• Current Applied Physics
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• 제18권12호
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• pp.1507-1512
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• 2018

The development of an organic-based aqueous redox flow battery (RFB) using quinone as an electroactive material has attracted great attention recently. This is because this battery is inexpensive, produces high energy density, and is environment friendly in stationary electrical energy storage applications. Herein, we investigate the redox potentials and solubilities of indole-5,6-quinone and indole-4,7-quinone derivatives in terms of the substituent effects of functional groups using theoretical calculations. Our results indicate that full-site substituted derivatives of indolequinone are more useful as active materials compared to single-site substituted derivatives. In particular, our calculations reveal that the substitution of $-PO_3H_2$ and $-SO_3H$ functional groups with multiple polar bonds is very effective in increasing the activity of the aqueous RFB. As a strategy to overcome the limitation that the aqueous solubility is intrinsically low because they are organic molecules, we suggest the substitution of functional groups with multiple polar bonds to the backbones of active organic materials. Among 180 indolequinone derivatives, 17 candidates that meet the redox potential standards ($${\leq_-}0.2V$$ or $${\geq_-}0.9V$$) and eight candidates with solubility exceeding 2 mol/L are identified. Three indolequinone derivatives that satisfy both conditions are finally presented as promising electroactive candidates for an aqueous RFB.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제57권6호
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• pp.847-852
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• 2019

본 연구에서는 퀴노잘린(quinoxaline)과 페로시아나이드(ferrocyanide)를 활물질로 활용한 알칼리 전해질 기반 수계 유기 레독스 흐름전지에 대해 다양한 첨가제를 적용하여 성능을 비교하는 실험을 진행하였다. 퀴노잘린(quinoxaline)의 경우 염화칼륨(KCl) 전해질보다는 수산화칼륨(KOH) 전해질에서의 레독스 전위(-0.97 V)가 더 작은 위치에 있으며, 이에 따라 KOH 전해질에 대해 페로시아나이드와 조합을 이루었을 때, 셀 전압 값은 1.3 V로 높게 나타났다. 상용 양이온 교환막 중 하나인 Nafion 117 멤브레인을 사용하였을 때, 퀴노잘린(quinoxaline)의 부반응 현상을 반전지 상에서 관찰할 수 있었으며, 이에 따라 충방전 자체가 잘 되지 않는 문제점이 있다. 따라서, 문제점이 되는 퀴노잘린(quinoxaline)의 부반응을 해결하기 위해 친전자체와 친핵체 중 하나인 포타슘설페이트($K_2SO_4$)와 포타슘아이오다이드(KI)를 사용하였으며, 포타슘아이오다이드(KI)를 사용하였을 때, 용량 손실율 측면에서 포타슘 아이오다이드(KI)를 첨가제로 넣지 않았을 때($0.29Ah{\cdot}L^{-1}per\;cycle$) 보다 더 낮은 용량 손실율($0.21Ah{\cdot}L^{-1}per\;cycle$)로 더 높은 용량 유지율을 보였다.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제56권6호
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• pp.890-894
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• 2018

본 연구에서는 염료 물질 중 하나인 메틸렌 블루(methylene blue)를 수계 레독스 흐름 전지의 활물질로 처음으로 도입하였다. Methylene blue의 레독스 전위는 pH가 높아짐에 따라 음의 방향으로 이동하는 것을 확인할 수 있었다. 이 methylene blue를 음극 활물질로 활용하고, 양극 활물질로는 바나듐(vanadium) 을 활용하여 산 전해질을 기반으로 셀성능 평가를 진행하였다. Methylene $blue/V^{4+}$ 레독스 조합의 산 전해질에 대한 셀 전압은 0.45 V로 낮으며, Methylene blue의 물에 대한 용해도 또한 0.12 M로 굉장히 낮다. 이에 따라 0.0015 M의 낮은 농도로 단전지 셀 성능을 평가하였으며, Nafion 212 멤브레인을 사용하여 0~0.8 V 컷-오프 전압으로 $1mA/cm^2$ 전류밀도 하에서 4 cycle에서 충방전 효율 96.67%, 전압효율 88.83%, 에너지효율 85.87%, 방전 용량($0.0500Ah{\cdot}L^{-1}$)의 성능을 보였으며, 낮은 방전용량은 활물질의 낮은 농도에 의한 것이므로 활물질인 메틸렌 블루의 농도를 0.1 M로, 전류밀도는 $10mA/cm^2$로 더 높였을 때 4 cycle에서 CE 99%, VE 85%, EE 85%의 효율로 더 높은 방전 용량($3.8122Ah{\cdot}L^{-1}$)을 도출함을 확인할 수 있었다.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제57권2호
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• pp.239-243
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• 2019

본 연구에서는 Anthraquinone-2,7-disulfonic acid (2,7-AQDS)와 Tiron을 수계 레독스 흐름 전지 음극 및 양극 활물질로 사용하며 기존의 황산 전해질 대신 중성인 염화암모늄 ($NH_4Cl$)을 전해질로 도입하였다. 이렇게 전해질을 변경함으로써, 황산 전해질의 낮은 셀 전압(0.76 V)을 1.01 V까지 향상시킬수 있다. 성능 최적화를 위해 염화암모늄 전해질에 0.1 M로 활물질 농도를 맞춰 컷-오프 전압에 변화를 주며 완전지셀 성능을 평가하였다. 0.2~1.6 V 구간의 컷-오프 전압으로 $40mA/cm^2$ 하에서 20 사이클 동안 완전지셀을 테스트한 결과, 충전 동안 수소가 발생하였다. 이에 컷-오프 전압 조절로 충전 전압을 낮춰서 수소 발생을 제한하고자 0.2~1.2 V 구간으로 $40mA/cm^2$ 하에서 완전지셀 테스트를 진행하였다. 수소 발생은 없었으며, 전류 효율 99%, 방전 용량 3.3 Ah/L의 성능을 보였다.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제57권5호
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• pp.695-700
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• 2019

본 연구에서는 유기물인 안트라퀴논(AQDS)와 템포(TEMPO)를 활물질로 사용하고 N 중성 전해질 기반 수계 유기레독스 흐름전지 성능이 멤브레인에 따라 어떻게 영향을 받는지 분석하였다. 안트라퀴논과 템포 모두 중성 전해질인 염화칼륨(KCl) 전해질에 대해 높은 전자전달성(0.068 V의 산화 반응 및 환원 반응의 피크 전위차) 및 셀전압(1.17 V)을 얻을 수 있었다. 성능비교를 위해 사용한 멤브레인으로, 상용 양이온 교환막 중 하나인 Nafion 212를 사용하였을 때, 0.1 M 활물질을 1 M 염화칼륨 전해질에 용해해서 작동한 레독스 흐름전지 완전지 테스트를 통해, 전류효율 97%, 전압 효율 59%의 성능을 나타내었지만, 방전 용량(discharge capacity)은 4 사이클에서 $0.93Ah{\cdot}L^{-1}$로 이론 용량($2.68Ah{\cdot}L^{-1}$)의 35%를 도달하였으며, 총 10사이클 동안 방전 용량의 용량 손실율(capacity loss rate)은 $0.018Ah{\cdot}L^{-1}/cycle$ 이다. 그 외에도 Nafion 117 멤브레인, SELEMION CSO 멤브레인을 사용하여 단전지 성능을 테스트하였을 때, 오히려 저항 증가 및 투과 유도로 인해 더 큰 용량 손실을 이끌었다.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제57권6호
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• pp.868-873
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• 2019

본 연구에서는 유기물인 메틸 바이올로겐(methyl viologen, MV)과 템폴(4-hydroxy-TEMPO, TEMPOL)을 활물질로 사용하고 NaCl의 중성 전해질 기반 수계 유기 레독스 흐름전지 성능이 멤브레인에 따라 어떻게 영향을 받는지 분석하였다. 메틸 바이올로겐(MV)과 템폴(TEMPOL)은 중성 전해질인 염화나트륨(NaCl) 전해질에 대해 높은 셀전압(1.37 V)을 얻을 수 있다. 성능 비교를 위해 사용한 멤브레인은 두 가지이다. 첫째로, 상용 양이온 교환막 중 하나인 Nafion 117를 사용하였을 때 성능은 첫번째 사이클에서 충전만 일어났을 뿐 그 후 높은 저항 때문에 완전지가 작동하지 않았다. 하지만 두번째로 사용한 Fumasep 음이온 교환막(FAA-3-50)은 Nafion 117 멤브레인을 사용했을 때와는 다르게 비교적 안정적인 충방전 사이클링을 보였다. 전류 밀도 $40mA{\cdot}cm^{-2}$, 컷-오프 전압 0.55~1.7 V에서 전류 효율(charge efficiency)은 97%, 전압 효율(voltage efficiency)은 78%로 높게 나타났다. 방전 용량(discharge capacity)은 10사이클에서 $1.44Ah{\cdot}L^{-1}$로 이론 용량($2.68Ah{\cdot}L^{-1}$)의 54%를 나타내었다. 방전 용량의 용량 손실율(capacity loss rate)은 $0.0015Ah{\cdot}L^{-1}/cycle$ 로 나타났다. 순환주사전류 실험을 통해 Nafion 117 멤브레인과 Fumasep 음이온 교환막 사이의 이러한 성능차이는 활물질의 크로스 오버(cross over) 현상으로 인한 방전 용량 손실이 아닌 멤브레인과 활물질의 화학적 반응으로 인한 저항 증가가 원인임을 파악할 수 있었다.