바나듐 레독스 흐름전지의 에너지 효율 향상을 위한 폴리도파민 기반 이종원자 기능기 부여 전극 표면 개질

Abstract

바나듐 레독스 흐름전지에서 사용하는 전극은 높은 전기전도도, 전해액 흐름을 위한 적합한 다공성 구조 그리고 강산 전해액을 사용하기 때문에 내산성에 강한 특징이 요구 받는다. 이러한 조건에 맞는 카본펠트는 2000Co도 이상의 높은 온도에서 카본화 과정을 거쳐 만들어져 표면 기능기가 부족하다. 이러한 이유로 카본펠트는 활물질에 대한 전기화학적 활성이 낮아, 카본펠트를 적용하는 전지의 에너지 효율을 증가시키는데 한계가 있다. 본 연구에서는 이런 문제점을 해결하기 위해 카본펠트 표면에 기능기를 효과적이고 손쉬운 방법으로 부여하는 실험을 진행하였다. 첫째, 초음파 기술을 이용하여 전극표면에 도파민을 첨가하여 질소 기능기화 된 카본펠트(NGF)를 단시간에 제조 하였다. 둘째, 도파민 기반 자가중합과 graft 방법을 이용하여 질소, 황 이중 기능기를 부여한 NSGF전극을 제조하였다. GF와 비교를 통해 NGF의 효과뿐 만 아니라, NSGF의 시너지 효과를 확인하였다. SEM, TEM, XPS, Contact angle을 비롯한 물리적 특성을 통해 전극 표면에 N과 S 가 균일하게 존재하는 것을 확인하였으며, GF 대비 전기 촉매 활성과 분극화 감소 효과를 보인 질소 기능기화 된 전극과 질소, 황 이중기능기화 된 전극의 효과의 우수함을 CV, EIS 결과를 통해 확인하였다. 표면처리의 효과는 VRFB의 셀 성능에서도 향상됨을 확인할 수 있었다. 전류밀도 200 mA cm-2 에서 NGF 전극을 적용한 VRFB의 전해액 이용 효율은 66%로 GF의 52% 대비 향상됨을 보였으며, 특히 NSGF 전극을 사용하였을 때는 전해액 이용효율은 69%까지 향상됨을 확인하였다. NGF 전극을 적용한 VRFB의 에너지효율은 69%로 GF의 62% 대비 향상되는 것을 확인 할 수 있었고, 특히 NSGF 전극으로 대체하였을 때 72%까지 향상된 모습을 보였다. 본 연구에서 확인한 결과를 통해 질소, 황 이중 기능기 표면처리가 VRFB의 에너지 효율을 향상시키기에 효과적인 방법임을 의미하며, 질소를 단독으로 사용했을 때 보다 질소, 황을 동시에 사용했을 때, 시너지 효과에 의해 보다 우수한 VRFB 성능을 확보 할 수 있음을 말해준다.