본 연구에서는 수계 및 비수계 레독스 흐름 전지에 적용할 수 있는 고 이온선택성/저 저항 이온교환막 제조에 대한 연구를 수행하였다. 이온교환막은 레독스 흐름 전지의 성능을 좌우하는 핵심 소재로서 이온 전도도 및 이온선택성이 높아야하고 우수한 화학적 안정성을 가져야 한다. 그리고 분리막이 전지 내에 함침 되었을 때 과도히 팽윤되지 않아야 하며 일정한 물리적 강도를 유지하여야 한다. 이러한 필요조건을 만족시키기 위해 얇은 막 두께를 가지며 동시에 우수한 물리적 특성을 갖는 이온교환막의 개발이 필요하다. 또한 막을 통해 양 전극 쪽의 전해액이 섞이는 형상인 crossover 문제를 극복하기 위해서는 양이온 교환막에 비해 음이온 교환막이 바람직할 것으로 판단되었다.
본 연구에서는 막의 기계적 물성을 유지시켜 줄 수 있는 보강재로 약 25 μm 두께의 폴리올레핀계 다공성 분리막을 사용하였다. 상기 폴리올레핀 다공성 분리막의 세공에 이미다졸륨 이온성 액체인 1-allyl-3-butylimidazolium-BF4 (ABIMBF4) 와 수용성 공중합 모노머인 N,N-dimethylacrylamide (DMAA), 가교제 및 개시제가 들어있는 모노머 혼합액을 충진시킨 후 광중합하여 음이온 교환막을 제조하였다. 대부분의 이온교환막의 경우 고분자 중합 후 이온 교환기를 도입하는 후처리 방식으로 제조하는 것이 일반적이나 본 연구에서 제안된 막 제조 방법은 이온 교환기를 포함하고 있는 이온성 액체 모노머를 직접 중합하여 이온교환막을 제조함으로써 공정이 간단하며 연속식 막 제조 공정에 적합한 장점을 가지고 있다.
본 연구에서는 모노머 혼합액의 ABIMBF4/DMAA 몰 비율을 변화시킴으로써 막의 이온교환용량을 조절하였고 이온교환용량이 수계 전 바나듐계 레독스 흐름 전지 및 비수계 레독스 흐름 전지의 충방전 특성에 어떠한 영향을 주는지 알아보았다. 제조된 ABIMBF4/DMAA 세공충진 음이온 교환막은 매우 얇은 두께로 인해 상용막 대비 현저히 낮은 막저항을 나타내었으며 동시에 지지체의 강인한 물리적 특성으로 인해 레독스 흐름 전지에 응용이 충분히 가능한 기계적 물성을 나타냄을 확인하였다. 전지성능 평가 결과, 수계 전 바나듐 흐름 전지에서 전류 효율은 ABIMBF4 : DMAA의 몰 비율이 0.2 : 1 일 때 94.1%로 가장 높았고 에너지 효율 또한 동일 조성에서 81.4%로 가장 높은 효율을 나타내었다. 코발트/철 화합물 레독스 물질을 적용한 비수계 레독스 흐름 전지의 경우 상용막의 경우 약 60%의 낮은 전류 및 에너지 효율을 나타낸 반면 ABIMBF4/DMAA를 공중합하여 제조한 세공충진 음이온 교환막의 경우 ABIMBF4/DMAA 몰 비율이 0.4 와 0.6 일 때 약 84%의 높은 전류효율을 나타내었고 에너지 효율은 ABIMBF4/DMAA 몰 비율이 0.6 일 때 약 80%의 높은 수치를 나타내었다. 상기의 실험 결과, 수계 전 바나듐 레독스 흐름 전지에서는 상용막과 동등 수준의 에너지 효율을 나타내었고 비수계 레독스 흐름 전지의 경우 ABIMBF4 와 DMAA를 공중합하여 제조한 세공충진 음이온 교환막이 상용막 보다 우수한 전류 및 에너지 효율을 나타냄을 확인 할 수 있었다. ABIMBF4의 함량에 따른 전지성능 평가 결과를 보면 ABIMBF4의 비율이 높아질수록 이온교환용량이 높아지고 막 저항은 감소하지만 전류 및 에너지 효율은 감소하였다. 이는 레독스 흐름 전지의 성능에 막의 이온전도도 보다 막을 통한 활물질의 crossover 가 더 큰 영향을 미침을 의미하며 이러한 관점에서 최적 이온교환용량이 결정되어야 함을 확인할 수 있었다.

Redox flow batteries (RFBs) are one of the promising energy storage devices that utilizing the oxidation and reduction of electroactive species dissolved in liquid electrolytes for charging and discharging. All-vanadium redox flow batteries (VRBs) can be used for large-scale intermittent storage systems such as wind turbines and solar cells as well as applications which require high capacity and high power output such as an electric vehicle. Ion exchange membranes have significant roles for the reliability of the VRBs. Conventional VRBs utilizing commercial cation-exchange membranes have been widely studied in terms of the ion selectivity and permeation of metal species. Anion-exchange membranes are also advantageous for lower metal permeations with high proton transport. Recently, RFBs employing non-aqueous electrolytes have also receiving great interests due to the higher electrochemical window, resulting in higher energy and power densities. On the other hand, a number of non-aqueous RFB researches have been focused on redox-active species, solvent, and electrode materials. Although separating materials play significant roles for the inhibition of self-discharge due to the active species crossover and energy and power efficiencies, almost no profound research was conducted on separating materials, i.e. ion-exchange membranes, for non-aqueous RFBs.
In this work, we have developed pore-filled anion-exchange membranes (PFAEMs) by a direct polymerization of allyl-imidazolium monomer for both the VRB and non-aqueous RFB applications. The content of charged groups in the membranes was revealed to be the most dominant factor determining the Coulombic and energy efficiencies. The optimal composition was determined at relatively low level of ion exchange capacity (-1.38 meq./g). The VRBs and non-aqueous RFBs employing the PFAEMs showed respectable energy efficiencies which are comparable with those of commercial membranes (i.e. Nafion and commercial anion-exchange membranes).
As a result, the PFAEMs with high ion conductivity and low crossover property were successfully developed via a direct polymerization of ionic liquid monomer.