The problems of energy depletion and environmental pollution are becoming serious all over the world, and interest in new and renewable energy is increasing as a way to solve them. In addition, the paradigm of the global automobile market is changing from internal combustion engine vehicles to electric vehicles due to the strengthening of international environmental regulations on vehicle exhaust gas, the possibility of oil depletion, and the continuing high oil price. As the penetration rate of new and renewable energy increases due to eco-friendly energy policies announced worldwide, it is necessary to solve load management and stabilization of renewable energy output, and more stable energy storage technology is required. An energy storage system is a key element that enables reliable and effective use of energy. The energy storage device can improve energy efficiency by storing eco-friendly generated power and then supplying it when it is most needed. In addition, it is possible to supplement the disadvantages of the existing power grid system and solve the problem of uneven quality occurring in solar and wind power generation. However, energy storage devices developed so far have problems such as lack of energy efficiency, vulnerability to fire, and high cost. Therefore, many studies on energy storage devices are currently being conducted.
In this study, for the first time, porous tungsten oxynitride nanofibers and graphite are used as cathode materials with high activity to improve the efficiency of zinc-bromine flow batteries with low chemical cost and using aqueous electrolytes that are safer against fire than lithium ion batteries. Nanocomposites with graphite felt were synthesized. Porous tungsten oxynitride nanofibers were synthesized by simple heat treatment and ammonia gas treatment after electrospinning a tungsten precursor solution. Compared to conventional methods that require a multi-step process using a template, electrospinning can easily synthesize one-dimensional nanostructures through a fast and large-area process. After preparing the tungsten oxynitride nanofiber solution, it was coated on the surface of the graphite felt and filled inside. The coated tungsten oxynitride nanofiber and graphite felt composite improves current transfer and bromine ion transfer rate generated by rapid reaction, lowers electrochemical polarization, and finally brings an effect of improving energy efficiency. Second, a nanocomposite was synthesized by applying porous tungsten oxynitride nano-filler as a solid electrolyte for a lithium metal battery. Nano tungsten oxynitride serves as a pathway through which lithium ions can move in the solid electrolyte. Ion conductivity is improved, and by applying a reinforcing effect to the polymer matrix with elasticity, it brings about effects such as improvement in mechanical properties. Porous tungsten oxynitride nanocomposites with such excellent functionality can be presented as promising materials for the development of energy storage devices.
전 세계적으로 에너지고갈과 환경오염에 대한 문제가 심각해지고 있으며 이를 해결하기 위한 방법으로 신재생에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 또한 자동차 배기가스에 대한 국제 환경규제, 석유의 고갈, 고유가 등으로 세계 자동차시장의 패러다임이 내연기관 자동차에서 전기자동차로 바뀌고 있다. 전세계적으로 발표되는 친환경 에너지 정책으로 신재생에너지의 보급률이 커지면서 부하의 관리, 신재생에너지 출력 안정화를 해결해야하며 보다 안정적으로 에너지를 저장하는 기술이 필요하다. 에너지저장장치는 에너지를 신뢰성 있고 효과적으로 사용할 수 있도록 하는 핵심요소이다. 에너지저장장치는 친환경적으로 생산된 전력을 저장 후 가장 필요한 시기에 공급함으로써 에너지 효율을 향상시킬 수 있다. 또한 기존의 전력망 시스템의 단점을 보완하고 태양광 및 풍력 발전 등에서 발생하는 불균일한 품질의 문제점을 해결할 수 있다. 그러나 현재까지 개발된 에너지저장장치들은 에너지 효율성 부족, 화재에 취약하거나 비용이 많이 드는 등 문제점이 존재한다. 그렇기 때문에 현재 에너지저장장치에 관한 많은 연구들이 이루어지고 있다.
본 연구에서는 첫번째로 리튬이온전지보다 화재에 대한 안전성이 우수한 수계전해액을 사용하며 케미칼 코스트가 낮은 징크-브로민 흐름전지의 효율성을 개선하고자 높은 활성을 갖는 양극소재로 다공성 텅스텐 산화질화물 나노섬유와 그라파이트 펠트의 나노복합체를 합성하였다. 다공성 텅스텐 산화질화물 나노섬유는 텅스텐 전구체 솔루션을 전기방사 후 간단한 열처리 및 암모니아 가스 처리에 의해 합성되었다. 템플릿을 이용한 다단계 과정을 거쳐야 하는 기존 방식에 비해 전기방사는 빠르고 대면적이 가능한 공정을 통해 1차원 나노구조체를 쉽게 합성할 수 있다. 텅스텐 산화질화물 나노섬유 솔루션을 제조 후 그라파이트 펠트 표면 및 내부에 코팅을 시켰다. 이렇게 코팅된 텅스텐 산화질화물 나노섬유와 그라파이트 펠트 복합체는 빠른 반응으로 발생된 전류 전달과 브로민 이온 전달 속도를 향상시키며 전기화학적 분극화 현상을 낮춰 최종적으로 에너지효율 향상 효과를 가져온다. 두번째로 다공성 텅스텐 산화질화물을 리튬메탈배터리의 고체전해질 나노필러로서 적용하여 나노복합체를 합성하였다. 나노 텅스텐 산화질화물은 고체전해질 내에서 리튬이온의 이동이 가능한 통로 역할을 한다. 이온전도도가 향상되며 탄성을 가진 고분자 매트릭스에 강화 효과를 부과해 기계적 물성이 향상되는 등의 효과를 가져온다. 이런 우수한 기능성을 갖는 다공성 텅스텐 산화질화물 나노복합체는 에너지저장장치의 개발을 위한 유망한 소재로 제시될 수 있다.
