KR20160059974A - Battery system and redox flow battery comprising same - Google Patents

Battery system and redox flow battery comprising same Download PDF

Info

Publication number
KR20160059974A
KR20160059974A KR1020150161131A KR20150161131A KR20160059974A KR 20160059974 A KR20160059974 A KR 20160059974A KR 1020150161131 A KR1020150161131 A KR 1020150161131A KR 20150161131 A KR20150161131 A KR 20150161131A KR 20160059974 A KR20160059974 A KR 20160059974A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
electrolyte
active material
group
battery
negative electrode
Prior art date
Application number
KR1020150161131A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
강미숙
박상선
김범수
Original Assignee
영남대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 영남대학교 산학협력단 filed Critical 영남대학교 산학협력단
Publication of KR20160059974A publication Critical patent/KR20160059974A/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/18Regenerative fuel cells, e.g. redox flow batteries or secondary fuel cells
    • H01M8/184Regeneration by electrochemical means
    • H01M8/188Regeneration by electrochemical means by recharging of redox couples containing fluids; Redox flow type batteries
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/24Alkaline accumulators
    • H01M10/26Selection of materials as electrolytes
    • H01M2/40
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H01M4/42Alloys based on zinc
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04276Arrangements for managing the electrolyte stream, e.g. heat exchange
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/20Indirect fuel cells, e.g. fuel cells with redox couple being irreversible
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00Electrolytes
    • H01M2300/0002Aqueous electrolytes
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • Y02E60/528

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

The present invention relates to a battery system, and a redox flow battery including the battery system. The battery system comprises: a positive electrolyte (catholyte) including an acid electrolyte; a negative electrolyte (anolyte) including a basic electrolyte; and a solid electrolyte separation membrane for moving only positive ion, wherein the negative electrolyte and the positive electrolyte are introduced in a double flow manner. The battery system of the present invention can be implemented in a high voltage, can be installed with low costs, can store a large capacity, can be operated in a room temperature, and can be used for a long time, unlike the conventional battery system. In addition, new types of positive and negative active material couples are applied to the battery system, instead of positive and negative active material couples used for a single electrolyte, and the battery system is composed of a water-based system, compared to a non-aqueous Li-ion second battery, whereby there is no risk of explosion and pollution of environment, and 85% or more of inversion efficiency can be implemented.

Description

전지 시스템 및 이를 포함하는 레독스 흐름 전지{BATTERY SYSTEM AND REDOX FLOW BATTERY COMPRISING SAME}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a battery system and a redox flow battery including the battery system.

본 발명은 신규의 전지 시스템 및 이를 포함하는 레독스 흐름 전지에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 산성 전해질을 포함하는 음극 전해액 및 염기성 전해질을 포함하는 양극 전해질을 포함하고, 상기 음극 전해액 및 양극 전해액은 이중 주입(double flow) 방식으로 전해액이 도입되는 전지 시스템 및 이를 포함하는 레독스 흐름 전지에 관한 것이다.[0001] The present invention relates to a novel battery system and a redox flow cell comprising the same, and more particularly, to a battery system comprising a negative electrode electrolyte containing an acidic electrolyte and a positive electrode electrolyte, A battery system in which an electrolyte is introduced by a double flow method, and a redox flow cell including the same.

에너지 저장 시스템 (ESS; Energy Storage System)은 생산된 에너지를 전력계통 (Grid)에 저장 후, 가장 필요한 시기에 공급하여 에너지 효율을 향상시키는 시스템이다. 에너지 저장 시스템의 장점은 부하 평준화 (Load Leveling)를 통한 전력운영의 최적화에 기여하여 경 부하 시에 유휴전력을 저장하고, 과부하 시에 사용 가능 하다는 것이다. 또한, 신 재생 에너지원을 고품질 전력으로 전환 후 전력 망에 연계가 가능하므로, 태양광과 풍력과 같은 출력변동성이 심한 에너지원에 적용할 수 있다.The Energy Storage System (ESS) is a system that stores the generated energy in a grid and supplies it to the most necessary time to improve energy efficiency. The advantage of an energy storage system is that it contributes to the optimization of power operation through load leveling and stores idle power at light load and can be used in overloading. In addition, since the renewable energy source can be converted to high-quality power and linked to the power network, it can be applied to an energy source having a severe output fluctuation such as sunlight and wind power.

에너지 저장 시스템은 단주기(min) 분야의 리튬-이온(Li-Ion), 슈퍼 캐퍼시터(Super capacitor), 프라이휠(Flywheel), 장주기(hour) 분야의 흐름 전지(Flow battery), NaS 및 CAES와 같이 에너지 출력과 사용시간에 따라 분류할 수 있다. 짧은 초 또는 분 단위의 시간 동안 사용하는 단주기 에너지 저장 시스템은 전력품질 향상이 주된 목적이며 그 종류로는 리튬이온전지, 슈퍼커패시터, 플라이휠 등이 있다. 장 시간 동안 사용하는 장 주기용 에너지 저장 시스템은 전력부하 평준화가 주사용 목적이며 그 종류로는 압축공기, NaS 전지, 레독스 흐름 전지 (RFB; Redox flow battery) 등이 있다.The energy storage system is composed of lithium-ion (Li-Ion), super capacitor, flywheel, flow battery in the field of short time, NaS and CAES It can be classified according to the energy output and the usage time. The short-term energy storage system used for short seconds or minutes is mainly aimed at improving the power quality, and lithium-ion batteries, supercapacitors, and flywheels are available. Long-term energy storage systems used for long time are mainly used for power load leveling, and they include compressed air, NaS cells, and redox flow batteries (RFBs).

에너지 저장 시스템 중에서 가장 널리 쓰이는 납축 전지는 저렴하고 안정적이라는 장점이 있지만 비 환경적인 납이 주요 성분이고, 수명이 짧다는 단점이 있다. 리튬이온 전지의 경우 소형 전지 시장의 50%를 차지하고 있지만 대용량화가 어려우며 고열에 대한 폭발 가능성이 제기되면서 더 큰 시장으로의 진출이 제한 받고 있다. 또한 NaS 전지는 높은 에너지 밀도를 가지지만 구동 중 황 가스의 방출과 고온이 유지되어야 하며 생산비용이 높은 단점이 있다. Lead-acid batteries, which are most widely used in energy storage systems, are advantageous in that they are inexpensive and stable, but are non-environmentally lead-containing and have a short life span. Lithium-ion batteries account for 50% of the small-sized battery market, but it is difficult to increase the capacity of the small-sized battery market and the possibility of explosion of high-temperature batteries is limited. In addition, the NaS cell has a high energy density, but it has disadvantages such as emission of sulfur gas during driving and maintenance of high temperature and high production cost.

대용량 에너지 저장을 위해 필요한 저장 장치의 조건으로는 안정성, 장 수명, 소재의 재활용(recycle) 등의 검토가 필요하다. 이들 중 레독스 흐름 전지는 상기의 선정 조건을 모두 만족시킬 수 있고 대 용량화가 용이하여 스마트 그리드, 분산 형 전원 등에 적용이 기대 되는 에너지 저장 시스템이다. 한편, 미국을 중심으로 하는 에너지 저장 시스템 관련 업계에서는 압축공기를 이용한 CAES 시장이 에너지 저장 시스템 시장을 리드할 것으로 보았으나 이 전지는 압축한 공기를 소금동물, 폐광 혹은 대수 층과 같은 기밀한 지하 저장소에 저장해야 하므로 지리적 제약이 크며 화석 연료의 사용이 불가피하여 최근에는 CAES 보다는 다른 기술들이 에너지 저장 시스템 시장을 많이 점유할 것으로 시각이 바뀌고 있다. It is necessary to examine the stability, long life, and recycle of materials as storage conditions necessary for large energy storage. Among these, the redox flow cell is an energy storage system which can satisfy all of the above-mentioned selection conditions and is easy to be mass-produced and expected to be applied to a smart grid or a distributed power source. On the other hand, in the energy storage system industry centered on the United States, the compressed air CAES market was expected to lead the energy storage system market, but the battery was used to store compressed air in confidential underground storage such as salt animals, , The use of fossil fuels is inevitable. Recently, it seems that other technologies than CAES will occupy a large part of the energy storage system market.

특히 레독스 흐름 전지가 향후에는 큰 시장을 점유할 수 있을 것으로 예상하고 있다. 레독스 흐름 전지는 고체의 활물질을 사용하는 다른 이차 전지와는 다르게 활물질의 탈착이 없기 때문에 충 방전 싸이클 수명이 매우 길고, 전해액도 반영구적으로 사용이 가능하다. 또한 출력 (kW)은 스택부에서 용량 (kWh)은 전해액 탱크부에서 개별적으로 제어할 수 있기 때문에 용도에 따른 맞춤형 설계가 가능하다. 리튬 이온전지 등의 다른 이차전지는 각 셀마다 충전량이 달라지는 것을 막기 위해 정기적인 보상 작업이 필요하지만, 레독스 흐름 전지는 동일한 탱크에서 전해액이 제공되며 각 스택의 충전 상태는 거의 동일하게 유지되기 때문에 보상 작업이 불필요하고 장기간 정지하여도 전기에너지를 가지고 있는 전해액이 양극 및 음극 탱크에서 분리된 상태로 존재하기 때문에 전기 손실이 매우 적다는 장점을 가진다. In particular, the redox flow battery is expected to occupy a large market in the future. Unlike other secondary batteries using solid active materials, the redox flow battery has a very long charge / discharge cycle life because it does not desorb the active material, and the electrolyte can be used semi-permanently. In addition, the output (kW) in the stack portion and the capacity (kWh) in the electrolyte tank portion can be individually controlled, so that a customized design can be made according to the use. Other secondary batteries such as lithium ion batteries require periodic compensation operations to prevent varying the charge amount for each cell, but the redox flow cells are provided with an electrolyte solution in the same tank and the charge states of each stack remain substantially the same Even if the compensation operation is unnecessary and the battery is stopped for a long period of time, the electrolytic solution having electric energy is separated from the anode and the cathode tanks, and thus the electric loss is very small.

현재 가장 각광받는 레독스 흐름 전지 중 하나는 한국공개특허 제10-2015-0040753호와 같은 바나듐(all Vanadium)계 레독스 흐름 전지이다. 바나듐계 레독스 흐름 전지는 네피온(Nafion)과 같은 고가의 이온교환막과 두 가지의 전해질(음극, 양극)에 플럭스(flux)를 주어 구동되는 방식을 취하고 있다. 레독스 흐름 전지는, 이온의 교차 혼합(cross-over), 활물질의 용해도, 전해액의 혼합오염 및 레독스 커플의 비가역성 등의 문제로 인하여 낮은 에너지 밀도와 자가 방전으로 인한 에너지 손실 그리고 비경제성 등의 문제를 노출하고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 많은 연구 및 개발이 이루어지고 있으나 아직까지 사업화에 적합한 성능의 구현은 이루지지 않고 있는 실정이다. One of the most popular redox flow cells is the all vanadium redox flow battery such as Korean Patent Laid-Open No. 10-2015-0040753. The vanadium redox flow cell is driven by an expensive ion exchange membrane, such as Nafion, and a flux to the two electrolytes (cathode and anode). The redox flow cell has the advantages of low energy density, energy loss due to self-discharge, and non-economy due to cross-over of ions, solubility of active material, mixed contamination of electrolytes and irreversibility of redox couples. We are exposing the problem. In order to solve these problems, many researches and developments have been made, but the performance suitable for commercialization has not yet been realized.

본 발명은 전지 시스템 및 그 전지 시스템을 포함하는 레독스 흐름 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a battery system and a redox flow cell comprising the battery system.

본 발명의 목적은 산성 전해질을 포함하는 양극 전해질을 포함하는 제1 외부 저장조; 염기성 전해질을 포함하는 음극 전해질을 포함하는 제2 외부 저장조; 전극; 양이온만 이동시키는 고체 전해질 분리막; 및 바이폴라플레이트를 포함하며, 상기 산성 전해질은 양극 활물질을 포함하며, 상기 염기성 전해질은 음극 활물질을 포함하며, 상기 양극 및 음극 전해질은 이중 주입 방식으로 음극 및 양극으로 주입되는 것인 레독스 흐름 전지를 제공하기 위한 것이다. An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: a first external reservoir including a positive electrode electrolyte comprising an acidic electrolyte; A second external reservoir including a negative electrode electrolyte including a basic electrolyte; electrode; A solid electrolyte separator for moving only cations; And a bipolar plate, wherein the acidic electrolyte comprises a cathode active material, wherein the basic electrolyte comprises a negative active material, and the anode and cathode electrolyte are injected into a cathode and an anode in a double injection manner, .

본 발명의 다른 목적은 단일 전해질에서 사용하는 양극 및 음극 활물질 커플이 아닌 본 발명의 레독스 흐름 전지에 적용할 수 있는 새로운 양극 및 음극 활물질 커플을 개발하고, 비 수계 Li이온 2차 전지에 비해 수계시스템으로 되어 있어 폭발의 위험 및 환경에 대한 부담이 없으며, 반전효율 85%이상 구현이 가능한 전지 시스템 및 이를 포함하는 레독스 흐름 전지를 제공하기 위한 것이다.Another object of the present invention is to develop a new positive electrode and negative electrode active material couples that can be applied to the redox flow cell of the present invention rather than the positive and negative electrode active material couples used in a single electrolyte, System, which is free from the risk of explosion and environment, and can realize a reversal efficiency of 85% or more, and a redox flow cell including the battery system.

본 발명의 또 다른 목적은 음극 활물질을 포함하는 음극 전해액(Catholyte); 양극 활물질을 포함하는 양극 전해액(Anolyte); 전극; 및 양이온만 이동시키는 고체 전해질 분리막을 포함하며, 상기의 각 전해질은 전극으로 주입 및 회수되어 순환되고, 양극 활물질 및 음극 활물질이 각각 산화환원반응을 진행하는 것인 레독스 흐름 전지에 적용할 수 있는 전지 시스템에 관한 것이다.Still another object of the present invention is to provide a cathode electrolyte comprising a negative electrode active material; A positive electrode electrolyte (Anolyte) containing a positive electrode active material; electrode; And a solid electrolyte separator for transferring only the positive ions, wherein each of the electrolytes is injected into and recovered from an electrode, circulated, and the positive electrode active material and the negative electrode active material respectively undergo redox reaction, Battery system.

본 발명의 다른 목적 및 이점은 하기의 발명의 상세한 설명 및 청구범위에 의해 보다 명확하게 된다.Other objects and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description of the invention and claims.

본 발명의 실시 예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시 예는 여러 가지 다른 형상으로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시 예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당 업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.Embodiments of the present invention are provided to more fully describe the present invention to those skilled in the art, and the following embodiments can be modified into various other shapes, It is not limited to the embodiment. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be more thorough and complete, and will fully convey the concept of the invention to those skilled in the art.

또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.In the drawings, the thickness and size of each layer are exaggerated for convenience and clarity of description, and the same reference numerals refer to the same elements in the drawings. As used herein, the term "and / or" includes any and all combinations of one or more of the listed items.

본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형상은 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형상을 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. As used herein, a singular form may include a plurality of shapes, unless the context clearly dictates otherwise. Also, " comprise "and / or" comprising "when used herein should be interpreted as specifying the presence of stated shapes, numbers, steps, operations, elements, elements, and / And does not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, operations, elements, elements, and / or groups.

본 발명에서 레독스 흐름 전지는 기존 이차 전지와는 달리, 전해액 중의 활물질(active material)이 산화·환원되어 충 방전되는 시스템에 관한 것으로, 전해액의 화학적 에너지를 직접 전기에너지로 저장시키는 전기화학적 축전 장치를 의미한다. Unlike conventional secondary batteries, the redox flow battery in the present invention is a system in which an active material in an electrolyte is oxidized and reduced to be charged and discharged. The redox flow battery is an electrochemical storage device for storing chemical energy of an electrolyte directly as electric energy .

도 1에 나타난 바와 같이, 전지 시스템을 주입 방식에 따라 분리하면, 크게 단일 주입 및 이중 주입으로 구별되며, 단일 주입 방식은 분리막이 존재하지 않으며, 전해질로 산성을 쓰는 것과 염기성을 쓰는 것으로 구별된다. 이중 주입의 경우에는 분리막을 필수적으로 이용하게 되며, 다시 전해질로 산만 사용하는 경우와 염기만 사용하는 경우 및 산/염기를 모두 사용하는 경우로 구별할 수 있다. 단일 산이나 염기 전해질을 사용하는 경우에는 고전압의 구현이 어려운 문제가 있지만, 본 발명의 일 구체 예에 따른 레독스 흐름 전지 및 전지 시스템의 경우, 이중 주입 방식으로 산/염기 전해질을 모두 사용함으로 인해, 고전압의 전지를 구현할 수 있는 장점이 있다. As shown in FIG. 1, when the battery system is separated according to the injection method, it is largely divided into a single injection and a double injection, and a single injection system is distinguished by the absence of a separation membrane and the use of an acid as an electrolyte and a basicity. In the case of double injection, a separation membrane is essentially used, and it is also possible to distinguish the case where the acid is used only as the electrolyte, the case where only the base is used, and the case where the acid / base is used in both cases. When a single acid or a base electrolyte is used, it is difficult to realize a high voltage. However, in the case of the redox flow battery and the battery system according to one embodiment of the present invention, since both the acid / , And a high-voltage battery can be realized.

레독스 전지는 전해액에 전기를 비축하기 때문에 셀을 늘리는 것이 아닌 전해액을 늘리는 것에 의해 저장전력을 증가시키며, 셀과 전해액은 분리설치가 가능하기 때문에 충전이 완료된 전해액을 밀폐된 용기에 보존하는 것에 따라 장기에 걸쳐 낮은 비용으로 전력을 저장할 수 있다. 레독스 전지는 제작하기 위해 특별한 제조설비를 필요로 하지 않기 때문에 소형(수 와트)부터 대형(수만 킬로와트)까지 임의 사양으로 제작할 수 있다.Because the redox battery stores electricity in the electrolyte, it increases the stored power by increasing the electrolyte, not by increasing the cell. Since the cell and the electrolyte can be separated and installed, the stored electrolyte is stored in a closed container Power can be stored at low cost over a long period of time. Because redox batteries do not require special manufacturing facilities to make them, they can be manufactured in a small size (several watts) to large (tens of thousands of kilowatts).

레독스 전지는 기존 이차전지와는 달리 전해액 중의 활물질(active material)이 산화·환원되어 충·방전되는 시스템으로 전해액의 화학적 에너지를 직접 전기에너지로 저장시키는 전기화학적 축전장치이다.Unlike conventional rechargeable batteries, the redox battery is an electrochemical storage device in which the active energy of the electrolyte is oxidized and reduced to charge and discharge, and the chemical energy of the electrolyte is stored directly as electrical energy.

본 발명의 일 구체 예에서, 본 발명의 전지는 산성 전해질을 포함하는 양극 전해질을 포함하는 제1 외부 저장조; 염기성 전해질을 포함하는 음극 전해질을 포함하는 제2 외부 저장조; 전극; 양이온만 이동시키는 고체 전해질 분리막; 및 바이폴라플레이트를 포함하며, 상기 산성 전해질은 양극 활물질을 포함하고, 상기 염기성 전해질은 음극 활물질을 포함하며, 상기 음극 및 양극 전해질은 이중 주입 방식으로 음극 및 양극으로 주입되는 것인 레독스 흐름 전지이다. In one embodiment of the present invention, the battery of the present invention comprises a first external reservoir containing a positive electrode electrolyte comprising an acidic electrolyte; A second external reservoir including a negative electrode electrolyte including a basic electrolyte; electrode; A solid electrolyte separator for moving only cations; And a bipolar plate, wherein the acidic electrolyte comprises a cathode active material, the basic electrolyte comprises a cathode active material, and the cathode and the anode electrolyte are injected into a cathode and an anode in a double injection manner .

보다 구체적으로, 레독스 흐름 전지는 활물질을 포함하는 전해질이 저장되어 있는 외부 저장조, 활물질의 전기 화학적 반응이 발생하는 전극, 양극 및 음극 전해질을 분리하고, 적층시 가해지는 압력으로부터 전극을 보호하기 위한 바이폴라플레이트, 양극 및 음극 전해액의 직접적인 접촉을 방지하고 및 양이온의 투과 및 활물질 이온의 투과 방지를 위한 분리막을 포함한다. 전해질을 저장하고 있는 외부 저장조로 구성되어 있어, 출력과 용량을 자유롭게 설계 가능하다. 외부 저장조로부터 전해질이 공급되기 때문에 각 전지 셀의 충전 상태는 동일하여 셀 밸런싱 등의 작업이 불필요하며 상온 작동형이고, 보수 관리 등이 용이하다. 또한, CO2 등의 배기가스가 발생하지 않는다. More specifically, the redox flow cell comprises an external reservoir in which an electrolyte containing an active material is stored, an electrode in which an electrochemical reaction of the active material occurs, an anode and a cathode electrolyte, and an electrode for protecting the electrode from pressure applied during stacking A bipolar plate, a separator for preventing direct contact between the positive and negative electrode electrolytes, and for preventing permeation of cations and permeation of active ions. It consists of an external reservoir that stores the electrolyte, so that the output and capacity can be freely designed. Since the electrolyte is supplied from the external storage tank, the charging state of each battery cell is the same, so that operation such as cell balancing is unnecessary. Further, no exhaust gas such as CO 2 is generated.

본 발명의 일 구체예에서, 본 발명의 전지는 양이온만 이동시키는 고체 전해질 분리막을 포함하며, 상기 고체 전해질 분리막은 1족 및 2족 금속의 양이온의 이동이 가능한 고체 전해질 분리막이며, 여기서 상기 양이온은 바람직하게는 Na+, Li+ 및 K+로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상이며, 보다 바람직하게는 K+ 이지만, 이들로 제한되는 것은 아니다. In one embodiment of the present invention, the battery of the present invention includes a solid electrolyte separator for moving only positive ions, and the solid electrolyte separator is a solid electrolyte separator capable of moving cations of Group 1 and Group 2 metals, Preferably at least one selected from the group consisting of Na +, Li + and K +, more preferably K +, but is not limited thereto.

상기 고체 전해질 분리막은 일반적으로, 1) 이온의 선택 투과성이 높을 것 2) 전기적 저항이 작을 것 3) 용질, 용매의 확산계수가 작을 것 4) 화학적으로 안정할 것 4) 기계적 강도가 우수할 것 5) 가격이 저렴할 것의 상기 5가지의 조건을 충족시켜야 하며, 도 2는 고체 전해질 분리막의 개념도에 관한 것으로, 도 2에 따르면, 일반적인 고체 전해질 분리막은 2H+의 선택 투과성이 높고, 이온 활물질의 투과를 막을 수 있어야 한다. 하지만, 네피온(Nafion) 막을 전지에 적용할 경우 이온 활물질의 투과로 에너지 효율이 떨어지는 문제가 있다. 이러한 문제를 막기 위한 방안으로, 마이크로다공성(Microporous) PVC 분리막과 울트라-마이크로다공성(microporous) 필터 분리막, CMV, AMV 등에 전도성 고분자인 폴리아닐린, 폴리피롤린 등을 접합시키거나, 실리카가 충전된(silica-filled) PE, PE 대칭막과 비대칭막에 전자선으로 가교한 분리막 등의 다양한 방안이 사용되고 있다. The solid electrolyte separator generally has: 1) high selectivity of ions 2) low electrical resistance 3) low diffusion coefficient of solute and solvent 4) chemically stable 4) excellent mechanical strength 2) is a conceptual view of a solid electrolyte separator. According to FIG. 2, a typical solid electrolyte separator has a high selective permeability of 2H +, and a permeability of an ionic active material It must be able to prevent it. However, when the Nafion membrane is applied to a battery, there is a problem that energy efficiency is deteriorated due to permeation of the ionic active material. In order to prevent such problems, a method of bonding a conductive polymer such as polyaniline or polypyrroline to a microporous PVC membrane and an ultra-microporous filter membrane, CMV or AMV, or a silica- filled PE, PE symmetric membranes, and asymmetric membranes cross-linked with electron beams.

본 발명의 일 구체예에 따른 고체 전해질 분리막은 이온 활물질의 투과는 막으면서도, 1족 및 2족 금속의 양이온의 이동이 가능하고, 에너지 효율이 우수한 고체 전해질 분리막에 관한 것이다. 여기서 상기 양이온은 1족 및 2족 금속의 양이온이고, 바람직하게는 Na+, Li+ 및 K+로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상이며, 보다 바람직하게는 K+ 이고, 이들로 제한되는 것은 아니다. The solid electrolyte separator according to one embodiment of the present invention relates to a solid electrolyte separator which permits migration of cations of Group 1 and Group 2 metals while preventing permeation of an ionic active material, and is excellent in energy efficiency. Here, the cation is a cation of a Group 1 or Group 2 metal, and is preferably at least one selected from the group consisting of Na +, Li + and K +, more preferably K +, but is not limited thereto.

본 발명의 일 구체예에서, 본 발명의 고체 전해질 분리막은 공극 부피가 30~70%이고, 기공 사이즈가 0.05~0.1㎛이며, 두께가 0.3~1.0mm이다. 상기의 공극 부피 및 기공 사이즈로 인해, 기존의 분리막과 달리, K+를 이동시킬 수 있다. 즉, 공극 부피가 30% 미만이며, 기공 사이즈가 0.05㎛미만일 경우, K+의 이동이 불가하며, 공극 부피가 70% 초과, 기공 사이즈가 0.1㎛ 초과일 경우, K+ 뿐만 아니라, 다른 이온의 투과로 인해, 에너지 효율이 떨어지는 문제가 있다. 또한, 두께가 0.3mm 미만일 경우, 이온의 선택적 투과속도가 빨라 에너지 효율이 증가하지만 외부 입자들에 의한 막 표면 충돌로 인해 막 표면이 찢어진다거나 하여 막 수명을 짧게 할 수 있다. 한편, 1.0mm를 초과할 경우, 막 두께가 두꺼워서 이온의 선택적 투과속도가 느려져 에너지 효율이 감소하고, 더욱이 경제성이 떨어지는 문제가 있다. In one embodiment of the present invention, the solid electrolyte separator of the present invention has a void volume of 30 to 70%, a pore size of 0.05 to 0.1 탆, and a thickness of 0.3 to 1.0 mm. Due to the pore volume and pore size, unlike conventional separators, K + can be moved. That is, when the pore volume is less than 30% and the pore size is less than 0.05 mu m, K + migration is not possible. When the pore volume is more than 70% and the pore size is more than 0.1 mu m, There is a problem of low energy efficiency. If the thickness is less than 0.3 mm, the selective permeation speed of the ions is increased to increase the energy efficiency, but the film surface is torn due to the surface collision caused by the external particles, thereby shortening the film life. On the other hand, if it exceeds 1.0 mm, there is a problem that the film thickness is thick and the selective permeation speed of the ions is slowed down, resulting in a decrease in energy efficiency, and furthermore, economical efficiency is lowered.

본 발명의 일 구체 예에서, 본 발명의 고체 전해질 분리막은 내산/내알칼리성의 양쪽성 고체 전해질 분리 막이다. 기존의 레독스 흐름 전지의 경우, 전해질로 산성 또는 염기성 전해질을 사용하였기 때문에,내산/내알칼리성의 양쪽성 분리막을 사용할 필요가 없었다. 하지만, 본 발명의 전지는 전해질로 산 및 염기를 동시에 사용함으로,내산/내알칼리성의 특성을 지닌 고체 전해질 분리 막을 사용한다.In one embodiment of the present invention, the solid electrolyte separation membrane of the present invention is an acid-resistant / alkali-resistant amphoteric solid electrolyte separation membrane. In the case of the conventional redox flow cell, since an acidic or basic electrolyte is used as the electrolyte, it is not necessary to use an acid / alkali-resistant ampholyte separator. However, since the battery of the present invention uses an acid and a base as an electrolyte at the same time, a solid electrolyte separation membrane having acid / alkali resistance characteristics is used.

본 발명의 일 구체 예에서, 본 발명의 전지에 적용될 수 있는 양극 활물질은 Ce, Ni, Co, Mn, V 및 Fe로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나이고, 바람직하게는 Fe이지만, 이들로 제한되는 것은 아니다. In one embodiment of the present invention, the positive electrode active material applicable to the battery of the present invention is any one selected from the group consisting of Ce, Ni, Co, Mn, V and Fe, preferably Fe, no.

본 발명의 일 구체 예에서, 본 발명의 전지에 적용될 수 있는 산성 전해질은 황산(H2SO4), 질산 및 인산으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상이며, 바람직하게는 황산(H2SO4)이지만, 예시에 국한되지 않으며, 강한 산성 전해질로 분류되는 산은 모두 사용 가능하다.In one embodiment of the present invention, the acidic electrolyte applicable to the battery of the present invention is at least one selected from the group consisting of sulfuric acid (H 2 SO 4 ), nitric acid and phosphoric acid, preferably sulfuric acid (H 2 SO 4 ) However, the present invention is not limited to the examples, and all acids classified as strong acid electrolytes can be used.

본 발명의 일 구체 예에서, 본 발명의 전지는 염기성 전해질에 음극 활물질을 용해시킨 것이며, 상기 음극 활물질은 Zn, V 및 Fe로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상이며, 바람직하게는 Zn이지만, 이들로 제한되는 것은 아니다. In one embodiment of the present invention, the battery of the present invention is obtained by dissolving a negative electrode active material in a basic electrolyte, and the negative electrode active material is at least one selected from the group consisting of Zn, V and Fe, But is not limited to.

본 발명의 일 구체 예에서, 본 발명의 전지에 적용될 수 있는 염기성 전해질은 수산화리튬(LiOH), 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH) 및 수산화 칼슘(Ca(OH)2)으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상이며,바람직하게는 수산화칼륨(KOH)이지만, 이들로 제한되지 않는다.In one embodiment of the invention, the alkaline electrolyte which can be applied to the battery of the present invention from the group consisting of lithium hydroxide (LiOH), potassium hydroxide (KOH), sodium hydroxide (NaOH) and calcium hydroxide (Ca (OH) 2) (KOH), but it is not limited thereto.

본 발명의 일 구체 예에서, 본 발명의 음극 활물질-양극 활물질은 Zn-Ce, Zn-Ni, Zn-Co, Zn-Mn 및 Zn-Fe로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 커플이며, 바람직하게는 음극 활물질-양극 활물질은 Zn-Fe 커플인 레독스 흐름 전지에 관한 것이다. 산 전해질에서의 양극 활물질인 Fe와 염기 전해질내의 음극 활물질인 Zn를 사용하여 1.5 V 이상의 전압과 85% 이상의 스택 효율로 구동할 수 있다. Zn-Ni 전해질 일체형 레독스 흐름 전지와는 전혀 다른 타입의 하이브리드 전해질 분리형 시스템에 적합한 최적의 전이금속 레독스 양극 및 음극 활물질 커플의 개발로써 85%이상의 스택 효율을 낼 수 있는 안정한 양극 및 음극 활물질 커플이다. Fe이온을 함유한 환원제 활물질의 산화물 또는 복합체 등의 고체상이나 또는 용해 상을 다양한 산 수용액에 용해시켜 양극 전해액(anolyte)로 사용하고, 강알칼리 전해질에 Zn가 녹아있는 수용액을 음극 전해액(catholyte)로 사용하는 Zn-Fe 레독스 흐름 전지이다. 음극 활 물질로는 Zn를 사용하는데 Zn는 산 수용액에서 -0.76 V(vs. SHE), 알칼리 수용액에서 -1.22 V(vs. SHE)의 전압이 형성되기 때문에 대표적인 음극 전극으로 사용된다. In one embodiment of the present invention, the negative electrode active material-positive electrode active material of the present invention is any one or more selected from the group consisting of Zn-Ce, Zn-Ni, Zn-Co, Zn- Negative electrode active material - The positive electrode active material is a redox flow cell which is a Zn-Fe couple. Using Fe, which is a positive electrode active material in acid electrolyte, and Zn, which is a negative electrode active material in a base electrolyte, a voltage of 1.5 V or more and a stack efficiency of 85% or more can be driven. Zn-Ni Electrolyte Integrated Redox Positive and Negative Active Material Couplers that can achieve a stacking efficiency of 85% or more by developing an optimal combination of positive and negative electrode active materials suitable for separating hybrid-electrolyte type systems to be. A solid phase or a dissolved phase such as an oxide or a complex of a reducing agent active material containing Fe ions is dissolved in various aqueous acid solutions to be used as an anode and an aqueous solution in which Zn is dissolved in a strong alkali electrolyte is used as a cathode electrolyte Lt; RTI ID = 0.0 > Zn-Fe < / RTI > Zn is used as an anode active material, and Zn is used as a typical cathode electrode since a voltage of -0.76 V (vs. SHE) in an aqueous acid solution and a voltage of -1.22 V (vs. SHE) are formed in an aqueous alkaline solution.

본 발명의 일 구체 예에서, 본 발명의 전지는 강한 환원제인 레독스(redox) 양극 활물질을 산 수용액에 용해시켜 양극 전해액(Anolyte)으로 사용하고, 강 알칼리 전해질에 음극 활물질이 녹아있는 수용액을 음극 전해액(Catholyte)으로 사용하는 전지 시스템으로, 음극과 양극은 특이 양이온만 이동시키는 고체 전해질 분리막으로 분리되어 있는 형태를 취하고 있으며 이중 주입 방식으로 전해질이 도입되는 시스템이다. 이중 주입의 경우에는 분리막을 필수적으로 이용하게 되며, 전해질로 산만 사용하는 경우와 염기만 사용하는 경우 및 산/염기를 모두 사용하는 경우로 구별할 수 있다. 단일 산이나 염기 전해질을 사용하는 경우에는 고전압의 구현이 어려운 문제가 있지만, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전지 시스템의 경우, 이중 주입 방식으로 산/염기 전해질을 모두 사용함으로 인해, 고전압의 전지를 구현할 수 있다. In one embodiment of the present invention, the battery of the present invention is produced by dissolving a redox cathode active material, which is a strong reducing agent, in an aqueous acid solution to use as an anode electrolyte, and an aqueous solution in which a negative active material is dissolved in a strong alkaline electrolyte, The cathode and anode are separated into a solid electrolyte separator for transferring only specific cations, and the electrolyte is introduced by double injection. In the case of double injection, a separation membrane is essentially used, and it is possible to distinguish the case of using only the acid as the electrolyte, the case of using only the base, and the case of using both the acid and the base. When a single acid or a base electrolyte is used, it is difficult to realize a high voltage. However, in the case of the battery system according to an embodiment of the present invention, since both acid / base electrolytes are used in a dual injection mode, Can be implemented.

본 발명의 일 구체 예에서, 본 발명의 이중주입 방식은 제1 외부 저장조에 포함된 음극 전해질 및 제2 외부 저장조에 포함된 양극 전해질이 음극 및 양극으로 주입, 산화환원반응 및 회수의 순으로 순환하는 것인 레독스 흐름 전지에 관한 것이다. 음극 전해질 및 양극 전해질은 외부 저장조에 별도로 보관되어 있어, 외부 저장조에서 음극 및 양극으로 주입되고, 음극 및 양극에서 산화환원반응이 일어나게 된다. 산화환원반응이 종료되면, 다시 전해질을 회수하는 방식으로 순환하는 방식의 레독스 흐름 전지에 관한 것이다. In one embodiment of the present invention, the double injection method of the present invention is characterized in that the cathode electrolyte included in the first external reservoir and the anode electrolyte included in the second external reservoir are circulated in the order of injection, redox reaction and recovery into the anode and the anode To a redox flow cell. The negative electrode electrolyte and the positive electrode electrolyte are separately stored in the external reservoir, and are injected from the external reservoir into the negative electrode and the positive electrode, and a redox reaction occurs at the negative electrode and the positive electrode. And a redox flow cell in which the electrolyte is recovered when the oxidation-reduction reaction is terminated.

본 발명의 일 구체 예에서, 본 발명의 바이폴라플레이트는 금(Au), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 그라파이트 및 카본 복합체로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상인 것인 레독스 흐름 전지에 관한 것이다. 레독스 흐름 전지에서 바이폴라플레이트는 전극 스택의 각 셀을 분리하는 판으로서, 전지의 내부 저항을 최소화하기 위해 도전성이 요구되고, 인접하는 셀로 전해액이 새지 않고 확실히 차단되어야 한다. 또한, 바이폴라플레이트는 전해액에 의한 압력과 온도변화에 의해 열 수축 등도 발생할 수 있기 때문에 높은 기계적 강도(인장 강도) 및 변형에 의한 파손이 발생하지 않도록 연신 특성도 갖추어야 한다. 이에, 상기의 특성을 만족시키기 위해, 금(Au), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 그라파이트 및 카본 복합체로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상인 것을 사용하며, 예시에 국한되지 않고, 높은 기계적 강도, 연신 특성과 같은 특징을 만족시키는 것은 모두 사용 가능하다. In one embodiment of the present invention, the bipolar plate of the present invention is at least one selected from the group consisting of gold (Au), platinum (Pt), titanium (Ti), graphite, and carbon composite . In the redox flow cell, the bipolar plate is a plate for separating each cell of the electrode stack. In order to minimize the internal resistance of the cell, conductivity is required, and the electrolyte must be surely blocked from being leaked to the adjacent cell. In addition, the bipolar plate is required to have a stretching property to prevent high mechanical strength (tensile strength) and breakage due to deformation because heat shrinkage or the like may also occur due to pressure and temperature change caused by the electrolyte solution. In order to satisfy the above-mentioned characteristics, any one selected from the group consisting of gold (Au), platinum (Pt), titanium (Ti), graphite and carbon composite is used. , And stretching characteristics can all be used.

본 발명의 일 구체 예에서, 본 발명의 양극 및 음극은 금(Au), 주석(Sn), 티타늄(Ti), 백금-티타늄(Pt-Ti), 산화이리듐-티타늄(IrO-Ti) 및 카본으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 것인 레독스 흐름 전지에 관한 것이다. 전극은 전기 전도도와 기계적 강도가 우수해야 하며, 화학적, 전기화학적으로 안정해야 한다. 또한 전지에 적용하였을 때, 높은 효율을 보일 수 있어야 하고, 가격이 저렴하며, 활성 물질과의 산화/환원 반응이 가역적으로 이루어지는 물질이어야 한다. 이러한 기준을 고려하여, 상기와 같이, 금(Au), 주석(Sn), 티타늄(Ti), 백금-티타늄(Pt-Ti), 산화이리듐-티타늄(IrO-Ti) 및 카본으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 것으로, 산 및 염기에서 안정성을 유지할 경우, 예시에 국한되지 않고 사용이 가능하다. 그 중, 탄소 재료는 가격이 저렴하고, 산 및 염기의 전해질에서 높은 내화학성을 지니고 있으며, 표면처리가 용이한 장점이 있다. 특히, 탄소재료 중 탄소펠트의 경우, 내화학성, 넓은 전압 범위에서의 안정성, 고강도 특성을 가진 것을 장점으로 한다. 다만, 탄소(Carbon)와 그래파이트(graphite)만으로 전극을 제조하면 부서지기 쉬우므로, 이에 대한 해결방안으로 폴리바이닐이덴(Polyvinylidene) (PVDF), 고 밀도 폴리에틸렌(high density polyethylene) (HDPE), 폴리바이닐 아세테이트(polyvinyl acetate) (PVA), 폴리올레핀(polyolefine) 등의 바인더를 카본 블랙(carbon black), 그래파이트 섬유(graphite fiber) 등의 전도성 물질과 혼합하여 카본 고분자 복합형 전극(carbon polymer composite electrode)이다.In one embodiment of the present invention, the positive electrode and the negative electrode of the present invention are formed of at least one selected from the group consisting of gold (Au), tin (Sn), titanium (Ti), platinum-titanium (Pt-Ti), iridium- Wherein the redox flow cell is at least one selected from the group consisting of a redox flow cell and a redox flow cell. The electrode should have good electrical conductivity and mechanical strength, and be chemically and electrochemically stable. When applied to a battery, it should exhibit high efficiency, be inexpensive, and have a reversible oxidation / reduction reaction with the active material. In consideration of this criterion, it is preferable to use a material selected from the group consisting of gold (Au), tin (Sn), titanium (Ti), platinum-titanium (Pt-Ti), iridium oxide- Any one or more of them may be used without limitation in the case of maintaining stability in an acid and a base. Among them, the carbon material has a low cost, has high chemical resistance in an electrolyte of an acid and a base, and has an advantage of being easy to surface treatment. Particularly, the carbon felt in the carbon material has an advantage of having chemical resistance, stability in a wide voltage range, and high strength. However, since the electrodes are made of only carbon and graphite, it is likely to be broken. As a solution to this problem, polyvinylidene (PVDF), high density polyethylene (HDPE), poly A carbon polymer composite electrode is formed by mixing a binder such as polyvinyl acetate (PVA) or polyolefin with a conductive material such as carbon black or graphite fiber .

본 발명의 일 구체 예에서, 본 발명의 전지시스템은 음극 활물질을 포함하는 음극 전해액(Catholyte); 양극 활물질을 포함하는 양극 전해액(Anolyte); 전극; 및 양이온만 이동시키는 고체 전해질 분리막을 포함하며, 상기의 각 전해질은 전극으로 주입 및 회수되어 순환되며, 양극 활물질 및 음극 활물질이 각각 산화환원반응을 진행하는 것인 상기의 레독스 흐름 전지에 적용할 수 있는 전지 시스템에 관한 것이다. 전지 시스템은 펌프 및 배관을 통하여 저장조의 양극전해액과 음극전해액이 각각 분리 막으로 나누어져 있는 양극 및 음극으로 주입되며, 산화환원 반응을 마친 양극 및 음극전해액은 다시 원래의 저장조로 회수되게 되고 반응이 종료될 때가지 각각의 전해액은 양극 및 음극을 순환하며 산화 환원반응이 발생한다.In one embodiment of the present invention, the battery system of the present invention comprises a cathode electrolyte including a negative electrode active material; A positive electrode electrolyte (Anolyte) containing a positive electrode active material; electrode; And a solid electrolyte separator for transferring only the positive ions, wherein each of the electrolytes is injected into and recovered from an electrode, circulated, and the positive electrode active material and the negative electrode active material respectively undergo redox reaction. And more particularly, In the battery system, the anode and cathode electrolytes of the storage tank are injected into the anode and the cathode, respectively, which are separated from each other through the pump and the piping. After the redox reaction, the anode and cathode electrolytes are returned to the original storage tank. Each of the electrolytes circulates through the anode and the cathode until the end, and a redox reaction occurs.

본 발명의 일 구체 예에서, 본 발명의 레독스 흐름 전지는 양이온만 이동시키는 고체 전해질 분리막을 포함하며, 상기 고체 전해질 분리막은 이온 활물질의 투과는 막으면서도, 1족 및 2족 금속의 양이온의 이동이 가능하고, 에너지 효율이 우수하다. 여기서 상기 양이온은 1족 및 2족 금속의 양이온이고, 바람직하게는 Na+, Li+ 및 K+로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 것이며, 보다 바람직하게는 K+ 이지만, 이들로 제한되는 것은 아니다.In one embodiment of the present invention, the redox flow cell of the present invention comprises a solid electrolyte separator for moving only positive ions, and the solid electrolyte separator is a membrane in which the permeation of the ionic active material is blocked while the migration of cations of Group 1 and Group 2 metals And is excellent in energy efficiency. Here, the cation is a cation of a Group 1 or Group 2 metal, and is preferably at least one selected from the group consisting of Na +, Li + and K +, more preferably K +, but is not limited thereto.

본 발명의 일 구체 예에서, 본 발명의 전지 시스템에 적용될 수 있는 산성 전해질은 황산(H2SO4), 질산 및 인산으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상이며, 바람직하게는 황산(H2SO4)이지만, 예시에 국한되지 않으며, 강한 산성 전해질로 분류되는 산은 모두 사용 가능하다. In one embodiment of the present invention, the acidic electrolyte applicable to the battery system of the present invention is at least one selected from the group consisting of sulfuric acid (H 2 SO 4 ), nitric acid and phosphoric acid, preferably sulfuric acid (H 2 SO 4 ), But not limited to, the acids classified as strong acid electrolytes are all usable.

본 발명의 일 구체 예에서, 본 발명의 전지 시스템은 염기성 전해질에 음극 활물질을 용해시킨 것이며, 상기 음극 활물질은 Zn, V 및 Fe로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상이며, 바람직하게는 Zn이지만, 예시에 국한되지는 않는다. In one embodiment of the present invention, the battery system of the present invention is obtained by dissolving a negative electrode active material in a basic electrolyte, and the negative electrode active material is at least one selected from the group consisting of Zn, V and Fe, .

본 발명의 일 구체 예에서, 본 발명의 전지 시스템에 적용될 수 있는 염기성 전해질은 수산화리튬(LiOH), 수산화칼륨(KOH), 수산화 나트륨(NaOH) 및 수산화 칼슘(Ca(OH)2)으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상이며,바람직하게는 수산화칼륨(KOH)이지만, 예시에 국한되지 않는다.In one embodiment of the invention, the alkaline electrolyte which can be applied to the battery system of the present invention is the group consisting of lithium hydroxide (LiOH), potassium hydroxide (KOH), sodium hydroxide (NaOH) and calcium hydroxide (Ca (OH) 2) , Preferably potassium hydroxide (KOH), but it is not limited to examples.

본 발명의 일 구체 예에서, 본 발명의 음극활물질-양극활물질은 Zn-Ce, Zn-Ni, Zn-Co, Zn-Mn 및 Zn-Fe로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 커플이며, 바람직하게는 음극활물질-양극활물질은 Zn-Fe 커플인 전지 시스템에 관한 것이다. 산 전해질에서의 양극 활물질인 Fe과 염기 전해질내의 음극 활물질인 Zn를 사용하여 1.5 V 이상의 높은 전압과 85% 이상의 스택효율로 구동할 수 있다. Zn-Ni 전해질 일체형 레독스 흐름 전지와는 전혀 다른 타입인 하이브리드 전해질 분리형 시스템에 관한 것이다. 새로운 타입의 하이브리드 전해질 분리형 시스템에 적합한 최적의 전이금속 레독스 양극 및 음극 활물질 커플의 개발함로 인해, 85%이상의 스택 효율을 낼 수 있다. Fe이온을 함유한 환원제 활물질의 산화물 또는 복합체 등의 고체상이나 또는 용해 상을 다양한 산 수용액에 용해시켜 양극 전해액(enolyte)으로 사용하고, 강알칼리 전해질에 Zn가 녹아있는 수용액을 음극 전해액(catholyte)으로 사용하는 Zn-Fe 레독스 흐름 전지이다. 음극 활 물질로는 Zn를 사용하는데 Zn는 산 수용액에서 -0.76 V(vs. SHE), 알칼리 수용액에서 -1.22 V(vs. SHE)의 전압이 형성되기 때문에 대표적인 음극 전극으로 사용된다. In one embodiment of the present invention, the negative electrode active material-positive electrode active material of the present invention is any one or more selected from the group consisting of Zn-Ce, Zn-Ni, Zn-Co, Zn- Negative electrode active material - The positive electrode active material is a Zn-Fe couple. Fe can be driven at a high voltage of 1.5 V or higher and a stacking efficiency of 85% or more by using Fe, which is a cathode active material in an acid electrolyte, and Zn, an anode active material in a base electrolyte. Zn-Ni electrolyte-integrated redox flow cell, which is a type entirely different from the redox flow cell. Due to the development of optimal transition metal redox anode and anode active material couples suitable for a new type of hybrid electrolyte detachable system, a stacking efficiency of over 85% can be achieved. A solid phase or a dissolution phase such as an oxide or a complex of a reducing agent active material containing Fe ions is dissolved in various acid aqueous solutions to be used as a positive electrode electrolyte and an aqueous solution in which Zn is dissolved in a strong alkali electrolyte is used as a catholyte Lt; RTI ID = 0.0 > Zn-Fe < / RTI > Zn is used as an anode active material, and Zn is used as a typical cathode electrode since a voltage of -0.76 V (vs. SHE) in an aqueous acid solution and a voltage of -1.22 V (vs. SHE) are formed in an aqueous alkaline solution.

구체적으로, 상기의 예시와 같은 음극 활물질-양극 활물질 커플을 사용한 경우에 대한 전압은 하기와 같다.Specifically, the voltage for a negative electrode active material-positive electrode active material couple as described above is as follows.

① Zn-Ni 커플① Zn-Ni couples

음극: Zn(OH)4 2 + + 2e → Zn(s) + 4OH- E0=-1.22V : 알칼리성Negative electrode: Zn (OH) 4 2 + + 2e? Zn (s) + 4OH - E 0 = -1.22V:

양극: Ni2 + + 2H2O → NiO2(s) + 4H+ + 2e E0=-1.77V : 산성The anode: Ni 2 + + 2H 2 O -> NiO 2 (s) + 4H + + 2e E 0 = -1.77V: Acid

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------

Zn(OH)4 2 + + Ni2+ → Zn(s) + NiO2(s) + 2H2O E0=-2.99VZn (OH) 4 2 + + Ni 2+ ? Zn (s) + NiO 2 (s) + 2H 2 OE 0 = -2.99 V

② Zn-Ce 커플② Zn-Ce couples

음극: Zn(OH)4 2 + + 2e → Zn(s) + 4OH- E0=-1.22VNegative electrode: Zn (OH) 4 2 + + 2 e Zn (s) + 4 OH - E 0 = -1.22 V

양극: 2Ce3 + → 2Ce4 + + 4H+ + 2e E0=-1.61V Anode: 2Ce + 3 → 2Ce + 4 + 4H + + 2e E 0 = -1.61V

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ --------------------------------------

Zn(OH)4 2 + + 2Ce3 + → Zn(s) + 2Ce4 + + 4H2O E0=-2.83VZn (OH) 4 2 + + 2Ce 3 + - > Zn (s) + 2Ce 4 + + 4H 2 OE 0 = -2.83V

③ Zn-Co 커플③ Zn-Co couple

음극: Zn(OH)4 2 + + 2e → Zn(s) + 4OH- E0=-1.22VNegative electrode: Zn (OH) 4 2 + + 2 e Zn (s) + 4 OH - E 0 = -1.22 V

양극: 2Co2 + → 2Co3 + + 4H+ + 2e E0=-1.82V Anode: 2Co 2 + - > 2Co 3 + + 4H + + 2e E 0 = -1.82V

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------

Zn(OH)4 2 + + 2Co2 + → Zn(s) + 2Co3 + + 4H2O E0=-3.04VZn (OH) 4 2 + + 2Co 2 + - > Zn (s) + 2Co 3 + + 4H 2 OE 0 = -3.04V

④ Zn-Mn 커플④ Zn-Mn couple

음극: Zn(OH)4 2 + + 2e → Zn(s) + 4OH- E0=-1.22VNegative electrode: Zn (OH) 4 2 + + 2 e Zn (s) + 4 OH - E 0 = -1.22 V

양극: Mn5 ++ 2H2O → MnO2+ 4H+ + 2e E0=-1.507V Mn 5 + 2H 2 O MnO 2 + 4H + + 2e E 0 = -1.507 V

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------

Zn(OH)4 2 + + Mn2 + → Zn(s) + MnO2 + 2H2O E0=-2.727V Zn (OH) 4 2 + + Mn 2 + - & gt ; Zn (s) + MnO 2 + 2H 2 O E 0 = -2.727 V

⑤ Zn-Fe 커플⑤ Zn-Fe couple

음극: Zn(OH)4 2 + + 2e → Zn(s) + 4OH- E0=-1.22VNegative electrode: Zn (OH) 4 2 + + 2 e Zn (s) + 4 OH - E 0 = -1.22 V

양극: 2Fe2 + → 2Fe3 + + 4H+ + 2e E0=-0.77V Anode: 2Fe 2 + - > 2Fe 3 + + 4H + + 2e E 0 = -0.77V

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ --------------------------------------

Zn(OH)4 2 + 2Fe2 + → Zn(s) + 2Fe3+ + 4H2O E0=-1.99VZn (OH) 4 2 + 2Fe 2 + - > Zn (s) + 2Fe 3+ + 4H 2 O E 0 = -1.99 V

Zn을 음극으로 사용하는 모든 종류의 전지에서는 음극에서의 Zn 덴드라이트 구조 생성과 Zn의 전해질에 의한 침식이 문제이다. 전극에 Zn이 첨적된 덴드라이트 구조의 생성은 전지의 단락에 의한 안정성을 저해하며, 전해질에 의한 Zn의 침식은 자가 방전의 요인 중 하나이다. Zn의 침식에 의한 자가 방전을 줄이기 위해 일반적으로 KOH 전해질을 사용하지만, 이러한 KOH를 대체 하기 위한 다른 전해질을 찾고 있고, NaOH, LiOH 또는 KF 등의 전해질이 검토되고 있다. 하지만, 상기의 대체 전해질을 사용한 결과, Zn의 침식을 어느 정도 감소시키는 결과를 얻었으나 전반적인 전지성능에서는 KOH를 전해질로 사용할 때의 성능에는 미치지 못하고 있다. In all kinds of batteries using Zn as a cathode, formation of a Zn dendrite structure at the cathode and erosion by the electrolyte of Zn are problems. The formation of a dendritic structure in which Zn is added to the electrode inhibits the stability of the battery due to a short circuit, and the erosion of Zn by the electrolyte is one of the factors of self-discharge. KOH electrolytes are generally used to reduce self-discharge by Zn erosion, but other electrolytes are being sought to replace such KOH, and electrolytes such as NaOH, LiOH or KF are being investigated. However, as a result of using the above-described alternative electrolyte, the result of reducing the erosion of Zn to some extent was obtained, but the performance of the KOH as an electrolyte was not satisfied in the overall battery performance.

Zn의 덴드라이트 구조 형성은 전해질의 유속 및 집전 체의 종류에 따라 많은 영향을 받는다. 전해질의 유속(velocity)이 15cm/s 이상 일 때 Zn 덴드라이트 성장 방향이 전해질의 흐름 방향을 따르고 있으며, 카드늄 플레이트를 집전체로 사용할 경우 덴드라이트 성장이 억제되었다. 하지만 이러한 결과들로 인해, 레독스 흐름 전지의 운전 조건과 설계조건에 상당한 제약을 가한다. 음극 활 물질로 사용되는 Zn의 표면 개질을 통한 덴드라이트 구조 성장억제가 보다 더 효과적인 해결 방안이 된다. 기존의 Ni-Zn 충전(rechargeable) 전지에서는 Zn 표면을 TiO2와 같은 금속산화물로 코팅하여 Zn 덴드라이트 구조 생성을 억제하고 Zn의 침식을 방지하여 자가 방전율을 낮췄다. 하지만, 레독스 흐름 전지는 다양한 금속 전극이 사용되고 있지만 염기성 수계 전해질 일체형일 경우 Zn-Ni 전극을 제외하고 전압이 1.5V이상 걸리는 레독스 커플은 없다. Zn-Ni 단일 전해액 흐름 전지는 2007년에 보고되었으며 지지 전해질로 KOH에 고농도의 아연산염(Zincate) 용액을 첨가하여 사용하였다. 충전 과정에서는 음극에서 Zn이 아연산염 이온으로부터 전기 전착되며 양극에서 Ni(OH)2는 NiOOH로 산화되고, 방전 과정에서는 반응이 반대로 진행된다. 하지만, 본 발명은 전압이 1.5 V이상 걸릴 수 있는 전지 시스템에 관한 것으로, 산성 및 염기성 전해액을 포함하며, 상기 전해액은 활물질이 용해된 것을 특징으로 한다. 상기의 전자 시스템은 음극 활물질-양극 활물질 커플로 Zn-Ce, Zn-Ni, Zn-Co, Zn-Mn 및 Zn-Fe로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 것을 포함하며, 바람직하게는 Zn-Fe이지만, 이들로 제한되는 것은 아니다.The formation of the dendritic structure of Zn is greatly influenced by the flow rate of the electrolyte and the type of current collector. When the electrolyte velocity was more than 15 cm / s, the direction of Zn dendrite growth was along the direction of electrolyte flow, and dendrite growth was inhibited when the cadmium plate was used as a current collector. These results, however, place considerable constraints on the operating and design conditions of the redox flow cell. Inhibition of dendrite structure growth by surface modification of Zn used as an anode active material is a more effective solution. In a conventional Ni-Zn rechargeable battery, the Zn surface was coated with a metal oxide such as TiO 2 to inhibit Zn dendrite structure formation and to prevent Zn erosion, thereby lowering self-discharge rate. However, the redox flow cell uses various metal electrodes, but in the case of a basic water-based electrolyte, there is no redox couple that takes a voltage more than 1.5 V except for the Zn-Ni electrode. Zn-Ni single electrolyte flow cell was reported in 2007 and used as a supporting electrolyte by adding a high concentration of Zincate solution to KOH. In the charging process, Zn is electrodeposited from the zincate ion at the cathode, Ni (OH) 2 is oxidized to NiOOH at the anode, and the reaction is reversed during the discharging process. However, the present invention relates to a battery system capable of taking a voltage of 1.5 V or more, which comprises an acidic and basic electrolyte solution, and the electrolytic solution is characterized in that the active material is dissolved. The electronic system includes at least one selected from the group consisting of Zn-Ce, Zn-Ni, Zn-Co, Zn-Mn and Zn-Fe as a negative electrode active material-positive electrode active material couple, , But are not limited to these.

본 발명은 전지 시스템 및 그 전지 시스템을 포함하는 레독스 흐름 전지에 관한 것으로, 기존의 전지 시스템과 달리 고전압 구현이 가능하며, 저비용으로 설비할 수 있으며, 대용량의 저장이 가능하고, 상온에서 작동하며, 장시간 사용 가능한 전지 시스템 및 그 전지 시스템을 포함하는 레독스 흐름 전지에 관한 것이다. 또한, 단일 전해질에서 사용하는 양극 및 음극 활물질 커플이 아닌 새로운 양극 및 음극 활물질 커플을 적용하는 것이며, 비 수계 Li이온 2차 전지에 비해 수계시스템으로 되어 있어 폭발의 위험 및 환경에 대한 부담이 없으며, 방전효율 85%이상 구현이 가능하다.The present invention relates to a battery system and a redox flow battery including the battery system. Unlike the existing battery system, the battery system can realize a high voltage, can be installed at a low cost, can store a large capacity, , A long-time usable battery system, and a redox flow battery including the battery system. In addition, the present invention applies new positive and negative active material couples instead of the positive and negative active material couples used in a single electrolyte. It is a water based system as compared with a non-aqueous Li ion secondary battery, Discharge efficiency can be 85% or more.

도 1은 전지 시스템을 전해질의 주입 방식에 따라 분리한 것에 관한 것이다.
도 2는 고체 전해질 분리막의 개념도에 관한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 시스템의 모식도에 관한 것이다.
도 4는 음극활물질-양극활물질로, Zn-Fe를 사용한 것에 대한 화학적 전자궤도 안정도를 나타낸 것이다.
도 5는 음극활물질-양극활물질 커플로, Zn-Fe 레독스 커플을 선택하여 제조한 코인 셀에 대한 것이다.
도 6는 20 mA/cm2으로 1시간 충전하고 10 mA/cm2으로 2시간 방전 시의 효율에 관한 것이다.
도 7은 10mA/cm2으로 2시간 충전하고 10mA/cm2으로 2시간 방전 시 효율에 관한 것이다.
도 8은 사이클의 반복에 따른 효율을 나타내는 그래프 및 충·방전 조건에 따른 전지의 효율에 관한 것이다.
도 9는 제조예 1에 따른 전지를 여러 방전 조건에서 사이클을 반복하여, 50사이클까지 운전했을 시의 효율에 관한 것이다.
Fig. 1 relates to the separation of the battery system according to the injection method of the electrolyte.
2 is a conceptual diagram of a solid electrolyte separation membrane.
3 is a schematic diagram of a battery system according to an embodiment of the present invention.
4 shows the chemical electron orbit stability of the negative electrode active material-positive electrode active material with respect to the use of Zn-Fe.
5 shows a coin cell manufactured by selecting a Zn-Fe redox couple as a negative electrode active material-positive electrode active material couple.
Fig. 6 relates to the efficiency at the time of 1 hour charging at 20 mA / cm < 2 > and 2 hours discharging at 10 mA / cm < 2 & gt ;.
Figure 7 relates to the second time during charge and discharge in two hours 10mA / cm 2 effective to 10mA / cm 2.
FIG. 8 is a graph showing the efficiency according to repetition of cycles and efficiency of the battery according to charging and discharging conditions.
Fig. 9 relates to the efficiency when the battery according to Production Example 1 was repeatedly cycled under various discharge conditions and operated up to 50 cycles.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는 다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. It is to be understood that these examples are for illustrative purposes only and that the scope of the present invention is not limited by these examples in accordance with the gist of the present invention, will be.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 시스템의 모식도에 관한 것이다. 레독스 반응의 예로는 Zn-Fe 반응시스템을 예로 제시하였다. 충전 시 아연 이온은 환원이 되고, 철 이온은 산화가 되는 레독스 반응 시스템으로 이때 전해질 분리 막으로는 K+이온만 왕래가 가능한 고체전해질 형 분리 막을 사용하였다. 이때 사용한 고체전해질 분리 막은 산-염기 두 액성 모두에서 매우 안정하게 장시간 유지되었으며, 특히 강산용액(1~2M H2SO4)과 강염기 용액 (4~8M KOH)에 석 달 이상 방치한 후에도 안정하게 유지되었으며, 따라서 충/방전 도중 수소이온의 왕래로 인한 산-염기 혼합반응에 의해 야기되는 물과 염이 생성되는 현상이 일어나지 않음을 확인하였다. 이때 두 전극 사이에 걸리는 이론 전압은 1.99 V이다. 3 is a schematic diagram of a battery system according to an embodiment of the present invention. An example of the redox reaction is the Zn-Fe reaction system. The redox reaction system in which the zinc ions are reduced at the time of charging and the iron ions are oxidized is used. At this time, a solid electrolyte type separation membrane capable of traveling only K + ions is used as the electrolyte separation membrane. The solid electrolyte separator membrane used was stable for a long time in both acidic and basic liquids and was stable even after more than three months in strong acid solution (1 ~ 2M H 2 SO 4 ) and strong base solution (4-8M KOH) Therefore, it was confirmed that the phenomenon of water and salt generation caused by the acid-base mixing reaction due to the passage of hydrogen ions during charging / discharging does not occur. The theoretical voltage across the two electrodes is 1.99 V.

도 4는 양극 활물질-음극 활물질로, Zn-Fe를 사용한 것에 대한 화학적 전자궤도 안정도를 나타낸 것이다. 충전 시에는 Zn2+가 전자를 받아 4s궤도를 완전히 채워서 안정해 지는 반면, 역시 또한 2개의 Fe2+도 전자를 잃어 Fe3+로 되면서 3d궤도를 절반으로 채워 안정해 지는 것을 알 수 있다. 반대로 방전 시에는 Zno가 전자 2개를 잃어 3d궤도를 꽉 채운 상태가 되어 안정하고, 역시 또한 Fe3+도 전자를 얻어 Fe2+가 되면서 3d의 Eg궤도를 채워 안정해 지는 것을 알 수 있다. 따라서 이 Fe-Zn RFB 시스템은 장기간 운전 시에도 안정하게 유지될 것으로 예상이 가능하다. Fig. 4 shows the chemical electron orbit stability of the positive electrode active material-negative electrode active material using Zn-Fe. At the time of charging, Zn2 + receives electrons and becomes stabilized by completely filling the 4s orbit. On the other hand, also, two Fe2 + lose electrons and become Fe3 +, which is stabilized by filling the 3d orbit with half. On the contrary, at the time of discharging, Zn o lost two electrons to become a state in which the 3d orbit is fully filled and is stable, and Fe 3+ electrons are also obtained and become Fe 2+. Therefore, it is expected that this Fe-Zn RFB system will remain stable even during long-term operation.

제조예Manufacturing example 1 One

레독스Redox 흐름 전지의 제조 Manufacture of flow cell

도 5와 같이, 음극활물질-양극활물질 커플로, Zn-Fe 레독스 커플을 선택하여 코인 셀을 구성하였으며, 충·방전 실험을 한 결과를 제시한 것이다. 즉, 양극 활물질로 Fe를 선택하고, 산성 전해질은 황산(H2SO4)이며, 음극 활물질로 Zn을 선택하였으며, 염기성 전해질은 수산화칼륨(KOH)이고, K+만 이동시키는 K-Al-Ti-P로 구성된 고체 전해질 분리막을 사용하여 전지를 제조하였다. As shown in FIG. 5, a coin cell was formed by selecting a Zn-Fe redox couple as a negative electrode active material-positive electrode active material couple, and the result of charging / discharging experiment was shown. The basic electrolyte is potassium hydroxide (KOH), and the K-Al-Ti-K alloy is used to transport only K +. In this case, Fe is selected as the cathode active material and the acidic electrolyte is sulfuric acid (H 2 SO 4 ) P was used as a separator for the solid electrolyte.

실시예Example 1 One

레독스Redox 흐름 전지의 충·방전 실험 Charging and discharging experiment of flow cell

충·방전 실험 결과는 도 5 및 6의 그래프와 같다. 도 5는 충·방전 실험은 20 mA/cm2으로 1시간 충전하고 10 mA/cm2으로 2시간 방전 시의 효율을 측정하였다. 도 6은 10mA/cm2으로 2시간 충전하고 10mA/cm2으로 2시간 방전 시의 효율을 측정하였다. The charging / discharging test results are shown in the graphs of FIGS. 5, the charge / discharge test was performed at a current density of 20 mA / cm 2 for 1 hour and at a discharge rate of 10 mA / cm 2 for 2 hours. 6 is to measure the efficiency of after 2 hours charge to 10mA / cm 2 for 2 hours to discharge 10mA / cm 2.

도 5 및 도6에 따르면, 20 mA/cm2으로 1시간 충전하고 10 mA/cm2으로 2시간 방전 시 약 효율이 75%를 나타내고 있다. 이때 충전 전류는 순식간에 바로 안정하게 충전이 되며 걸리는 충전전압은 2.4V로 매우 높아 향후 고 전압 전지에서 사용 가능하다고 할 것이다. 또한, 방전 전압은 순수 전압인 1.9V까지 떨어진 후 서서히 감소하여 1.4V에서 완전 방전되었다. 이 결과는 양극 활물질- 음극 활물질 커플로, Fe-Zn 레독스 커플은 레독스 흐름 전지에 유용한 레독스 커플로써 사용할 수 있음을 뒷받침한다고 할 것이다.According to FIG. 5 and FIG. 6, the efficiency of 75% was obtained when the battery was charged for 1 hour at 20 mA / cm 2 and discharged for 2 hours at 10 mA / cm 2 . At this time, the charging current is stabilized instantaneously and the charging voltage is very high as 2.4V, so it will be used in future high voltage battery. In addition, the discharge voltage dropped to 1.9 V, which was a net voltage, and then gradually decreased, and was completely discharged at 1.4 V. This result supports the feasibility of using Fe-Zn redox couple as a redox couples for redox flow cells, as a cathode active-anode active material couple.

도 7에 따르면, 10mA/cm2으로 2시간 충전하고 10mA/cm2으로 2시간 방전 시 효율이 87%를 나타내고 있다. 이때 충전전류는 순식간에 바로 안정하게 충전이 되며 걸리는 충전전압은 1.99V로 매우 높아 향후 고 전압 전지에서 사용가능성을 뒷받침하며, 방전 전압은 1.7V에서 완전 방전되었다. 이 결과는 Fe-Zn 레독스 커플은 레독스 흐름 전지에서 레독스 커플로써 사용할 수 있음을 뒷받침 한다고 할 것이다.Referring to Figure 7, 2 hours charge to 10mA / cm 2 and the discharge efficiency during 2 hours to 10mA / cm 2 represents the 87%. At this time, the charging current is stabilized instantaneously and the charging voltage is very high as 1.99V, which supports the possibility of use in high voltage battery in the future, and the discharging voltage is completely discharged at 1.7V. These results support that Fe-Zn redox couples can be used as redox couples in redox flow cells.

실시예Example 2 2

충·방전 조건에 따른 전지 효율의 측정Measurement of battery efficiency according to charging and discharging conditions

제조예 1에서 제조한 전지를 충전 및 방전의 사이클의 반복에 따른 효율을 측정하였다. The efficiency of the battery manufactured in Production Example 1 was measured by repeating charging and discharging cycles.

도 8에 따르면, 사이클을 조금 더 돌려보면 5 사이클부터 안정하게 70%이상의 효율을 보였다. 또한, 충·방전 조건이 달라지면 효율도 달라지는 것을 볼 수 있고, 특히 10mA/cm2 1시간 충전 방전 5mA/cm2 2시간 조건에서는 85%이상의 높은 효율을 나타내었다.According to Fig. 8, when the cycle is further turned, the efficiency is stable at 70% or more from 5 cycles. In addition, when the charge / discharge conditions were different, the efficiency was also changed. Especially, the efficiency was more than 85% at 10 mA / cm 2 for 1 hour charge discharge and 5 mA / cm 2 for 2 hours.

실시예Example 3 3

사용 횟수의 증가에 따른 전지 효율 측정Measurement of battery efficiency with increasing frequency

제조예 1에 의해 제조한 전지를 하기의 방전 조건에서 충전 및 방전을 50회 반복한 경우에 대한 전지 효율을 측정하였다.The battery efficiency was measured for the case where the battery manufactured in Production Example 1 was repeatedly charged and discharged 50 times under the following discharge conditions.

실험예 1Experimental Example 1 실험예 2Experimental Example 2 실험예 3Experimental Example 3 실험예 4Experimental Example 4 5mA/cm2으로 1시간 충전하고 5mA/cm2으로 1시간 방전Cm < 2 > for 1 hour and discharged at 5 mA / cm < 2 > for 1 hour 10mA/cm2으로 1시간 충전하고 10mA/cm2으로 21시간 방전1 hour charge to 10mA / cm 2 and 21 hours discharge with 10mA / cm 2 30mA/cm2으로 1시간 충전하고 30mA/cm2으로 1시간 방전1 hour charge to 30mA / cm 2 and 1 hours discharged to 30mA / cm 2 50mA/cm2으로 1시간 충전하고 50mA/cm2으로 1시간 방전1 hour charge to 50mA / cm 2 and 1 hours discharged to 50mA / cm 2

도 9는 상기 표1에 따른, 방전 조건에서 사이클을 50사이클까지 운전했을 시에도 전 조건에서 안정하게 70%이상의 효율을 보여주고 있다. 충·방전 조건이 달라지면 효율도 달라지며 특히 5 mA/cm2 및 10mA/cm2 1시간 충·방전 조건에서는 80%이상의 높은 효율을 나타냈다.FIG. 9 shows a stable efficiency of 70% or more under all conditions even when the cycle is operated up to 50 cycles under the discharge condition shown in Table 1 above. The efficiencies varied with charge and discharge conditions, especially at 5 mA / cm 2 and 10 mA / cm 2 for 1 hour charging and discharging conditions.

Claims (17)

산성 전해질을 포함하는 양극 전해질을 포함하는 제1 외부 저장조;
염기성 전해질을 포함하는 음극 전해질을 포함하는 제2 외부 저장조;
전극;
양이온만 이동시키는 고체 전해질 분리막; 및
바이폴라플레이트를 포함하며,
상기 산성 전해질은 양극 활물질을 포함하며,
상기 염기성 전해질은 음극 활물질을 포함하며,
상기 음극 및 양극 전해질은 이중 주입 방식으로 음극 및 양극으로 주입되는 것인 레독스 흐름 전지.
A first external reservoir comprising a positive electrode electrolyte comprising an acidic electrolyte;
A second external reservoir including a negative electrode electrolyte including a basic electrolyte;
electrode;
A solid electrolyte separator for moving only cations; And
A bipolar plate,
Wherein the acidic electrolyte comprises a cathode active material,
The basic electrolyte includes a negative electrode active material,
Wherein the negative electrode and the positive electrode electrolyte are injected into the negative electrode and the positive electrode by a double injection method.
제 1항에 있어서,
상기 고체 전해질 분리막은 Li+, Na+ 및 K+로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 것을 이동 시키는 것인 레독스 흐름 전지.
The method according to claim 1,
Wherein the solid electrolyte separation membrane moves at least one selected from the group consisting of Li +, Na +, and K +.
제 1항에 있어서,
상기 고체 전해질 분리막은 공극 부피가 30~70%이고, 기공 사이즈는 0.05~0.1㎛이며, 두께는 0.3~1.0mm인 레독스 흐름 전지.
The method according to claim 1,
Wherein the solid electrolyte separation membrane has a void volume of 30 to 70%, a pore size of 0.05 to 0.1 탆, and a thickness of 0.3 to 1.0 mm.
제 1항에 있어서,
상기 산성 전해질은 황산(H2SO4), 질산 및 인산으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 것을 포함하는 레독스 흐름 전지.
The method according to claim 1,
Wherein the acidic electrolyte comprises at least one selected from the group consisting of sulfuric acid (H 2 SO 4 ), nitric acid, and phosphoric acid.
제 1항에 있어서,
상기 염기성 전해질은 수산화리튬(LiOH), 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH) 및 수산화 칼슘(Ca(OH)2)으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 것을 포함하는 레독스 흐름 전지.
The method according to claim 1,
Wherein the basic electrolyte comprises at least one selected from the group consisting of lithium hydroxide (LiOH), potassium hydroxide (KOH), sodium hydroxide (NaOH), and calcium hydroxide (Ca (OH) 2 ).
제 1항에 있어서,
상기 음극 활물질-양극 활물질은 Zn-Ce, Zn-Ni, Zn-Co, Zn-Mn 및 Zn-Fe로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 커플인 레독스 흐름 전지.
The method according to claim 1,
Wherein the anode active material and the cathode active material are any one or more selected from the group consisting of Zn-Ce, Zn-Ni, Zn-Co, Zn-Mn and Zn-Fe.
제 6항에 있어서,
상기 음극 활물질-양극 활물질은 Zn-Fe 커플인 레독스 흐름 전지.
The method according to claim 6,
The negative electrode active material-positive electrode active material is a Zn-Fe couple.
제 1항에 있어서,
상기 이중주입 방식은 제1 외부 저장조에 포함된 음극 전해질 및 제2 외부 저장조에 포함된 양극 전해질이 음극 및 양극으로 주입, 산화환원반응 및 회수의 순으로 순환하는 것인 레독스 흐름 전지.
The method according to claim 1,
Wherein the anode electrolyte included in the first external storage tank and the anode electrolyte included in the second external storage tank circulate in the order of injection, redox reaction and recovery in the order of the anode and the anode.
제 1항에 있어서,
상기 바이폴라플레이트는 금(Au), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 그라파이트 및 카본 복합체로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상인 것인 레독스 흐름 전지.
The method according to claim 1,
Wherein the bipolar plate is at least one selected from the group consisting of gold (Au), platinum (Pt), titanium (Ti), graphite, and carbon composite.
제 1항에 있어서,
상기 전극은 금(Au), 주석(Sn), 티타늄(Ti), 백금-티타늄(Pt-Ti), 산화이리듐-티타늄(IrO-Ti) 및 카본으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 것인 레독스 흐름 전지.
The method according to claim 1,
The electrode may be at least one selected from the group consisting of gold (Au), tin (Sn), titanium (Ti), platinum-titanium (Pt-Ti), iridium- Flow cell.
음극 활물질을 포함하는 음극 전해액(Catholyte);
양극 활물질을 포함하는 양극 전해액(Anolyte);
전극; 및
양이온만 이동시키는 고체 전해질 분리막을 포함하며,
상기의 각 전해질은 전극으로 주입 및 회수되어 순환되며, 양극 활물질 및 음극 활물질이 각각 산화환원반응을 진행하는 것인 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 레독스 흐름 전지에 적용할 수 있는 전지 시스템.
Catholyte comprising a negative electrode active material;
A positive electrode electrolyte (Anolyte) containing a positive electrode active material;
electrode; And
And a solid electrolyte separator for moving only the cation,
12. The redox flow cell according to any one of claims 1 to 12, wherein each of the electrolytes is injected into and recovered from an electrode and circulated, and the cathode active material and the anode active material respectively undergo redox reaction The battery system.
제 11항에 있어서,
상기 고체 전해질 분리막은 Li+, Na+ 및 K+로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 것을 이동 시키는 것인 전지 시스템.
12. The method of claim 11,
Wherein the solid electrolyte separation membrane moves at least one selected from the group consisting of Li +, Na +, and K +.
제 11항에 있어서,
상기 양극 전해질은 산성 전해질을 포함하며,
상기 음극 전해질은 염기성 전해질을 포함하는 것인 전지 시스템.
12. The method of claim 11,
Wherein the positive electrode electrolyte comprises an acidic electrolyte,
Wherein the negative electrode electrolyte comprises a basic electrolyte.
제 13항에 있어서,
상기 산성 전해질은 황산(H2SO4), 질산 및 인산으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 것을 포함하는 것인 전지 시스템.
14. The method of claim 13,
Wherein the acidic electrolyte comprises at least one selected from the group consisting of sulfuric acid (H 2 SO 4 ), nitric acid, and phosphoric acid.
제 13항에 있어서,
상기 염기성 전해질은 수산화리튬(LiOH), 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH) 및 수산화 칼슘(Ca(OH)2)으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 것을 포함하는 것인 전지 시스템.
14. The method of claim 13,
Wherein the basic electrolyte comprises at least one selected from the group consisting of lithium hydroxide (LiOH), potassium hydroxide (KOH), sodium hydroxide (NaOH) and calcium hydroxide (Ca (OH) 2 ).
제 11항에 있어서,
상기 음극활물질-양극활물질은 Zn-Ce, Zn-Ni, Zn-Co, Zn-Mn 및 Zn-Fe로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 커플인 전지 시스템.
12. The method of claim 11,
Wherein the anode active material and the cathode active material are at least one selected from the group consisting of Zn-Ce, Zn-Ni, Zn-Co, Zn-Mn and Zn-Fe.
제 11항에 있어서,
상기 음극활물질-양극활물질은 Zn-Fe 커플인 전지 시스템.
12. The method of claim 11,
Wherein the negative electrode active material-positive electrode active material is a Zn-Fe couple.
KR1020150161131A 2014-11-19 2015-11-17 Battery system and redox flow battery comprising same KR20160059974A (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20140161805 2014-11-19
KR1020140161805 2014-11-19

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20160059974A true KR20160059974A (en) 2016-05-27

Family

ID=56106119

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150161131A KR20160059974A (en) 2014-11-19 2015-11-17 Battery system and redox flow battery comprising same

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20160059974A (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112889167A (en) * 2018-06-14 2021-06-01 纽约城市大学研究基金会 High voltage ion-mediated flow/flow-assisted manganese dioxide-zinc battery
KR20210085440A (en) 2019-12-30 2021-07-08 유한회사 세레스 Energy Management System for Redox Flow Battery
KR20220014737A (en) 2020-07-29 2022-02-07 유한회사 세레스 Smart Battery Management System for Redox Flow Battery
KR20220046765A (en) * 2020-10-08 2022-04-15 탑에코에너지주식회사 Redox flow battery
KR20220076172A (en) 2020-11-30 2022-06-08 남도금형(주) Home energy storage system using small redox flow battery which is convenient for installation and maintenance

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112889167A (en) * 2018-06-14 2021-06-01 纽约城市大学研究基金会 High voltage ion-mediated flow/flow-assisted manganese dioxide-zinc battery
KR20210085440A (en) 2019-12-30 2021-07-08 유한회사 세레스 Energy Management System for Redox Flow Battery
KR20220014737A (en) 2020-07-29 2022-02-07 유한회사 세레스 Smart Battery Management System for Redox Flow Battery
KR20220046765A (en) * 2020-10-08 2022-04-15 탑에코에너지주식회사 Redox flow battery
KR20220076172A (en) 2020-11-30 2022-06-08 남도금형(주) Home energy storage system using small redox flow battery which is convenient for installation and maintenance

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10910674B2 (en) Additive for increasing lifespan of rechargeable zinc-anode batteries
WO2018103517A1 (en) Alkaline zinc-iron flow battery
KR102166391B1 (en) Secondary zinc-manganese dioxide batteries for high power applications
KR101009440B1 (en) Electrode for soluble lead acid redox flow battery and soluble lead acid redox flow battery using the same
US9595730B2 (en) Flow battery and usage thereof
CN111463403A (en) Negative electrode material modified by composite artificial solid electrolyte interface film and battery application thereof
CN102315473A (en) Lithium ion flow redox battery
KR20160059974A (en) Battery system and redox flow battery comprising same
KR20140070525A (en) High voltage battery composed of anode limited electrochemical cells
CN103928716A (en) Lead-acid battery with coexisting acid, alkali and salt electrolyte solutions
CN108808053B (en) Zinc-nickel liquid flow energy storage battery
WO2021046151A1 (en) Aqueous electrochemical cells using polymer gel electrolytes
CN104347894A (en) A sedimentary type aqueous lithium ion battery
EP2869383B1 (en) Large-capacity power storage device
Jafari et al. Pb acid batteries
CN114335643B (en) Iron complex-air flow battery
Kumar et al. Introduction to electrochemical cells
US20140212712A1 (en) Reduced-Area Current Collectors for Rechargeable Batteries
CN109119635B (en) Battery with a battery cell
CN112952212A (en) Aqueous manganese dioxide-metal secondary battery
CN104300169A (en) Alkaline zinc vanadium flow battery
Lu et al. Introduction to Zinc–Air Batteries
JP5557385B2 (en) Energy storage device with proton as insertion species
Holze Self-discharge of batteries: Causes, mechanisms and remedies
US9991558B2 (en) Rechargeable electrochemical metal ion cell and accumulator containing said cell

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
AMND Amendment