KR20120029289A - 플라즈마로 표면 처리된 카본 펠트 전극을 가지는 레독스 플로우 이차 전지 - Google Patents

플라즈마로 표면 처리된 카본 펠트 전극을 가지는 레독스 플로우 이차 전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플라즈마로 표면 처리된 카본 펠트 전극을 가지는 레독스 플로우 이차 전지에 관한 것으로, 단위 셀, 한 쌍의 집전체 및 셀프레임을 포함하여 구성된다. 단위 셀은 플라즈마 조사를 통해 표면 처리된 카본 펠트를 이용하여 형성한 한 쌍의 전극을 포함한다. 한 쌍의 집전체는 단위 셀의 양면에 접합된다. 그리고 한 쌍의 셀프레임은 집전체의 바깥 면 각각에 부착된다. 본 발명에 따르면, 플라즈마가 조사된 카본펠트를 레독스 플로우 이차 전지의 양극 및 음극에 적용할 경우, 플라즈마 조사에 의한 카본 펠트의 표면 처리로 인하여 표면적이 향상 될 뿐 아니라, 전해액과의 친화성이 향상되어 레독스 플로우 이차전지의 에너지 효율을 향상시키는 효과가 있다. 또한, 30분 이내의 빠른 표면 처리로 인하여 생산 효율성 또한 향상시킬 수 있다.

Description

플라즈마로 표면 처리된 카본 펠트 전극을 가지는 레독스 플로우 이차 전지{A redox flow secondary cell with carbon felt electrode applied plasma surface treatment}
본 발명은 이차 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 플로즈마로 표면 처리된 카본 펠트(carbon felt) 전극을 가지는 레독스 플로우(redox flow) 이차 전지에 관한 것이다.
최근 환경오염 및 지구 온난화로 인하여 전 세계적으로 온실 가스를 줄이고자 하는 노력을 진행하고 있으며, 그 일환으로 신재생 에너지의 도입 확대, 친환경 자동차 개발, 전력 수급 시스템의 개선을 위한 전력 저장 시스템 개발과 같은 다양한 노력이 시도되고 있다.
대부분의 전력 공급 시스템은 화력 발전이 주를 이루고 있으나 화력 발전은 화석 연료의 사용으로 인하여 엄청난 양의 CO2 가스가 배출되며 이로 인한 환경오염 문제가 매우 심각한 실정으로 이러한 문제를 해결하기 위하여 친환경 에너지(풍력, 태양 에너지, 조력 등)를 이용한 전력 공급 시스템 개발이 급속히 증가하고 있는 실정이다.
대부분의 신재생 에너지는 자연에서 발생하는 청정에너지를 사용하기 때문에 환경오염과 관련된 배기가스의 배출이 없어 매력적이기는 하나 자연환경에 영향을 많이 받기 때문에 시간에 따른 출력 변동폭이 매우 크기 때문에 그 사용에 한계점을 가지고 있는 실정이다.
전력 저장 기술은 전력 이용의 효율화, 전력 공급 시스템의 능력이나 신뢰성 향상, 시간에 따른 변동폭이 큰 신재생 에너지의 도입 확대 등 에너지 전체에 걸쳐 효율적 이용을 위해 중요한 기술이며, 그 발전 가능성 및 사회적 기여에 대한 요구가 점점 증대되고 있는 실정이다. 특히, 이러한 분야에서 이차 전지의 활용도에 대한 기대치가 높아지고 있다.
레독스 플로우 이차 전지는 가변적으로 탱크 용량 및 전지 스택수를 변화시켜 출력 및 에너지 밀도를 손쉽게 바꿀 수 있고 반영구적으로 사용할 수 있는 장점을 가지고 있어 고용량 및 고효율 이차 전지가 적용되어야 하는 대용량 전력 저장용으로 가장 각광 받고 있는 이차 전지이다.
레독스 플로우 이차 전지는 가수가 변하는 금속 이온의 산화 환원 반응을 이용하여 충전 및 방전 하는 전지를 말한다.
레독스 플로우 이차 전지는 셀프레임이 전체 셀의 윤곽을 형성하고 있으며 셀 중앙이 이온 교환막에 의해 분리되며 이온 교환막을 중심으로 양극 및 음극의 전극이 위치하고 있으며 전기 전도를 위한 바이폴라 플레이트와 집전체가 구성되어 있으며 전해질을 담아놓는 양극 탱크와 음극 탱크 그리고 전해질이 들어가는 유입구와 전해질이 다시 나오는 유출구로 구성된다.
상기에 언급한 레독스 플로우 전지를 전력 저장용 이차 전지로 적용하기 위해서는 출력 및 에너지 효율을 증가시켜야 하는데 이를 위해서는 레독스 커플의 산화환원 반응이 발생하는 양극 및 음극의 반응 면적을 넓히고 전해액과의 친화성을 향상시켜야 한다.
상용 레독스 플로우 이차 전지의 양극 및 음극에 사용되는 카본펠트의 경우 표면적이 작고 전해액과의 친화성이 매우 떨어지기 때문에 아무런 표면 처리 없이 사용할 경우 에너지 효율이 낮아진다. 이러한 문제를 해결하고자 카본 펠트에 다양한 표면 처리가 수행되어지고 있으나, 그 표면 처리 시간이 매우 길기 때문에 표면 처리를 수행하는 효율성이 떨어진다는 결점이 있다.
따라서 상술한 바와 같은 종래의 문제를 감안한 본 발명의 목적은 단시간의 표면 처리로 반응 표면적과 전해액과의 친화성을 향상시킨 플라즈마로 표면 처리된 카본 펠트 전극을 가지는 레독스 플로우 이차 전지를 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 단시간의 표면 처리로 반응 표면적과 전해액과의 친화성을 향상시킨 카본 펠트 전극을 가지는 단위 셀이 복수개 형성된 플라즈마로 표면 처리된 카본 펠트 전극을 가지는 레독스 플로우 이차 전지를 제공함에 있다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레독스 플로우 이차 전지는, 플라즈마 조사를 통해 표면 처리된 카본 펠트(carbon felt)를 이용하여 형성한 한 쌍의 전극을 포함하는 단위 셀; 상기 단위 셀의 양면에 접합되는 한 쌍의 집전체; 및 상기 집전체 각각의 바깥 면에 부착되는 한 쌍의 셀프레임;을 포함한다.
상기 카본 펠트는 폴리아크릴로나이트릴(PAN, polyacrylonitrile) 계열 및 레이온(Rayon) 계열 중 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 한다.
상기 플라즈마 조사를 통한 표면 처리는 플라스마 소스로 H2, O2, CO2, N2, C2H2, Ar 또는 공기를 사용하여, 플라즈마 파워 10 내지 200W에서, 1 내지 30분간 수행하는 것을 특징으로 한다.
상기 단위 셀은 이온교환막; 양극 및 음극 한 쌍이며 상기 이온교환막 양면에 양극 및 음극 한 쌍이 각각 접합되는 상기 한 쌍의 전극; 및 일면이 상기 한 쌍의 전극 각각의 바깥 면에 접합되고 타면이 상기 집전체에 접합되는 한 쌍의 플레이트;를 포함한다.
상기 전극은 실버 페이스트 또는 카본 페이스트를 상기 전극의 내면에 사용하여 상기 플레이트와 부착되는 것을 특징으로 한다.
상기 단위 셀은 상기 전극 상호간 상기 이온교환막을 통해 산화 환원 반응에 따라 전기를 발생하는 것을 특징으로 한다.
상기 집전체는 상기 플레이트를 통해 상기 발생된 전기를 인출하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 이차 전지는, 상기 셀프레임 각각의 좌우에 배치되어 각각 양극 및 음극 전해질을 인출할 수 있도록 저장하는 양극 및 음극 탱크; 상기 양극 및 음극 탱크와 각각 연결되어 상기 전해질을 공급하는 펌프; 상기 전해질이 상기 셀프레임을 통해 상기 단위 셀로 들어가도록 상기 펌프와 상기 셀프레임을 연결하는 유입구; 및 상기 단위 셀로부터 유출되는 전해질이 상기 양극 및 음극 탱크에 유입되도록 상기 셀프레임과 상기 양극 및 음극 탱크 각각을 연결하는 유출구;를 더 포함한다.
여기서, 상기 양극 전해질로 V4+/V5+ 커플을 사용하고, 상기 음극 전해질로 V2+/V3+ 레독스 커플을 사용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 양극 전해질로 브로민 레독스 커플을 사용하고, 상기 음극 전해질로 설파이드 레독스 커플을 사용하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 양극 전해질로 바나듐 레독스 커플을 사용하고, 상기 음극 전해질로 브로민 레독스 커플을 사용하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 레독스 플로우 이차 전지는, 서로 마주보며 이격되어 형성되는 한 쌍의 셀프레임; 상기 한 쌍의 셀프레임 안쪽 면 각각에 부착되는 한 쌍의 집전체; 및 상기 한 쌍의 집전체 사이에 형성되는 적어도 2개의 단위 셀;을 포함하며, 상기 단위 셀은 플라즈마 조사를 통해 표면 처리된 카본 펠트를 이용하여 형성한 한 쌍의 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 적어도 2개의 단위 셀은 서로 직렬로 연결됨을 특징으로 한다.
상기 카본 펠트는 폴리아크릴로나이트릴(PAN, polyacrylonitrile) 계열 및 레이온(Rayon) 계열 중 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 한다.
상기 플라즈마 조사를 통한 표면 처리는 플라스마 소스로 H2, O2, CO2, N2, C2H2, Ar 또는 공기를 사용하여, 플라즈마 파워 10 내지 200W에서, 1 내지 30분간 수행하는 것을 특징으로 한다.
상기 단위 셀은 이온교환막; 양극 및 음극 한 쌍이며 상기 이온교환막 양면에 양극 및 음극 한 쌍이 각각 접합되는 상기 한 쌍의 전극; 및 일면이 상기 한 쌍의 전극 각각의 바깥 면에 접합되고 타면이 상기 집전체에 접합되는 한 쌍의 플레이트;를 포함한다.
상기 전극은 실버 페이스트 또는 카본 페이스트를 상기 전극의 내면에 사용하여 상기 플레이트와 부착되는 것을 특징으로 한다.
상기 단위 셀은 상기 전극 상호간 상기 이온교환막을 통해 산화 환원 반응에 따라 전기를 발생하는 것을 특징으로 한다.
상기 집전체는 상기 플레이트를 통해 상기 발생된 전기를 인출하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 이차 전지는, 상기 셀프레임 각각의 좌우에 배치되어 각각 양극 및 음극 전해질을 인출할 수 있도록 저장하는 양극 및 음극 탱크; 상기 양극 및 음극 탱크와 각각 연결되어 상기 전해질을 공급하는 펌프; 상기 전해질이 상기 셀프레임을 통해 상기 단위 셀로 들어가도록 상기 펌프와 상기 셀프레임을 연결하는 유입구; 및 상기 단위 셀로부터 유출되는 전해질이 상기 양극 및 음극 탱크에 유입되도록 상기 셀프레임과 상기 양극 및 음극 탱크 각각을 연결하는 유출구;를 더 포함한다.
여기서, 상기 양극 전해질로 V4+/V5+ 커플을 사용하고, 상기 음극 전해질로 V2+/V3+ 레독스 커플을 사용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 양극 전해질로 브로민 레독스 커플을 사용하고, 상기 음극 전해질로 설파이드 레독스 커플을 사용하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 양극 전해질로 바나듐 레독스 커플을 사용하고, 상기 음극 전해질로 브로민 레독스 커플을 사용하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따르면, 플라즈마를 조사하여 표면 처리된 카본펠트를 레독스 플로우 이차 전지의 양극 및 음극에 적용할 경우, 플라즈마 조사에 의한 카본 펠트의 표면 처리로 인하여 표면적이 향상 될 뿐 아니라, 전해액과의 친화성이 향상되어 레독스 플로우 이차전지의 에너지 효율을 향상시키는 효과가 있다. 또한, 30시간 이내의 빠른 표면 처리로 인하여 생산 효율성 또한 향상되는 효과가 있다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지를 설명하기 위한 도면.
도 4 및 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지를 설명하기 위한 도면.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 효과를 설명하기 위한 그래프.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명의 실시예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지에 대해서 설명하기로 한다. 도 1 내지 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지를 설명하기 위한 도면이다.
여기서, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 각 구성을 분해하여 도시한 분해도이며, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 단면을 도시한 단면도이고, 도 3은 도 1 및 도 2의 이차 전지에서 양극 및 음극을 포함하는 전극의 미세구조를 도시한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지는 가수가 변하는 금속 이온의 산화 환원 반응을 이용하여 충전 또는 방전하는 레독스 플로우 이차 전지이다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 레독스 플로우 이차 전지는 2.0 V 이상의 전압 영역에서 구동된다.
본 발명의 실시예에 따른 이차 전지는 판형의 다층 구조로 이루어진 단위 셀(100)과 단위 셀(100)의 외곽 양면에 접합되며 판형으로 이루어진 한 쌍의 집전체(40)와 각 집전체(40)의 바깥 면에 접합되며 판형으로 형성된 셀프레임(50)을 포함한다.
여기서, 단위 셀(100)은 각각 판형인 이온교환막(10), 전극(20) 및 바이폴라 플레이트(이하, "플레이트"로 축약함)(30)를 포함한다. 단위 셀(100)은 이온교환막(10)을 중심으로, 이온교환막(10) 양면에 양극(cathode)과 음극(anode)이 한 쌍인 전극(20)이 마주보며 접합되며, 각 전극(20)의 바깥 면에 플레이트(30)가 접합되는 구조를 가진다. 즉, 각 양극 및 음극의 전극(20)은 각 플레이트(30)의 안쪽 면에 부착된다. 이때, 전기 전도성을 향상시키기 위하여, 실버 페이스트 또는 카본 페이스트를 전극(20)의 내면에 사용하여 전극(20)을 플레이트(30)에 부착시킨다. 이와 같이, 각각이 판형인 이온교환막(10), 전극(20) 및 플레이트(30)가 다층 구조로 하나의 단위 셀(100)을 이룬다. 단위 셀(100)에서 가수가 변하는 금속 이온의 산화 환원 반응이 이루어지며, 산화 환원 반응은 이온교환막(10)을 통해 양극 및 음극의 전극(20) 상호간 이루어진다. 이러한 산화 환원 반응에 따라 전기가 발생한다. 이와 같이, 단위 셀(100)의 양극과 음극의 전극(20)에서 전기가 발생하면, 플레이트(30)와 집전체(40)는 발생된 전기를 인출한다. 셀프레임(50)은 상술한 이온교환막(10), 한 쌍의 전극(20), 한 쌍의 플레이트(30) 및 한 쌍의 집전체(40)의 형상을 유지 및 지지한다.
본 발명의 실시예에 따른 전극(20)은 망사형의 구조의 카본 펠트 전극이다. 이러한 카본 펠트 전극은 다공성 구조이며, 카본 펠트 전극은 폴리아크릴로나이트릴(PAN, polyacrylonitrile) 계열 또는 레이온(Rayon) 계열로 형성한 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면 이러한 카본 펠트 전극에 플라즈마를 조사하여 표면을 처리한다. 이와 같이 플라즈마를 조사한 카본 펠트 전극의 미세 구조를 도 3에 도시하였다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 플라즈마가 조사된 카본 펠트 전극은 플라즈마 표면 처리로 인하여 반응 사이트가 증가하였고, 이러한 이유로 인하여 상용 카본 펠트가 가지고 있는 반응 표면적이 적다는 단점을 보완할 수 있다. 특히, 산화 환원 반응이 발생할 수 있는 반응 사이트(site)가 증가하였기 때문에 에너지 효율 및 전압 효율을 향상 시킬 수 있다.
이러한 플라즈마 조사를 통한 표면 처리는 플라스마 소스로 H2, O2, CO2, N2, C2H2, Ar 또는 공기를 사용하여, 플라즈마 파워 10 내지 200W에서, 1 내지 30분간 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지는 양극 탱크(60)와 음극 탱크(70), 펌프(Pump)(61, 71), 유입구(63, 73) 및 유출구(65, 75)를 더 포함하여 구성된다. 양극 탱크(60)와 음극 탱크(70)는 필요한 경우 인출할 수 있도록 전해질을 저장한다. 양극 탱크(60)는 양극의 전극(20)에 제공하기 위한 양극 전해질을 저장하며, 음극 탱크(70)는 음극의 전극(20)에 제공하기 위한 음극 전해질을 저장한다. 양극 탱크(60) 및 음극 탱크(70)는 각각 상술한 단위 셀(100)의 전극(20)에서 양극 및 음극에 대응하여 단위 셀(100)의 좌우에 배치된다. 또한, 양극 탱크(60) 및 음극 탱크(70)는 유입구(63, 73) 및 유출구(65, 75)를 통해 셀프레임(60)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. 또한, 펌프(Pump)(61, 71)는 양극 탱크(60) 및 음극 탱크(70)로부터 전해질을 인출하여 단위 셀(100)에 공급하기 위한 것이며, 각각의 양극 탱크(60) 및 음극 탱크(70)와 유입구(63, 73) 사이에 개재된다. 즉, 양극 탱크(60) 및 음극 탱크(70)로부터 인출된 전해질은 펌프(Pump)(61, 71), 유입구(63, 73), 각 셀프레임(50), 및 각 집전체(40)를 통해 단위 셀(100)에 공급되며, 역순으로 다시 양극 탱크(60) 및 음극 탱크(70)에 저장된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 양극 전해질로 V4+/V5+ 커플을 사용하고, 음극 전해질로 V2+/V3+ 레독스 커플을 사용할 수 있다. 또한, 양극 전해질로 브로민(Br) 레독스 커플을 사용하고, 음극 전해질로 설파이드 레독스 커플을 사용할 수 있다. 그리고 양극 전해질로 바나듐 레독스 커플을 사용하고, 음극 전해질로 브로민(Br) 레독스 커플을 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지는 복수개의 단위 셀(100)이 플레이트(30)에 의해 직렬로 연결된 이차 전지에도 적용이 가능하다. 이러한 복수개의 단위 셀(100)을 사용하는 이차 전지에 대해서 설명하기로 한다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지를 설명하기 위한 도면이다.
여기서, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지의 각 구성을 분해하여 도시한 분해도이며, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지의 단면을 도시한 단면도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지는 가수가 변하는 금속 이온의 산화 환원 반응을 이용하여 충전 또는 방전하는 레독스 플로우 이차 전지이다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 레독스 플로우 이차 전지는 2.0 V 이상의 전압 영역에서 구동된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지는 한 쌍의 셀프레임(50), 한 쌍의 집전체(40) 및 복수개의 단위 셀(100)을 포함한다.
한 쌍의 셀프레임(50)은 서로 소정 간격 이격하여 대향한다. 이와 같이, 서로 마주보는 한 쌍의 셀프레임(50) 각각의 안쪽 면에 한 쌍의 집전체(40) 각각이 접합된다. 집전체(50) 사이에는 복수개의 단위 셀(100)이 개재된다. 앞서 설명한 바와 같이, 복수개의 단위 셀(100)은 이온교환막(10), 양극과 음극을 포함하는 전극(20) 및 플레이트(30)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 복수의 단위 셀(100)은 서로 직렬로 연결되며, 연결되는 부분의 플레이트(30)를 서로 공유한다. 예컨대, 도 4 및 도 5에서는 3개의 단위 셀(100)이 형성된 이차 전지를 도시하였다. 도시된 바와 같이, 3개의 단위 셀은 연결되는 2개의 플레이트(30)를 공유하므로, 4개의 플레이트(30)가 존재한다. 이때, 전기 전도성을 향상시키기 위하여 실버 페이스트 또는 카본 페이스트를 전극(20)의 내면에 사용하여 전극(20)을 플레이트(30)에 부착시킨다.
이와 같이, 복수개의 단위 셀(100)이 직렬로 연결된 구조에서 각 전극(20)은 도 3에 개시된 바와 같이, 망사형의 구조의 카본 펠트 전극이다. 이러한 카본 펠트 전극은 다공성 구조이며, 카본 펠트 전극은 폴리아크릴로나이트릴(PAN, polyacrylonitrile) 계열 또는 레이온(Rayon) 계열로 형성한 것이다. 본 발명의 실시예에 따르면 이러한 카본 펠트 전극에 플라즈마를 조사시킨다. 이와 같이 플라즈마를 조사한 카본 펠트 전극의 미세 구조를 도 3에 도시한 바와 같다. 도시된 바와 같이, 플라즈마가 조사된 카본 펠트 전극은 플라즈마 표면 처리로 인하여 반응 사이트가 증가하였고, 이러한 이유로 반응 표면적이 적은 상용 카본 펠트의 단점을 보완할 수 있다. 특히, 산화 환원 반응이 발생할 수 있는 반응 사이트(site)가 증가하였기 때문에 에너지 효율 및 전압 효율을 향상 시킬 수 있다.
이러한 플라즈마 조사를 통한 표면 처리는 플라스마 소스로 H2, O2, CO2, N2, C2H2, Ar 또는 공기를 사용하여, 플라즈마 파워 10 내지 200W에서, 1 내지 30분간 수행할 수 있다.
또한, 도 4 및 도 5에 도시되지는 않았지만, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지는 양극 탱크(60)와 음극 탱크(70), 펌프(Pump)(61, 71), 유입구(63, 73) 및 유출구(65, 75)를 더 포함한다.
양극 탱크(60)와 음극 탱크(70)는 필요한 경우 인출할 수 있도록 각각 양극과 음극 전해질을 저장한다. 여기서, 양극 전해질로 V4+/V5+ 커플을 사용하고, 음극 전해질로 V2+/V3+ 레독스 커플을 사용할 수 있다. 또한, 양극 전해질로 브로민(Br) 레독스 커플을 사용하고, 음극 전해질로 설파이드 레독스 커플을 사용할 수 있다. 그리고 양극 전해질로 바나듐 레독스 커플을 사용하고, 음극 전해질로 브로민(Br) 레독스 커플을 사용할 수 있다.
이러한 양극 탱크(60) 및 음극 탱크(70)는 각각 상술한 단위 셀(100)의 전극(20)에서 양극 및 음극에 대응하여 단위 셀(100)의 좌우에 배치된다. 또한, 양극 탱크(60) 및 음극 탱크(70)는 유입구(63, 73) 및 유출구(65, 75)를 통해 셀프레임(60)과 연결된다. 또한, 펌프(Pump)(61, 71)는 양극 탱크(60) 및 음극 탱크(70)로부터 전해질을 인출하여 단위 셀(100)에 공급하며, 각각의 양극 탱크(60) 및 음극 탱크(70)와 유입구(63, 73) 사이에 개재된다. 즉, 양극 탱크(60) 및 음극 탱크(70)로부터 인출된 전해질은 펌프(Pump)(61, 71), 유입구(63, 73), 각 셀프레임(50), 및 각 집전체(40)를 통해 단위 셀(100)에 공급되며, 역순으로 다시 양극 탱크(60) 및 음극 탱크(70)에 저장된다.
다음으로, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 효과를 일반적인 이차 전지를 비교하여 설명하기로 한다. 도 6 내지 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 효과를 설명하기 위한 그래프이다.
먼저, 본 발명의 실시예에 따라 니켈로 제작된 두께 3 mm의 카본 펠트를 50mm ㅧ 60mm 크기로 잘라 O2 가스를 플라즈마 소스로 사용하여 표면 처리를 실시하였다. 이와 같이, 플라즈마로 표면 처리된 카본 펠트를 이용하여 카본 펠트 전극을 형성하고, 이러한 카본 펠트 전극을 이용하여 단위 셀(100)을 형성한다. 이때, 단위 셀(100)에서 플레이트(30)는 흑연(Graphite)을 사용하였고, 이온교환막(10)은 나피온을 사용하였다.
한편, 비교예로서 일반적인 이차 전지는 플라즈마로 표면을 처리하지 않은 카본 펠트를 이용하여 카본 펠트 전극을 형성하고, 이를 이용하여 단위 셀을 형성하였다.
이어서, 플라즈마로 표면 처리한 카본 펠트 전극과 플라즈마를 조사하지 않은 카본 펠트 전극이 적용된 이차 전지 각각의 IOR(Internal Ohmic Resistance) 및 차지 트랜스퍼(Charge Transfer) 저항을 측정하고, 충전 및 방전을 실시하였고 그 결과를 도 6 내지 도 9에 나타내었다.
도 6은 플라즈마로 표면 처리한 카본 펠트 전극과 플라즈마를 조사하지 않은 카본 펠트 전극이 적용된 이차 전지의 IOR 및 차지 트랜스퍼 저항 측정 결과를 비교하여 나타낸 그래프이다. 여기서, 도면 부호 (a)는 비교예로서 플라즈마를 조사 하지 않은 카본 펠트 전극이 적용된 단위 셀에 대한 측정 결과이며, 도면 부호 (b)는 플라즈마로 표면 처리한 카본 펠트 전극이 적용된 단위 셀의 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 플라즈마를 조사하지 않은 카본 펠트 전극을 적용한 (a)의 경우 IOR은 0.035이고 차지 트랜스퍼 저항은 0.059를 나타낸다. 반면, 플라즈마로 표면 처리한 카본 펠트 전극을 적용한 (b)의 경우 IOR은 0.023이고, 차지 트랜스퍼 저항은 0.036을 나타낸다.
개시된 결과를 통해 알 수 있듯이, 플라즈마로 표면 처리한 카본 펠트를 적용한 (b)의 IOR과 차지 트랜스퍼 저항이 플라즈마가 조사되지 않은 카본펠트를 적용한 (a)에 비해서 작게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이는 플라즈마로 표면 처리한 카본 펠트의 경우 표면 처리를 수행하였기 때문에 플라즈마가 조사되지 않은 카본 펠트보다 전해액과의 친화성 및 반응 사이트가 증가되었다는 것을 나타내는 것이다. 이러한 결과는 플라즈마로 표면 처리한 카본펠트 전극이 사용되어 저항이 감소하게 되므로 출력 특성을 증가시키는데 효과가 있다는 것을 나타낸다.
도 7 내지 도 9는 플라즈마로 표면 처리한 카본 펠트 전극과 플라즈마를 조사하지 않은 카본 펠트 전극이 적용된 이차 전지의 단위 셀의 쿨롬(Coulomb), 전압(Voltage) 및 에너지(Energy) 효율 결과를 나타낸 그래프이다. 여기서 도면 부호 (a)는 비교예로서 플라즈마 표면 처리가 수행되지 않은 카본펠트가 적용된 단위 셀에 대한 측정 결과이며, 도면부호 (b)는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마로 표면 처리한 카본펠트가 적용된 단위 셀의 측정결과를 나타낸 것이다.
도 7 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 플라즈마가 조사되지 않은 카본 펠트가 적용된 (a)의 경우, 쿨롬 효율은 80%, 전압 효율은 85%, 에너지 효율은 68%를 나타낸다. 반면에 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마로 표면 처리한 카본펠트가 적용된 (b)의 경우 쿨롬 효율은 86%, 전압 효율은 92%, 에너지 효율은 80%를 나타내었다. 이러한 결과는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마로 표면 처리한 카본펠트를 이용한 이차 전지가 쿨롬, 전압 및 에너지 효율이 더 높음을 알 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따라 플라즈마가 조사된 카본펠트를 레독스 플로우 이차 전지의 양극 및 음극에 적용할 경우, 플라즈마 조사에 의한 카본 펠트의 표면 처리로 인하여 표면적이 향상 될 뿐 아니라, 전해액과의 친화성이 향상되어 레독스 플로우 이차전지의 에너지 효율을 향상시키는 효과가 있다. 또한, 30분 이내의 빠른 표면 처리로 인하여 생산 효율성 또한 향상되는 효과가 있다.
이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시 예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시 예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 이와 같이, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 균등론에 따라 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.
100 : 단위 셀 10 : 이온교환막
20 : 전극 30 : 플레이트
40 : 집전체 50 : 셀프레임
60 : 양극 탱크 70 : 음극 탱크
61, 71 : 펌프 63, 73 : 유입구
65, 75 : 유출구

Claims (8)

  1. 레독스 플로우 이차 전지에 있어서,
    플라즈마 조사를 통해 표면 처리된 카본 펠트(carbon felt)를 이용하여 형성한 한 쌍의 전극을 포함하는 단위 셀;
    상기 단위 셀의 양면에 접합되는 한 쌍의 집전체; 및
    상기 집전체 각각의 바깥 면에 부착되는 한 쌍의 셀프레임;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 이차 전지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 카본 펠트는
    폴리아크릴로나이트릴(PAN, polyacrylonitrile) 계열 및 레이온(Rayon) 계열 중 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 이차 전지.
  3. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마 조사를 통한 표면 처리는
    플라스마 소스로 H2, O2, CO2, N2, C2H2, Ar 또는 공기를 사용하여, 플라즈마 파워 10 내지 200W에서, 1 내지 30분간 수행하는 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 이차 전지.
  4. 제1항에 있어서, 상기 단위 셀은
    이온교환막;
    양극 및 음극 한 쌍이며 상기 이온교환막 양면에 양극 및 음극 한 쌍이 각각 접합되는 상기 한 쌍의 전극; 및
    일면이 상기 한 쌍의 전극 각각의 바깥 면에 접합되고 타면이 상기 집전체에 접합되는 한 쌍의 플레이트;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 이차 전지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전극은 실버 페이스트 또는 카본 페이스트를 상기 전극의 내면에 사용하여 상기 플레이트와 부착되고,
    상기 단위 셀은 상기 전극 상호간 상기 이온교환막을 통해 산화 환원 반응에 따라 전기를 발생시키고,
    상기 집전체는 상기 플레이트를 통해 상기 발생된 전기를 인출하는 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 이차 전지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 셀프레임 각각의 좌우에 배치되어 각각 양극 및 음극 전해질을 인출할 수 있도록 저장하는 양극 및 음극 탱크;
    상기 양극 및 음극 탱크와 각각 연결되어 상기 전해질을 공급하는 펌프;
    상기 전해질이 상기 단위 셀로 유입되도록 상기 펌프와 상기 셀프레임을 연결하는 유입구; 및
    상기 단위 셀로부터 유출되는 전해질이 상기 양극 및 음극 탱크에 유입되도록 상기 셀프레임과 상기 양극 및 음극 탱크 각각을 연결하는 유출구;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 이차 전지.
  7. 레독스 플로우 이차 전지에 있어서,
    서로 마주보며 이격되어 형성되는 한 쌍의 셀프레임;
    상기 한 쌍의 셀프레임 안쪽 면 각각에 부착되는 한 쌍의 집전체; 및
    상기 한 쌍의 집전체 사이에 형성되는 적어도 2개의 단위 셀;을 포함하며,
    상기 단위 셀은 플라즈마 조사를 통해 표면 처리된 카본 펠트를 이용하여 형성한 한 쌍의 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 이차 전지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 양극 전해질로 V4+/V5+ 커플을 사용하고, 상기 음극 전해질로 V2+/V3+ 레독스 커플을 사용하며,
    상기 양극 전해질로 브로민 레독스 커플을 사용하고 상기 음극 전해질로 설파이드 레독스 커플을 사용하거나,
    상기 양극 전해질로 바나듐 레독스 커플을 사용하고, 상기 음극 전해질로 브로민 레독스 커플을 사용하는 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 이차 전지.
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KR20210089598A (ko) * 2020-01-08 2021-07-16 한국과학기술원 레독스 흐름 전지용 마이크로 채널을 갖는 탄소 기반 페이퍼 전극 및 그 제조 방법

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