아미노프로필 관능기를 갖는 실리카 나노 입자가 분산된 나피온 복합막을 이용한 바나듐 레독스 흐름 전지 (Aminopropyl Functionalized Silica Nanoparticle Dispersed Nafion Composite Membranes for Vanadium Redox Flow Batteries)

서지정보

· 발행기관 : 한국막학회
· 수록지 정보 : 멤브레인 / 30권 / 5호 / 307 ~ 318페이지
· 저자명 : 이두희, 유덕만, 윤상준, 김상원, 소순용, 홍영택

초록

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, 방전용량의 감소를 야기하고, 장기적인 성능 감소를 일으키는 원인이 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 SiO2에3-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 섞은Nafion 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/cm2 의 전류밀도에서 충방전 사이클을 200회 반복 진행하여도 방전용량을 최대 80%까지 유지할 수 있었다.

영어초록

Conventional perfluorinated sulfonic acid membrane, Nafion is widely used for vanadium redox flow battery (VRFB). It is desired to prevent vanadium ion permeation through a membrane to retain the capacity, and to keep the cell efficiency of a VRFB. Highly proton conductive and chemically stable Nafion membranes, however, suffer from high vanadium permeation, which induce the reduction in charge and discharge capacity by side reactions of vanadium ions. In this study, to resolve the issue, silica nanoparticles, which are functionalized with 3-aminopropyl group (fS) are introduced to enhance the long-term performance of a VRFB by lowering vanadium permeation. It is expected that amine groups on silica nanoparticles are converted to positive ammonium ion, which could deteriorate positively charged vanadium ions’ crossover by Gibbs-Donnan effect. There is reduction in proton conductivity may due to acid-base complexation between fS and Nafion side chains, but ion selectivity of proton to vanadium ion is enhanced by introducing fS to Nafion membranes.
With the composite membranes of Nafion and fS, VRFBs maintain their discharge capacity up to 80% at a high current density of 150 mA/cm2 during 200 cycles.

참고자료

· 없음