KR20150004218U

KR20150004218U - 개선된 플로우 배터리용 전극

Info

Publication number: KR20150004218U
Application number: KR2020157000042U
Authority: KR
Inventors: 로렌스 케이 존스; 하이밍 샤오
Original assignee: 그라프텍 인터내셔널 홀딩스 인코포레이티드
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2014-01-30
Publication date: 2015-11-24
Also published as: JP3203665U; CN205752372U; EP2973783A1; US20160013497A1; EP2973783A4; WO2014149192A1

Abstract

플로우 배터리용 전극은 약 0.05 g/cc 내지 약 0.2 g/cc의 벌크 밀도, 및 건조 중량 및 전해질에 액침시킨 후의 평형 중량을 갖는 탄화 펠트를 포함한다. 탄소 펠트에 대해, 건조 중량의 적어도 20배인 평형 중량을 가능하게 하는 처리를 수행한다.

Description

개선된 플로우 배터리용 전극 {IMPROVED ELECTRODE FOR FLOW BATTERIES}

플로우 배터리는 전해질이 전기화학 전지를 통해 흐르는 연료 전지의 한 유형이다. 전지는 화학 에너지를 전기로 가역적으로 변환시킨다. 전해질은 일반적으로 탱크에 저장된 액체이고, 배터리의 전지를 통해 펌핑된다. 충전을 위해 어떠한 전원도 이용할 수 없는 경우에는, 단순히 전해질 유체를 교체함으로서 재충전이 수행될 수 있다.

바나듐 산화환원 배터리는 상이한 산화 상태의 바나듐 이온을 사용하여 화학적 위치 에너지를 저장하는 재충전가능한 플로우 배터리의 한 유형이다. 바나듐 산화환원 배터리는 용액 중에서 4가지 상이한 산화 상태로 존재하는 바나듐의 능력(capability)을 기반으로 하여 구동된다. 바나듐 산화환원 배터리 설계의 한 이점은, 다른 배터리 기술에서 발견되는 통상적인 부작용 없이 장기간 동안 방전 상태로 존재할 수 있는 대형 저장 탱크를 사용함으로써 매우 큰 용량을 제공할 수 있다는 점이다.

바나듐 산화환원 배터리는 통상적으로, 두 전해질이 양성자 교환 막에 의해 분리된 전력 전지의 조립체를 포함한다. 전해질 둘 다는 바나듐계이며, 양극 전지의 전해질은 VO₂ ⁺ 및 VO²⁺ 이온을 포함하고, 음극 전지의 전해질은 V³⁺ 및 V²⁺ 이온을 포함한다. 전해질은 임의의 수의 공정에 의해 제조될 수 있다. 예를 들어, 한 접근법은 황산 (H₂SO₄)에 오산화 바나듐 (V₂O₅)을 전해 용해시키는 것을 포함한다. 생성된 용액은 통상적으로 강산성이다.

바나듐 플로우 배터리에서는, 각각의 반전지가 저장 탱크 및 펌프에 접속되어, 큰 부피의 전해질이 반전지(half-cell)를 통해 순환될 수 있도록 한다. 바나듐 배터리의 충전시에, 전자가 배터리의 양극 단자로부터 제거됨에 따라, 양극 전지의 VO²⁺ 이온이 VO₂ ⁺ 이온으로 변환된다. 유사하게, 음극 전지에서는, 전자가 도입되어 V³⁺ 이온을 V²⁺로 변환시킨다.

한 측면에 따라, 플로우 배터리용 전극은, 약 0.05 g/cc 내지 약 0.2 g/cc의 벌크 밀도를 갖고 건조 중량(dry weight), 및 전해질에 액침시킨 후의 평형 중량(equilibrium weight)을 갖는 탄화 펠트를 포함한다. 평형 중량은 건조 중량의 적어도 20배이다.

또 다른 측면에 따라, 플로우 배터리용 전극은 작업 유체(working fluid)로서 전해질을 갖는다. 전극은 약 0.05 g/cc 내지 약 0.2 g/cc의 벌크 밀도를 갖는 탄화 펠트 물질을 포함한다. 탄화 펠트 물질의 0.75 cm 두께 부분은 15초 미만 동안 중력 하에 전해질에 액침된다.

또 다른 측면에 따라, 플로우 배터리용 전극의 제조 방법은 약 0.05 g/cc 내지 약 0.2 g/cc의 벌크 밀도를 갖는 탄소 펠트를 제공하는 단계를 포함한다. 탄소 펠트를 산 용액에 노출시킨다. 탄소 펠트를 추가로, 적어도 1시간 동안 적어도 300℃로 열 처리한다.

도 1은 본 고안에 따른 플로우 배터리의 부분 개략도이다.
도 2는 본 고안에 따른 다중전지 플로우 배터리의 부분 개략도이다.

단일전지 바나듐 산화환원 배터리가 도 1에 도시 및 기재되어 있으며, 일반적으로 숫자 10으로 나타낸다. 각각의 전지(12)는 대향하는 전극들(16) 사이에 배치된 양성자 교환 막(14)을 포함한다. 막(14)과는 반대쪽인 각각의 전극(16) 측 상에, 플레이트(18) (통상적으로 바이폴라 플레이트로도 지칭됨)가 존재한다. 제1 탱크(20)는 제1 전해질 유체를 포함하며, 제2 탱크(22)는 제2 전해질 유체를 포함한다. 제1 탱크(20)는 제1 전극(16a)과 유체 접속하며, 제2 탱크(22)는 제2 전극(16b)과 유체 접속한다. 펌프(24)는 탱크(20/22)로부터 전극(16)을 통해 전해질 유체를 선택적으로 인출하여 구동 전류를 생성시킨다. 유사하게, 그를 통해 전해질 유체를 펌핑하면서 전류를 전지(12)에 인가하여 배터리를 "충전"할 수 있다.

막(14)은 양성자 교환 막이다. 막(14)은 두 전해질을 분리하지만 (양극 및 음극 측을 생성시킴), 그를 통해 H⁺의 이동을 가능하게 하여 전지를 전도성으로 유지시킨다. 막(14)은 유리하게는, 예를 들어 나피온(Nafion)으로 제조될 수 있다.

전극(16)은 일반적으로, 배터리로부터 작업 전하(working charge)를 생성시키는 전기화학 반응을 가능하게 하면서 그를 통해 전해질 유체가 흐르는 것을 가능하게 하는 다공성 재료이다. 특히 바람직한 한 실시양태에서, 전극(16)은 다공성 탄소 재료이다. 특히, 탄소 섬유 매트릭스 또는 펠트는 화학 저항 및 비교적 높은 전기 전도성을 고려해 볼 때 상기 응용에 특히 적합한 것으로 도시되었다. 섬유는 유리하게는 탄화 레이온계 섬유일 수 있다. 다른 실시양태에서, 섬유는 탄화 PAN계 섬유일 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 섬유는 다른 석유계 산물로부터의 탄화 피치 섬유 또는 탄화 섬유로부터 유래될 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 탄화 섬유는 식물 유래 셀룰로스 피브릴, 예컨대 리그닌으로부터 유래될 수 있다.

전극(16)은 약 0.05 g/cc 내지 약 0.2 g/cc의 벌크 밀도를 갖는다. 다른 실시양태에서, 전극(16) 벌크 밀도는 약 0.06 g/cc 내지 약 0.08 g/cc이다. 또 다른 실시양태에서, 본 고안에 하기 기재된 전극 처리는 전극 벌크 밀도가 적어도 0.08 g/cc, 더 유리하게는 적어도 0.1 g/cc, 보다 더 유리하게는 적어도 0.15 g/cc이도록 한다.

플레이트(18)는 유리하게는 흑연 시트 재료로 형성된다. 흑연 시트를 제조하는 통상적인 방법은, 그 개시내용이 본원에 참조로 포함되는 셰인(Shane) 등의 미국 특허 번호 3,404,061에 기재되어 있다. 한 방법에서, 삽입(intercalation) 용액에 박편을 분산시킴으로써 천연 흑연 박편이 삽입된다. 삽입 용액은 관련 기술분야에 공지된 산화제 및 다른 삽입제, 예컨대 질산, 염소산칼륨, 크로뮴산, 과망가니즈산칼륨, 크로뮴산칼륨, 중크로뮴산칼륨, 과염소산 등, 또는 예를 들어 농축 질산 및 염소산염, 크로뮴산 및 인산, 황산 및 질산과 같은 혼합물, 또는 강한 유기 산, 예를 들어 트리플루오로아세트산 및 유기 산에 가용성인 강한 산화제의 혼합물을 포함한다.

이렇게 처리된 흑연 입자는 때로는 "삽입된 흑연의 입자"로 지칭된다. 고온, 예를 들어 약 700℃ 내지 1000℃ 및 그 초과의 고온에 노출시에, 삽입된 흑연 입자는 c-방향으로, 즉 구성 흑연 입자의 결정면에 수직인 방향으로 아코디언-유사 방식으로 원래 부피의 약 80 내지 1000배 또는 그 초과만큼 크게 팽창된다. 팽창된, 즉 박리된 흑연 입자는 외형이 연충형(vermiform)이며, 따라서 통상적으로 웜(worm)으로 지칭된다. 웜은, 원래의 흑연 박편과는 달리, 다양한 형태로 성형 및 절단될 수 있는 가요성 시트로 함께 압축될 수 있다.

흑연 시트는 양호한 취급 강도로 결집되며, 예를 들어 롤-가압에 의해 약 0.075 mm 내지 3.75 mm, 더 유리하게는 약 0.2 mm 내지 약 1.5 mm, 보다 더 유리하게는 약 0.4 mm 내지 약 1.0 mm의 두께로 적합하게 압축된다. 바이폴라 플레이트에 사용하기 위한 흑연 시트는 유리하게는 약 1.0 내지 2.0 그램/세제곱 센티미터, 더 유리하게는 약 1.5 내지 2.0 그램/세제곱 센티미터의 밀도를 갖는다. 추가의 실시양태에서, 흑연 시트는 유리하게는 약 1.5 그램/세제곱 센티미터 초과, 더 유리하게는 약 1.8 그램/세제곱 센티미터 초과의 밀도를 갖는다.

흑연 시트는 유리하게는 수지로 처리되고, 흡수된 수지는 경화 후에 내습성 및 취급 강도, 즉 가요성 흑연 시트의 강성도(stiffness)를 증가시킨다. 적합한 수시 시스템은, 예를 들어 에폭시계 또는 폴리이미드계일 수 있다. 적합한 수지 함량은 바람직하게는 약 5 내지 50 중량% 및 더 바람직하게는 약 10 내지 약 40 중량%이다. 본 실시양태 또는 다른 실시양태에서, 수지 함량은 최대 약 60 중량%일 수 있다. 수지 밀도는 수지에 따라 1.0 g/cc 내지 1.5 g/cc일 수 있다. 수지 함침 후 흑연 시트의 밀도는 약 1.5 g/cc 내지 약 2 g/cc일 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 수지 함침 후 흑연 시트의 밀도는 약 1.6 g/cc 내지 약 1.8 g/cc일 수 있다.

이제 도 2를 참조하면, 다중전지 바나듐 산화환원 배터리가 도시되어 있으며, 일반적으로 숫자 100으로 나타내고, 여기서 같은 숫자는 같은 요소를 나타낸다. 다중전지 배터리는 다수의 전지(12a, 12b 및 12c)가 적층된 배열로 배치된 것을 제외하고는, 단일전지 변형예와 실질적으로 동일하게 작용한다. 이러한 방식으로, 배터리(100)의 구동을 통해 생성된 전류는 전지(12)에 의해 직렬로 생성되며, 이는 더 높은 전력 인가를 가능하게 한다.

사용시에, 전해질 유체가 전극(16)을 통해 흐름에 따라, 전극(16) 전반에 전위가 생성된다. 전극(16)은 구동 회로에 대해 구동가능하게 전기 접속된다. 실제로, 전극(16)에서 생성된 전류는 전극 계면(26)에서 인접한 플레이트(18)로 전해진다. 유리하게는, 전극(16) 및 플레이트(18)의 대향하는 주요 표면은 크기 및 프로파일이 실질적으로 동일하다. 다른 실시양태에서, 유리하게는 적어도 70 퍼센트, 더 유리하게는 80 퍼센트, 보다 더 유리하게는 적어도 95 퍼센트의 플레이트(18)의 표면적이 전극(16)의 표면과 맞물린다. 플레이트(18)는 또한 전지들의 스택 단부 (도시되지 않음)에서 집전체들을 통해 구동 회로에 직접 전기접속될 수 있거나, 적층된 다중전지 배터리의 경우에 다른 전극에 전기 접속될 수 있다.

성능은, 전극 계면(26)에서 감소된 전기 접촉 저항이 달성되는 경우에 유리하게 개선된다. 실제로, 감소된 접촉 저항은 계면(26) 전반에서 더 낮은 전압 손실로 이어지며, 이는 또한 더 높은 배터리 전력 출력으로 이어진다. 유리하게는, 플레이트(18)는 일반적으로 시트 또는 플레이트 형태이며, 따라서 대향하는 주요 표면을 포함한다. 유리하게는, 플레이트(18)의 적어도 하나의 주요 표면에 대해, 계면에서 전기 저항을 감소시키는 표면 처리를 수행한다. 상기와 같이 처리된 표면은 전극(16)에 인접하며 그와 접촉하는 전극 계면(26)을 형성한다. 다른 실시양태에서, 플레이트(18)의 두 주요 표면은 표면 처리를 포함한다.

본 고안의 한 측면에 따라, 표면 처리된 플레이트(18)는 하기 방법에 따라 제조된다. 수지 함침된 압축 박리 천연 흑연 시트는 상기 기재에 따라 제조된다. 이후에, 전극(16)과 접촉하는 플레이트(18)의 표면 상에서 표면 처리를 수행한다. 표면 처리는 바람직하게는 접촉 표면적을 증가시키며 그 결과 계면(26)에서 계면 표면 에너지를 감소시킨다. 표면 처리는 유리하게는 조면화 공정을 포함한다. 조면화 공정들의 예는, 저전력 샌드 블라스팅, 연마 페이퍼 처리, 낙사식 브러쉬(falling sand brush) 및 화학적 식각 처리들 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

본 고안의 목적들을 위해, 검출기 횡단 거리가 0.224 in인 마르(Mahr) 계량기를 이용하여 표면 조도 측정 (평균 최대 높이 및 산술 평균 조도)이 수행된다. 한 실시양태에서, 표면 처리는 수지 함침된 흑연 시트의 더 큰 표면 조도로 이어진다. 수지 함침된, 압축 박리 천연 흑연 플레이트(18)는, 표면 처리 전에, 약 5 μ-in 내지 약 50 μ-in, 더 바람직하게는 약 15 μ-in 내지 약 40 μ-in, 보다 더 바람직하게는 약 20 μ-in 내지 약 35 μ-in의 산술 평균 조도를 나타낼 수 있다. 수지 함침된 압축 박리 천연 흑연 플레이트는, 표면 처리 전에, 100 μ-in 미만, 더 바람직하게는 약 50 μ-in 미만, 보다 더 바람직하게는 약 30 μ-in 미만의 산술 평균 조도를 나타낼 수 있다.

또한, 수지 함침된 압축 박리 천연 흑연 플레이트는, 표면 처리 전에, 약 100 μ-in 내지 약 200 μ-in, 더 바람직하게는 약 120 μ-in 내지 약 180 μ-in, 보다 더 바람직하게는 약 130 μ-in 내지 약 170 μ-in의 프로파일의 평균 최대 높이를 나타낸다. 수지 함침된 압축 박리 천연 흑연 플레이트는, 표면 처리 전에, 200 μ-in 미만, 더 바람직하게는 약 180 μ-in 미만, 보다 더 바람직하게는 약 170 μ-in 미만의 프로파일의 평균 최대 높이를 나타낼 수 있다.

수지 함침된 압축 박리 천연 흑연 플레이트는, 표면 처리 후에, 약 100 μ-in 내지 약 500 μ-in, 더 바람직하게는 약 200 μ-in 내지 약 400 μ-in, 보다 더 바람직하게는 약 250 μ-in 내지 약 350 μ-in의 산술 평균 조도를 나타낼 수 있다. 수지 함침된 압축 박리 천연 흑연 플레이트는, 표면 처리 후에, 100 μ-in 초과, 더 바람직하게는 약 200 μ-in 초과, 보다 더 바람직하게는 약 300 μ-in 초과의 산술 평균 조도를 나타낼 수 있다.

또한, 수지 함침된 압축 박리 천연 흑연 플레이트는, 표면 처리 후에, 약 1000 μ-in 내지 약 2500 μ-in, 더 바람직하게는 약 1200 μ-in 내지 약 2000 μ-in, 보다 더 바람직하게는 약 1300 μ-in 내지 약 1700 μ-in의 프로파일의 평균 최대 높이를 나타낸다. 수지 함침된 압축 박리 천연 흑연 플레이트는, 표면 처리 후에, 1000 μ-in 초과, 더 바람직하게는 약 1250 μ-in 초과, 보다 더 바람직하게는 약 1500 μ-in 초과의 프로파일의 평균 최대 높이를 나타낼 수 있다.

유리하게는, 표면 처리 후 대 표면 처리 전의 산술 평균 조도의 비 (처리 후 조도/처리 전 조도)는 바람직하게는 적어도 3 이상, 더 바람직하게는 적어도 5이고, 보다 더 바람직하게는 적어도 10이다. 유사하게, 표면 처리 후 대 표면 처리 전의 프로파일의 평균 최대 높이의 비 (처리 후 평균 최대 높이/처리 전 평균 최대 높이)는 바람직하게는 적어도 3 이상, 더 바람직하게는 적어도 5이고, 보다 더 바람직하게는 적어도 10이다.

유리하게는, 전극(16)에 대해, 소수성 특성을 (전해질에 대해) 감소시키며 따라서 전극을 미처리 전극에 비해 상대적으로 더 친수성이 되도록 하는 처리를 수행한다. 상기 논의된 바와 같이, 전극(16)은 탄소 섬유 펠트이다. 처리는 탄소 섬유 전극을 산 용액에 노출시키는 것을 포함한다. 한 실시양태에서, 산은 유기 산이고, 더 유리하게는 카르복시산이며, 보다 더 유리하게는 예를 들어 옥살산과 같은 브뢴스테드-로우리 산이다. 다른 실시양태에서, 산은, 예를 들어 황산과 같은 금속성 산일 수 있다. 산 용액은 약 1.0 내지 약 5.0의 pH를 가질 수 있다. 또 다른 추가 실시양태에서, 산 용액은 유기 및 금속성 산의 조합일 수 있다.

유기 산은 통상적으로 덜 수용성이며, 따라서 약 2 내지 약 10 퍼센트일 수 있다. 다른 실시양태에서, 유기 산 농도는 약 2 내지 약 5 퍼센트 농도일 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 유기 산 농도는 약 15 퍼센트 미만일 수 있다. 금속성 산의 산 용액은 일반적으로 더 높으며 유리하게는 50 퍼센트 초과, 더 유리하게는 75 퍼센트 초과, 보다 더 유리하게는 약 90 퍼센트 초과의 농도일 수 있다. 실온에서, 고농도 금속성 산 (90 퍼센트 초과의 농도)의 산 배스에서의 체류 시간은 약 60분 미만이며, 더 유리하게는 약 30분 미만이고 보다 더 유리하게는 약 15분 미만이다. 실온에서, 저농도 유기 산 (10 퍼센트 미만의 농도)의 산 배스에서의 체류 시간은 약 3시간 초과이며, 더 유리하게는 약 4시간 초과이고 보다 더 유리하게는 약 5시간 초과이다. 실온에서, 저농도 유기 산 (10 퍼센트 미만의 농도)의 산 배스에서의 체류 시간은 약 4시간 내지 약 8시간일 수 있다. 다른 실시양태에서, 저농도 유기 산 (10 퍼센트 미만의 농도)의 산 배스에서의 체류 시간은 약 5시간 내지 약 7시간일 수 있다.

더 유리하게는 산 처리 전, 산 처리 후, 또는 산 처리 전후 모두에 전극(16)에 열 처리 단계를 수행한다. 열 처리는 공기 중에서 약 250℃ 내지 약 600℃로 전극(16)을 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 다른 실시양태에서, 열 처리는 약 300℃ 내지 약 500℃일 수 있다. 다른 실시양태에서, 열 처리는 약 350℃ 내지 약 450℃일 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 열 처리는 적어도 300℃이다. 다른 실시양태에서, 열 처리는 적어도 400℃이다. 열 처리는 유리하게는 적어도 1시간 동안, 더 유리하게는 적어도 3시간 동안, 보다 더 유리하게는 적어도 5시간 동안 최대 온도에서 유지한다.

열 처리와 조합된 산 처리는 탄소 펠트 전극(16)의 친수성 특성들을 상당히 증가시킨다. 이는 결국 기생(parasitic) 펌핑 에너지 손실이 최소화되도록 플로우 배터리의 전극 전반에서 압력 강하를 감소시킨다. 또한, 처리된 전극은 전극 내의 기체 발생 (즉, 수소 발생)이 감소하도록 전해질 유체를 좀더 용이하게 흡수하며, 이는 성능을 더 개선한다. 한 실시양태에서, 전극(16)의 평형 중량 픽업 (본 고안의 하기 기재된 바와 같음)은 비처리 전극에 비해 적어도 10 퍼센트 증가한다. 다른 실시양태에서, 중량 픽업은 비처리 전극에 비해 적어도 20 퍼센트 증가한다. 또 다른 실시양태에서, 중량 픽업은 비처리 전극에 비해 적어도 30 퍼센트 개선된다. 전극 중량 픽업은 0.75 cm 두께의 전극 재료를 전해질 용액에 액침시키고, 시료를 주기적으로 꺼내어 칭량함으로써 측정된다. 액침시에 시료는 물 기둥의 1.5 인치에 존재하였다. 본 실시양태 또는 다른 실시양태에서, 처리된 전극의 평형 후 전극 중량은 원래 전극 중량의 적어도 20배, 더 유리하게는 적어도 21배, 보다 더 유리하게는 적어도 22배, 더욱 더 유리하게는 적어도 25배이다.

또 다른 측면에 따라, 처리된 전극 습윤성은 자체 중량 하에 전해질 용액에 완전히 액침되는 속도에 의해 특성화될 수 있다. 유리하게는, 전극은 1분 미만으로, 더 유리하게는 30초 미만, 보다 더 유리하게는 15초 미만 동안 전체가 액침된다.

<실시예 1>

약 0.6 g/cc의 벌크 밀도를 갖는 0.75 cm 두께의 탄화 레이온 펠트의 습윤성 (중량 픽업 등에 의해 특징화됨)을 비교하기 위해 데이터를 수집하였다. 전극 재료를 6시간 동안 5% 옥살산 용액에 액침시킨 다음, 건조하고 공기 분위기 중에서 5시간 동안 400℃에서 열 처리하였다.

첫 번째 실험에서는 시간의 함수로서 전해질 중량 픽업을 비교하였다. 전해질은 2.5몰 H₂SO₄에 첨가된 1.68몰 V⁴ ⁺이었고 나머지는 물이었다. 처리된 시료를 0.5, 5, 10 및 20초에서 칭량하였다. 중량은 10초에서 안정화되었고 0.5초에서 95%의 총 중량 픽업을 달성하였다. 중량 픽업 (즉, 최종 중량 마이너스 건조 중량)은 6.52 그램이었으며, 원래 중량은 0.31 그램이었다. 비처리 시료를 0.5, 10, 20, 60, 120, 240 및 360초에서 칭량하였다. 비처리 전극의 중량은 5.23 그램의 중량 픽업으로 120초에서 안정화되었다. 따라서, 처리된 시료의 평형에서의 중량 픽업은 비처리 시료보다 약 20% 더 컸다. 또한, 평형에 12배 더 빨리 도달하였다.

두 번째 실험에서, 자체 중량 하에 전해질 용액에 완전히 액침되는 속도에 의해 처리 및 비처리 전극 습윤성을 특성화하였다. 처리 시료는 10초에 완전히 액침되도록 하였다. 비처리 시료는 중량 픽업 없이 48시간 동안 표면 상에 부유하였다.

볼 수 있는 바와 같이, 처리 전극은 전해질 유체에 대한 친수성을 나타내며 전해질의 더 빠른 중량 픽업을 가능하게 한다. 비처리 펠트는 소수성을 나타내며 전해질의 느린 중량 픽업을 나타낸다. 비록 본 고안은 바나듐 산화환원 배터리에 집중되어 있지만, 상기 기재된 개선된 전극은 다른 유형의 플로우 배터리에 사용될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.

상기 기재는 통상의 기술자가 본 고안의 실시를 가능하게 하도록 의도된다. 본 명세서를 읽으면 통상의 기술자에게 명백해질 모든 가능한 변형 및 변경을 상세하게 열거하도록 의도되지는 않는다. 하지만, 상기 모든 변형 및 변경은 하기 청구범위에 의해 정의된 본 고안의 범주 내에 포함되는 것으로 의도된다. 청구범위는, 문맥이 구체적으로 반대로 나타내지 않는 한, 본 고안을 위해 의도된 목적을 충족시키기에 효과적인 임의의 배열 또는 순서의 나타낸 요소 및 단계를 포함하도록 의도된다.

Claims

약 0.05 g/cc 내지 약 0.2 g/cc의 벌크 밀도를 갖고, 건조 중량, 및 전해질에 액침시킨 후의 평형 중량을 갖는 탄화 펠트
를 포함하며, 여기서 상기 평형 중량은 상기 건조 중량의 적어도 20배인, 플로우 배터리용 전극.
제1항에 있어서, 상기 평형 중량이 상기 건조 중량의 적어도 21배인 전극.
제1항에 있어서, 상기 평형 중량이 상기 건조 중량의 적어도 22배인 전극.
제1항에 있어서, 상기 벌크 밀도가 적어도 약 0.1 g/cc인 전극.
제1항에 있어서, 상기 탄화 펠트가 탄화 레이온 섬유 물질인 전극.
제1항에 있어서, 상기 탄화 펠트가 탄화 PAN 섬유 물질인 전극.
제1항에 있어서, 상기 탄화 펠트가 탄화 피치 섬유 물질인 전극.
제1항에 있어서, 상기 탄화 펠트가 탄화 리그닌 섬유 물질인 전극.
약 0.05 g/cc 내지 약 0.2 g/cc의 벌크 밀도를 갖는 탄화 펠트 물질
을 포함하며, 상기 탄화 펠트 물질의 0.75 cm 두께 부분은 15초 미만 동안 중력 하에 상기 전해질에 액침되는 것인, 작업 유체로서 전해질을 갖는 플로우 배터리용 전극.
제9항에 있어서, 상기 벌크 밀도가 적어도 약 0.1 g/cc인 전극.
제9항에 있어서, 상기 벌크 밀도가 적어도 약 0.15 g/cc인 전극.
제1항에 있어서, 상기 탄화 펠트가 탄화 레이온 섬유 물질인 전극.
제1항에 있어서, 상기 탄화 펠트가 탄화 PAN 섬유 물질인 전극.
제1항에 있어서, 상기 탄화 펠트가 탄화 피치 섬유 물질인 전극.
제1항에 있어서, 상기 탄화 펠트가 탄화 리그닌 섬유 물질인 전극.
약 0.05 g/cc 내지 약 0.2 g/cc의 벌크 밀도를 갖는 탄소 펠트를 제공하는 단계;
상기 탄소 펠트를 산 용액에 노출시키는 단계; 및
상기 탄소 펠트를 적어도 1시간 동안 적어도 300℃로 열 처리하는 단계
를 포함하는, 플로우 배터리용 전극의 제조 방법.
제16항에 있어서, 상기 산 용액이 유기 산을 포함하는 것인 전극의 제조 방법.
제17항에 있어서, 상기 유기 산이 옥살산을 포함하는 것인 전극의 제조 방법.
제16항에 있어서, 상기 탄소 펠트가 약 0.06 g/cc 내지 약 0.08 g/cc의 벌크 밀도를 갖는 것인 전극의 제조 방법.
제16항에 있어서, 상기 탄소 펠트가 적어도 0.1 g/cc의 벌크 밀도를 갖는 것인 전극의 제조 방법.
제16항에 있어서, 상기 열 처리 단계를 상기 탄소 펠트를 산 용액에 노출시키는 상기 단계 후에 수행하는 것인 전극의 제조 방법.