수계 유기 레독스 흐름 전지용 음극 활물질의 설계 및 합성

Abstract

전 세계적으로 에너지의 수요와 소비가 증가함에 따라 에너지 효율을 높이는 것이 중요해지고 있다. 에너지는 발전소에서 생산한 양과 소비량이 다르거나, 변동성 높은 신재생에너지를 다룰 때 효율성이 떨어진다. 이에 따라 에너지를 안전하게 보관하였다가 적재적소에 전기에너지로 변환하여 사용할 수 있는 에너지 저장 시스템이 연구되고 있다. 그 중 레독스 흐름 전지(Redox flow battery, RFB)는 활물질의 산화-환원 반응을 이용하여 에너지를 저장하는 장치로, 현재 바나듐 RFB가 상용화되어 있다. 최근에는 금속 RFB의 경제성과 낮은 에너지 밀도를 극복하기 위하여 유기화합물을 활물질로써 활용하는 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 수계 유기 레독스 흐름 전지(Aqueous organic redox flow battery, AORFB)용 음극 활물질로써 Benzophenone과 9-Fluorenone을 모체로 하여 활물질을 설계하고 합성하였다. 이 분자들은 카보닐기에서 일어나는 산화-환원 반응을 통해 에너지를 저장한다. 유기 합성 반응을 이용하면 카보닐기의 산화-환원 상태를 안정화하여 전지의 안정성, 성능 등을 높일 수 있다. 따라서 모체에 전자적 성격이 다른 치환기를 붙여 가역성을 나타내면서, 물에 잘 녹는 음극 활물질의 합성을 연구하였다. 합성한 화합물의 용해도를 측정하고, 순환전압전류법을 통해 산화-환원 가역성을 확인하여 성능을 비교하고 다음 설계를 모색하였다. 또한 수계에서 9-Fluorenone을 활용하는 경우에 대한 메커니즘 연구를 위해 케톤기가 환원된 알코올 형태의 9-Fluorenol 유도체도 합성하였다.|As global energy demand and consumption continue to rise, harnessing renewable energy has become important. Because of itsintermittent nature, renewable energy requires energy storage.Among various energy storage devices, redox flow batteries (RFBs) store energy through the redox reactions of active materials. However, current commercial vanadium RFBs suffer from low energy density, prompting extensive research on organic compounds as alternative active materials. In this study, several anode active materials for aqueous organic redox flow batteries (AORFBs) were designed and synthesized based on benzophenone and 9-fluorenone. In these molecules, the redox reactions related to energy storage occur at their carbonyl groups. The redox states of the carbonyl groups were modulated to enhance battery stability and performance by modifying the chemical structures. Various linkers and solubilizing moieties were added to the molecules to improve the electrochemical reversibility and water solubility. The synthesized compounds were evaluated for their water solubility, and their redox reversibility was tested through cyclic voltammetry (CV). These studies allowed us to compare their performances and identify lead compounds for future developments. Additionally, 9-fluorenol derivatives, reduced form of the active materials, were synthesized to explore the mechanism of utilizing 9-fluorenone in aqueous systems. This research is expected to significantly contribute to the development of high-performance anode materials for organic compound-based AORFBs, addressing the limitations of current vanadium-based systems and enhancing the feasibility of large-scale energy storage solutions.