KR20150003583A - 전극 제조 장비 및 그를 이용한 전극 제조 방법 및 이차전지 제조 방법 - Google Patents

전극 제조 장비 및 그를 이용한 전극 제조 방법 및 이차전지 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 그 내부에 가스를 수용할 수 있도록 튜브 형태로 이루어지며, 그 표면에 다수의 가스 배출홀을 구비하는 가스 배출부; 및 상기 가스 배출부와 연통되어 있어 상기 가스 배출부로 가스를 공급하는 가스 유입부를 포함하여 이루어진 전극 제조 장비 및 그를 이용한 전극 제조 방법 및 이차전지 제조 방법에 관한 것이다.

Description

전극 제조 장비 및 그를 이용한 전극 제조 방법 및 이차전지 제조 방법{Apparatus of manufacturing electrode and method of manufacturing electrode and Secondary Battery using the same}
본 발명은 이차전지에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 산화환원 유동 에너지 저장 장치(redox flow energy storage device)의 전극 제조 장비에 관한 것이다.
일반적으로 전력 공급 시스템은 화력 발전이 주를 이루고 있으나, 화력 발전은 화석 연료의 연소로 발생하는 많은 양의 이산화 탄소로 인해서 환경 오염 문제를 야기하고 있으며, 이와 같은 환경 오염 문제를 해결하기 위해서 친환경 에너지에 대한 관심이 증가하고 있다.
산화환원 유동 에너지 저장 장치(redox flow energy storage device)는 친환경 에너지의 활용과 밀접한 관련이 있는 것으로서, 산화환원 유동 에너지 저장 장치는 탱크 용량 및 전지 스택수를 가변하여 출력 및 에너지 밀도를 용이하게 변경할 수 있고 반영구적으로 사용할 수 있는 등의 장점이 있어 대용량 전력 저장용으로 각광받고 있다.
이와 같은 산화환원 유동 에너지 저장 장치는 가수가 변하는 금속 이온의 산화 환원 반응을 이용하여 충전 및 방전하는 전지로서, 이하 도면을 참조로 종래의 산화환원 유동 에너지 저장 장치에 대해서 설명하기로 한다.
도 1은 종래의 산화환원 유동 에너지 저장 장치의 개략적 단면도이다.
도 1에서 알 수 있듯이, 종래의 산화환원 유동 에너지 저장 장치는 이온 교환막(10), 및 상기 이온 교환막(10)을 사이에 두고 형성된 양극(20)과 음극(30)을 포함하여 이루어진다.
금속 이온의 산화 환원 반응은 상기 이온교환막(10)을 통해서 상기 양극(20) 및 음극(30) 사이에서 일어나며, 이와 같은 산화 환원 반응에 의해서 전기가 생성되게 된다.
이와 같은 양극(20)과 음극(30)으로는 탄소 펠트가 이용된다. 상기 탄소 펠트는 높은 공극률을 가지고 있기 때문에 전해질이 양극(20) 또는 음극(30)을 적시면서 유동하는 산화환원 유동 에너지 저장 장치에 적합하다. 또한, 상기 탄소 펠트는 높은 비표면적을 가지고 있기 때문에 양극(20) 및 음극(30)의 반응속도를 향상시킬 수 있다.
그러나, 이와 같은 탄소 펠트는 그 표면이 소수성을 띄기 때문에 전해질이 쉽게 침투하지 못하는 단점이 있고, 따라서, 탄소 펠트의 표면에 산소 관능기를 도입하여 탄소 펠트의 표면을 친수성으로 개질하는 방안이 고안된 바 있다.
보다 구체적으로, 탄소 펠트에 대해서 열처리를 수행하여 탄소 펠트의 표면을 친수성으로 개질하는 방안이 제안된 바 있다. 그러나, 이와 같은 열처리 방법의 경우 탄소 펠트에 균일하게 열을 전달하지 못하여 탄소 펠트 표면 전체에 균일한 개질이 이루어지지 않는 단점이 있다.
본 발명은 전술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로서, 본 발명은 탄소 펠트 표면 전체에 균일한 열처리가 가능한 전극 제조 장비 및 그를 이용한 전극 제조 방법 및 이차전지 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해서, 그 내부에 가스를 수용할 수 있도록 튜브 형태로 이루어지며, 그 표면에 다수의 가스 배출홀을 구비하는 가스 배출부; 및 상기 가스 배출부와 연통되어 있어 상기 가스 배출부로 가스를 공급하는 가스 유입부를 포함하여 이루어진 전극 제조 장비를 제공한다.
본 발명은 또한, 그 내부에 가스를 수용할 수 있도록 튜브 형태로 이루어지며, 그 표면에 다수의 가스 배출홀을 구비하는 가스 배출부; 및 상기 가스 배출부와 연통되어 있어 상기 가스 배출부로 가스를 공급하는 가스 유입부를 포함하여 이루어진 전극 제조 장비를 준비하는 공정; 챔버 내부에 감겨진 상태의 전극 재료를 위치시키는 공정; 상기 감겨진 상태의 전극 재료의 중앙부 내부로 상기 가스 배출부를 삽입하는 공정; 및 상기 가스 배출홀을 통해서 고온의 가스를 배출하는 공정을 포함하여 이루어진 전극 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 또한 전극 제조 방법을 포함하여 이루어진 이차 전지 제조방법을 제공한다.
이상과 같은 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 감겨진 상태의 전극 재료의 중앙부에 고온의 가스를 배출할 수 있기 때문에 전극 재료 전체적으로 균일한 열처리가 가능하다.
도 1은 종래의 산화환원 유동 에너지 저장 장치의 개략적 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 제조 장비의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 제조 방법을 보여주는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 산화환원 유동 에너지 저장 장치의 개략적인 단면도이다.
이하, 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 제조 장비의 개략도이다.
도 2에서 알 수 있듯이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 제조 장비(1)는 가스 배출부(3) 및 가스 유입부(7)를 포함하여 이루어진다.
상기 가스 배출부(3)는 그 내부에 가스를 수용할 수 있도록 튜브 형태로 이루어지며, 그 표면에 다수의 가스 배출홀(5)을 구비하고 있어 상기 가스 배출홀(5)을 통해서 외부로 가스가 배출될 수 있다. 상기 다수의 가스 배출홀(5)은 상기 가스 배출부(3)의 표면에 균일하게 배열되어 있어 가스가 외부로 균일하게 배출될 수 있다.
상기 가스 배출부(3)의 일단(3a)은 상기 가스 유입부(7)와 연통되어 있고, 상기 가스 배출부(3)의 타단(3b)은 막혀있다. 상기 가스 배출부(3)의 타단(3b)은 감겨진 상태의 전극 재료(200)의 중앙부(201) 내부로 용이하게 삽입될 수 있도록 라운드(round) 형태로 이루어진 것이 바람직하다.
상기 가스 유입부(7)는 상기 가스 배출부(3)의 일단(3a)과 연통되어 있어, 상기 가스 유입부(7)를 통해 고온의 가스가 유입되어 상기 가스 배출부(3)로 전달된다. 도시하지는 않았지만 상기 가스 유입부(7)의 말단은 고온 가스 생성 장치와 연통되어 있어, 상기 고온 가스 생성 장치에서 고온의 가스를 생성하여 상기 가스 유입부(7)로 보낸다. 상기 고온 가스 생성 장치는 히터를 구비한 컴프레서 등과 같이 당업계에 공지된 다양한 장치가 이용될 수 있다.
상기 가스 유입부(7)도 상기 가스 배출부(3)와 유사하게 그 내부로 가스가 이동할 수 있도록 튜브 형태로 이루어진다. 상기 가스 유입부(7)를 구성하는 튜브의 직경과 상기 가스 배출부(3)를 구성하는 튜브의 직경은 서로 상이할 수 있지만 서로 동일해도 무방하다.
이상 설명한 전극 제조 장비(1)를 이용하여 전극을 제조하는 방법을 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 제조 방법을 보여주는 개략도이다.
도 3에서 알 수 있듯이, 챔버(9) 내부에 감겨진 상태의 전극 재료(200)를 위치시키고, 상기 감겨진 상태의 전극 재료(200)의 중앙부(201) 내부로 전술한 전극 제조 장비(1)를 삽입한다.
즉, 상기 가스 배출부(3)의 타단(3b)에서부터 상기 감겨진 상태의 전극 재료(200)의 중앙부(201) 내부로 삽입하여, 상기 가스 배출부(3)가 상기 감겨진 상태의 전극 재료(200)의 중앙부(201) 내부 전체에 삽입될 수 있도록 한다.
이와 같이 상기 가스 배출부(3)가 상기 감겨진 상태의 전극 재료(200)의 중앙부(201) 내부 전체에 삽입된 상태에서 상기 가스 유입부(7)를 통해 상기 가스 배출부(3)로 고온의 가스를 공급하여 상기 가스 배출부(3)에 구비된 가스 배출홀(5)을 통해서 고온의 가스를 배출한다. 그리하면, 상기 고온의 가스가 상기 전극 재료(200)의 중앙부(201)에서부터 그 표면(202)까지 이동하면서 상기 전극 재료(200)을 전체적으로 가열하게 된다.
한편, 도시하지는 않았지만, 상기 챔버(9)의 내부에도 고온의 가스를 공급하며, 따라서, 공급된 고온의 가스에 의해서 상기 전극 재료(200)의 표면(202)에서부터 상기 전극 재료(200)의 중앙부(201)까지 고온의 가스가 전달될 수 있다.
이 경우, 상기 챔버(9) 내부에 공급된 고온의 가스는 상기 전극 재료(200)의 표면(202)에서부터 중앙부(201)까지 이동하면서 상기 전극 재료(200)를 가열하고, 상기 전극 제조 장비(1)의 가스 배출홀(5)을 통해 배출된 고온의 가스는 상기 전극 재료(200)의 중앙부(201)에서부터 표면(202)까지 이동하면서 상기 전극 재료(200)를 가열한다. 따라서, 상기 전극 재료(200)에 대해서 전체적으로 균일한 열처리 공정을 수행할 수 있다.
상기 전극 재료(200)는 감겨진 상태로 준비되며, 이와 같은 감겨진 상태의 전극 재료(200)는 PAN계, 피치계, 또는 레이온계 등의 탄화수소화합물을 이용하여 탄소 섬유를 제조하고, 상기 탄소 섬유를 펠트 방적을 통해 탄소 펠트로 제조하고, 제조한 탄소 펠트를 감는 공정을 통해서 얻을 수 있다.
본 발명은 전술한 바와 같은 방법으로 제조한 전극을 이용하여 이차전지를 제조하는 방법을 제공한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 산화환원 유동 에너지 저장 장치의 개략적인 단면도이다
도 4에서 알 수 있듯이, 본 발명의 일 실시예에 따른 산화환원 유동 에너지 저장 장치는, 이온교환막(100), 전극(200a, 200b), 바이폴라 플레이트(300a, 300b), 집전체(400a, 400b), 탱크(500a, 500b), 및 배관(610a, 610b, 620a, 620b)을 포함하여 이루어진다.
상기 이온교환막(100)은 이차 전지의 충전 및 방전시 상기 전극(200a, 200b) 사이에서 이온이 이동하는 통로역할을 한다.
상기 전극(200a, 200b)은 상기 이온교환막(100)의 일측에 위치하는 양극(200a), 및 상기 이온교환막(100)의 타측에 위치하는 음극(200b)으로 이루어진다. 상기 전극(200a, 200b)은 전술한 방법에 의해 제조된 전극 물질(200)을 커팅하여 얻는다.
상기 바이폴라 플레이트(300a, 300b)는 전하를 전달하는 전도체 역할을 한다. 상기 바이폴라 플레이트(300a, 300b)는 도 2에 도시된 바와 같이 집전체(400a, 400b)와 연결되어 있어 상기 전극(200a, 200b)에서 발생된 전하를 상기 집전체(400a, 400b)를 통해 인출할 수 있도록 한다. 또한, 도시되지는 않았지만, 복수 개의 단위셀이 적층되는 경우 하나의 단위셀의 양극(200a)과 인접하는 다른 하나의 단위셀의 음극(200b) 사이에 바이폴라 플레이트(300a, 300b)가 위치할 수 있고 그 경우의 바이폴라 플레이트(300a 300b)는 상기 하나의 단위셀의 양극(200a)과 다른 하나의 단위셀의 음극(200b) 중 어느 하나의 전극을 통해 발생된 전하를 다른 하나의 전극으로 전달하는 역할을 한다.
상기 바이폴라 플레이트(300a, 300b)는 흑연, 흑연 또는 탄소가 포함된 플라스틱 복합체, 금/백금 코팅된 금속 중 선택된 소재로 이루어질 수 있다.
상기 집전체(400a, 400b)는 상기 바이폴라 플레이트(300a, 300b), 특히, 복수 개의 단위셀이 적층된 경우에는 최외곽의 바이폴라 플레이트(300a, 300b)에 각각 전기적으로 연결되는 것이 바람직하다. 다만, 복수 개의 단위셀이 적층된 경우, 최외곽이 아닌 하나의 단위셀의 양극과 다른 하나의 단위셀의 음극 사이에 위치하는 바이폴라 플레이트에 집전체를 추가로 연결할 수도 있다.
상기 집전체(400a, 400b)로는 전도성이 좋은 물질을 모두 사용할 수 있으나, 바람직하게는 구리를 사용할 수 있다.
상기 탱크(500a, 500b)는 상기 양극(200a)과 연결된 양극 전해질 탱크(500a) 및 상기 음극(200b)과 연결된 음극 전해질 탱크(500b)로 이루어진다.
상기 양극 전해질 탱크(500a)에는 양극 전해질이 저장되어 있어, 상기 양극 전해질 탱크(500a)와 상기 양극(200a) 사이에서 상기 양극 전해질이 유동하게 된다. 또한, 상기 음극 전해질 탱크(500b)에는 음극 전해질이 저장되어 있어, 상기 음극 전해질 탱크(500b)와 상기 음극(200b) 사이에서 상기 음극 전해질이 유동하게 된다.
상기 양극 전해질은 바나듐 4가 이온 또는 바나듐 5가 이온을 포함할 수 있고, 상기 음극 전해질은 바나듐 2가 이온 또는 바나듐 3가 이온을 포함할 수 있다. 이와 같이 본 발명의 일 실시예는 바나듐 이온을 이용하는 바나듐 산화환원 유동 에너지 저장 장치로 이루어질 수 있다. 다만, 반드시 그에 한정되는 것은 아니고, 본 발명은 바나듐 이외의 다양한 전해질을 이용한 산화환원 유동 에너지 저장 장치에 적용될 수 있다.
상기 배관(610a, 610b, 620a, 620b)은 양극 전해질 유입 배관(610a), 음극 전해질 유입 배관(610b), 양극 전해질 유출 배관(620a), 및 음극 전해질 유출 배관(620b)으로 이루어진다.
상기 양극 전해질 유입 배관(610a)은 상기 양극 전해질 탱크(500a)와 양극(200a) 사이를 연결하여 상기 양극 전해질 탱크(500a)에 저장된 양극 전해질을 상기 양극(200a)으로 전달한다. 상기 음극 전해질 유입 배관(610b)은 상기 음극 전해질 탱크(500b)와 음극(200b) 사이를 연결하여 상기 음극 전해질 탱크(500b)에 저장된 음극 전해질을 상기 음극(200b)으로 전달한다.
상기 양극 전해질 유출 배관(620a)은 상기 양극 전해질 탱크(500a)와 양극 (200a) 사이를 연결하여 상기 양극(200a)에서 상기 양극 전해질 탱크(500a)로 양극 전해질을 전달한다. 상기 음극 전해질 유출 배관(620b)은 상기 음극 전해질 탱크(500b)와 음극(200b) 사이를 연결하여 상기 음극(200b)에서 상기 음극 전해질 탱크(500b)로 음극 전해질을 전달한다.
이상 설명한 산화환원 유동 에너지 저장 장치는 당업계에 공지된 방법으로 각각의 구성을 제조한 후, 당업계에 공지된 방법으로 각각의 구성을 조립하는 공정을 통해 제조될 수 있다.
1: 전극 제조 장비 3: 가스 배출부
5: 가스 배출홀 7: 가스 유입부
9: 챔버 100: 이온교환막
200: 전극 재료 200a: 양극
200b: 음극 300a, 300b: 바이폴라 플레이트
400a, 400b: 집전체 500a, 500b: 탱크
610a, 610b, 620a, 620b: 배관

Claims (7)

  1. 그 내부에 가스를 수용할 수 있도록 튜브 형태로 이루어지며, 그 표면에 다수의 가스 배출홀을 구비하는 가스 배출부; 및
    상기 가스 배출부와 연통되어 있어 상기 가스 배출부로 가스를 공급하는 가스 유입부를 포함하여 이루어진 전극 제조 장비.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가스 배출부의 일단은 상기 가스 유입부와 연통되어 있고, 상기 가스 배출부의 타단은 막혀 있는 것을 특징으로 하는 전극 제조 장비.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 가스 배출부의 타단은 라운드 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극 제조 장비.
  4. 그 내부에 가스를 수용할 수 있도록 튜브 형태로 이루어지며, 그 표면에 다수의 가스 배출홀을 구비하는 가스 배출부; 및 상기 가스 배출부와 연통되어 있어 상기 가스 배출부로 가스를 공급하는 가스 유입부를 포함하여 이루어진 전극 제조 장비를 준비하는 공정;
    챔버 내부에 감겨진 상태의 전극 재료를 위치시키는 공정;
    상기 감겨진 상태의 전극 재료의 중앙부 내부로 상기 가스 배출부를 삽입하는 공정; 및
    상기 가스 배출홀을 통해서 고온의 가스를 배출하는 공정을 포함하여 이루어진 전극 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 챔버 내부에 고온의 가스를 공급하는 공정을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 제조 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 감겨진 상태의 전극 재료는 탄화수소화합물을 이용하여 탄소 섬유를 제조하고, 상기 탄소 섬유를 펠트 방적을 통해 탄소 펠트로 제조하고, 상기 탄소 펠트를 감는 공정을 통해서 얻어진 것을 특징으로 하는 전극 제조 방법.
  7. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 전극 제조 방법을 포함하여 이루어진 이차 전지 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102016000098A1 (de) 2015-01-09 2016-07-14 Mando Corporation Schwingungsdämpfer vom Typ mit variabler Dämpfungskraft

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