KR101371163B1 - Electrode coated by diamond like carbon for redox flow battery - Google Patents

Electrode coated by diamond like carbon for redox flow battery Download PDF

Info

Publication number
KR101371163B1
KR101371163B1 KR1020110120741A KR20110120741A KR101371163B1 KR 101371163 B1 KR101371163 B1 KR 101371163B1 KR 1020110120741 A KR1020110120741 A KR 1020110120741A KR 20110120741 A KR20110120741 A KR 20110120741A KR 101371163 B1 KR101371163 B1 KR 101371163B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
electrode
redox flow
flow battery
dlc
carbon
Prior art date
Application number
KR1020110120741A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20130055151A (en
Inventor
최효명
최호림
위순명
다카츠구 다카무라
Original Assignee
세하특허 주식회사
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 세하특허 주식회사 filed Critical 세하특허 주식회사
Priority to KR1020110120741A priority Critical patent/KR101371163B1/en
Publication of KR20130055151A publication Critical patent/KR20130055151A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101371163B1 publication Critical patent/KR101371163B1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8605Porous electrodes
    • H01M4/8621Porous electrodes containing only metallic or ceramic material, e.g. made by sintering or sputtering
    • 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
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/0605Carbon
    • 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

Landscapes

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

Abstract

본 발명은 DLC 코팅된 필름이 장착되어 있는 레독스 흐름 전지의 전극에 대한 것으로서, 레독스 흐름 전지에 사용되는 전극에 비정질 상태의 고체 탄소를 코팅하는 것에 의해서 보다 얇은 두께를 가진 전극의 구현이 가능하고, 레독스 흐름 전지의 효율을 높일 수 있는 전극의 구현이 가능하다.
본 발명에 따른 레독스 흐름 전지용 DLC 코팅 전극은 구리 또는 알루미늄으로 되어 있는 전극의 양측에 DLC가 코팅되어 있는 것이 바람직하다.
상기 DLC를 코팅하는 방법으로는 상온에서 200℃의 온도 범위에서 증착이 가능한 플라즈마 인핸스드 화학기상증착법, 이온 빔 스퍼터링법, 이온 빔 증착법 및 레이저 어블레이션법 중에서 선택된 어느 하나를 사용하는 것이 가능하다.
본 발명에 따른 레독스 흐름 전지용 전도성 다이아몬드가 코팅된 전극은 전도성 다이아몬드 코팅방법으로서 상술한 방법을 사용할 수 있기 때문에 증착될 수 있는 필름의 대상에 제한이 없는 장점이 있다.
The present invention relates to an electrode of a redox flow battery equipped with a DLC coated film, and to realize an electrode having a thinner thickness by coating an amorphous solid carbon on the electrode used in the redox flow battery. And, it is possible to implement an electrode that can increase the efficiency of the redox flow battery.
DLC coating electrode for redox flow battery according to the present invention is preferably coated with DLC on both sides of the electrode made of copper or aluminum.
As a method for coating the DLC, any one selected from plasma enhanced chemical vapor deposition, ion beam sputtering, ion beam deposition, and laser ablation may be used.
Electrode coated with conductive diamond for redox flow battery according to the present invention has the advantage that there is no limitation to the object of the film that can be deposited because the above-described method can be used as a conductive diamond coating method.

Description

레독스 흐름 전지용 DLC 코팅 전극{ELECTRODE COATED BY DIAMOND LIKE CARBON FOR REDOX FLOW BATTERY}DLC coating electrode for redox flow battery {ELECTRODE COATED BY DIAMOND LIKE CARBON FOR REDOX FLOW BATTERY}

본 발명은 레독스 흐름 전지용 전극에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 레독스 흐름 전지의 전극으로 흑연 대신에 DLC(Diamond like carbon) 코팅된 금속을 사용하는 레독스 흐름 전지용 DLC 코팅 전극에 대한 것이다.The present invention relates to an electrode for a redox flow battery, and more particularly, to a DLC coated electrode for a redox flow battery using a diamond like carbon (DLC) coated metal instead of graphite as an electrode of a redox flow battery.

교통과 통신의 발달에 따라 전 세계적으로 에너지 수요가 증가하는 추세이다. 이러한 에너지 수요의 증가에 기인하여 화석연료의 지속적인 사용은 이산화탄소를 계속적으로 배출하여 환경오염을 초래하는 결과를 낳고 있다.With the development of transportation and communication, energy demand is increasing worldwide. Due to this increase in energy demand, the continuous use of fossil fuels results in the continuous emission of carbon dioxide, resulting in environmental pollution.

이렇게 배출되는 이산화탄소는 온실 가스로서, 지구 온난화의 주범으로 지목되어 있다. 인류는 상술한 온실가스의 배출을 억제하기 위해 태양광, 풍력, 연료 전지 등 각종 에너지를 개발하려고 하고 있다.Carbon dioxide emitted as such is a greenhouse gas, and is cited as the main cause of global warming. Humans are trying to develop various kinds of energy such as solar energy, wind power, and fuel cell to suppress the above-mentioned emission of greenhouse gas.

태양광, 풍력 등 재생 에너지는 입지 환경이나 자연조건에 크게 영향을 받으므로 출력 변동이 심하여 연속적 공급이 쉽지 않고 에너지 생산 시점과 수요시점 간에 시차가 있어 그 이용시 에너지 저장시스템이 중요하게 대두된다. Renewable energy such as solar power and wind power is greatly affected by the location environment and natural conditions, so the output fluctuates so that it is not easy to continuously supply, and there is a time difference between the time of energy production and the demand time.

MW급 대용량 전력저장용 전지로서 납축전지, NaS 전지, 초고용량 커패시터(super capacitor), 리튬 2차 전지 및 레독스 흐름 전지(Redox Flow Battery; RFB}가 있다.MW class large capacity power storage batteries include lead acid batteries, NaS batteries, super capacitors, lithium secondary batteries and redox flow batteries (RFB).

2차 전지라고 하는 것은 한 번의 사용으로 끝나는 전지가 아니라, 충전과 방전을 반복하여 재활용이 가능한 전지를 일컫는 용어이다. 레독스 전지도 일종의 2차 전지이다. A secondary battery is a term for a battery that can be recycled by repeatedly charging and discharging, not a battery that is finished with a single use. Redox batteries are also a secondary battery.

레독스 전지는 기존 2차 전지와는 달리 전해액 중의 활물질(active material)이 산화·환원되어 충·방전되는 시스템으로, 전해액의 화학적 에너지를 직접 전기 에너지로 저장하는 전기화학적 축전장치이다.Unlike conventional secondary batteries, a redox battery is a system in which an active material in an electrolyte is oxidized, reduced, charged and discharged, and is an electrochemical storage device that directly stores chemical energy of an electrolyte as electrical energy.

레독스 전지의 기본적인 구조는 도 1과 같으며,레독스 전지의 구성요소는 산화상태가 각각 다른 활물질이 저장되어 있는 양/음 전해질 탱크(11a,11b), 충·방전시 활물질을 순환시키는 펌프(12a,12b), 양극셀(13a), 음극셀(13b) 그리고 이온 교환막(멤브레인)(15)으로 분리되어 있는 양/음 전극(14a,14b)이다. The basic structure of the redox battery is shown in FIG. 1, and the components of the redox battery include a positive / negative electrolyte tank 11a and 11b in which active materials having different oxidation states are stored, and a pump for circulating the active material during charging and discharging. Positive and negative electrodes 14a and 14b separated into 12a and 12b, positive electrode cell 13a, negative electrode cell 13b and ion exchange membrane (membrane) 15.

상기 이온교환막(멤브레인)(15)은 충·방전시 레독스 반응(레독스 반응은 양극셀(13a)과 음극셀(13b)에서 발생하는 환원과 산화 반응을 말한다)하는 이온을 분리하기 위해 두 전극(14a, 14b) 사이에 위치한다.The ion exchange membrane (membrane) (15) is used to separate the ions in the redox reaction (redox reaction refers to the reduction and oxidation reaction occurring in the anode cell 13a and the cathode cell 13b) during charging and discharging It is located between the electrodes 14a and 14b.

이때 활물질로는 V, Fe, Cr, Cu, Ti, Mn 그리고 Sn 등의 전이 금속을 강산 수용액에 용해하여 제조한 전해질을 사용한다. In this case, an electrolyte prepared by dissolving transition metals such as V, Fe, Cr, Cu, Ti, Mn, and Sn in a strong acid solution is used.

전해질은 양극셀(13a)과 음극셀(13b) 안의 전극(14a, 14b) 내에 저장되어 있지 않고, 외부의 전해질 탱크(11a, 11b)에 액체 상태로 저장되며, 충·방전과정 중에 펌프(12a,12b)를 통하여 양극셀(13a)과 음극셀(13b) 내부로 공급된다. The electrolyte is not stored in the electrodes 14a, 14b in the positive cell 13a and the negative cell 13b, and is stored in the liquid state in the external electrolyte tanks 11a, 11b, and the pump 12a during the charging / discharging process. 12b is supplied into the positive cell 13a and the negative cell 13b.

또한 사용하는 전극(14a,14b)은 비활성 전극으로 전극 자체는 화학 반응 없이 전극 표면과 전해질 사이에서 반응을 하여 전류가 흐르기 때문에 수명이 긴 장점이 있어 기존 전지와 구분된다. 통상적으로 레독스 전지에서 사용되는 전극은 흑연 전극이다.In addition, the electrodes 14a and 14b are inactive electrodes, and the electrode itself reacts between the surface of the electrode and the electrolyte without a chemical reaction, and thus has a long life, and thus distinguishes it from a conventional battery. The electrode commonly used in redox cells is a graphite electrode.

또한, 레독스 전지는 전지 스택(출력: 양극셀(13a)과 음극셀(13b)을 포함한다)과 양/음 전해질 탱크(용량)를 분리할 수 있는 구조이기 때문에 출력과 용량을 자유롭게 설계할 수 있고 설치 장소에 대한 제한도 적은 편이다. In addition, since the redox battery has a structure capable of separating the battery stack (output: the positive cell 13a and the negative cell 13b) and the positive / negative electrolyte tank (capacity), the output and capacity can be freely designed. There are few restrictions on the installation location.

하지만, 레독스 전지는 양극셀(13a)과 음극셀(13b) 내에 전극으로서 흑연을 PVC(Poly Vinyl Chloride)에 결합한 구조이기 때문에 양극셀(13a)과 음극셀(13b)을 합한 두께는 10~20mm 정도가 된다. 또한 출력을 높이기 위해서 전극의 표면적을 넓게 설계하면, 전극의 두께가 더욱 두꺼워지는 문제점이 있었다. However, since the redox battery has a structure in which graphite is bonded to PVC (Poly Vinyl Chloride) as an electrode in the positive cell 13a and the negative cell 13b, the total thickness of the positive cell 13a and the negative cell 13b is 10-. It is about 20mm. In addition, if the surface area of the electrode is designed to increase the output, the thickness of the electrode becomes thicker.

또한 전극의 두께가 두꺼워지면, 전기 저항이 커져 단위 면적당 출력이 저하되는 결과를 낳게 된다. 이렇게 PVC에 흑연을 결합한 구성 하에서는 낼 수 있는 출력에 한계가 있고, 출력에 한계가 있음에 따라서 레독스 전지를 적용할 수 있는 응용범위가 제한되는 문제점을 가지고 있었다. In addition, the thicker the electrode, the greater the electrical resistance, resulting in a decrease in output per unit area. Thus, there is a limit in the output power that can be produced under the combination of graphite and PVC, and there is a problem in that the application range to which the redox battery can be applied is limited as the output is limited.

특허 등록 10-698804 (전기화학 커패시터용 전극의 제조방법, 전기화학 커패시터의 제조방법 및 이들에 사용되는 용매 부착 다공채 입자)Patent Registration 10-698804 (Manufacturing method of electrode for electrochemical capacitor, manufacturing method of electrochemical capacitor and porous attached particle with solvent used in them)

본 발명은 상술한 바와 같은 문제를 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 바나듐 레독스 흐름 전지의 셀 면적 대비 출력을 높이고, 전지 전체의 무게를 가볍게 할 수 있는 얇고 가벼운 전극을 적용할 수 있는 레독스 흐름 전지용 전극을 제공하는 데 있다.The present invention has been made to solve the problems described above, for the redox flow battery that can be applied to a thin and light electrode that can increase the output compared to the cell area of the vanadium redox flow battery, and can reduce the weight of the entire battery To provide an electrode.

본 발명은, 금속과 이 금속을 중심에 두고, 상기 금속의 양면에 DLC 코팅된 필름이 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지용 DLC 코팅 전극을 제공하는 데 있다.The present invention is to provide a DLC coating electrode for a redox flow battery, characterized in that the metal and the metal are centered, and a DLC coated film is bonded to both surfaces of the metal.

본 발명에 따른 레독스 흐름 전지용 전극에 사용되는 금속은 티타늄, 알루미늄 또는 구리인 것일 수 있다.The metal used in the electrode for redox flow battery according to the present invention may be titanium, aluminum or copper.

본 발명에 따른 레독스 흐름 전지용 전극에 사용되는 DLC 필름은 비정질상태의 고체 카본 필름인 것일 수 있다.The DLC film used for the redox flow battery electrode according to the present invention may be a solid carbon film in an amorphous state.

본 발명에 따른 DLC 필름은 수소의 몰분율이 20~60 몰%인 것일 수 있다.DLC film according to the present invention may be a mole fraction of 20 to 60 mol% of hydrogen.

본 발명에 따른 DLC 필름에서의 카본은 플라스마 인핸스드 화학기상 증착법, 이온 빔 스퍼터링, 이온 빔 증착법 및 레이저 어블레이션법(laser ablation) 중에서 선택된 어느 하나 이상의 방법에 의해서 합성된 것일 수 있다.Carbon in the DLC film according to the present invention may be synthesized by any one or more methods selected from plasma enhanced chemical vapor deposition, ion beam sputtering, ion beam deposition, and laser ablation.

상기 DLC 필름에서 탄소의 증착은 20~200℃에서 증착된 것일 수 있다.
The deposition of carbon in the DLC film may be deposited at 20 ~ 200 ℃.

본 발명에 따른 레독스 흐름 전지용 DLC 코팅 전극은 낮은 가공온도에서 성형된 DLC 코팅 전극이기 때문에 카본이 부착될 수 있는 대상 물질에 대한 제한이 없다. The DLC coated electrode for redox flow battery according to the present invention is a DLC coated electrode formed at a low processing temperature, so there is no restriction on the target material to which carbon can be attached.

또한 DLC 코팅 전극은 흑연막 전극보다 내구성이 강하고, 셀 전체의 구조를 얇게 설계할 수 있어 전극간 간격을 줄여 전기저항을 줄여 셀의 단위 면적당 충전과 방전 출력을 높일 수 있다.In addition, the DLC coated electrode is more durable than the graphite film electrode, and the structure of the entire cell can be designed thinner, thereby reducing the electric resistance by reducing the gap between the electrodes, thereby increasing the charge and discharge output per unit area of the cell.

또한 표면 증착 방법으로서, 플라즈마 인핸스드 화학기상 증착법 또는 이온 스퍼터링 등의 방법을 사용하기 때문에 전극 표면 거칠기가 낮은 굉장히 매끄러운 표면을 구현할 수 있는 장점을 갖는다.
In addition, as the surface deposition method, a plasma enhanced chemical vapor deposition method or a method such as ion sputtering is used, it has the advantage that can realize a very smooth surface with low electrode surface roughness.

도 1은 일반적인 레독스 전지의 기본적인 구조를 보여주는 도면이다.
도 2는 탄소의 결합구조에 따라서 탄소가 여러 가지 다른 형태를 가질 수 있음을 나타내는 도면이다.
도 3은 에너지에 따른 상태밀도(density of states)를 보여주는 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지용 셀의 구조를 보여주는 모식도이다.
도 5는 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지용 DLC 코팅 전극의 구조를 보여주는 모식도이다.
1 is a view showing the basic structure of a typical redox battery.
2 is a view showing that carbon may have various forms depending on the bonding structure of carbon.
3 is a graph showing density of states according to energy.
Figure 4 is a schematic diagram showing the structure of a cell for a redox flow battery according to the present invention.
5 is a schematic view showing the structure of a DLC coated electrode for a redox flow battery according to the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, it should be understood that the following embodiments are provided so that those skilled in the art will be able to fully understand the present invention, and that various modifications may be made without departing from the scope of the present invention. It is not. Wherein like reference numerals refer to like elements throughout.

도 2는 탄소의 결합구조에 따라서 탄소가 여러 가지 다른 형태를 가질 수 있음을 나타내는 도면이다.2 is a view showing that carbon may have various forms depending on the bonding structure of carbon.

도 2를 참조하면, 탄소는 탄소와 탄소의 결합이 정사면체의 구조를 가지고 있어서, 중심으로부터의 각도가 109.5°가 되는 다이아몬드 구조를 이루거나, 3개의 탄소 원자는 동일 평면에 존재하면서, 하나의 탄소 원자는 3개의 탄소 원자가 이루는 삼각형의 무게 중심의 상측에 위치하는 구조를 이루는 육방정계(hexagonal closed packing) 구조의 흑연을 이루는 것이 가능하다.Referring to FIG. 2, carbon has a tetrahedral structure in which carbon-to-carbon bonds form a diamond structure in which an angle from the center is 109.5 °, or three carbon atoms exist in the same plane and one carbon Atoms can form graphite in hexagonal closed packing structure, which is a structure located above the center of gravity of the triangle formed by three carbon atoms.

본 발명에서 코팅재로 사용되는 탄소는 비정질 상태의 고체 탄소 필름(Diamond Like Carbon; DLC)을 지칭한다. 상술한 비정질 상태의 고체 탄소 필름은 sp1 혼성 결합, sp2 혼성 결합과 sp3 혼성 결합이 혼합되어 있는 상태이다. Carbon used as the coating material in the present invention refers to a solid carbon film (Diamond Like Carbon; DLC) in the amorphous state. The solid carbon film in the above-described amorphous state is a state in which sp1 hybrid bonds, sp2 hybrid bonds, and sp3 hybrid bonds are mixed.

본 발명에 따른 레독스 흐름 전지용 전극은 금속이 DLC 를 사용하여 코팅되어 있는 형태이고 sp1, sp2 및 sp3 결합이 혼성되어 있는 형태이며 상술한 결합 들 사이에 수소의 몰 %는 20~60몰% 인 것이 바람직하다.Electrode for redox flow battery according to the present invention is a form in which the metal is coated using DLC and the sp1, sp2 and sp3 bonds are mixed and the mole% of hydrogen between the above-mentioned bonds is 20 ~ 60 mol% It is preferable.

비정질 상태의 고체 탄소 필름(DLC)에 대하여는 수화된 비정질 카본(hydrogenated amorphous carbon), 또는 i-카본(i-Carbon), 또는 테트라헤드랄 비정질 카본(tetrahedral amorphous carbon)이라고도 불리운다.The amorphous solid carbon film (DLC) is also called hydrated amorphous carbon, i-carbon, or tetrahedral amorphous carbon.

상술한 바와 같은 DLC의 물리적 성질은 밀도가 1.8~3.6g/㎤을 가지고, 단위 부피당 몰수는 0.2~0.3(mol/㎤) 이다. 또한 압축강도는 2000~8000(kgf/㎟)이고 마찰계수(friction coefficient)는 0.03~0.2이다.As described above, the physical properties of the DLC have a density of 1.8 to 3.6 g / cm 3, and the number of moles per unit volume is 0.2 to 0.3 (mol / cm 3). In addition, the compressive strength is 2000 ~ 8000 (kgf / ㎠) and the friction coefficient (friction coefficient) is 0.03 ~ 0.2.

또한 광학적 성질로서 굴절률(refractive index)은 1.8~2.6의 범위를 갖기 때문에 석영(quarts 2.4)에 가까운 굴절률을 갖는다고 알려져 있다. In addition, as an optical property, since the refractive index has a range of 1.8 to 2.6, it is known to have a refractive index close to quartz 2.4.

비정질 상태의 고체 탄소 필름의 전기적 성질로서 전기 비저항(resistivity)은 1013~1016(Ωcm)로서 높은 비저항을 가지고 있다. 그렇기 때문에 상술한 DLC가 코팅되어 있는 면으로는 전류가 흐르지 않는다. The electrical resistivity of the solid carbon film in the amorphous state is 1013 to 1016 (Ωcm), and has a high resistivity. Therefore, no current flows to the surface on which the DLC is coated.

또한 DLC로 이루어져 있는 물질들의 내부 구조를 살펴보면, 도 4와 같은 에너지 밴드 다이어그램으로 설명할 수 있다.In addition, when looking at the internal structure of the material consisting of DLC, it can be described by the energy band diagram as shown in FIG.

도 3은 에너지에 따른 상태밀도(density of states)를 보여주는 그래프이다.3 is a graph showing density of states according to energy.

도 3을 참조하면, DLC(비정질 상태의 고체 탄소 필름)의 경우에는 전도성 밴드(conduction band)와 가전자대(Valence band)가 겹치지 않은 상태이므로 자유전자가 흐르지 않는 상태라고 할 수 있다. 따라서 부도체 상태라고 할 수 있지만, 온도가 높아지는 등의 외부적인 요인에 의해서 페르미 레벨(Fermi level, Ef)의 위에 존재하는 전도성 밴드와 페르미 레벨의 아래에 존재하는 가전자대가 겹치게 되면, DLC의 경우에도 전도성 물질이 될 수 있는 잠재력이 있다고 할 수 있다. Referring to FIG. 3, in the case of DLC (solid carbon film in an amorphous state), the conductive band and the valence band do not overlap, and thus free electrons do not flow. Therefore, the insulator state, but when the conductive band existing above the Fermi level (E f ) and the valence band existing below the Fermi level overlap due to external factors such as temperature increases, DLC In addition, there is the potential to become a conductive material.

도 3과 같은 모델에 따를 때 페르미 에너지 또는 전도성 밴드 근처에 있는 전자가 국부적으로 불연속적으로 호핑(hopping)하면, DLC도 전류가 흐를 수 있게 된다.According to the model as shown in FIG. 3, if the electrons near the Fermi energy or the conductive band are locally discontinuously hopping, DLC may also flow.

DLC의 구조를 가지고 있는 물질의 전기 전도를 나타내는 방정식이 수학식 1이다.Equation 1 shows the electrical conduction of a material having a structure of DLC.

Figure 112011091313250-pat00001
Figure 112011091313250-pat00001

수학식 1에서 ρ는 전자 밀도를 나타낸다. In Equation 1 p represents an electron density.

따라서 온도가 증가함에 따라서 호핑할 수 있는 전자 밀도의 수도 증가한다.Thus, as the temperature increases, the number of electron densities that can be hopped also increases.

상술한 바와 같은 상태를 국부적으로 전기전도성을 띠고 있는 상태라고 할 수 있고, 국부적인 상태 밀도(density of state)가 겹쳐지면(overlap) 금속과 동일한 정도의 전기 전도성을 나타내는 것이 DLC의 특징이다.The state described above may be referred to as a locally conductive state, and when the local density of state overlaps, the DLC exhibits the same electrical conductivity as the metal.

하지만 상술한 바와 같은 DLC의 경우에는 높은 몰분율의 수소를 포함하고 있기 때문에 높은 비저항을 보여주게 된다.However, in the case of the DLC as described above, since it contains a high mole fraction of hydrogen, it shows a high specific resistance.

이하에서 DLC 코팅된 전극을 포함하는 레독스 흐름 전지용 셀의 구조에 대하여 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the structure of a redox flow battery cell including a DLC coated electrode will be described.

도 4는 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지용 셀의 구조를 보여주는 모식도이다.Figure 4 is a schematic diagram showing the structure of a cell for a redox flow battery according to the present invention.

도 4를 참조하면, 레독스 흐름 전지용 전도성 다이아몬드 코팅 전극은 양전극(14a)과 음전극(14b)으로 구성되어 있고, 이 양전극(14a)과 음전극(14b)이 이온교환막(15)을 사이에 두고 접합되어 있는 형태로 되어 있다. 그리고 양전극(14a)과 이온교환막(15) 사이, 음전극(14b)와 이온교환막(15) 사이에는 카본펠트(25)가 배치되어 있다. Referring to FIG. 4, the conductive diamond coated electrode for the redox flow battery includes a positive electrode 14a and a negative electrode 14b, and the positive electrode 14a and the negative electrode 14b are bonded to each other with an ion exchange membrane 15 interposed therebetween. It is in the form that it is. The carbon felt 25 is disposed between the positive electrode 14a and the ion exchange membrane 15, and between the negative electrode 14b and the ion exchange membrane 15.

본 발명에 따른 DLC 코팅 전극에 따를 때 양극과 음극은 티타늄으로 이루어지는 것이 바람직하다. According to the DLC coated electrode according to the present invention, the anode and the cathode are preferably made of titanium.

또는 DLC 코팅 전극을 양극은 구리로 이루어지고, 음극은 알루미늄의 재질로 구성되어 있는 것일 수 있다. 양극을 구리로 하고 음극을 알루미늄으로 하였을 때 산화의 우려가 있으므로 티타늄으로 치환하여 사용하는 것이 바람직하다.Alternatively, the cathode of the DLC coated electrode may be made of copper, and the cathode may be made of aluminum. When the positive electrode is made of copper and the negative electrode is made of aluminum, oxidation may occur, so it is preferable to substitute titanium.

상술한 바와 같은 레독스 흐름 전지에서 또 하나의 주요 구성요소로 들 수 있는 것은 전해질과 이온교환막(15)이라고 할 수 있다. 특히 이온교환막(15)은 이온의 선택 투과성이 뛰어나고, 전기적 저항이 작아야 한다.Another major component in the redox flow battery as described above may be referred to as the electrolyte and the ion exchange membrane (15). In particular, the ion exchange membrane 15 should have excellent ion permeability and low electrical resistance.

레독스 흐름 전지는 전극에서 전도성을 나타내는 물질이 종래의 전지처럼 고체가 아닌 용액 상태로 산화수가 다른 양극 전해질과 음극 전해질로 구성된 전지이다. 이러한 레독스 흐름 전지의 기전력은 양극 전해질과 음극 전해질을 구성하고 있는 레독스 커플(양극셀과 음극셀)의 표준 전극 전위 E0의 차이에 의해서 결정된다. A redox flow battery is a battery composed of a cathode electrolyte and a cathode electrolyte in which the number of oxides is different in a solution state in which a material showing conductivity at an electrode is not solid, as in a conventional battery. The electromotive force of the redox flow cell is determined by the difference of the standard electrode potential E 0 of the redox couple (anode cell and cathode cell) constituting the cathode electrolyte and the cathode electrolyte.

레독스 전지에서 이온교환막(15)은 전지 수명과 가격을 결정하는 구성요소이며, 이온교환막(15)으로 사용될 수 있는 예로는 나피온(Nafion) 막, 초산셀룰로오스 필름 등이 있다.In the redox battery, the ion exchange membrane 15 is a component that determines battery life and price. Examples of the ion exchange membrane 15 that can be used as the ion exchange membrane 15 include a Nafion membrane and a cellulose acetate film.

레독스 전지는 이온교환막(15)으로 분리된 양쪽의 반쪽 전지에 원자가가 변하는 이온들을 순환시켜 상기 이온들이 산화·환원될 때의 기전력 차를 이용하여 충전을 하고 방전을 하는 2차 전지이다. 따라서 단위 셀의 적층 정도에 따라 각 셀마다 1.2V에서 1.5V의 전압을 직렬로 연결하여 사용하기 때문에 전체 전압을 조절할 수 있는 특징을 가진다.The redox battery is a secondary battery that circulates ions having variable valencies in both half cells separated by the ion exchange membrane 15 and charges and discharges the ions using the difference in electromotive force when the ions are oxidized and reduced. Therefore, the voltage of 1.2V to 1.5V is connected to each cell in series according to the degree of stacking of unit cells, so the overall voltage can be adjusted.

또한 기존의 흑연막을 전극으로 사용하는 것보다 DLC코팅 전극을 사용하여 구조 설계를 위한 두꺼운 PVC를 사용하지 않아도 되고 두께도 얇게 제작할 수 있어 다른 전지에 비해 가볍고, 부피가 적은 특징이 있다. In addition, the use of DLC-coated electrodes does not require the use of thick PVC for structural design, and the thickness can be made thinner than the conventional graphite film as an electrode, which is lighter and less bulky than other batteries.

레독스 전지의 전해질로 사용되는 이온들은 보통 여러 원자가를 가질 수 있는 전이금속의 원소들을 사용하는데, 각각의 반쪽 전지에 다른 종류의 금속을 사용할 경우 이온교환막(15)을 통한 전이금속 이온의 혼합으로 인해 전지의 용량 저하가 발생하게 된다.The ions used as electrolytes of the redox battery usually use elements of transition metals which may have various valences. In the case of using a different type of metal in each half cell, a mixture of transition metal ions through the ion exchange membrane 15 is required. This causes a decrease in capacity of the battery.

하지만 본 발명에서와 같이 바나듐 금속을 전해질로 사용하는 레독스 전지에서는 양쪽 반쪽 전지에 동일한 전해질(바나듐 황산염)을 사용하므로써 이온교환막(15)을 통한 혼합으로 인한 전지의 용량 저하가 없다. 다만 나피온 막을 사용할 경우 나피온막을 통해서 바나듐 이온의 양극(14a)과 음극(14b) 사이에서의 이동현상이 발생하므로 자기 방전으로 인하여 효율저하가 발생한다. 상술한 바와 같은 바나듐 금속을 사용하는 레독스 흐름 전지의 특성 때문에 이온교환막(15)의 선택성을 높이는 것이 중요한 문제가 될 수 있다. 이온교환막(15)의 선택성은 특정한 이온만 투과할 수 있는 성질을 말한다. However, in the redox battery using vanadium metal as an electrolyte as in the present invention, there is no decrease in capacity of the battery due to mixing through the ion exchange membrane 15 by using the same electrolyte (vanadium sulfate) in both half cells. However, when the Nafion membrane is used, a transfer phenomenon occurs between the positive electrode 14a and the negative electrode 14b of vanadium ions through the Nafion membrane, so that the efficiency decreases due to self discharge. Because of the characteristics of the redox flow battery using the vanadium metal as described above, it may be an important problem to increase the selectivity of the ion exchange membrane (15). The selectivity of the ion exchange membrane 15 refers to a property that can transmit only specific ions.

예를 들면 이온교환막(15)을 통해서 V4 + 또는 V5 + 이온이 투과하게 되면, V5 +이온이 전자를 받아들여 환원되는 현상이 음극에서 발생하게 되고 이것을 지칭하여 자기 방전이라고 한다. For example, when V 4 + or V 5 + ions pass through the ion exchange membrane 15, a phenomenon in which V 5 + ions are accepted and reduced by electrons is generated at the cathode, which is called self discharge.

상기한 바와 같은 특성을 고려할 때 레독스 전지에서의 이온교환막(15)은 이온의 선택투과성이 높아야 하고, 전기적 저항이 작고, 용질, 용매의 확산계수가 작아야 하고, 화학적으로 안정한 것이어야 한다. 또한 기계적 강도가 우수하고, 가격이 저렴하여야 한다.In consideration of the above characteristics, the ion exchange membrane 15 in the redox battery should have high selectivity for ions, low electrical resistance, small diffusion coefficient of solute and solvent, and chemical stability. In addition, the mechanical strength must be excellent and the price must be low.

레독스 흐름 전지에서 바나듐계 전지의 경우에는 전해질로 전이금속 원소(V)와 강산(H2SO4)을 혼합한 물질을 사용하기 때문에 높은 내산성, 내산화성, 선택투과성이 우수하다. 다만 나피온 막을 이온 교환막으로 사용할 경우 바나듐 이온의 투과성의 향상으로 인해 에너지 효율이 떨어지고, CMV 막의 경우에는 수명 특성이 떨어지는 단점이 있다. In the redox flow battery, the vanadium battery has a high acid resistance, oxidation resistance, and selective permeability because it uses a mixture of a transition metal element (V) and a strong acid (H 2 SO 4 ) as an electrolyte. However, when the Nafion membrane is used as an ion exchange membrane, the energy efficiency is lowered due to the improvement of the permeability of vanadium ions, and in the case of the CMV membrane, the lifespan characteristics are deteriorated.

상술한 바와 같이 레독스 흐름 전지는 전극(14a,14b)과 전해질 물질이 분리되는 특징이 있기 때문에 양쪽 전극(14a, 14b)의 전해질이 양/음 전해질 저장탱크(11a,11b)에 분리저장된다. 따라서 유입 유량에 의한 전지 출력의 제어가 가능하다. 또한 레독스 흐름 전지는 전지의 보수, 관리가 용이하며 양/음 전해질 저장탱크(11a,11b) 용량을 변경하는 것만으로 전력저장량의 추정이 가능하다.As described above, since the redox flow battery is characterized in that the electrodes 14a and 14b are separated from the electrolyte material, the electrolytes of both electrodes 14a and 14b are separated and stored in the positive / negative electrolyte storage tanks 11a and 11b. . Therefore, the battery output can be controlled by the inflow flow rate. In addition, the redox flow battery is easy to maintain and manage the battery, it is possible to estimate the amount of power storage only by changing the capacity of the positive / negative electrolyte storage tank (11a, 11b).

전해질로 사용되는 이온들의 특성을 살펴보면, V5 + 이온 용액은 바나듐 이온 중에서 12개월 까지도 -5℃의 온도에서 안정한 상태를 이루고 재결정화가 일어나지 않는다. 하지만 V2 + 용액은 공기 존재하에서 산화된다. Looking at the characteristics of the ions used as electrolytes, the V 5 + ion solution is stable at -5 ° C for up to 12 months in vanadium ions and does not recrystallize. However, the V 2 + solution is oxidized in the presence of air.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지에서의 전류 효율의 저하는 각 바나듐 이온의 이온교환막(15) 투과에 의한 투과 측에서의 자기 방전이 원인이 된다 As described above, the decrease in current efficiency in the redox flow battery according to the present invention is caused by the self discharge on the permeate side due to the permeation of the ion exchange membrane 15 of each vanadium ion.

이온교환막(15)에서의 이온의 이동 원인으로 들 수 있는 것은 여러 가지가 있지만 가장 대표적인 것으로 농도 차에 의한 수소 양이온의 이동과 전위 차에 의한 이동을 들 수 있다. There are various kinds of ion migration phenomena that can occur in the ion exchange membrane (15), but the most representative ones are migration of the hydrogen cation by the concentration difference and migration by the potential difference.

먼저 농도차에 의한 이온의 이동에 대해 살펴보면, 이온교환막(15)을 통해 이온이 확산될 때, 전기적 중성을 유지한다는 기본조건이 있으므로 이동되는 수소 양이온만을 독립적으로 평가할 수는 없다. 어떤 한 이온만이 단독으로 이동한다고 하면, 그곳에 공간 전하가 형성되어 전기적 중성의 조건이 파괴되므로 전해질 용액 중의 양이온과 음이온이 이온교환막(15)을 통해서 확산할 경우에는 항상 당량으로 조합되어 움직이게 된다. 이온교환막(15)을 통하여 양이온과 음이온의 확산이 일어나기 위해서는 일반적으로 이온교환막(15)의 양면에 농도 차이가 있어야 하며, 이온교환막(15)의 내부에는 농도 구배가 있어야 한다. 또한 전해질 용액과 이온교환막 경계부에 확산경계층이 형성되며 이때에는 용질의 확산 뿐만 아니라 용매의 확산도 고려하여야 한다.Referring to the movement of ions due to the concentration difference, since there is a basic condition that maintains electrical neutrality when ions diffuse through the ion exchange membrane 15, only the transferred hydrogen cations cannot be independently evaluated. If only one ion moves alone, a space charge is formed therein and the conditions of electrical neutrality are destroyed, so that when cations and anions in the electrolyte solution diffuse through the ion exchange membrane 15, they always move in an equivalent amount. In order for diffusion of positive and negative ions to occur through the ion exchange membrane 15, generally there should be a concentration difference on both sides of the ion exchange membrane 15 and a concentration gradient must exist inside the ion exchange membrane 15. In addition, a diffusion boundary layer is formed at the boundary between the electrolyte solution and the ion exchange membrane, and the diffusion of the solvent as well as the diffusion of the solute should be considered.

전위차에 의한 이온 이동의 경우에는 전하는 주로 양이온에 의해 운반되어지며, 막내의 양이온 수송수는 1이 된다.In the case of ion transfer due to the potential difference, the charge is mainly carried by the cation, and the cation transport water in the membrane becomes 1.

바나듐계 레독스 전지가 운용될 때, 대부분의 전압손실은 이온교환막(15)의 저항에 기인한다. 이온교환막(15)의 전기저항은 이온교환막(15)을 통한 전하의 흐름을 방해하는 가장 큰 요인이 되므로 이온교환막(15)의 저항이 클수록 전하의 운반체인 수소이온이 막을 통과하기 어려워 진다. 따라서 전기 저항이 적은 이온교환막(15)을 사용할수록 레독스 흐름 전지의 충·방전 시 발생하는 전압 차이는 커지고, 전압 효율은 커지게 된다.When the vanadium-based redox battery is operated, most of the voltage loss is due to the resistance of the ion exchange membrane 15. Since the electrical resistance of the ion exchange membrane 15 is the biggest factor that hinders the flow of charge through the ion exchange membrane 15, the larger the resistance of the ion exchange membrane 15, the more difficult the hydrogen ion, the carrier of charge, to pass through the membrane. Therefore, as the ion exchange membrane (15) having a low electrical resistance is used, the voltage difference during charge and discharge of the redox flow cell becomes larger and the voltage efficiency becomes larger.

이온교환막(15)을 투과하는 바나듐 이온의 양은 전지의 전류 효율과 밀접한 관계가 있다. 바나듐 계 레독스 흐름 전지는 양쪽의 반쪽 전지 셀(13a, 13b)에서 각각의 바나듐 이온이 화학식 1, 2와 같은 산화 환원반응을 통해서 전력이 저장되거나 발생한다. 화학식 1과 화학식 2는 충전시의 양극(14a)과 음극(14b)에서의 반응을 나타낸다.The amount of vanadium ions that pass through the ion exchange membrane 15 is closely related to the current efficiency of the battery. In the vanadium-based redox flow battery, the electric power is stored or generated in each of the half battery cells 13a and 13b through the redox reactions of Formulas 1 and 2, respectively. Formulas 1 and 2 show reactions at the positive electrode 14a and the negative electrode 14b during charging.

Figure 112011091313250-pat00002
Figure 112011091313250-pat00002

Figure 112011091313250-pat00003
Figure 112011091313250-pat00003

도 4에서 레독스 흐름전지에 사용되는 필름은 DLC 코팅된 필름인 것이 바람직하다. 전해질로 강산을 사용하는 레독스 흐름 전지의 경우에는 전극(14a, 14b)으로 카본 펠트(25)가 사용되며 카본 펠트(25)를 이루는 카본 파이버는 벌크상의 카본 또는 그래파이트와는 또 다른 특성을 나타내는 물질로서, 전구체와 제조 조건에 따라 카본 펠트(25)의 미세구조가 많이 달라지는 특성을 보인다. 카본 펠트(25)의 제조시에 가장 일반적으로 사용되는 출발 물질로는 레이온(rayon), PAN(Polyacrylonitrile) 및 피치 등을 사용한다. In FIG. 4, the film used for the redox flow battery is preferably a DLC coated film. In the case of a redox flow battery using a strong acid as an electrolyte, a carbon felt 25 is used as the electrodes 14a and 14b, and the carbon fibers forming the carbon felt 25 have different characteristics from those of bulk carbon or graphite. As a material, the microstructure of the carbon felt 25 is greatly changed depending on the precursor and the manufacturing conditions. Rayon, polyacrylonitrile (PAN), pitch, and the like are used as starting materials most commonly used in the production of the carbon felt 25.

카본 펠트(25)는 화학적, 전기화학적 및 열적 활성화 등을 통하여 전극 표면적을 확대하고 탄소펠트(25) 표면에 산소 관능기가 도입되면 산소원자의 이동이 일어나 이를 통해 전해질 내에서 산화/환원 반응이 원할히 이루어 지게 하는 역할을 한다. The carbon felt 25 expands the electrode surface area through chemical, electrochemical and thermal activation, and when oxygen functional groups are introduced to the surface of the carbon felt 25, oxygen atoms move to smoothly oxidize / reduce reactions in the electrolyte. It serves to make it happen.

탄소펠트가 아닌 전극 (엄밀히 말하면 집전체)에 전도성 DLC 코팅 또는 필름을 융착하여 사용한다.A conductive DLC coating or film is fused to an electrode other than a carbon felt (strictly current collector).

도 5는 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지용 전도성 다이아몬드 코팅 전극의 구조를 보여주는 모식도이다.5 is a schematic view showing the structure of a conductive diamond coating electrode for a redox flow battery according to the present invention.

도 5를 참조하면 전극은 구리(14a, 양극으로 사용된다.) 또는 알루미늄(14b, 음극으로 사용된다.)으로 구성되어 있다. 상기 전극(14a,14b)의 양면에는 DLC가 코팅된 층(20)이 형성되어 있는 것이 바람직하다. Referring to FIG. 5, the electrode is made of copper 14a (used as an anode) or aluminum 14b (used as a cathode). It is preferable that DLC-coated layers 20 are formed on both surfaces of the electrodes 14a and 14b.

상기 DLC가 코팅된 필름(20)에서의 탄소는 플라즈마 인핸스드 화학기상증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), 이온 스퍼터링, 이온 빔 증착법 및 레이저 어블레이션법(laser ablation) 중에서 선택된 어느 하나의 방법에 의해서 코팅된 것이 바람직하다.Carbon in the DLC-coated film 20 is any one selected from plasma enhanced chemical vapor deposition (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), ion sputtering, ion beam deposition method and laser ablation method (laser ablation) Coated is preferred.

플라즈마 인핸스드 화학기상증착법은 화학 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition)의 일종인데, 화학기상 증착법이란 기체 상태의 반응물을 반응시켜 원하는 물질이 실리콘 웨이퍼 위에 덮어 씌워지도록 하는 공정을 말한다. 그런데 반도체는 공정 온도가 낮은 곳에서 생산될수록 결함(defect)이 적어진다. Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (CVD) is a type of chemical vapor deposition, which is a process in which a gaseous reactant is reacted to cover a desired material on a silicon wafer. However, the more semiconductors are produced at lower process temperatures, the fewer defects there are.

플라즈마 인핸스드 화학기상 증착법의 경우 반응물인 기체를 아르곤 플라즈마를 통과시켜 화학 활성(chemical activity)을 증가시킴으로써 낮은 온도에서 화학반응이 일어나게 만드는 특징을 갖고 있다.In the case of plasma enhanced chemical vapor deposition, a chemical reaction occurs at a low temperature by increasing a chemical activity by passing a reactant gas through an argon plasma.

플라스마 인핸스드 화학기상 증착법의 경우에는 생산성이 높고, 필름 상에 매끄러운 표면상태를 얻을 수 있으며, 열적인 안정성이 우수한 특징을 가진다. 하지만, 복잡한 형상을 지니고 있는 대상물에 대해서 적용시에는 균일하게 코팅하기 어려운 단점이 있다.In the case of the plasma enhanced chemical vapor deposition method, the productivity is high, a smooth surface state can be obtained on the film, and the thermal stability is excellent. However, when applied to the object having a complex shape there is a disadvantage that it is difficult to coat uniformly.

또 하나의 코팅방법으로는 이온 빔 스퍼터링(ion beam sputtering) 방법이 있다. 이온 빔 스퍼터링은 에너지를 가진 입자에 의해 표면을 충돌(bombardment)하여 이때의 운동량 교환으로 고체 표면으로부터 재료가 이탈, 방출되게 하는 과정이다. 그러므로 피처리물과 마주보는 표적재료(다이오드 상태)에서 무거운 불활성 가스인 아르곤 가스가 글로우 방전에 의해 플라즈마를 형성하고, 음극인 표적재료 표면에 아르곤 이온이 충돌하는 이온폭격을 일으켜 표적재료 원자가 증기상으로 방출하게 된다. 상기와 같은 방법은 화학적 열적 반응과정이 아니며, 기게적 과정에 의해 증기 상을 만드는 방법으로 어느 재료의 표적재료로도 사용할 수 있는 장점이 있다. 일반적으로 직류전원을 사용하지만, 비전도성 표적재료인 경우에는 교류과정인 RF 전위를 이용하여 스퍼터링 할 수 있다. 하지만 접착성이 좋지 않고, 필름이 질도 나빠지는 단점이 있다.Another coating method is an ion beam sputtering method. Ion beam sputtering is the process of bombarding a surface by particles with energy, causing material to be released and released from the solid surface by the momentum exchange at this time. Therefore, in the target material (diode state) facing the object to be treated, a heavy inert gas, argon gas, forms a plasma by glow discharge, and causes an ion bombardment in which argon ions collide with the surface of the target material, which is a cathode. Will be emitted. Such a method is not a chemical thermal reaction process, there is an advantage that can be used as a target material of any material as a method of making a vapor phase by a mechanical process. Generally, DC power is used, but in the case of non-conductive target material, sputtering can be performed by using RF potential, which is an AC process. However, there is a disadvantage in that the adhesiveness is not good, and the film is also poor in quality.

다른 증착방법과 병용하여 사용하는 것이 바람직하다.It is preferable to use in combination with another vapor deposition method.

이온빔증착법(ion beam deposition)은 상대적으로 낮은 기판온도에서 기판을 손상을 주지 않는 비교적 낮은 에너지를 가진 금속 이온들에 의한 직접적인 증착으로 결함이 적고, 고순도의 박막을 만드는데 유용한 방법이다.Ion beam deposition is a method that is useful for making high purity thin films with low defects by direct deposition by relatively low energy metal ions that do not damage the substrate at relatively low substrate temperatures.

이러한 이온빔 증착법에 대한 연구는 오래 전부터 있었다고 생각되나 본격적인 연구가 시작된 계기로 진공 중에서 카본의 이온빔을 실리콘 기판 위에 조사함으로써 실온에서도 광학적으로 투명하고 또한 화학적으로 안정한 DLC(diamond like carbon) 박막을 얻었다고 볼 수 있다. It is thought that the research on ion beam deposition method has been done for a long time, but when the full-fledged study was started, it was found that DLC (diamond like carbon) film which was optically transparent and chemically stable at room temperature was obtained by irradiating carbon ion beam on the silicon substrate in vacuum. Can be.

이러한 이온빔 증착법에서는 다른 증착 생산을 위해서 쓰였던 CCl4가스와 같은 반응성가스를 이용하지 않음으로써 Cl등의 불순물의 영향을 배제할 수 있는 이점이 있다. The ion beam deposition method has an advantage of eliminating the influence of impurities such as Cl by not using a reactive gas such as CCl 4 gas used for other deposition production.

레이저 어블레이션법(laser ablation)은 펄스드레이저증착법(Pulsed laser deposition)이라고도 한다. 이러한 레이저 어블레이션법은 탄소타겟(graphite target)의 어블레이션 현상을 통한 플륨(plume)의 형성과정이라고 할 수 있다. 펄스드레이저증착법은 박막을 만드는 물리적 기상증착법(Physical vapor deposition)의 한 방식이다. 만들고자 하는 물질의 타겟을 진공 챔버에 위치시키고 렌즈로 집중시킨 짧은 파장(높은 에너지)의 펄스레이저를 쏘아 튀어나오는 플라즈마가 타겟과 마주 보고 있는 고온의 기판에 묻어 결정화되는 것을 이용하는 방법이다. 이러한 PLD 법은 타겟 물질의 조성을 옮기기 쉬운 특성이 있으며, 빠르고 비교적 무해하지만 박막의 크기가 제한되는 단점이 있다. Laser ablation is also referred to as pulsed laser deposition. The laser ablation method may be referred to as a process of forming a plum through an ablation phenomenon of a carbon target. Pulsed laser deposition is a form of physical vapor deposition that produces thin films. Plasma is emitted from a short wavelength (high energy) pulse laser focused on a lens by placing the target of the material in a vacuum chamber and then crystallized by buried in a hot substrate facing the target. The PLD method has a property of easily moving the composition of the target material, and is fast and relatively harmless, but has a disadvantage in that the size of the thin film is limited.

상기 카본입자를 증착시키는 공정 중에서 이온 빔 증착법과 플라즈마 인핸스드 화학기상증착법의 경우에는 25~200℃의 온도에서 이루어지는 것이 바람직하다.In the process of depositing the carbon particles, the ion beam deposition method and the plasma enhanced chemical vapor deposition method are preferably performed at a temperature of 25 to 200 ° C.

이렇게 낮은 온도에서 증착이 가능한 이유는 이온빔증착법과 플라즈마 인핸스드 화학기상증착법에서 기체를 이온화시키는 공정을 사용하기 때문이다.The reason why the deposition is possible at such a low temperature is that the ion beam deposition method and the plasma enhanced chemical vapor deposition method use a process of ionizing a gas.

25℃보다 낮은 온도에서는 기체를 이온화시키기 어렵고, 200℃보다 높은 온도에서는 타겟의 대상이 되는 유기물의 변형을 유발시킬 수 있으므로 200℃ 이하인 것이 바람직하다. 상술한 바와 같은 이온빔 증착법과 PECVD 법의 경우에는 낮은 온도에서 증착이 가능하기 때문에 대상물질에 대한 제한이 없이 DLC에 대한 코팅이 가능하다. It is preferable that the temperature is lower than 200 ° C because gas is difficult to ionize at a temperature lower than 25 ° C, and deformation of an organic material that is a target of the target may be caused at a temperature higher than 200 ° C. In the case of the ion beam deposition method and the PECVD method as described above, since the deposition is possible at a low temperature, it is possible to coat the DLC without limiting the target material.

이러한 DLC 는 전도성 다이아몬드라고 할 수 있는데 전도성 다이아몬드가 코팅될 수 있는 공정이라면 상술한 공정에 한정되는 것은 아니다.
The DLC may be referred to as a conductive diamond, but is not limited to the above-described process as long as the conductive diamond may be coated.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described in detail, this invention is not limited to the said embodiment, A various deformation | transformation by a person of ordinary skill in the art within the scope of the technical idea of this invention is carried out. This is possible.

10: 레독스 전지 11a: 양전해질 탱크
11b: 음전해질 탱크 13a: 양극셀
13b: 음극셀 14a: 양극
14b: 음극 15: 이온교환막
20: 전도성 다이아몬드 코팅 또는 전도성 다이아몬드가 코팅된 필름(DLC 코팅된 필름), 25: 카본 펠트
10: redox battery 11a: positive electrolyte tank
11b: negative electrolyte tank 13a: positive electrode cell
13b: cathode cell 14a: anode
14b: cathode 15: ion exchange membrane
20: conductive diamond coated or conductive diamond coated film (DLC coated film), 25: carbon felt

Claims (7)

금속과
상기 금속을 중심에 두고, 상기 금속의 양면에 DLC가 코팅된 필름(20)을 포함하는 레독스 흐름 전지용 DLC 코팅 전극.
Metal and
DLC coating electrode for a redox flow battery comprising a film 20, the center of the metal, the DLC coated on both sides of the metal.
제1항에 있어서,
상기 금속은 티타늄, 알루미늄 또는 구리인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지용 DLC 코팅 전극.
The method of claim 1,
DLC coating electrode for a redox flow battery, characterized in that the metal is titanium, aluminum or copper.
제1항 또는 제2항에 있어서
상기 레독스 흐름 전지용 DLC 코팅 전극 중에서 어느 하나는 양극(14a)을 이루고, 다른 하나는 음극(14b)을 이루면서 상기 양전극(14a,14b) 사이에는 이온 교환막(15)이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지용 DLC 코팅 전극.
The method according to claim 1 or 2
One of the DLC coating electrodes for the redox flow battery forms an anode 14a, and the other forms an anode 14b, and an ion exchange membrane 15 is disposed between the positive electrodes 14a and 14b. DLC coated electrode for redox flow battery.
제1항에 있어서,
상기 레독스 흐름 전지용 전극에 사용되는 DLC 코팅된 필름(20)은 비정질 상태의 고체 카본 필름인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지용 DLC 코팅 전극.
The method of claim 1,
DLC coated film 20 used for the redox flow battery electrode is a DLC coating electrode for a redox flow battery, characterized in that the amorphous carbon film.
제1항, 제2항 및 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 DLC 코팅된 필름(20)은 수소의 몰분율이 20~60몰%인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지용 DLC 코팅 전극.
The method according to any one of claims 1, 2 and 4,
The DLC coated film 20 is a DLC coating electrode for a redox flow battery, characterized in that the mole fraction of hydrogen 20 to 60 mol%.
제1항에 있어서,
상기 DLC 코팅된 필름(20)에서의 탄소는 플라즈마 인핸스드 화학기상증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), 이온 스퍼터링법, 이온 빔 증착법 및 레이저 어블레이션법(laser ablation) 중에서 선택된 어느 하나 이상의 방법에 의해서 코팅된 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지용 DLC 코팅 전극.
The method of claim 1,
The carbon in the DLC coated film 20 is formed by any one or more methods selected from plasma enhanced chemical vapor deposition, ion sputtering, ion beam deposition, and laser ablation. DLC coated electrode for redox flow battery, characterized in that the coating.
제6항에 있어서,
상기 탄소에 대한 코팅 공정 중에서 플라즈마 인핸스드 화학기상 증착법 또는 이온 빔 증착법에 의한 탄소의 증착은 25~200℃에서 이루어진 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지용 DLC 코팅 전극.
The method according to claim 6,
The deposition of carbon by plasma enhanced chemical vapor deposition or ion beam deposition in the coating process for carbon, DLC coating electrode for redox flow battery, characterized in that made at 25 ~ 200 ℃.
KR1020110120741A 2011-11-18 2011-11-18 Electrode coated by diamond like carbon for redox flow battery KR101371163B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110120741A KR101371163B1 (en) 2011-11-18 2011-11-18 Electrode coated by diamond like carbon for redox flow battery

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110120741A KR101371163B1 (en) 2011-11-18 2011-11-18 Electrode coated by diamond like carbon for redox flow battery

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20130055151A KR20130055151A (en) 2013-05-28
KR101371163B1 true KR101371163B1 (en) 2014-03-17

Family

ID=48663717

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020110120741A KR101371163B1 (en) 2011-11-18 2011-11-18 Electrode coated by diamond like carbon for redox flow battery

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101371163B1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022105961A1 (en) * 2020-11-20 2022-05-27 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Component of a redox flow cell, redox flow cell, and redox flow battery

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102019116000A1 (en) * 2019-06-12 2020-12-17 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Layer system for coating a bipolar plate, as well as bipolar plate and fuel cell

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5795672A (en) 1995-03-03 1998-08-18 Southwest Research Institute Diamond-like carbon based electrocatalytic coating for fuel cell electrodes
KR20110119775A (en) * 2010-03-12 2011-11-02 스미토모덴키고교가부시키가이샤 Redox flow battery

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5795672A (en) 1995-03-03 1998-08-18 Southwest Research Institute Diamond-like carbon based electrocatalytic coating for fuel cell electrodes
KR20110119775A (en) * 2010-03-12 2011-11-02 스미토모덴키고교가부시키가이샤 Redox flow battery

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022105961A1 (en) * 2020-11-20 2022-05-27 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Component of a redox flow cell, redox flow cell, and redox flow battery

Also Published As

Publication number Publication date
KR20130055151A (en) 2013-05-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kim et al. Improving stability and photoelectrochemical performance of BiVO4 photoanodes in basic media by adding a ZnFe2O4 layer
US9692078B2 (en) High-performance rechargeable batteries with fast solid-state ion conductors
Yu et al. Toward a new generation of low cost, efficient, and durable metal–air flow batteries
US10418647B2 (en) Mitigation of parasitic reactions within flow batteries
Boysen et al. From laboratory breakthrough to technological realization: The development path for solid acid fuel cells
US20200388857A1 (en) Redox flow batteries employing diamond
US20180198148A1 (en) Low temperature solid oxide cells
JP2007207718A (en) Separator for fuel cell and its manufacturing method
JP2014510361A (en) Alkali metal-air flow battery
Yu et al. The applications of semiconductor materials in air batteries
US10047444B2 (en) Method for generating hydrogen and hydrogen generation device used therefor
US11158849B2 (en) Lithium ion battery including nano-crystalline graphene electrode
US10734166B2 (en) Structure for electric energy storage using carbon nanotubes
Zhang et al. Ordered nanostructures arrays fabricated by anodic aluminum oxide (AAO) template-directed methods for energy conversion
KR101371163B1 (en) Electrode coated by diamond like carbon for redox flow battery
Hou et al. Recent advances and interfacial challenges in solid‐state electrolytes for rechargeable Li‐air batteries
CN102732921B (en) Ionic liquid electrodeposition method for preparing three-dimensional ordered macroporous silicon-germanium and germanium-aluminum heterogeneous thin-film material
Li et al. Halogen enabled aqueous flow cells for large-scale energy storage: current status and perspectives
Su Hierarchically structured porous materials for energy conversion and storage
US20230068006A1 (en) Metal-air batteries
US9660312B2 (en) Metal/air battery with gas separation nanostructure
WO2015160751A1 (en) Shared electrode hybrid battery-fuel cell system
Thangadurai et al. Emerging nanomaterials in energy and environmental science: an overview
KR20220154746A (en) Electrode and manufacturing method for flow battery
Jaiswal et al. Recent developments and challenges in membrane-Less soluble lead redox flow batteries

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
N231 Notification of change of applicant
LAPS Lapse due to unpaid annual fee