KR101464515B1 - 수명 특성이 우수한 니켈-아연 플로우 전지 - Google Patents

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Abstract

아연 이온의 흡착을 향상시킬 수 있으며, 수명 특성이 우수한 니켈-아연 플로우 전지에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 니켈-아연 플로우 전지는 니켈화합물을 포함하여 형성되는 양극 활물질과, 양극 집전체를 구비하는 양극; 음극 집전체를 구비하고, 전지 구동에 따라 상기 음극집전체에 아연 또는 아연화합물이 흡착 또는 탈착되는 음극; 상기 양극과 음극 사이에 개재된 전해질; 및 상기 전해질을 순환시키는 펌프;를 포함하고, 상기 음극집전체는 도전성 탄소를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

수명 특성이 우수한 니켈-아연 플로우 전지 {Ni-Zn FLOW BATTERY WITH LONG LIFE TIME}
본 발명은 니켈-아연 플로우 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 음극집전체를 도전성 탄소로 형성함으로써, 수명 특성을 향상시킬 수 있는 니켈-아연 플로우 전지에 관한 것이다.
최근 각국의 환경보전에 대한 의지로서 각종 환경규제가 실시되고 있다. 이러한 움직임과 더불어 소형전지에서는 이미 납축전지 및 니켈/카드뮴전지가 니켈/수소, 리튬이온전지 등으로 대체되었다.
그러나, 산업용 대형전지 분야에서는 그 대안의 전지가 없어 아직 납축전지와 니켈/카드뮴 전지가 사용되고 있다. 따라서 환경친화적인 대용량 축전지에 대한 관심이 높아지고 있으며 이에 따른 기술개발이 집중적으로 진행되고 있다.
그 중에서 납축전지를 대체할 수 있는 니켈(Ni)/아연(Zn) 이차전지는 작동전압이 1.6[V/cell] 이상으로, 중량 및 부피 에너지밀도가 높으며, 고유 출력 밀도(Specific power density)도 875[W/kg]으로서 납축전지의 535[W/kg]보다 우수하며, 게다가 최대 방전용량의 80%에 도달하게 되는 충방전 횟수(Cycle life)도 500회 이상으로서 납축 전지의 200~700 회에 비해서 비교적 안정적인 장점이 있다. 또한, 음극 활물질에 아연을 사용하는 니켈/아연 이차전지는 가격이 저렴하다는 장점을 가지므로 구동용뿐만 아니라 정치형 전력 저장용 이차전지로 널리 활용될 수 있다. 그러나 이와 같은 니켈/아연 이차전지는 아연 전극의 용해, 자가 방전, 모양 변화, 수지 상 결정화 등으로 인하여 제한되는 문제점이 있었다. 또한, 니켈/아연 이차전지에서는 아연 음극의 전도도가 낮아 음극에 전도성 세라믹 등의 도전제를 첨가하나 그 효과가 미미하다.
그러나 음극의 집전체로 니켈보다 전도성이 높은 구리 또는 구리 합금 집전체를 사용하는 경우 전지의 성능이 향상되나, 구리 또는 구리 합금 집전체의 내구성이 낮아 알칼리 전해질 하에서 쉽게 부식되는 단점을 가진다. 또한, 구리가 가진 낮은 비표면적(30-50m2/g)에 의하여 고전류 충전 시 아연의 수지상이 형성돼 충 방전이 어려운 단점이 있다.
이와 같은 집전체의 부식과 수지상의 형성은 전지의 충전전압 증가를 야기하여 과도한 가스 발생과 방전효율 감소 등의 결과를 가져오며, 이는 곧 전지의 수명을 단축시키는 원인이 된다.
본 발명과 관련된 배경기술로는 대한민국 공개특허공보 제10-2010-0056263호(2010. 05. 27. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 표면 개질된 집전체를 사용한 니켈/아연 이차전지의 음극 제조방법 및 그를 이용하여 제조된 니켈/아연 이차전지가 개시되어 있다.
본 발명의 하나의 목적은 아연 이온의 수지상 형상을 억제하고, 흡착력을 향상시킬 수 있으며, 수명 특성이 우수한 음극집전체를 포함하는 니켈-아연 플로우 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 니켈-아연 플로우 전지에 이용되는 음극집전체를 제공하는 것이다.
상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 니켈-아연 플로우 전지는 니켈화합물을 포함하여 형성되는 양극 활물질과, 양극 집전체를 구비하는 양극; 음극 집전체를 구비하고, 전지 구동에 따라 상기 음극집전체에 아연 또는 아연화합물이 흡착 또는 탈착되는 음극; 상기 양극과 음극 사이에 개재된 전해질; 및 상기 전해질을 순환시키는 펌프;를 포함하고, 상기 음극집전체는 도전성 탄소를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 음극집전체는 카본 블랙(Carbon black), 활성탄(Activated carbon), 케트젠 블랙(Ketjen black) 및 그라파이트 중에서 1종 이상의 도전성 탄소를 포함할 수 있다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 니켈-아연 플로우 전지용 음극집전체는 니켈 및 아연의 산화/환원 반응을 이용하고, 전해질이 순환하는 니켈-아연 플로우 전지의 음극집전체로서, 도전성 탄소를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 수명 특성이 우수한 니켈-아연 플로우 전지는 내화학성과 비표면적이 높은 도전성 탄소로 음극집전체를 형성함으로써, 아연의 수지상 형상과 음극 집전체의 부식을 방지하여 수명특성이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 니켈-아연 플로우 전지를 개략적으로 나타낸 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수명 특성이 우수한 니켈-아연 플로우 전지에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 니켈-아연 플로우 전지를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 니켈-아연 플로우 전지(100)는 양극, 음극, 전해질(130) 및 펌프(140)를 포함하여, 니켈 및 아연의 산화/환원 반응을 이용하고, 전해질이 순환하는 구조를 갖는다.
양극은 양극집전체(미도시)와, 상기 양극집전체에 형성되는 양극활물질(110)을 포함한다.
양극 집전체는 Ni foam과 같은 니켈을 포함하는 재질로 형성될 수 있다.
양극활물질(110)은 니켈화합물을 포함한다. 이러한 양극활물질의 소재가 되는 니켈화합물은 NiOOH 및 Ni(OH)2 중에서 1종이상 포함할 수 있다. 이들 니켈화합물은 충방전 상태에 따라서 NiOOH(충전 후), Ni(OH)2(방전 후) 및 NiOOH 및 Ni(OH)2가 공존하는 형태(충방전 도중)로 존재할 수 있다.
음극은 음극집전체(124)를 포함한다.
이때, 음극집전체(124)에는 전지 구동, 예를 들어 충전이 진행됨에 따라서 아연 또는 아연화합물(120)이 흡착되어 있을 수 있다. 또한, 이러한 아연 또는 아연화합물(120)은 전지 구동, 예를 들어 방전이 진행됨에 따라서 전해질(130)에 이온의 형태로 용해되어 있을 수 있다.
이때, 본 발명에서는 음극집전체(124)가 도전성 탄소를 포함하여 형성된다. 음극집전체(124)를 금속에 비하여 내구성이 우수한 도전성 탄소로 형성한 결과, 아연의 흡착력이 향상되었으며, 높은 비표면적에 의해 수지상 형성이 억제되어, 전지의 수명 특성이 향상되었다.
이러한 도전성 탄소는 카본 블랙(Carbon black), 활성탄(Activated carbon), 케트젠 블랙(Ketjen black) 및 그라파이트 중에서 1종 이상을 포함할 수 있다. 도전성 탄소의 형태는 판(Plate) 형상, 바인더(PTFE, PVDF 등)를 사용하여 탄소파우더를 구리판 위에 전극화한 형상, 탄소 파우더 형태등을 포함한다.
전해질(130)은 양극과 음극 사이에 개재되며, 충전 혹은 방전시 전지 내부의 아연 이온이 이동하는 통로의 역할을 한다.
이러한 전해질(130)은 KOH 수용액을 포함할 수 있다. 음극집전체(124)로부터 탈착되는 산화아연의 경우, 강염기인 KOH 수용액 내에서 Zn2 +와 같은 이온 상태로 존재할 수 있다. 또한, KOH 수용액의 경우, 상기의 전지 반응에 필요한 OH- 이온을 충분히 제공한다.
펌프(140)는 전해질을 순환시켜, 음극에 수지상정(dendrite)이 형성되는 것을 방지한다.
양극활물질 소재로 NiOOH를 이용할 경우, 양극에서는 아래의 반응식 1과 같은 화학 반응이 일어난다.
[반응식 1]
2NiOOH + 2H2O + 2e- = 2Ni(OH)2 + 2OH- , E0 = 0.490V
아울러, 음극에서는 아래의 반응식 2와 같은 아연의 화학 반응이 일어난다.
[반응식 2]
Zn + 4OH- = Zn(OH) 4 2- + 2e- , E0=-1.215V
전해질에 KOH 수용액을 포함할 경우, 상기의 반응식 1과 반응식 2로부터 전체적인 전지화학반응은 아래의 반응식 3과 같다.
[반응식 3]
Zn + 2KOH + 2H2O + 2NiOOH = 2Ni(OH)2 + K2Zn(OH)4, V=1.705V
상기 반응식 1~3을 참조하면, 방전시에는 음극집전체에 흡착된 ZnO가 전해질에 Zn2+ 이온의 형태로 용해되고, NiOOH는 Ni(OH)2로 변화된다. 또한, 충전시에는 전해질에 용해되어 있는 Zn2 + 이온이 음극집전체에 ZnO의 형태로 흡착되고, Ni(OH)2가 NiOOH로 변화된다.
한편, 상기 양극(110), 음극(120) 및 전해질(130)은 케이스(101) 내에 수용된다.
케이스(140)은 다양한 재질로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 안정성 및 내구성이 우수한 스테인리스 스틸 재질을 제시할 수 있다.
이때, 전해질(130)를 순환시키기 위한 펌프(140)는 도 1에 도시된 예와 같이, 케이스(101) 외부에 위치할 수 있다. 이 경우, 전해질이 케이스 내부에서 외부로, 외부에서 내부로 순환할 수 있다.
또한, 펌프(140) 전단 혹은 후단에는 충분한 전해질을 제공하며, 아울러 케이스 내에 공급되는 전해질의 양을 일정하게 하는데 기여할 수 있는 전해질 저장부(142)가 더 배치될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 니켈-아연 플로우 전지는 양극 및 음극 사이에 형성되어, 양극과 음극의 쇼트(short)를 방지하는 분리막을 더 포함할 수 있다. 분리막은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등과 같은 고분자 재질로 형성될 수 있다. 이러한 분리막은 도 1에 도시된 전지 구조보다는 양극과 음극이 권취된 형태를 갖는 전지에 보다 유용하게 활용될 수 있다.
실시예
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명에 따른 니켈-아연 플로우 전지에 대하여 더욱 상세하게 살펴보기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
1. 전지 제조
표 1에 기재된 조건 및 도 1에 도시된 형태로 실시예 1~3 및 비교예 1~2에 따른 니켈-아연 플로우 전지를 제조하였다.
이때, 양극활물질은 NiOOH를 이용하였다. 전해질은 ZnO가 용해된 KOH 수용액을 이용하였다.
[표 1]
Figure 112012086881288-pat00001
2. 전기량 측정
표 2는 실시예 1~3 및 비교예 1~2에 따른 니켈-아연 플로우 전지의 전기량을 나타낸 것이다. 전기량 측정은 충방전 횟수를 500회로 한 것이다.
[표 2]
Figure 112012086881288-pat00002
표 2를 참조하면, 본 발명에서 실시예 1~3에 따른 니켈-아연 플로우 전지의 경우, 전압이 평균 -1.35V를 나타내므로, 비교예 1~2에 따른 전지 대비 음극의 전압이 우수한 것을 알 수 있다.
또한, 본 발명에서 실시예 1~3에 따른 니켈-아연 플로우 전지의 경우, 비교예 1~2에 따른 전지 대비 전기량이 우수함을 알 수 있다. 즉, 실시예 1~3의 경우, 전기량이 평균적으로 94%가 나옴을 알 수 있다. 반면에, 비교예 1~2의 경우에는 전기량이 대략 75% 정도임을 알 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
101 : 케이스
110: 양극활물질
120 : 아연 또는 아연화합물
124 : 음극집전체
130 : 전해질
140 : 펌프
142 : 전해질 저장부

Claims (10)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. NiOOH 및 Ni(OH)2 중에서 1종 이상을 포함하는 양극 활물질과, 니켈을 포함하는 양극 집전체를 구비하는 양극;
    음극 집전체를 구비하고, 전지 구동에 따라 상기 음극집전체에 아연 또는 아연화합물이 흡착 또는 탈착되는 음극;
    상기 양극 및 상기 음극 사이에, 고분자 재질로 형성되는 분리막;
    상기 양극과 음극 사이에 개재되며, KOH 수용액을 포함하는 전해질;
    상기 양극, 음극 및 전해질을 수용하는 케이스; 및
    상기 케이스 외부에 위치하며, 상기 전해질을 순환시켜 상기 음극에 수지상(dendrite)이 형성되는 것을 방지하는 펌프;를 포함하고,
    상기 음극집전체는 아연의 흡착력을 향상시키고, 수지상 형성을 억제할 수 있도록, 카본 블랙(Carbon black), 활성탄(Activated carbon), 케트젠 블랙(Ketjen black) 및 그라파이트 중에서 1종 이상의 도전성 탄소로 이루어지고,
    500회 충방전 후 전기량이 초기 전기량의 92~97%를 나타내는 것을 특징으로 하는 니켈-아연 플로우 전지.
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