KR102261603B1 - 플로우 배터리를 위한 전해질 평형화 방법 - Google Patents

플로우 배터리를 위한 전해질 평형화 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 평형화 전지와 유체 연통되는 적어도 하나의 전기화학 전지를 포함하는 레독스 플로우 배터리에 관한 것으로서, 상기 평형화 전지는 제 1 반전지 체임버 및 제 2 반전지 체임버를 포함하고, 여기서 제 1 반전지 체임버는 레독스 플로우 배터리의 제 1 수용성 전해질과 접촉되는 제 1 전극을 포함하고, 여기서 제 2 반전지 체임버는 제 2 수용성 전해질과 접촉되는 제 2 전극을 포함하고, 상기 제 2 전극은 O2의 발생을 위한 촉매를 포함한다.

Description

플로우 배터리를 위한 전해질 평형화 방법{ELECTROLYTE BALANCING STRATEGIES FOR FLOW BATTERIES}
관련출원의 상호참조
본 출원은 2013년 9월 25일에 출원된 미국 특허출원 번호 61/882,324에 대한 우선권의 이익을 주장하고, 이 특허출원의 내용은 모든 목적을 위해 그 전체가 참조에 의해 포함된다.
기술 분야
본 발명은 레독스 플로우 배터리 및 그것을 작동시키기 위한 방법에 관한 것이다.
플로우 배터리는 전기화학적 반응물, 전형적으로 레독스 활성 화합물이 액체 전해질 내에 용해된 전기화학적 에너지 저장 시스템으로, 이 전기화학적 반응물은 음의 전해질 또는 네골라이트(negolyte) 및 양의 전해질 또는 포솔라이트(posolyte) 루프 내에 개별적으로 수용되어 반응 전지를 통해 순환되고, 여기서 전기적 에너지는 환원 반응 및 산화 반응을 통해 반응물 내에서 화학적 포텐셜 에너지로 변환되거나 또는 화학적 포텐셜 에너지로부터 추출된다. 플로우 배터리의 최적의 성능은 pH 및 충전상태의 양자 모두의 관점에서 포솔라이트와 네골라이트 사이의 평형을 유지하는 능력에 의존한다. 연장된 사이클링 시에, 전형적으로 플로우 배터리는 기생성 전기화학적 부반응의 존재에 기인되어 포솔라이트와 네골라이트 사이의 양성자 및 전자의 함량의 불평형을 발생한다. 하나의 반응은 음극에서 물로부터 수소 기체의 발생이고, 이것은 포솔라이트와 네골라이트 사이의 전자(충전상태) 및 양성자 함량의 양자 모두의 불평형을 초래한다. 이러한 불평형은, 만일 교정되지 않은 채 방치되면, 후속하여 시스템 성능의 감소를 초래한다. 불평형 상태는 평형화(balancing) 전지 내에서 포솔라이트, 네골라이트, 또는 양자 모두를 처리함으로써 교정될 수 있다.
평형화 플로우 배터리 전해질에 대한 다양한 방법이 설명되어 왔다. 이들 방법은 주로 포솔라이트와 네골라이트 사이의 전자(충전상태) 함량을 평형화하는 것을 취급한다. 이러한 전해질의 전자 함량 및 양성자 함량의 양자 모두의 동시적 평형화를 적절히 취급하는 방법은 설명되지 않았다. 본 발명은 적어도 이 결함에 대처하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 플로우 배터리 및 이것을 작동시키는 방법에 관한 것으로서, 상기 레독스 플로우 배터리는 적어도 하나의 평형화 전지와 유체 연통되는 적어도 하나의 전기화학 전지를 포함하고, 각각의 평형화 전지는,
제 1 반전지 체임버 및 제 2 반전지 체임버를 포함하고,
상기 제 1 반전지 체임버는 상기 레독스 플로우 배터리의 제 1 수용성 전해질과 접촉되는 제 1 전극을 포함하고,
상기 제 2 반전지 체임버는 제 2 수용성 전해질과 접촉되는 제 2 전극을 포함하고, 상기 제 2 전극은 O2의 발생을 위한 촉매를 포함한다. 이들 실시형태 중 일부에서, 제 2 전해질의 pH는 적어도 2이다. 다른 실시형태에서, 추가되는 제 2 전해질이 없다.
다른 실시형태에서, 플로우 배터리 평형화 전지는 레독스 플로우 배터리의 제 1 수용성 전해질과 접촉되는 제 1 전극을 구비하는 제 1 반전지 체임버를 포함하고, 제 2 반전지 체임버는 제 2 수용성 전해질과 접촉되는 제 2 전극을 포함하고, 상기 제 2 전극은 O2 및/또는 CO2의 발생을 위한 희생성 탄소 전극 재료를 포함한다. 이 2 개의 반전지 체임버는 이온 교환 이오노머 막에 의해 분리된다.
다른 실시형태에서, 플로우 배터리 평형화 전지는 레독스 플로우 배터리의 제 1 수용성 전해질과 접촉되는 제 1 전극을 구비하는 제 1 반전지 체임버를 포함하고, 제 2 반전지 체임버는 O2의 발생을 위한 촉매를 포함하는 제 2 전극을 포함하지만, 상기 전극은 제 2 수용성 전해질과 접촉되지 않는다. 이 2 개의 반전지 체임버는 이온 교환 이오노머 막에 의해 분리된다.
특정의 실시형태에서, 상기 제 1 수용성 전해질은 상기 레독스 플로우 배터리의 음의 작용 전해질(”네골라이트”을 포함한다. 다른 실시형태에서, 제 2 수용성 전해질은 적어도 2 이상의 pH를 갖는다. 또 다른 실시형태에서, 상기 평형화 전지는 전기화학 전지와 평형화 전지 사이에 복합재 막, 다중 막, 또는 바이폴라 막을 포함한다.
본 출원은 첨부된 도면과 함께 읽으면 더 깊이 이해된다. 설명의 목적을 위해, 도면에는 본 요지의 예시적인 실시형태가 도시되어 있으나, 본 요지는 개시된 특정의 방법, 장치 및 시스템에 제한되지 않는다. 또한, 도면은 반드시 축척에 따라 작도된 것은 아니다.
도 1은 플로우 배터리의 네골라이트 라인과 일치되는 평형화 전지의 배치를 포함하는 본 발명의 플로우 배터리의 하나의 실시형태의 개략도를 제공한다.
도 2는 본 발명의 전자 평형화 및 pH 교정 전지의 하나의 실시형태의 개략도를 제공한다. Mn은 플로우 배터리 내에서 양의 전해질의 충전된 형태 또는 음의 전해질의 방전된 형태일 수 있다.
도 3은 플로우 배터리 평형화 전지의 개시 전 및 후의 플로우 배터리 사이클 충전 용량 및 음의 전해질의 pH를 위한 데이터를 제공한다. 수직 점선은 평형화 전지가 개시되는 시(~ 125 시)를 표시한다.
도 4a 및 도 4b는 평형화 전지의 장기간(1600 시간 초과) 작동에 대한 전압 및 전류(도 4a) 및 음의 전해질의 pH(도 4b)의 평형화 전지 데이터를 제공한다.
도 5는 개질된 Aquivion E87 막과 조합된 N117 막을 포함하는 평형화 전지의 전압 및 암페어-시 데이터를 제공한다.
도 6은 바이폴라 막을 사용하는 평형화 전지의 전압 및 암페어-시 데이터를 제공한다. 이 평형화 전지 구성에서, O2 발생은 알칼리성 조건 하에서 수행된다.
도 7은 제 2 하프-체임버 내에서 반희생성(semi-sacrificial) 탄소 전극을 사용하는 2 개의 평형화 전지의 전압 및 전류 데이터를 제공한다. 전지 A는 탄소포(carbon cloth) 전극을 사용하고, 전지 B는 흑연 펠트 전극을 사용한다. 이 도면에서, 전지 전압 B는 상측 곡선이고, 전지 전압 A는 중간 곡선이고, 전지 전류는 약 25 mA/cm2이다.
본 발명은 레독스 플로우 배터리, 및 그 내부의 전해질(포솔라이트 또는 네골라이트 또는 양자 모두)의 조성을 모니터링하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 플로우 배터리의 전해질 흐름의 pH 및 충전상태의 평형화를 위한 방법 및 구성에 관한 것이다.
본 발명은 모두가 본 개시의 일부를 형성하는 도면 및 실시예와 관련하여 취해진 이하의 설명을 참조함으로써 더 쉽게 이해될 수 있다. 본 발명은 본 명세서에 기재된 그리고/또는 설명된 특정의 생성물, 방법, 조건 또는 파라미터에 제한되지 않고, 본 명세서에서 사용되는 용어는 예시로서만 특정의 실시형태를 설명하는 목적을 위한 것이고, 임의의 청구된 발명의 내용을 제한하려는 의도를 갖지 않는다는 것을 이해해야 한다. 유사하게, 특별히 다르게 언급되지 않는 한, 가능한 메커니즘 또는 작용의 모드 또는 개선의 이유에 대한 임의의 설명은 단지 예시적인 것이 되도록 의도된 것이고, 본 명세서의 발명은 임의의 이러한 제안된 메커니즘 또는 작용의 모드 또는 개선의 이유의 정확성 또는 부정확성에 의해 구속되어서는 안 된다. 본 명세서의 전체를 통해, 설명은 장치 및 상기 장치를 사용하는 방법을 언급하는 것임이 인식된다. 즉, 본 개시가 시스템 또는 장치, 또는 시스템 또는 장치를 제조하거나 또는 사용하는 방법과 관련되는 기구 또는 실시형태를 설명하고 그리고/또는 청구하는 경우, 이러한 설명 및/또는 청구항은 이러한 각각의 상황(즉, 시스템, 장치, 및 사용 방법)의 실시형태까지 이들 기구 또는 실시형태를 확장하고자 하는 의도를 갖는다고 평가된다.
본 명세서에서 명확화를 위해 별개의 실시형태로 기재된 본 발명의 특정의 특징들은 조합되어 단일의 실시형태로 제공될 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 즉, 명백하게 모순되지 않거나 또는 구체적으로 배제되지 않는 한, 각각의 개별적인 실시형태는 임의의 다른 실시형태(들)과 조합될 수 있는 것으로 여겨지고, 이러한 조합은 다른 실시형태로 간주된다. 반대로, 간략화를 위해 단일의 실시형태로 기재된 본 발명의 다양한 특징은 별개로 또는 임의의 하위 조합으로 제공될 수도 있다. 마지막으로, 어떤 실시형태가 일련의 단계의 일부로서 또는 더 일반적인 구조의 일부로서 설명될 수 있으나, 상기 단계는 그 자체로 다른 단계와 조합될 수 있는 독립적인 실시형태로서 간주될 수도 있다.
그러나, 본 실시형태의 분할가능성의 하나의 예에서, 본 명세서가 “평형화 전지와 유체 연통되는 적어도 하나의 전기화학 전지를 포함하는 레독스 플로우 배터리 또는 다른 전기화학 장치로서, 상기 평형화 전지는 ...”에 관련하여 본 발명의 실시형태를 기재하고 있으나, 상기 평형화 전지는 본 명세서에 기재된 바와 같은 그 자체의 독립적인 실시형태를 제공한다는 것은 명백할 것이다. 즉, 레독스 플로우 배터리 또는 다른 전기화학 장치의 각각의 기재는 또한 평형화 전지의 관점에서만 설명될 수 있는 실시형태를 포함한다.
어떤 목록이 제시된 경우, 다르게 언급되지 않는 한, 이것은 그 목록의 각각의 개별 요소 및 그 목록의 모든 조합은 별개의 실시형태이다. 예를 들면, "A, B, 또는 C"로 표시된 실시형태의 목록은 "A", "B", "C", "A 또는 B", "A 또는 C", "B 또는 C", 또는 "A, B, 또는 C"의 실시형태를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명은 전해질 내에서 pH 및 충전상태의 편위(excursion)를 교정할 수 있는 장치를 제공하기 위해 평형화 전지가 플로우 배터리 또는 다른 전기화학 장치의 전해질, 특히 음의 전해질(”네골라이트”)과 유체 연통되어 작동하는 특히 플로우 배터리 구성에 관한 것이다. 플로우 배터리 전해질 내로 불순물이 도입되지 않도록 평형화 전지를 구성하고 작동시키는 것이 바람직하다. 회피되는 특정의 불순물은 플로우 배터리의 음극 상에 축적될 수 있고, H2의 발생에 촉매작용을 하고, 더욱이 플로우 배터리 충전상태 불평형에 촉매작용을 하는 불순물이다. 특히, 상기 평형화 전지를 작동시키는 것이 바람직하고, 여기서 그 양극은 부식에 대해 높은 저항성인 O2 발생 촉매를 포함하고, 그 음극은 부식에 대해 높은 저항성인 집전기(current collector)를 포함한다. 더욱이, 네골라이트 구획실로부터 제 2 하프-체임버로의 활성 재료의 크로스-오버(cross-over)를 방지하는 것이 바람직한데, 이러한 크로스-오버는 촉매 오염에 의해, 또는 막의 내부의 막 저항의 상승을 초래하는 침착물의 형성에 의해 성능을 열화시킬 수 있기 때문이다. 마지막으로, 평형화 전지 내의 막의 전체를 통해 큰 pH 기울기를 방지하는 것이 바람직할 수 있다. O2 발생은 강산성 조건 하에서 종종 수행되고, 이 것은 전해질이 중성 또는 알칼리성 pH로 조제되는 플로우 배터리 기술과 양립될 수 없고, 얻어지는 pH 기울기는 결국 pH 평형화를 초래할 수 있고, 주 배터리 내의 전해질은 산성화된다. 그러므로, O2 발생이 주 배터리 내의 전해질의 pH와 가능한 유사한 pH 값에서 수행되는 것이 바람직할 수 있고, 이것은 막 및 촉매 재료의 신중한 선택을 필요로 할 수 있다.
따라서, 본 발명의 특정의 실시형태는 전기화학적 평형화 전지와 유체 연통되는 적어도 하나의 전기화학적 전지를 포함하는 레독스 플로우 배터리를 제공하고, 각각의 전지는,
제 1 반전지 체임버 및 제 2 반전지 체임버를 포함하고,
여기서, 상기 제 1 반전지 체임버는 상기 레독스 플로우 배터리의 제 1 수성 (작용) 전해질과 접촉되는 제 1 전극을 포함하고,
상기 제 2 반전지 체임버는 제 2 수용성 전해질과 접촉되는 제 2 전극을 포함하고, 상기 제 2 전극은 O2의 발생을 위한 촉매를 포함한다.
이들 실시형태 중 일부에서, 제 2 전해질의 pH는 적어도 2이다. 다른 실시형태에서, 추가되는 제 2 전해질이 없다. 평형화 전지 단독에 대응하는 실시형태도 또한 본 개시의 범위 내에 속한다.
특정의 실시형태에서, 평형화 전지는 전기화학적 재평형화 전지로서의 특징을 가질 수 도 있다. 도 1 참조. 어느 경우에서나, 평형화 전지의 목적은 적절한 이온 교환막을 통해 작용 전해질에 공급되도록 전자 및 양성자를 발생시키고, 부수적으로 산소를 발생시키는 것이다. 즉, 산성 또는 중성 pH 값에서 평형화 전지의 제 2 반전지와 관련된 전기화학은 식 (1)로 설명될 수 있다:
2H2O→2O2 + 4H+ + 4e- (1)
더욱 염기성 pH 값에서, 평형화 전지의 제 2 반전지와 관련되는 전기화학은 식(2)로 설명될 수 있다:
4 OH- → 2H2O + O2 + 4e- (2)
pH 교정의 제 1 반전지와 관련되는 대응하는 전기화학적 반응은 식 (3)으로 설명될 수 있다:
Mn + e- → Mn-1 (3)
여기서, Mn 및 Mn-1은 네골라이트 내의 레독스 활성 종을 대표한다. pH 교정 전지의 제 2 반전지로부터 제 1 반전지로 막을 통한 양성자의 이송은 네골라이트에 충전 평형을 제공한다. 도 2 참조.
평형화 전지는 플로우 배터리의 양의 전해질 또는 음의 전해질과 유체 연통되도록 구성될 수 있고, 그러나 바람직한 실시형태에서, 레독스 플로우 배터리의 음의 작용 전해질과 유체 연통되도록 구성된다(즉, pH 제어 전지는 작용 플로우 배터리의 네골라이트와 조성적으로 동일하다). 이러한 구성에서, 평형화 전지는 주 플로우 배터리의 음극에서의 기생성 수소 발생에 기인되어 플로우 배터리의 임의의 불평형 양성자 및 전자 보유량을 직접적으로 교정할 수 있다.
평형화 전지의 막은 다른 용해성 재료의 가상의 배제에 우선적으로 양성자를 전도하는 것이어야 한다. 대안적으로, 또는 추가적으로, 이 막은, 예를 들면, 크기, 전하, 당량, 또는 화학 관능성에 의해 후자를 더욱 배제시키기 위해 레독스 활성 재료와 조화될 수 있다. 적절한 막은 이오노머 폴리머로 구성될 수 있다. 이러한 폴리머는 퍼플루오로술폰산(예를 들면, 나피온)을 포함할 수 있다. 기타 막 유형은 본 명세서에 기재되어 있다.
일부의 실시형태에서, 제 2 수용성 전해질은 평형화 전지의 막을 횡단하여 물의 이송을 제어하도록 선택될 수 있는 특정의 이온 강도를 갖는 수용액을 포함할 수 있다. 제 2 수용성 전해질의 이온 강도는 제 2 수용성 전해질 내에서 물의 활성도에 영향을 주도록, 그리고 막의 횡단하여 물의 삼투성 유동을 제어하도록 조정될 수 있다. 물은 제 2 수용성 전해질로부터 네골라이트로, 또는 네골라이트로부터 제 2 수용성 전해질로 이동하는 것이 바람직할 수 있다. 이온 강도는 O2의 생성에서 삼투성 유동이 물의 소비 속도와 일치되도록 선택될 수 있다. 일부의 실시형태에서, 제 2 수용성 전해질의 이온 강도는 본질적으로 0인 삼투성 유동을 생성하도록 선택될 수 있다.
위에서 설명된 바와 같이, 제 2 전극 O2의 발생을 위한 촉매를 포함한다. 이들 실시형태 중 특정의 것에서, 제 2 전극은 물로부터 O2의 전기화학적 발생을 위해 적절한 금속 산화물 촉매를 포함한다. O2를 발생시키는 능력에 더하여, 바람직하게 이들 산화 촉매는 본 용도에서 고려되는 pH 하에서 내부식성을 갖고, 물의 수소로의 환원에 대해, 또는 양자 모두에 대해 열등한 촉매이다 pH 교정 전지의 작용하는 제 2 수용성 전해질의 산성 또는 염기성 산화 조건 하에서 부식시키는 촉매는 제 1 pH 교정 반전지에 크로스-오버되기 위한 포텐셜을 갖고, pH 교정 전지의 의도된 효과와 간섭하거나 더 나쁘게는 플로우 배터리의 작동과 간섭한다. 만일 이러한 크로스-오버 촉매가 제 1 반전지의 환원 조건 하에서 수소의 발생을 위한 더 효율적 촉매라면, 제 1 반전지에서 또는 작용 플로우 배터리의 음극에서 수소가 발생하는 것은 안전에 대한 염려를 유발하는 상황이 상상된다. 따라서, 본 발명은 제 2 전극에서 사용하기 위한 코발트, 이리듐, 철, 망가니즈, 니켈, 루테늄, 주석, 또는 이들의 조합의 산화물의 바람직한 사용을 검토한다. 이리듐 산화물은 O2 발생에 관한 우수한 촉매적 활성도 및 높은 부식 저항으로 인해 특히 바람직하다. 제 2 하프-체임버가 알칼리성 전해질을 포함하는 경우에, 니켈 산화물 또는 니켈-철 산화물과 같은 촉매는 O2 발생에 관한 우수한 촉매적 활성도 및 염기에서 높은 부식 저항으로 인해 특히 바람직하다.
일부의 실시형태에서, 평형화 전지의 제 1 전극은 탄소를 포함한다. 이러한 전극은 본 기술분야에 주지되어 있고, 흑연상 탄소, 유리상 탄소, 비정질 탄소, 붕소 또는 질소로 도핑된 탄소, 다이아몬드상 탄소, 카본 오니온, 탄소 나노튜브, 탄소 펠트, 탄소 종이, 및 그래핀을 포함한다. 탄소 재료는 다소 높은 과전위에도 불구하고 O2를 발생시킬 수 있으나, 탄소 전극 자체가 산화되어 CO2가 되는 것은 피할 수 없다. 그러므로, 탄소 전극은 반(semi)희생성의 특질을 갖는다.
일부의 실시형태에서, 평형화 전지는 레독스-활성 재료로서 금속-리간드 배위 화합물을 포함하는 플로우 배터리를 위한 pH 및 SOC를 평형화하기 위해 사용된다. 종래의 플로우 배터리(예를 들면, 전체-바나듐, 철-크롬, 등)는 종종 강산성 조건 하에서 작동하지만, 금속-리간드 배위 화합물에 기초한 플로우 배터리는 중성 또는 알칼리성 pH 조건 하에서 작동할 수 있다. 각각의 배위 화합물은 특정의 pH 값에서 최적의 전기화학적 가역성, 용해도, 및 화학적 안정성을 나타내므로, 각각의 배위 화합물계 플로우 배터리의 작동의 최적의 pH 영역은 사용되는 활성 재료에 따라 다르다. 약산성, 중성 또는 알칼리성 pH에서 작동되는 배위 화합물 플로우 배터리(CCFB)를 평형화하는 것을 목적으로 하는 평형화 전지를 설계할 때, 다수의 상이한 검토사항이 고려되어야 한다.
무엇보다 종래의 강산성 플로우 배터리보다 CCFB에서는 pH 제어가 더 중요하다. 종래의 플로우 배터리는 전형적으로 1-5M 강산(예를 들면, H2SO4, 여기서 전해질의 pH는 1 이하이다)에서 작동되므로 양성자 농도의 작은 불평형은 주 플로우 배터리의 pH를 상당히 변경시키지는 않는다. 이에 대해, CCFB가, 예를 들면, pH 11에서 작동되는 경우, 비교적 적은 양성자의 축적이나 또는 고갈이 상당한 pH 변화를 초래할 수 있고, 감소된 전기화학적 가역성, 용해도 또는 배위 화합물의 화학적 열화에 의한 배터리 성능에 영향을 줄 가능성이 있다.
둘째, 평형화 전지의 막을 횡단하는 큰 pH 기울기를 방지하기 위해 제 2 하프-체임버 내에서 강산성 전해질의 사용을 피하는 것이 바람직할 수 있다. 이 것은 특히 중성 또는 알칼리성 pH에서 작동되는 CCFB의 경우에 중요하다. 큰 pH 기울기의 존재는 결국 pH 평형화로 이어질 수 있고, 제 1 하프-체임버 내에서 효과적으로 전해질의 산성화를 유발하고, 이것은 위에서 언급된 바와 같이 안정한 작동의 관점에서 매우 바람직하지 않을 수 있다. 따라서, 예를 들면, pH 11에서의 주 배터리의 작동은 장기간 안정한 작동을 위해 평형화 전지의 제 2 하프-체임버 내의 전해질이 알칼리성인 것을 필요로 할 수 있고, 물 산화 촉매 및 막 세퍼레이터용 이오노머 재료의 선택에 영향을 줄 수 있다. 이러한 상황에서, 전해질의 pH 값과 더욱 일치되는 pH 값에서 임의의 관련된 평형화 전지를 작동시키는 것이 필요하다. 따라서, 본 발명(들)의 특정의 실시형태에서, 제 2 수용성 전해질은 적어도 2의 pH를 갖는다. 다른 실시형태는 이 제 2 수용성 전해질의 pH가 약 2 내지 약 3, 약 3 내지 약 4, 약 4 내지 약 5, 약 5 내지 약 6, 약 6 내지 약 7, 약 7 내지 약 8, 약 8 내지 약 9, 약 9 내지 약 10, 약 10 내지 약 11, 약 11 내지 약 12, 약 12 내지 약 13, 약 13 내지 약 14의 범위, 또는 이들 범위의 조합인 것을 제공한다. 대안적으로, 제 2 수용성 전해질의 pH는 평형화된 작용 전해질(즉, 전형적으로 네골라이트)로부터의 차이로 정의될 수 있다. 이러한 실시형태에서, 이 차이는 약 8 미만, 약 7 미만, 약 6 미만, 약 5 미만, 약 4 미만, 약 3 미만, 약 2 미만, 또는 약 1 미만의 pH 단위이다. 특정의 바람직한 실시형태에서, 작용 전해질은 약 9 내지 약 13의 범위의 pH를 갖는다. 실제로, 많은 상황에서, 알칼리성 작용 전해질의 사용이 바람직하다. 이러한 실시형태에서, 제 2 수용성 전해질의 pH는, 예를 들면, 약 3, 4, 5, 6, 7, 8, 또는 9 내지 약 14의 범위일 수 있다.
셋째, 평형화에서 활성 재료의 크로스-오버는 주 배터리의 장기간 성능을 감소시킬 수 있다. 음이온성 배위 착체가 주 배터리에서 사용되는 경우에, 이들 분자는 평형화 전지의 제 1 하프-체임버로부터 제 2 하프-체임버로 이동에 의해 이송될 수 있다. 이러한 의도되지 않은 음이온의 크로스-오버의 하나의 부작용은, 전하 평형화를 만족시키기 위해, 더 적은 양성자가 평형화 전지의 제 2 하프-체임버로부터 제 1 하프-체임버로 이송될 필요가 있고, 이것은 평형화 전지의 pH 평형화 기능을 손상시킨다는 것이다. 배위 화합물의 크로스-오버의 제 2 부작용은 이들 분자가 막 내에 침착되어 막 저항을 증가시킬 수 있다는 것이다. 배위 화합물의 크로스-오버의 제 3 부작용은 이들 분자가 제 2 하프-체임버 내에서 촉매에서 산화될 수 있고, 이 반응의 산화 생성물은 촉매를 오염시키거나 그리고/또는 비활성화시킬 수 있다는 것이다. 따라서, 특정의 실시형태에서 배위 화합물 활성 재료의 크로스-오버의 방지는 필수일 수 있다.
활성 재료의 크로스-오버는 세퍼레이터 재료의 구성 및/또는 조성을 현명하게 선택함으로써 최소화될 수 있다. 이러한 잠재적 문제에 대처하도록 평형화 전지를 위해 다양한 막 또는 막 조합이 선택될 수 있다. 일부의 실시형태에서, 퍼플루오로술폰산, 또는 술폰화 폴리머, 또는 퍼플루오로 비닐 에테르를 선택적으로 포함하는 테트라플루오로에틸렌의 코폴리머에 기초한 표준 막이 사용될 수 있다. 다른 예시적인 퍼플루오로화 막 재료는 테트라플루오로에틸렌과 하나 이상의 불소화 산성-관능의 코모노머의 코폴리머를 포함하고, 이것은 NAFION™ 퍼플루오로화 폴리머 전해질(E.I. du Pont de Nemours and Company, 델라웨어 윌밍턴에 소재)로서 상업적으로 구입 가능하다. 다른 유용한 퍼플루오로화 전해질은 테트라플루오로에틸렌(TFE)와 FSO2-CF2CF2CF2CF2-O-CF=CF2의 코폴리머를 포함한다.
그러나, 특정의 실시형태에서는 더 높은 선택도를 갖는 막이 요구될 수 있다. 일부의 실시형태에서, 금속, 금속 산화물, 유기금속 재료, 폴리머 재료, 또는 이들의 조합을 석출시키는 것이 유용하다. 이러한 방법 및 재료는, 예를 들면, 큰 체적(예를 들면, 배위 화합물)을 갖는 이온에 대한 장벽으로서 작용함으로써 막 선택도를 개선하기 위해, 본 기술분야에 공지되어 있다.
다른 실시형태에서, 크로스-오버를 억제하도록 특별히 개질된 막이 사용될 수 있다. 이러한 막의 하나의 매력적인 종류는 이오노머 막, 특히 테트라플루오로에틸렌과 저분자량의 술포닐 불화물 비닐 에테르(SFVE)(F2C=CF-O-CF2CF2-SO2F)의 고유의 단측쇄(SSC) 코폴리머에 기초한 용융-압출된 이오노머 막을 포함하고, 이것은 Aquivion™ PFSA로서 상업적으로 구입할 수 있다. 낮은 당량(980EW, 870EW 이하)을 갖는 Aquivion™ 막이 특히 바람직하다. 개질되거나 또는 제공된 그대로의 이러한 막은 그 단독으로 사용될 수 있고, 또는 종래의 막(예를 들면, N117, 실시예 3 참조)과 조합될 수 있다.
하나의 다른 바람직한 실시형태에서, 염소-알칼리 산업에서 전형적으로 사용되는 막이 적용될 수 있다. 이 막은 하나의 술폰화 층과 하나의 카르복시화 층으로 이루어지는 이중막(bi-membrane)이다. 염소-생성 전기화학 전지에서, 막의 카르복시화 측은 NaOH 또는 KOH 용액을 포함하는 음의 하프-체임버와 대면한다. 이 카르복시화 막은 전기화학적 염소 생성 중에 매우 바람직하지 않은 프로세스인 음의 하프-체임버로부터 양의 하프-체임버로 음이온성 수산화물 이온의 크로스-오버를 억제하는데 매우 효과적이다. 또한 카르복시화 막은 OH- 이온에 비해 훨씬 더 큰 크기의 전형적인 배위 착체라고 가정하면 음이온성 배위 착체의 크로스-오버를 억제하는 것에 효과적일 것으로 예상된다.
특정의 실시형태에서, 주 배터리에서 전해질의 산성화를 방지하기 위해 평형화 전지의 막을 횡단하여 pH 기울기를 방지하는 것이 바람직할 수 있다. pH 기울기를 생략하는 하나의 접근방법은 염기성 조건 하에서 물의 산화를 수행하는 것이다(위의 식 2 참조). 이 상황에서, 전하 평형화는 (물 산화가 산성 조건 하에서 수행되는 경우의 제 2 하프-체임버로부터 제 1 하프-체임버로 양성자의 이송과 대조적으로) 제 2 하프-체임버 내로 수산화물 이온의 이송에 의해 달성되어야 할 것이다. 동시에, 주 배터리 내에서 H2 발생에 기인되어 손실된 양성자를 보상하기 위해 여전히 양성자는 제 1 하프-체임버 내로 주입되어야 한다. 이러한 요구사항은 하나의 양이온 교환 이오노머 막과 하나의 음이온 교환 이오노머 막으로 이루어지는 이중막인 바이폴라 막에 의해 만족될 수 있다. 이들 2 개의 층 사이에 물의 해리를 촉진시키는 금속 산화물막이 존재한다. 이 복합재 막을 횡단하여 충분히 높은 전압이 인가되는 경우에, 물은 금속 산화물 층에서 해리되고, 생성된 그대로의 양성자는 음극으로 이동되고, 반면에 생성된 그대로의 수산화물 이온은 양극으로 이동된다. 바이폴라 막을 이용하면, 평형화 전지는 제 2 하프-체임버 내에서 염기성 전해질을 전개하면서 작동될 수 있다(실시예 4 참조). 염기성 전해질로 작동되는 플로우 배터리 내에서 막을 횡단하여 현저한 pH 기울기가 존재하지 않는 장점 외에 추가의 장점은 더 안정한 물 산화 촉매(예를 들면, NiO, NiFeO, 등)의 이용가능성 및 음이온 교환 이오노머 재료와 양이온 교환 이오노머 재료의 양자 모두의 존재에 기인되는 예상되는 활성 재료의 크로스-오버의 억제를 포함한다.
주 플로우 배터리에서 H2 발생을 교정하기 위해 평형화 전지가 사용되는 실시형태에서, 양성자는 평형화 전지 내에서 제 2 하프-체임버로부터 제 1 하프-체임버로 이송된다. 특정의 상황에서, 특히 평형화 전지가 높은 전류 밀도에서 작동되는 경우, 제 1 하프-체임버 내에서 전해질 내로의 양성자의 유동이 높고, 잠재적으로 이 막에 인접하는 제 1 하프-체임버 내의 영역에서 국부적 pH 강하를 유발한다. 국부적 pH 강하는 배위 화합물의 국부적 분해 및/또는 석출을 유발할 수 있고, 유동장의 유동장의 폐색 및/또는 분해 생성물(예를 들면, 해리된 리간드)의 크로스-오버를 초래할 가능성이 있다. 평형화 전지의 표준 구성에서, 제 1 하프-체임버는 흑연/비닐-에스테르 복합재 재료로 제조된 플레이트에 의해 지지되는 탄소 종이 전극을 포함하고, 플레이트에는 서로 맞물린 유동장이 기계가공되어 있다. 이러한 구성에서 전해질의 대류적 유동은 유동장의 리브(rib)에 근접하는 채널 내에서만 발생한다. 이에 대해, 대부분의 전기화학이 발생되는 영역(즉, 막에 인접하는 영역)에서는 대류적 유동이 존재하지 않고, 활성 재료 및 양성자는 확산에 의해 그 영역의 내외로 이동되어야 한다. 양성자 주입에 기인되는 국부적 pH 강하는 주입되는 양성자가 벌크 전해질과 더 효과적으로 혼합되도록 제 1 하프-체임버를 구성함으로써 방지될 수 있다. 가능한 구성은 탄소 종이 또는 탄소포(즉, 예를 들면, 재료의 총 체적을 기준으로 약 70-80 체적% 정도의 전형적으로 더 낮은 공극률을 갖는 재료) 사이에 삽입될 수 있는 비전도성의 높은-공극률 매체(예를 들면, 폴리에스테르 또는 폴리프로필렌 펠트, 총 체적의 적어도 약 80%의 공극률)를 포함한다. 대안적으로, 플레이트 내에 기계가공된 유동장은 전해질이 높은 공극률(예를 들면, 펠트 또는 메시(mesh), 적어도 80 체적%의 공극률)의 전극을 통해 유동하는 개방된 유동장 설계를 채택함으로써 완전히 생략될 수 있다. 양자 모두의 구성은 막에 인접한 영역 내에서 더욱 대류적 유동을 유발할 것이고, 제 1 하프-체임버 내에서 국부적 pH 강하를 방지할 가능성이 있다.
이 평형화 전지는 플로우-스루(flow-through) 구성이나 또는 배취식 구성으로 작동될 수 있다. 바람직한 실시형태에서, 적어도 제 1 반전지 체임버 및 선택적으로 제 2 반전지 체임버는 플로우-스루 전지로서 구성된다.
이러한 개시는 또한 평형화 전지의 제 2 하프-체임버가 어떤 수용성 전해질도 전혀 포함하지 않는 실시형태를 제공한다. 이러한 구성에서, O2 발생 반응을 위해 요구되는 물은 막을 횡단하여 이송되는 제 1 하프-체임버 내의 수용성 전해질로부터의 물에 의해 제공된다. 대량 이송 한계의 상황을 피하기 위해, 막을 횡단하는 물의 이송은 금속 산화물 촉매에서 물의 소비보다 빨라야 한다. 제 2 하프-체임버의 측 상의 막은 금속 산화물 O2 발생 촉매(예를 들면, IrOx)로 코팅되고, 그 결과 막을 횡단하여 제 1 하프-체임버로부터 이송되는 물은 직접 산화되어 분자 산소 및 양성자로 된다. 이러한 구성은 평형화 전지의 설계를 크게 단순화시킬 수 있다. 예를 들면, 막 상의 금속 산화물 촉매는 타이타늄 단부 플레이트와 직접적으로 접합될 수 있고, 실시예 1 내지 실시예 3에서 제 2 수용성 전해질을 위한 유동장의 역할을 하는 타이타늄 메시의 필요성을 생략할 수 있다. 더욱이, 제 2 하프-체임버와 관련되는 펌프, 튜브, 및 유량계가 생략될 수 있으므로 플랜트의 평형은 현저히 단순화된다. 유일한 추가 설계 기구는 금속 산화물 촉매에서 발생되는 분자 산소를 위한 통기구이다. 더욱이, 물은 O2 발생 반응에서 소비되는 물을 보상하기 위해 네골라이트 전해질 탱크에 주기적으로 추가되어야 한다. 선택적으로, 이러한 보급수는 제 2 하프-체임버로부터 발생된 O2와 평형화 전지의 제 2 하프-체임버 내 및 주 전지의 네골라이트 구획실에서 발생된 H2를 결합함으로써 인시츄로 생성될 수 있다. 이러한 물의 생성 프로세스는 귀금속 촉매(예를 들면, Pt, Pd 등)에 의해 촉매작용을 받을 수 있다.
이러한 점에서, 본 발명은 적어도 하나의 전기화학적 평형화 전지와 유체 연통되는 레독스 플로우 배터리에 관하여 설명되었다. 그러나, 본 발명은 또한 이러한 전지의 작동도 검토한다. 따라서, 추가의 실시형태는 본 명세서에 기재된 임의의 플로우 배터리를 작동시키는 방법을 제공하고, 각각의 방법은 pH 교정 전지의 상기 제 1 전극 및 제 2 전극을 횡단하여 전위를 인가하는 단계를 포함한다. 특정의 실시형태에서, 이들 전극을 횡단하는 전위는 제 2 수용성 전해질의 과전위 전압인 약 500 mV 내에 유지된다. 다른 독립적 실시형태에서, 이들 전극을 횡단하는 전위는 제 2 수용성 전해질의 과전위 전압인 약 100 mV, 약 250 mV, 약 500 mV, 또는 약 750 mV에 유지된다.
추가의 실시형태에서, 이 평형화 전지 장치는 연료 전지 및 플로우 배터리를 포함하는 전기화학 장치 내에 결합될 수 있고, 이 전기화학 장치 자체는, 예를 들면, 전지 스택, 저장 탱크 및 전해액을 수용 및 이송하기 위한 파이프, 제어 하드웨어 및 소프트웨어(이것은 안전 시스템을 포함할 수 있음), 및 에너지 저장 시스템의 부품으로서의 적어도 하나의 전력 조정 장치를 포함하는 더 큰 시스템에 결합된다. 이러한 시스템에서, 저장 탱크는 전기활성 재료를 수용한다. 제어 소프트웨어, 하드웨어, 및 선택적인 안전 시스템은 플로우 배터리 또는 기타 에너지 저장 시스템의 안전한, 자동적인, 그리고 효율적인 작동을 보장하기 위해 모든 센서, 완화 설비 및 전자/하드웨어 제어기 및 안전장치를 포함한다.
이러한 저장 시스템은 또한 들어오는 전력 및 나가는 전력을 이 에너지 저장 시스템 또는 용도를 위해 적합한 전압 및 전류로 변환시키기 위해 에너지 저장 시스템의 전단부에 전력 조정 장치를 포함할 수 있다. 배전망에 접속되는 에너지 저장 시스템의 실시예의 경우, 충전 사이클에서 전력 조절 장치는 들어오는 AC 전기를 전기화학 스택을 위해 적절한 전압 및 전류의 DC 전기로 변환시킨다. 방전 사이클에서, 스택은 DC 전력을 생성하고, 전력 조절 장치는 배전망용으로 적절한 전압 및 주파수의 AC 전력으로 변환시킨다. 본 발명의 이러한 에너지 저장 시스템은 수 시간 동안 지속되는 충전 사이클 또는 방전 사이클에 적합하다. 그러므로, 본 발명의 시스템은 원활한 에너지 공급/수요 프로파일에 적합하고, (예를 들면, 재생가능한 에너지원으로부터의) 단속적인 전력 생산 자산을 안정화시키기 위한 메커니즘을 제공한다. 그러므로 본 발명의 실시형태는 이러한 긴 충전 또는 방전 지속시간이 중요한 전기 에너지 저장의 용도를 포함한다는 것을 이해해야 한다. 예를 들면, 이러한 용도의 비제한적 실시예는 본 발명의 시스템이 배전망에 접속되는 경우에, 재생가능에너지 결집, 최대 부하 시프팅, 배전망 안정화, 베이스로드 전력 생산/소비, 에너지 차익거래, 송전 및 분포 자산 집행연기, 취약 배전망의 지지, 및/또는 주파수 조절을 포함하는 실시예를 포함한다. 또한 본 발명의 장치 또는 시스템은, 예를 들면, 원격 캠프, 전진 작전 기지, 오프-그리드 원격통신, 또는 원격 센서용 전원과 같은 배전망이나 마이크로 배전망에 접속되지 않은 용도를 위한 안정한 전력을 제공하기 위해 사용될 수 있다.
용어
본 명세서의 전체를 통해, 단어는 관련된 기술분야의 당업자가 이해하는 통상의 의미로서 제공된다. 그러나, 오해를 방지하기 위해, 특정 용어의 의미는 특별히 정의되거나 또는 한정된다.
본 개시에서 단수 형태인 “하나의” 및 “이것”은 복수를 포함하고, 특정의 수치에 대한 언급은, 문맥이 명확하게 다른 것을 나타내지 않는 한, 적어도 그 특정의 값을 포함한다. 따라서, 예를 들면, "어떤 재료"에 대한 언급은 이러한 재료 및 이 재료의 본 기술분야의 당업자에게 공지된 균등물 중 적어도 하나에 대한 언급하는 따위이다.
“약”이라는 용어를 사용하여 근사치로서 어떤 값이 표현되는 경우에, 특정의 값은 다른 실시형태를 형성한다는 것이 이해될 것이다. 일반적으로, 용어 “약”의 사용은 개시된 요지에 의해 얻어지도록 추구되는 원하는 특성에 따라 변화될 수 있는 근사치를 나타내고, 그 기능에 기초하여 이것이 사용되는 구체적 상황에서 해석되어야 한다. 본 기술분야의 당업자는 일상적인 문제로서 이것을 해석할 수 있을 것이다. 일부의 경우에, 특정의 값을 위해 사용되는 유효 숫자의 수는 용어 “약”의 범위를 결정하는 하나의 비제한적 방법이 될 수 있다. 기타의 경우에, 일련의 값에서 사용되는 단계적 변화는 각각의 값을 위한 용어 “약”에 대해 사용될 수 있는 의도된 범위를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 존재하는 경우, 모든 범위는 포괄적이고, 조합가능하다. 즉, 범위로서 언급된 값에 대한 언급은 그 범위 내의 모든 값을 포함한다.
본 명세서에서 사용될 때, 용어 “레독스 쌍”은 숙련된 전기화학자가 일반적으로 인정하는 본 기술분야의 용어로서, 소정의 레독스 반응의 종의 산화된 형태(전자 수용체)와 환원된 형태(전자 공여체)를 말한다. Fe(CN)6 3 +/Fe(CN)6 4 + 쌍은 레독스 쌍의 하나의 비제한적 실시예이다. 유사하게, 용어 “레독스 활성 금속 이온”은 금속이 사용 조건 하에서 산화 상태의 변화를 겪는 것을 암시하기 위한 의도를 갖는다. 본 명세서에서 사용될 때, 용어 “레독스 쌍”은 유기 재료 또는 무기 재료의 쌍을 지칭할 수 있다. 본 명세서에 기재된 바와 같이, 무기 재료는 전기화학 및 무기 화학의 기술분야의 당업자에게 또한 공지되어 있는 “금속 리간드 배위 화합물” 또는 간단히 “배위 화합물”을 포함할 수 있다. (금속 리간드) 배위 화합물은 원자 또는 분자에 결합되는 금속 이온을 포함할 수 있다. 이 결합된 원자 또는 분자를 “리간드”라고 부른다. 특정의 비제한적 실시형태에서, 리간드는 C, H, N, 및/또는 O 원자를 포함하는 분자를 포함할 수 있다. 다시 말하면, 리간드는 유기 분자를 포함할 수 있다. 본 발명의 일부의 실시형태에서, 배위 화합물은 물, 수산화물, 또는 할로겐화물(F-, Cl-, Br-, I-)이 아닌 적어도 하나의 리간드를 포함하지만, 본 발명은 이들 실시형태에 제한되지 않는다. 추가의 실시형태는 2013년 7월 23일에 출원된 미국 특허출원 번호 13/948,497에 기재된 금속 리간드 배위 화합물을 포함하고, 이 공보는 참조에 의해 그 전체가 적어도 배위 화합물의 교시를 위해 본 명세서에 포함된다.
다른 특별한 설명이 없는 한, 용어 “수성”은 용매의 총 중량에 대해 적어도 약 98 중량%의 물을 포함하는 용매 시스템을 말한다. 일부의 용도에서, 유용하게 물의 유동성의 범위를 확장하는 용해성, 혼합성, 또는 (표면활성제로 유화되거나 또는 다르게 유화된) 부분적 혼합성 공용매(예를 들면, 알코올/글리콜)가 제공될 수 있다. 명시된 경우에, 추가의 독립 실시형태는 “수성” 용매 시스템이 총 용매에 대해 적어도 약 55%, 적어도 약 60 중량%, 적어도 약 70 중량%, 적어도 약 75 중량%, 적어도 약 80%, 적어도 약 85 중량%, 적어도 약 90 중량%, 적어도 약 95 중량%, 또는 적어도 약 98 중량%의 물을 포함하는 것을 포함한다. 일부의 상황에서, 이 수성 용매는 본질적으로 물로 이루어질 수 있고, 공용매 또는 기타 종을 실질적으로 또는 완전히 가지지 않을 수 있다. 이 용매 시스템은 적어도 약 90 중량%, 적어도 약 95 중량%, 또는 적어도 약 98 중량% 물일 수 있고, 일부의 실시형태에서, 공용매 또는 기타 종을 가지지 않을 수 있다. 다른 특별한 설명이 없는 한, 용어 “비수성”은 일반적으로 적어도 하나의 유기 용매를 포함하는 10 중량% 미만의 물을 포함하는 용매 시스템을 말한다. 추가의 독립 실시형태는 “비수성” 용매 시스템이 총 용매에 대해 50% 미만, 40 중량% 미만, 30 중량% 미만, 20 중량% 미만, 10% 미만, 5 중량% 미만, 또는 2 중량% 미만의 물을 포함하는 것을 포함한다.
용어 “수용성 전해질”은 수성 용매 시스템이 적어도 하나의 재료, 전형적으로는 이온성 재료를 포함하고, 그 전기 전도성은 이 재료를 포함하지 않는 용매 시스템에 비해 높은 것을 뜻한다. 레독스 활성 재료에 더하여, 수용성 전해질은 추가의 완충제, 지지 전해질, 점성도 개질제, 습윤제 등을 포함할 수 있다.
본 명세서에서 사용될 때, 용어 “음극” 및 “양극”은, 충전 사이클 및 방전 사이클의 양자 모두에서 작동되는 실제 전위에 무관하게, 음극이 양극보다 더 음의 전위로 작동되도록, 또는 양극보다 더 음의 전위로 작동되도록 설계되거나 준비되도록(반대의 경우도 마찬가지임) 서로에 관하여 정의되는 전극이다. 이 음극은 가역 수소 전극에 대해 음의 전위에서 실제로 작동될 수 있거나, 또는 음의 전위로 작동되도록 설계되거나 준비될 수 있고, 또는 가역 수소 전극에 대해 음의 전위에서 실제로 작동될 수 없거나, 또는 음의 전위로 작동되도록 설계될 수 없거나 준비될 수 없다.
본 발명에서, 평형화 전지의 제 1 수용성 전해질과 관련되는 음극은 작동 플로우 배터리의 음극과 동일하거나 또는 상이한 재료를 포함할 수 있으나, 이들은 공통의 전해질을 공유한다. 이에 반해, 평형화 전지의 제 2 수용성 전해질과 관련되는 양극은 거의 확실하게 작동 플로우 배터리의 양극과 상이한 재료를 포함하고, 이 경우에 플로우 배터리의 양의 전해질은 평형화 전지의 제 2 전극과 조성적으로 상이하고, 물리적으로 분리될 것이다.
본 명세서에서 사용될 때, “이오노머”는 전기적으로 중성인, 그리고 이온화된 반복 단위의 일부를 포함하는 폴리머를 말하고, 여기서 이온화된 단위는 펜던트이고, 폴리머 주쇄(backbone)에 공유 결합된다. 이온화된 단위의 일부는 약 1 몰 퍼센트 내지 약 90 몰 퍼센트의 범위일 수 있으나, 이온화된 단위의 함량에 따라 분류될 수 있다. 예를 들면, 특정의 경우에, 이온화된 단위의 함량은 약 15 몰 퍼센트 미만이고, 다른 경우에 이온 함량은 더 높고, 전형적으로 약 80 몰 퍼센트를 초과한다. 또 다른 경우에, 이온 함량은 중간 범위에 의해, 예를 들면, 약 15 내지 약 80 몰 퍼센트로 한정된다.
일반적으로 용어 “네골라이트” 및 “포솔라이트”는 각각 음극 및 양극에 관련되는 전해질을 말한다. 그러나, 본 명세서에서 사용될 때, 용어 “네골라이트” 및 “포솔라이트”는 플로우 배터리의 각각의 전해질을 위해 확보되어 있다. 본 명세서에서 고찰되는 바와 같이, 플로우 배터리의 음의 작용 전해질(네골라이트)는 배위 화합물 또는 금속-리간드 배위 화합물을 포함한다. 금속 리간드 배위 화합물은 적어도 하나의 “레독스 활성 금속 이온”, 적어도 하나의 “레독스 불활성 금속 이온”, 또는 양자 모두를 포함할 수 있다. 용어 “레독스 활성 금속 이온”은 금속이 사용 조건 하에서 산화 상태의 변화를 겪는 것을 암시하기 위한 의도를 갖는다. 특정의 실시형태에서, 네골라이트는 아래의 화학식을 갖는 금속 리간드 배위 착체를 포함하다.
M(L1)x(L2)y(L3)z m, 여기서
M은 Al, Ca , Ce, Co, Cr, Fe, Mg, Mn, Mo, Si, Sn, Ti, V, W, Zn, 또는 Zr이고;
LI, L2, 및 L3는 각각 독립적으로 아스코르베이트, 카테콜레이트, 시트레이트, 글리콜레이트 또는 (에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 또는 글리세롤로부터 유도된 리간드를 포함하는) 폴리올, 글루코네이트, 글리시네이트, α-히드록시알카노에이트(예를 들면, α-히드록시아세테이트, 또는 글리콜산으로부터), 히드록시알카노에이트, γ-히드록시알카노에이트, 말레이트, 말라에이트, 프탈레이트, 피로갈레이트, 사코시네이트, 살리실레이트, 또는 락테이트이고;
x, y 및 z는 독립적으로 0, 1, 2, 또는 3이고, 1 ≤ x + y + z ≤ 3이고;
m은 +1, 0, -1, -2, -3, -4, 또는 -5이다.
관련된 독립 실시형태는 (a) x = 3, y = z = 0; (b) x = 2, y = 1, z = 0; (c) x = 1, y = 1, z = 1; (d) x = 2, y = 1, z = 0; (e) x = 2, y = z = 0; 또는(f) x = 1, y = z = 0을 제공한다. 개별적인 바람직한 실시형태에서, M은 Al, Cr, Fe, 또는 Ti이고, x + y + z = 3이다. 더 바람직한 실시형태에서, 네골라이트는 타이타늄의 금속-리간드 배위 화합물을 포함한다.
본 명세서에서 사용될 때, 다른 특별한 규정이 없는 한, 용어 “실질적으로 가역적 쌍”은 평평한 유리상 탄소 디스크 전극을 포함하는 엑스-시츄(ex-situ) 장치를 사용하여 100 mV/초에서 기록되는 사이클릭 볼타메트리에 의해 측정된 양극 피크와 음극 피크 사이의 전압 차이가 약 0.3 V 미만인 레독스 쌍을 말한다. 그러나, 추가의 실시형태에서,이 용어는 또한 양극 피크와 음극 피크 사이의 전압 차이가, 동일한 시험 조건 하에서, 약 0.2 V 미만, 약 0.1 V 미만, 약 0.075 V 미만, 또는 약 0.059 V 미만인 레독스 쌍을 말할 수도 있다. 용어 “준-가역적 쌍”은 양극 피크와 음극 피크 사이의 대응하는 전압 차이가 0.3 V 내지 약 1 V의 범위인 레독스 쌍을 말한다. 다른 실시형태에서, “실질적으로 가역적 쌍”은 스캔 레이트(scan rate)에 대해 실질적 불변(10% 미만의 변화)하는 피크 분리를 갖는 것으로 정의된다.
용어 “스택” 또는 “전지 스택” 또는 “전기화학 전지 스택”은 전기적으로 접속되는 개별적인 전기화학 전지의 집적체를 말한다. 이 전지는 전기적으로 직렬 또는 병렬로 접속될 수 있다. 이 전지는 유체적으로 접속될 수 있거나 또는 접속될 수 없다.
용어 “충전상태(SOC)”는 전기화학 기술분야, 에너지 저장 기술분야, 및 배터리의 기술분야의 당업자에 의해 주지되어 있다. SOC는 전극에서 환원종 대 산화종의 농도비(Xred/Xox)로부터 결정된다. 예를 들면, 개별적인 반전지의 경우, Xred = Xox(예를 들면, Xred/Xox = 1)인 경우, 이 반전지는 50%의 SOC이고, 이 반전지의 전위는 표준 네른스티안(Nernstian) 값(E°)과 같다. 전극 표면에서의 농도비가 Xred/Xox = 0.25 또는 Xred/Xox = 0.75인 경우, 이 반전지는 각각 25% 및 75%의 SOC이다. 완전 전지의 SOC는 개별적인 반전지의 SOC에 의존되고, 특정의 실시형태에서 이 SOC는 양극 및 음극의 양자 모두에서 동일하다. 자신의 개방 회로 전위에서 배터리의 전지 전위의 측정 및 식 2 및 식 3을 이용하여 각각의 전극에서 Xred/Xox의 비, 및 이에 따라 배터리 시스템의 SOC가 결정된다.
추가의 열거된 실시형태
다음의 실시형태는 이미 설명된 실시형태를 대신하기 보다 이것을 보완하기 위한 목적을 갖는다.
실시형태 1. 평형화 전지와 유체 연통되는 적어도 하나의 전기화학 전지를 포함하는 레독스 플로우 배터리 또는 다른 전기화학 장치로서, 상기 평형화 전지는,
막에 의해 분리된 제 1 반전지 체임버 및 제 2 반전지 체임버를 포함하고,
상기 제 1 반전지 체임버는 상기 레독스 플로우 배터리의 제 1 수용성 전해질과 접촉되는 제 1 전극을 포함하고,
상기 제 2 반전지 체임버는 제 2 수용성 전해질과 접촉되는 제 2 전극을 포함하고, 상기 제 2 전극은 O2의 발생을 위한 촉매를 포함한다.
실시형태 2. 평형화 전지와 유체 연통되는 적어도 하나의 전기화학 전지를 포함하는 레독스 플로우 배터리로서, 상기 평형화 전지는,
막에 의해 분리된 제 1 반전지 체임버 및 제 2 반전지 체임버를 포함하고,
상기 제 1 반전지 체임버는 상기 레독스 플로우 배터리의 제 1 수용성 전해질과 접촉되는 제 1 전극을 포함하고,
상기 제 2 반전지 체임버는 O2의 발생을 위한 촉매를 포함하는 제 2 전극을 포함하고,
상기 제 2 반전지 체임버는 수용성 전해질을 포함하지 않는다(없다).
실시형태 3. 평형화 전지와 유체 연통되는 적어도 하나의 전기화학 전지를 포함하는 레독스 플로우 배터리 또는 다른 전기화학 장치로서, 상기 평형화 전지는,
막에 의해 분리된 제 1 반전지 체임버 및 제 2 반전지 체임버를 포함하고,
상기 제 1 반전지 체임버는 상기 레독스 플로우 배터리의 제 1 수용성 전해질과 접촉되는 제 1 전극을 포함하고,
상기 제 2 반전지 체임버는 제 2 수용성 전해질과 접촉되는 제 2 전극을 포함하고, 상기 제 2 전극은 O2의 발생을 위한 촉매를 포함하고, 상기 막은,
(1) 음으로 대전된 이오노머, 바람직하게는 제 1 유형 및 제 2 유형의 음으로 대전된 이오노머, 예를 들면, 술폰화 퍼플루오로화 폴리머 또는 코폴리머;
(2) 양으로 대전된 이오노머;
(3) 바이폴라 막; 또는
(4) (1) 내지 (3)의 조합을 포함한다.
실시형태 4. 평형화 전지로서,
막에 의해 분리된 제 1 반전지 체임버 및 제 2 반전지 체임버를 포함하고,
상기 제 1 반전지 체임버는 상기 전기화학 장치의 제 1 수용성 전해질과 접촉되는 제 1 전극을 포함하고,
상기 제 2 반전지 체임버는 제 2 수용성 전해질과 접촉되는 제 2 전극을 포함하고, 상기 제 2 전극은 O2의 발생을 위한 촉매를 포함한다.
실시형태 5. 작용 평형화 전지는,
막에 의해 분리된 제 1 반전지 체임버 및 제 2 반전지 체임버를 포함하고,
상기 제 1 반전지 체임버는 상기 전기화학 장치의 제 1 수용성 전해질과 접촉되는 제 1 전극을 포함하고,
상기 제 2 반전지 체임버는 추가의 수용성 전해질을 갖지 않는다.
실시형태 6. 실시형태 1 내지 실시형태 3 중 어느 하나의 플로우 배터리 또는 실시형태 4 또는 실시형태 5의 평형화 전지로서, 상기 제 2 수용성 전해질은 적어도 2의 pH, 바람직하게는 약 7을 초과하는 pH, 더 바람직하게는 약 9 내지 약 14의 범위의 pH를 갖는다.
실시형태 7. 실시형태 1 내지 실시형태 3 중 어느 하나의 플로우 배터리로서, 상기 제 1 수용성 전해질은 상기 레독스 플로우 배터리의 음의 작용 전해질을 포함한다.
실시형태 8. 실시형태 1 내지 실시형태 7 중 어느 하나의 플로우 배터리로서, 상기 제 1 수용성 전해질은 약 9 내지 약 14의 범위의 pH를 갖는다.
실시형태 9. 실시형태 1 내지 실시형태 8 중 어느 하나의 플로우 배터리로서, 상기 제 1 수용성 전해질 및 제 2 수용성 전해질은 각각 차이가 약 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 또는 1 미만인 pH를 갖는다.
실시형태 10. 실시형태 1 내지 실시형태 9 중 어느 하나의 플로우 배터리로서, 상기 제 1 체적 내에서 막에 근접하여 또는 인접하여 위치되는 높은 공극률 매체를 더 포함하고, 상기 높은 공극률 매체는 그 영역 내에서 향상된 대류를 제공하고, 제 1 하프-체임버 내로 주입되는 양성자의 중화를 유발한다.
실시형태 11. 실시형태 1 내지 실시형태 10 중 어느 하나의 플로우 배터리 또는 평형화 전지로서, 상기 막은 술폰화 퍼플루오로화 폴리머 또는 코폴리머를 포함한다.
실시형태 12. 실시형태 1 내지 실시형태 11 중 어느 하나의 플로우 배터리 또는 평형화 전지로서, 상기 막은 술폰화 퍼플루오로화 폴리머 또는 선택적으로 퍼플루오로비닐 에테르 성분을 포함하는 테트라플루오로에틸렌의 코폴리머를 포함한다.
실시형태 13. 실시형태 1 내지 실시형태 12 중 어느 하나의 플로우 배터리 또는 평형화 전지로서, 상기 막은 이오노머 막을 포함한다.
실시형태 14. 실시형태 1 내지 실시형태 13 중 어느 하나의 플로우 배터리 또는 평형화 전지로서, 상기 막은 테트라플루오로에틸렌과 낮은 분자량의 술포닐 불화물 비닐 에테르(SFVE)(F2C=CF-O-CF2CF2-SO2F)의 단측쇄(SSC) 코폴리머를 특징으로 하는 이오노머 막을 포함한다.
실시형태 15. 실시형태 1 내지 실시형태 14 중 어느 하나의 플로우 배터리 또는 평형화 전지로서, 상기 막은 테트라플루오로에틸렌과 낮은 분자량의 술포닐 불화물 비닐 에테르(SFVE)(F2C=CF-O-CF2CF2-SO2F)의 단측쇄(SSC) 코폴리머를 특징으로 하는 이오노머 막을 포함하고, 상기 막은 그 내부에서 입자의 석출에 의해 개질되고, 상기 입자는 금속, 금속 산화물, 불용해성 또는 불완전 용해성 금속유기 재료, 폴리머, 또는 이들의 조합을 포함한다.
실시형태 16. 실시형태 1 내지 실시형태 15 중 어느 하나의 플로우 배터리 또는 평형화 전지로서, 상기 막은 바이폴라 막을 포함한다.
실시형태 17. 실시형태 1 내지 실시형태 16 중 어느 하나의 플로우 배터리 또는 평형화 전지로서, 상기 막은 바이폴라 막을 포함하고, 상기 상기 바이폴라 막은 적어도 하나의 양이온 교환 이오노머 막 및 하나의 음이온 교환 이오노머 막을 포함한다.
실시형태 18. 실시형태 1 내지 실시형태 17 중 어느 하나의 플로우 배터리 또는 평형화 전지로서, 상기 막은 바이폴라 막을 포함하고, 상기 상기 바이폴라 막은 적어도 하나의 양이온 교환 이오노머 막 및 하나의 음이온 교환 이오노머 막을 포함하고, 이들 사이에 개재되는 금속 산화물을 갖고, 상기 금속 산화물막은 이것에 전위의 인가 시에 물의 해리에 촉매작용을 할 수 있다.
실시형태 19. 실시형태 1 내지 실시형태 18 중 어느 하나의 플로우 배터리 또는 평형화 전지로서, 상기 제 2 전극은 물로부터 산소의 전기화학적 발생을 위해 적합한 촉매를 포함한다.
실시형태 20. 실시형태 1 내지 실시형태 19 중 어느 하나의 플로우 배터리 또는 평형화 전지로서, 상기 제 2 전극은 금속 산화물 촉매를 포함하고, 상기 금속 산화물 촉매는 물로부터 산소의 전기화학적 발생을 위해 적합하다.
실시형태 21. 실시형태 1 내지 실시형태 20 중 어느 하나의 플로우 배터리 또는 평형화 전지로서, 상기 제 2 전극은 코발트, 이리듐, 철, 망가니즈, 니켈, 루테늄, 인듐, 주석, 또는 이들의 조합의 산화물을 포함하고, 상기 산화물은 선택적으로 불소로 도핑된다(예를 들면,, 불소-도핑된 주석 산화물).
실시형태 22. 실시형태 1 내지 실시형태 21 중 어느 하나의 플로우 배터리 또는 평형화 전지로서, 상기 제 2 전극은 이리듐의 산화물 또는 니켈의 산화물을 포함한다.
실시형태 23. 실시형태 1 내지 실시형태 19 중 어느 하나의 플로우 배터리 또는 평형화 전지로서, 상기 제 2 전극은 탄소의 동소체, 예를 들면, 카본 블랙, 다이아몬드, 유리상 탄소, 흑연, 비정질 탄소, 그래핀, 플러렌, 탄소 나노튜브, 또는 이들의 조합을 포함한다.
실시형태 24. 플로우 배터리에 적용되는 실시형태 7 내지 실시형태 23 중 어느 하나의 플로우 배터리로서, 상기 플로우 배터리의 음의 작용 전해질은 Al, Ca , Ce, Co, Cr, Fe, Mg, Mn, Mo, Si, Sn, Ti, V, W, Zn, 또는 Zr을 포함하는 화합물을 포함한다.
실시형태 25. 플로우 배터리 실시형태 24로서, 상기 플로우 배터리의 음의 작용 전해질은 타이타늄의 배위 화합물을 포함한다.
실시형태 26. 실시형태 1 내지 실시형태 25 중 어느 하나의 플로우 배터리 또는 평형화 전지로서, 적어도 상기 반전지 체임버 및 선택적으로 상기 제 2 반전지 체임버는 플로우-스루(flow-through) 전지로서 구성된다.
실시형태 27. 실시형태 1 내지 실시형태 26 중 어느 하나의 플로우 배터리 또는 평형화 전지를 포함하는 에너지 저장 시스템.
실시형태 28. 실시형태 1 내지 실시형태 26 중 어느 하나의 플로우 배터리 또는 평형화 전지 또는 실시형태 27의 시스템을 작동시키는 방법으로서, 상기 방법은 상기 제 1 전극과 제 2 전극을 횡단하여 전위를 인가하는 단계를 포함한다.
실시형태 29. 실시형태 28의 방법으로서, 상기 전위는 상기 제 2 수용성 전해질의 500 mV의 과전위 전압 내에 유지된다.
실시예
다음의 실시예는 본 개시 내에서 설명되는 개념의 일부를 설명하기 위해 제공된다. 각각의 실시예는 조성, 제조 방법 및 용도의 특정의 개별적인 실시형태를 제공하는 것으로 생각되지만, 이들 실시예는 본 명세서에 기재된 더 일반적인 실시형태를 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다.
실시예 1: 평형화 전기화학 전지는 Nafion™ 117 막(제조사: E. I. du Pont de Nemours and Company, 델라웨어 윌밍턴에 소재), 및 1 mg/cm2 이상의 금속 산화물로 양의 측 상에 구비하는 이리듐 산화물 촉매로 구성되었다. 막의 양의 측은 상업용 타이타늄 메시(1.4 mm 두께)로 지지되었고, 음의 측은 Avcarb Material Products(매사츄세츠 로웰에 소재)에 의해 제조되는 탄소 종이(MGL 370, 350 마이크론 두께)로 지지되었다. 탄소 종이는 상업적으로 구입 가능한 흑연 비닐-에스테르 복합재 상에 기계가공된 유동장에 의해 지지되었다. 전지의 활성 면적은 25 cm2였고, 전체 전지 면적은 64 cm2였다. 탈이온화된 물의 약 50 cc/분의 유량이 양의 측 상에 유지되었다. 플로우 배터리의 음의 전해질의 약 200 cc/분의 유량이 음의 측 상에 유지되었다. 평형화 전지는 약 25 mA/cm2의 전류 밀도, 및 약 2.7 V의 전지 전압에서 작동되었다. 도 3은 사이클링 용량(암페어-시(Ah)) 및 평형화 전지를 포함하는 작동 시간의 함수 및 평형화 전지를 포함하지 않는 작동 시간의 함수로서 음의 전해질의 pH를 도시한다. 이 배터리 시스템의 표적 Ah는 약 30 Ah였고, 음의 전해질의 표적 pH는 약 11.5였다. 이 실험의 초기에, 시스템은 ~ 12의 pH 및 ~ 22 Ah의 낮은 충전 용량에 의해 도시된 바와 같은 충전상태 및 pH 불균형을 보인다. 이 시스템이 작동됨에 따라, 음의 전해질의 pH가 계속 상승되고, 충전 용량이 계속 하강함으로써 이 불평형은 계속된다. 이 불평형은 ~ 125 시에 평형화 전지의 개시를 통해 교정되고(도 3의 수직 점선), pH는 11.5의 표적 값을 향해 감소되는 것이 보이고, 음의 전해질의 충전 용량은 표적인 30 Ah를 회복한다.
실시예 2: 평형화 전기화학 전지는 Nafion™ 117 막(제조사: E. I. du Pont de Nemours and Company, 델라웨어 윌밍턴에 소재), 및 1 mg/cm2 이상의 금속 산화물로 막의 양의 측 상에 침착되는 이리듐 산화물 촉매로 구성되었다. 막의 양의 측은 상업용 타이타늄 메시(1.4 mm 두께)로 지지되었고, 음의 측은 Avcarb Material Products(매사츄세츠 로웰에 소재)에 의해 제조되는 탄소 종이(MGL 370, 350 마이크론 두께)로 지지되었다. 탄소 종이는 상업적으로 구입 가능한 흑연 비닐-에스테르 복합재 상에 기계가공된 유동장에 의해 지지되었다. 전지의 활성 면적은 25 cm2였고, 전체 전지 면적은 64 cm2였다. 탈이온화된 물의 약 50 cc/분의 유량이 양의 측 상에 유지되었다. 플로우 배터리의 음의 전해질의 약 200 cc/분의 유량이 음의 측 상에 유지되었다. 평형화 전지는 미국 특허 US 2014/0028260 A1에 기재된 바와 같은 전형적인 배위 화합물 플로우 배터리(CCFB)와 연결하여 작동되었다. 이 실시예에서, 네골라이트 전해질 재료는 플로우 배터리와 평형화 전지의 양자 모두를 통해 순환되었고, 따라서 pH 및 SOC 제어는 음의 활성 재료를 대상으로 행해졌다. 도 4a는 이 특정의 실시예에서 평형화 전지가 장기간(1600 시간 초과) 동안에 안정된 전압(~ 2.8V)에서 작동된 것을 도시한다. 평형화 전지의 전압의 작은 변동은 전류 밀도의 더 높은 설정점에 의해 설명되고, 이것은 도 4a의 하측의 곡선으로 표시된다. 주 플로우 배터리의 음극 상에서 소량이라도 H2가 발생하면, 1600 시간을 초과하는 동안의 플로우 배터리의 작동은 네골라이트 전해질의 pH 증가를 불가피하게 초래하고, 도 4b는 네골라이트가 비교적 일정하게 유지된 것을 도시하고, 이것은 평형화 전지에 의해 달성되는 pH 제어의 직접적인 결과이다.
실시예 3. 평형화 전기화학 전지는 Nafion™ 117 막(제조사: E. I. du Pont de Nemours and Company, 델라웨어 윌밍턴에 소재), 및 1 mg/cm2 이상의 금속 산화물로 막의 양의 측 상에 침착되는 이리듐 산화물 촉매로 구성되었다. 막의 양의 측은 상업용 타이타늄 메시(1.4 mm 두께)로 지지되었고, 음의 측은 Avcarb Material Products(매사츄세츠 로웰에 소재)에 의해 제조되는 탄소 종이(MGL 370, 350 마이크론 두께)로 지지되었다. 탄소 종이는 상업적으로 구입 가능한 흑연 비닐-에스테르 복합재 상에 기계가공된 유동장에 의해 지지되었다. 탄소 종이 음극과 N117 막 사이에 N117 막을 횡단하는 활성종의 크로스-오버를 방지하기 위해 추가의 막이 추가되었다. 이 막은 Solvay Aquivion® E87 막으로 이루어졌다. 전지의 활성 면적은 25 cm2였고, 전체 전지 면적은 64 cm2였다. 탈이온화된 물의 약 50 cc/분의 유량이 양의 측 상에 유지되었다. 플로우 배터리의 음의 전해질의 약 200 cc/분의 유량이 음의 측 상에 유지되었다. 평형화 전지는 미국 특허 US 2014/0028260 A1에 기재된 바와 같은 전형적인 배위 화합물 플로우 배터리(CCFB)와 연결하여 작동되었다. 이 실시예에서, 네골라이트 전해질 재료는 플로우 배터리와 평형화 전지의 양자 모두를 통해 순환되었고, 따라서 pH 및 SOC 제어는 음의 활성 재료를 대상으로 행해졌다. 도 5는 구성된 그대로의 평형화 전지가 수백 시간 동안 SOC 및 pH를 평형화시킬 수 있는 것을 도시한다(전류 밀도: 10 mA/cm2). 이러한 전지의 전압은 추가의 막을 구비하지 않은 평형화 전지에 비해 최소한 만큼 더 높을 뿐이다. (추가된 막의 저항에 의해 유발되는) 관찰되는 약간 더 높은 전압은 활성 재료의 크로스-오버의 억제가 영향을 받는 경우에 용인될 수 있다. 이 시험의 지속시간 중에 탈이온된 물(애놀라이트(anolyte))의 착색이 전혀 관찰되지 않았고, 이것은 활성 재료의 크로스-오버가 최소임을 나타낸다.
실시예 4. 평형화 전기화학 전지는 Fumasep FBM 바이폴라 막(제조사: Fumatech GmbH, 독일) 막의 양의 측은 상업용 니켈 메시(1.4 mm 두께)로 지지되었고, 음의 측은 Avcarb Material Products(매사츄세츠 로웰에 소재)에 의해 제조되는 탄소 종이(MGL 370, 350 마이크론 두께)로 지지되었다. 탄소 종이는 상업적으로 구입 가능한 흑연 비닐-에스테르 복합재 상에 기계가공된 유동장에 의해 지지되었다. 1M NaOH 용액의 약 50 cc/분의 유량의 양의 측 상에서 유지되었다. 플로우 배터리의 음의 전해질의 약 200 cc/분의 유량이 음의 측 상에 유지되었다. 도 6은 25 mA/cm2로 작동하기 위한 이 평형화 전지를 위한 전압-시간 데이터를 도시한다. 도 6에서 볼 수 있는 바와 같이, 25 mA/cm2의 전류 밀도를 유지하기 위해 요구되는 전압은 IrOx 촉매(~2.8V, 도 4 및 도 5)를 사용한 평형화 전지에 비해 더 높고(~3.3V), 이것은 바이폴라 막의 더 높은 막 저항의 결과이다. 이러한 증가된 전압은, 평형화 전지 내에서 막을 횡단하는 pH 기울기가 방지되는 경우에, 그리고/또는 바이폴라 막을 횡단하는 활성 재료의 크로스-오버가 종래의 이오노머 막에 비해 현저하게 낮은 경우에, 용인될 수 있다.
실시예 5. 2 개의 평형화 전기화학 전지는 양극으로서 탄소질 재료로 구성되었다. 양자 모두의 전지는 나피온™ 117 막(제조사: E. I. du Pont de Nemours and Company, 델라웨어 윌밍턴 소재)으로 구성되었다. 제 1 전지(전지 A)는 양극으로서 AvCarb™ 1071HCB 탄소포(0.356 mm 두께)와 조합된 BMC™ 복합재 흑연 플레이트를 사용하였다. 탄소포는 BMC™ 복합재 재료 내에 기계가공된 유동장에 의해 지지되었다. 제 2 전지(전지 B)는 양극으로서 Morgan™ 흑연 펠트(2.8 mm 두께)와 조합된 Eisenhuth® 복합재 흑연 플레이트를 사용하였다. 막의 음의 측은 탄소 종이(Avcarb™ MGL 370, 0.35 mm 두께)를 포함하였고, 이것은 BMC™ 복합재 재료 내에 기계가공된 유동장에 의해 지지되었다. 양자 모두의 전지의 활성 면적 25 cm2였고, 전체 전지 면적은 64 cm2였다. 탈이온화된 물의 약 50 cc/분의 유량이 양의 측 상에 유지되었다. 플로우 배터리의 음의 전해질의 약 200 cc/분의 유량이 음의 측 상에 유지되었다. 평형화 전지는 25 mA/cm2의 전류 밀도에서 작동되었고, 약 3.3 - 3.7V의 전지 전압을 나타냈다. 도 7에서 볼 수 있는 바와 같이, 25 mA/cm2의 전류 밀도를 유지하기 위해 요구되는 전압은 IrOx 촉매(도 4 및 도 5)를 사용한 평형화 전지에 비해 현저히 높았고, 이것은 물 산화 반응에 촉매반응을 일으키면 더 낮은 전압을 갖는 평형화 전지가 얻어지는 것을 명확하게 설명한다. 전지 A 및 전지 B의 양자 모두의 경우에, 25 mA/cm2를 발생시키기 위해 요구되는 전압은 ~15 시간의 시간척도에 걸쳐 서서히 증가되었다. 임의의 특정의 이론의 정확성에 의해 구속되지 않고, 이 전압의 증가는 양극에서 발생되는 2 가지 전기화학적 반응, 즉 물 산화 및 탄소 산화에 기인되는 것으로 생각된다. 따라서, 이러한 탄소 양극은 진실로 희생성이고, 주기적으로 교체될 필요가 있다. 그러나, 이 개념의 장점은 귀금속 물 산화 촉매가 평형화에 제공되지 않고, 이들 촉매의 부식, 및 H2 발생을 격화시키는 제 1 하프-체임버로의 이동의 우려를 감소시키는 것이다.
본 기술분야의 당업자는 이들 교시에 비추어 본 발명의 많은 개조 및 변경이 가능하고, 이러한 모든 것은 여기서 고찰된다. 예를 들면, 본 명세서에 기재된 실시형태에 더하여, 본 발명은 본 명세서에 기재된 발명과 본 발명의 특징을 보충하는 인용된 종래기술의 특징의 조합으로부터 얻어지는 발명을 고찰하고 청구한다. 유사하게, 임의의 기재된 재료, 기구, 또는 제품은 임의의 기타의 재료, 기구, 또는 제품과 조합되어 사용될 수 있고, 이러한 조합은 본 발명의 범위 내에 속하는 것으로 간주된다는 것이 이해될 것이다.
본 명세서에 인용되거나 기재된 각각의 특허, 특허출원 및 특허공보의 개시내용은 참조에 의해 그 전체가 본 명세서에 포함된다.

Claims (28)

  1. 평형화(balancing) 전지와 유체 연통되는 적어도 하나의 전기화학 전지를 포함하는 레독스 플로우 배터리로서, 상기 평형화 전지는,
    막에 의해 분리된 제 1 반전지 체임버 및 제 2 반전지 체임버를 포함하고,
    상기 제 1 반전지 체임버는 상기 레독스 플로우 배터리의 제 1 수용성 전해질과 접촉되는 제 1 전극을 포함하고,
    상기 제 2 반전지 체임버는 제 2 수용성 전해질과 접촉되는 제 2 전극을 포함하고, 상기 제 2 전극은 촉매를 포함하고, 상기 촉매는 금속 산화물을 포함하고 상기 제 2 반전지 체임버에서 산소를 발생시키고,
    상기 제 2 수용성 전해질은 2 내지 7의 pH를 갖는, 레독스 플로우 배터리.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 수용성 전해질은 상기 레독스 플로우 배터리의 음의 작용 전해질을 포함하는, 레독스 플로우 배터리.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 수용성 전해질은 9 내지 14의 범위의 pH를 갖는, 레독스 플로우 배터리.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 수용성 전해질 및 제 2 수용성 전해질은 각각 차이가 7 미만인 pH를 갖는, 레독스 플로우 배터리.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 레독스 플로우 배터리는 상기 막 부근에 또는 인접하여 위치되는 다공성의 매체를 더 포함하는, 레독스 플로우 배터리.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 막은 술폰화 퍼플루오로화 폴리머 또는 코폴리머를 포함하는, 레독스 플로우 배터리.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 막은 선택적으로 퍼플루오로비닐 에테르를 포함하는 테트라플루오로에틸렌의 술폰화 퍼플루오로화 폴리머 또는 코폴리머를 포함하는, 레독스 플로우 배터리.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 막은 이오노머 막을 포함하는, 레독스 플로우 배터리.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 이오노머 막은 테트라플루오로에틸렌과 술포닐 불화물 비닐 에테르(SFVE)(F2C=CF-O-CF2CF2-SO2F)의 단측쇄(SSC) 코폴리머를 포함하는, 레독스 플로우 배터리.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 이오노머 막은 내부에서 입자를 석출시킴으로써 개질되고, 상기 입자는 금속, 금속 산화물, 유기금속, 폴리머 재료, 또는 이들의 조합을 포함하는, 레독스 플로우 배터리.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 막은 바이폴라 막을 포함하는, 레독스 플로우 배터리.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 바이폴라 막은 적어도 하나의 양이온 교환 이오노머 막 및 하나의 음이온 교환 이오노머 막을 포함하는, 레독스 플로우 배터리.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 바이폴라 막은 적어도 하나의 양이온 교환 이오노머 막과 음이온 교환 이오노머 막 사이에 개재되는 금속 산화물 막을 더 포함하고, 상기 금속 산화물막은 물에 전위를 인가했을 때 물의 해리에 촉매작용을 할 수 있는, 레독스 플로우 배터리.
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 산화물은 코발트, 이리듐, 철, 망가니즈, 니켈, 루테늄, 인듐, 주석, 또는 이들의 조합의 산화물을 포함하는, 레독스 플로우 배터리.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 제 2 전극은 이리듐의 산화물, 니켈의 산화물, 또는 니켈-철 합금의 산화물을 포함하는, 레독스 플로우 배터리.
  22. 제 1 항에 있어서,
    상기 촉매는 탄소의 동소체를 포함하는, 레독스 플로우 배터리.
  23. 제 6 항에 있어서,
    상기 플로우 배터리의 음의 작용 전해질은 Al, Ca , Ce, Co, Cr, Fe, Mg, Mn, Mo, Si, Sn, Ti, V, W, Zn, 또는 Zr을 포함하는 화합물을 포함하는, 레독스 플로우 배터리.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 플로우 배터리의 음의 작용 전해질은 타이타늄의 배위 화합물을 포함하는, 레독스 플로우 배터리.
  25. 제 1 항에 있어서,
    적어도 상기 제 1 반전지 체임버는 플로우-스루(flow-through) 전지로서 구성되는, 레독스 플로우 배터리.
  26. 제 1 항의 플로우 배터리를 포함하는 에너지 저장 시스템.
  27. 삭제
  28. 삭제
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