KR20130106530A - 메탈로센을 이용한 흐름전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 양극 전극, 음극 전극, 상기 양극 전극과 상기 음극 전극 사이에 배치되는 격리막을 포함하는 전지 셀에 양극 전해액과 음극 전해액이 공급되어 충방전이 이루어지는 흐름전지에 있어서, 상기 양극 전해액 및 상기 음극 전해액 중에서 적어도 하나의 전해액은 메탈로센을 포함하는 전해질을 함유하고, 상기 양극 전해액 및 상기 음극 전해액은 전해질을 해리시키는 비수계 용매를 포함하는 흐름전지에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 용해도가 높고 반응속도가 빠른 메탈로센을 전해질로 사용함으로써 낮은 용해도와 낮은 반응속도(낮은 전류)를 나타내는 비수계 용매의 단점을 보완할 수 있고, 에너지밀도를 높일 수 있는 비수계 용매를 사용함으로써 에너지밀도가 높고 높은 출력을 제공할 수 있다.

Description

메탈로센을 이용한 흐름전지{Flow battery using the metallocene}
본 발명은 흐름전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 용해도가 높고 반응속도가 빠른 메탈로센을 전해질로 사용하고 에너지밀도를 높일 수 있는 비수계 용매를 사용함으로써 에너지밀도가 높고 높은 출력을 제공할 수 있는 흐름전지에 관한 것이다.
흐름전지는 에너지 저장물질로서, 산화환원이 가능한 산화환원 물질(redox pair, 레독스 쌍)을 포함하며, 용액 형태로 만들어져서 흐름전지에서 흘러가는 도중에 에너지를 축적 또는 방출하게 된다.
흐름전지는 대용량 에너지저장에 합당한 전지로서 주목받고 있다. 하지만, 에너지밀도가 낮아서 리튬이차전지에 비해서 2∼3배의 부피가 요구된다.
현재 상용화되어 있는 흐름전지의 에너지 저장물질은 일반적으로 수계 바나듐 이온을 이용하며, 아울러 전해질로서 하전이온은 수소이온(H+)을 사용하고 있다. 이러한 바나듐계 흐름전지는 이론적으로 약 1.2V의 전압을 발생하며 수용액이므로 이온전도도가 높아서 출력이 우수하고 또한 인화성 용매를 사용하지 않기 때문에 안전성이 우수하다. 하지만 낮은 전압으로 인해서 저장할 수 있는 에너지밀도가 낮은 단점이 있다. 흐름전지는 장주기용 에너지를 저장하므로 대형장치 설비를 하고, 건물형 장치이므로 공간의 제약을 덜 받긴 하지만, 낮은 에너지밀도는 그 만큼의 규모가 큰 설비를 의미하므로 건물의 크기를 증가시킨다. 이는 높은 에너지밀도로서 다양한 용도의 저장에 적용 가능한 리튬이차전지와 대비되는 부분이다.
바나듐(Vanadium)의 4개의 산화상태를 이용한 바나듐계 흐름전지는 멤브레인의 수명을 가장 오랫동안 유지하므로 10∼20년간 전지를 사용해도 좋은 내구성을 가지고 있다. 하지만, 전압이 낮아서 앞서 언급한 바와 같이 에너지밀도가 낮을뿐더러, 최대출력치도 낮아지는 영향을 준다. 또한, 바나듐계 흐름전지는 강한 산성조건이므로 전극이 서서히 부식되어 수명단축 및 출력저하를 유발할 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 용해도가 높고 반응속도가 빠른 메탈로센을 전해질로 사용하고 에너지밀도를 높일 수 있는 비수계 용매를 사용함으로써 에너지밀도가 높고 높은 출력을 제공할 수 있는 흐름전지를 제공함에 있다.
본 발명은, 양극 전극, 음극 전극, 상기 양극 전극과 상기 음극 전극 사이에 배치되는 격리막을 포함하는 전지 셀에 양극 전해액과 음극 전해액이 공급되어 충방전이 이루어지는 흐름전지에 있어서, 상기 양극 전해액 및 상기 음극 전해액 중에서 어느 하나의 전해액은 메탈로센을 포함하는 전해질을 함유하고 나머지 하나의 전해액은 금속착물을 포함하는 전해질을 함유하며, 상기 양극 전해액 및 상기 음극 전해액은 전해질을 해리시키는 비수계 용매를 포함하는 흐름전지를 제공한다.
또한, 본 발명은, 양극 전극, 음극 전극, 상기 양극 전극과 상기 음극 전극 사이에 배치되는 격리막을 포함하는 전지 셀에 양극 전해액과 음극 전해액이 공급되어 충방전이 이루어지는 흐름전지에 있어서, 상기 양극 전해액 및 상기 음극 전해액은 메탈로센을 포함하는 전해질을 함유하고, 상기 양극 전해액 및 상기 음극 전해액은 전해질을 해리시키는 비수계 용매를 포함하는 흐름전지를 제공한다.
상기 메탈로센은 M(C5H5)2(여기서, M은 Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Mn, Cu, Zn, Ce, Al, Pb, Sn, Zr, Nb, Mo 및 Ru 중에서 선택된 1종 이상의 금속임)의 화학식을 갖는 유기금속화합물일 수 있다.
상기 금속착물은 Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Mn, Cu, Zn, Ce, Al, Pb, Sn, Zr, Nb, Mo 및 Ru 중에서 선택된 1종 이상의 금속을 포함하는 물질일 수 있다.
상기 메탈로센은 M(C5H5)2(여기서, M은 Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Mn, Cu, Zn, Ce, Al, Pb, Sn, Zr, Nb, Mo 및 Ru 중에서 선택된 1종 이상의 금속임)의 화학식을 갖는 유기금속화합물일 수 있고, 상기 금속착물은 Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Mn, Cu, Zn, Ce, Al, Pb, Sn, Zr, Nb, Mo 및 Ru 중에서 선택된 1종 이상의 금속을 포함하는 물질일 수 있으며, 상기 메탈로센을 구성하는 금속과 상기 금속착물을 구성하는 금속은 서로 다른 이종의 금속으로 이루어질 수 있다.
상기 메탈로센은 M(C5H5)2(여기서, M은 Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Mn, Cu, Zn, Ce, Al, Pb, Sn, Zr, Nb, Mo 및 Ru 중에서 선택된 1종 이상의 금속임)의 화학식을 갖는 유기금속화합물일 수 있고, 상기 양극 전해액의 전해질인 메탈로센을 구성하는 금속과 상기 음극 전해액의 전해질인 메탈로센을 구성하는 금속은 서로 다른 이종의 금속으로 이루어질 수 있다.
상기 비수계 용매는 CH3CN을 포함하는 용매일 수 있다.
또한, 상기 비수계 용매는 프로필렌 카보네이트 및 에틸렌 카보네이트 중에서 선택된 1종 이상의 카보네이트를 포함하는 용매일 수 있다.
또한, 상기 비수계 용매는 초임계 이산화탄소를 포함하는 용매일 수 있다.
또한, 상기 비수계 용매는 에탄올, 메탄올, 글리콜 및 폴리올 중에서 선택된 1종 이상의 알콜을 포함하는 용매일 수 있다.
또한, 상기 비수계 용매는 사가암모늄계 양이온, 피롤리디늄계 양이온 및 피페리디늄계 양이온 중에서 선택된 1종 이상의 양이온을 포함하는 이온성 액체일 수 있다.
상기 양극 전극 및 상기 음극 전극은 도전성 금속, 도전성 금속복합재, 도전성 폴리머, 그라파이트 펠트 또는 니켈 펠트를 포함하는 전극으로 이루어질 수 있다.
상기 격리막은 음이온 교환막 또는 양쪽이온 교환막으로 이루어질 수 있다.
본 발명에 의하면, 용해도가 높고 반응속도가 빠른 메탈로센을 전해질로 사용함으로써 낮은 용해도와 낮은 반응속도(낮은 전류)를 나타내는 비수계 용매의 단점을 보완할 수 있고, 에너지밀도를 높일 수 있는 비수계 용매를 사용함으로써 에너지밀도가 높고 높은 출력을 제공할 수 있다.
수계 용매를 사용하는 흐름전지는 강한 산성조건에서 사용되므로 전극이 서서히 부식되어 수명단축 및 출력저하를 유발할 수 있지만, 본 발명의 흐름전지는 비수계 용매를 이용함으로써 이러한 현상을 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 흐름전지를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 메탈로센의 산화환원 반응을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 3은 전기화학 시리즈(electrochemical series)을 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 흐름전지는, 양극 전극, 음극 전극, 상기 양극 전극과 상기 음극 전극 사이에 배치되는 격리막을 포함하는 전지 셀에 양극 전해액과 음극 전해액이 공급되어 충방전이 이루어지는 흐름전지로서, 상기 양극 전해액 및 상기 음극 전해액 중에서 어느 하나의 전해액은 메탈로센을 포함하는 전해질을 함유하고 나머지 하나의 전해액은 금속착물을 포함하는 전해질을 함유하며, 상기 양극 전해액 및 상기 음극 전해액은 전해질을 해리시키는 비수계 용매를 포함한다.
본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 흐름전지는, 양극 전극, 음극 전극, 상기 양극 전극과 상기 음극 전극 사이에 배치되는 격리막을 포함하는 전지 셀에 양극 전해액과 음극 전해액이 공급되어 충방전이 이루어지는 흐름전지로서, 상기 양극 전해액 및 상기 음극 전해액은 메탈로센을 포함하는 전해질을 함유하고, 상기 양극 전해액 및 상기 음극 전해액은 전해질을 해리시키는 비수계 용매를 포함한다.
이하에서, 본 발명의 흐름전지에 대하여 더욱 구체적으로 설명한다.
흐름전지는 대용량 에너지저장에 합당한 전지로서 주목받고 있다. 하지만, 에너지밀도가 낮아서 리튬이차전지에 비해서 2∼3배의 부피가 요구된다. 에너지밀도를 개선하기 위해서는 기존의 수용액을 이용한 흐름전지와 비교되는 비수계 용매를 사용하는 레독스 쌍의 개발이 필요하다. 그러나, 비수계 용매에서의 레독스 쌍은 낮은 용해도와 느린 반응속도에 의해 의도했던 바의 목적을 달성하고 있지 못하다.
비수계 용매용 레독스 쌍의 문제점은 낮은 용해도(solubility)와 함께 낮은 반응속도(낮은 전류)이다. 낮은 용해도와 낮은 전류는 에너지 저장량뿐만 아니라, 전지의 출력에도 직접적인 영향을 주므로 비수계 용매용 레독스 쌍의 연구에 직접적인 장벽으로 작용하였다.
본 발명에서는 레독스 쌍으로 메탈로센을 포함한 흐름전지를 제시한다. 메탈로센은 용해도가 높고 반응속도가 빨라서 기존의 비수계 용매의 단점을 개선할 것으로 기대된다.
도 1은 본 발명에 따른 흐름전지를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 흐름전지는 양극 전극(110), 음극 전극(120), 양극 전극(110)과 음극 전극(120) 사이에 배치되는 격리막(130)을 포함하는 전지 셀에 양극 전해액(140)과 음극 전해액(150)이 공급되어 충방전이 이루어진다.
흐름전지는 양극 전극(110)과 양극 전해액(140)을 포함하는 양극 셀(115)과, 음극 전극(120)과 음극 전해액(150)을 포함하는 음극 셀(125)과, 양극 셀(115)과 음극 셀(125)을 분리하고 이온을 투과시키는 격리막(130)을 포함한다. 양극 셀(115), 음극 셀(125) 및 격리막(130)은 전지 셀을 구성한다. 흐름전지는 이러한 전지 셀이 복수 개 연결되거나 스태킹(stacking)되어 형성될 수 있다.
양극 셀(115)에는 양극 전해액(140)을 공급하기 위한 제1 탱크(155)가 도관(160, 165)을 통해 접속된다. 음극 셀(125)에는 음극 전해액(150)을 공급하기 위한 제2 탱크(170)가 도관(175, 180)을 통해 접속된다. 도관(160)에는 양극 전해액(140)을 순환시키기 위한 펌프(미도시)가 구비될 수 있고, 도관(175)에는 음극 전해액(150)을 순환시키기 위한 펌프(미도시)가 구비될 수 있다.
제1 탱크(155)에 내장된 양극 전해액(140)은 도관(160)을 통해 양극 셀(115)에 공급되고, 양극 셀(115)에 공급된 양극 전해액(140)은 도관(165)을 통해 배출되어 제1 탱크(155)로 유입되게 된다. 제2 탱크(170)에 내장된 음극 전해액(150)은 도관(175)을 통해 음극 셀(125)에 공급되고 음극 셀(125)에 공급된 음극 전해액(150)은 도관(180)을 통해 배출되어 제2 탱크(170)로 유입되게 된다. 이와 같이 양극 전해액(140)과 음극 전해액(150)은 순환되게 공급되고, 양극 전해액(140)과 음극 전해액(150)이 흐름전지 내에서 흘러가는 도중에 충전과 방전이 이루어지게 된다.
본 발명의 일 예에 따른 흐름전지는, 양극 전해액(140) 및 음극 전해액(150) 중에서 어느 하나의 전해액은 메탈로센을 포함하는 전해질을 함유하고 나머지 하나의 전해액은 금속착물을 포함하는 전해질을 함유하며, 양극 전해액(140) 및 음극 전해액(150)은 전해질을 해리시키는 비수계 용매를 포함한다. 예컨대, 양극 전해액(140)이 메탈로센을 포함하는 전해질을 함유하고 음극 전해액(150)이 금속착물을 포함하는 전해질을 함유하거나, 음극 전해액(150)이 메탈로센을 포함하는 전해질을 함유하고 양극 전해액(140)이 금속착물을 포함하는 전해질을 함유할 수 있다.
본 발명의 다른 예에 따른 흐름전지는, 양극 전해액(140) 및 음극 전해액(150)은 메탈로센을 포함하는 전해질을 함유하고, 양극 전해액(140) 및 음극 전해액(150)은 전해질을 해리시키는 비수계 용매를 포함한다.
비수계 용매, 특히 유기용매에서 용해도와 반응속도가 느린 금속이온의 문제점을 개선하기 위해서 용해도와 반응속도가 빠른 물질로서 본 발명에서는 메탈로센(metallocene)을 사용한다. 상기 메탈로센은 M(C5H5)2(여기서, M은 Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Mn, Cu, Zn, Ce, Al, Pb, Sn, Zr, Nb, Mo 및 Ru 중에서 선택된 1종 이상의 금속임)의 화학식을 갖는 유기금속화합물일 수 있다. 양극 셀(115)과 음극 셀(125) 중 적어도 하나의 반전지 셀은 메탈로센(metallocene)을 포함하는 전해질을 사용함으로써 느린 반응속도와 용해도 문제를 상당 부분 개선할 수 있다.
예컨대, 양극 전해액(140)과 음극 전해액(150) 중 어느 하나의 전해액은 용해도와 반응속도가 빠른 메탈로센을 포함하는 전해질을 사용하고 나머지 하나의 전해액은 금속착물을 포함하는 전해질을 사용하는 경우에 높은 출력전압을 확보할 수 있다. 이 경우, 상기 메탈로센은 M(C5H5)2(여기서, M은 Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Mn, Cu, Zn, Ce, Al, Pb, Sn, Zr, Nb, Mo 및 Ru 중에서 선택된 1종 이상의 금속임)의 화학식을 갖는 유기금속화합물일 수 있고, 상기 금속착물은 Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Mn, Cu, Zn, Ce, Al, Pb, Sn, Zr, Nb, Mo 및 Ru 중에서 선택된 1종 이상의 금속을 포함하는 물질일 수 있으며, 상기 메탈로센을 구성하는 금속과 상기 금속착물을 구성하는 금속은 서로 다른 이종의 금속으로 이루어질 수 있다. 이러한 구조를 갖는 흐름전지에서 메탈로센은 반응속도를 개선하여 높은 전류를 제공하며, 금속착물은 메탈로센과 비교해서 높은 전압차를 제공하여 출력전압을 증가시키는 역할을 할 수 있으며, 금속착물의 용해도와 반응속도는 전지의 에너지 밀도와 출력에 영향을 준다. 금속착물의 예로는 [Ru(bpy)3]2+ (여기서, bpy는 바이피리리딘(bipyridine)임), M(acac)3 (여기서, M은 Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Mn, Cu, Zn, Ce, Al, Pb, Sn, Zr, Nb, Mo 또는 Ru 이고, acac는 아세틸아세토네이트(acetylacetonate) 임) 등이 있다.
또한, 양극 전해액(140) 및 음극 전해액(150) 모두 메탈로센을 포함하는 전해질을 함유하되 양극 전해액(140)의 전해질인 메탈로센을 구성하는 금속과 음극 전해액(150)의 전해질인 메탈로센을 구성하는 금속이 서로 다른 이종의 금속으로 이루어지게 하는 경우에 높은 출력전압을 확보할 수 있다. 메탈로센의 금속이온, 치환기 금속의 리간드 등의 변화가 더 큰 출력전압을 가능하게 한다.
도 2는 메탈로센의 산화환원 반응을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2를 참조하면, 메탈로센은 유기용매에 용해가 잘되며 산화환원 속도가 빨라서 가역적인(reversible) 산화환원반응을 나타낸다. 이러한 메탈로센의 사용은 용해도와 반응속도의 개선을 동시에 제공할 수 있다.
예컨대, 메탈로센의 대표적인 물질인 페로센(ferrocene)은 물질의 안정성이 아주 높으며, 철 이온 대신에 니켈과 코발트 등으로 치환된 물질 등 다양한 메탈로센이 합성 가능하다.
도 3은 전기화학 시리즈(electrochemical series)을 보여주는 도면이고, 상기 전기화학 시리즈는 흐름전지에서 사용되고 있는 대표적인 이온들의 수용액에서의 환원전위를 표시한 것이며, 1개의 전자만 참여하는 환원전위 값이며 배위리간드는 배재된 상태를 표시하였다.
도 3을 참조하면, 금속이온에 결합되는 배위 리간드가 전자를 금속이온에 제공하는 성질인지 또는 금속이온으로부터 빼앗은 전기음성도가 높은 배위자인지에 따라 환원전위가 높아지거나 또는 낮아질 수 있어서 전지 셀에서의 출력전압에 영향을 미칠 수 있다.
예컨대, 메탈로센의 금속이온이 Fe2 +에서 Co2 +로 치환되면 상대적으로 환원전압이 1.33 V 낮아진다. 메탈로센의 사이클로펜타다이에닐 링(cyclopentadienyl ring)에서 치환기에 따라 환원 전압의 변화를 줄 수 있는 여지가 많은 것이다.
양극 전해액(140) 및 음극 전해액(150)은 전해질을 해리시키는 비수계 용매를 포함하며, 상기 비수계 용매는 CH3CN을 포함하는 용매일 수 있다.
또한, 상기 비수계 용매는 프로필렌 카보네이트 및 에틸렌 카보네이트 중에서 선택된 1종 이상의 카보네이트를 포함하는 용매일 수 있다. 프로필렌 카보네이트와 에틸렌 카보네이트는 유전율이 높은 특성을 갖는다.
또한, 상기 비수계 용매는 초임계 이산화탄소를 포함하는 용매일 수 있다. 보통 온도·압력에서는 기체와 액체가 되는 물질도 임계점(supercritical point)이라고 불리는 일정한 고온·고압의 한계를 넘으면 증발 과정이 일어나지 않아서 기체와 액체의 구별을 할 수 없는 상태, 즉 임계 상태가 되며, 이 임계 상태에 있는 이산화탄소를 초임계 이산화탄소(supercritical carbon dioxide)라고 한다. 초임계 이산화탄소는 분자의 밀도가 액체에 가깝지만, 점성도는 낮아 기체에 가까운 성질을 가지며, 확산이 빠르고 열전도성이 높은 성질을 갖는다. 초임계 상태에는 용해도가 낮아서 용해시킬 수 없는 물질들을 용해시킬 수 있는 특징이 있고, 온도와 압력이 높아서 반응속도를 빠르게 할 수 있으므로 에너지 밀도와 출력을 동시에 개선할 수 있는 가능성이 있다.
또한, 상기 비수계 용매는 에탄올, 메탄올, 글리콜 및 폴리올 중에서 선택된 1종 이상의 알콜을 포함하는 용매일 수 있다.
또한, 상기 비수계 용매는 사가암모늄계 양이온, 피롤리디늄계 양이온 및 피페리디늄계 양이온 중에서 선택된 1종 이상의 양이온을 포함하는 이온성 액체일 수 있다. 상기 비수계 용매는 사가암모늄계 양이온, 피롤리디늄계 양이온 및 피페리디늄계 양이온에 다양한 음이온이 조합되어 형성된 이온성 액체일 수 있다.
상기 이온성 액체에 포함되는 음이온은 비스(플루오로설포닐)이미드 음이온, NO3 -, PF6 -, BF4 -, SbF6 -, CF3SO3 -, (CN)2N-, (CF3SO2)2N-, (C2F5SO2)2N-, (CF3SO2)3C-, CF3CO2 -, C3F7CO2 -, CH3CO2 - 등의 다양한 음이온을 적어도 1종 이상 포함하며, 이에 한정되는 것이 아니다.
상기 피롤리디늄계 양이온을 포함하는 이온성 액체의 예로는, 메틸피롤리디늄 메틸포스페이트, 에틸메틸피롤리디늄 에틸포스페이트, 부틸메틸피롤리디늄 부틸포스페이트, 부틸에틸피롤리디늄 에틸포스페이트, 다이부틸피롤리디늄 부틸포스페이트, 헥실피롤리디늄 헥실포스페이트, 옥틸피롤리디늄 옥틸포스페이트 등을 들 수 있다.
상기 피페리디늄계 양이온을 포함하는 이온성 액체의 예로는, 에틸피페리디늄 에틸포스페이트, 부틸메틸피페리디늄 부틸포스페이트, 헥실메틸피페리디늄 메틸포스페이트 등을 들 수 있다.
양극 전극(110) 및 음극 전극(120)으로는 Au, Pt 등과 같은 도전성 금속, Au, Pt 등과 같은 금속을 포함하는 도전성 금속복합재, 폴리아세틸렌, 폴리티오펜과 같은 도전성 폴리머, 그라파이트 펠트(graphite felt)와 같은 전기전도성을 갖는 전극재를 사용할 수 있으나, 바람직하게는 비표면적이 높고 비교적 가격이 저렴하며 전기전도성이 우수한 니켈 펠트(nickel felt)를 사용한다.
양극 전극(110)과 음극 전극(120) 사이에 배치되는 격리막(130)은 음이온 교환막 또는 양쪽이온 교환막으로 이루어질 수 있다. 메탈로센의 산화환원 반응에서 금속이온의 산화상태 균형을 유지시켜 주는 것은 음이온이며, 산화환원 반응에 참여하는 음이온을 전해질의 공동이온으로 사용하고, 음이온 교환막을 사용하는 경우에는 나피온(Nafion)과 같은 수소이온 격리막의 여러 가지 문제를 회피하고, 가격적인 부담도 덜어줄 수 있다.
상술한 본 발명에 따른 흐름전지는 전지의 구조가 간단하고 아울러 설치가 간단하여 짧은 시간에 건설할 수 있는 장점이 있다. 또한 흐름전지는 단일스택이 오작동하게 되면 해당 스택(stack)만 교체하면 되므로 손쉽게 수리를 할 수 있어서 유지관리가 편리하여 장기간 사용이 가능한 에너지 저장장치에 합당하다. 이에 따라 산업에서 전력의 안정성이 반드시 요구되는 화학플랜트, 인터넷 데이타 센타(internet data center; IDC), 반도체회사 등에서 정전을 대비해 완충전력으로 사용될 수 있는 가능성이 높다. 또한, 환경 훼손 문제 때문에 건설하기 어려웠던 양수발전소를 대체해서 사용할 수 있는 활용가능성이 높다. 또한, 전력의 품질이 일정하지 않은 신재생에너지 발전단지에서 생산된 전력을 저장하여 품질이 균일한 전력으로 출력하는 시설로서 그 크기가 다양하게 건설이 가능하며, 특히 대규모 신재생 발전단지는 주위에 민간시설이 없는 산간지역이거나 해양이므로 유기용매가 활용될 수 있는 흐름전지의 대규모 시설도 가능할 것을 기대된다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
110: 양극 전극
115: 양극 셀
120: 음극 전극
125: 음극 셀
130: 격리막
140: 양극 전해액
150: 음극 전해액
155: 제1 탱크
170: 제2 탱크
160, 165, 175, 180: 도관

Claims (12)

  1. 양극 전극, 음극 전극, 상기 양극 전극과 상기 음극 전극 사이에 배치되는 격리막을 포함하는 전지 셀에 양극 전해액과 음극 전해액이 공급되어 충방전이 이루어지는 흐름전지에 있어서,
    상기 양극 전해액 및 상기 음극 전해액 중에서 어느 하나의 전해액은 메탈로센을 포함하는 전해질을 함유하고 나머지 하나의 전해액은 금속착물을 포함하는 전해질을 함유하며,
    상기 양극 전해액 및 상기 음극 전해액은 전해질을 해리시키는 비수계 용매를 포함하는 흐름전지.
  2. 양극 전극, 음극 전극, 상기 양극 전극과 상기 음극 전극 사이에 배치되는 격리막을 포함하는 전지 셀에 양극 전해액과 음극 전해액이 공급되어 충방전이 이루어지는 흐름전지에 있어서,
    상기 양극 전해액 및 상기 음극 전해액은 메탈로센을 포함하는 전해질을 함유하고,
    상기 양극 전해액 및 상기 음극 전해액은 전해질을 해리시키는 비수계 용매를 포함하는 흐름전지.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 메탈로센은 M(C5H5)2(여기서, M은 Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Mn, Cu, Zn, Ce, Al, Pb, Sn, Zr, Nb, Mo 및 Ru 중에서 선택된 1종 이상의 금속임)의 화학식을 갖는 유기금속화합물인 것을 특징으로 하는 흐름전지.
  4. 제1항에 있어서, 상기 금속착물은 Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Mn, Cu, Zn, Ce, Al, Pb, Sn, Zr, Nb, Mo 및 Ru 중에서 선택된 1종 이상의 금속을 포함하는 물질인 것을 특징으로 하는 흐름전지.
  5. 제1항에 있어서, 상기 메탈로센은 M(C5H5)2(여기서, M은 Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Mn, Cu, Zn, Ce, Al, Pb, Sn, Zr, Nb, Mo 및 Ru 중에서 선택된 1종 이상의 금속임)의 화학식을 갖는 유기금속화합물이고,
    상기 금속착물은 Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Mn, Cu, Zn, Ce, Al, Pb, Sn, Zr, Nb, Mo 및 Ru 중에서 선택된 1종 이상의 금속을 포함하는 물질이며,
    상기 메탈로센을 구성하는 금속과 상기 금속착물을 구성하는 금속은 서로 다른 이종의 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 흐름전지.
  6. 제2항에 있어서, 상기 메탈로센은 M(C5H5)2(여기서, M은 Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Mn, Cu, Zn, Ce, Al, Pb, Sn, Zr, Nb, Mo 및 Ru 중에서 선택된 1종 이상의 금속임)의 화학식을 갖는 유기금속화합물이고,
    상기 양극 전해액의 전해질인 메탈로센을 구성하는 금속과 상기 음극 전해액의 전해질인 메탈로센을 구성하는 금속은 서로 다른 이종의 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 흐름전지.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 비수계 용매는 CH3CN을 포함하는 용매인 것을 특징으로 하는 흐름전지.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 비수계 용매는 프로필렌 카보네이트 및 에틸렌 카보네이트 중에서 선택된 1종 이상의 카보네이트를 포함하는 용매인 것을 특징으로 하는 흐름전지.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 비수계 용매는 초임계 이산화탄소를 포함하는 용매인 것을 특징으로 하는 흐름전지.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 비수계 용매는 에탄올, 메탄올, 글리콜 및 폴리올 중에서 선택된 1종 이상의 알콜을 포함하는 용매인 것을 특징으로 하는 흐름전지.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 비수계 용매는 사가암모늄계 양이온, 피롤리디늄계 양이온 및 피페리디늄계 양이온 중에서 선택된 1종 이상의 양이온을 포함하는 이온성 액체인 것을 특징으로 하는 흐름전지.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 격리막은 음이온 교환막 또는 양쪽이온 교환막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 흐름전지.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2019520677A (ja) * 2016-06-10 2019-07-18 ユニベルシテ ド レ−ンヌ １ 電気化学におけるアジュバントとしてのイオン液体の使用
US11648506B2 (en) * 2018-02-07 2023-05-16 Palo Alto Research Center Incorporated Electrochemical desalination system
US11872528B2 (en) 2021-11-09 2024-01-16 Xerox Corporation System and method for separating solvent from a fluid
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