KR101660566B1 - 플로우 배터리의 제조방법 - Google Patents

플로우 배터리의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 명세서는 플로우 배터리의 제조방법에 관한 것이다.

Description

플로우 배터리의 제조방법{METHOD OF MANUFACTURING FLOW BATTERY}
본 명세서는 플로우 배터리의 제조방법에 관한 것이다.
전력 저장 기술은 전력 이용의 효율화, 전력 공급 시스템의 능력이나 신뢰성 향상, 시간에 따라 변동 폭이 큰 신재생 에너지의 도입 확대, 이동체의 에너지 회생 등 에너지 전체에 걸쳐 효율적 이용을 위해 중요한 기술이며 그 발전 가능성 및 사회적 기여에 대한 요구가 점점 증대되고 있다.
마이크로 그리드와 같은 반 자율적인 지역 전력 공급 시스템의 수급 균형의 조정 및 풍력이나 태양광 발전과 같은 신재생 에너지 발전의 불균일한 출력을 적절히 분배하고 기존 전력 계통과의 차이에서 발생하는 전압 및 주파수 변동 등의 영향을 제어하기 위해서 이차 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며 이러한 분야에서 이차 전지의 활용도에 대한 기대치가 높아지고 있다.
대용량 전력 저장용으로 사용될 이차 전지에 요구되는 특성을 살펴보면 에너지 저장 밀도가 높아야 하며 이러한 특성에 가장 적합한 고용량 및 고효율의 2차 전지로서 레독스 플로우 이차 전지가 가장 각광받고 있다.
레독스 플로우 이차 전지는 분리막을 중심으로 양측에 양극 및 음극의 전극이 위치하도록 구성된다.
전극의 외부에 각각 전기 전도를 위한 바이폴라 플레이트가 구비되며, 전해질을 담아놓는 양극 탱크와 음극 탱크 그리고 전해질이 들어가는 유입구와 전해질이 다시 나오는 배출구를 포함하여 구성된다.
대한민국특허공개 제 2009-0046087 호
본 명세서는 플로우 배터리의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 명세서는 기재의 양면 상에 패턴을 형성하여 분리막을 제조하는 단계; 및 상기 분리막을 음극 및 양극 사이에 배치하는 단계를 포함하는 것인 플로우 배터리의 제조방법을 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 플로우 배터리의 제조방법은 플로우 배터리용 분리막에 연속적으로 패턴을 형성할 수 있는 장점이 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 분리막은 전해액과의 접촉면적이 넓은 장점이 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 분리막의 패턴에 따라 분리막에 접촉한 전해액의 흐름을 조절 가능한 장점이 있다.
도 1은 본 명세서의 일 실시상태에 따라 롤 프린팅법으로 패턴을 형성하여 분리막을 제조하는 그림이다.
도 2는 본 명세서의 일 실시상태에서 음각패턴(a) 또는 양각패턴(b)이 구비된 분리막의 단면도이다.
도 3은 본 명세서의 일 실시상태에 따른 분리막의 패턴이 예시된 것이다.
도 4는 플로우 배터리의 일반적인 구조를 나타낸 단면도이다.
이하에서 본 명세서에 대하여 상세히 설명한다.
본 명세서는 기재의 양면 상에 패턴을 형성하여 분리막을 제조하는 단계; 및 상기 분리막을 음극 및 양극 사이에 배치하는 단계를 포함하는 것인 플로우 배터리의 제조방법을 제공한다.
상기 기재의 양면 상에 패턴을 형성하는 방법은 특별히 한정하지 않으나, 예를 들면, 잉크젯 프린팅법, 롤 프린팅법, 포토 리소 그래피법 등일 수 있다.
상기 패턴이 형성된 분리막을 제조하는 단계는 프린팅법으로 패턴을 형성할 수 있다.
상기 패턴이 형성된 분리막을 제조하는 단계는 롤 프린팅법으로 패턴을 형성할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 플로우 배터리의 제조방법은 플로우 배터리용 분리막에 연속적으로 패턴을 형성할 수 있는 장점이 있다.
상기 패턴이 형성된 분리막을 제조하는 단계는 지지롤의 외주면에 블랭킷을 설치하는 단계; 상기 설치된 블랭킷 상에 잉크 패턴을 형성하는 단계; 및 상기 잉크 패턴을 상기 기재의 양면 상에 전사하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 블랭킷의 일면에 오목부와 볼록부를 포함하는 패턴이 구비될 수 있다.
일면에 오목부와 볼록부가 구비된 블랭킷을 사용하는 경우, 상기 기재의 양면 상에 전사된 잉크 패턴은 상기 블랭킷의 패턴 중 오목부에 형성된 패턴이 전사된 것일 수 있다.
일면에 오목부와 볼록부가 구비된 블랭킷을 사용하는 경우, 상기 기재의 양면 상에 전사된 잉크 패턴은 상기 블랭킷의 패턴 중 볼록부에 형성된 패턴이 전사된 것일 수 있다.
상기 잉크 패턴을 형성하는 단계는 상기 블랭킷 상에 잉크를 도포하는 단계; 및 음각패턴이 형성된 클리쉐에 접촉하여 블랭킷 상의 잉크 중 클리쉐와 접촉된 잉크를 제거하여 상기 블랭킷 상에 잉크 패턴을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 이때는, 패턴이 없는 평평한 블랭킷을 사용한다.
상기 패턴이 형성된 분리막을 제조하는 단계는 기재의 양측에 서로 대응하는 위치에서 동시에 패턴을 전사하도록 구비된 한 쌍의 롤을 이용하여 패턴을 형성할 수 있다.
상기 분리막의 일면에 구비된 패턴의 위치와 타면에 구비된 패턴의 위치가 서로 대응되지 않거나 서로 대응되어 면대칭을 이룰 수도 있다. 구체적으로 분리막의 양면에 구비된 패턴의 위치는 서로 대응될 수 있다.
상기 패턴은 줄무늬, 체크무늬, 격자무늬, 벌집무늬, 돌출된 반구가 이격된 형태, 함몰된 반구가 이격된 형태, 다각형의 돌출부가 이격된 형태 및 다각형의 함몰부가 이격된 형태 중 적어도 하나일 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 패턴은 (a)와 같은 줄무늬, (b)와 같은 체크무늬, (c)와 같은 벌집무늬, (d)와 같은 돌출된 반구가 이격된 형태 및 (e)와 같은 함몰된 반구가 이격된 형태 중 적어도 하나일 수 있다.
상기 패턴이 선형인 경우 선의 형태는 규칙적인 형태이거나 불규칙적인 형태일 수 있으며, 직선뿐 아니라 연속되어 연결되어 있다면 그 형태를 한정하지 않으나, 예를 들면 직선, 곡선, 지그재그 등을 포함할 수 있다.
상기 패턴의 깊이는 분리막 두께의 0 % 초과 50% 미만일 수 있다. 이때, 패턴의 깊이는 패턴의 돌출부의 상면에서 면방향으로 연장된 선으로부터 패턴의 오목부 중 어느 점까지 거리 중 길이가 가장 긴 거리를 말한다.
상기 패턴이 선형인 경우에는 상기 패턴의 선폭이 1nm 이상 1cm 이하일 수 있다. 이때, 도 2에 도시된 바와 같이 패턴의 길이방향에 수직한 단면에서, 음각 패턴인 경우 패턴의 선폭은 Y의 길이를 말하며, 양각패턴인 경우 패턴의 선폭은 X의 길이를 말한다.
상기 패턴이 반구형인 경우에는 상기 패턴의 직경이 1nm 이상 1cm 이하일 수 있다.
상기 양면에 패턴이 구비된 분리막의 경우 양면에 형성된 패턴은 기재와 동일한 재질이거나 상이한 재질일 수 있다.
상기 기재는 다공성 지지체 및 상기 다공성 지지체의 기공에 구비된 이온전도체를 포함할 수 있다.
상기 다공성 지지체는 다수의 기공을 포함하고 있다면 지지체의 구조 및 재질은 특별히 한정되지 않으며, 당 기술분야에서 일반적으로 사용하는 것을 이용할 수 있다.
예를 들면, 상기 다공성 지지체는 폴리 이미드(Polyimide:PI), 나일론, 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethyleneterephtalate:PET), 폴리테트라플루오로 에틸렌(polytetrafluoro ethylene:PTFE), 폴리에틸렌(Polyethylene:PE), 폴리프로필렌(polypropylene:PP), 폴리아릴렌에테르 술폰(Poly(arylene ether sulfone):PAES), 폴리에테르에테르케톤(Polyetheretherketone:PEEK) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 이온전도체는 상기 다공성 지지체의 기공에 충진될 수 있고 이온 교환을 할 수 있는 물질이라면 특별히 한정하지 않으며, 당 기술분야에서 일반적으로 사용하는 것을 이용할 수 있다.
예를 들면, 상기 이온전도체는 나피온(Nafion), 술폰화 폴리에테르에테르케톤 (sPEEK, Polyetheretherketone) 술폰화 폴리에테르케톤 (sPEK, sulfonated (polyetherketone)), 폴리비닐리덴 플로라이드-그라프트-폴리스티렌 술폰산 (poly (vinylidene fluoride)-graft-poly(styrene sulfonic acid), PVDF-g-PSSA) 및 술폴화 폴리플루로레닐 에테르케톤 (Sulfonated poly (fluorenyl ether ketone)) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 패턴 형성용 조성물은 경화제, 이온전도체 및 용매를 포함할 수 있다.
상기 경화제는 경화 조건에서 경화되어 패턴을 유지시킬 수 있다면 특별히 한정되지 않는다.
상기 패턴의 이온전도체 및 기재의 이온전도체의 물질은 특별히 한정하지 않으며, 당 기술분야에서 일반적으로 사용하는 것을 이용할 수 있으며, 예를 들면, 상술한 예시일 수 있다.
상기 패턴의 이온전도체는 기재의 이온전도체와 동일하거나 상이할 수 있으며, 이는 필요에 따라 선택할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 분리막은 전해액과의 접촉면적이 넓은 장점이 있다.
도 1에 도시된 본 명세서의 일 실시상태에 따른 분리막(b)은 도 1에 도시된 종래에 일반적인 분리막(a)보다 표면적이 넓은 것을 알 수 있다.
하기 식에 따른 상기 분리막의 면적증가율은 패턴의 폭과 깊이로 조절할 수 있다. 이때, 패턴이 없는 분리막의 표면적은 양각패턴이 형성된 경우 양각패턴을 제거하여 평탄한 분리막의 표면적을 말하며, 음각패턴이 형성된 경우 패턴의 음각부를 채워 평탄한 분리막의 표면적을 말한다.
Figure 112013109745420-pat00001
상기 분리막을 음극 및 양극 사이에 배치하는 단계는 분리막의 양면에 음극과 양극이 구비하여 단위셀을 제조하는 단계일 수 있다.
상기 단위셀을 제조한 후 단위셀을 하우징 내부에 설치하여 플로우 배터리를 제조하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 단위셀을 제조한 후 단위셀을 하우징 내부에 설치하는 단계; 및
음극 전해액 또는 양극 전해액을 각각 저장하는 음극 탱크 및 양극 탱크; 상기 음극 탱크 및 양극 탱크와 연결되어 상기 전해액을 음극 또는 양극으로 공급하는 펌프; 상기 펌프로부터 음극 전해액 또는 양극 전해액이 각각 유입되는 음극 유입구(31) 및 양극 유입구(32); 및 음극(21) 또는 양극(22)으로부터 전해액이 각각 음극 탱크 및 양극 탱크로 배출되는 음극 배출구(41) 및 음극 배출구(42)를 형성하여 플로우 배터리를 제조하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 패턴은 음극 전해액 및 양극 전해액이 진행하는 방향으로 형성된 줄무늬 패턴일 수 있다. 이 경우 분리막에 접촉한 전해액의 흐름을 조절할 수 있는 장점이 있다.
상기 음극 전해액 및 양극 전해액은 각각 전해질과 용매를 포함할 수 있다.
상기 전해질 및 용매는 특별히 한정하지 않으나, 당 기술분야에서 일반적으로 사용하는 것을 채용할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 레독스 플로우 배터리는 양극 전해질로 V(IV)/V(V) 레독스 커플을 사용하고, 음극 전해질로 V(II)/V(III) 레독스 커플을 사용할 수 있다.
본 명세서의 다른 실시상태에 있어서, 상기 레독스 플로우 배터리는 양극 전해질로 할로겐 레독스 커플을 사용하고, 음극 전해질로 V(II)/V(III) 레독스 커플을 사용할 수 있다.
본 명세서의 또 다른 실시상태에 있어서, 상기 레독스 플로우 배터리는 양극 전해질로 할로겐을 레독스 커플을 사용하고, 음극 전해질로 설퍼이드 레독스 커플을 사용할 수 있다.
본 명세서의 또 다른 실시상태에 있어서, 상기 레독스 플로우 배터리는 양극 전해질로 할로겐 레독스 커플을 사용하고, 음극전해질로 아연(Zn) 레독스 커플을 사용할 수 있다.
본 명세서의 플로우 배터리는 음극 전해액 또는 양극 전해액을 각각 저장하는 음극 탱크 및 양극 탱크; 상기 음극 탱크 및 양극 탱크와 연결되어 상기 전해액을 음극 또는 양극으로 공급하는 펌프; 상기 펌프로부터 음극 전해액 또는 양극 전해액이 각각 유입되는 음극 유입구(31) 및 양극 유입구(32); 및 음극(21) 또는 양극(22)으로부터 전해액이 각각 음극 탱크 및 양극 탱크로 배출되는 음극 배출구(41) 및 음극 배출구(42)를 더 포함할 수 있다.
상기 플로우 배터리는 레독스 플로우 배터리일 수 있다.
상기 레독스 플로우 배터리의 종류는 한정하지 않으나, 바나듐계 레독스 플로우 배터리, 납계 레독스 플로우 배터리, 폴리설퍼이드브로민(PSB) 레독스 플로우 배터리, 아연-브로민(Zn-Br) 레독스 플로우 배터리 등일 수 있다.
상기 플로우 배터리의 형태는 제한되지 않으며, 예를 들어, 코인형, 평판형, 원통형, 뿔형, 버튼형, 시트형 또는 적층형일 수 있다.
본 명세서는 상기 플로우 배터리를 단위 전지로 포함하는 전지 모듈을 제공한다.
상기 전지 모듈은 본 출원의 하나의 실시 상태에 따른 플로우 배터리 사이에 바이폴라(bipolar) 플레이트를 삽입하여 스택킹(stacking)하여 형성될 수 있다.
상기 전지 모듈은 구체적으로 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 또는 전력저장장치의 전원으로 사용될 수 있다.
1 : 하우징
10 : 분리막
21 : 음극 22 : 양극
31 : 음극 유입구 32 : 양극 유입구
41 : 음극 배출구 42 : 양극 배출구

Claims (9)

  1. 한 쌍의 지지롤의 외주면에 각각 블랭킷을 설치하는 단계;
    상기 설치된 블랭킷 상에 경화제, 이온전도체 및 용매를 포함하는 패턴 형성용 조성물을 이용하여 이온전도성패턴을 형성하는 단계;
    다공성 지지체 및 상기 다공성 지지체의 기공에 구비된 이온전도체를 포함하는 기재의 양측에 서로 대응하는 위치에서 상기 이온전도성패턴을 전사하여 분리막을 제조하는 단계; 및
    상기 분리막을 음극 및 양극 사이에 배치하는 단계를 포함하는 것인 플로우 배터리의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 블랭킷의 일면에 오목부와 볼록부를 포함하는 패턴이 구비된 것인 플로우 배터리의 제조방법.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 기재의 양면 상에 전사된 이온전도성패턴은 상기 블랭킷의 패턴 중 오목부에 형성된 패턴이 전사된 것인 플로우 배터리의 제조방법.
  7. 청구항 5에 있어서, 상기 기재의 양면 상에 전사된 이온전도성패턴은 상기 블랭킷의 패턴 중 볼록부에 형성된 패턴이 전사된 것인 플로우 배터리의 제조방법.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 이온전도성패턴을 형성하는 단계는 상기 블랭킷 상에 잉크를 도포하는 단계; 및
    음각패턴이 형성된 클리쉐를 접촉하여 블랭킷 상의 잉크 중 클리쉐와 접촉된 잉크를 제거하여 상기 블랭킷 상에 이온전도성패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것인 플로우 배터리의 제조방법.
  9. 삭제
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