수계 유기 레독스 흐름 전지용 유기 활물질의 설계 및 합성

Abstract

재생에너지 사용에 대한 수요가 증가함에 따라 친환경적인 에너지 저장 장치의 수요가 증가하고 있다. 다양한 에너지 저장 장치들 중 RFB(레독스 흐름 전지)는 대규모 에너지의 저장 가능성, 전력과 에너지의 독립적인 사용 가능성, 안정성 등을 이유로 하여 높은 잠재력을 가지고 있다. 가장 활발하게 연구가 진행중인 VRFB(바나듐 레독스 흐름 전지)는 높은 전위값을 가진다는 장점이 있지만, 독성이 있고 가격이 비싸다는 단점이 있다. 따라서 본 연구에서는 무독성, 저렴한 가격, 안전성을 이유로 수계 조건에서 유기 분자를 활물질로 사용하는 AORFB(수계 유기 레독스 흐름전지)를 가동함을 목적으로 하여 음극 활물질과 양극 활물질을 합성하였다. 양극 활물질로는 TEMPO를 모체로 활용하여 linker와 solubilizing moiety를 연결하여 TEMPO 유도체를 합성하였다. TEMPO는 N-oxyl 화합물의 대표적인 예시로, RFB에서 양극 활물질로서 다양하게 사용되고 있다. 음극 활물질로는 Viologen 및 9-fluorenone을 모체로 하여 합성하였다. Viologen은 음극 활물질로 사용되는 물질로, 높은 안정성과 용해도, 낮은 산화-환원 전위값을 갖는 장점이 있다. 또한 9-fluorenone은 비수계 RFB에서 주로 활용되는 활물질이지만, 본 연구에서는 수계 조건에서 사용함을 목적으로 합성하였다. 합성한 활물질의 용해도를 측정하고, 수용액에서 산화-환원 활성을 확인하였다. 산화-환원 활성을 띠는 활물질은 스케일 업을 통해 대량 합성을 진행하였고, 고농도로 배터리를 가동하였다.|As attention to renewable energy increases, the need for eco-friendly energy storage devices has also increased. Among various energy storage devices, redox flow battery (RFB) show high potential for large-scale energy storage, showing the possibility of independent energy use and good stability. Lithium-ion batteries, which are the most widely used these days, exhibit good battery performance, but safety issues are emerging due to the risk of fire. For this reason, an aqueous redox flow battery was devised. The Vanadium redox flow battery (VRFB) is the most actively studied because it has high potential value, but it has the disadvantage of toxicity and high cost. Therefore, this study aims to operate AORFB (Aqueous Organic Redox Flow Battery) using organic molecules as active materials under aqueous conditions. It offers advantages of non-toxicity, low cost, and safety. In this study, cathode and anode active materials were designed and synthesized. TEMPO (2,2,6,6-Tetramethylpiperidine 1-oxyl) has been used as a cathode material for RFB. TEMPO is a representative example of N-oxyl compounds and the N-oxyl radicals allows for electrochemical characteristics. To use TEMPO as cathode material for AORFB, TEMPO derivatives were synthesized with various linkers and solubilizing moieties. As an anode active material, viologen and 9-fluorenone derivatives were synthesized. Viologen, used as an anode active material, offers advantages such as high stability, solubility, and low potential values. Additionally, 9-fluorenone derivatives were also synthesized for AORFB, despite its predominant use in non-aqueous RFBs thus far. After synthesizing cathode and anode active materials, their solubility was measured and redox activity in aqueous conditions was evaluated by cyclic voltammetry. Among these compounds, those with high solubility and structural stability were selected for scale-up aimed at operating in the AORFB system.