KR101847821B1 - Flow battery having excellent charge and discharge characteristics - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 양극 집전체, 음극 집전체, 상기 양극 집전체와 상기 음극 집전체 사이에 배치되는 격리막을 포함하는 전지 셀에 양극 전해액과 음극 전해액이 공급되어 충방전이 이루어지는 흐름전지에 있어서, 상기 양극 전해액은 양극 활물질로 Fe(terpy)2Xn(여기서, n은 1 또는 2의 자연수이고, X는 SO4 2-, Cl-, Br-, I-, F-, I3 -, I2F-, Br2F-, Cl2F-, I2Br-, Br2I-, NO3 -, PF6 -, ClO4 -, BF4 -, SbF6 -, CF3SO3 -, (CN)2N-, (CF3SO2)2N-, (C2F5SO2)2N-, (CF3SO2)3C-, CF3CO2 -, C3F7CO2 - C2O4 2 - 및 CH3CO2 - 중에서 선택된 1종 이상의 물질)을 포함하고, 상기 음극 전해액은 음극 활물질로 NaFe(EDTA)(Ferric sodium ethylenediaminetetraacetate)을 포함하는 흐름전지에 관한 것이다. 본 발명의 흐름전지는 우수한 충방전 특성을 갖는다.The present invention provides a flow cell in which a positive electrode current collector, a negative electrode current collector, and a separator disposed between the positive electrode current collector and the negative electrode current collector are supplied with a positive electrode electrolyte and a negative electrode electrolyte to charge and discharge, 2 X n anode electrolyte Fe (terpy) as a cathode active material (here, n is a natural number of 1 or 2, X is SO 4 2-, Cl -, Br -, I -, F -, I 3 -, I 2 F -, Br 2 F -, Cl 2 F -, I 2 Br -, Br 2 I -, NO 3 -, PF 6 -, ClO 4 -, BF 4 -, SbF 6 -, CF 3 SO 3 -, ( CN) 2 N -, (CF 3 SO 2) 2 N -, (C 2 F 5 SO 2) 2 N -, (CF 3 SO 2) 3 C -, CF 3 CO 2 -, C 3 F 7 CO 2 - at least one material selected from the group consisting of C 2 O 4 2 - and CH 3 CO 2 - ), wherein the cathode electrolyte comprises NaFe (EDTA) (ferric sodium ethylenediaminetetraacetate) as a negative electrode active material. The flow cell of the present invention has excellent charge and discharge characteristics.

Description

우수한 충방전 특성을 갖는 흐름전지{Flow battery having excellent charge and discharge characteristics}[0001] The present invention relates to a flow cell having excellent charge and discharge characteristics,

본 발명은 흐름전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 Fe(terpy)2Xn(여기서, n은 1 또는 2의 자연수이고, X는 음이온)을 포함하는 양극 활물질을 사용하고 NaFe(EDTA)(Ferric sodium ethylenediaminetetraacetate)을 포함하는 음극 활물질을 사용하는 우수한 충방전 특성을 갖는 흐름전지에 관한 것이다.The present invention relates to a flow cell, and more particularly to a flow cell using a cathode active material containing Fe (terpy) 2 X n (where n is a natural number of 1 or 2 and X is an anion) sodium ethylenediaminetetraacetate) as a negative electrode active material.

흐름전지는 에너지 저장물질로서, 산화환원이 가능한 산화환원 물질(redox pair, 레독스 쌍)을 포함하며, 용액 형태로 만들어져서 흐름전지에서 흘러가는 도중에 에너지를 축적 또는 방출하게 된다. A flow cell is an energy storage material that contains a redox pair capable of redox and is formed into a solution and accumulates or emits energy as it flows in the flow cell.

흐름전지는 대용량 에너지저장에 합당한 전지로서 주목받고 있다. 하지만, 에너지밀도가 낮아서 리튬이차전지에 비해서 2∼3배의 부피가 요구된다. Flow cells are attracting attention as batteries suitable for large-capacity energy storage. However, since the energy density is low, a volume of 2 to 3 times larger than that of a lithium secondary battery is required.

현재 상용화되어 있는 흐름전지의 에너지 저장물질은 일반적으로 수계 바나듐 이온을 이용하며, 아울러 전해질로서 하전이온은 수소이온(H+)을 사용하고 있다. 이러한 바나듐계 흐름전지는 이론적으로 약 1.2V의 전압을 발생하며 수용액이므로 이온전도도가 높아서 출력이 우수하고 또한 인화성 용매를 사용하지 않기 때문에 안전성이 우수하다. 하지만 낮은 전압으로 인해서 저장할 수 있는 에너지밀도가 낮은 단점이 있다. 흐름전지는 장주기용 에너지를 저장하므로 대형장치 설비를 하고, 건물형 장치이므로 공간의 제약을 덜 받긴 하지만, 낮은 에너지밀도는 그 만큼의 규모가 큰 설비를 의미하므로 건물의 크기를 증가시킨다. 이는 높은 에너지밀도로서 다양한 용도의 저장에 적용 가능한 리튬이차전지와 대비되는 부분이다.The energy storage material of the flow cell which is currently commercialized generally uses aqueous vanadium ion, and also the hydrogen ion (H + ) is used as the electrolyte for the charge ion. Such a vanadium-based flow cell generates a voltage of about 1.2 V theoretically, and since it is an aqueous solution, the ion conductivity is high and the output is excellent and the safety is excellent because no flammable solvent is used. However, there is a drawback that the energy density that can be stored due to the low voltage is low. Flow cells store large energy for a long period of time, and because they are large-scale facilities, they are less space-constrained because they are building-type devices. However, the low energy density means a large-scale facility. This is a high energy density and contrasts with a lithium secondary battery applicable for storage in various applications.

바나듐(Vanadium)의 4개의 산화상태를 이용한 바나듐계 흐름전지는 멤브레인의 수명을 가장 오랫동안 유지하므로 10∼20년간 전지를 사용해도 좋은 내구성을 가지고 있다. 하지만, 전압이 낮아서 앞서 언급한 바와 같이 에너지밀도가 낮을뿐더러, 최대출력치도 낮아지는 영향을 준다. 또한, 바나듐계 흐름전지는 강한 산성조건이므로 전극이 서서히 부식되어 수명단축 및 출력저하를 유발할 수 있다. The vanadium-based flow cell using the four oxidation states of vanadium maintains the life of the membrane for the longest, so it has good durability to use the battery for 10 to 20 years. However, since the voltage is low, the energy density is low as mentioned above, and the maximum output value is also lowered. In addition, since the vanadium-based flow cell is in a strongly acidic condition, the electrode may slowly corrode, shortening the service life and lowering the output.

대한민국 등록특허공보 제10-1509581호Korean Patent Publication No. 10-1509581

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 우수한 충방전 특성을 갖는 흐름전지를 제공함에 있다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a flow cell having excellent charge and discharge characteristics.

본 발명은, 양극 집전체, 음극 집전체, 상기 양극 집전체와 상기 음극 집전체 사이에 배치되는 격리막을 포함하는 전지 셀에 양극 전해액과 음극 전해액이 공급되어 충방전이 이루어지는 흐름전지에 있어서, 상기 양극 전해액은 양극 활물질로 Fe(terpy)2Xn(여기서, n은 1 또는 2의 자연수이고, X는 SO4 2-, Cl-, Br-, I-, F-, I3 -, I2F-, Br2F-, Cl2F-, I2Br-, Br2I-, NO3 -, PF6 -, ClO4 -, BF4 -, SbF6 -, CF3SO3 -, (CN)2N-, (CF3SO2)2N-, (C2F5SO2)2N-, (CF3SO2)3C-, CF3CO2 -, C3F7CO2 - C2O4 2 - 및 CH3CO2 - 중에서 선택된 1종 이상의 물질)을 포함하고, 상기 음극 전해액은 음극 활물질로 NaFe(EDTA)(Ferric sodium ethylenediaminetetraacetate)을 포함하는 흐름전지를 제공한다.The present invention provides a flow cell in which a positive electrode current collector, a negative electrode current collector, and a separator disposed between the positive electrode current collector and the negative electrode current collector are supplied with a positive electrode electrolyte and a negative electrode electrolyte to charge and discharge, 2 X n anode electrolyte Fe (terpy) as a cathode active material (here, n is a natural number of 1 or 2, X is SO 4 2-, Cl -, Br -, I -, F -, I 3 -, I 2 F -, Br 2 F -, Cl 2 F -, I 2 Br -, Br 2 I -, NO 3 -, PF 6 -, ClO 4 -, BF 4 -, SbF 6 -, CF 3 SO 3 -, ( CN) 2 N -, (CF 3 SO 2) 2 N -, (C 2 F 5 SO 2) 2 N -, (CF 3 SO 2) 3 C -, CF 3 CO 2 -, C 3 F 7 CO 2 - at least one material selected from the group consisting of C 2 O 4 2 - and CH 3 CO 2 - , and the negative electrode electrolyte solution comprises a ferrous sodium ethylenediaminetetraacetate (NaFe) (EDTA) as a negative electrode active material.

상기 양극 전해액 및 상기 음극 전해액 중에서 선택된 1종 이상의 전해액은 지지전해질을 더 포함할 수 있으며, 상기 지지전해질은 양이온과 음이온을 포함하는 전해질로서, 상기 양이온은 4차암모늄이온, 고분자암모늄이온, 리튬이온, 나트륨이온, 수소이온 및 칼륨이온 중에서 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있으며, 상기 음이온은 Cl-, Br-, I-, F-, I3 -, I2F-, Br2F-, Cl2F-, I2Br-, Br2I-, NO3 -, PF6 -, ClO4 -, BF4 -, SbF6 -, CF3SO3 -, (CN)2N-, (CF3SO2)2N-, (C2F5SO2)2N-, (CF3SO2)3C-, CF3CO2 -, C3F7CO2 - 및 CH3CO2 - 중에서 선택된 1종 이상의 음이온을 포함할 수 있다. 상기 지지전해질은 0.01∼5M의 농도를 갖는 것이 바람직하다. The electrolyte solution may further comprise a supporting electrolyte, wherein the supporting electrolyte comprises a cation and an anion, wherein the cation is a quaternary ammonium ion, a polymeric ammonium ion, a lithium ion , Sodium ion, hydrogen ion and potassium ion, and the anion is selected from the group consisting of Cl - , Br - , I - , F - , I 3 - , I 2 F - , Br 2 F - Cl 2 F -, I 2 Br -, Br 2 I -, NO 3 -, PF 6 -, ClO 4 -, BF 4 -, SbF 6 -, CF 3 SO 3 -, (CN) 2 N -, (CF 3 SO 2 ) 2 N - , (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N - , (CF 3 SO 2 ) 3 C - , CF 3 CO 2 - , C 3 F 7 CO 2 - and CH 3 CO 2 - And may contain one or more selected anions. The supporting electrolyte preferably has a concentration of 0.01 to 5M.

상기 양극 활물질은 0.0001∼2.0M의 농도를 갖는 것이 바람직하다. The cathode active material preferably has a concentration of 0.0001 to 2.0M.

상기 음극 활물질은 0.0001∼2.0M의 농도를 갖는 것을 특징으로 하는 흐름전지.Wherein the anode active material has a concentration of 0.0001 to 2.0M.

상기 양극 전해액 및 상기 음극 전해액은 전해질을 해리시키는 수계 용매를 포함할 수 있다.The positive electrode electrolyte and the negative electrode electrolyte may include an aqueous solvent for dissociating the electrolyte.

상기 양극 집전체 및 상기 음극 집전체는 전기전도성을 갖는 펠트를 포함할 수 있다.The cathode current collector and the anode current collector may include a felt having electrical conductivity.

본 발명의 흐름전지에 의하면, Fe(terpy)2Xn(여기서, n은 1 또는 2의 자연수이고, X는 SO4 2-, Cl-, Br-, I-, F-, I3 -, I2F-, Br2F-, Cl2F-, I2Br-, Br2I-, NO3 -, PF6 -, ClO4 -, BF4 -, SbF6 -, CF3SO3 -, (CN)2N-, (CF3SO2)2N-, (C2F5SO2)2N-, (CF3SO2)3C-, CF3CO2 -, C3F7CO2 - C2O4 2 - 및 CH3CO2 - 중에서 선택된 1종 이상의 물질)을 포함하는 양극 활물질을 사용하고 NaFe(EDTA)(Ferric sodium ethylenediaminetetraacetate)을 포함하는 음극 활물질을 사용하며, 우수한 충방전 특성을 갖는다.According to the flow cell of the present invention, the Fe (terpy) 2 X n (where, n is a natural number of 1 or 2, X is SO 4 2-, Cl -, Br -, I -, F -, I 3 -, I 2 F -, Br 2 F -, Cl 2 F -, I 2 Br -, Br 2 I -, NO 3 -, PF 6 -, ClO 4 -, BF 4 -, SbF 6 -, CF 3 SO 3 - , (CN) 2 N -, (CF 3 SO 2) 2 N -, (C 2 F 5 SO 2) 2 N -, (CF 3 SO 2) 3 C -, CF 3 CO 2 -, C 3 F 7 (EDTA) (ferric sodium ethylenediaminetetraacetate) is used as a positive electrode active material containing at least one selected from the group consisting of CO 2 - C 2 O 4 2 - and CH 3 CO 2 - Discharge characteristics.

도 1은 본 발명에 따른 흐름전지를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2 내지 도 4는 실험용 전지 셀의 사진들이다.
도 5는 전지 셀의 조립 방법을 설명하기 위하여 도시한 단면도이다.
도 6은 전지 셀의 외부케이스를 보여주는 정면도이다.
도 7은 전지 셀의 외부케이스를 보여주는 측면도이다.
도 8은 전지 셀의 외부케이스를 보여주는 평면도이다.
도 9는 전지 셀의 덮개를 보여주는 정면도이다.
도 10은 전지 셀의 덮개를 보여주는 측면도이다.
도 11은 전지 셀의 덮개를 보여주는 평면도이다.
도 12는 활물질을 이용한 측정 결과로서 전기화학전 산화와 환원 전위를 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 13은 활물질을 이용한 측정 결과로서 충·방전 곡선을 측정하여 나타낸 그래프이다.
1 is a schematic view of a flow cell according to the present invention.
Figs. 2 to 4 are photographs of an experimental battery cell.
5 is a cross-sectional view illustrating a method of assembling a battery cell.
6 is a front view showing an outer case of the battery cell.
7 is a side view showing an outer case of the battery cell.
8 is a plan view showing an outer case of the battery cell.
9 is a front view showing a cover of the battery cell.
10 is a side view showing a cover of the battery cell.
11 is a plan view showing a cover of the battery cell.
12 is a graph showing electrochemical oxidation and reduction potentials measured as a result of measurement using an active material.
13 is a graph showing charge / discharge curves measured as a measurement result using an active material.

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.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 흐름전지는, 양극 집전체, 음극 집전체, 상기 양극 집전체와 상기 음극 집전체 사이에 배치되는 격리막을 포함하는 전지 셀에 양극 전해액과 음극 전해액이 공급되어 충방전이 이루어지는 흐름전지에 있어서, 상기 양극 전해액은 양극 활물질로 Fe(terpy)2Xn(여기서, n은 1 또는 2의 자연수이고, X는 SO4 2-, Cl-, Br-, I-, F-, I3 -, I2F-, Br2F-, Cl2F-, I2Br-, Br2I-, NO3 -, PF6 -, ClO4 -, BF4 -, SbF6 -, CF3SO3 -, (CN)2N-, (CF3SO2)2N-, (C2F5SO2)2N-, (CF3SO2)3C-, CF3CO2 -, C3F7CO2 - C2O4 2 - 및 CH3CO2 - 중에서 선택된 1종 이상의 물질)을 포함하고, 상기 음극 전해액은 음극 활물질로 NaFe(EDTA)(Ferric sodium ethylenediaminetetraacetate)을 포함한다.A flow cell according to a preferred embodiment of the present invention is a flow cell comprising a positive electrode current collector, a negative current collector, and a separator disposed between the positive current collector and the negative current collector, Wherein the positive electrode active material is Fe (terpy) 2 X n (wherein n is a natural number of 1 or 2, and X is SO 4 2- , Cl - , Br - , I - , F -, I 3 -, I 2 F -, Br 2 F -, Cl 2 F -, I 2 Br -, Br 2 I -, NO 3 -, PF 6 -, ClO 4 -, BF 4 -, SbF 6 - , CF 3 SO 3 -, ( CN) 2 N -, (CF 3 SO 2) 2 N -, (C 2 F 5 SO 2) 2 N -, (CF 3 SO 2) 3 C -, CF 3 CO 2 - , C 3 F 7 CO 2 - C 2 O 4 2 - and CH 3 CO 2 - ), and the negative electrode electrolyte contains NaFe (EDTA) (ferric sodium ethylenediaminetetraacetate) as the negative electrode active material do.

상기 양극 전해액 및 상기 음극 전해액 중에서 선택된 1종 이상의 전해액은 지지전해질을 더 포함할 수 있으며, 상기 지지전해질은 양이온과 음이온을 포함하는 전해질로서, 상기 양이온은 4차암모늄이온, 고분자암모늄이온, 리튬이온, 나트륨이온, 수소이온 및 칼륨이온 중에서 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있으며, 상기 음이온은 Cl-, Br-, I-, F-, I3 -, I2F-, Br2F-, Cl2F-, I2Br-, Br2I-, NO3 -, PF6 -, ClO4 -, BF4 -, SbF6 -, CF3SO3 -, (CN)2N-, (CF3SO2)2N-, (C2F5SO2)2N-, (CF3SO2)3C-, CF3CO2 -, C3F7CO2 - 및 CH3CO2 - 중에서 선택된 1종 이상의 음이온을 포함할 수 있다. 상기 지지전해질은 0.01∼5M의 농도를 갖는 것이 바람직하다. The electrolyte solution may further comprise a supporting electrolyte, wherein the supporting electrolyte comprises a cation and an anion, wherein the cation is a quaternary ammonium ion, a polymeric ammonium ion, a lithium ion , Sodium ion, hydrogen ion and potassium ion, and the anion is selected from the group consisting of Cl - , Br - , I - , F - , I 3 - , I 2 F - , Br 2 F - Cl 2 F -, I 2 Br -, Br 2 I -, NO 3 -, PF 6 -, ClO 4 -, BF 4 -, SbF 6 -, CF 3 SO 3 -, (CN) 2 N -, (CF 3 SO 2 ) 2 N - , (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N - , (CF 3 SO 2 ) 3 C - , CF 3 CO 2 - , C 3 F 7 CO 2 - and CH 3 CO 2 - And may contain one or more selected anions. The supporting electrolyte preferably has a concentration of 0.01 to 5M.

상기 양극 활물질은 0.0001∼2.0M의 농도를 갖는 것이 바람직하다. The cathode active material preferably has a concentration of 0.0001 to 2.0M.

상기 음극 활물질은 0.0001∼2.0M의 농도를 갖는 것을 특징으로 하는 흐름전지.Wherein the anode active material has a concentration of 0.0001 to 2.0M.

상기 양극 전해액 및 상기 음극 전해액은 전해질을 해리시키는 수계 용매를 포함할 수 있다.The positive electrode electrolyte and the negative electrode electrolyte may include an aqueous solvent for dissociating the electrolyte.

상기 양극 집전체 및 상기 음극 집전체는 전기전도성을 갖는 펠트를 포함할 수 있다.The cathode current collector and the anode current collector may include a felt having electrical conductivity.

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 흐름전지를 더욱 구체적으로 설명한다. Hereinafter, a flow cell according to a preferred embodiment of the present invention will be described in more detail.

흐름전지는 대용량 에너지저장에 합당한 전지로서 주목받고 있다. 하지만, 에너지밀도가 낮아서 리튬이차전지에 비해서 2∼3배의 부피가 요구된다. 에너지밀도를 개선하기 위해서는 기존의 수용액을 이용한 흐름전지와 비교되는 레독스 쌍의 개발이 필요하다. Flow cells are attracting attention as batteries suitable for large-capacity energy storage. However, since the energy density is low, a volume of 2 to 3 times larger than that of a lithium secondary battery is required. In order to improve the energy density, it is necessary to develop a redox pair as compared with a flow cell using a conventional aqueous solution.

비수계 용매용 레독스 쌍의 문제점은 낮은 용해도(solubility)와 함께 낮은 반응속도(낮은 전류)이다. 낮은 용해도와 낮은 전류는 에너지 저장량뿐만 아니라, 전지의 출력에도 직접적인 영향을 주므로 비수계 용매용 레독스 쌍의 연구에 직접적인 장벽으로 작용하였다. The problem with the redox couple for nonaqueous solvents is low reactivity (low current) with low solubility. Low solubility and low current have a direct effect on the energy storage as well as on the cell output, thus acting as a direct barrier to the study of the redox couple for non-aqueous solvents.

본 발명에서는 Fe(terpy)2Xn(여기서, n은 1 또는 2의 자연수이고, X는 SO4 2-, Cl-, Br-, I-, F-, I3 -, I2F-, Br2F-, Cl2F-, I2Br-, Br2I-, NO3 -, PF6 -, ClO4 -, BF4 -, SbF6 -, CF3SO3 -, (CN)2N-, (CF3SO2)2N-, (C2F5SO2)2N-, (CF3SO2)3C-, CF3CO2 -, C3F7CO2 - C2O4 2 - 및 CH3CO2 - 중에서 선택된 1종 이상의 물질)을 포함하는 양극 활물질을 사용하고 NaFe(EDTA)(Ferric sodium ethylenediaminetetraacetate)을 포함하는 음극 활물질을 사용하는 흐름전지를 제시한다. In the present invention, Fe (terpy) 2 X n (where n is a natural number of 1 or 2, X is SO 4 2-, Cl -, Br -, I -, F -, I 3 -, I 2 F -, Br 2 F -, Cl 2 F -, I 2 Br -, Br 2 I -, NO 3 -, PF 6 -, ClO 4 -, BF 4 -, SbF 6 -, CF 3 SO 3 -, (CN) 2 N -, (CF 3 SO 2 ) 2 N -, (C 2 F 5 SO 2) 2 N -, (CF 3 SO 2) 3 C -, CF 3 CO 2 -, C 3 F 7 CO 2 - C 2 O 4 2 - and CH 3 CO 2 - ) and using an anode active material comprising NaFe (EDTA) (Ferric sodium ethylenediaminetetraacetate).

도 1은 본 발명에 따른 흐름전지를 개략적으로 보여주는 도면이다. 1 is a schematic view of a flow cell according to the present invention.

도 1을 참조하면, 흐름전지는 양극 집전체(110), 음극 집전체(120), 양극 집전체(110)와 음극 집전체(120) 사이에 배치되는 격리막(130)을 포함하는 전지 셀에 양극 전해액(140)과 음극 전해액(150)이 공급되어 충방전이 이루어진다. 양극 집전체(110) 및 음극 집전체(120)는 전원공급장치(power supply)와 도선을 통해 연결될 수 있다. 1, the flow cell includes a positive electrode current collector 110, a negative electrode current collector 120, a separator 130 disposed between the positive electrode collector 110 and the negative electrode collector 120, The positive electrode electrolyte 140 and the negative electrode electrolyte 150 are supplied and charged and discharged. The positive electrode current collector 110 and the negative electrode current collector 120 may be connected to a power supply via a wire.

흐름전지는 양극 집전체(110)와 양극 전해액(140)을 포함하는 양극 셀(115)과, 음극 집전체(120)와 음극 전해액(150)을 포함하는 음극 셀(125)과, 양극 셀(115)과 음극 셀(125)을 분리하고 이온을 투과시키는 격리막(130)을 포함한다. 양극 셀(115), 음극 셀(125) 및 격리막(130)은 전지 셀을 구성한다. 흐름전지는 이러한 전지 셀이 복수 개 연결되거나 스태킹(stacking)되어 형성될 수 있다. The flow cell includes a cathode cell 115 including a cathode current collector 110 and a cathode electrolyte 140, a cathode cell 125 including a cathode current collector 120 and a cathode electrolyte 150, 115 and the cathode cell 125 and separates the ions. The anode cell 115, the cathode cell 125, and the separator 130 constitute a battery cell. The flow cell may be formed by connecting a plurality of such battery cells or by stacking them.

양극 셀(115)에는 양극 전해액(140)을 공급하기 위한 제1 탱크(155)가 도관(160, 165)을 통해 접속된다. 음극 셀(125)에는 음극 전해액(150)을 공급하기 위한 제2 탱크(170)가 도관(175, 180)을 통해 접속된다. 도관(160)에는 양극 전해액(140)을 순환시키기 위한 펌프(미도시)가 구비될 수 있고, 도관(175)에는 음극 전해액(150)을 순환시키기 위한 펌프(미도시)가 구비될 수 있다. A first tank 155 for supplying the anode electrolyte 140 is connected to the anode cell 115 through the conduits 160 and 165. A second tank 170 for supplying the cathode electrolyte 150 is connected to the cathode cell 125 through the conduits 175 and 180. The conduit 160 may be provided with a pump (not shown) for circulating the anode electrolyte 140 and a conduit 175 may be provided with a pump (not shown) for circulating the cathode electrolyte 150.

제1 탱크(155)에 내장된 양극 전해액(140)은 도관(160)을 통해 양극 셀(115)에 공급되고, 양극 셀(115)에 공급된 양극 전해액(140)은 도관(165)을 통해 배출되어 제1 탱크(155)로 유입되게 된다. 제2 탱크(170)에 내장된 음극 전해액(150)은 도관(175)을 통해 음극 셀(125)에 공급되고 음극 셀(125)에 공급된 음극 전해액(150)은 도관(180)을 통해 배출되어 제2 탱크(170)로 유입되게 된다. 이와 같이 양극 전해액(140)과 음극 전해액(150)은 순환되게 공급되고, 양극 전해액(140)과 음극 전해액(150)이 흐름전지 내에서 흘러가는 도중에 충전과 방전이 이루어지게 된다. The positive electrode electrolyte solution 140 embedded in the first tank 155 is supplied to the positive electrode cell 115 through the conduit 160 and the positive electrode electrolyte solution 140 supplied to the positive electrode cell 115 passes through the conduit 165 And is then introduced into the first tank 155. The cathode electrolyte 150 contained in the second tank 170 is supplied to the cathode cell 125 through the conduit 175 and the cathode electrolyte 150 supplied to the cathode cell 125 is discharged through the conduit 180 And then flows into the second tank 170. The positive electrode electrolyte solution 140 and the negative electrode electrolyte solution 150 are circulated and charged and discharged while the positive electrode electrolyte 140 and the negative electrode electrolyte 150 flow in the flow cell.

상기 양극 전해액(140)은 양극 활물질을 포함하고, 상기 음극 전해액(150)은 음극 활물질을 포함하며, 양극 전해액(140) 및 음극 전해액(150)은 활물질을 해리시키는 수계 용매를 포함하며, 상기 양극 활물질은 상기 음극 활물질보다 산화환원 전위가 크다. Wherein the anode electrolyte 140 comprises a cathode active material and the anode electrolyte 150 comprises a cathode active material and the anode electrolyte 140 and the cathode electrolyte 150 comprise an aqueous solvent for dissociating the active material, The active material has a larger redox potential than the negative electrode active material.

상기 양극 활물질은 Fe(terpy)2Xn(여기서, n은 1 또는 2의 자연수이고, X는 SO4 2-, Cl-, Br-, I-, F-, I3 -, I2F-, Br2F-, Cl2F-, I2Br-, Br2I-, NO3 -, PF6 -, ClO4 -, BF4 -, SbF6 -, CF3SO3 -, (CN)2N-, (CF3SO2)2N-, (C2F5SO2)2N-, (CF3SO2)3C-, CF3CO2 -, C3F7CO2 - C2O4 2- 및 CH3CO2 - 중에서 선택된 1종 이상의 물질)을 포함한다. The positive electrode active material is a Fe (terpy) 2 X n (where, n is a natural number of 1 or 2, X is SO 4 2-, Cl -, Br -, I -, F -, I 3 -, I 2 F - , Br 2 F - , Cl 2 F - , I 2 Br - , Br 2 I - , NO 3 - , PF 6 - , ClO 4 - , BF 4 - , SbF 6 - , CF 3 SO 3 - 2 N -, (CF 3 SO 2) 2 N -, (C 2 F 5 SO 2) 2 N -, (CF 3 SO 2) 3 C -, CF 3 CO 2 -, C 3 F 7 CO 2 - C 2 O 4 2- and CH 3 CO 2 - ).

상기 Fe(terpy)2Xn을 제조하는 방법의 일 예를 설명한다. FeXn(여기서, n은 1 또는 2의 자연수이고, X는 SO4 2-, Cl-, Br-, I-, F-, I3 -, I2F-, Br2F-, Cl2F-, I2Br-, Br2I-, NO3 -, PF6 -, ClO4 -, BF4 -, SbF6 -, CF3SO3 -, (CN)2N-, (CF3SO2)2N-, (C2F5SO2)2N-, (CF3SO2)3C-, CF3CO2 -, C3F7CO2 - C2O4 2 - 및 CH3CO2 - 중에서 선택된 1종 이상의 물질)을 증류수 등의 용매에 녹이고, 2,2':6',2"-terpyridine을 에탄올 등의 용매에 용해시킨 후 상기 FeXn을 녹인 용액에 섞어교반하고, 교반 결과물을 감압 증류하여 용매를 제거한 후, 아세톤(Acetone) 등을 이용하여 석출시킨 후 감압여과하여 Fe(terpy)2Xn을 얻는다.An example of a method for producing the above-mentioned Fe (terpy) 2 X n will be described. And FeX n (where, n is a natural number of 1 or 2, X is SO 4 2-, Cl -, Br -, I -, F -, I 3 -, I 2 F -, Br 2 F -, Cl 2 F -, I 2 Br -, Br 2 I -, NO 3 -, PF 6 -, ClO 4 -, BF 4 -, SbF 6 -, CF 3 SO 3 -, (CN) 2 N -, (CF 3 SO 2 ) 2 N -, (C 2 F 5 SO 2) 2 N -, (CF 3 SO 2) 3 C -, CF 3 CO 2 -, C 3 F 7 CO 2 - C 2 O 4 2 - and CH 3 CO 2 - is dissolved in a solvent such as distilled water, and 2,2 ': 6', 2 "-terpyridine is dissolved in a solvent such as ethanol. Then, the FeX n is dissolved and stirred in the solution, The resultant is distilled under reduced pressure to remove the solvent, and precipitated with acetone or the like, followed by filtration under reduced pressure to obtain Fe (terpy) 2 X n .

양극 활물질의 하나의 예로서 Fe(terpy)2SO4(Bis(2,2':6',2"-terpyridine) iron(ⅱ) sulfate)의 개략적인 구조를 아래의 구조식 1에 나타내었다. The schematic structure of Fe (terpy) 2 SO 4 (bis (2,2 ': 6', 2 "-terpyridine) iron (ⅱ) sulfate) as an example of a cathode active material is shown in the following structural formula 1.

[구조식 1][Structural formula 1]

Figure 112016047366603-pat00001
Figure 112016047366603-pat00001

상기 Fe(terpy)2SO4을 제조하는 방법을 구체적으로 설명한다. FeSO4 수화물(예컨대, FeSO4·6H2O) 5mmol에 해당하는 양을 칭량하여 증류수에 녹이고, 2,2':6',2"-terpyridine을 2당량에 해당하는 양을 칭량하여 에탄올 등의 용매에 용해시킨 후 FeSO4 수화물을 녹인 용액에 섞어 2시간 동안 교반하고, 교반 결과물을 감압 증류하여 용매를 제거한 후, 아세톤(Acetone) 등을 이용하여 석출시킨 후 감압여과하여 Fe(terpy)2SO4를 얻는다.The method for producing the above-mentioned Fe (terpy) 2 SO 4 will be described in detail. FeSO 4 The amount corresponding to 5 mmol of hydrate (for example, FeSO 4 .6H 2 O) was weighed and dissolved in distilled water. The amount equivalent to 2 equivalents of 2,2 ': 6', 2 "-terpyridine was weighed and dissolved in a solvent such as ethanol After dissolving, FeSO 4 hydrate was dissolved in the solution, and the mixture was stirred for 2 hours. The resulting mixture was distilled under reduced pressure to remove the solvent, and then precipitated with acetone and filtered under reduced pressure to obtain Fe (terpy) 2 SO 4 .

상기 음극 활물질은 NaFe(EDTA)(Ferric sodium ethylenediaminetetraacetate)을 포함한다. 상기 음극 활물질로 NaFe(EDTA)·3H2O와 같은 수화물 형태를 사용할 수도 있다. 상기 NaFe(EDTA)의 개략적인 구조를 아래의 구조식 2에 나타내었다. The negative electrode active material includes NaFe (EDTA) (Ferric sodium ethylenediaminetetraacetate). As the negative electrode active material, a hydrate form such as NaFe (EDTA) .3H 2 O may be used. The schematic structure of the NaFe (EDTA) is shown in the following structural formula 2.

[구조식 2][Structural formula 2]

Figure 112016047366603-pat00002
Figure 112016047366603-pat00002

상기 양극 전해액(140) 및 상기 음극 전해액(150) 중에서 선택된 1종 이상의 전해액은 지지전해질을 더 포함할 수 있다. 상기 지지전해질은 전기분해는 되지 않으면서 전해액의 전기전도도를 높여 주기 위해 전해액 속에 넣어 주는 전해질이다. 상기 지지전해질은 양이온과 음이온을 포함하는 전해질로서, 상기 양이온은 4차암모늄이온, 고분자암모늄이온, 리튬이온, 나트륨이온, 수소이온 및 칼륨이온 중에서 선택된 1종 이상의 물질을 포함하며, 상기 음이온은 Cl-, Br-, I-, F-, I3 -, I2F-, Br2F-, Cl2F-, I2Br-, Br2I-, NO3 -, PF6 -, ClO4 -, BF4 -, SbF6 -, CF3SO3 -, (CN)2N-, (CF3SO2)2N-, (C2F5SO2)2N-, (CF3SO2)3C-, CF3CO2 -, C3F7CO2 - 및 CH3CO2 - 중에서 선택된 1종 이상의 음이온을 포함할 수 있으며, 상기 지지전해질은 0.01∼5M의 농도를 갖는 것이 바람직하다. The at least one electrolyte solution selected from the cathode electrolyte 140 and the cathode electrolyte 150 may further include a supporting electrolyte. The supporting electrolyte is an electrolyte which is not electrolyzed but is put into an electrolyte to increase the electric conductivity of the electrolyte. Wherein the supporting electrolyte comprises an electrolyte comprising a cation and an anion, wherein the cation comprises at least one material selected from a quaternary ammonium ion, a polymeric ammonium ion, a lithium ion, a sodium ion, a hydrogen ion and a potassium ion, -, Br -, I -, F -, I 3 -, I 2 F -, Br 2 F -, Cl 2 F -, I 2 Br -, Br 2 I -, NO 3 -, PF 6 -, ClO 4 -, BF 4 -, SbF 6 -, CF 3 SO 3 -, (CN) 2 N -, (CF 3 SO 2) 2 N -, (C 2 F 5 SO 2) 2 N -, (CF 3 SO 2 ) 3 C - , CF 3 CO 2 - , C 3 F 7 CO 2 - and CH 3 CO 2 - , and the supporting electrolyte preferably has a concentration of 0.01 to 5 M .

상기 4차암모늄이온은 질소 원자에 R1, R2, R3, R4 알킬기(R1, R2, R3 및 R4는 메틸기, 에틸기, 프로필기, 이소프로필기, 부틸기, 이소부틸기, 펜틸기, 헥실기, 사이크로헥실기 또는 벤질기)를 포함하는 4차암모늄 이온(R1R2R3R4N+)을 포함할 수 있다. R1, R2, R3 및 R4는 서로 동종이거나 이종의 알킬기일 수 있다. 상기 고분자암모늄이온은 암모늄이온이 사슬 연결되어 있는 것일 수 있다. The quaternary ammonium ion may be substituted by a group selected from the group consisting of R 1 , R 2 , R 3 and R 4 alkyl groups (R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are methyl, ethyl, propyl, isopropyl, butyl, isobutyl group, a pentyl group, a hexyl group, and may include a hexyl group, or a benzyl group), a quaternary ammonium ion (R 1 R 2 R 3 R 4 N +) containing a sayikeu. R 1 , R 2 , R 3 and R 4 may be the same or different alkyl groups. The polymeric ammonium ion may be one in which the ammonium ion is chain-linked.

상기 양극 전해액에 사용되는 양극 활물질은 0.0001∼2.0M의 농도를 갖고, 상기 음극 전해액에 사용되는 음극 활물질은 0.0001∼2.0M의 농도를 갖는 것이 바람직하다.The positive electrode active material used for the positive electrode electrolyte has a concentration of 0.0001 to 2.0M, and the negative electrode active material used for the negative electrode electrolyte has a concentration of 0.0001 to 2.0M.

양극 전해액(140) 및 음극 전해액(150)은 전해질을 해리시키는 수계 용매를 포함하며, 상기 수계 용매는 물(H2O)을 포함하는 용매일 수 있다.The positive electrode electrolyte 140 and the negative electrode electrolyte 150 include an aqueous solvent for dissociating the electrolyte, and the aqueous solvent may be a solvent containing water (H 2 O).

양극 전해액(140)은 양극 집전체(110)가 적셔지도록 공급되고, 음극 전해액(150)은 음극 집전체(120)가 적셔지도록 공급된다. The positive electrode electrolyte 140 is supplied to wet the positive electrode collector 110 and the negative electrode electrolyte 150 is supplied to wet the negative electrode collector 120.

양극 집전체(110) 및 음극 집전체(120)로는 평평한 플레이트(Plate) 타입, 격자 형태의 메쉬(mesh) 타입, 스폰지 형태의 펠트(felt) 타입 등을 사용할 수 있다. 예를 들면, 양극 집전체(110) 및 음극 집전체(120)로는 Au, Pt, Ni 등과 같은 도전성 금속, Au, Pt, Ni 등과 같은 금속을 포함하는 도전성 금속복합재, 폴리아세틸렌, 폴리티오펜과 같은 도전성 폴리머, 비표면적이 높고 비교적 가격이 저렴하며 전기전도성이 우수한 니켈 펠트(nickel felt), 카본 펠트(carbon felt), 그라파이트 펠트(graphite felt)와 같은 전기전도성을 갖는 펠트를 사용할 수 있다. 특히, 탄소 소재인 카본 펠트는 강성 및 전기전도도가 우수하여 내구성과 출력에 도움을 줄 수 있다. As the cathode current collector 110 and the anode current collector 120, a plate type, a grid type mesh type, a sponge type felt type, or the like may be used. Examples of the positive electrode collector 110 and the negative electrode collector 120 include a conductive metal such as Au, Pt, Ni and the like, a conductive metal composite containing a metal such as Au, Pt, and Ni, a polyacetylene, Electrically conductive felt such as nickel felt, carbon felt, and graphite felt having the same specific surface area, relatively low cost, and excellent electrical conductivity can be used. In particular, carbon felt, which is a carbon material, has excellent rigidity and electrical conductivity, which can contribute to durability and power output.

양극 집전체(110)와 음극 집전체(120) 사이에 배치되는 격리막(130)은 음이온 교환막 또는 양쪽이온 교환막으로 이루어질 수 있다. 예컨대, 나피온은 기계적 강성이 강하고 내염기성이 높은 특성이 있으며, 음이온 선택성을 가진 격리막으로 사용이 가능하다. The separation membrane 130 disposed between the cathode current collector 110 and the anode current collector 120 may be formed of an anion exchange membrane or both ion exchange membranes. For example, Nafion has strong mechanical strength and high alkali resistance, and can be used as a separator having negative ion selectivity.

상술한 본 발명에 따른 흐름전지는 전지의 구조가 간단하고 아울러 설치가 간단하여 짧은 시간에 건설할 수 있는 장점이 있다. 또한, 흐름전지는 단일스택이 오작동하게 되면 해당 스택(stack)만 교체하면 되므로 손쉽게 수리를 할 수 있어서 유지관리가 편리하여 장기간 사용이 가능한 에너지 저장장치에 합당하다. 이에 따라 산업에서 전력의 안정성이 반드시 요구되는 화학플랜트, 인터넷 데이타 센타(internet data center; IDC), 반도체회사 등에서 정전을 대비해 완충전력으로 사용될 수 있는 가능성이 높다. 또한, 환경 훼손 문제 때문에 건설하기 어려웠던 양수발전소를 대체해서 사용할 수 있는 활용가능성이 높다. 또한, 전력의 품질이 일정하지 않은 신재생에너지 발전단지에서 생산된 전력을 저장하여 품질이 균일한 전력으로 출력하는 시설로서 그 크기가 다양하게 건설이 가능하며, 특히 대규모 신재생 발전단지는 주위에 민간시설이 없는 산간지역이거나 해양이므로 유기용매가 활용될 수 있는 흐름전지의 대규모 시설도 가능할 것을 기대된다.The flow cell according to the present invention is advantageous in that it can be constructed in a short time because the structure of the battery is simple and the installation is simple. In addition, when a single stack malfunctions, the stack battery can be replaced only by the stack, so that it can be easily repaired, which is convenient for maintenance and is suitable for long-term use. Accordingly, chemical plants, Internet data centers (IDC), semiconductor companies, etc., where power stability is indispensable in the industry, are highly likely to be used as buffer for electric power outages. In addition, it is highly likely to be used as a substitute for a pumped-storage power plant, which was difficult to construct due to environmental degradation. In addition, it is possible to construct various sizes of facilities that output the power produced by the new and renewable energy generation complex where the quality of electric power is not constant and output the uniform quality power. In particular, It is expected that large-scale facilities of flow cells in which organic solvents can be utilized are also possible.

이하에서, 본 발명에 따른 실험예를 구체적으로 제시하며, 다음에 제시하는 실험예에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, experimental examples according to the present invention will be specifically shown, and the present invention is not limited to the following experimental examples.

<실험예><Experimental Example>

1. 지지전해질 용액 제조1. Preparation of Supported Electrolyte Solution

지지전해질은 pH 4의 1M 소듐아세테이트(Sodium acetate) 용액을 사용하였다. 지지전해질 용액의 제조방법은 다음과 같다. 소듐아세테이트 트리하이드레이트(Sodium acetate trihydrate)(Daejung Chem. Co, 98.5%) 13.82g을 칭량한 후, 100mL 부피 플라스크에 넣고 물(H2O)을 100mL 표선까지 넣어 상기 소듐아세테이트 용액을 제조하였다. The supporting electrolyte used was a 1M sodium acetate solution at pH 4. The method of preparing the supporting electrolyte solution is as follows. 13.82 g of sodium acetate trihydrate (Daejung Chem. Co., 98.5%) was weighed, placed in a 100 mL volumetric flask, and water (H 2 O) was added to the 100 mL mark to prepare the sodium acetate solution.

2. 활물질 용액 제조2. Preparation of active material solution

양극 활물질로 Fe(terpy)2SO4)(Bis(2,2':6',2"-terpyridine) iron(ⅱ) sulfate)를 사용하였으며, Fe(terpy)2SO4는 다음과 같은 과정을 통하여 합성하였다. As a cathode active material Fe (terpy) 2 SO 4) (Bis (2,2 ': 6', 2 "-terpyridine) iron (ⅱ) was used as the sulfate), Fe (terpy) 2 SO 4 has the following steps .

FeSO4·6H2O(Daejung Chem. Co, 98.5%) 5mmol에 해당하는 양을 칭량하여 증류수에 녹였다. 2,2':6',2"-terpyridine(Alfa Aesar., 97%)를 2당량에 해당하는 양을 칭량하여 에탄올에 용해시킨 후, FeSO4·6H2O를 녹인 용액에 섞어 2시간 동안 교반(stirring)하였다. 교반 결과물을 감압 증류하여 용매를 제거한 후, 아세톤(Acetone)(Daejung Chem. Co, 99.5%) 200mL를 이용하여 석출시킨 후 감압여과하여 Fe(terpy)2SO4를 얻었다. 상기와 같은 반응을 아래의 반응식 1에 나타내었다.The amount corresponding to 5 mmol of FeSO 4 .6H 2 O (Daejung Chem. Co., 98.5%) was weighed and dissolved in distilled water. 2 equivalents of 2,2 ': 6', 2 "-terpyridine (Alfa Aesar., 97%) were weighed and dissolved in ethanol. The solution was mixed with the solution in which FeSO 4 .6H 2 O was dissolved. The reaction mixture was distilled under reduced pressure to remove the solvent, followed by precipitation with 200 mL of acetone (Daejung Chem Co., 99.5%), followed by filtration under reduced pressure to obtain Fe (terpy) 2 SO 4 . The above reaction is shown in Scheme 1 below.

[반응식 1][Reaction Scheme 1]

Figure 112016047366603-pat00003
Figure 112016047366603-pat00003

합성을 통하여 얻은 Fe(terpy)2SO4를 0.08M에 해당하는 양만큼 칭량하여 10 mL 부피 플라스크에 넣은 후, 상기 지지전해질 용액을 10mL 표선까지 넣어 양극 전해액을 제조하였다.The amount of Fe (terpy) 2 SO 4 obtained through synthesis was weighed to an amount corresponding to 0.08 M, put into a 10 mL volumetric flask, and then the supporting electrolyte solution was added to a 10 mL mark to prepare a positive electrode electrolyte solution.

음극 활물질로 NaFe(EDTA)(Ferric sodium ethylenediaminetetraacetate)를 사용하였다. Ferric sodium ethylenediaminetetraacetate hydrate(NaFe(EDTA)·3H2O)(Samchun pure Chem. Co)를 0.08M에 해당하는 양만큼 칭량하여 10mL 부피 플라스크에 넣은 후, 상기 지지전해질 용액을 10mL 표선까지 넣어 음극 전해액을 제조하였다. NaFe (EDTA) (Ferric sodium ethylenediaminetetraacetate) was used as an anode active material. Ferric sodium ethylenediaminetetraacetate hydrate (NaFe (EDTA) · 3H 2 O) (Samchun pure Chem. Co.) was weighed in an amount corresponding to 0.08 M and placed in a 10 mL volumetric flask. .

아래의 표 1에 실험예에서 사용된 활물질의 분자량과 무게를 나타내었다.Table 1 below shows the molecular weights and weights of the active materials used in the experimental examples.

활물질Active material 분자량(g/mol)Molecular weight (g / mol) 무게(g)
(0.08M 10㎖ 기준)
Weight (g)
(Based on 0.08M 10ml)
Fe(terpy)2SO4 Fe (terpy) 2 SO 4 618.4476618.4476 0.49480.4948 NaFe(EDTA)·3H2ONaFe (EDTA) · 3H 2 O 421.10421.10 0.34380.3438

3. 집전체 전처리3. Whole-house pretreatment

집전체로 사용되는 카본 펠트(Carbon felt)(NIPPON CARBON)는 400℃에서 48시간 동안 활성화시켜 사용하였다. Carbon felt (NIPPON CARBON) used as a current collector was activated at 400 DEG C for 48 hours.

4. 셀 조립4. Cell assembly

다음과 같이 셀(cell)을 제작하였다.A cell was prepared as follows.

셀(cell)은 도 2 내지 도 11에 도시된 바와 같이, 외부케이스, 양극 집전체, 가스켓(gasket), 멤브레인(membrane), 가스켓, 음극 집전체, 외부케이스 순으로 쌓아서 조립하였다. 그리고 누설(leak)의 위험과 셀(cell)의 내부 저항을 줄이기 위해서 볼트와 너트를 이용하여 셀 외부에 강한 압력을 가하여 조립하였다. 그 후 멤브레인(membrane)으로 분리되어 있는 카본 펠트(carbon felt) 위로 양극 전해액, 음극 전해액을 각각 넣어 카본 펠트(carbon felt)를 적셔주었다.As shown in FIGS. 2 to 11, the cells are stacked and assembled in the order of an outer case, a cathode current collector, a gasket, a membrane, a gasket, an anode current collector, and an outer case. In order to reduce the risk of leakage and the internal resistance of the cell, a strong pressure was applied to the outside of the cell using a bolt and a nut. Then, a carbon felt was wetted by inserting a positive electrode electrolyte and a negative electrode electrolyte on a carbon felt separated by a membrane.

양극 집전체 및 음극 집전체로 카본 펠트(carbon felt)를 사용하고, 격리막으로 음이온 교환막인 나피온(Nafion)을 사용하여 도 2 내지 도 4에 나타낸 형태의 실험용 전지 셀을 제작하였다. 도 2 내지 도 4는 실험용 전지 셀의 사진들이다. 도 5는 전지 셀의 조립 방법을 설명하기 위하여 도시한 단면도이다. 도 6은 전지 셀의 외부케이스를 보여주는 정면도이고, 도 7은 전지 셀의 외부케이스를 보여주는 측면도이며, 도 8은 전지 셀의 외부케이스를 보여주는 평면도이다. 도 9는 전지 셀의 덮개를 보여주는 정면도이고, 도 10은 전지 셀의 덮개를 보여주는 측면도이며, 도 11은 전지 셀의 덮개를 보여주는 평면도이다.2 to 4 were fabricated by using carbon felt as a positive collector and negative electrode collector and Nafion as an anion exchange membrane as a separator. Figs. 2 to 4 are photographs of an experimental battery cell. 5 is a cross-sectional view illustrating a method of assembling a battery cell. FIG. 6 is a front view showing an outer case of the battery cell, FIG. 7 is a side view showing an outer case of the battery cell, and FIG. 8 is a plan view showing an outer case of the battery cell. FIG. 9 is a front view showing the cover of the battery cell, FIG. 10 is a side view showing the cover of the battery cell, and FIG. 11 is a plan view showing the cover of the battery cell.

전지 셀의 제작은 다음과 같이 수행하였다. 도 5에 도시된 바와 같이 외부케이스(210a)에 구비된 오목한 부분(212a)에 양극 집전체로 사용되는 카본 펠트(220a)를 삽입하고, 전해액이 외부로 누설되는 것을 억제하기 위해 실리콘(silicone)으로 이루어진 가스켓(gasket)(230a)을 오목한 부분(212a)이 밀봉될 수 있게 부착하고, 가스켓(230a)과 이웃하게 격리막(240)을 설치하며, 외부케이스(210b)에 구비된 오목한 부분(112b)에 음극 집전체로 사용되는 카본 펠트(220b)를 삽입하고, 전해액이 외부로 누설되는 것을 억제하기 위해 실리콘(silicone)으로 이루어진 가스켓(gasket)(230b)을 오목한 부분(212b)이 밀봉될 수 있게 부착하면서 격리막(240)과 접촉되게 한 다음, 볼트를 이용하여 외부케이스(210a)와 외부케이스(210b) 사이가 압착되게 하여 전지 셀을 제작하였다. The battery cell was fabricated as follows. 5, a carbon felt 220a used as a positive electrode current collector is inserted into a concave portion 212a provided in the outer case 210a, and a silicone felt 220a is inserted into the concave portion 212a to prevent the electrolyte from leaking to the outside. A concave portion 212a is attached to the gasket 230a in a sealed manner and a separating film 240 is provided adjacent to the gasket 230a and a concave portion 112b The carbon felt 220b used as a negative electrode current collector is inserted into the gasket 230b and the concave portion 212b of the gasket 230b made of silicone is sealed to prevent the electrolyte from leaking to the outside. So that the outer case 210a and the outer case 210b are pressed together using a bolt to fabricate a battery cell.

도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같이 외부케이스(210)에는 양극 집전체 및 음극 집전체로 사용되는 카본 펠트를 수용할 수 있는 공간으로서 오목한 부분(212)이 구비되어 있다. 또한, 외부케이스(210)에는 볼트가 삽입되는 관통홀(214)이 구비되어 있다. 또한, 외부케이스(210)에는 전해액을 주입하거나 덮개(250)를 삽입하기 위한 개구부(216)가 구비되어 있다. As shown in FIGS. 6 to 8, the outer case 210 is provided with a concave portion 212 as a space capable of accommodating a carbon felt used as a cathode current collector and a cathode current collector. In addition, the outer case 210 is provided with a through hole 214 into which a bolt is inserted. The outer case 210 is provided with an opening 216 for injecting an electrolyte solution or for inserting the cap 250.

도 9 내지 도 11에 도시된 바와 같이 덮개(250)에는 양극 집전체 또는 음극 집전체와 전원공급장치(power supply)를 연결하는 도선을 삽입하기 위한 관통홀(252)이 구비되어 있다. As shown in FIGS. 9 to 11, the lid 250 is provided with a through hole 252 for inserting a lead connecting a positive current collector or a negative current collector with a power supply.

5. 분석방법 5. Analysis Method

활물질들의 산화 환원 거동을 관찰하기 위해서 사이클릭 볼타메트리(Cyclic voltammetry; CV) 측정을 진행하였다. 사이클릭 볼타메트리(CV)는 BioLogic science instruments 사의 SP-150 장비를 사용하여 측정하였다. 작업 전극은 백금 전극(BASi, 직경 3mm), 보조전극은 백금선, 기준전극은 포화 칼로멜 전극(saturated calomel electrode)을 사용하였고, 주사속도는 10 mV s-1로 하였다.Cyclic voltammetry (CV) measurement was performed to observe the redox behavior of the active materials. Cyclic voltametry (CV) was measured using an SP-150 instrument from BioLogic science instruments. The working electrode was a platinum electrode (BASi, diameter 3 mm), the auxiliary electrode was platinum wire, the reference electrode was a saturated calomel electrode, and the scanning speed was 10 mV s -1 .

도 12는 활물질을 이용한 측정 결과로서 전기화학전 산화와 환원 전위를 측정하여 나타낸 그래프이고, 도 13은 활물질을 이용한 측정 결과로서 충·방전 곡선을 측정하여 나타낸 그래프이다. 셀 테스트 시스템(Cell test system)(Wonatech, Co. Ltd)을 사용하여 충전과 방전 테스트를 진행하였다. 충전과 방전의 전류밀도는 6.432 mA로 정하였고, 충전과 방전은 정전류(constant current, CC)로 진행하였다.FIG. 12 is a graph showing electrochemical oxidation and reduction potentials measured as a measurement result using an active material, and FIG. 13 is a graph showing charge / discharge curves measured as a measurement result using an active material. Charging and discharging tests were carried out using a cell test system (Wonatech, Co. Ltd). The current density of charge and discharge was set to 6.432 mA, and charge and discharge proceeded to constant current (CC).

도 12 및 도 13을 참조하면, 활물질이 방전시에 제공가능한 전위를 예측(화살표 표기)한 결과 1.0V 정도의 전압을 제공할 것으로 예측하였고(도 12 참조), 전지에서 충전과 방전을 하여 확인할 결과 대략 1V의 방전값을 제공함을 확인하였다(도 13 참조). 12 and 13, it was predicted that the active material would provide a voltage of about 1.0 V as a result of predicting the potential that can be provided at the time of discharging (indicated by an arrow) (see FIG. 12) Thereby providing a discharge value of approximately 1 V (see FIG. 13).

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, This is possible.

110: 양극 집전체
115: 양극 셀
120: 음극 집전체
125: 음극 셀
130: 격리막
140: 양극 전해액
150: 음극 전해액
155: 제1 탱크
170: 제2 탱크
160, 165, 175, 180: 도관
110: positive electrode collector
115: anode cell
120: cathode collector
125: cathode cell
130:
140: anode electrolyte
150: cathode electrolyte
155: First tank
170: Second tank
160, 165, 175, 180: conduit

Claims (5)

양극 집전체, 음극 집전체, 상기 양극 집전체와 상기 음극 집전체 사이에 배치되는 격리막을 포함하는 전지 셀에 양극 전해액과 음극 전해액이 공급되어 충방전이 이루어지는 흐름전지에 있어서,
상기 양극 전해액은 양극 활물질로 Fe(terpy)2Xn(여기서, n은 1 또는 2의 자연수이고, X는 SO4 2-, Cl-, Br-, I-, F-, I3 -, I2F-, Br2F-, Cl2F-, I2Br-, Br2I-, NO3 -, PF6 -, ClO4 -, BF4 -, SbF6 -, CF3SO3 -, (CN)2N-, (CF3SO2)2N-, (C2F5SO2)2N-, (CF3SO2)3C-, CF3CO2 -, C3F7CO2 - C2O4 2- 및 CH3CO2 - 중에서 선택된 1종 이상의 물질)을 포함하고,
상기 음극 전해액은 음극 활물질로 NaFe(EDTA)(Ferric sodium ethylenediaminetetraacetate)을 포함하는 것을 특징으로 하는 흐름전지.
A flow cell in which a positive electrode current collector, a negative electrode current collector, and a separator disposed between the positive electrode current collector and the negative electrode current collector are supplied with a positive electrode electrolyte and a negative electrode electrolyte to charge and discharge,
The cathode electrolytic solution and Fe (terpy) 2 X n (where, n is a natural number of 1 or 2 as a cathode active material, X is SO 4 2-, Cl -, Br -, I -, F -, I 3 -, I 2 F -, Br 2 F - , Cl 2 F -, I 2 Br -, Br 2 I -, NO 3 -, PF 6 -, ClO 4 -, BF 4 -, SbF 6 -, CF 3 SO 3 -, (CN) 2 N -, ( CF 3 SO 2) 2 N -, (C 2 F 5 SO 2) 2 N -, (CF 3 SO 2) 3 C -, CF 3 CO 2 -, C 3 F 7 CO 2 - C 2 O 4 2- and CH 3 CO 2 - ),
Wherein the negative electrode active material comprises NaFe (EDTA) (ferric sodium ethylenediaminetetraacetate) as a negative electrode active material.
제1항에 있어서, 상기 양극 전해액 및 상기 음극 전해액 중에서 선택된 1종 이상의 전해액은 지지전해질을 더 포함하며,
상기 지지전해질은 양이온과 음이온을 포함하는 전해질로서,
상기 양이온은 4차암모늄이온, 고분자암모늄이온, 리튬이온, 나트륨이온, 수소이온 및 칼륨이온 중에서 선택된 1종 이상의 물질을 포함하며,
상기 음이온은 Cl-, Br-, I-, F-, I3 -, I2F-, Br2F-, Cl2F-, I2Br-, Br2I-, NO3 -, PF6 -, ClO4 -, BF4 -, SbF6 -, CF3SO3 -, (CN)2N-, (CF3SO2)2N-, (C2F5SO2)2N-, (CF3SO2)3C-, CF3CO2 -, C3F7CO2 - 및 CH3CO2 - 중에서 선택된 1종 이상의 음이온을 포함하며,
상기 지지전해질은 0.01∼5M의 농도를 갖는 것을 특징으로 하는 흐름전지.
The method according to claim 1, wherein the at least one electrolyte solution selected from the cathode electrolyte and the cathode electrolyte further comprises a supporting electrolyte,
Wherein the supporting electrolyte is an electrolyte including a cation and an anion,
Wherein the cation comprises at least one material selected from a quaternary ammonium ion, a polymeric ammonium ion, a lithium ion, a sodium ion, a hydrogen ion and a potassium ion,
The anion is Cl -, Br -, I - , F -, I 3 -, I 2 F -, Br 2 F -, Cl 2 F -, I 2 Br -, Br 2 I -, NO 3 -, PF 6 -, ClO 4 -, BF 4 -, SbF 6 -, CF 3 SO 3 -, (CN) 2 N - 2 N, (C 2 F 5 SO 2) - -, (CF 3 SO 2) 2 N, ( CF 3 SO 2 ) 3 C - , CF 3 CO 2 - , C 3 F 7 CO 2 - and CH 3 CO 2 -
Wherein the supporting electrolyte has a concentration of 0.01 to 5M.
제1항에 있어서, 상기 양극 활물질은 0.0001∼2.0M의 농도를 갖고,
상기 음극 활물질은 0.0001∼2.0M의 농도를 갖는 것을 특징으로 하는 흐름전지.
The lithium secondary battery according to claim 1, wherein the cathode active material has a concentration of 0.0001 to 2.0M,
Wherein the anode active material has a concentration of 0.0001 to 2.0M.
제1항에 있어서, 상기 양극 전해액 및 상기 음극 전해액은 전해질을 해리시키는 수계 용매를 포함하는 것을 특징으로 하는 흐름전지.
The flow cell according to claim 1, wherein the cathode electrolyte and the cathode electrolyte include an aqueous solvent for dissociating the electrolyte.
제1항에 있어서, 상기 양극 집전체 및 상기 음극 집전체는 전기전도성을 갖는 펠트를 포함하는 것을 특징으로 하는 흐름전지.The flow cell according to claim 1, wherein the cathode current collector and the anode current collector include a felt having electrical conductivity.
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