KR101913695B1 - 바나듐 레독스 플로우 이차전지용 알칼리토금속 산화물 적용 전극 전처리 방법 및 이를 이용하여 제조된 바나듐 레독스 플로우 이차전지용 전극 - Google Patents

바나듐 레독스 플로우 이차전지용 알칼리토금속 산화물 적용 전극 전처리 방법 및 이를 이용하여 제조된 바나듐 레독스 플로우 이차전지용 전극 Download PDF

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Abstract

본 발명은 바나듐 레독스 플로우 이차전지용 알칼리토금속 산화물 적용 전극 전처리 방법 및 이를 이용하여 제조된 바나듐 레독스 플로우 이차전지용 전극에 관한 것으로, 전해액과 친화도 향상, 음극에서의 수소발생 억제 및 전극 반응 특성이 향상된 다공성 탄소재 전극을 제공하기 위한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 바나듐 레독스 플로우 이차전지용 알칼리토금속 산화물 적용 전극 전처리 방법은 알칼리토금속 전구체 용액에 침지시키는 단계, 상기 다공성 탄소재 전극을 건조시켜 알칼리토금속 전구체가 담지된 다공성 탄소재 전극을 얻는 단계 및 상기 알칼리토금속 전구체가 담지된 다공성 탄소재 전극을 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

바나듐 레독스 플로우 이차전지용 알칼리토금속 산화물 적용 전극 전처리 방법 및 이를 이용하여 제조된 바나듐 레독스 플로우 이차전지용 전극{PRE-TREATMENT METHOD OF ELECTRODE USING ALKALINE EARTH METAL OXIDE AND ELECTRODE FOR VANADIUM REDOX FLOW BATTERY USING THE SAME}
본 발명은 바나듐 레독스 플로우 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다공성 탄소재 전극 표면을 바나듐 레독스 플로우 이차전지용 알칼리토금속 산화물 적용 전처리 방법으로 처리하여 관능기 변화를 유도하여 기존 상용 열처리방법을 적용할 수 있는 바나듐 레독스 플로우 이차전지용 알칼리토금속 산화물 적용 전극 전처리 방법 및 이를 이용하여 제조된 바나듐 레독스 플로우 이차전지용 전극에 관한 것이다.
최근 환경오염 및 지구 온난화로 인하여 전 세계적으로 온실 가스를 줄이고자 하는 노력을 진행하고 있다. 그 일환으로 신재생 에너지의 도입 확대, 친환경 자동차 개발, 전력 저장 시스템 개발과 같은 다양한 노력이 시도되고 있다.
전력 저장 기술은 그 발전 가능성 및 사회적 기여에 대한 요구가 점점 증대되고 있다. 특히, 전력 저장 시스템 분야에서 이차 전지의 활용도에 대한 기대치가 높아지고 있다.
레독스 플로우 이차전지는 여러 장의 전극을 적층하여 스택화 할 수 있으며, 출력과 에너지를 구분하여 설계할 수 있는 장점이 있고 안전성이 우수하여 장수명 에너지 저장 장치로 활용이 기대되는 시스템이다.
바나듐 레독스 플로우 이차전지는 충전 시에는 양극에서 4가 바나듐 이온이 5가 바나듐 이온으로, 음극에서는 3가 바나듐 이온이 2가로 변환되고, 방전 시에는 역으로 바나듐의 이온의 산화수가 변화하여 충전 및 방전이 진행된다. 그러나, 바나듐 레독스 플로우 이차전지는 에너지 효율이 낮은 단점이 있으며, 전극의 활성화도를 증가시켜 반응 특성을 개선하여야 한다.
일반적으로 전극 활성화도 개선을 위해서는 열처리 방법, 산처리, 전기화학적인 처리방법이 널리 이용되고 있으며, 열처리 방법을 통한 카본 펠트 표면 개질 방법이 가장 널리 이용되고 있는 방법이다. 종래의 열처리 방법은 약 500oC 조건에서 5시간 정도의 열처리를 통해서 전극 표면에 산소관능기를 도입하여 친수성을 향상시키고, 전극의 반응 특성을 개선하는 방법이 널리 이용되어 왔다. 그러나, 전극의 음극 반응에서의 수소 발생에 의한 전극 안정성 유지 문제 및 성능 개선의 문제가 발생되고 있다.
한국등록특허 제10-0613260호 (2006.09.19.)
본 발명의 목적은 기존의 상용 열처리 방법을 적용하여 전해액과 다공성 탄소재 전극의 친화도를 향상시킬 수 있는 바나듐 레독스 플로우 이차전지용 알칼리토금속 산화물 적용 전극 전처리 방법 및 이를 이용하여 제조된 바나듐 레독스 플로우 이차전지용 전극을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 음극 바나듐 산화 및 환원 반응을 촉진시켜 전극의 음극 부반응을 최소화하여 전지의 에너지 효율을 향상시키는 바나듐 레독스 플로우 이차전지용 알칼리토금속 산화물 적용 전극 전처리 방법 및 이를 이용하여 제조된 바나듐 레독스 플로우 이차전지용 전극을 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 바나듐 레독스 플로우 이차전지용 알칼리토금속 산화물 적용 전극 전처리 방법은 다공성 탄소재 전극을 알칼리토금속 전구체 용액에 침지시키는 단계, 상기 다공성 탄소재 전극을 건조시켜 알칼리토금속 전구체가 담지된 다공성 탄소재 전극을 얻는 단계 및 상기 알칼리토금속 전구체가 담지된 다공성 탄소재 전극을 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 다공성 탄소재 전극은 카본 펠트, 카본 클로스, 카본 페이퍼인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 알칼리토금속 전구체는 Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, MCl2, MBr2, MF2 및 MNO3 중 적어도 하나 이상일 수 있다.
또한, 상기 알칼리토금속 전구체의 농도는 0.1M 내지 5M일 수 있다.
또한, 상기 열처리하는 단계는 산소를 포함하는 가스 분위기 중에서 100 oC 내지 800 oC 온도 범위에서 열처리할 수 있다.
또한, 상기 열처리하는 단계는 30분 내지 24시간 동안 열처리할 수 있다.
본 발명에 따른 바나듐 레독스 플로우 이차전지용 전극은 다공성 탄소재 전극을 알칼리토금속 전구체 용액에 침지시키는 단계, 상기 다공성 탄소재 전극을 건조시켜 알칼리토금속 전구체가 담지된 다공성 탄소재 전극을 얻는 단계 및 상기 알칼리토금속 전구체가 담지된 다공성 탄소재 전극을 열처리하는 단계를 포함하는 바나듐 레독스 플로우 이차전지용 알칼리토금속 산화물 적용 전극 전처리 방법을 이용하여 제조될 수 있다.
본 발명에 따른 바나듐 레독스 플로우 이차전지용 알칼리토금속 산화물 적용 전극 전처리 방법을 이용하여 제조된 바나듐 레독스 플로우 이차전지용 전극은 전극 표면의 관능기 변화를 유도하여 기존의 상용 열처리 방법을 적용할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 바나듐 레독스 플로우 이차전지용 알칼리토금속 산화물 적용 전극 전처리 방법을 이용하여 제조된 바나듐 레독스 플로우 이차전지용 전극은 전해액과 친화도 향상, 음극에서의 수소 발생 억제 및 전극 반응 특성이 향상된다.
또한, 본 발명에 따른 바나듐 레독스 플로우 이차전지용 알칼리토금속 산화물 적용 전극 전처리 방법을 이용하여 제조된 바나듐 레독스 플로우 이차전지용 전극은 전극의 반응성 및 안정성이 향상되어 전지의 에너지 효율 및 수명특성이 크게 증가된다.
도 1은 본 발명에 따른 바나듐 레독스 플로우 이차전지용 알칼리토금속 산화물 적용 전극 전처리 방법을 도시한 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따른 바나듐 레독스 플로우 이차전지용 알칼리토금속 산화물 적용 전극 전처리 방법을 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따른 실시예와 비교예의 전극 표면의 전자현미경(SEM) 사진 및 EDS 원소분석 결과를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1의 X선 광전자분광 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 VRFB용 양극액을 적용하여 전극의 순환전압전류법 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 바나듐 레독스 플로우 이차전지를 나타낸 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 적층형 바나듐 레독스 플로우 이차전지의 셀프레임을 나타낸 단면도이다.
도 8은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 바나듐 레독스 플로우 이차전지의 충·방전 전압 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 바나듐 레독스 플로우 이차전지의 효율 특성을 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 바나듐 레독스 플로우 이차전지의 충전 및 방전 용량 특성을 나타낸 그래프이다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 바나듐 레독스 플로우 이차전지용 알칼리토금속 산화물 적용 전극 전처리 방법을 도시한 흐름도이고, 도 2는 본 발명에 따른 바나듐 레독스 플로우 이차전지용 알칼리토금속 산화물 적용 전극 전처리 방법을 나타낸 모식도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 바나듐 레독스 플로우 이차전지용 알칼리토금속 산화물 적용 전극 전처리 방법은 다음과 같다.
먼저 S10 단계에서 다공성 탄소재 전극(10)을 알칼리토금속 전구체 용액(20)에 침지시킨다. 이 때, 다공성 탄소재 전극(10)은 카본 펠트(carbon felt), 카본 클로스(carbon cloth), 카본 페이퍼(carbon paper) 등의 다양한 형태의 망상형의 다공성 전극 구조가 적용될 수 있다. 이하의 실시예에서는 다공성 탄소재 전극(10)으로 카본 펠트를 이용한 예를 설명한다.
표면 처리되지 않은 카본 펠트는 망상형 구조에 의한 다공을 가지며, 바나듐 레독스 플로우 이차전지(100)에 사용되는 전해액과의 친화도가 매우 낮고, 표면 관능기가 작다. 따라서, 표면 처리되지 않은 카본 펠트 전극을 사용할 경우 전지의 에너지 효율이 크게 감소한다.
한편 본 발명에 따른 바나듐 레독스 플로우 이차전지용 알칼리토금속 산화물 적용 전극 전처리 방법에서 알칼리토금속 전구체는 Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, MCl2, MBr2, MF2 및 MNO3 중 적어도 하나 이상일 수 있다. 이하에서는 마그네슘(Mg) 원소를 사용한 실시예를 설명하도록 한다.
또한, 알칼리토금속 전구체 용액의 농도는 0.1M 내지 5M일 수 있다.
다음으로 S20 단계에서 알칼리토금속 전구체 용액(20)에 일정시간 침지시켰던 다공성 탄소재 전극(10)을 꺼내어 건조시켜, 용매를 제거하여 알칼리토금속 전구체가 담지된 다공성 탄소재 전극(12)을 얻는다.
그리고, S30 단계에서는 알칼리토금속 전구체가 담지된 다공성 탄소재 전극(12)을 전기로(30)에 탑재하여 열처리한다. 이와 같은 단계를 거쳐, 본 발명에 따른 전처리방법을 이용하여 제조된 바나듐 레독스 플로우 이차전지용 전극(14)이 제조된다.
열처리공정에 있어서, 다양한 방법의 전극 전처리 방법이 개발되었으며, 가장 널리 이용되고 있는 방법은 300 oC 내지 600oC 의 공기분위기 조건에서 카본 펠트를 열처리 방법으로 전처리하여, 표면에 산소 관능기를 제공하여 전해액과의 친화성을 증가시키는 방법이다. 이와 같은 열처리 방법은 음극에서의 과도한 수소발생의 부반응이 발생하고 이에 따른 전극의 성능 저하의 문제점이 발생한다.
그러나, 본 발명에 따른 바나듐 레독스 플로우 이차전지용 알칼리토금속 산화물 적용 전처리 방법에서는 기존의 상용 열처리공정과 동일한 조건인 공기 분위기에서 열처리공정을 수행한다. 이 때 기존의 상용 열처리공정 조건은 산소 또는 공기(Air)를 포함하는 가스 분위기 중에서 열처리 온도가 100oC 내지 800oC 일 수 있으며, 시간은 30분 내지 24시간일 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 바나듐 레독스 플로우 이차전지용 알칼리토금속 산화물 적용 전처리 방법에서는 기존의 상용 열처리공정을 이용할 수 있는 장점이 있으며, 기존의 전처리 방법에서 발생했던 음극 반응의 문제점을 개선하고, 전지의 높은 안정성을 확보하여 고효율을 달성할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 알칼리토금속 산화물 적용 전처리과정을 이용하여 제조된 바나듐 레독스 플로우 이차전지용 전극(14)은 표면에 탄소-탄소 결합과 탄소-산소 관능기가 형성되고, 표면에 알칼리토금속 산화물이 형성된 전극 구조를 가지게 된다.
이하 본 발명에 따른 바나듐 레독스 플로우 이차전지용 알칼리토금속 산화물 적용 전처리 방법을 이용하여 제조된 바나듐 레독스 플로우 이차전지용 전극(14)에 대해서 실시예 및 비교예를 통하여, 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 한편 본 실시예에 따른 전처리 방법으로 제조된 바나듐 레독스 플로우 이차전지(100)는 하나의 실시예에 불과하며, 본 발명에 따른 전처리 방법 및 그 전처리 방법을 이용하여 제조된 바나듐 레독스 플로우 이차전지용 전극이 본 실시예로 한정되는 것은 아니다.
표 1은 본 발명에 따른 실시예 및 비교예를 형성하기 위한 조건을 나타낸 것이다.
실시예 1 내지 3은 표 1과 같이 각각의 농도를 달리 한 알칼리토금속 전구체 용액(20)에 카본 펠트 전극을 침지하고, 500 oC의 공기 분위기에서 5시간 동안 열처리한 카본 펠트 전극이다.
한편 비교예 1은 표 1과 같이 알칼리토금속 전구체 용액(20)에 침지하지 않고, 실시예 1 내지 3과 동일한 조건의 공기 분위기에서 열처리한 카본 펠트 전극이다.
Figure 112018050232825-pat00012
도 3은 본 발명에 따른 실시예와 비교예의 전극 표면의 전자현미경(SEM) 사진 및 EDS 원소분석 결과를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 실시예 1의 경우 전극 표면에 카본 펠트 외의 다른 물질이 존재하는 것을 확인할 수 있다. 또한, EDS 원소분석 결과에 따르면 비교예 1에는 Mg 원소가 발견되지 않았지만 실시예 1에서는 Mg 원소가 약 6.8wt% 수준으로 검출되는 것을 확인할 수 있다. 뿐만 아니라 산소(O) 원소의 비율이 비교예 1의 카본 펠트 전극보다 실시예 1의 카본 펠트 전극에서 약 2배 이상이 검출되었다. 이러한 결과를 통하여, 카본 펠트 전극을 알칼리토금속 전구체 용액(20)에 침지한 후 열처리함에 따라 카본 펠트 표면에 MgO 또는 Mg(OH)2 등의 알칼리토금속 산화물이 담지되었음을 추정할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예 1의 XPS를 통한 표면 원소 분석 결과를 나타낸 그래프이다. 도 4를 참조하면, 실시예 1의 카본 펠트 전극은 표면의 X선 광전자분광(XPS, X-ray Photoelectron Spectroscope) 분석 결과를 통하여, Mg, O, C 원소의 존재를 확인할 수 있다. 도 4에서 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 바나듐 레독스 플로우 이차전지용 알칼리토금속 산화물 적용 전극 전처리 방법을 통하여 제조된 카본 펠트 전극 표면에는 알칼리토금속인 Mg 원소가 검출이 될 만큼 존재하는 것을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 VRFB용 양극액(anolyte, 0.5M VOSO4, 2.5M H2SO4)을 적용하여 전극의 순환전압전류법(CV, Cyclic Voltammetry) 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, 실시예 1 내지 3은 비교예 1과 대비할 때, V3+ → V2+ 환원 반응의 전류값의 최대치(peak)가 더 크며, 반응이 시작되는 전압인 on-set potential이 더 높은 지점에서 반응이 시작되는 것으로 보아, 과전압이 더 낮은 것을 확인할 수 있다. 특히, 실시예 1은 비교예 1과 대비하여 산화 및 환원 전압의 차이(ΔV)가 더 작은 값을 갖는 것에 비추어볼 때, 과전압이 개선된 것을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 바나듐 레독스 플로우 이차전지를 나타낸 단면도이다. 도 7은 본 발명에 따른 적층형 바나듐 레독스 플로우 이차전지의 셀프레임을 나타낸 단면도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 바나듐 레독스 플로우 이차 전지(100)는 가수가 변하는 금속 이온의 산화 환원 반응을 이용하여 충전 또는 방전하는 이차 전지이다.
본 발명에 따른 바나듐 레독스 플로우 이차 전지(100)는 판형의 다층 구조로 이루어진 단위 셀(50)과, 단위 셀(50)의 외곽 양면에 접합되며 판형으로 이루어진 한쌍의 집전체(57)와, 각 집전체(57)의 바깥 면에 접합되며 판형으로 형성된 셀프레임(59)을 포함한다.
단위 셀(50)은 각각 판형인 이온교환막(51). 전극(53) 및 플레이트(55)를 포함한다. 이 때 단위 셀(50)은 이온교환막(51)을 중심으로, 이온교환막(51) 양면에 양극과 음극이 한 쌍인 전극(53)이 마주보며 접합되며, 각 전극(53)의 바깥 면에 플레이트(55)가 접합되는 구조를 가진다.
각 양극 및 음극의 전극(53)은 각 플레이트(55)의 안쪽 면에 부착된다. 이 때 전극(53)은 위에서 설명한 전처리 방법을 이용하여 제조된, 알칼리토금속 산화물이 표면에 도입되고, 산소관능기가 형성된 카본 펠트 전극을 사용한다.
단위 셀(50)에서 가수가 변하는 금속 이온의 산화 환원 반응이 이루어지며, 산화 환원 반응은 이온교환막(51)을 통해 양극 및 음극의 전극(53) 상호간 이루어진다. 이러한 산화 환원 반응에 따라 전기가 발생한다.
전극(53)에서 전기가 발생하면, 플레이트(55)와 집전체(57)는 발생된 전기를 인출한다.
셀프레임(59)은 상술한 이온교환막(51), 한 쌍의 전극(53), 한 쌍의 플레이트(55) 및 한 쌍의 집전체(57)의 형상을 유지 및 지지한다.
셀프레임(59) 각각의 좌우에 배치되는 양극 탱크(60)와 음극 탱크(70)는 필요한 경우 전해질을 인출할 수 있도록 저장한다.
양극 탱크(60)는 양극의 전극(53)에 제공하기 위한 양극 전해질을 저장하며, 음극 탱크(70)는 음극의 전극(53)에 제공하기 위한 음극 전해질을 저장한다. 이 때 양극 탱크(60) 및 음극 탱크(70)는 각각 앞서 설명한 단위 셀(50)의 전극(53)에서 양극 및 음극에 대응하여 단위 셀(50)의 좌우에 배치된다. 또한, 양극 탱크(60) 및 음극 탱크(70)는 유입구(63, 73) 및 유출구(65, 75)를 통해 셀프레임(59)과 연결된다.
유입구(63, 73)는 양극 탱크(60) 및 음극 탱크(70)의 전해질이 단위 셀(100)로 들어가는 통로이며, 유출구(65, 75)는 전해질이 다시 나오는 통로이다.
양극 탱크(60) 및 음극 탱크(70)로부터 인출된 전해질은 유입구(63, 73), 각 셀프레임(59), 및 각 집전체(57)를 통해 단위 셀(50)에 공급되며, 역순으로 다시 양극 탱크(60) 및 음극 탱크(70)에 저장된다. 이 때 양극 및 음극 전해질로 바나듐 레독스 커플을 사용한다.
도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 스택형 바나듐 레독스 플로우 이차 전지는 한 쌍의 셀프레임(59), 한 쌍의 집전체(57) 및 복수 개의 단위 셀(50)을 포함한다.
한 쌍의 셀프레임(59)은 서로 소정 간격 이격하여 대향한다. 서로 마주보는 한 쌍의 셀프레임(59) 각각의 안쪽 면에 한 쌍의 집전체(40) 각각이 접합된다. 집전체(40)사이에는 복수개의 단위 셀(50)이 개재된다. 이 때 복수개의 단위 셀(50)은 이온교환막(51), 양극과 음극을 포함하는 전극(53) 및 플레이트(55)를 서로 공유한다.
이와 같이, 복수 개의 단위 셀(50)이 직렬로 연결된 구조에서 각 전극(53)은 위에서 설명한 전처리 방법을 이용하여 제조된 알칼리토금속 산화물이 표면에 도입되고, 산소관능기가 형성된 카본 펠트 전극을 사용할 수 있다.
이하 본 발명에 따른 바나듐 레독스 플로우 이차전지(100)의 플레이트(55)로 흑연, 이온 교환막(51)으로 나피온을 사용하여 충·방전을 실시하여 전압 곡선, 전압, 쿨롱, 에너지효율 변화 및 충·방전에 따른 용량 변화를 확인한 결과에 대해 설명한다.
도 8은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 바나듐 레독스 플로우 이차전지의 충·방전 전압 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 8을 참조하면, 비교예 1, 실시예 1 및 실시예 2의 카본 펠트 전극의 다양한 전류밀도(80, 120, 160 mA/cm2)에 따른 충전 및 방전 전압 곡선을 확인할 수 있다. 도 8에 나타낸 바와 같이 실시예와 비교예의 결과를 분석해 보면, 카본 펠트 전극의 전류 밀도가 증가할수록 충전 및 방전 과전압이 감소하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 실시예 1과 실시예 2의 카본 펠트 전극을 적용한 전지의 경우가 비교예 1의 카본 펠트 전극을 적용한 전지의 경우에 비하여, 충전 및 방전 용량이 증가하는 것을 확인할 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 바나듐 레독스 플로우 이차전지의 효율 특성을 나타낸 그래프이다.
도 9를 참조하면, 전류밀도 80 mA/cm2 조건에서 비교예 1, 실시예 1 및 실시예 2의 카본 펠트 전극을 적용한 전지에 대하여, 싸이클 특성에 따른 전압, 전류 및 에너지 효율 특성을 확인할 수 있다. 도 9에 나타낸 바와 같이 실시예 1과 실시예 2의 카본 펠트 전극을 적용한 전지의 경우에 비교예 1의 카본 펠트 전극을 적용한 전지의 경우와 비교할 때 전압 효율 및 쿨롱 효율이 향상된 것을 확인할 수 있다. 이에 따라 실시예 1을 적용한 전지의 경우 비교예 1을 적용한 전지의 경우와 비교할 때 에너지 효율 특성이 약 3% 내지 4% 정도 향상되고, 안정된 싸이클 특성을 보여주는 것을 확인할 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 바나듐 레독스 플로우 이차전지의 충전 및 방전 용량 특성을 나타낸 그래프이다.
도 10을 참조하면, 비교예 1, 실시예 1 및 실시예 2의 카본 펠트 전극을 바나듐 레독스 플로우 이차전지(100)에 적용하여 전류밀도 80 mA/cm2 조건에서 싸이클에 따른 충전 및 방전 용량 특성을 확인할 수 있다.
도 10에 나타낸 바와 같이, 실시예 1과 실시예 2의 카본 펠트 전극을 적용한 전지의 경우, 비교예 1의 카본 펠트 전극을 적용한 전지의 충전 및 방전 용량 특성이 현저히 개선된 결과를 확인할 수 있다. 특히, 충전 및 방전 용량 유지율 관점에서 보면, 실시예 1 및 실시예 2의 카본 펠트 전극을 적용한 전지의 경우 비교예 1의 카본 펠트 전극을 적용한 전지의 경우와 비교할 때, 높은 용량 유지율을 보이는 것을 확인할 수 있다. 실시예 1 및 실시예 2의 카본 펠트 전극은 비교예 1의 카본 펠트 전극과 비교할 때 높은 반응 안정성을 확보 할 수 있음을 의미한다.
이와 같이 본 발명에 따른 바나듐 레독스 플로우 이차전지(100)에 충·방전을 실시한 경우에 충전 및 방전 용량의 증가, 전압 효율 및 쿨롱 효율의 증가에 따른 에너지 효율 특성이 향상되는 결과를 확인할 수 있다.
실시예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것이 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당해 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 다공성 탄소재 전극
20 : 알칼리 토금속 전구체 용액
30 : 전기로
50 : 단위 셀
51 : 이온교환막
53 : 전극
55 : 플레이트
57 : 집전체
59 : 셀프레임
60 : 양극탱크
70 : 음극탱크
63, 73 : 유입관
65, 75 : 유출관
100 : 바나듐 레독스 플로우 이차전지

Claims (7)

  1. 다공성 탄소재 전극을 알칼리토금속 전구체 용액에 침지시키는 단계;
    상기 다공성 탄소재 전극을 건조시켜 알칼리토금속 전구체가 담지된 다공성 탄소재 전극을 얻는 단계; 및
    상기 알칼리토금속 전구체가 담지된 다공성 탄소재 전극을 열처리하는 단계;를 포함하며,
    상기 알칼리토금속 전구체는 화학식 MX2를 만족하는 금속염으로서,
    M은 Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이며,
    X는 Cl, Br, F, NO3로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 바나듐 레독스 플로우 이차전지용 알칼리토금속 산화물 적용 전극 전처리 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 다공성 탄소재 전극은
    카본 펠트, 카본 클로스, 카본 페이퍼 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 바나듐 레독스 플로우 이차전지용 알칼리토금속 산화물 적용 전극 전처리 방법.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 알칼리토금속 전구체의 농도는 0.1M 내지 5M인 것을 특징으로 하는 바나듐 레독스 플로우 이차전지용 알칼리토금속 산화물 적용 전극 전처리 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 열처리하는 단계는 산소를 포함하는 가스 분위기 중에서 100oC 내지 800 oC 온도 범위에서 열처리하는 것을 특징으로 하는 바나듐 레독스 플로우 이차전지용 알칼리토금속 산화물 적용 전극 전처리 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 열처리하는 단계는 30분 내지 24시간 동안 열처리하는 것을 특징으로 하는 바나듐 레독스 플로우 이차전지용 알칼리토금속 산화물 적용 전극 전처리 방법.
  7. 다공성 탄소재 전극을 알칼리토금속 전구체 용액에 침지시키는 단계, 상기 다공성 탄소재 전극을 건조시켜 알칼리토금속 전구체가 담지된 다공성 탄소재 전극을 얻는 단계 및 상기 알칼리토금속 전구체가 담지된 다공성 탄소재 전극을 열처리하는 단계를 포함하며,
    상기 알칼리토금속 전구체는 화학식 MX2를 만족하는 금속염으로서,
    M은 Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이며,
    X는 Cl, Br, F, NO3로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 바나듐 레독스 플로우 이차전지용 알칼리토금속 산화물 적용 전극 전처리 방법을 이용하여 제조된 바나듐 레독스 플로우 이차전지용 전극.

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