Zn-Br Redox Flow Battery에 이용되는 착제 및 전해액에 관한 연구

Abstract

에너지 저장 장치의 한 종류인 Redox Flow Battery (RFB)는 2차전지이다. RFB는 전지 내에서 사용되는 전해액에 포함되는 두 가지 화학종의 산화?환원 반응에 의해서 전자를 주고 받으며 에너지를 저장하고 방출한다. RFB는 사용되는 화학종에 따라 여러 종류로 나뉘게 되며 그 중에서 Zn (zinc)와 Br (bromide)가 들어간 전지를 Zn-Br 배터리라고 칭한다. Zn-Br 배터리가 충전 될 때에 Br-가 산화되어 Br2 (bromine)이 발생한다. Br2은 끓는점이 낮아 유독한 증기 발생의 우려가 있으며 배터리 내의 전해액에 대해 낮은 용해도를 갖는다. 또한 가장 큰 문제점은 배터리 내의 분리막을 통과하여 음극 (anode)에서 Zn와 산화?환원 반응을 하여 자기방전 (self-discharge)을 유발하기도 한다. 이에 따라 Br2과 결합할 수 있는 착제 (complexing agent)를 전해액에 첨가한다. Zn-Br RFB에서 이용하는 착제는 4차 암모늄 브로마이드(QBr)의 구조인데, 전해액 내에서 착제는 여러 개의 Br2분자와 complex를 이루어 polybromide의 형태를 이룬다. Br-나 I- (iodide)와 같은 할로젠화물 (halide)은 polyhalide의 구조를 이루는 특성을 지니기 때문에 이에 대한 연구가 많이 알려져 있다. 그 중에서도 특히 polyiodide의 연구는 학계에서도 활발히 발표되고 있지만 상대적으로 polybromide에 대한 연구는 저조한 편이다. 본 연구에서는 Raman 분광법을 이용하여 Zn-Br 배터리의 전해액에서 생성되는 polybromide의 complex에 대해 연구하였다. 착제를 포함한 전해액에 착제 농도를 기준으로 Br2을 당량별로 주입하여 생성된 polybromide를 Raman 분광법으로 분석하였다. 그 결과 Br3- (tribromide)는 약 160 cm-1에서 봉우리가 나타나며 Br2의 당량이 높아질수록 해당 봉우리의 세기는 점차 줄어들었다. 또한 Br5- (pentabromide)와 Br7- (heptabromide)는 각각 명확하게 구별되지 않고 Br2의 당량이 높아짐에 따라 Br5-에 해당하는 약 253 cm-1에서부터 Br7-에 해당하는 약 270 cm-1까지의 범위 내에서 봉우리가 점차 옮겨지는 것을 볼 수 있었다. 이를 통해서 Br5-와 Br7-는 각각 단독으로 존재하기 보다 두 polybromide가 함께 존재하고 있다고 예측된다.