KR101762900B1 - 레독스 흐름 전지의 전극 제조용 슬러리 조성물 및 이를 포함하는 레독스 흐름 전지의 전극 - Google Patents

레독스 흐름 전지의 전극 제조용 슬러리 조성물 및 이를 포함하는 레독스 흐름 전지의 전극 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레독스 흐름 전지의 전극 제조용 슬러리 조성물 및 이를 포함하는 레독스 흐름 전지의 전극에 관한 것으로, 본 발명에 따른 슬러리 조성물은 비극성 기재에 대한 접착성이 우수하고 전도성이 우수하여, 레독스 흐름 전지의 내구성을 높일 수 있다는 특징이 있다.

Description

레독스 흐름 전지의 전극 제조용 슬러리 조성물 및 이를 포함하는 레독스 흐름 전지의 전극{SLURRY COMPOSITION FOR PREPARING OF ELECTRODE OF REDOX FLOW BATTERY AND ELECTRODE OF REDOX FLOW BATTERY COMPRISING THE SAME}
본 발명은 레독스 흐름 전지의 전극 제조용 슬러리 조성물 및 이를 포함하는 레독스 흐름 전지의 전극에 관한 것이다.
화석 연료를 사용하여 대량의 온실 가스 및 환경 오염 문제를 야기하는 화력 발전, 시설 자체의 안정성이나 폐기물 처리의 문제점을 갖는 원자력 발전 등의 기존 발전 시스템들이 다양한 한계점을 드러내면서 보다 친환경적이고 높은 효율을 갖는 에너지의 개발과 이를 이용한 전력 공급 시스템의 개발에 대한 연구가 크게 증가하고 있다.
특히, 전력 저장 기술은 외부 조건에 큰 영향을 받는 재생 에너지를 보다 다양하고 넓게 이용할 수 있도록 하며 전력 이용의 효율을 보다 높일 수 있어서, 이러한 기술 분야에 대한 개발이 집중되고 있으며, 이들 중 2차 전지에 대한 관심 및 연구 개발이 크게 증가하고 있는 실정이다.
'레독스 흐름 전지(redox flow battery)'란, 2차 전지 중 하나로서 활성 물질의 화학적 에너지를 직접 전기 에너지로 전환할 수 있는 산화/환원 전지를 의미한다. 레독스 흐름 전지에서는 산화/환원 반응을 일으키는 활물질을 포함한 전해액이 반대 전극과 저장 탱크 사이를 순환하며 충방전이 진행되며, 기본적으로 산화상태가 각각 다른 활물질이 저장된 탱크와 충/방전시 활물질을 순환시키는 펌프, 그리고 분리막으로 분획되는 단위셀을 포함하며, 상기 단위 셀은 전극, 전해질 및 분리막을 포함한다.
레독스 흐름 전지는 기존 이차전지와는 달리 전해액 중의 활물질(active material)이 산화/환원되어 충방전되는 시스템이기 때문에, 전지 출력과 전해액 탱크를 분리할 수 있어 출력과 용량을 자유롭게 설계 가능하다는 이점이 있다. 또한, 전극은 비활성 전극을 사용하고 상온에서 작동하기 때문에 내구성이 높다는 이점도 있다.
레독스 흐름 전지의 성능은 크게 전해질 내 활물질의 종류, 분리막의 종류 및 전극의 종류에 영향을 받는다. 산화/환원 반응을 일으키는 활물질의 조합을 일반적으로 레독스 커플(redox couple)이라 하는데, 현재까지 Fe/Cr, V/V, V/Br, Zn/Br, Zn/Ce 등이 알려져 있다. 또한, 분리막은 이온의 선택 투과성이 높고, 전기적 저항이 작으며, 화학적 안정성과 기계적 강도가 요구된다.
한편, 레독스 흐름 전지의 전극은 비활성 전극으로서 전극 자체는 화학적 반응을 하지 않으며, 산화/환원 반응시 전자의 이동 경로를 제공하는 역할을 한다. 일반적으로 상기 전극은 산화 환원 반응을 극대화하기 위하여 반응 면적이 큰 탄소 화합물을 전도성 플라스틱 시트 위에 코팅하는 방법으로 제조되고 있다.
그러나, 소정의 시트 상에 접착 바인더를 도포하고 탄소 화합물 분말을 코팅하는 방법에서는, 탄소 화합물 분말이 균일하게 도포되지 않을 수 있으며, 탄소 화합물 분말을 고정하기 위하여 열압착 공정을 진행하여 최종 제품의 생산성이 저하될 수 있고, 열압착된 탄소 화합물 분말이 추후에 박리되어 전지의 성능이 저하될 수 있는 한계가 있었다.
또한, 전극 형성을 위하여 사용하는 시트는 비극성인 경우가 대부분인데, 비극성 기재와 탄소 화합물 분말의 접착성이 떨어져 탈락되는 문제가 발생할 수 있고 이는 레독스 흐름 전지의 내구성을 저하시키는 한 원인이 된다.
따라서, 비극성 기재와 접착성이 우수하면서도 동시에 전도성이 높은 전극을 제조할 수 있는 슬러리 조성물에 대한 개발이 필요한 실정이다.
본 발명은 레독스 흐름 전지의 전극 제조용 슬러리 조성물을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 슬러리 조성물로 제조되는 레독스 흐름 전지의 전극을 제공하기 위한 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 활성탄, 전도성 카본 및 폴리프로필렌-그라프트-말레 안하이드라이드를 포함하는 고형분, 및 소수성 용매를 포함하는 레독스 흐름 전지의 전극 제조용 슬러리 조성물을 제공한다.
본 발명에서 사용하는 용어 '레독스 흐름 전지(redox flow battery)'란, 활성 물질의 화학적 에너지를 직접 전기 에너지로 전환할 수 있는 산화/환원 전지를 의미한다. 상기 산화/환원 반응을 일으키는 활물질의 조합을 일반적으로 레독스 커플(redox couple)이라 하는데, 본 발명에서는 Fe/Cr, V/V, V/Br, Zn/Br, Zn/Ce 등의 레독스 흐름 전지를 사용할 수 있다.
본 발명에 다른 슬러리 조성물은 이러한 레독스 흐름 전지의 전극을 제조하기 위한 것으로, 전극을 구성하는 주요 물질로서 활성탄과 전도성 카본을 포함한다.
본 발명에서 사용하는 활성탄은, 일반적으로 1 nm 내지 2 nm 정도의 기공을 가지는 탄소 화합물로서, 상기 활성탄은 내부 기공들에 의하여 전극과 전해질이 반응할 수 있는 면적이 넓어 산화/환원 속도를 높일 수 있다는 이점이 있다.
바람직하게는, 상기 활성탄의 비표면적이 700 내지 2200 ㎡/g이고, 평균 입자 직경이 2 내지 80 ㎛이다. 상기 비표면적이 700 ㎡/g 미만이면 반응 면적이 적어 레독스 흐름 전지에 적용시 효율이 낮은 단점이 있다. 또한 상기 평균 입자가 80 ㎛ 이상이면 슬러리 제조 후 보관시 층 분리가 빨리 일어나는 단점이 있다. 보다 바람직하게는, 상기 활성탄의 비표면적이 800 내지 1600 ㎡/g이다.
본 발명에서 사용하는 전도성 카본은, 상기 활성탄과 함께 본 발명에 따른 슬러리 조성물로 제조한 전극의 주요 성분이다.
상기 전도성 카본으로 카본 블랙, 그라파이트, 탄소 섬유 및 탄소 나노 튜브로 구성되는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다. 바람직하게는, 상기 전도성 카본으로 카본 블랙, 그라파이트, 탄소 섬유 및 탄소 나노 튜브를 모두 포함한다. 보다 바람직하게는, 상기 전도성 카본으로 카본 블랙 6 내지 10 중량부, 그라파이트 4 내지 10 중량부, 탄소 섬유 4 내지 6 중량부 및 탄소 나노 튜브 1 내지 5 중량부를 포함한다. 상업적으로 이용할 수 있는 예로는, TimCal사의 SuperP, SuperC 그리고 Ketjen사의 300J, 600J 등을 들 수 있다.
본 발명에서 사용하는 폴리프로필렌-그라프트-말레 안하이드라이드는, 본 발명에 따른 슬러리 조성물의 바인더 역할을 하는 것으로, 상기 활성탄 및 전도성 카본을 결합시키는 역할을 한다.
상기 폴리프로필렌-그라프트-말레 안하이드라이드(Polypropylene-graft-maleic anhydride)는 폴리프로필렌의 사슬 내에 말레 안하이드라이드가 그라프트된 구조를 가지고 있으며, 그라프트된 말레 안하이드라이드에 의하여, 슬러리 조성물이 시트 상에 형성될 때 시트와의 접착성을 보다 높일 수 있다. 상기 폴리프로필렌-그라프트-말레 안하이드라이드는 중량 평균 분자량이 3000 내지 30000일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 슬러리 조성물 내에서 소수성 용매와 구분하기 위하여, 상기 활성탄, 전도성 카본 및 폴리프로필렌-그라프트-말레 안하이드라이드를 총칭하여 '고형분'이라고 한다. 본 발명에 따른 슬러리 조성물은, 상기 고형분 100 중량부를 기준으로, 바람직하게는 활성탄 75 내지 90 중량부, 전도성 카본 5 내지 15 중량부, 및 폴리프로필렌-그라프트-말레 안하이드라이드 4 내지 10 중량부를 포함한다.
또한, 본 발명은 상기 고형물 외에 소수성 유기 용매를 포함한다. 상기 소수성 유기 용매는 소수성 특성을 갖는 활성탄 및 전도성 카본을 보다 용이하게 용해할 수 있으며, 균일하게 혼합 및 분산시켜 슬러리 형태로 제조할 수 있도록 한다.
상기 소수성 유기 용매의 구체적인 예로는, 톨루엔, 사이클로헥산, 자일렌, N-메틸 피롤리돈, 디메틸 설폭사이드, 디메틸 아세테이트, 또는 이들의 2종 이상의 혼합물을 들 수 있다.
본 발명에 따른 슬러리 조성물은, 바람직하게는 상기 고형분을 36 내지 45 중량부로 포함하고, 상기 소수성 용매를 55 내지 64 중량부로 포함한다.
또한 바람직하게는, 본 발명에 따른 슬러리 조성물의 점도가 1500 내지 3500 cps이다.
상기 레독스 흐름 전지의 전극 제조용 슬러리 조성물은, 상술한 성분을 통상적으로 사용하는 혼합 방법으로 슬러리상을 형성하여 제조할 수 있다. 상기 혼합 방법의 예로는, 균질기(homogenizer) 또는 교반기 등을 통하여 고속으로 교반하거나, 스크류를 사용하는 Dissolver, 롤의 Gap 을 통과시키는 Three roll mill, 볼의 충돌을 이용하는 Ball mill, 입자들끼리의 충돌을 이용하는 Agitator mill 또는 초음파 혼합기 등의 장치를 사용하는 등의 방법을 사용할 수 있다. 또한, 상기 각 성분의 혼합 순서는 특별히 제한되지 않으며, 각 성분을 다양한 순서로 첨가 또는 혼합하여 슬러리 조성물을 제조할 수 있다.
바람직하게는, 상기 활성탄과 전도성 카본을 혼합하는 단계; 폴리프로필렌-그라프트-말레 안하이드라이드 및 소수성 용매를 추가하는 단계; 및 소수성 용매를 추가하는 단계를 포함하는 방법으로 제조할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 레독스 흐름 전지의 전극 제조용 슬러리 조성물을 기재 상에 코팅하는 단계를 포함하는 레독스 흐름 전지의 전극의 제조 방법을 제공한다.
상술한 바와 같이, 상기 특정 조성을 갖는 슬러리 조성물을 소정의 기재 상에 도포하여 레독스 흐름 전지의 전극을 제조할 수 있는데, 이러한 전극은 전 영역에서 고른 두께 및 넓은 반응 사이트를 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 대량 양산 공정에 적용하는 경우에도 각각의 최종 제품이 균등한 성능을 가질 수 있고, 장기 구동시에도 기재로부터 박리되는 현상을 최소화하여 전지의 수명을 늘릴 수 있다.
상기 레독스 흐름 전지의 전극 제조용 슬러리 조성물은 기재 상에 5 ㎛ 내지 200 ㎛의 두께로 도포될 수 있다. 상기 기재는 도포되는 슬러리 조성물의 지지체이며, 추후 건조 등의 과정으로 통하여 고체 상태의 전극이 형성되면 제거될 수 있다. 이러한 기재의 구체적인 예가 한정되는 것은 아니며, 각종 전도성 플라스틱 시트, 유기 기판(고분자 기판 등), 무기 기판(금속 기판 등), 유리 기판, 섬유나 목재 등의 유기물 기판 등도 사용 가능하다.
상기 슬러리 조성물의 코팅은 통상적으로 알려진 다양한 코팅 또는 도포 방법을 사용할 수 있으며, 예들 들어 슬롯다이 코터, 콤마 코터, 블레이드 코터, 그라비아 코터, 바 코터, 또는 립 코터를 사용할 수 있다.
한편, 상기 레독스 흐름 전지의 전극의 제조 방법은 상기 코팅된 슬러리 조성물을 건조하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 이러한 건조 단계에서 사용될 수 있는 방법, 장치 또는 온도 조건 또한 크게 제한되는 것은 아니며, 소정의 열원으로 가열하는 방법, 통풍을 시키는 방법, 상온 또는 저온에서 건조하는 방법 등이 다양하게 사용될 수 있다.
또한, 보다 균일한 도포 및 슬러리 조성물의 균일성을 확보하기 위하여, 상기 레독스 흐름 전지의 전극의 제조 방법은 상기 슬러리 조성물을 탈포하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 레독스 흐름 전지의 전극 제조용 슬러리 조성물을 이용하여 제조된 전극을 포함한 레독스 흐름 전지를 제공한다.
상기 레독스 흐름 전지는, 본 발명에 따른 전극을 사용한다는 것을 제외하고는 당업계에서 통상적으로 사용되는 레독스 흐름 전지의 구성을 가질 수 있다. 일례로, 상기 레독스 흐름 전지는 산화 상태가 각각 다른 활물질이 저장된 탱크; 충/방전시 활물질을 순환시키는 펌프; 및 전극, 전해질 및 분리막으로 분획되는 단위셀을 포함할 수 있으며, 상기 단위셀은 본 발명에 따라 제조되는 전극, 전해질 및 다공성 분리막을 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 슬러리 조성물은 비극성 기재에 대한 접착성이 우수하고 전도성이 우수하여, 레독스 흐름 전지의 내구성을 높일 수 있다는 특징이 있다.
도 1은, 본 발명의 일실시예에서 제조한 전극의 전기 저항 측정 방법을 나타낸 것이다.
도 2는, 본 발명의 일실시예에서 제조한 전극의 단전지 테스트 방법을 나타낸 것이다.
도 3은, 본 발명의 일실시예에서 제조한 전극의 단전지 테스트 결과를 나타낸 것이다.
이하, 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예들이 제시된다. 그러나 하기의 실시예들은 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명을 이들만으로 한정하는 것은 아니다.
실시예 1
탄소분말1(카본1)은 Calgon사의 Tog-LF(BET 800 ㎡/g, 평균 입자 직경 45-80 ㎛), 탄소분말2(카본2)는 Timcal사의 SuperP, 바인더는 롯데케미칼사의 GM5070E(PP-g-MAH)를 사용하였다.
먼저, PDM Mixer에 탄소분말1 88 g, 탄소분말2 8g를 투입하고, Planetary 20 RPM, Disperser 500 RPM의 속도로 혼합(dry mixing)하였다. 이어, 바인더 40g(10 wt% in Toluene)와 용매인 톨루엔 50g을 투입하고 혼합하여 반죽 형태가 되도록 하였다(kneading mixing). 이어 톨루엔 174 g을 천천히 투입하고 교반하여 흐름성이 있는 슬러리 조성물을 제조하였다(slurry mixing).
실시예 2
실시예 1의 탄소분말1을 86 g으로, 바인더를 6 g으로 변경하여 실시예 1과 같은 방법으로 슬러리 조성물의 제조하였다.
실시예 3 내지 9
실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 하기 표 1과 같은 조성으로 슬러리 조성물을 제조하였다.
실시예 10
실시예 1에서 탄소분말1을 Kuraray Chemical사의 YP-50F(BET 1600㎡/g, 평균입자 4-10 ㎛)로 변경하고 하기 표 1의 조성으로 슬러리 조성물을 제조하였다.
비교예 1
실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 바인더를 PTFE 및 SBR으로 변경하여 진행하였다. PTFE와 SBR의 비율은 2:1(w/w)로 사용하였으며, 용매는 톨루엔 대신 증류수를 사용하여 슬러리 조성물을 제조하였다. 구체적인 슬러리 조성은 하기 표 1에 나타내었다.
비교예 2
실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 바인더를 PTFE 및 SBR으로 변경하여 진행하였다. PTFE와 SBR의 비율은 2:1(w/w)로 사용하였으며, 용매는 톨루엔 대신 증류수를 사용하였다. 구체적인 슬러리 조성은 하기 표 1에 나타내었다.
실험예
상기 실시예 및 비교예에서 각각 제조한 슬러리 조성물의 점도를 측정하였다.
또한, 상기 실시예 및 비교예에서 각각 제조한 슬러리 조성물을 기재인 PP-Carbon Composite 전극에 닥터 블레이드로 코팅하였다. 기재에 코팅한 고형분은 5 mg/㎠이었다. 코팅된 전극을 가지고 접착성 테스트, 전기 저항 테스트 및 단전지 테스트를 진행하였다.
(1) 접착성 테스트
접착성 테스트는, 상기 제조한 전극 샘플(30×45 ㎟)을 준비한 후, 3×3 ㎟ 간격으로 코팅면(코팅면 총 150개)을 자른 후, 스카치 테이프를 부착하고 탈착하여 남아있는 코팅면 개수로부터 접착률을 계산하였다.
(2) 전기 저항 테스트
전기 저항 테스트는, 도 1과 같이 측정하였다. 구체적으로, 상기 제조한 전극 샘플(40×160 ㎟)을 준비한 후, 140 mm 거리 두어 Metal bar를 전극과 접촉 시키고, Multi-meter를 이용하여 Bar에 0.03 A를 인가시킨 후, 100 mm 거리를 두고 Multi-meter를 사용하여 전극의 전압 값 및 이로부터 전기 저항을 측정하였다.
(3) 단전지 테스트
도 2와 같이 단전지 테스트를 진행하였다. 7×5 ㎠의 반응 면적을 가진 단전지를 이용하여 테스트를 진행하였고, 충방전기(100)은 원아텍사 것을 사용하였다.
단전지는 분리막(140)을 기준으로 전해액을 이동할 수 있도록 유로를 형성해주는 flow flame(130), 전자를 이동시켜주는 전극(120), 단전지의 형상을 유지하게 해는 End plate(110)로 구성되어 있다. Anode 전극은 PP-Carbon Composite 전극을 사용하였으며, Cathode 전극은 PP-Carbon Composite 전극에 앞서 실시예 및 비교예에서 각각 제조한 슬러리 조성물을 코팅하여 사용하였다. 전해액 용기의 전해액은 펌프를 통하여 단전지로 공급되며, 충방전기(100)를 통해 전류 700 mA를 가하여 충전 및 방전을 진행하였다. 충전 용량은 2.17 Ah이었다.
상기 테스트 결과를 하기 표 1 및 도 3에 나타내었다.
카본1
(wt%)		 카본2
(wt%)		 바인더
(wt%)		 고형분
함량
(wt%)		 점도
(cps)		 접착성
(%)		 전기저항
(Ω·cm)
실시예 1 88 8 4 38.5 1600 97 0.8
실시예 2 86 8 6 41.2 1800 99 0.8
실시예 3 84 8 8 42.6 2200 100 1.1
실시예 4 82 8 10 44.2 2800 100 1.6
실시예 5 89 5 6 43.5 2300 99 0.9
실시예 6 82 12 6 38.1 1700 95 0.7
실시예 7 79 15 6 36.6 1500 91 0.6
실시예 8 78 12 10 43.5 3100 100 1.4
실시예 9 75 15 10 45.3 3300 100 1.2
실시예 10 86 8 6 37.4 1900 98 1.2
비교예 1 86 8 6 36.6 2200 5 0.7
비교예 2 78 12 10 38.9 2800 12 1.1
상기 표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 슬러리 조성물은 비교예 대비 전기 저항에는 큰 차이가 없었으나 접착성이 우수함을 확인할 수 있었다.
또한, 도 3에 나타난 바와 같이 실시예 2의 경우 전하량 효율이 충방전 Cycle이 진행됨에 따라 일정하지만, 비교예 1의 경우 서서히 낮아짐을 보였다. 이에 실시예 2가 비교예 1에 비하여 높은 내구성을 보임을 확인하였다.

Claims (11)

  1. 활성탄, 전도성 카본 및 폴리프로필렌-그라프트-말레 안하이드라이드를 포함하는 고형분, 및 소수성 용매를 포함하고,
    상기 고형분 100 중량부를 기준으로, 활성탄 75 내지 90 중량부, 전도성 카본 5 내지 15 중량부, 및 폴리프로필렌-그라프트-말레 안하이드라이드 4 내지 10 중량부를 포함하는,
    레독스 흐름 전지의 전극 제조용 슬러리 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고형분을 36 내지 45 중량부로 포함하고, 상기 소수성 용매를 55 내지 64 중량부로 포함하는,
    레독스 흐름 전지의 전극 제조용 슬러리 조성물.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 활성탄은 비표면적이 700 내지 2200 ㎡/g이고, 평균 입자 직경이 1 내지 80 ㎛인,
    레독스 흐름 전지의 전극 제조용 슬러리 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 레독스 흐름 전지의 전극 제조용 슬러리 조성물의 점도가 1500 내지 3500 cps인 것을 특징으로 하는,
    레독스 흐름 전지의 전극 제조용 슬러리 조성물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 소수성 유기 용매는 톨루엔, 자일렌, N-메틸 피롤리돈, 디메틸 설폭사이드, 및 디메틸 아세테이트로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는,
    레독스 흐름 전지의 전극 제조용 슬러리 조성물.
  7. 제1항, 제2항, 및 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항의 슬러리 조성물을 기재 상에 코팅하는 단계를 포함하는, 레독스 흐름 전지의 전극의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 조성물의 코팅 두께가 5 내지 200㎛인,
    레독스 흐름 전지의 전극의 제조 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 코팅된 슬러리 조성물을 건조하는 단계를 추가로 포함하는,
    레독스 흐름 전지의 전극의 제조 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 슬러리 조성물을 탈포하는 단계를 추가로 포함하는,
    레독스 흐름 전지의 전극의 제조 방법.
  11. 제1항, 제2항, 및 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항의 슬러리 조성물을 이용하여 제조된 전극을 포함하는, 레독스 흐름 전지.
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