망의 전력을 소비하는 대신 VRFB에 저장된 전력을 사용하여 소비 전력의 단가를 낮출 수 있다. 그리고 균일하게 전력을 공급할 수 있기 때문에 피크 부하 절감, 부하 분산 등의 기능을 효율적으로 수행할 수 있다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

◇ 백지훈: rGO에 대한 RDE 측정 결과 데이터 분석

◇ 백승엽: CNT에 대한 RDE 측정 결과 데이터 분석

◇ 오재환: Exfoliated Graphene에 대한 RDE 측정 결과 데이터 분석

◇ 이영민: RDE 측정에 사용할 잉크의 dispersion solvent 선정, 실험 데이터 정리

◇ 공통과제: 실험 진행 및 RDE 측정

설계

설계사양

제품의 요구사항

VRFB에 사용되는 탄소 펠트 전극의 성능을 높이기 위한 최적의 탄소 나노 소재를 찾는다.

◇charge transfer resistance: 내용

◇reaction rate constant: 내용

◇stability: 내용

◇ease of after-treatment: 내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

𝐼_𝑚=0.62𝑛𝐹𝐴𝐷^2/3 ν^−1/6 𝐶𝜔^1/2

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

관련사업비 내역서

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

출처

[1] Pengxian Han et al, 「Graphene oxide nanosheets/multi-walled carbon nanotubes hybrid as an excellent electrocatalytic material towards V⁴⁺/V⁵⁺ redox couples for vanadium redox flow batteries」, Energy & enviromental science, 2011

[2] Abhinandh Sankar et al, 「Enhanced vanadium redox flow battery performance using graphene nanoplatelets to decorate carbon electrodes」, Journal of Power Sources, 2018