KR101917597B1 - 아연-니켈 플로우 전지용 양극활물질, 그리고, 이를 포함하는 양극재, 양극 및 아연-니켈 플로우 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 Zn-Ni 플로우 이차전지의 양극활물질 및 이를 포함하는 양극재, 양극 및 Zn-Ni 플로우 이차전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 양극활물질인 Ni(OH)2의 표면을 개질하여 양극활물질의 도전성을 개선하고자 하는 기술에 관한 것으로서, Zn-Ni 플로우 전지용 양극활물질로서, 금속 화합물 분말의 표면에 도전성 금속으로 된 금속 코팅층을 포함하는 Zn-Ni 플로우 전지용 양극활물질을 제공한다.

Description

아연-니켈 플로우 전지용 양극활물질, 그리고, 이를 포함하는 양극재, 양극 및 아연-니켈 플로우 이차전지{SURFACE MODIFIED CATHOD MATERIAL, AND CATHODE MATERIAL, CATHODE AND Zn-Ni FLOW SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SURFACE MODIFIED CATHOD MATERIAL}
본 발명은 Zn-Ni 플로우 이차전지의 양극활물질 및 이를 포함하는 양극재, 양극 및 Zn-Ni 플로우 이차전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 양극활물질인 Ni(OH)2의 표면을 개질하여 양극활물질의 도전성을 개선하고자 하는 기술에 관한 것이다.
전 세계적으로 에너지 수요의 증가 및 화석연료 사용으로 인하여 CO2 배출에 따른 환경오염 등이 문제되고 있다. 이러한 문제로 인해 태양광, 풍력, 연료전지 등 신재생 에너지가 각광을 받고 있으며, 최근에는 보급되어 실생활에 활용되고 있음은 물론, 그 적용처가 점차 확대되고 있는 추세이다.
이러한 신재생 에너지는 입지 환경이나 자연 조건에 크게 영향을 받으므로 출력 변동이 심하여 연속적 공급이 불가능하고, 또 에너지 생산 시점과 수요 시점의 시간차가 발생하게 되어 에너지 저장 시스템이 중요하게 대두된다.
잉여 전력이나 야간 부하시에는 양수 발전, 압축 공기 에너지 저장, 초전도 에너지 저장, 플라이휠 저장 장치 등이 적용될 수 있으며, 대규모 태양광 발전 및 풍력 발전 단지에는 대용량 이차 전지 저장 시스템이 선정되고 있다. 특히, 스마트 그리드에는 대용량 에너지저장 기술이 중요하게 부각되고 있으며, 이러한 전기 에너지 저장에는 계통 상태에 따라 신속한 대응이 가능한 이차전지가 효율적이다.
이중, 대용량 전력 저장용 이차 전지에 있어서는 에너지 저장 밀도가 높아야 하며, 이러한 특성에 가장 적합한 고용량 및 고효율의 2차 전지로서는 플로우 전지가 유리하다.
플로우 전지로서는 Zn-Ni 플로우 전지를 들 수 있는데, 이러한 Zn-Ni 플로우 전지는 Ni(OH)2를 대표로 하는 양극 활물질, 도전재, 바인더 등으로 구성된 양극재를 집전체 상에 도포된 니켈수산화 양극, 제조 단계에서는 활물질 없이 음극 집전체로만 구성된 음극, 그리고 상기 양극과 음극 사이의 간극을 채우고 있는 6 내지 10M 의 KOH 용액을 펌프나 교반기를 이용하여 강제 순환 되는 전해액으로 구성된다. 상기 전해액은 기본 특성은 높은 OH- 이온전도성이지만, 제조 단계에서 음극 활물질을 Zn(OH)4 2 - 이온형태로 용해시켜 충전시 음극 집전체 상에 Zn으로 석출되고 방전시에는 다시 전해액에 Zn(OH)4 2 -로 녹는다.
이러한 플로우 전지의 충방전 반응은 도 1에 개략적으로 나타낸 바와 같다. 보다 구체적으로 Zn-Ni 플로우 전지는 방전 반응시 양극 및 음극에서는 다음과 같은 반응이 일어난다. 전해액은 기본적으로 OH- 이온전도성을 갖는 물질로서, 대표적으로, KOH를 포함하는 알칼리 수용액을 적용할 수 있다.
양극 반응: 2NiOOH + 2H2O + 2e- = 2Ni(OH)2 + 2OH-, Eo = 0.490V
음극 반응: Zn + 4OH- = Zn(OH)4 2 - + 2e-, Eo = -1.215V
전체 반응: Zn + 2KOH + 2H2O + 2NiOOH = 2Ni(OH)2 + K2Zn(OH)4: V = 1.705V
이와 같은 반응은 양극과 음극이 교차 이격 배치된 상태에서 양극과 음극 상이의 간극에 전해액을 흘림으로써 산화환원반응을 통해 충방전된다.
Zn-Ni 플로우 이차전지에서 양극활물질로 사용되는 Ni(OH)2는 상온에서 전자 전도성이 거의 없는 물질이다. 이로 인해 양극활물질 자체로는 저장된 에너지를 원하는 속도로 충방전할 수 없다.
이에 양극활물질과 함께 그라파이트와 같은 도전재를 첨가하여 양극 전체에 도전성을 부여하여 실용적 수준의 충방전 속도를 얻고 있다. 이때, 충분한 충방전 속도를 얻기 위해서는 도전재를 다량 첨가할 필요가 있는데, 이 경우 에너지 밀도가 크게 낮아지는 단점이 있다. 그러므로, 상기 도전재 첨가량은 에너지 밀도와 충방전 속도를 최적화하는 수준에서 실시하게 되는데, 도전재 첨가로 인한 에너지 밀도의 손실은 일정 범위 내에서 감수하여 왔다.
6 내지 10M의 고농도 KOH를 전해액으로 사용하는 경우, 대표적인 도전재인 그라파이트와 같은 탄소계 도전재는 KOH 용액에 의하여 층간박리 현상에 의한 스웰링(swelling)으로 사용 중에 양극의 탈리 현상에 의하여 수명이 감소하는 현상이 발생한다. 특히 다량의 알칼리 전해액을 순환시키는 구조인 Zn-Ni 플로우 전지에서는 도전재의 스웰링에 의하여 양극의 탈리 현상이 발생하여 용량 감소는 물론, 전류 분포 불균일 현상이 발생하여 음극에서의 국부적인 수지상 아연성장도 바, 이러한 문제를 억제하는 것이 충방전 사이클 수명을 단축시키는 매우 중요한 인자이다.
Ni과 같은 금속계 도전재는 상기 도전재 자체의 스웰링 현상은 발생하지 않으나, 그라파이트나 카본블랙계와 같은 도전재가 갖는 수준의 도전성 네트워크 형성이 가능한 경제성 있는 미립분말 제조가 불가능하며, 밀도가 높기 때문에 다량 첨가시 단위 중량당 에너지 밀도의 손해가 크다.
이에, 본 발명은 도전재의 첨가가 불필요하거나 또는 그 첨가량을 최소화함으로써, 도전재 첨가로 인한 에너지 밀도 저하 문제를 해소하거나 또는 최소화할 수 있는 기술을 제공하고자 한다.
본 발명의 목적을 상기와 같이 나타내었으나, 본 발명의 목적은 이에 의해 제한되는 것이 아니며, 이하의 발명의 상세한 설명의 기재로부터 직접 또는 간접적으로 파악되는 모든 것을 본 발명이 해결하고자 하는 과제의 하나로 포함한다.
본 발명은 Zn-Ni 플로우 이차전지용 양극활물질에 대한 것으로서, 본 발명의 일 구현예에 따라 제공되는 Zn-Ni 플로우 전지용 양극활물질은금속 화합물 분말의 표면에 도전성 금속으로 된 금속 코팅층을 포함한다.
상기 금속 화합물 분말은 Ni(OH)2 분말일 수 있다.
상기 도전성 금속은 Ni, Co 또는 Cox-Ni(1-x) 합금일 수 있다.
상기 금속 화합물 분말의 평균 입경이 10~15㎛이고, 상기 금속 코팅층의 두께가 0.1 내지 0.4㎛일 수 있다.
본 발명은 또한 양극재에 대한 것으로서, 상기 양극재는 상기한 바와 같은 양극활물질 및 바인더를 포함하는 것이다.
상기 바인더는 양극활물질에 대하여 5 내지 10부피%로 포함될 수 있다.
상기 바인더는 PTFE(Polytetra Fluoro Ethylene) 및 PVDF(polyvinylidene fluoride)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 불소수지를 사용할 수 있다.
본 발명은 또한 상기 양극재가 양극집전체의 적어도 일면에 도포된 Zn-Ni 플로우 전지용 양극을 제공한다.
상기 바인더는 양극활물질에 대하여 5 내지 10부피%로 포함할 수 있다.
상기 양극재는 0.1 내지 1.0mm의 두께를 가질 수 있다.
상기 양극 집전체는 니켈재질의 폼(foam), 메시(mesh), 익스팬디드 메쉬(expanded mesh), 포일(foil) 및 퍼포레이티드 포일(perforated foil) 중 하나일 수 있다.
본 발명은 또한 Zn-Ni 플로우 전지에 관한 것으로서, 상기한 바와 같은 양극, 상기 양극과 교차 배치된 음극, 및 상기 양극과 음극 사이를 유동하는 전해질을 포함하는 것이다.
상기 바인더는 양극활물질에 대하여 5 내지 10부피%로 포함하는 것이 바람직하다.
상기 양극재는 0.1 내지 1.0mm의 두께를 가질 수 있다.
상기 양극 집전체는 니켈재질의 폼(foam), 메시(mesh), 익스팬디드 메쉬(expanded mesh), 포일(foil) 및 퍼포레이티드 포일(perforated foil) 중 하나일 수 있다.
상기 음극 집전체는 Ni 또는 Cu 재질의 폼, 메쉬, 익스팬디드 메쉬, 포일 및 퍼포레이티드 포일 중 하나일 수 있다.
Ni(OH)2 입자 표면에 금속을 무전해 도금하는 방법을 통하여 Ni(OH)2 입자의 전도성이 향상되어 그라파이트와 같은 도전재를 첨가하지 않고도 양극재를 구성할 수 있으므로 KOH 용액 안에서 탄소계 도전재의 스웰링에 의한 탈리현상이 억제되어 장기 충방전 사이클 수명이 향상될 수 있다.
도 1은 Zn-Ni 플로우 이차전지의 개념을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 양극재 Ni(OH)2 입자의 표면을 개질하는 과정을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 의해 제공되는 도전성 금속 코팅층이 형성된 양극활물질의 단면 형상을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 도전성 금속 코팅층을 포함하는 양극활물질을 제조함에 있어서 첨가되는 도전성 금속의 함량과 코팅층의 두께와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는 양극재를 사용하여 양극 집전체 표면에 코팅하여 양극을 제조하는 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 도 5의 과정에 의해 양극 집전체 표면에 양극 활물질층이 형성된 양극을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 금속 폼을 양극 집전체로 사용하여 양극을 제조하는 공정 및 이에 의해 얻어진 양극을 일 예로서 롤 컴펙션에 의해 양극의 두께를 얇게 형성하는 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 발명은 Zn-Ni 플로우 이차전지용 양극활물질의 입자 표면을 개질하여 양극활물질 간의 도전성 네트워크를 형성시킴으로써 Zn-Ni 플로우 전지의 충방전 속도를 최대화할 수 있는 양극활물질을 제공하고자 한다. 이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명은 Zn-Ni 플로우 이차전지용 양극활물질인 Ni(OH)2 입자 표면에 도전재로서 적합한 금속을 코팅 내지는 피복하면 매우 효과적으로 양극활물질인 Ni(OH)2 사이에 도전성 네트워크를 형성할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따르면, 종래의 양극재에서는 필수적으로 포함하는 별도의 도전재 입자를 첨가하지 않거나 첨가량을 최소화할 수 있어 보다 효율적으로 Zn-Ni 플로우 이차전지의 충방전 속도를 최대화할 수 있으며, Zn-Ni 플로우 전지의 장기 사이클 수명을 감소시키는 요인인 양극 도전재의 스웰링(swelling)에 의한 양극의 탈리 현상을 억제할 수 있다.
Zn-Ni 플로우 이차전지는 양극 집전체 상에 양극활물질로서 니켈수산화물을 포함하는 양극재가 도포된 양극, 충전시 전해액의 아연 또는 아연화합물이 흡착 또는 탈착되는 음극 집전체로 된 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 유동하여 순환되는 전해질을 포함한다. 이러한 플로우형 이차전지의 개념적 구조를 도 1에 개략적으로 나타내었다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 양극과 음극이 교대로 배치되고, 상기 양극과 음극사이를 전해질이 유동하여 충반전 반응을 수행한다.
이때, Zn-Ni 플로우 이차전지는, 전해질로서 KOH를 포함하는 용액을 적용한 경우, 방전 반응시 양극 및 음극에서는 식 (1) 및 식 (2)와 같은 반응이 일어나며, 그 전체 반응은 식 (3)으로 나타낼 수 있다.
양극 반응: 2NiOOH + 2H2O + 2e- = 2Ni(OH)2 + 2OH-, Eo = 0.490V
음극 반응: Zn + 4OH- = Zn(OH)4 2 - + 2e-, Eo = -1.215V
전체 반응: Zn + 2KOH + 2H2O + 2NiOOH = 2Ni(OH)2 + K2Zn(OH)4: V = 1.705V
그러나, 양극활물질로 사용되는 Ni(OH)2는 상온에서의 전도성이 낮다. 이에, 본 발명은 종래 양극활물질로 사용되던 Ni(OH)2의 입자 표면을 금속 등의 전도성 물질로 코팅하여 전도성이 우수한 양극활물질을 제공한다.
상기 전도성 물질은, 예를 들어, Ni, Co 금속을 들 수 있으며, 이들을 단독으로 사용할 수 있음은 물론, 이들 중 2 이상의 합금을 사용할 수 있는 것으로서, 예를 들어, Ni, Co, CoxNi(1-x) 등을 들 수 있다.
상기 전도성 물질을 사용하여 양극활물질의 표면에 코팅층을 형성하는 방법은 특별히 한정하지 않으며, 무전해 도금, 화학기상증착법 등의 방법을 사용할 수 있다. 예를 들면, 도 2에 나타낸 바와 같이 Ni(OH)2 분말을 무전해 도금조에서 교반시킴으로써 분말 표면에 코팅층을 형성할 수 있다.
이에 의해 도 3에 나타낸 바와 같이 코팅층이 형성된 전극활물질을 얻을 수 있다. 도 3을 참조하면, 소정의 직경(D)을 갖는 니켈 화합물 입자인 코어의 표면에 원하는 두께(t)의 코팅층의 쉘이 형성된 코어 쉘 구조의 양극활물질을 얻을 수 있다. 이때, 상기 코팅층의 두께는 도금액의 농도와 시간을 제어함으로써 조절할 수 있다.
본 발명의 양극활물질에 있어서, 코어인 상기 니켈 화합물의 입자 크기(직경)에 따라 본 발명의 양극활물질의 코팅층 두께에 따른 코팅층의 부피분율이 결정된다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 코어의 직경을 D라고 하고, 코팅층인 쉘의 두께를 t라고 할 때, 활물질 입자크기 및 코팅층 두께에 따른 도전재 함량을 계산하면, 도 4와 같이 나타낼 수 있다.
니켈계 이차전지용으로 제조되는 상용의 구형 Ni(OH)2의 평균 입자크기는 통상 10~15㎛인데, 이를 고려하여 도전재 함량을 약 10부피%라고 한다면, 코어인 상기 Ni(OH)2의 입자 표면에 형성되는 코팅층의 두께는 특별히 한정하지 않으나, 0.1 내지 0.4㎛인 것이 바람직하다. 상기 양극재 표면의 코팅층의 두께가 0.1㎛ 미만인 경우에는 도전성이 부족할 수 있으며, 0.4㎛를 초과하는 경우에는 도전재 함량이 과다하여 에너지 밀도를 감소시키는 문제가 있다.
종래 Ni(OH)2 분말을 양극재로 사용한 경우에는 전도성이 부족하여 도포한 양극재 중에서 양극 집전체 부근의 한정된 영역에서만 충방전 반응이 일어났으나, 본 발명에서와 같이 Ni(OH)2 분말의 표면을 전도성 물질, 구체적으로 전도성 금속으로 코팅하여 코팅층을 형성한 경우에는 양극활물질 표면의 전도성 물질들이 서로 접촉함으로써 네트워크를 형성하여 양극 집전체로의 전자 이동경로를 제공한다.
이러한 네트워크 형성으로 인해 집전체 부근에 위치하는 양극활물질로부터는 물론, 양극의 표층부에 위치하는 양극활물질 분말로부터도 충방전 중에 양극 집전체와의 전자 이동이 활발하게 일어날 수 있다. 이러한 현상은 양극 집전체 표면에 양극재를 두껍게 형성한 경우에 보다 현저하게 확인할 수 있다.
상기와 같은 전도성 물질이 코팅된 양극활물질을 이용하여 Zn-Ni 플로우 전지용 양극을 제조할 수 있다. 상기 양극은 양극 집전체 및 상기 양극 집전체의 적어도 일면에 형성된 양극재 층을 형성함으로써 얻어지는 것으로서, 양극을 제조하는 과정의 일예를 개략적으로 도 5에 나타내었다.
상기 도 5로부터 알 수 있는 바와 같이, 상기 양극은 본 발명에 의해 전도성 코팅층이 형성된 양극활물질 및 바인더를 혼합하고, 페이스트 또는 슬러리화 한 후, 양극 집전체의 표면에 도포함으로써 형성할 수 있다. 이때, 상기 페이스트 또는 슬러리에는 필요에 따라서 도전재를 더 포함할 수 있다. 이와 같은 과정에 양극을 얻을 수 있으며, 이에 의해 얻어진 양극의 일 예를 도 6에 개략적으로 나타내었다.
상기 바인더는 상기 전도성 코팅층을 포함하는 양극활물질에 대하여 5 내지 10부피%로 포함하는 것이 바람직하다. 상기 범위를 벗어나 바인더 함량이 양극활물질 대비 지나치게 적은 경우에는 충방전 반응 및 전해액 순환시 양극활물질의 탈리 현상이 발생할 수 있으며, 상대적으로 바인더의 함량이 과다하면 에너지 밀도의 감소 및 부도체인 바인더에 의하여 전기화학반응이 차단되는 문제를 야기할 수 있다.
상기 바인더는 특별히 한정하지 않으며, 예를 들어, PTFE(Polytetra Fluoro Ethylene) 및 PVDF(polyvinylidene fluoride)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 불소수지를 사용할 수 있다.
종래에는 전자전도성이 낮은 Ni(OH)2 분말을 양극활물질로 사용함으로써 전도성 향상을 위해 별도의 도전재를 다량 포함하는 양극재를 사용할 필요가 있었으나, 본 발명에 의해 제공되는 양극활물질을 사용한 양극재는 양극활물질 자체가 우수한 전자전도성을 가지고 있어, 종래와 같이 도전재의 사용량을 줄이거나 또는 사용하지 않을 수 있다.
특히, 양극의 두께가 얇은 경우에는 도전재를 사용할 필요가 없다. 즉, 양극 집전체의 표면에 형성되는 양극재층의 두께가 얇은 경우에는 이와 같이 도전재를 사용하지 않고 본 발명에 의해 전자전도성이 개선된 양극활물질만을 사용하더라도 양호한 전자전도성을 얻을 수 있다. 다만, 이러한 기재가 도전재의 사용을 배제하는 것은 아니며, 필요에 따라 도전재를 적절히 사용할 수 있는 것임은 통상의 기술자라면 이해할 것이다.
본 발명에서 제공되는 표면이 도전성 물질로 코팅된 양극활물질을 사용하여 양극재를 구성하는 경우에는 적어도 양극활물질의 전자전도성이 향상되기 때문에, 양극재층의 두께를 증가시켜 에너지 용량을 증가시키더라도 종래의 양극활물질을 사용한 전지에 비하여 보다 높거나 적어도 동등한 충방전 속도를 얻을 수 있다. 또한, 동일한 두께의 양극재층이 형성된 경우에도, 본 발명에 따른 양극활물질을 사용하는 것이 도전재의 사용량을 줄일 수 있어 보다 높은 전지 용량을 달성할 수 있다.
나아가, 본 발명의 양극활물질을 적용하여 양극재를 제조하는 경우에는 종래 사용되는 대표적인 도전재인 그라파이트와 같은 탄소계 도전재에서 발생하는 KOH 수용액에 의한 도전재의 스웰링 및 이로 인한 양극 탈리 현상을 방지할 수 있으며, 이로 인해 Zn-Ni 플로우 전지의 장기 충방전 사이클을 확보하는데 기여할 수 있다.
본 발명의 양극재는 상기 양극활물질 및 바인더, 그리고, 필요에 따라 도전재를 혼합하고, 용매와 함께 혼합하여 슬러리 또는 페이스트화한 후, 상기 얻어진 양극 슬러리 또는 페이스트를 상기 양극 집전체 표면에 도포 및 건조/경화함으로써 양극 집전체 표면에 양극재 층이 형성된 양극을 얻을 수 있다.
상기 양극재 슬러리 또는 페이스트는 스크린 프린팅, 습식 파우더 스프레이, 바코팅, 테이프캐스팅 등의 다양한 방법을 적용하여 형성할 수 있는 것으로서 특별히 한정하지 않는다.
상기 양극 집전체는 Zn-Ni 플로우 전지용 양극집전체로서 일반적으로 사용되는 것이라면 특별히 한정하지 않으며, 예를 들어, 니켈재질의 폼(foam), 메시(mesh), 익스팬디드 메쉬(expanded mesh), 포일(foil), 퍼포레이티드 포일(perforated foil) 등을 들 수 있다.
한편, 상기 양극 집전체가 니켈 폼인 경우, 이에 한정하는 것은 아니지만, 예를 들어 1.0 내지 2.09㎜의 두께를 갖는 것을 사용할 수 있다. 이러한 두께의 니켈 폼을 사용하는 경우에는 상기한 바와 같이, 본 발명에서 제공되는 양극활물질을 포함하는 페이스트 또는 슬러리를 폼에 충진함으로써 양극을 제조할 수 있으며, 보다 바람직하게는 도 7에 나타낸 바와 같이 양극재가 충진된 폼을 가압하여 양극을 제조할 수 있다. 이때, 상기 가압은 얻어지는 양극의 두께가 0.1 내지 1.0㎜의 두께를 갖도록 가압할 수 있다.
한편, 다른 예로서, 상기 양극 집전체로 포일 등을 사용하는 경우에는 두께 0.05 내지 0.2㎜의 두께를 갖는 것을 사용할 수 있다. 이때, 상기 양극 집전체의 일면에 0.1 내지 0.5㎜ 두께의 양극재가 도포될 수 있어 전체적으로는 0.1~1.0mm의 양극재를 담지할 수 있다.
상기와 같은 양극을 사용함으로써 Zn-Ni 플로우 이차전지를 얻을 수 있다. 상기 Zn-Ni 플로우 이차전지는 도 1에 나타낸 바와 같이, 상기 양극과 음극이 배치되고, 상기 양극과 음극 사이를 전해질이 유동한다.
본 발명의 Zn-Ni 플로우 이차전지에 있어서 음극은 전해액 안에 용해되어 Zn(OH)4 2- 상태로 제공되는 음극활물질과 음극 집전체로 구성된다. 상기 음극 집전체는 니켈-아연 플로우 전지는 통상 Ni 혹은 Cu 재질의 폼(Foam), 메쉬(Mesh), 익스팬디드 메쉬(Expanded Mesh), 퍼포레이티드 메탈시트(Perforated Metal Sheet) 등일 수 있다. 상기 음극 집전체는 양극집전체와 유사한 두께를 가질 수 있는 것으로서, 구체적인 기재는 생략한다.
이와 같이 본 발명의 Zn-Ni 플로우 전지에서 음극은 충전시에는 전해액에 녹아있는 음극활물질 Zn(OH)4 2 - 이온이 Zn으로 환원되어 금속 Zn 아연이 음극 집전체위에 석출되고, 방전시에는 반대로 상기 Zn이 Zn(OH)4 2 -로 되어 전해액으로 용해되는 전기화학 반응이 일어난다.
한편, Zn-Ni 플로우 전지는 양극과 음극 사이에 전해질이 유동하며, 충전 또는 방전시 전지 내부의 아연 이온이 이동하는 통로로서 역할을 수행한다. 이러한 전해질은 KOH 수용액을 포함할 수 있다. 방전시 음극 집전체에 석출되어 있던 Zn이 전해액으로 용해되어 Zn(OH)4 2 -로 되는데, 강염기인 KOH 수용액 내에서는 Zn(OH)4 2 - 이온 상태로 존재할 수 있다. 또한, KOH 수용액의 경우, 상기의 전지 반응에 필요한 OH- 이온을 충분히 제공한다. 이러한 전해질은 펌프 등의 수단에 의해 순환 유동한다.
한편, 본 발명에 따른 니켈-아연 플로우 전지는 양극 및 음극 사이에 형성되어, 양극과 음극의 쇼트(short)를 방지하는 분리막을 더 포함할 수 있다. 분리막은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등과 같은 고분자 재질로 형성될 수 있다. 이러한 분리막은 도 1에 도시된 전지 구조보다는 양극과 음극이 권취된 형태를 갖는 전지에 보다 유용하게 활용될 수 있다.

Claims (16)

  1. Zn-Ni 플로우 전지용 양극활물질로서, 금속 화합물 분말의 표면에 도전성 금속으로 된 금속 코팅층을 포함하고,
    상기 금속 화합물 분말은 Ni(OH)2 분말이며,
    상기 도전성 금속은 Ni, Co 또는 Cox-Ni(1-x) 합금인 Zn-Ni 플로우 전지용 양극활물질.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 금속 화합물 분말의 평균 입경이 10~15㎛이고, 상기 금속 코팅층의 두께가 0.1 내지 0.4㎛인 Zn-Ni 플로우 전지용 양극활물질.
  5. 제1항 또는 제4항의 양극활물질 및 바인더를 포함하는 Zn-Ni 플로우 전지용 양극재.
  6. 제5항에 있어서, 상기 바인더는 양극활물질에 대하여 5 내지 10부피%로 포함하는 것인 Zn-Ni 플로우 전지용 양극재.
  7. 제5항에 있어서, 상기 바인더는 PTFE(Polytetra Fluoro Ethylene) 및 PVDF(polyvinylidene fluoride)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 불소수지인 Zn-Ni 플로우 전지용 양극재.
  8. 양극집전체의 적어도 일면에 제5항의 양극재가 도포된 Zn-Ni 플로우 전지용 양극.
  9. 제8항에 있어서, 상기 바인더는 양극활물질에 대하여 5 내지 10부피%로 포함하는 것인 Zn-Ni 플로우 전지용 양극.
  10. 제8항에 있어서, 상기 양극재는 0.1 내지 1.0mm의 두께를 갖는 것인 Zn-Ni 플로우 전지용 양극.
  11. 제8항에 있어서, 상기 양극 집전체는 니켈재질의 폼(foam), 메시(mesh), 익스팬디드 메쉬(expanded mesh), 포일(foil) 및 퍼포레이티드 포일(perforated foil) 중 하나인 Zn-Ni 플로우 전지용 양극.
  12. 제8항의 양극;
    상기 양극과 교차 배치되며, 음극 집전체로 된 음극; 및
    상기 양극과 음극 사이를 유동하는 전해질
    을 포함하는 Zn-Ni 플로우 전지.
  13. 제12항에 있어서, 상기 바인더는 양극활물질에 대하여 5 내지 10부피%로 포함하는 것인 Zn-Ni 플로우 전지.
  14. 제12항에 있어서, 상기 양극재는 0.1 내지 1.0mm의 두께를 갖는 것인 Zn-Ni 플로우 전지.
  15. 제12항에 있어서, 상기 양극 집전체는 니켈재질의 폼(foam), 메시(mesh), 익스팬디드 메쉬(expanded mesh), 포일(foil) 및 퍼포레이티드 포일(perforated foil) 중 하나인 Zn-Ni 플로우 전지.
  16. 제12항에 있어서, 상기 음극 집전체는 Ni 또는 Cu 재질의 폼, 메쉬, 익스팬디드 메쉬, 포일 및 퍼포레이티드 포일 중 하나인 Zn-Ni 플로우 전지.
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