Study on the electrolyte additives and SOC monitoring method of all-vanadium redox flow battery

Abstract

도서 산간 지역이나 전력 시스템과 멀리 떨어진 지역에서는 전력사용량의 수요를 해결하기 위해 신재생에너지를 이용하고 있다. 하지만 신재생에너지는 간헐적인 에너지 공급으로 출력변동이 심하다. 이를 해결하기 위한 방안으로 대용량 에너지저장 시스템에 대한 필요성이 커지고 있다. 에너지저장 시스템 중에 바나듐 흐름전지 (VRFB, vanadium RFB)는 수계활물질을 사용하여 안정성이 높고, 출력 및 용량을 편의에 따라 디자인할 수 있어 대용량 에너지저장 시스템에 적합하다. 하지만, 바나듐 흐름전지는 에너지 밀도가 낮고, 온도에 따른 활물질 석출 문제를 가지고 있다. 바나듐 흐름전지가 2 M의 농도 일 때 바나듐 Ⅴ (Ⅱ), Ⅴ (Ⅲ), V (Ⅳ) 이온들은 온도가 10 ℃ 이하에서 석출되며, 바나듐 V (V) 이온은 40 ℃ 이상에서 오산화 바나듐 (V2O5)으로 석출된다. 특히, 오산화 바나듐 석출 문제는 용량 손실 및 전해액 유동의 흐름을 방해하여 VRFB 성능에 악 영향을 미친다. 이러한 석출 문제를 해결하기 위하여, 낮은 SOC (state of charge)를 운행하거나 바나듐 농도를 낮추는 방법 및 온도 조절장치를 설치, 첨가제를 이용하는 방법이 있다. 이 방법 중 SOC나 바나듐 농도를 낮추는 방법은 에너지 밀도가 낮아지며 온도조절장치를 설치하는 경우에는 시스템 효율이 나빠지는 단점이 있다. 그래서 본 연구에서는 오산화 바나듐 (V2O5) 석출 지연에 효과가 있는 첨가제에 대한 연구를 수행하였다. 본 연구에서는 3-Aminopropylphosphonic acid (3APPA) 와 Sodium 3-phosphonopropionate (3PPA-Na)가 오산화 바나듐 (V2O5) 석출 지연에 효과가 있음을 확인 하였고, 석출 지연 효과로 인해 방전 용량 유지율이 향상된 것을 확인하였다. 또한, 바나듐 흐름전지의 안정적인 운행을 위해서는 SOC (state of charge)를 측정하는 것이 필요하다. 본 연구에서는 UV-visible를 이용하여 SOC를 실시간으로 모니터링 하였으며, 기존의 UV-visible과는 다르게 UV-visible의 reference 용액을 측정 용액으로 하여 필요에 의해 reference를 재 측정할 경우, reference의 재 측정이 용이하다.