KR102497391B1 - 바나듐 레독스 흐름전지용 전극 및 그 제조방법 - Google Patents

바나듐 레독스 흐름전지용 전극 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

바나듐 레독스 흐름전지용 전극으로, 적어도 둘 이상의 탄소 소재 기반의 페이퍼가 적층된 구조이며, 상기 탄소 소재 기반의 페이퍼는 천공 패턴을 갖는 것을 특징으로 하는 바나듐 레독스 흐름전지용 전극이 제공된다.

Description

바나듐 레독스 흐름전지용 전극 및 그 제조방법{Electrode for Vanadium Redox Flow Battery and Manufacturing method for the same}
본 발명은 바나듐 레독스 흐름전지 (Vanadium Redox Flow Battery, VRFB)용 전극 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 분리판의 가공 공정없이 탄소 소재 기반의 페이퍼 전극에 천공 (holes)을 가공하여 균일한 전해질 분포를 유도할 수 있는 바나듐 레독스 흐름전지용 전극 및 그 제조방법에 관한 것이다.
바나듐 레독스 흐름전지 (Vanadium Redox Flow Battery, VRFB)는 출력과 에너지 용량을 독립적으로 설계할 수 있고, 수명이 길고 안전하다는 장점이 있어 차세대 에너지 저장 장치로 주목을 받고 있다.
바나듐 레독스 흐름 전지의 기본적인 구조는 산화상태가 다른 바나듐 활물질이 저장되어 있는 전해액 탱크들과 유량조절 및 순환을 담당하는 펌프, 활물질이 반응하는 장소를 제공하는 전극, 그리고 양 전극의 분리와 수소 이온 (H+)의 이동을 담당하는 이온교환막으로 구성되어 있다.
기존 이차전지와 다르게 전해액은 셀 내에 포함되어 있지 않고 외부 저장소인 탱크에 액체 상태로 저장되어 있으며 충/방전 과정 중에 펌프를 이용하여 셀 내부로 공급된다. 전지에서 발현되는 에너지 용량은 저장용기 내에 담겨있는 전해질의 양에 의해 결정이 되며 출력의 경우 전극을 포함하는 단위셀 (single cell)의 크기 및 갯수에 의해 결정되기 때문에 에너지 용량 및 출력의 증대를 용이하게 조절할 수 있다. 충전시에는 양극 에서 4가 형태의 바나듐 이온 (VO2+)이 5가 형태의 바나듐 이온 (VO2 +)으로 산화가 되며, 음극에서는 3가 형태의 바나듐 이온 (V3+)이 2가 형태의 바나듐 이온 (V2+)으로 환원됨에 따라 발생되는 전해액 내 이온의 산화/환원 전위차를 이용하여 전기 에너지를 생산해 낸다. 방전시에는 역으로 바나듐 이온의 산화수가 변화되어 진행되며, 충/방전에 따른 화학 반응식은 아래와 같다.
- 양극: VO2+ + H2O ↔ VO2++ + 2H+ + e- (1.00 V vs. SHE)
- 음극: V3+ + e- ↔ V2+ (-0.26 V vs. SHE)
이러한 바나듐 레독스 흐름전지에서 전극은 매우 중요한데, 탄소 펠트 (Carbon felt, CF)가 가장 널리 사용되고 있다.
도 1은 종래의 탄소 펠트를 마이크로 CT (Micro-CT)로 찍은 단면이다.
도 1을 참조하면, 이와 같은 탄소 펠트전극을 사용하는 VRFB에 에너지효율을 올리기에 두 가지의 한계점이 존재하는데, 먼저 상대적으로 탄소 펠트는 낮은 섬유 부피분율 (Fiber volume fraction, vf)가 5% 미만이기 때문에 반응면적이 작아 에너지 효율을 올리는 것이 한정적이다. 또한 탄소 펠트의 표면 균일도 (Uniformity)가 낮다는 문제도 존재한다. 반면, 탄소 소재 기반 페이퍼는 기존 VRFB의 전극으로 널리 사용되는 탄소 펠트에 비해 높은 섬유 부피분율 (vf > 20%)로 인해 고효율을 갖는 VRFB용 전극을 설계할 수 있다는 장점이 있다.
도 2는 탄소 펠트와 탄소 소재 기반의 페이퍼를 비교한 그림이고, 도 3은 탄소 소재 기반의 페이퍼에서의 전해질 거동을 설명하는 도면이다.
그러나, 도 2를 참조하면, 상대적으로 넓은 반응면적으로 인해 많은 반응면적을 가진 탄소 소재 기반의 페이퍼는 전극으로 큰 장점이 있지만, 전극으로 사용된다면 도 3에서 도시된 바와 같이 아래의 단점이 있다.
먼저 전극 재료로 탄소 페이퍼는 2d 방향으로 무작위로 배열되어 있는 섬유들 때문에 균일한 유동을 만들 수 없고, 낮은 공극률때문에 전해질이 전극외곽으로 흐르는 측류 (Side flow) 현상이 많이 발생하기 때문에 효율을 높이기 위해서는 새로운 보완이 필요하다. 예를 들어 국제특허 WO2013095380호는 탄소 페이퍼는 탄소 섬유, 탄소 결합제 잔류물 및 탄소 섬유 상에 배치되는 탄소 입자들을 포함하고, 탄소 입자들의 농도는 탄소 페이퍼의 유동장 판 측면으로부터 거리의 함수로서 증가하는 형태의 VRFB를 개시하고 있다. 그러나, 이러한 방식의 접근방식은 전극에 맞닿는 분리판에 특별한 가공이 필요하다. 분리판에 채널을 가공해서 대부분의 전해질의 유동이 분리판에 일정한 채널로 흘러가게 만들어 반응면적을 늘려주는 방식이다.
또한 이러한 방식은 분리판 가공 비용이 상승될 뿐만 아니라, 대부분의 유동이 전극과 맞닿는 분리판에서만 흐르기 때문에 전극의 모든 면적을 사용해서 반응면적을 극대화하기 어렵다. 따라서, 탄소페이퍼의 장점을 극대화하고, 분리판의 특별한 가공이 없이 균일한 전해질 분포를 유도할 수 있는 새로운 전극 및 그 제조방법이 필요하다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 바나듐 레독스 흐름 전지에서 유동 채널을 형성하는 것과 같은 분리판 가공 공정없이 균일한 전해질 분포를 유도할 수 있는 새로운 전극 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 바나듐 레독스 흐름전지용 전극으로, 적어도 둘 이상의 탄소 소재 기반의 페이퍼가 적층된 구조이며, 상기 탄소 소재 기반의 페이퍼는 천공된 패턴을 적어도 하나 이상 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 적어도 둘 이상의 탄소 소재 기반의 페이퍼의 천공된 패턴은 정렬된 구조를 가지며, 이로써 상기 전극은 천공 패턴 방향에 따라 전해질 유동 방향이 결정된다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 적어도 둘 이상의 탄소 소재 기반의 페이퍼의 천공된 패턴은 정렬된 구조를 가지며, 상기 탄소 소재 기반 페이퍼 전극의 천공 패턴은 실질적인 반응 비표면적 증가와 유동 손실을 감소시키기 위해 0.3 mm ~ 1 mm 범위의 천공 지름 크기, 5mm 이하 일정 간격의 천공을 갖는다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 탄소 소재 기반의 페이퍼는 단면이 V자 형태인 라인이 유동방향으로 복수 개 패턴이 가공된 형상을 갖는다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 탄소 소재 기반의 페이퍼는 마이크로 단위의 두께를 가지며, 상기 전극에서의 탄소페이퍼 압축률은 0 ~ 40% 범위이며, 상기 탄소 소재 기반의 페이퍼는 탄소 소재를 포함하는 페이퍼 형태이며, 탄소 페이퍼 (Carbon paper) 또는 버키 페이퍼 (Bucky paper)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명은 상술한 바나듐 레독스 흐름전지용 전극을 제조하기 위한 방법으로, 탄소 소재 기반의 페이퍼에 천공 패턴을 형성하는 단계; 및 상기 천공 패턴이 형성된 탄소 소재 기반의 페이퍼를 적층하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바나듐 레독스 흐름전지용 전극 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 바나듐 레독스 흐름전지용 전극 제조방법은, 탄소 소재 기반의 페이퍼에 천공 패턴을 형성하는 단계 후, 천공 패턴 형성에 따라 발생하는 가공 이물질을 제거하기 위한 단계를 더 포함하며, 상기 천공 패턴을 본 발명의 일 실시예에서 상기 천공 패턴을 형성하는 단계는 플라즈마 가공, 레이저 가공, CNC 가공, 니들 펀칭 (Needle punching) 가공방법으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나로 진행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 플라즈마 가공은 천공 패턴이 가공된 마스킹 플레이트 (Masking plate)에 의하여 활성화된 가스 이온으로 상기 탄소 소재 기반 페이퍼에 천공 패턴을 형성하는 방식으로 진행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 플라즈마 가공에 의하여 상기 탄소 소재 기반의 페이퍼에는 표면 처리가 천공 패턴 형성과 동시에 진행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 천공 패턴 형성에 따라 발생하는 가공 이물질을 제거하기 위한 단계는, 침지세척,　분무세척,　초음파 세척,　압축 공기 분사를 통한 세척,　진공 세척 방식으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나로 진행될 수 있다.
본 발명은 또한 상술한 바나듐 레독스 흐름전지용 전극을 포함하는 따른 바나듐 레독스 흐름전지 및 이를 포함하는 전력 저장 시스템을 제공한다.
본 발명에 따르면, 패턴이 형성된 탄소 소재 기반의 페이퍼를 적층하여 유사 채널 (Pseudo-channel) 효과를 VRFB에 유도한다. 따라서 본 발명에 따른 탄소 소재 기반 페이퍼를 이용한 VRFB용 전극은, 채널 가공 등에 의한 전극의 질량 손실을 최소화하여 전기화학적 특성을 유지하면서도 전극 내부의 전해질을 균일하게 분배하여 비표면적을 늘릴 수 이점이 있다. 또한 전해질이 전극외곽으로 흐르는 현상을 억제하여 전극 내부에서 발생하는 과전압 (Overpotential)을 감소시키고 높은 에너지 효율과 방전용량을 가지는 시스템의 설계를 가능하게 한다. 또한 마이크로 단위의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 탄소 소재 기반 페이퍼의 적층 개수를 조절하여 적합한 압축률을 가지는 적층 전극 설계를 용이하게 하며, 본 발명이 적용된 VRFB 시스템의 경우 추가적으로 분리판 부분에 유동 채널을 가공할 필요가 없어 시스템의 크기, 무게, 제조비용을 크게 감소시킬 수 있는 장점이 있다. 더 나아가 천공 형성을 플라즈마 가공 방식으로 진행하는 경우 원하는 표면 처리 효과와 채널 유도 효과를 하나의 공정으로 진행할 수 있다는 효과 또한 있다.
도 1은 종래의 탄소 펠트의 모식도이다.
도 2는 탄소 펠트와 탄소 페이퍼를 비교한 그림이고, 도 3은 탄소 페이퍼에서의 유체 거동을 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 종래의 채널 가공 전극과, 본 발명에 따른 천공 가공 전극의 평면도 및 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 탄소 소재 기반 페이퍼 전극의 모식도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 바나듐 레독스 흐름전지용 전극의 모식도이다.
도 7 및 8은 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 소재 기반의 페이퍼 전극 제조방법의 단계 별 모식도 및 단계도이다.
도 9는 플라즈마 공정을 통한 탄소 페이퍼에 천공 패턴을 형성하는 단계 별 모식도이다.
도 10는 본 발명에 따른 전극에서 2가지 형태의 전극, 즉, 채널 형성된 전극 (V-CP, 실시예)과 천공된 전극 (H-CP, 실시예)의 사진과 전기적 적항 및 부피를 분석한 결과이다.
도 11은 전해질의 유동에 대한 시뮬레이션 결과이고, 도 12은 본 발명에 따른 전극이 가지는 채널 효과를 설명하는 결과이다.
도 13은 본 발명에 따른 전극의 에너지 효율을 설명하는 도면이다.
이하 본 발명에 따른 바나듐 레독스 흐름전지용 전극 및 그 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 특별한 정의가 없는 한 본 명세서의 모든 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상 지식을 가진 이가 이해하는 당해 용어의 일반적 의미와 같으며 만약 본 명세서에 사용된 용어의 의미와 충돌하는 경우에는 본 명세서에 사용된 정의에 따른다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대해 상세한 설명은 생략함. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명은 기존 VRFB의 전극으로 널리 사용되는 탄소 펠트를 대체할 수 있는 탄소 전극을 개발하기 위해 탄소 소재 기반 페이퍼를 이용한 천공을 갖는 전극 구조 및 제조방법을 제공한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 종래의 채널 가공 전극과, 본 발명에 따른 천공 가공 전극의 평면도 및 단면도이다.
도 4를 참조하면, 좌측의 채널 가공의 경우, 유동 방향으로 채널 형성은 전극에서 전해질의 분배를 향상시키고 유동 저항을 감소시킬 수 있는 이점을 가지고 있지만, 채널 가공에 의한 전극의 과도한 질량 손실로 인해 반응 면적과 전기전도도가 감소할 뿐 아니라 기계적 물성도 저하되는 단점이 있다. 또한 대부분의 전해질이 유동저항이 낮은 채널을 통해 흘러가게 되어 전극을 투과하지 못하면서 오히려 반응면적이 감소하는 효과가 있다.
하지만, 우측의 천공 가공 전극의 경우 일정하게 유동을 만들어줄 수 있는 천공 (Holes)이 가공된 전극을 제시한다. 탄소 소재 기반 페이퍼 전극은 일정 간격으로 천공 패턴이 형성된 것을 특징으로 하고 패턴을 형성한 탄소 소재 기반 페이퍼를 적층하여 VRFB 전극으로 사용된다. 본 발명에서 제시된 전극은 5 mm 이하 일정 간격으로 0.3 mm 이상 지름 크기의 천공이 가공될 경우, 유동방향으로 연속적인 채널을 가공하지 않고 천공 패턴 방향으로 전해질의 흐름을 유도할 수 있는 유사 채널 (Pseudo-channel) 효과를 보인다. 또한 천공 지름크기가 1 mm 이하일 경우 가공에 의한 질량 손실이 미미하여 우수한 전기전도도와 반응성을 가질 수 있다. 배터리의 구조를 고려하여 전해질의 유동방향으로 천공의 지름크기를 다르게 가공할 경우, 전해질의 흐름을 균일하게 유도할 수 있는 이점이 있다. 또한 천공의 지름크기를 전극의 두께 방향에 따라 다르게 가공할 경우, 두께방향으로 전해질의 흐름을 원활하게 하여 배터리의 농도 손실 (Concentration loss)를 최소화할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 탄소 소재 기반 페이퍼 전극의 모식도이다.
도 5의 좌측을 참조하면, 홀이 천공된 구조를 가지는 전극 (좌측)이 개시되며, 상기 홀이 천공된 구조는 V자 형태의 라인 패턴에 형성될 수 있다.
이와 달리 천공없이 단면 형상이 V자인 복수 개의 라인이 패턴된 탄소 소재 기반 페이퍼 전극만이 사용될 수 있으며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다.
유동방향과 평형한 방향으로 가공된 일정간격의 V모양의 채널을 통해 전극외곽으로 가는 유량보다 전극으로 침투하는 유량을 증가시키고, 전해질의 분포 (Distribution)을 균일하게 할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 바나듐 레독스 흐름전지용 전극의 모식도이다.
도 6을 참조하면, 일정 간격과 크기로 천공 패턴이 형성된 전극의 경우 패턴된 천공 방향으로 전해질이 흐르게 되며, 특히 별도의 채널 패턴 형성 없이 균일하게 유동을 만들어줄 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 전극 및 그 제조방법의 장점은 첫 번째, 천공 가공 전극은 채널 가공 전극 대비 질량 손실을 최소화하여 전기화학적 특성을 유지하면서도 전극을 투과하는 유동의 흐름을 최대화시킬 수 있다. 두 번째, 측류 현상을 줄이면서 내부에 채널 효과로 인해 전해질을 균일하게 분배하여 비표면적 증가하게 되어 성능을 극대화시킬 수 있다. 이는 반응 및 물질 교환을 할 수 있는 영역을 증가시켜 레독스 흐름 전지의 전압효율을 개선하여, 전체 에너지 효율을 증가시킬 수 있다. 세 번째, 마이크로 단위의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 탄소 소재 기반 페이퍼의 적층 개수를 조절하여 적합한 압축률(0 ~ 40%)을 가지는 적층 전극 설계를 용이하게 한다. 또한, VRFB 시스템의 경우, 추가적으로 분리판에 유로를 가공하지 않아 시스템의 크기, 무게 제조비용을 크게 감소시켜줄 수 있는 장점이 있다.
도 7 및 8은 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 소재 기반의 페이퍼 전극 제조방법의 단계 별 모식도 및 단계도이다.
도 7 및 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 소재 기반의 페이퍼 전극 제조방법은, 탄소 소재 기반의 페이퍼에 천공 패턴을 형성하는 단계; 및 상기 천공 패턴이 형성된 탄소 소재 기반의 페이퍼를 적층하는 단계를 포함한다. 이 경우 상기 바나듐 레독스 흐름전지용 전극 제조방법은, 탄소 소재 기반의 페이퍼에 천공 패턴을 형성하는 단계 후, 천공 패턴 형성에 따라 발생하는 가공 이물질을 제거하기 위한 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 천공 패턴을 형성하는 단계는 플라즈마 가공, 레이저 가공, CNC 가공, 니들 펀칭 (Needle punching) 가공방법으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나로 진행될 수 있다.
또한 천공 패턴 형성에 따라 발생한 이물질 제거는 침지세척,　분무세척,　초음파 세척 방식,　압축 공기 분사를 통한 세척 방식,　진공 세척 방법으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나로 진행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 탄소 페이퍼는 두께 200 μm, 기초무게 (g/m2) 50 g을 사용하였고, 20 ply의 탄소 페이퍼를 25% 로 압축하였으나, 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 천공은 기계적 가공법인 CNC 가공과 니들 펀칭 가공과 달리 플라즈마 가공 방식에 의하여 형성될 수 있다.
이러한 플라즈마 방식에 따른 패턴된 천공 형성은 패턴화된 마스킹 레이어(masking layer)를 도입하여 홀을 가공함과 동시에 홀 주변에 많은 관능기 (하이드록실기, 카르복실기 등)를 부여해서, 홀을 따라 유동을 더욱 활발하게 하여 채널 효과를 보다 높일 수 있다.
특히 플라즈마 가공은 공정 중에 산소, 아르곤, 질소와 같은 활성 가스를 조건에 따라서 부여할 수 있고, 전극의 표면 상태를 활성화시키기 위해 산소를 전극 표면에 흡착시킬 수 있으며, 이 경우 공정 중 적절한 활성 가스의 농도, 압력, 전압을 부과하여 표면 처리 정도를 조절할 수 있고, 이는 최적화된 전극 표면 처리를 가능하게 한다는 장점이 있다.
도 9는 이러한 플라즈마 공정을 통한 탄소 페이퍼에 천공 패턴을 형성하는 단계별 모식도이다.
도 9를 참조하면, 탄소 페이퍼와 천공 패턴이 가공된 마스킹 플레이트 (Masking plate)를 플라즈마 챔버에 위치시키고, 플라즈마 챔버에 전압을 가해주어 가스를 활성화해준다. 활성화된 가스 이온은 전압에 의해 가속되어 작용 재료 표면에 흡착되거나 재료 표면을 식각시킨다. 이 때, 마스킹 플레이트는 활성화된 가스 이온에 대해 충분한 저항을 가지는 재료로 선정되며, 활성화된 가스는 오로지 마스킹 플레이트의 패터닝 된 부분만을 통과하게 된다.
또한 상기 천공 패턴 형성에 따라 발생하는 가공 이물질을 제거하기 위한 단계는, 침지세척,　분무세척,　초음파 세척,　압축 공기 분사를 통한 세척,　진공 세척 방식으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나로 진행된다.
본 발명은 또한 상술한 바나듐 레독스 흐름전지용 전극을 포함하는 바나듐 레독스 흐름전지와 이를 포함하는 전력 저장 시스템을 제공할 수 있다.
도 10는 본 발명에 따른 전극에서 2가지 형태의 전극, 즉, 채널 형성된 전극 (V-CP, 비교예)과 천공된 전극 (H-CP, 실시예)의 사진과 전기적 적항 및 부피를 분석한 결과이다.
도 10를 참조하면, 부피 손실을 비교예와 실시예 아무런 가공하지 않은 탄소페이퍼(Neat CP) 대비 모두 2% 미만인 것을 알 수 있으며, 면저항 또한 비교예와 실시예 모두 유사하다는 것을 알 수 있다.
도 11은 전해질의 유동에 대한 시뮬레이션 결과이고, 도 11은 본 발명에 따른 전극이 가지는 채널 효과를 설명하는 결과이다.
도 11을 참조하면, 유동의 흐름이 발생할때, 전해질의 압력은 A-B단면의 압력을 보았을 때, 상대적으로 홀에서의 압력은 전극부분보다 압력이 낮게되며, 이에 실제 홀 주위로 xy평면의 압력을 보게된다면 도 10과 같이 압력 구배가 발생함을 알 수 있다.
도 12을 참조하면, y방향으로의 압력구배를 보면 유동방향으로 홀의 선단부에 위치한 전해질은 압력구배에 따라 홀 주위로 모이게 되고, 홀을 지나면서 다시 유동이 퍼지게 도 12과 같은 압력구배가 형성된다. 또한 x 방향의 압력구배를 보면 한번 홀에 들어온 유동은 홀을 따라 x축으로 압력구배를 받게 되어 유동을 움직이는 힘이 발생함을 알 수 있다
이 때문에, 유동방향으로 전해질이 흐를 수 있는 채널을 가공하지 않았지만, 홀을 따라 대부분의 전해질이 흐르는 효과가 발생하고, 이를 본 발명에서는 유사 채널(Pseudo-channel) 효과라 명명한다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에서 유사 채널 효과를 유도하는 천공된 패턴과 함께 패턴된 라인이 함께 사용되어 유동 유도 효과를 더욱 극대화할 수 있으며, 상기 채널의 단면은 V자 형태뿐만 아니라 U 등의 단면도 모드 가능하며 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않는다.
도 13는 본 발명에 따른 전극의 에너지 효율을 설명하는 도면이다.
도 13를 참조하면, 천공이나 패턴되지 않은 순수 전극 시편(Pristine CP시편)보다 채널을 가공하여 전해질의 분포를 균일하게 해준 전극의 경우 효율이 8.9, 9.8%로 각각 올랐다. 이것은 상용 탄소 펠트에 비해서도 전극의 효율이 좋아지는 것을 의미한다. 이때, 홀이 천공된 시편(H-CP)이 V자 형태의 라인이 그루브된 시편(V- CP)보다 효율이 높은 것은 해석결과에서 보았던 것처럼 H-CP의 경우, 대부분의 유동이 무의미한 유동이 아닌 반응성 유동(Reactive flow)이 되면서 효율이 상승함을 알 수 있다.
본 발명에 따른 천공된 패턴의 탄소 소재 기반의 페이퍼를 포함하는 전극은 바나듐 레독스 흐름전지에 사용될 수 있고, 이는 전력 저장 시스템(ESS)에 사용될 수 있다.
따라서, 본 발명의 범위는 상술한 형태의 전극을 사용하는 바나듐 레독스 흐름전지와, 이를 사용하는 전력 저장 시스템(ESS)을 모두 포함한다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당 업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실 시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (15)

  1. 바나듐 레독스 흐름전지용 전극으로,
    적어도 둘 이상의 탄소 소재 기반의 페이퍼가 적층된 구조이며, 상기 탄소 소재 기반의 페이퍼는 천공된 패턴을 적어도 하나 이상 포함하며,
    상기 탄소 소재 기반의 페이퍼는 일정 간격으로 천공 패턴이 둘 이상 정렬된 구조를 가지며, 이로써 천공 패턴 방향에 따라 상기 전극과 접촉하는 전해질 유동 방향이 결정되며,
    상기 탄소 소재 기반 페이퍼 전극의 천공 패턴은 실질적인 반응 비표면적 증가와 유동 손실을 감소시키기 위해 0.3 mm ~ 1 mm 범위의 천공 지름 크기, 5mm 이하 일정 간격의 천공을 갖는 것을 특징으로 하는 바나듐 레독스 흐름전지용 전극.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 탄소 소재 기반의 페이퍼는 마이크로 단위의 두께를 가지며, 상기 전극에서의 탄소페이퍼 압축률은 0 ~ 40% 범위인 것을 특징으로 하는 바나듐 레독스 흐름전지용 전극.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 탄소 소재 기반의 페이퍼는 탄소 소재를 포함하는 페이퍼 형태이며, 탄소 페이퍼 (Carbon paper) 또는 버키 페이퍼 (Bucky paper)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있는 것을 특징으로 하는 바나듐 레독스 흐름전지용 전극.
  8. 제 1항, 제 6항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 따른 바나듐 레독스 흐름전지용 전극을 제조하기 위한 방법으로,
    탄소 소재 기반의 페이퍼에 천공 패턴을 형성하는 단계; 및
    상기 천공 패턴이 형성된 탄소 소재 기반의 페이퍼를 적층하는 단계를 포함하며,
    상기 탄소 소재 기반의 페이퍼는 일정 간격으로 천공 패턴이 둘 이상 정렬된 구조를 가지며, 이로써 천공 패턴 방향에 따라 상기 전극과 접촉하는 전해질 유동 방향이 결정되며,
    상기 탄소 소재 기반 페이퍼 전극의 천공 패턴은 실질적인 반응 비표면적 증가와 유동 손실을 감소시키기 위해 0.3 mm ~ 1 mm 범위의 천공 지름 크기, 5mm 이하 일정 간격의 천공을 갖는 것을 특징으로 하는 바나듐 레독스 흐름전지용 전극 제조방법.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 바나듐 레독스 흐름전지용 전극 제조방법은,
    상기 탄소 소재 기반의 페이퍼에 천공 패턴을 형성하는 단계 후, 천공 패턴 형성에 따라 발생하는 가공 이물질을 제거하기 위한 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바나듐 레독스 흐름전지용 전극 제조방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 천공 패턴을 형성하는 단계는 플라즈마 가공, 레이저 가공, CNC 가공, 니들 펀칭 (Needle punching) 가공방법으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나로 진행되는 것을 특징으로 하는 바나듐 레독스 흐름전지용 전극 제조방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 플라즈마 가공은 천공 패턴이 가공된 마스킹 플레이트 (Masking plate)에 의하여 활성화된 가스 이온으로 상기 탄소 소재 기반의 페이퍼에 천공 패턴을 형성하는 방식으로 진행되는 것을 특징으로 하는 바나듐 레독스 흐름전지용 전극 제조방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 플라즈마 가공에 의하여 상기 탄소 소재 기반의 페이퍼에는 표면 처리 가 천공 패턴 형성과 동시에 진행되는 것을 특징으로 하는 바나듐 레독스 흐름전지용 전극 제조방법.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 천공 패턴 형성에 따라 발생하는 가공 이물질을 제거하기 위한 단계는,
    침지세척,　분무세척,　초음파 세척,　압축 공기 분사를 통한 세척,　진공 세척 방식으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나로 진행되는 것을 특징으로 하는 바나듐 레독스 흐름전지용 전극 제조방법.
  14. 제 1항, 제 6항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 따른 바나듐 레독스 흐름전지용 전극을 포함하는 따른 바나듐 레독스 흐름전지.
  15. 제 14항에 따른 바나듐 레독스 흐름전지를 포함하는 전력 저장 시스템.
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