The vanadium redox flow battery (VRFB) has been emerging as a promising candidate for large-scale energy storage system (ESS). Ion exchange membrane (IEM) is an essential component of VRFB, allowing proton conduction in addition to blocking crossover between positive and negative electrolytes. Achieving high proton conductivity, low vanadium ion permeability, and high chemical stability using a single material remains as a key challenge for hydrocarbon-based membranes in VRFB application. Among the hydrocarbon-based electrolyte membranes, polybenzimidazole (PBI) membranes achieve proton conduction when combined with strong acid, such as phosphoric acid (PA) or sulfuric acid. However, research on PBI membranes for VRFB application has been mainly focused on improving the performance of VRFB operation.
This thesis presents the study on the correlation between the chemical structure of PBIs and the resulting physicochemical properties of the PBI membranes for VRFB application. The thesis is divided into 3chapters.
Chapter 1 introduces VRFB, IEM, and their related research.
Chapter 2 mainly focuses on the physicochemical properties and cell performance of N-substituted poly(2,5-benzimidazole) (ABPBI) membrane for VRFB application. The main objective is to suppress polymer chain packing through the introduction of an alkyl side group into the ABPBI. As a result, the increase in the free volume of the membrane and enhanced absorption capabilities were confirmed according to the introduction of the alkyl spacer into ABPBI. Furthermore, it is found that enhanced hydrophilic absorption capabilities directly affect the cell performance of VRFB. Also, the alkyl spacer grafted ABPBI membrane shows outstanding long-term stability for 500 cycles under actual VRFB operation.
Chapter 3 discusses the preparation of ABPBI-derivative membrane by direct casting method and their physicochemical properties. The key objective is to expand the free volume of ABPBI-derivative membrane through the direct casting method. ABPBI-derivative membrane prepared by direct casting method shows different properties, such as the crystallinity and ion conduction, compared to ABPBI-derivative membrane prepared by solution casting method. As a result, the membrane prepared by direct casting method shows similar efficiencies under VRFB operation to the commercial membrane.
바나듐 산화환원 흐름전지(VRFB)는 대규모 에너지 저장 시스템(ESS)의 유망한 후보로 간주되고 있습니다. 이온 교환막 (IEM)은 바나듐 산화환원 흐름 전지의 필수 구성 요소로 양극 전해질과 음극 전해질의 교차를 방지하는 것외에도 양성자 전도를 가능하게 합니다.
단일 소재를 사용하여 높은 양성자 전도도, 낮은 바나듐 이온 투과도 및 높은 화학적 안정성을 달성하는 것은 바나듐 산화환원 흐름전지 응용 분야에서 탄화수소계 기반 이온교환막의 핵심 과제로 남아 있습니다. 탄화수소계 기반 이온교환막 중 폴리벤즈이미다졸(PBI) 전해질 막은 황산과 같은 강산과 결합할 때 양전자 전도를 가능하게 합니다. 그러나 바나듐 산화환원 흐름전지 응용을 위한 폴리벤즈이미다졸계 전해질 막에 대한 연구로 주로 성능 향상에 초점을 맞추고 있습니다. 이 논문은 폴리벤즈이미다졸의 화학적 구조와 흐름 전지 적용을 위한 폴리벤즈이미다졸계 전해질 막의 물리 화학적 특성 사이의 상관관계에 대한 연구를 제시합니다. 논문은 3개의 챕터로 나뉩니다.
1장에서는 바나듐 산화환원 흐름전지와 이온교환막 관련 연구를 소개합니다.
2장은 주로 바나듐 레독스 흐름 전지 적용을 위한 N-치환된 폴리(2,5-벤즈이미다졸) (N-substituted poly(2,5-benzimidazole)) 전해질 막의 물리 화학적 특성과 단위 셀 성능에 중점을 둡니다. 주요 목적은 폴리(2,5-벤즈이미다졸) (ABPBI)에 알킬 측쇄를 도입하여 폴리머 사슬의 패킹을 억제하는 것입니다. ABPBI에 알킬 측쇄가 도입됨에 따라 막의 자유 부피 증가와 친수성 흡수 능력 향상이 확인되었다. 또한 향상된 친수성 흡수 능력이 바나듐 레독스 흐름전지의 셀 성능에 직접적인 영향을 미치는 것으로 밝혀졌습니다. 또한, N-치환된 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 전해질막은 실제 VRFB 작동에서 500사이클 동안 뛰어난 장기 안정성을 보여줍니다.
3장에서는 직접 캐스팅법(direct casting)에 의한 ABPBI 유도체 전해질 막의 제조와 그 물리 화학적 특성에 대해 논의한다. 핵심 목표는 직접 캐스팅 방법을 통해 전해질 막의 자유 부피를 확장하는 것입니다. 직접 캐스팅법으로 제조된 전해질 막은 용액 캐스팅법으로 제조된 전해질 막과 비교하여 결정성, 이온 전도성 등의 다른 특성을 나타냅니다. 그 결과 직접 캐스팅법으로 제조된 막은 VRFB 단위 셀 성능에서 상용 막과 유사한 효율을 나타냈습니다.
