KR101520394B1 - 스택형 플로우 에너지 저장 장치 및 그 용도 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 스택형 플로우 에너지 저장 장치 및 그 용도에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전극물질과 전해질이 혼합된 유동형 전극물질로 구성된 스택형 전극셀과 전극물질 저장탱크를 이용하여 안정성, 출력, 에너지밀도를 획기적으로 개선할 수 있는 스택형 플로우 에너지 저장 장치 및 그 용도에 관한 것이다.
본 발명에 따르면 양극-분리막-음극으로 이루어지는 단위셀을 직렬 또는 병렬로 스택하여 제조한 스택셀을 적용함으로써 출력을 획기적으로 높일 수 있다.
또한 전극셀과 연결되어 있는 전극용 슬러리 저장탱크의 크기를 조절함으로써 요구되는 에너지 밀도의 사양을 맞출 수 있다.
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또한 전극셀과 연결되어 있는 전극용 슬러리 저장탱크의 크기를 조절함으로써 요구되는 에너지 밀도의 사양을 맞출 수 있다.
Description
본 발명은 스택형 플로우 에너지 저장 장치 및 그 용도에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전극셀의 외부에서 유입되는 전극용 슬러리로 구성되는 스택형 전극셀과 이와 연결되어 구비되는 전극용 슬러리 저장탱크를 이용하여 안정성, 출력, 에너지밀도를 획기적으로 개선할 수 있는 스택형 플로우 에너지 저장 장치 및 그 용도에 관한 것이다.
최근 원유 가격 급등 및 친환경 에너지 시책에 따라 화석 에너지 정책을 발표, 시행하고 있다. 이러한 에너지 정책에 따라 친환경 자동차, 스마트 그리드 등이 주목받으면서 에너지 저장 장치의 개발 필요성이 대두되었다. 현재 에너지 저장 장치로서 리튬 이차전지가 가장 많이 사용되고 있으나 부족한 출력특성, 짧은 수명 등이 문제되고 있다. 이에 따라 최근 이차전지에 대한 대안으로 수퍼커패시터에 대한 관심이 높아지고 있다.
수퍼 커패시터는 전해콘덴서와 이차전지의 중간적인 특성을 갖는 에너지 저장 장치로서 급속 충방전이 가능하며, 높은 효율, 반영구적인 수명 특성을 가지고 있다. 수퍼 커패시터는 콘덴서나 이차전지에 비하여 연구개발 역사는 짧지만 활성탄, 금속산화물, 전도성 고분자 등의 신규 전극 재료 등의 기술 개발로 매우 빠른 발전 속도를 나타내고 있다.
1980년대에 활성탄소재료가 각종 전자기기의 메모리 백업용으로 상용화되었으며, 최근 들어 전극재료와 제조기술의 발달과 더불어 차세대 에너지 저장 장치로서 중요성이 부각되고 있다.
그러나 종래의 수퍼커패시터는 여전히 에너지 밀도가 낮은 문제가 있어, 수퍼 커패시터가 차세대 에너지 저장 창치로서 활용되기 위해서는 고에너지밀도를 갖는 대용량 플로우 커패시터의 기술 개발이 필요하다.
대한민국 공개특허 제10-2010-0100482호에서는 수퍼커패시터 및 그 제조방법에 대해 개시하고 있으나, 이는 고체의 전해질을 사용하고 폴리머를 이용한 보호부를 형성함으로써 안정성을 극대화할 수 있는 기술에 관한 것으로서 본 발명과 해결하고자 하는 과제 및 과제 해결 수단이 상이하다.
본 발명은 전극셀의 외부에서 유입되는 전극용 슬러리를 포함하여 구성되는 스택형 전극셀과 이와 연결되어 구비되는 전극용 슬러리 저장탱크를 이용하여 안정성, 출력, 에너지밀도를 획기적으로 개선할 수 있는 스택형 플로우 에너지 저장 장치를 제공한다. 또한 상기 스택형 플로우 에너지 저장 장치를 이용하여 에너지를 충전하는 방법 및 방전하는 방법을 제공한다. 아울러 상기 스택형 플로우 에너지 저장 장치를 이용한 모바일용 에너지 저장 장치, 블랙박스용 에너지 저장 장치, 하이브리드 차량용 에너지 저장 장치, 태양광 발전용 에너지 저장장치 및 풍력발전용 에너지 저장장치를 제공한다.
본 발명에 따른 스택형 플로우 에너지 저장 장치는,
양극 집전체, 양극, 양극과 음극을 분리하는 분리막, 음극 및 음극 집전체로 구성되는 전극셀과, 전극용 슬러리 저장탱크 1, 2를 포함하여 구성되는 스택형 플로우 에너지 저장 장치로서, 상기 양극 집전체와 음극 집전체 사이에, 양극-분리막-음극 순으로 이루어지는 단위셀이 2개 이상인 스택형으로 구비되고, 상기 양극과 음극은 수퍼커패시터용 전극물질과 전해질을 혼합하여 제조한 전극용 슬러리로 이루어지며, 상기 전극용 슬러리 저장탱크 1은 방전된 전극용 슬러리를 저장하기 위하여 상기 양극과 음극에 각각 연결되어 구비되고, 상기 전극용 슬러리 저장탱크 2는 충전된 전극용 슬러리를 저장하기 위하여 상기 양극과 음극에 각각 연결되어 구비되는 것을 특징으로 한다.
상기 양극 집전체 및 음극 집전체는 알루미늄, 티탄, 탄탈, 니켈, 스테리인레스, 전도성 탄소계 및 전도성 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상으로 이루어질 수 있다.
상기 전도성 탄소계는 인조흑연, 탄소섬유, 카본블랙, 탄소나노튜브, 활성탄소 및 그래핀으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 전도성 고분자는 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리페닐렌비닐렌, 폴리페닐설파이드 및 폴리파라페닐렌으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 금속은 금속 호일 또는 금속 폼(foam)의 형태일 수 있다.
상기 전도성 탄소계는 플레이트(예, 그라파이트), 종이, 필름, 폼(foam) 등의 형태일 수 있다.
상기 전도성 고분자는 플레이트, 종이, 필름, 폼(foam) 등의 형태일 수 있다.
상기 분리막은 다공성 멤브레인으로서 다공성 폴리프로필렌, 다공성 폴리에틸렌 또는 다공성 PVDF(polyvinylidene fluoride) 등으로 이루어질 수 있다. 상기 분리막은 추가적으로 이온전도성 물질을 코팅하여 이온전도도를 향상시킨 이온전도성 분리막이거나 세라믹 코팅이 수행된 분리막일 수 있다. 또한 상기 분리막은 지지대를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 지지대는 PP(폴리프로필렌) 또는 PE(폴리에틸렌) 재질의 단단한 그물망 구조체로 이루어질 수 있다.
상기 스택형 플로우 에너지 저장 장치는 가스켓을 더 포함하여 구성될 수 있다. 가스켓을 더 포함하는 경우, 상기 단위셀은 가스켓-양극-분리막-음극-가스켓 순으로 이루어질 수 있다.
상기 가스켓은 PP(폴리프로필렌) 등으로 이루어질 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적으로 사용되는 재질은 모두 사용될 수 있다.
상기 수퍼커패시터용 전극물질과 전해질은 1:1~1:20의 중량비로 혼합될 수 있다. 상기 범위로 혼합하는 경우, 유동 전극의 점도가 적절히 유지됨과 동시에 활물질(전극물질)의 양이 적절하게 배합되어 고에너지 고출력 특성을 나타내는 유동 전극을 제조할 수 있다.
그러나 전해질 및 전극물질의 구조나 상태에 따라 전극물질과 전해질의 혼합 범위는 변경될 수 있다.
상기 수퍼커패시터용 전극물질은 활성탄, 나노활성탄, 그래핀, 다공성 카본, 금속산화물, 질화물, 황화물 및 전도성 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 금속산화물은 Rh 계열, Cu 계열, 등의 금속으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있고,
상기 질화물은 질소 원소(N)를 포함하는 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있고,
상기 황화물은 황 원소(S)를 포함하는 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 전도성 고분자는 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리페닐렌비닐렌, 폴리페닐설파이드 및 폴리파라페닐렌으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 전해질은 수용성 전해질, 유기계 전해질, 이온성 액체전해질(ionic liquid electrolyte)중 어느 하나가 사용되는 것을 특징으로 한다.
상기 수용성 전해질은 KOH, Na2SO4, H2SO4, H2PO4 및 KCl로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 유기계 전해질은 테트라에틸 암모늄 테트라플루오로보레이트 염(TEABF4) 과 아세트나이트릴(ACN)의 혼합물이거나 프로필렌 카보네이트(PC)일 수 있다. 상기 테트라에틸 암모늄 테트라플루오로보레이트(TEABF4)와 아세토니트릴(ACN)은 0.5M-1.5M TEABF4/ACN의 몰비로 혼합될 수 있다.
상기 이온성 액체 전해질은 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트(EMI-BF4, 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate), 1-n-부틸-3-메틸이미다졸륨 테트라프루오로보레이트(BMI-BF4, 1-n-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate), 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 비스-(트리플루오로메틸술포닐)이미드(EMI-TFSI, 1-ethyl-3-methylimidazolium bis-(trifluoromethylsulfonyl)imide)), 1-n-부틸-3-메틸이미다졸륨 헥사플루오로포스페이트(BMI-PF6, 1-n-butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate), 1-부틸-1-메틸피롤리디늄 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드(PYR14TFSI, 1-butyl-1-methylpyrrolidinium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide), N-메톡시에틸-N-메틸피롤리디늄 비스-(트리플루오로메탄술포닐)이미드(PYR1(201)TFSI, N-methoxyethyl-N-methylpyrrolidinium bis-(trifluoromethanesulfonyl)imide), 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 트리플루오로메탄술포네이트(EMI-TMS, 1-ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonate), 1-부틸-1-메틸피롤리디늄 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드)(BMP-BTI, 1-butyl-1-methylpyrrolidinium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide), 1-헥실-3-메틸이미다졸륨 헥사플루오로포스페이트(HMI-HFP, 1-hexyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate), 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 다이시안아미드(EMI-DCA, 1-ethyl-3-methylimidazolium dicyanamide), 11-메틸-3-옥틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트(MOI-TFB, 11-methyl-3-octylimidazolium tetrafluoroborate), N-메틸-N-프로필피레리디늄 비스(플루오로술포닐)이미드(PIP13FSI, N-Methyl-N-Propylpiperidinium bis(fluorosulfonyl)imide) 및 N-부틸-N-메틸피롤리디늄 비스(플루오로술포닐)이미드(PYR14FSI, N-butyl-N-methylpyrrolidinium bis(fluorosulfonyl)imide))로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 이온성 액체 전해질은 아세토니트릴과 혼합하여 사용할 수 있다. 이 때 이온성 액체 전해질과 아세토니트릴(ACN)은 0.5M ~ 1.5M 이온성액체/ACN의 몰비 혼합될 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 스택형 플로우 에너지 저장 장치를 이용하여 에너지를 충전하는 방법으로서, 전극용 슬러리를 전극용 슬러리 저장탱크 1에 유입하는 단계(단계 a); 상기 전극용 슬러리 저장탱크 1로부터 전극용 슬러리를 이송하여 전극셀의 양극과 음극에 각각 전극용 슬러리를 적재하는 단계(단계 b); 및 전극셀에 전류를 인가하여 충전하는 단계(단계 c)를 포함하는 스택형 플로우 에너지 저장 장치를 이용하여 에너지를 충전하는 방법을 제공할 수 있다.
상기 에너지를 충전하는 방법은, 충전된 전극용 슬러리를 전극셀로부터 전극용 슬러리 저장탱크 2로 이송시키고, 전극용 슬러리 저장탱크 1에 남아있는 전극용 슬러리에 상기 단계 b 및 단계 c를 반복수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 스택형 플로우 에너지 저장 장치를 이용하여 에너지를 방전하는 방법으로서, 전극용 슬러리 저장탱크 2에 저장된 충전된 전극용 슬러리를 이송시켜 전극셀의 양극과 음극에 적재하는 단계; 및 상기 전극셀에 로드(load)를 거는 단계를 포함하는 스택형 플로우 에너지 저장 장치를 이용하여 에너지를 방전하는 방법을 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 스택형 플로우 에너지 저장 장치를 이용한 모바일용 에너지 저장 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 스택형 플로우 에너지 저장 장치를 이용한 블랙박스용 에너지 저장 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 스택형 플로우 에너지 저장 장치를 이용한 하이브리드 차량용 에너지 저장 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 스택형 플로우 에너지 저장 장치를 이용한 태양광발전용 에너지 저장 장치를 제공할 수 있다. 아울러 상기 스택형 플로우 에너지 저장 장치를 이용한 풍력발전용 에너지 저장 장치를 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면 상기 에너지 저장 장치를 통하여 안정적으로 전력공급이 가능하기 때문에 단시간에 큰 출력을 내는 경우 기존의 에너지 저장장치에서 발생할 수 있는 전력품질 저하의 문제를 해결할 수 있다.
본 발명에 따르면 양극-분리막-음극으로 이루어지는 단위셀을 직렬 또는 병렬로 스택하여 제조한 스택셀을 적용함으로써 출력을 획기적으로 높일 수 있다.
또한 전극셀과 연결되어 있는 전극용 슬러리 저장탱크의 크기를 조절함으로써 요구되는 에너지 밀도의 사양을 맞출 수 있다.
아울러 집전체 및 가스켓에 의하여 적절한 유로 형태을 구현하고 전극과 전해질을 이용하여 제조한 전극물질의 농도 조절을 통하여 바람직한 슬러리 전극 형태를 구현함으로써 스텍셀의 저항을 낮출 수 있다.
또한 분리막에 지지대를 적용하여 기계적 강도를 증가시킴으로써 유동형 전극물질에 의해 발생할 수 있는 늘어짐 현상을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플로우 에너지 저장 장치의 모식도이다.
도 2는 실시예 1을 구성하는 단위 전극셀(단위셀)의 구성도이다.
도 3은 실시예 1에 따른 스택형 전극셀(스택셀)의 구성도이다.
도 4는 실시예 1에 따른 스택셀의 전류밀도-충방전 시간 특성을 나타낸 것이다.
도 5는 실시예 1에 따른 스택셀의 전류밀도-평균출력 특성를 나타낸 것이다.
도 6 및 도 7은 실시예 1에 따른 스택셀의 전압-시간 특성을 나타낸 것이다.
도 8은 비교예 1에 따른 단위셀의 전류밀도-충방전 시간 특성을 나타낸 것이다.
도 9는 비교예 1에 따른 단위셀의 전류밀도-평균출력 특성를 나타낸 것이다.
도 2는 실시예 1을 구성하는 단위 전극셀(단위셀)의 구성도이다.
도 3은 실시예 1에 따른 스택형 전극셀(스택셀)의 구성도이다.
도 4는 실시예 1에 따른 스택셀의 전류밀도-충방전 시간 특성을 나타낸 것이다.
도 5는 실시예 1에 따른 스택셀의 전류밀도-평균출력 특성를 나타낸 것이다.
도 6 및 도 7은 실시예 1에 따른 스택셀의 전압-시간 특성을 나타낸 것이다.
도 8은 비교예 1에 따른 단위셀의 전류밀도-충방전 시간 특성을 나타낸 것이다.
도 9는 비교예 1에 따른 단위셀의 전류밀도-평균출력 특성를 나타낸 것이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 이하에서 설명되는 내용은 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 명확하게 전달하기 위하여 제공되는 것으로 본 발명의 범위가 이하의 설명으로 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 범위는 특허청구범위에 나타나 있으며 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
이하 도 1을 참조하여, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스택형 플로우 에너지 저장 장치의 모식도이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 스택형 플로우 에너지 저장 장치(100)는, 전극셀 내부의 전극과 전해질의 양이 이미 정해진 기존의 셀과 다르게, 전극물질을 전해질과 혼합하여 제조한 전극용 슬러리를 셀 외부에 연결되는 전극용 슬러리 저장탱크에 저장하여 이로 부터 전극셀 내부로 전극용 슬러리가 유입될 수 있는 형태로 구현된다. 전극용 슬러리 저장탱크 1(121, 131)에는 방전된 슬러리가 저장되고, 전극용 슬러러 저장탱크 2(122, 132)에는 충전된 슬러리가 저장된다. 상기 플로우 에너지 저장 장치는 양극(113)-분리막(114)-음극(115) 순서로 구성된 단위셀이 직렬 또는 병렬로 복수개 결합된 스택형의 전극셀을 포함하고 있어 출력을 높일 수 있는 장점이 있다. 또한 전극셀 외부에 구비되어 전극용 슬러리를 저장할 수 있는 전극용 슬러리 저장 탱크의 크기를 조절함으로써 요구되는 에너지 밀도의 사양을 맞출 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스택형 플로우 에너지 저장 장치를 이용하여 에너지를 충전하는 방법을 설명하면 다음과 같다.
방전된 슬러리가 저장되는 전극용 슬러리 저장탱크 1(121, 131)로부터 펌핑 등을 통해 전극셀의 양극과 음극에 전극용 슬러리를 적재한 다음 전극셀에 전류를 인가하여 충전을 시작한다. 충전된 슬러리는 전극셀과 연결되어 있는 전극용 슬러리 저장탱크 2(122, 132)로 이송시켜 적재한다. 상기 단계를 반복하여 전극용 슬러리 저장탱크 1(121, 131)에 저장된 모든 전극용 슬러리를 충전한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스택형 플로우 에너지 저장 장치를 이용하여 에너지를 방전하는 방법을 설명하면 다음과 같다.
전극용 슬러리 저장탱크 2(122, 132)에 저장된 충전된 전극용 슬러리를 펌핑을 통하여 전극셀의 양극과 음극에 각각 적재하고 로드(load)를 걸면 방전이 진행된다. 상기 단계를 반복하여 전극용 슬러리 저장탱크 2(122, 132)에 저장된 충전된 모든 전극용 슬러리를 방전시킨다.
실시예
1:
스택형
전극셀
(
스택셀
) 제조
도 2와 같은 단위 전극셀을 대용량으로 제조하고, 도 3 과 같이 단위셀 3개를 적층하여 스택셀을 제작하였다(전극위치 도 1 참조). 프레임크기는 전극 면적 17 cm * 18 cm 이고 프레임 두께로는 3mm 이며, 전극물질로 활성탄(MSP-20)을 사용하였고 전해질로는 테트라에틸 암모늄 테트라플루오로보레이트 염(TEABF4)과 아세트나이트릴(ACN)의 혼합물(1.5M TEABF4/ACN)을 사용하였다. 상기 활성탄과 전해질을 1:5의 중량비로 혼합한 다음 한쪽에 90 ml 씩 양쪽에 총 180 ml의 슬러리를 양극과 음극에 각각 채운 다음 PP로 이루어진 가스켓으로 밀봉하였고 양극과 음극의 분리막으로는 PP 계열로 이루어진 분리막을 사용하였다.
비교예
1: 단위
전극셀
(
단위셀
) 제조
실시예 1의 스택셀과의 비교를 위하여 도 2와 같은 단위 전극셀을 대용량으로 제조하고, 단위셀 1개로 단셀을 제작하였다(전극위치 도 1 참조). 프레임크기는 전극 면적 16 cm * 17 cm 이고 프레임 두께로는 1.2mm 이며, 전극물질로 활성탄(MSP-20)을 사용하였고 전해질로는 테트라에틸 암모늄 테트라플루오로보레이트 염(TEABF4)과 아세트나이트릴(ACN)의 혼합물(1.5M TEABF4/ACN)을 사용하였다. 상기 활성탄과 전해질을 1:5의 중량비로 혼합한 다음 한쪽에 24 ml 씩 양쪽에 총 48 ml의 슬러리를 양극과 음극에 각각 채운 다음 PP로 이루어진 가스켓으로 밀봉하였고 양극과 음극의 분리막으로는 PP 계열로 이루어진 분리막을 사용하였다.
실험예
1:
전극셀의
충방전
특성 분석
스택형
전극셀(실시예 1)의
충방전
특성 분석
상기 실시예 1에 따라 제조된 전극셀(단위셀 3개를 직렬 연결한 적층셀)을 이용하여 전류밀도 1mA/cm2, 2mA/cm2, 3mA/cm2, 4mA/cm2, 5mA/cm2 조건으로 충방전 용량을 측정하고 전류밀도별 각 20 cycle 씩 실험을 하여 그 결과를 도 4 ~ 7에 나타내었다(전압범위 0V ~ 8V). 1mA/cm2의 경우 0V ~ 8 V 까지 방전 시간이 약 180 초 정도 유지되었으며, 5 mA/cm2 까지도 충방전이 이루어짐을 알 수 있었다. 전류밀도가 증가할수록 방전 시간은 감소함을 확인하였고(도 4 참조), 전류밀도의 증가와 함께 평균 출력도 증가함을 확인하였다(도 5 참조). 도 6에서는 전류밀도의 변화당 전압 프로파일을 나타내었다. 기존의 셀형 타입의 수퍼커패시터에서 보이는 프로파일(충방전시 직선의 프로파일)과는 차이를 보이고 있으며 충방전시 슬러리 전극의 유동 등의 특이성으로 인하여 커브가 존재하는 프로파일을 나타내었다. 1 mA/cm2 일 경우 4분 정도의 충전에 3분의 방전시간을 나타내었고, 약 140분까지도 안정적인 충방전이 실시되었음을 나타내었다(도 6 및 도 7 참조). 위의 실험으로 대용량의 슬러리 전극의 스택셀(3개의 단위셀 직렬연결)에서도 충방전이 가능함을 확인하였고, 스택셀을 적용한 대용량의 플로우 에너지 저장 장치의 가능성을 확인하였다.
단위
전극셀(비교예 1)의
충방전
특성 분석
상기 실시예 1에 따라 제조된 스택셀과의 비교 분석을 위하여, 상기 비교예 1에 따라 제조된 전극셀(단위셀 1개)를 이용하여 전류밀도 1mA/cm2, 2.5mA/cm2, 5mA/cm2 조건으로 충방전 용량을 측정하고 전류밀도별 각 10 cycle 씩 실험하여 그 결과를 도 8 ~ 9에 나타내었다(전압범위 0V ~ 2.7V). 1mA/cm2의 경우 0V ~ 2.7 V 까지 방전 시간이 약 60 초 정도 유지되었다. 도 9에서 나타내듯이 전류밀도의 증가와 함께 평균 출력도 증가하는 경향을 나타내었으나 상기 실시예 1에 따른 스택셀보다는 훨씬 낮은 출력을 나타내었다.
100 : 스택형 플로우 에너지 저장 장치
110: 스택셀 111: 양극 집전체
112: 가스켓 113: 양극
114: 분리막 115: 음극
116: 음극 집전체 117: 프레임
120, 130: 슬러리 저장탱크
121, 131: 전극용 슬러리 저장탱크 1
122, 132: 전극용 슬러리 저장탱크 2
140: 슬러리 플로우
110: 스택셀 111: 양극 집전체
112: 가스켓 113: 양극
114: 분리막 115: 음극
116: 음극 집전체 117: 프레임
120, 130: 슬러리 저장탱크
121, 131: 전극용 슬러리 저장탱크 1
122, 132: 전극용 슬러리 저장탱크 2
140: 슬러리 플로우
Claims (17)
- 양극 집전체, 양극, 양극과 음극을 분리하는 분리막, 음극 및 음극 집전체로 구성되는 전극셀과, 전극용 슬러리 저장탱크 1, 2를 포함하여 구성되는 스택형 플로우 에너지 저장 장치로서,
상기 양극 집전체와 음극 집전체 사이에, 양극-분리막-음극 순으로 이루어지는 단위셀이 2개 이상 직렬 또는 병렬로 결합된 스택형으로 구비되고,
상기 양극과 음극은 수퍼커패시터용 전극물질과 전해질을 혼합하여 제조한 전극용 슬러리로 이루어지며,
상기 전극용 슬러리 저장탱크 1은 방전된 전극용 슬러리를 저장하기 위하여 상기 양극과 음극에 각각 연결되어 구비되고,
상기 전극용 슬러리 저장탱크 2는 충전된 전극용 슬러리를 저장하기 위하여 상기 양극과 음극에 각각 연결되어 구비되며,
상기 분리막은 다공성 멤브레인으로서 다공성 폴리프로필렌, 다공성 폴리에틸렌 또는 다공성 폴리비닐리덴플루오라이드로 이루어지고, 지지대를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 스택형 플로우 에너지 저장 장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 양극 집전체 및 음극 집전체는 알루미늄, 티탄, 탄탈, 니켈, 스테리인레스, 전도성 탄소계 및 전도성 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 스택형 플로우 에너지 저장 장치.
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 지지대는 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상으로 이루어진 그물망 구조체인 것을 특징으로 하는 스택형 플로우 에너지 저장 장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 수퍼커패시터용 전극물질과 전해질은 1:1~ 1:20의 중량비로 혼합되는 것을 특징으로 하는 스택형 플로우 에너지 저장 장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 수퍼커패시터용 전극물질은 활성탄, 나노활성탄, 그래핀, 다공성 카본, 금속산화물, 질화물, 황화물 및 전도성 고분자로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 스택형 플로우 에너지 저장 장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 전해질은 수용성 전해질, 유기계 전해질 및 이온성 액체전해질로 이루어진 군에서 선택되는 하나인 것을 특징으로 하는 스택형 플로우 에너지 저장 장치.
- 청구항 7에 있어서,
상기 수용성 전해질은 KOH, Na2SO4, H2SO4, H2PO4 및 KCl로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하고,
상기 유기계 전해질은 테트라에틸 암모늄 테트라플루오로보레이트 염 과 아세트나이트릴의 혼합물 또는 프로필렌 카보네이트로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하고,
상기 이온성 액체 전해질은 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트, 1-n-부틸-3-메틸이미다졸륨 테트라프루오로보레이트, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 비스-(트리플루오로메틸술포닐)이미드, 1-n-부틸-3-메틸이미다졸륨 헥사플루오로포스페이트, 1-부틸-1-메틸피롤리디늄 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드, N-메톡시에틸-N-메틸피롤리디늄 비스-(트리플루오로메탄술포닐)이미드, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 트리플루오로메탄술포네이트, 1-부틸-1-메틸피롤리디늄 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드, 1-헥실-3-메틸이미다졸륨 헥사플루오로포스페이트, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 다이시안아미드, 11-메틸-3-옥틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트, N-메틸-N-프로필피레리디늄 비스(플루오로술포닐)이미드 및 N-부틸-N-메틸피롤리디늄 비스(플루오로술포닐)이미드로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 스택형 플로우 에너지 저장 장치.
- 청구항 7에 있어서,
상기 유기계 전해질에서 테트라에틸 암모늄 테트라플루오로보레이트와 아세토니트릴은 0.5M~1.5M:1M의 몰비로 혼합되는 것을 특징으로 하는 스택형 플로우 에너지 저장 장치.
- 청구항 1 내지 청구항 2 및 청구항 4 내지 청구항 9 중 어느 하나의 항에 따른 스택형 플로우 에너지 저장 장치를 이용하여 에너지를 충전하는 방법으로서,
전극용 슬러리를 전극용 슬러리 저장탱크 1에 유입하는 단계(단계 a);
상기 전극용 슬러리 저장탱크 1로부터 전극용 슬러리를 이송하여 전극셀의 양극과 음극에 각각 적재하는 단계(단계 b); 및
전극셀에 전류를 인가하여 충전하는 단계(단계 c)를 포함하는 스택형 플로우 에너지 저장 장치를 이용하여 에너지를 충전하는 방법.
- 청구항 10에 있어서,
충전된 전극용 슬러리를 전극셀로부터 전극용 슬러리 저장탱크 2로 이송시키고, 전극용 슬러리 저장탱크 1에 남아있는 전극용 슬러리에 상기 단계 b 및 단계 c를 반복수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스택형 플로우 에너지 저장 장치를 이용하여 에너지를 충전하는 방법.
- 청구항 1 내지 청구항 2 및 청구항 4 내지 청구항 9 중 어느 하나의 항에 따른 스택형 플로우 에너지 저장 장치를 이용하여 에너지를 방전하는 방법으로서,
전극용 슬러리 저장탱크 2에 저장된 충전된 전극용 슬러리를 이송시켜 전극셀의 양극과 음극에 적재하는 단계; 및
상기 전극셀에 로드(load)를 거는 단계를 포함하는 스택형 플로우 에너지 저장 장치를 이용하여 에너지를 방전하는 방법.
- 청구항 1 내지 청구항 2 및 청구항 4 내지 청구항 9 중 어느 하나의 항에 따른 스택형 플로우 에너지 저장 장치를 이용한 모바일용 에너지 저장 장치.
- 청구항 1 내지 청구항 2 및 청구항 4 내지 청구항 9 중 어느 하나의 항에 따른 스택형 플로우 에너지 저장 장치를 이용한 블랙박스용 에너지 저장 장치.
- 청구항 1 내지 청구항 2 및 청구항 4 내지 청구항 9 중 어느 하나의 항에 따른 스택형 플로우 에너지 저장 장치를 이용한 하이브리드 차량용 에너지 저장 장치.
- 청구항 1 내지 청구항 2 및 청구항 4 내지 청구항 9 중 어느 하나의 항에 따른 스택형 플로우 에너지 저장 장치를 이용한 태양광 발전용 에너지 저장 장치.
- 청구항 1 내지 청구항 2 및 청구항 4 내지 청구항 9 중 어느 하나의 항에 따른 스택형 플로우 에너지 저장 장치를 이용한 풍력 발전용 에너지 저장 장치.
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