LBL 구조를 통한 Nafion 분리막 바나튬 흐름전지의 효율 개선 연구

초록

Vanadium redox flow battery (이하 VRFB)는 높은 효율을 보이며 매우 긴 충방전 사이클을 가지고 있으며, 확장성이 우수하다는 장점이 있다. 하지만 분리막으로 사용되는 Nafion은 바나듐 이온의 크로스 오버(cross over) 현상을 완전히 막지 못하기 때문에 VRFB의 자가 방전(self- discharging)을 방지하지 못해 사이클이 진행될수록 점점 효율이 떨어지는 단점을 가지고 있다. 최근 연구에서는 이 단점을 보완하기 위해 Nafion 분리막의 표면에 금속/금속 산화물 등의 물질을 도핑(doping)하거나 Nafion 용액을 다른 고분자 물질과 함께 재구성하여 복합체 구조로 만들거나 Nafion 표면의 morphology를 변형시키는 등 다양한 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 바나듐 이온의 투과도(permeability)를 줄이기 위해 고분자 응고제와 연료전지에 많이 사용되는 셀룰로오스를 이용하여 Layer by Layer (LBL) 구조로 형성하여 Nafion의 표면을 개질하였다. LBL Nafion 분리막 표면의 구조적인 변화는 SEM 및 TEM을 통해 측정하였으며, UV-Visible spectroscopy를 통해 전해질의 바나듐 이온을 측정하여 바나듐 이온의 투과도를 측정하였다. 또한 자가방전율을 측정하기 위해 충방전기를 이용하여OCV 측정을 하였고, cycle performance를 측정하였으며 각각 columbic efficiency (CE), voltage effieciency (VE), energy efficiency (EE)를 측정하였다. 이를 통해 LBL Nafion 분리막의 cycle performance가 더 우수한 결과를 보였으며, 바나듐 이온의 투과도가 매우 많이 낮아진 것을 확인할 수 있었다.