KR101915776B1 - 바나듐 레독스 흐름전지용 전극 및 이를 포함한 바나듐 레독스 흐름전지 - Google Patents

바나듐 레독스 흐름전지용 전극 및 이를 포함한 바나듐 레독스 흐름전지 Download PDF

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Abstract

탄소펠트 및 탄소펠트의 적어도 일 면상에 배치된 이온흡착층을 포함하며, 상기 이온흡착층은 전도성 탄소 및 결합 고분자 수지를 포함하며, 상기 탄소펠트의 탄소 섬유 표면에는 하나 이상의 기능기가 결합된 바나듐 레독스 흐름전지용 탄소펠트 전극가 제시된다. 또한 탄소펠트 및 탄소펠트의 적어도 일 면상에 배치된 이온흡착층을 포함하며, 상기 이온흡착층은 전도성 탄소와, 결합 고분자수지의 탄화로 얻어진 탄소계 물질을 포함하며, 상기 탄소펠트를 이루는 탄소 섬유 및 이온흡착층의 표면에는 하나 이상의 기능기가 결합된 바나듐레독스흐름전지용 탄소펠트 전극가 제공된다. 또한 상기 탄소펠트 전극을 포함하는 바나듐 레독스 흐름전지가 제공된다.

Description

바나듐 레독스 흐름전지용 전극 및 이를 포함한 바나듐 레독스 흐름전지 {Electrode for vanadium redox flow battery and vanadium redox flow battery including the same}
바나듐 레독스 흐름전지용 전극 및 이를 포함한 바나듐 레독스 흐름전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 바나듐의 산화 환원 가역성과 전류밀도가 향상된 바나듐 레독스흐름 전지용 전극과, 이를 채용함으로써 향상된 충방전 용량 및 전지 효율을 갖는 바나듐레독스 흐름전지에 관한 것이다.
본 발명은 중소기업 기술혁신개발사업의 지원을 받아 수행한 과제(과제번호 S2169246),“바나듐 레독스 흐름전지용 두께 4.5±0.45㎜ 및 표면적 10±㎡/g 이상을 갖는 흑연펠트 전극 기술 개발”의 결과물에 관한 것이다.
에너지저장 장치를 위한 대용량 이차전지로 레독스 흐름 전지의 연구와 개발이 활발하게 진행되고 있다. 레독스 흐름 전지는 전해질 중의 활물질이 산화(Oxidation)-환원(Reduction)되어 충전 및 방전되는 시스템으로 전해액의 화학적 에너지를 직접 전기에너지 저장시키는 전기화학적 축전장치이다.
바나듐 레독스 흐름전지의 전극으로는 주로 탄소펠트가 사용되고 있다. 탄소펠트의 표면처리 기술은 탄소섬유 펠트의 표면적을 넓히고 전기활성종의 산화 환원 반응 자리를 제공하여 레독스 흐름 전지의 효율과 성능을 결정하는 중요한 기술로 알려져 있다.
기존의 탄소펠트는 장섬유를 갖는 탄소전구체로 펠트를 제작하고 산화-탄화-흑연화과정을 거쳐서 흑연펠트를 만들고 이를 400℃이상의 고온에서 steam 혹은 이산화탄소 혹은 오존을 넣어서 탄소섬유 표면에 기능기를 생성시키는 방법 또는 알카리 용액 또는 산용액에 탄소펠트를 적시고 세정하여 다시 높은 온도에서 처리하여 탄소섬유 표면에 기능기를 도입하는 방법으로 표면처리하여 전극을 제조한다
그런데 지금까지 알려진 표면처리 방법에 따라 탄소펠트 전극을 제조하면, 흑연화 된 탄소섬유의 활성화가 매우 어려워서 탄소펠트를 구성하는 탄소 섬유 표면에 기능기를 생성시키거나 반응이온종을 흡착시킬 수 있는 기공(pore)를 만들기는 매우 어렵다. 이로 인해 바나듐 같은 반응이온종이 전극 표면으로의 전해액 흡착성과 전기화학적 반응성이 낮아지게 되어 이에 대한 개선이 요구된다. 또한 흐름전지의 성능과 출력밀도를 증가시키기 위해서는 단위면적당 높은 전류를 구현가능한 전극이 필요하며 종래 방식의 표면처리방법으로는 바나듐이온의 선택적 흡착성과 반응성이 제한되어 고전류의 성능을 갖는 전극을 얻기가 어렵다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 문제점을 해결하여 전해액의 흡착성 및 전기화학적 반응성이 개선된 바나듐 레독스 흐름전지용 탄소펠트 전극을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상술한 탄소펠트 전극을 포함하여 충방전 효율 및 전류밀도가 개선된 바나듐 레독스 흐름전지를 제공하는 것이다.
한 측면에 따라 탄소펠트 및 탄소펠트의 적어도 일 면상에 배치된 이온흡착층을 포함하며,
상기 이온흡착층은 전도성 탄소 및 결합고분자 수지를 포함하며,
상기 탄소펠트의 탄소 섬유 표면에는 하나이상의 기능기가 형성된 바나듐레독스 흐름전지용 탄소펠트 전극이 제공된다.
다른 측면에 따라 탄소펠트 및 탄소펠트의 적어도 일 면상에 배치된 이온흡착층을 포함하며,
상기 이온흡착층은 전도성 탄소 및 결합 고분자수지의 탄화로 얻어진 탄소계 물질을 포함하며,
상기 탄소펠트의 탄소 섬유 및 이온흡착층의 표면에는 하나 이상의 기능기가 형성된 바나듐 레독스 흐름전지용 탄소펠트 전극이 제공된다.
또 다른 측면에 따라 상술한 탄소펠트 전극을 포함한 바나듐 레독스 흐름전지가 제공된다.
일구현예에 따른 탄소펠트 전극은 탄소섬유 표면에서의 반응 이온종의 흡착과 확산이 증가된다. 따라서 이러한 탄소펠트 전극을 이용하면 산화환원 반응의 가역성과 전류밀도가 향상된다. 따라서 본 발명의 탄소펠트 전극을 이용하면 충방전용량 및 전압효율이 개선된 바나듐레독스흐름전지를 제조할 수 있다.
도 1a은 본 발명의 일구현예에 따른 바나듐 레독스흐름 전지의 구성을 나타내는 예시적인 구성도이다.
도 1b는 본 발명의 다른 일구현예에 따란 바나듐 레독스흐름전지의 구성을 나타낸 것이다.
도 2는 도 1에서 단위 셀의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 실시예 1-2 및 비교예 1의 바나듐 레독스흐름 전지용 전극의 표면 및 단면에 대한 현미경 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1-2 및 비교예 1의 바나듐 레독스흐름 전지용 전극의 표면과 단면이 물에 대한 젖음성을 측정한 사진이다.
도 5는 실시예 3-4 및 비교예 2의 바나듐 레독스흐름 전지의 저항 특성이다.
도 6는 본 발명의 실시예 3-4 및 비교예 2의 바나듐 레독스흐름 전지용 전극의 전류밀도에 따른 출력을 나타내는 그래프이다.
이하에서 예시적인 구현예들에 따른 바나듐흐름전지용 탄소펠트 전극 및 이를 포함하는 탄소펠트 전극에 관하여 보다 상세히 설명한다.
한 측면에 따라 탄소펠트 및 탄소펠트의 적어도 일 면상에 배치된 이온흡착층을 포함하며, 상기 이온흡착층은 전도성 탄소 및 결합 고분자 수지를 포함하며, 상기 탄소펠트를 이루는 탄소 섬유 표면에는 하나 이상의 기능기가 결합된 바나듐 레독스 흐름전지용 탄소펠트 전극이 제공된다.
상기 결합 고분자수지는 pH가 1 내지 2의 강산 전해액에서 내구성을 갖는 재료를 사용한다. 예를 들어 나피온, 플로오로일래스토머(fluoroelastomer), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), PTFE-공중합체(copolymer), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), PVDF-공중합체(copolymer), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 퍼플루오로폴리알콕시 폴리머(Perfluoroalkoxy polymer: PFA), 불소화된에틸렌프로필렌(Fluorinated ethylene propylene: FEP), 페놀수지, 에폭시수지, 폴리에스테르, 폴리비닐에스테르, 폴리 이미드, 폴리아크릴나이트릴(PAN), 플로오로일래스토머(fluoroelastomer) 및 스티렌부타디엔 러버 중에서 선택된 하나 이상이다. 여기에서 나피온(Napion)은 폴리테트라플루오르에틸렌의 골격에 술폰산기를 도입한 폴리머의 상품명(미국 du Pont사)이다.
이러한 결합 고분자수지는 탄소섬유사이의 network에 전도성탄소를 결합시키고 전도성 탄소간을 결합하는 역할을 수행할 수 있고 주로 불소화되어 있기 때문에 낮은 pH에서 안정하면서도 물에도 잘 젖는 물질을 선택하면 반응이온종이 전극에 흡착하는데 도움을 줄 수도 있다. 소수성의 탄소 펠트 표면에 물과 이온을 잘 흡착하는 전기전도성 탄소를 함유한 이온흡착층을 형성하면, 탄소펠트 전극과 전해질 용액의 반응성을 높일 수 있게 된다.
상술한 불소화된 고분자 수지는 예를 들어 불소 수지중 상품명 Nafion 용액(Dupont 사)으로 입수 가능하다.
전도성 탄소는 표면에 기공이 있거나 기능기를 함유하고 있거나 또는 표면에 기능기를 함유하기 유리한 구조이면 더욱 더 유리하다. 전도성 탄소는 예를 들어 활성 탄소, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙(Ketjen Black), 덴카 블랙, 카본 휘스커, 기상성장 탄소섬유(VGCF: Vapor Grown Carbon Fiber), 카본 에어로졸, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노혼(carbon nanohorn), 그라핀, 천연 흑연 분말, 합성 흑연분말 및 열팽창 흑연 분말로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이다. 이러한 전도성 탄소를 함유한 이온흡착층을 탄소펠트 표면에 형성하면 전기 전도도가 더 개선된 탄소펠트 전극을 제조할 수 있다.
결합 고분자수지는 전도성 탄소와 전도성 탄소 사이, 전도성 탄소와 탄소펠트를 구성하는 탄소섬유와의 결합을 증가시킨다. 이러한 결합 고분자수지의 함량은 이온흡착층 총중량 100 중량부를 기준으로 하여 3 내지 30 중량부, 예를 들어 5 내지 15 중량부이다. 결합 고분자수지의 함량이 상기 범위일 때 전극의 저항이 증가되는 일이 없고 전해액의 젖음성이 저하되는 일이 없이 탄소펠트의 탄소섬유에 대한 이온흡착층이 결합력이 우수하다.
다른 측면에 따라 탄소펠트 및 탄소펠트의 적어도 일 면상에 배치된 이온흡착층을 포함하며, 상기 이온흡착층은 전도성 탄소 및 결합 고분자수지의 탄화로 얻어진 탄소계 물질을 포함하며, 상기 탄소펠트의 탄소 섬유 및 이온흡착층의 표면에는 하나 이상의 기능기가 결합된 바나듐 레독스 흐름전지용 탄소펠트 전극이 제공된다.
상기 결합 고분자 수지의 탄화로 얻어진 탄소계 물질은 예를 들어 피치(pitch)일 수 있다.
본 발명에서 이온흡착층은 탄소펠트의 일 면 또는 양면에 형성할 수 있다.
상기 이온흡착층의 함량은 탄소펠트 전극의 총중량 100 중량부를 기준으로 하여 1 내지 30 중량부, 예를 들어 2 내지 10 중량부이다. 이온흡착층의 함량 즉 전도성 탄소와 결합 고분자수지의 총함량 또는 전도성 탄소와 고분자의 탄화로 얻어진 탄소계 물질의 총함량이 상기 범위일 때 전해액 중의 반응 이온종이 탄소펠트 전극에 높은 젖음성을 갖게 되어 전극 표면에 흡착된 반응이온종의 농도가 증가된다. 그 결과 산화환원 반응 효율이 증가된다.
본 발명의 탄소펠트 전극에서 X선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy: XPS)를 통하여 전극의 표면을 분석한 결과 산소의 함량은 탄소펠트 전극의 총중량 100 중량부의 3 내지 20 중량부이다. 탄소펠트 표면에 형성된 산소 기능기의 함량은 XPS를 통해 탄소섬유의 표면을 분석하면 탄소와 산소의 상대적인 비로써 알 수 있다. 본 발명에서는 XPS의 결과로 나타난 산소의 양으로부터 산소기능기의 양을 추정할 수 있다.
산소 기능기의 함량이 너무 증가하면 탄소섬유에 너무 많은 산소가 도입되어 탄소펠트의 기계적 강도가 낮아지고 전극의 저항이 증가하게 된다. 이에 비하여 산소의 함량이 너무 낮으면 탄소섬유 표면에 물이나 반응이온종이 제대로 젖지 않기 때문에 반응이온종이 탄소펠트 안으로까지 젖어 들어가지 않고 표면에서만 반응을 일으키고 반응에 참여하는 반응 사이트 수가 작아서 높은 전류 밀도를 나타내기 어렵게 된다.
종래의 연구에서는 탄소섬유 표면에 반응 사이트를 증가시키기 위해 표면처리 시간을 증가시키거나 혹은 높은 온도에서 많은 양의 반응가스를 주입한 경우에 탄소섬유 자체가 산화되어 전극의 저항이 증가되고 탄소펠트의 기계적강도가 현저히 낮아져서 VRB에서 stack 제조시 탄소펠트가 쉽게 부서지는 단점을 가지고 있다.
본 발명에서는 대부분의 반응이온종이 탄소섬유 표면으로 쉽게 이동하기 쉬운 구조를 가지며 표면으로 이동한 반응이온종은 탄소섬유 표면과 이온흡착층에 매우 쉽게 흡착하게 된다. 흡착된 반응이온종은 이온흡착 층에서 반응이 일어나기도 하고 탄소섬유의 기능기쪽으로 이동하여 산화환원 반응이 일어날 수 있다. 총량으로 보면 산소 기능기는 매우 증가되어 반응 사이트도 증가하였지만 탄소펠트의 구조는 더 견고해지고 전극의 저항도 더 낮아져서 결과적으로는 스택(stack)의 에너지 밀도를 증가시키는 효과를 가지게 된다.
상기 탄소펠트 전극의 비표면적은 1 내지 100 ㎡/g 이다.
본 발명에서는 반응종 이온의 전극 표면에서의 낮은 젖음성을 개선하고 반응성을 증가시키기 위하여 탄소펠트 한 면 또는 양면에 이온흡착층이 형성된 탄소펠트 전극을 제공한다. 탄소펠트의 표면은 먼저 기능기가 생성된 다음, 그 상부에 반응 이온종을 흡착할 수 있는 큰 비표면적을 가진 탄소 재료와 강산성 분위기에 내구성을 갖는 결합 고분자수지가 포함된 층을 도포 및 건조하여 이온흡착층을 형성하여 탄소펠트 전극을 형성한다.
또 하나의 방법으로는 탄소펠트 제조시 탄소펠트 전구체 표면에 전도성 탄소와 탄화가 가능한 결합고분자 수지를 도포 및 건조하여 탄화, 흑연화 및 표면처리 과정을 거치면서 탄소펠트 표면에 전도성 탄소 및 결합 고분자수지의 탄화로 얻어짙 탄소계 물질로 이루어진 이온흡착층이 형성된 구조가 된다.
본 명세서에서 "산소 기능기"는 하이드록시기(-OH), 케톤기 (-C=O) 또는 카르복실기(-COOH)를 의미한다. 이러한 기능기를 갖게 되면 소수성인 탄소펠트 전극에 친수성이 부여되어 전극과 전해질 용액의 반응성이 증가됨으로써 충방전 특성이 개선된 바나듐 레독스 흐름전지를 제조할 수 있게 된다.
산소 기능기인 하이드록시기와 케톤기를 탄소펠트 전극에 도입하는 경우, 당해기술분야에서 통상적으로 사용되는 방법이라면 모두 다 적용가능하다. 예를 들어 탄소펠트 전극을 400 내지 600℃, 예를 들어 약 500℃의 전기로에서 스팀 상태의 수증기를 주입하는 반응에 따라 실시할 수 있다.
산소 기능기인 카르복실기를 탄소펠트 전극에 도입하는 경우에는 이산화탄소(CO2) 가스를 이용하여 실시한다. 각 기능기의 종류와 상대적인 비는 이용하는 가스의 종류에 의해서 조절이 가능하다.
이하, 본 발명의 바나듐 레독스 흐름전지용 탄소펠트 전극을 제조하는 방법을 살펴보기로 하되, 예를 들어 두가지 제조방법으로 구분하여 살펴보기로 한다.
먼저 첫번째 제조방법은 다음과 같다.
탄소펠트 전구체를 산화하는 공정을 거쳐 산화된 탄소펠트를 얻고 이를 불활성 분위기에서 열처리하여 탄화 및 흑연화 과정을 거침으로써 탄소펠트를 제조한다. 여기에서 얻어진 탄소펠트는 흑연화 되어 있는 펠트이다.
상기 탄소펠트 전구체는 예를 들어 레이온 섬유, 폴리아크릴로니트릴 섬유, 셀루로오스 섬유등을 사용할 수 있다.
탄소펠트 전구체를 산화하는 공정은 공기 또는 산소 기체 분위기하에서 150 내지 450℃, 예를 들어 250 내지 350℃, 구체적으로 약 300℃에서 실시한다. 이러한 산화공정을 통하여 기능기 고분자 섬유는 벤젠 구조를 더 많이 가지는 구조로 바뀌면서 탄소의 함량이 60% 이상으로 증가하게 된다.
산화 탄소펠트를 불활성 가스 분위기하에서 열처리하여 탄화 및 흑연화공정을 거친다. 여기에서 불활성 가스 분위기는 예를 들어 질소, 헬륨 등의 기체 분위기를 이용하여 형성한다. 그리고 열처리는 1300 내지 2200℃에서 실시한다. 열처리가 상기 온도 범위에서 실시되면 산화 탄소펠트의 탄화 및 흑연화가 원할하게 이루어진다.
이어서, 상기 탄소펠트의 표면에 산소 기능기를 도입하여 표면처리된 탄소펠트 전극을 제조한다. 산소 기능기는 상술한 바와 같이 하이드록시기 또는 케톤기 또는 카르복실기를 포함하는 기능기중에서 하나 이상을 포함하는 기능기를 도입한다.
상술한 탄화 및 흑연화를 거친 탄소펠트는 탄소섬유의 일부가 결정구조로 변화되면서 물에 대한 젖음성이 저하될 수 있다.
그러나 본 발명에서는 후술하는 바와 같이 탄소펠트 표면상에 이온흡착층을 형성하여 이온흡착층을 형성하지 않은 탄소펠트와 비교하여 바나듐 이온과 같은 반응 이온종에 대한 흡착 및 젖음성이 개선된다.
상기 표면처리된 탄소펠트에 전도성 탄소, 결합 고분자 수지 및 용매를 포함하는 이온흡착층 형성용 조성물을 공급하고 이를 건조하여 바나듐레독스 흐름전지용 탄소펠트 전극이 제조된다.
상기 용매는 에탄올과 메탄올의 알콜류, 물, 또는 유기용매를 사용할 수 있다. 용매의 함량은 전도성 탄소와 결합 고분자수지의 총함량을 기준으로 하여 10 내지 100 중량부이다. 용매의 함량이 상기 범위일 때 이온흡착층 형성용 조성물을 구성하는 각 성분이 골고루 분산되어 탄소펠트상에 이온흡착층이 균일하게 형성될 수 있다.
상기 이온흡착층 형성용 조성물을 표면처리된 탄소펠트에 공급하는 방법은 특별하게 제한되지는 않으나, 예를 들어 스프레이 노즐을 이용하여 공급하는 방법 또는 함침 방법을 이용할 수 있다.
건조는 예를 들어 80 내지 150℃, 예를 들어 120℃에서 실시한다.
본 발명의 탄소펠트 전극을 제조하는 두번째 방법에 대하여 살펴보기로 한다.
먼저 탄소펠트 전구체를 산화하는 공정을 거쳐 산화 탄소펠트를 제조한다. 여기에서 탄소펠트 전구체를 산화하는 공정은 상기 첫번째 제조방법과 동일하게 실시된다. 또는 이미 산화된 탄소섬유(oxidized staple carbon fiber)를 이용하여 부직포 공정에서 산화 탄소펠트를 제조하는 것도 가능하나 어느 방법을 사용하는 것도 가능하다. 상기 산화 탄소펠트에 전도성 탄소, 탄화가 가능한 결합 고분자 수지 및 용매를 포함하는 이온흡착층 형성용 조성물을 공급하고 이를 건조하여 산화 탄소펠트의 적어도 일 면 또는 전면에 걸쳐서 이온흡착층을 형성한다.
이온흡착층이 배치된 산화 탄소펠트를 불활성 가스 분위기하에서 열처리하여 탄화 및 흑연화 공정을 거침으로써 이온흡착층이 형성된 이중 구조를 갖는 탄소펠트를 제조한다.
상술한 열처리를 통하여 탄화 및 흑연화 공정을 거치면 유기물인 고분자는 탄화되어 대부분 탄소로 변화되고 나머지는 가스로 배출된다. 이러한 과정을 거치면 탄소펠트는 탄소섬유, 탄소섬유의 골격 사이에 넓게 분포되는 전도성 탄소 및 고분자의 탄화로 얻어진 탄소계 물질을 함유한 이온흡착층으로 구성된다.
상기 이온흡착층이 형성된 탄소펠트 표면에 산소 기능기를 도입하여 표면처리된 탄소펠트를 제조한다. 산소 기능기를 도입하는 방법은 첫번째 제조방법에서 설명된 바와 같다.
본 발명의 탄소펠트 전극을 제조하는 두번째 제조방법은 전도성 탄소를 결합하기 위한 결합 고분자 수지가 탄화되면서 더 많은 바나듐 이온의 반응 사이트를 제공할 수 있다. 그리고 이온흡착층이 첫번째 제조방법의 경우에 비하여 순수한 탄소로만 구성되어 있어 이온 흡착 사이트가 더 많이 분포된다. 또한 상기 두번째 제조방법은 이온흡착층이 형성된 탄소펠트 표면에 산소 기능기를 도입하므로 상술한 첫번째 제조방법에 비하여 산소 기능기를 도입하는 것이 더 용이하고 상대적으로 증가된 산소 기능기를 도입하는 것이 가능해진다. 따라서 첫번째 제조방법을 이용한 경우와 비교하여 높은 이온흡착능과 높은 전기전도도 특성을 갖는 탄소펠트 전극을 제조할 수 있다.
본 발명의 탄소펠트 전극의 제조방법에서 상기 탄소펠트의 표면에 산소 기능기를 도입하여 표면처리된 탄소펠트를 제조하는 단계에서 산소 기능기의 산소의 함량은 탄소펠트 전극의 표면을 XPS로 분석하여 탄소와 산소의 총함량을 기준으로 하여 3 내지 20 원자% 범위가 되도록 조절된다. 산소의 함량이 상기 범위일 때 전극 표면에서 반응이온종의 흡착이 더 증가하여 전극과 전해질 용액의 반응성이 매우 개선되어 전류밀도 특성이 향상될 수 있다.
본 발명의 탄소펠트 전극은 전해액과 탄소펠트 전극의 친화도가 향상되고 바나듐의 산화 및 환원을 촉진시켜 충방전효율이 향상된 바나듐레독스흐름전지를 제조할 수 있다.
상기 탄소펠트 전극은 다공성 구조를 갖고 있고 기공도가 70 내지 98%이다.
이하, 도 1은 일구현예에 따른 탄소펠트 전극을 구비한 바나듐 레독스 흐름전지의 구조를 나타낸 것이다.
도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 바나듐 레독스 흐름 전지(10)는 단위 셀(20)들이 직렬로 적층되어 있는 스택(30)과, 산화 상태가 각각 다른 활물질이 저장되어 있는 탱크(40, 50)들과, 충전 및 방전 시 활물질을 순환시키는 펌프(42, 52)들로 구성되어 있다. 음극과 양극의 전해질은 바나듐(V), 철(Fe), 크롬(Cr) 등의 활물질과 주석(Sn) 등의 전이금속을 강산수용액에 용해시킨 산성 수용액을 이용한다. 스택(30)은 단위 셀(20)들과 두 개의 엔드플레이트(60, 62)들로 구성되어 있다. 단위 셀(20)들과 엔드플레이트(60, 62)들은 복수의 타이로드(64)들에 의하여 체결되어 있다.
도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 단위 셀(20)들은 기본적으로 멤브레인(22)과, 멤브레인의 양쪽에 배치되어 있는 한 쌍의 전극(24)들과, 전극(24)들의 양쪽에 배치되어 있는 한 쌍의 분리판(26)들을 구비한다.
이러한 전극은 레독스 흐름 전지(10)에 흐르는 전해질과 직접 접촉하여 충전 및 방전시 전해질에 녹아 있는 전기활성종이 반응하는 활성 부위를 제공하고, 전자의 이동 경로를 제공하는 역할을 한다. 따라서 전극으로 사용되는 물질은 전기전도성이 크며, 사용되는 지지전해질의 강산성 용액에서 내구성이 우수하고, 전기활성종의 산화 환원 반응이 일어날 수 있는 반응자리를 제공하여야 한다. 또한 셀 저항을 낮추기 위해서는 전극과 흑연 분리판 사이의 계면과 전극과 막사이의 계면 저항을 줄일 수 있는 전극구조를 가져야 한다.
산소 기능기는 예를 들어 하이드록시기, 케톤기 카르복실기를 포함하여 한가지 이상의 기능기를 포함한다다. 산소 기능기가 탄소펠트 전극의 표면에 형성된 것은 FT-IR을 통하여 확인가능하다.
본 발명의 탄소펠트 전극을 구성하는 탄소섬유의 평균섬유직경은 5 내지 20㎛이고 평균길이는 30 내지 100mm이다. 그리고 탄소펠트 전극은 탄소섬유의 부직포로서 형성된다.
상기 바나듐 산화 흐름 전지의 전극에 탄소 섬유 외 추가적인 이온흡착층을 포함하게 되면, 탄소섬유만으로 이루어진 기존의 탄소 전극에 비하여 흑연펠트 표면에서 산소 함량이 기능기 전체 중량부의 0.5에서 20 중량부까지 증가하며, 비표면적이 1 ㎡/g이하에서 100 ㎡/g까지 증가하게 된다. 그 결과 바나듐 산화-환원 이온종이 흑연펠트 표면에 흡착되는 양이 증가되고 이를 통해 반응 사이트가 증가하면서 산화-환원 반응에 참여하는 이온양이 증가한다. 그래서 충방전 용량이 증가하고 충전과 방전의 효율이 증가하는 효과를 볼 수 있다. 기존의 흑연펠트는 반응이온종의 질량이동(mass transfer)에 의한 반응이었다면 본 발명의 반응은 흑연펠트 표면에서의 확산도 증가하기 때문에 더 높다.
일구현예에 따른 탄소펠트 전극에서 산소 기능기의 산소 함량은 탄소펠트 전극의 이온 활성층에서 탄소와 산소의 총함량을 기준으로 하여 5 내지 20 원자% 범위가 되도록 조절된다.
본 발명의 다른 측면에 따른 바나듐 레독스흐름 전지는 상기한 본 발명의 전극을 전지의 캐소드 또는 애노드로 사용한다.
도 1b는 본 발명의 일 구현예에 따른 레독스 플로우 전지를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1b를 참조하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 레독스 플로우 전지는 캐소드 셀(1), 애노드 셀(2), 상기 두 셀(1, 2)을 격리시키는 이온교환막(100) 및 상기 셀들(1, 2)과 각각 연통된 탱크(21, 22)를 포함한다.
캐소드 셀(1)은 캐소드(13) 및 캐소드 전해액(11)을 포함한다.
애노드 셀(2)은 애노드(14) 및 애노드 전해액(12)을 포함한다.
캐소드(13)와 애노드(14)에서 일어나는 레독스 반응에 따라 충전 및 방전이 일어난다.
캐소드(13)와 애노드(14)는 각각 본 발명의 탄소 펠트 전극을 포함할 수 있다. 도 1b에서 참조번호 (41), (420)은 튜브를 나타내고, (31), (32)는 펌프를 나타낸다.
상기 레독스 플로우 전지의 작동 원리는 한국공개특허 제2011-0088881호에 개시되어 있다. 한국공개특허 제2011-0088881호는 전문이 본 명세서에 통합된다.
상기 레독스 플로우 전지는 기존의 휴대폰, 휴대용 컴퓨터 등의 용도 외에, 전기차량(electric vehicle)과 같은 고용량, 고출력이 요구되는 용도에도 적합하며, 기존의 내연기관, 연료전지, 수퍼커패시터 등과 결합하여 하이브리드 차량(hybrid vehicle) 등에도 사용될 수 있다. 또한, 상기 레독스 플로우 전지는 고출력, 고전압이 요구되는 기타 모든 용도에 사용될 수 있다.
이하, 본 발명을 하기 실시예를 이용하여 더 상세하게 설명한다. 이는 예시적인 것으로서 본 발명은 하기 실시예에 한정되지 않는다.
실시예 1: 탄소펠트 전극의 제조
PAN(폴리아크닐나이트릴) 파이버를 써서 부직포 생산공정을 이용하여 900g/m2의 PAN 펠트를 제작하였다. 롤상태로 제작된 PAN 펠트는 연속적으로 300℃의 공기 분위기의 오븐안으로 투입하여 1시간동안 산화공정을 거치고, 다시 약 1300~2200℃의 온도구배를 갖는 N2 분위기의 전기로에서 탄화-흑연화 공정을 거쳐서 롤 형태로 흑연펠트를 제작하였다. 이 때 제작된 흑연펠트의 중량은 약 400g/m2이고 흑연화 과정을 거치면서 수축이 일어나고, 탄소섬유의 일부가 결정구조로 바뀌면서 물에 잘 젖지 않는 특징을 가지고 있기 때문에 바나듐이온과 같은 반응이온종에 대한 흡착 및 젖음성이 낮아서 전극으로 직접 사용하기에 적당하지 않다.
상기 과정에 따라 얻은 흑연 펠트를 약 500℃의 전기로에 두고 스팀 상태의 수증기를 로에 일정한 속도로 주입하여 흑연펠트의 탄소 섬유 표면에 하이드록시기와 케톤기가 도입된 흑연펠트를 얻었다.
이와 별도로, 활성탄소(Kethjene black 600JD, Azo사) 100g을 10%의 나피온(Nafion) 용액(Dupont사) 100g과 에탄올 2kg을 혼합하여 이온흡착층 형성용 조성물을 상태로 제조하였다.
탄소 섬유 표면에 기능기가 도입된 흑연펠트의 윗면에 상기 이온흡착층 형성용 조성물을 스프레이 노즐을 이용하여 도포하고 120℃의 오븐에서 건조하여 탄소 섬유 표면에 기능기가 도입된 흑연펠트의 윗면과 안 및 바닥면에 이온흡착층을 형성하여 전극을 제조하였다. 이 때 이온흡착층이 흑연펠트 안으로 일부 함습되어 탄소섬유사이의 네트워크(network)에 도포되고 섬유 표면에도 결합되도록 한다. 이온흡착층 형성용 조성물의 도포량은 이온흡착층의 함량이 흑연펠트 100 중량부를 기준으로 하여 약 5중량이 조절하였다.
실시예 2: 탄소펠트 전극의 제조
PAN(폴리아크닐나이트릴) staple 파이버를 써서 부직포 생산공정을 이용하여 900g/m2의 PAN 펠트를 제작하였다. 롤상태로 제작된 PAN 펠트는 연속적으로 300℃의 공기 분위기의 오븐안으로 투입하여 1시간동안 산화공정을 거쳐서 산화펠트를 얻었다. 산화된 탄소펠트는 PAN 펠트에 비하여 브리틀(brittle)하고 유연성이 낮고 산화된 파이버는 부서지기 쉬운 특징을 갖는다.
이와 별도로 활성탄소(Azo사) 100g과 전도성 탄소인 CNT(제일모직사) 10g, 40중량%의 페놀 수지(Dow사) 100g과 에탄올 2kg을 혼합하여 이온흡착층 형성용 조성물을 제조하였다.
상기 과정에 따라 얻은 산화펠트의 윗면에 이온흡착층 형성용 조성물을 스프레이 노즐을 이용하여 도포하고 120℃의 오븐에서 건조하여 산화펠트의 윗면과 안 및 바닥면에 이온흡착층을 형성하여 전극을 제조하였다. 이때 이온흡착층이 산화펠트 안으로 골고루 함습되어 탄소섬유사이의 네트워크(network)에 도포되고 섬유 표면에도 결합되도록 한다. 상기 이온흡착층 형성용 조성물의 함량은 산화펠트 100중량부를 기준으로 하여 약 10중량부가 되도록 조절하였다. 이온흡착층 형성용 조성물이 도포된 산화펠트를 다시 1300~2200℃의 온도구배를 갖는 N2 분위기의 전기로에서 탄화-흑연화 공정을 거쳐서 롤 형태로 흑연펠트를 제작하였다. 이 때 제작된 흑연펠트의 중량은 약 400g/m2 ~ 500g/m2이 되게 하였다. 산화펠트가 탄화하는 과정중에 산화펠트에 도포된 전도성 이온흡착층 중의 페놀수지는 탄소섬유와 활성탄소 및 CNT사이에서 결합을 유지하도록 하는 역할을 한다. 탄화하는 과정중에 페놀수지는 비결정성 탄소로 바뀌면서 일부 수축이 일어나기도 한다. 흑연화 과정을 거친 흑연펠트는 전 영역에 걸쳐서 탄소섬유의 표면과 네트워크(network) 사이에 이온흡착종이 형성되는데 이때 흑연펠트는 모두 탄소로만 이루어진 구조를 갖는다.
이온 흡착층이 형성된 흑연펠트를 500℃의 전기로에 두고 스팀상태의 수증기를 로에 일정한 속도로 주입하여 탄소섬유표면과 이온흡착층의 표면에 기능기가 도입된 흑연펠트를 얻어 전극을 제조하였다.
비교예 1: 탄소펠트 전극의 제조
400g/㎡, 두께 4.5 ㎜인 흑연펠트(JNTG사, GF050B)를 500℃의 전기로에 두고 스팀상태의 수증기를 로에 일정한 속도로 주입하여 탄소섬유의 표면에 기능기가 도입된 탄소펠트 전극을 얻었다.
실시예 3: 바나듐 레독스 흐름 전지의 제조
나피온 117을 이온교환막으로 사용하고 폴리프로필렌으로 만들어진 흐름틀 안에 실시예 1에 따라 제조된 전극을 삽입하였다. 집전판으로는 구리판 표면에 금을 도금하여 사용하고 탄소복합체판과 애노다이징 알루미늄판을 양쪽끝에 두고 체결하였다.
전해질용액은 VOSO4와 H2SO4의 혼합수용액을 사용하고 혼합된 상태의 온도는 VOSO4 1.5M H2SO4 3M이 되도록 하여 바나듐레독스 흐름전지를 제조하였다.
실시예 4: 바나듐 레독스 흐름 전지의 제조
실시예 1의 전극 대신 실시예 2의 전극을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 3과 동일한 방법에 따라 실시하여 바나듐레독스흐름전지를 제조하였다.
비교예 2: 바나듐레독스흐름전지의 제조
실시예 1의 전극 대신 비교예 1의 전극을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 3과 동일한 방법에 따라 실시하여 바나듐레독스흐름전지를 제조하였다.
평가예 1: 전극 구조 및 물에 대한 젖음성 분석
실시예 1 및 비교예 1에 따라 얻은 전극의 표면과 단면을 현미경을 이용하여 전극의 구조를 측정하였다.
각 전극의 구조에 대한 현미경 사진을 결과를 도 3a 내지 도 3d에 나타내었다. 도 3a와 3b는 실시예 1에 따라 제조된 전극의 표면 및 단면 사진이고, 도 3c및 도 3d는 각각 비교예 1의 전극의 표면 및 단면 사진이다.
이를 참조하면, 실시예 1의 흑연펠트는 탄소섬유의 표면과 network 사이에 이온흡착층이 잘 붙어있고 단면을 촬영한 그림에서도 흑연펠트의 전 영역에 걸쳐서 균일하게 이온흡착층이 형성된 것을 볼 수 있다. 이온흡착층은 이온은 흡착하는 성질뿐만 아니라 단순히 물리적으로 접촉하는 탄소섬유사이를 전기전도성 탄소로 연결시켜주기 때문에 전기전도성을 증가시키는 역할도 하는 것을 알 수 있다. 반면, 비교예 1의 흑연펠트는 탄소섬유 표면이 매우 매끈하고 탄소섬유간이 약하게 접하고 있다. 이는 낮은 전기전도성으로 인해서 고전류영역에서는 전자 전달이 어려운 구조임을 알 수 있다.　 이러한 구조의 차이는 이후 활물질의 반응 자리에 머무는 시간, 즉 산화환원 반응시간의 차이를 가져오며 이로써 전극의 성능에 차이를 가져온다.
평가예 2: 물에 대한 젖음성 분석
실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1에 따라 제조된 전극을 5cm x 5cm의 크기로 자르고 나서 증류수가 담긴 비이커에 넣고 전극 표면에 물이 젖는 정도를 촬영한 것과 전극을 두께 방향으로 반으로 잘라서 자른 전극을 동일하게 증류수에 담그어서 물에 대한 젖음성을 측정하였다.
실시예 1, 실시예 2및 비교예 1의 전극에 대한 물에 젖음성 분석 측정 결과는 도 4a 내지 도 4f에 나타난 바와 같다. 도 4a 및 도 4b는 실시예 1의 전극의 표면 및 단면 상태를 나타낸 사진이고, 도 4c 및 도 4d는 실시예 2의 전극의 표면 및 단면 상태를 나타낸 것이다. 그리고 도 4e 및 도 4f는 비교예 1의 전극의 표면 및 단면 상태를 나타낸 것이다.
도 4에 나타낸 바와 같이 실시예 1과 실시예2의 흑연펠트는 표면뿐만 아니라 안쪽면도 물에 균일하게 잘 젖으면서 흑연펠트 표면에서 공기방울이 보이지 않는데 비하여, 비교예는 일부만 물에 젖고 특히 공기방울으로 인해 물에 젖지 않는 영역이 존재한다. 즉 VRB에서 이온흡착층이 형성된 흑연펠트는 바나듐이온과 강산으로 이루어진 전해액에 균일하게 쉽게 젖기 때문에 반응성과 효율이 증가될 수 있다.
평가예 3: 전극의 압력에 따른 전극 저항 측정
실시예 1-2 및 비교예 1에 따라 제조된 전극을 일정한 크기로 잘라서 만능시험기의 전기전도도 측정 지그에 넣고 압력(0~30N/cm2)을 인가하면서 전극의 관통저항을 측정하였다. 측정 결과는 도 5에 나타난 바와 같다.
도 5를 참조하여, 인가압력이 증가하면서 전기저항은 감소하나, 비교예 1의 전극에 비하여 실시예 1의 전극은 약 30%의 낮은 전기저항을 나타내었다. 특히 실시예 1에 비하여 실시예 2의 전극저항이 약 10% 더 낮은 값을 나타내었다. 이는 실시예 2의 경우에 페놀수지가 탄화-흑연화 과정을 거치면서 전기전도성이 좋은 탄소로 구조가 바뀌어서 전극 재료 모두가 탄소인데 비하여, 실시예 1은 나피온(Nafion) 수지가 이온흡착층에 남아 있어서 전기저항 성분으로 작용하기 때문이다. 전극의 저항이 낮을수록 충방전 반응에서 전하이동(charge transfer) 저항이 작아지기 때문에 전류의 흐름이 더 쉬울 수 있다.
이온흡착반응 사이트(site)에서 생성된 전자는 전극을 따라서 흐르는데 탄소섬유만으로 이루어진 비교예는 탄소섬유 표면만을 통해서 흐르기 때문에 전기전도도가 낮으며 이는 충방전시에 일부 전류의 누설로 나타날 수 있으며 낮은 전압효율의 원인이 되기도 한다.
평가예 3: 바나듐 레독스흐름 전지에서의 충방전 효율
실시예 3 및 4, 비교예 2에 따라 제조된 바나듐 레독스 흐름전지에 대하여 유량 1.5ml/min/cm2에서 전류밀도 80mA/cm2에서의 충방전을 진행하여 각 전극에 대한 충방전 용량과 전류 효율, 전압효율 및 에너지 효율을 평가하였다.
각 전지의 충방전 특성은 도 5에 나타난 바와 같고 각 전지의 전압 변화를 도 6에 나타내었다.
상기 각 전지의 충방전효율(전류효율), 전압효율 및 에너지 효율은 각각 하기 식 1 내지 3에 의하여 계산하였고 그 계산결과를 하기 표 1에 나타내었다.
[식 1]
충방전 효율(전류 효율)(%)= (방전 용량/ 충전 용량)X100
[식 2]
전압 효율(%) =(평균방전전압/평균충전전압) X100
[식 3]
에너지 효율(%)=전압 효율X충방전 효율
구 분 단위 실시예 3 실시예 4 비교예 2
충전 전류용량 Ah 4.2 4.3 3.2
방전 전류용량 Ah 4.15 4.2 3.11
전류 효율
(Columb Efficiency)		 % 98.8 97.6 97.2
전압 효율
(Voltage Efficiency)		 % 89.0 89.9 85.2
에너지 효율
(Energy Efficiency)		 % 87.3 87.7 82.8
도 6과 표 1에서 보는 바와 같이, 실시예 3 및 4의 바나듐레독스흐름전지는 비교예 2의 경우(탄소섬유로만 제조된 탄소 부직포 전극을 사용함)의 충방전 용량에 비하여 이온흡착층을 도포한 흑연펠트 전극에서 충전 용량과 방전용량이 약 1.3배까지 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 비교예 2의 전지에서는 기능기가 있는 탄소섬유 표면에서만 반응을 하는데 비하여 실시예 3 및 4의 전지에서는 탄소섬유 표면뿐만 아니라 이온흡착층이 반응에 추가로 참여하여 약 30~35%의 용량이 증가 된 것을 확인할 수 있다. 탄소섬유 표면의 기능기에 비하여 이온흡착층의 기능기가 더 가역적인 산화-환원이 일어나며, 이는 전압효율 값이 증가된 것으로부터 알 수 있다. 또한 막과 전극과의 계면, 전극과 집전체사이의 계면은 이온흡착층 때문에 계면 접합이 더 잘 이루어지고 계면저항이 낮아지며 전류 효율이 개선된 것을 알 수 있었다.
평가예 4: 바나듐 레독스 흐름 전지의 전지 성능 평가
바나듐 레독스 흐름전지의 평가는 각각의 애노드 전해질과 캐소드 전해질이 닫힌계(closed system)에서 순환됨에 따라서 충전과 방전 과정에서 전극 반응에 참여하는 활성종의 농도가 계속적으로 변화되면서 전극 내에서의 반응환경이 계속적으로 변화되어 전극만의 특성을 확인하기 어렵다. 따라서 바나듐 산화환원 전지의 전극 성능을 평가하기 위해서는 전지에 유입되는 애노드 전해액과 캐소드 전해액의 V5+과 V2+의 농도를 2M로 고정하여 전지 내로 공급하면서 전류밀도를 변화시켰다. 이 때 전지를 통과한 애노드 전해액과 캐소드 전해액은 공급되는 전해액과 다른 용기로 모아서 공급되는 전해액과 섞이지 않도록 하였다. 즉, 방전과정에서 전류밀도를 변화시키면서 전압을 측정하는 실험방법은 도 7에 나타난 바와 같다.
상기 실험 결과르 도 8에 나타내었다. 그리고 실시예 3-4 및 비교예 2의 바나듐레독스흐름전지의 1.2V에서의 전류밀도를 표 2에 정리하였다.
구 분 단위 실시예 3 실시예 4 비교예2
전극 성능(@1.2V) mA/㎠ 140 155 107
도 8에서 보는 바와 같이, 비교예 2의 바나듐레독스흐름전지에서는 1.2V에서 전류밀도가 약 107 mA/㎠인 데 비하여, 실시예 3 및 4의 바나듐레독스흐름전지에서는 전류밀도가 각각 140 mA/㎠과 155mA/㎠로 전지 성능이 1.3~1.4배나 개선되었다.
평가예 5: 산소 기능기의 함량
실시예 1-2 및 비교예 1에 따라 제조된 탄소펠트 전극에서 전극표면에서의 산소 기능기의 함량을 측정하기 위하여 XPS를 이용하여 탄소와 산소의 원자%를 평가하였다.
평가 결과, 실시예 1-2의 탄소펠트 전극이 비교예 1의 경우에 비하여 산소 기능기가 증가됨을 확인할 수 있었다.
XPS를 이용하여 각 경우의 C와 O의 원자비를 측정하였다. 탄소펠트를 표면처리를 하지 않은 경우에 C의 함량은 99.9%이상으로 산소 원자가 0.1% 이하로 매우 낮은 값을 나타낸다. 이에 비하여 비교예 1는 C의 함량이 97%이고 산소의 함량은 3% 이하로 낮은 값을 나타냈었다. 실시예1 과 실시예 2의 산소 함량은 각각 12%와 15%로 실시예 2에서 기능기 함량이 더 증가된 것을 알 수 있다. 이는 탄소섬유 표면과 전도성 탄소 뿐만 아니라 탄화된 고분자수지 표면까지 전 영역에 걸쳐서 탄소 표면에 기능기가 형성되었기 때문이다.
10: 바나듐 레독스 흐름전지 20, 40: 단위셀
24: 전극 26: 분리판
30: 스택 42, 53: 탱크
42, 52: 펌프 60, 62: 엔드플레이트

Claims (5)

  1. 탄소펠트 및 탄소펠트의 적어도 일 면상에 배치된 이온흡착층을 포함하는 바나듐레독스 흐름전지용 탄소펠트 전극이며,
    상기 이온흡착층은 전도성 탄소 및 결합 고분자수지를 포함하며,
    상기 탄소펠트를 이루는 탄소 섬유 표면에는 산소 기능기인 케톤기 (-C=O)와, 하이드록시기(-OH)가 결합되고,
    상기 산소 기능기는 상기 탄소펠트를 400 내지 600℃의 전기로에서 스팀 상태의 수증기를 주입하는 반응을 실시하여 얻어진 것이며,
    상기 결합 고분자 수지는 나피온, 플로오로일래스토머(fluoroelastomer), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), PTFE-공중합체(copolymer), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), PVDF-공중합체(copolymer), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 퍼플루오로폴리알콕시 폴리머(Perfluoroalkoxy polymer: PFA), 불소화된에틸렌프로필렌(Fluorinated ethylene propylene: FEP), 페놀수지, 에폭시수지, 폴리에스테르, 폴리비닐에스테르, 폴리 이미드, 폴리아크릴나이트릴(PAN), 플로오로일래스토머(fluoroelastomer) 및 스티렌부타디엔 러버 중에서 선택된 하나 이상이고,
    상기 전도성 탄소는 활성 탄소, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙(Ketjen Black), 덴카 블랙, 카본 휘스커, 기상성장 탄소섬유(VGCF: Vapor Grown Carbon Fiber), 카본 에어로졸, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노혼(carbon nanohorn), 그라핀, 천연 흑연 분말, 합성 흑연분말 및 열팽창 흑연 분말로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이고,
    상기 탄소펠트 전극에서 전극표면의 산소의 함량은 탄소펠트 전극의 총중량 100 중량부의 3 내지 20 중량부인 바나듐레독스 흐름전지용 탄소펠트 전극.
  2. 탄소펠트 및 탄소펠트의 적어도 일 면상에 배치된 이온흡착층을 포함하는 바나듐레독스 흐름전지용 탄소펠트 전극이며,
    상기 이온흡착층은 전도성 탄소와, 결합 고분자수지의 탄화로 얻어진 탄소계 물질을 포함하며,
    상기 탄소펠트를 이루는 탄소 섬유 및 이온흡착층의 표면에는 하나 이상의 산소 기능기인 케톤기 (-C=O)와, 하이드록시기(-OH)가 결합되고,
    상기 산소 기능기는 상기 탄소펠트를 400 내지 600℃의 전기로에서 스팀 상태의 수증기를 주입하는 반응을 실시하여 얻어진 것이며,
    상기 결합 고분자 수지는 나피온, 플로오로일래스토머(fluoroelastomer), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), PTFE-공중합체(copolymer), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), PVDF-공중합체(copolymer), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 퍼플루오로폴리알콕시 폴리머(Perfluoroalkoxy polymer: PFA),불소화된에틸렌프로필렌(Fluorinated ethylene propylene: FEP), 페놀수지, 에폭시수지, 폴리에스테르, 폴리비닐에스테르, 폴리 이미드, 폴리아크릴나이트릴(PAN), 플로오로일래스토머(fluoroelastomer) 및 스티렌부타디엔 러버 중에서 선택된 하나 이상이고,
    상기 전도성 탄소는 활성 탄소, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙(Ketjen Black), 덴카 블랙, 카본 휘스커, 기상성장 탄소섬유(VGCF: Vapor Grown Carbon Fiber), 카본 에어로졸, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노혼(carbon nanohorn), 그라핀, 천연 흑연 분말, 합성 흑연분말 및 열팽창 흑연 분말로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이고,
    상기 탄소펠트 전극에서 전극표면의 산소의 함량은 탄소펠트 전극의 총중량 100 중량부의 3 내지 20 중량부인 바나듐레독스흐름전지용 탄소펠트 전극.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 고분자 수지의 함량은 이온흡착층 총중량 100 중량부를 기준으로 하여 3 내지 30 중량부인 바나듐레독스흐름전지용 탄소펠트 전극.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 이온흡착층의 총함량은 탄소펠트 전극 총중량 100 중량부를 기준으로 하여 1 내지 30 중량부인 바나듐 레독스 흐름전지용 탄소펠트 전극.
  5. 제1항 또는 제2항의 탄소펠트 전극을 포함하는 바나듐 레독스 흐름전지.
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