Vanadium redox flow battery (VRFB) is considered as one of the most promising candidate for a large-scale energy storage system. However, commercialization of VRFB has been hindered due to high manufacturing cost of the vanadium electrolyte which is currently prepared by a costly electrolysis method with a limited productivity. To address the problem of high electrolyte production costs, we propose a simple chemical production of impurity-free $V^{3.5+}$ valence state electrolyte. The method features the use of catalyst and organic reducing agent (ORA) which enables reduction of $V^{4+}$ to $V^{3+}$ vanadium ion without releasing any impurity. Among various ORAs, formic acid showed fastest reaction kinetics in combination with Pt/C or PtRu/C catalysts. Activity and stability of catalysts were compared for a proper catalyst selection. In spite of a higher activity of PtRu/C, dissolution of Ru prohibits its use due to a severe gas evolution during cell operation by deposition of Ru onto the electrode. $V^{3.5+}$ electrolyte was successfully produced by combination of formic acid and Pt/C, and excellent VRFB performances were achieved with the electrolyte. A prototype of catalytic reactor employing Pt/C decorated carbon felts was designed and a high quality electrolyte production in continuous manner was demonstrated. We believe the proposed catalytic production of VRFB electrolyte is a breakthrough invention for the VRFB technology, and it would bring significant development of VRFB system in industry.
바나듐 레독스 흐름 전지는 대용량 에너지 저장을 위한 시스템으로 사용되기에 가장 유력한 후보 중 하나로 여겨지고 있다. 하지만, 전기 분해 방식으로 생산되는 바나듐 전해질은 제조 비용이 높고 제한된 생산량을 가지고 있어 바나듐 레독스 흐름 전지의 상용화를 저해하고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 우리는 간단한 화학 반응을 통한 고순도 바나듐 3.5가 전해질의 제조법에 대해 제안하고자 한다. 본 연구에선 촉매와 유기 환원제를 통해 반응 후 전해질에 어떠한 불순물도 남기지 않고 바나듐 4가 이온을 3가로 환원시키는 방법을 사용하였다. 여러 유기 환원제 중, 포름산이 Pt/C 혹은 PtRu/C 촉매 존재 하에 가장 빠른 반응 속도를 보였다. 촉매의 선택을 위해 활성도와 안정성 비교를 위한 실험을 진행하였다. PtRu/C 촉매의 이용 시 더 빠른 환원력을 보이는 것이 관찰되었으나, 전지 구동 중 전극에 금속으로 증착되어 기체 생성을 유발하는 Ru 이온의 용출 때문에 본 반응에 적합하지 않음을 확인하였다. 포름산과 Pt/C 촉매의 사용시 성공적으로 바나듐 3.5가 전해질이 생산되는 것을 확인하였고, 이를 이용한 바나듐 레독스 흐름 전지의 구동 시 우수한 효율을 보이는 것을 관찰하였다. 촉매 반응을 이용한 대량 생산의 가능성을 입증하기 위해 Pt/C 촉매가 담지 된 카본 펠트를 적층하여 소형 촉매 반응기를 제작하였으며, 연속 구동을 통해 우수한 품질의 전해질이 생성되는 것을 확인하였다. 우리는 본 연구를 통해 바나듐 레독스 흐름 전지의 상용화를 위한 새로운 돌파구가 마련될 것으로 기대하고 있다.
