KR20150102909A - 레독스 흐름 전지용 전극의 제조 방법 및 레독스 흐름 전지 - Google Patents

레독스 흐름 전지용 전극의 제조 방법 및 레독스 흐름 전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 저렴한 가격으로 제조할 수 있으며, 보다 낮은 접촉 저항 또는 내부 저항을 가져서 레독스 흐름 전지의 성능, 장기 내구성 및 효율을 향상시킬 수 있는 레독스 흐름 전지용 전극의 제조 방법 및 이를 포함한 레독스 흐름 전지에 관한 것이다.

Description

레독스 흐름 전지용 전극의 제조 방법 및 레독스 흐름 전지{PREPARATION METHOD OF ELECTRODE FOR REDOX FLOW BATTERY COMPRISING THE SAME, AND REDOX FLOW BATTERY}
본 발명은 레독스 흐름 전지용 전극의 제조 방법 및 레독스 흐름 전지에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 전도성 플라스틱 복합시트를 분리판으로 포함하고 이를 이형 압출을 통해 제조함으로써 제조 비용을 낮추고 접촉저항을 최소화하여 저항 값이 낮은 전극을 제조할 수 있는 레독스 흐름 전지용 전극의 제조 방법 및 레독스 흐름 전지에 관한 것이다.
화석 연료를 사용하여 대량의 온실 가스 및 환경 오염 문제를 야기하는 화력 발전이나 시설 자체의 안정성이나 폐기물 처리의 문제점을 갖는 원자력 발전 등의 기존 발전 시스템들이 다양한 한계점을 들어내면서 보다 친환경적이고 높은 효율을 갖는 에너지의 개발과 이를 이용한 전력 공급 시스템의 개발에 대한 연구가 크게 증가하고 있다.
특히, 전력 저장 기술은 외부 조건에 큰 영향을 받는 재생 에너지를 보다 다양하고 넓게 이용할 수 있도록 하며 전력 이용의 효율을 보다 높일 수 있어서, 이러한 기술 분야에 대한 개발이 집중되고 있으며, 이들 중 2차 전지에 대한 관심 및 연구 개발이 크게 증가하고 있는 실정이다.
레독스 흐름 전지는 활성 물질의 화학적 에너지를 직접 전기 에너지로 전환할 수 있는 산화/환원 전지를 의미하며, 태양광, 풍력등 외부 환경에 따라 출력변동성이 심한 신재생에너지를 저장하여 고품질 전력으로 변환할 수 있는 에너지 저장시스템이다. 구체적으로, 레독스 흐름 전지에서는 산화/환원 반응을 일으키는 활물질을 포함한 전해액이 반대 전극과 저장 탱크 사이를 순환하며 충방전이 진행된다.
상기 레독스 흐름 전지는 바나듐 레독스 흐름 전지가 주로 사용되고 있다. 이러한 레독스 흐름 전지는 기본적으로 산화상태가 각각 다른 활물질이 저장된 탱크와 충/방전시 활물질을 순환시키는 펌프, 그리고 분리막으로 분획되는 단위셀을 포함하며, 상기 단위셀은 전극, 전해질, 집전체 및 분리막을 포함한다. 도 1은 바나듐 레독스 흐름 전지의 구조를 간략히 나타낸 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 바나듐 레독스 흐름 전지의 구조는, 바이폴라플레이트, 전극, 카본펠트 및 분리막을 포함하는 단위셀과, 전해질, 활물질 저장탱크,충/방전시 활물질 순환탱크 등을 포함한다.
기존에 널리 사용하고 있는 그라파이트 바이폴라 플레이트(BP)는 본 발명의 전극보다 50배 가량 비싼 단점과 카본 펠트와 접합이 되지 않는 이유로 단순 체결하여 전지의 셀을 제조할 수 밖에 없어 바이폴라플레이트와 카본 펠트 사이에 접촉 저항이 생기는 단점이 있었다.
바람직하게, 본 발명에서는 카본이 27%이상 함유한 PP시트를 압출 성형하여 제조함과 동시에 이형 압출법으로 카본 펠트를 상기 PP시트에 붙임으로써, 가격이 싼 일체형 전극을 제조할 수 있으며, 전극의 저항 값은 기존에 사용하는 소재와 동등한 장점이 있다.
상기 전극과 집전체 사이에는 황산에 의한 부식을 막고 스택 체결시 양쪽극을 연결해주기 위한 바이폴라 플레이트가 설치될 수 있다. 바이폴라 플레이트는 전극 또는 집전체와 맞닿아 있으며 전극에서 생성된 전자를 집전체로 전달해주고 충전을 위해 공급되는 전자를 전극으로 이동시켜준다.
상기 레독스 흐름전지의 소재 중 전극은 저항 값에 따라 전지의 성능에 크게 영향을 미치는 핵심 소재이다. 그런데, 전극의 바이폴라 플레이트에 대한 저항 값을 낮추기 위해, 종래 기술에서는 대부분 전기 저항이 낮은 그라파이트 분리판에 카본 펠트를 압력으로 체결하여 바이폴라 플레이트를 제조하는 방법이 주로 사용되어 왔다(Journal of Power Sources (2008) 613-620).
하지만, 상기 방법은 그라파이트 분리판과 카본 펠트를 체결 압력으로만 붙여서 사용하기 때문에, 분리판과 카본펠트 사이에 접촉 저항이 생기는 단점이 있을 뿐 아니라, 상기 그라파이트 분리판의 가격이 높아 상용화하기 어려운 문제가 있다.
이에 따라, 보다 저렴한 방법으로 전극의 바이폴라플레이트에 대한 접촉 저항 또는 내부 저항을 낮추고 레독스 흐름 전지의 성능을 향상시킬 수 있는 방법에 대한 개발이 필요한 실정이다.
본 발명은, 보다 낮은 접촉 저항 또는 내부 저항을 가져서 레독스 흐름 전지의 성능, 장기 내구성 및 효율을 향상시킬 수 있는 레독스 흐름 전지용 전극의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 방법으로 제조된 탄소-플라스틱 일체형의 레독스 흐름 전지용 전극을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 레독스 흐름 전지용 전극을 포함한 레독스 흐름 전지를 제공하기 위한 것이다.
본 발명은, 이형 압출기를 통해 전도성 플라스틱 시트 위에 탄소 전극을 이형 압출하여 일체형 전극을 제조하는 단계;를 포함하는, 레독스 흐름 전지용 전극의 제조방법을 제공한다.
상기 이형 압출기는, 상기 전도성 플라스틱 시트를 제조하기 위한 T-다이, 및 상기 전도성 플라스틱 시트와 탄소 전극을 접합하기 위한 상기 T-다이의 후단부에 위치된 롤-투-롤 장치가 구비되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상술한 방법으로 제조되며, 전도성 플라스틱 시트; 및 상기 전도성 플라스틱 시트 위에 일체화된 탄소 전극을 포함하고 내부 저항이 100mΩ 이하인, 레독스 흐름 전지용 전극을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 레독스 흐름 전지용 전극을 포함하는 전지를 제공한다.
이하 발명의 구체적인 구현예에 따른 레독스 흐름 전지용 전극의 제조 방법 및 레독스 흐름 전지에 관해서 보다 상세하게 설명하기로 한다.
발명의 일 구현예에 따르면, 이형 압출기를 통해 전도성 플라스틱 시트 위에 탄소 전극을 이형 압출하여 일체형 전극을 제조하는 단계;를 포함하는, 레독스 흐름 전지용 전극의 제조방법이 제공될 수 있다.
본 발명자들은 기존 그라파이트 분리판 보다 1/50 정도로 낮은 가격의 전도성 플라스틱 시트를 이용하고, 또한 카본 펠트를 포함한 탄소 전극과의 접촉저항을 최소화 하기 위해 이형 압출을 통하여 전도성 플라스틱 소재를 시트 성형 시에 일체형으로 붙임으로써, 저항 값이 크게 낮은 전극을 제조하였다.
즉, 기존에 널리 사용하고 있는 그라파이트 바이폴라 플레이트(BP)는 본 발명의 전극보다 50배 가량 비싼 단점과 카본 펠트와 접합이 되지 않는 이유로 단순 체결하여 전지의 셀을 제조할 수 밖에 없어 바이폴라플레이트와 카본 펠트 사이에 접촉 저항이 생기는 단점이 있었다.
하지만, 본 발명에서는 카본이 일정량 이상 함유된 전도성 플라스틱 시트를 이용하여 이형 압출법으로 탄소 전극을 효과적으로 접합함으로써, 기존과 동등 이상의 내부 저항을 나타내는 방법을 제공한다.
바람직하게, 본 발명은 카본이 27% 이상 함유한 폴리프로필렌(PP) 시트를 압출 성형하여 제조함과 동시에 이형 압출법으로 카본 펠트를 상기 PP 시트에 붙임으로써, 가격이 싼 일체형 전극을 제조할 수 있으며, 전극의 저항 값은 기존에 사용하는 소재와 동등한 장점이 있다. 따라서, 본 발명은 접촉 저항을 최소화하면서 종래 보다 저렴한 가격으로 전극을 제조할 수 있어서 상용화에 유리한 효과를 제공할 수 있다.
그러면, 하기에서 본 발명의 레독스 흐름 전지용 전극의 제조방법에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
본 발명의 레독스 흐름 전지용 전극은 이형 압출기를 통해 전도성 플라스틱 시트 위에 탄소 전극을 이형 압출하여 일체형 전극을 제조하는 단계;를 포함한다.
이때, 상기 이형 압출기는, 플라스틱 물질을 시트 형태로 성형하고 토출하여 전도성 플라스틱 시트를 제조하기 위한 T-다이와; 상기 전도성 플라스틱 시트와 탄소 전극을 접합하고 이들을 이동시키기 위한, 상기 T-다이의 후단부에 위치하는 롤-투-롤 장치가 구비될 수 있다.
상기 T-다이는 10cm 내지 200cm의 폭 및 3cm 내지 100cm의 높이를 가질 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고 플라스틱 시트를 제조할 수 있는 조건이면 이 분야에 잘 알려진 T-다이가 사용 가능하다.
또한 본 발명의 레독스 흐름 전지용 전극의 제조방법에서, 상기 일체형 전극을 제조하는 단계는, 이형 압출기의 T-다이(T-Die)를 이용하여 전도성 플라스틱 시트를 제조하는 단계; 및 상기 T-다이를 통해 제조되어 토출되는 플라스틱 시트를 상기 T-다이의 후단부에 위치되는 롤-투-롤 장치를 통해 이동시키면서, 상기 롤-투-롤 장치의 이동이 시작되는 전반부에 전도성 탄소 화합물을 투입하여, 상기 전도성 플라스틱 시트 표면에 탄소 전극을 접합하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 전도성 플라스틱 시트를 제조하는 단계는, 이형 압출기의 T-다이에 전도성 플라스틱 펠렛을 투입하고 성형을 통해 시트 형태로 제조한 후 토출하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 전도성 플라스틱 펠렛은 압출기를 사용하여 바인더 수지와 전도성 카본을 섞은 후, 일정 크기의 펠렛 형태로 압출하여 제조될 수 있다. 바람직하게 상기 전도성 플라스틱 펠렛은 1mm 내지 20mm의 길이와 1mm 내지 10mm의 지름(또는 두께)를 가질 수 있다.
또한, 보다 높은 접착력 등을 위해서, 바인더 수지를 일정량 포함하는 것이 바람직하다. 바람직한 일례를 들면, 상기 전도성 플라스틱 시트는 전도성 카본 1 내지 50 중량% 및 바인더 수지 50 내지 99 중량%를 포함할 수 있다. 보다 바람직하게, 전도성 카본은 2 내지 30 중량% 포함하고, 바인더 수지를 70 내지 98 중량%로 포함할 수 있다. 이때, 상기 전도성 카본의 함량이 1 중량% 미만이면 전기 저항이 1kΩ 이상으로 올라가 전극으로 사용할 수 없는 문제가 있고, 50 중량%를 초과하면 혼합 수지의 흐름성이 저하되어 혼합 및 시트성형시 수지가 막히는 문제가 있다. 또한, 상기 바인더 수지의 함량이 50 중량% 미만이면 보다 높은 접착력을 부여할 수 없으며, 그 함량이 99 중량%를 초과하면 너무 과량으로 포함되어 전도성 카본의 효과를 나타낼 수 없어 전극으로 사용이 불가능하다.
또한 상기 바인더 수지는 모든 고분자 플라스틱 물질이면 모두 사용 가능하고, 예를 들면 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 및 폴리카보네이트로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 보다 바람직하게, 상기 바인더 수지는 폴리프로필렌을 사용하는 것이 좋다.
필요에 따라, 상기 전도성 플라스틱 시트는 글래스 파이버, 그라파이트 분말, 카본 필터, 커플링제, 엘라스토머, 컴파운드 활제 및 산화방지제로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 첨가제를 더 포함할 수 있다. 상기 첨가제의 함량은 특별히 한정되지 않고, 전도성 플라스틱 시트의 성능 향상을 위해 일반적으로 잘 알려진 방법으로 첨가제가 첨가될 수 있다.
또한, 상기 전도성 플라스틱 시트 표면에 탄소 전극을 접합하는 단계는 이형 압출기의 롤-투-롤 장치에 의해 이루어질 수 있다.
도 2는 전도성 플라스틱 시트 위에 카본 펠트를 접합하는 이형 압출 방법을 간략히 도시한 것이다. 도 2에서 보면, 롤은 chill-roll로서 그 개수는 3개일 수 있으며, 이형 압출로 접합된 일체형 전극을 토출하기 위해 상기 접합부의 후단부에 2개의 롤이 구비될 수 있다.
즉, 본 발명의 방법은 전도성 플라스틱 시트 위에 카본 펠트와 같은 탄소 전극을 접합 시 이형 압출하되, 롤-투-롤 방식으로 이동시키면서 접합하여 전도성 플라스틱 시트 위에 탄소 전극의 접합성을 크게 향상시킬 수 있다.
상기 롤-투-롤 장치에서, 롤의 개수는 특별히 한정되지 않으나, 전도성 플라스틱 시트 위에 탄소 전극을 효과적으로 접합할 수 있도록 적어도 3개 이상의 롤이 구비되는 것이 바람직하다. 또한 상기 롤-투-롤 장치에는 냉각 및 이송 공정을 위해 가이드롤이 구비될 수 있다.
또한 상기 전도성 플라스틱 시트 표면에 전도성 탄소 전극을 접합하는 단계에서, 접착과 동시에 냉각하는 단계가 수행될 수 있다. 상기 냉각은 별도로 연결설치된 냉각 장치 또는 자연 냉각 방식을 이용할 수 있다.
상기 이형 압출기를 통해 전도성 플라스틱 시트 위에 탄소 전극을 이형 압출하여 일체형 전극을 제조하는 단계에서는 500kg 내지 10ton의 하중을 가하여 상기 전도성 플라스틱 시트 및 탄소 전극에 압력이 가해지도록 할 수 있다. 상기 범위의 하중으로 압력이 가해짐에 따라서, 상기 일체형 전극 내에서 상기 전도성 플라스틱 시트 및 탄소 전극이 충분한 접착력을 가지고 견고하게 결합될 수 있다. 예를 들어, 상기 제조되는 상기 일체형 전극 내에서 상기 전도성 플라스틱 시트 및 탄소 전극 간의 박리 강도는 0.01kgf/cm2 내지 10kgf/cm2 일 수 있다.
또한 상기 방법으로 토출된 일체형 전극은 이 분야에 잘 알려진 방법으로 절단 또는 재단하여 사용할 수 있다.
상기 탄소 전극은 카본 펠트, 탄소 페이퍼, 탄소 부직포, 그라파이트 시트, 또는 카본나노튜브를 포함할 수 있다. 그러나, 상기 탄소 전극의 재료가 제한되지는 않으며, 레독스 흐름 전지 등에 통상 사용되는 것으로 알려진 것이고 전도성이 좋은 소재이면 모두 사용 가능하고 별 다른 제한 없이 사용할 수 있다. 상기 카본 펠트로는 폴리아크릴니트릴(PAN)계열 카본 펠트, 레이온 계열 카본 펠트, 또는 피치(pitch)계 카본 펠트를 사용할 수 있다. 이때 상기 탄소 전극의 두께는 특별히 한정되지 않으나, 바람직하게 0.1mm 내지 40mm일 수 있다.
한편, 발명의 다른 구현예에 따르면, 상술한 방법으로 제조되며, 전도성 플라스틱 시트; 및 상기 전도성 플라스틱 시트 위에 일체화된 탄소 전극을 포함하고 내부 저항이 100mΩ 이하인, 레독스 흐름 전지용 전극이 제공될 수 있다.
상기 레독스 흐름 전지용 전극에서 내부 저항은 80 mΩ 이하인 것이 보다 바람직하다.
본 발명의 방법을 거쳐 제조된 전극은 전도성 플라스틱 시트 표면 위에 탄소 전극이 일체화된 전극이 제조될 수 있다. 이러한 본 발명의 전극은 일체형 복합 전극으로서, 높은 결합 강도를 나타낼 수 있으며, 보다 낮은 접촉 저항 또는 내부 저항을 가져서 레독스 흐름 전지의 성능, 장기 내구성 및 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 구현예에 따른 레독스 흐름 전지용 전극의 구조는 도 3에 도시된 바와 같다. 도 3에서 보면, 본 발명의 전극은 전도성 플라스틱 시트 위에 카본 펠트가 접합되어 있음을 알 수 있다. 이때, 상기 전도성 플라스틱 시트는 카본이 일정량 함유된 카본 폴리프로필렌 시트일 수 있다.
또한 상기 전극은 1㎜ 내지 10㎜의 두께를 가질 수 있다.
상기 전도성 플라스틱 시트와 탄소 전극의 이형압출 일체형 전극은 단순 체결식 대비 높은 결합 강도를 나타낼 수 있으며, 보다 낮은 접촉 저항 또는 내부 저항을 가져서 레독스 흐름 전지의 성능, 장기 내구성 및 효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 레독스 흐름 전지용 전극을 포함하는 전지가 제공될 수 있다. 본 발명에 따른 전극은 바나듐 CFB 외의 모든 CFB에 적용 가능하다.
바람직하게, 상기 전지는 레독스 흐름 전지, 연료전지 또는 이차전지를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 레독스 흐름 전지는, 산화상태가 각각 다른 활물질이 저장된 탱크; 충/방전시 활물질을 순환시키는 펌프; 및 상기 전극, 분리막 및 전해질을 포함한 단위셀;을 포함할 수 있다.
상기 단위셀은 집전체를 더욱 포함할 수 있고, 그 구성이 특별히 한정되지 않고 이 분야에 잘 알려진 방법으로 전지 제조시 사용 가능하다.
상기 전지는 상술한 바와 같이 전도성 플라스틱 시트와 탄소 전극이 이형 압출로 일체형으로 접합되어 결합강도가 매우 우수한 전극을 포함한다. 따라서, 본 발명은 전도성 플라스틱 시트와 탄소전극간 내부 저항이 최소화되고 기존과 동등 이상의 값을 나타내어 전지 성능을 향상시킬 수 있으며, 더불어 가격이 싼 전극을 대량으로 제조할 수 있다.
본 발명에 따르면, 높은 결합 강도를 나타낼 수 있으며 보다 낮은 접촉 저항 또는 내부 저항을 가져서 레독스 흐름 전지의 성능, 장기 내구성 및 효율을 향상시킬 수 있는 전도성 플라스틱 시트와 탄소전극의 이형 압출 일체형 전극인 레독스 흐름 전지용 전극의 제조방법과, 상기 방법으로 제조된 전극 및 이를 포함한 레독스 흐름 전지가 제공될 수 있다.
도 1은 바나듐 레독스 흐름전지의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 구현예에 따른, 전도성 카본PP 시트 위에 카본 펠트를 접합하는 이형 압출도를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 전도성 플라스틱 시트와 카본 펠트의 이형 압출물(전극) 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 실시예 1의 바람직한 일 구현예에 따른 전도성 폴리프로필렌 시트를 제조하기 위해 사용되는 성형 전의 폴리프로필렌 펠렛 형태를 나타낸 것이다.
도 5는 내부저항 측정기의 구성을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 6은 실시예 1의 이형 압출 일체형 전극 및 비교예 1의 단순 체결식 전극에 대한 충전과 방전 용량의 변화 그래프를 나타낸 것이다.
발명을 하기의 실시예에서 보다 상세하게 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1: 일체형 전극의 제조]
(1) 카본 폴리프로필렌 펠렛 제조
압출기를 사용하여 폴리프로필렌 수지 80 중량%에 카본 함량 20 중량%를 섞은 후, 도 4에 도시된 바와 같이 펠렛 형태로 압출하여 카본이 20 중량% 함유되도록 폴리프로필렌 펠렛(길이 3mm, 지름 2mm)을 제조하였다.
(2) 이형 압출 성형
상기에서 제조된 폴리프로필렌 펠렛을 도 1의 시트 성형 압출기에 투입하여 시트 형태로 T-다이(T-Die)에서 토출시켜 카본 폴리프로필렌 시트를 제조하였다. 이와 동시에, 카본 펠트(폭 100cm, 두께 5mm)를 상기 T-다이와 연결설치되는 Chill-roll의 작동 전반부에 투입하면서, 롤-투-롤 장치를 작동하였다. 이러한 방법에 따라, 상기 카본 폴리프로필렌 시트와 카본펠트가 동시에 이동하면서 카본 폴리프로필렌 시트 위에 카본 펠트를 이형 압출로 접착시킨 후 냉각하여 복합시트 형태로 일체형 전극을 제조하였다(두께 6mm, 폭 100cm).
[비교예 1]
바이폴라 플레이트(그라파이트 시트, 두께: 3mm) 및 전극(SGL GFD3, 5mm 두께) 적층시켜, 일반적인 단순 체결방법으로 전극을 제조하였다.
[비교예 2]
카본 폴리프로필렌 시트 및 카본펠트를 적층하여 단순 체결방법으로 전극을 제조하였다.
[실험예 1: 전극의 저항 측정]
기존에 사용되고 있는 방법으로 제조된 비교예 1의 전극(미접착 바이플라플레이트(BP)와 카본펠트의 단순 적층), 비교예 2의 카본 PP 시트 위에 카본 펠트를 적층한 전극, 및 본 발명의 실시예 1의 이형압출하여 접착된 전극에 대하여, 저항을 측정하였다.
이때 도 5의 내부저항 측정기를 이용하여 비교예 1 내지 2 및 실시예 1의 전극의 저항을 측정하였다. 그 결과는 표 1과 같다.
구분 비교예 1 비교예2 실시예1
단순 적층
(BP + 카본펠트)		 단순적층
(카본 PP + 카본펠트)		 이형압출
(카본PP 접합 카본펠트)
내부저항
[mΩ]		 84 250 80
상기 표 1의 결과를 통해, 이전에 사용하던 고가의 고전도성 바이폴라플레이트(BP)에 단순 펠트를 적층한 비교예 1의 전극과 이형 압출법으로 제작된 실시예 1의 전극이 동등한 저항 수치를 나타내었다. 반면, 비교예 2의 경우 내부 저항이 너무 높아 바람직하지 않음을 알 수 있다. 이러한 결과로부터, 본 발명의 경우 고가의 바이폴라플레이트를 사용하지 않아도 기존과 동등 이상의 효과를 나타내어 매우 경제적으로 레독스 흐름 전지용 전극을 제조할 수 있음을 확인하였다.
[실험예 2: 전극의 바나듐 단전지 측정 실험]
바나듐 단전지 측정은 하기 표 2와 같은 조건으로 측정하였다.
내용
전극(Electrode) 재질(Material) 카본 펠트(SGL GFD3)
23% 압축률
열처리 500℃ 10ht
산처리 0.5M H2SO4, R.T.1day
면적 (cm2) 64 (8㎝ x 8㎝)
두께(mm) 5
분리막 재질(Material) GEFC 104, 100㎛ 두께
산처리 0.5M H2SO4, 100℃1hr
끓는물 100℃, 30min
면적 (cm2) 64 (8㎝ x 8㎝)
두께(㎛) 100㎛
바이폴라 플레이트 (실시예)카본 PP시트 (1 mm)
(비교예) 그라파이트 시트(5mm)
전해질 (ml) GEFC V(III)/V(IV), 각 100 ml
개스킷 PVC
작동 온도
(operating temperature)		 Room temp.
Charge/discharge Current density (mA/cm2) 20
Limit voltage range (V) 1.0~1.6
Flow Rate (ml/min) 70
Active area (㎠) 35
충전/방전 성능의 측정
상기 실시예 1 및 비교예 1에서 얻어진 전극을 각각 적용한 레독스 흐름 전지에 대하여, 상기 표 2의 충전/방전 조건 및 플로우 레이트를 적용하여 30회 구동하고 Battery tester 장치로 1.75A에서 1.6V까지 진행한 충전시간과 1.75A에서 1V까지 진행한 방전시간을 나눈 값으로 전류 효율[Current Efficiency, CE, 계산방법은 방전Capacity(Ah)/충전 Capacity(Ah)]을 측정하였다.
이때, 충전 평균 전압과 방전 평균 전압을 나눈값으로 전압효율[Voltage Efficiency, VE, 계산방법은 방전평균전압(V)/충전 평균전압(V)]을 측정하고, 충전 출력량 및 방전 출력량을 나눈 값으로 에너지 효율(Energy Efficiency, EE, 계산방법은 충전 출력량(Wh)/방전 출력량(Wh))을 측정하였다. 또한, 비교예 1의 단순 체결식 전극과 실시예 1의 이형 압출 일체형 전극에 대한 충/방전용량 그래프를 도 6에 나타내었다.
상기 실시예에서 얻어진 레독스 흐름 전지는 80 mΩ의 내부 저항을 나타내어, 보다 낮은 내부 저항을 가짐을 확인하였다.
도 6에 나타난 바와 같이, 비교예 1의 단순 체결식으로 카본펠트와 전극을 결합하여 측정한 전지의 성능은 두 전극간 접촉 저항 값으로 인하여 초기 성능도 접합 전극에 비해 낮고 충/방전이 진행될수록 접합된 부위가 떨어져 나가 성능이 감소된 것으로 추정된다.
하지만, 실시예 1의 이형 압출 일체형 전극을 이용한 전지의 성능은 카본펠트와 전극간 높은 결합 강도를 나타내어 충/방전이 진행되어도 우수한 성능을 유지하였다. 그러므로, 본 발명의 경우 보다 낮은 접촉 저항 또는 내부 저항을 가질 수 있어서, 레독스 흐름 전지의 성능, 장기 내구성 및 효율을 향상시킬 수 있다.

Claims (11)

  1. 이형 압출기를 통해, 전도성 카본 1 내지 50 중량% 및 바인더 수지 50 내지 99 중량%를 포함하는 전도성 플라스틱 시트 위에, 탄소 전극을 이형 압출하여 일체형 전극을 제조하는 단계;를 포함하며,
    상기 일체형 전극을 제조하는 단계에서는 500kg 내지 10ton의 하중을 가하여 상기 전도성 플라스틱 시트 및 탄소 전극에 압력이 가해지도록 하며,
    상기 일체형 전극 내에서 상기 전도성 플라스틱 시트 및 탄소 전극 간의 박리 강도는 0.01kgf/cm2 내지 10kgf/cm2 이며,
    상기 바인더 수지는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 및 폴리카보네이트로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인, 레독스 흐름 전지용 전극의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이형 압출기는,
    플라스틱 물질을 시트 형태로 성형하고 토출하여 전도성 플라스틱 시트를 제조하기 위한 T-다이와;
    상기 전도성 플라스틱 시트와 탄소 전극을 접합하고 이들을 이동시키기 위한, 상기 T-다이의 후단부에 위치하는 롤-투-롤 장치가 구비되어 있는, 레독스 흐름 전지용 전극의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 T-다이는 10cm 내지 200cm의 폭 및 3cm 내지 100cm의 높이를 가지는, 레독스 흐름 전지용 전극의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 일체형 전극을 제조하는 단계는,
    이형 압출기의 T-다이를 이용하여 전도성 플라스틱 시트를 제조하는 단계; 및
    상기 T-다이를 통해 제조되어 토출되는 플라스틱 시트를 상기 T-다이의 후단부에 위치되는 롤-투-롤 장치를 통해 이동시키면서, 상기 롤-투-롤 장치의 이동이 시작되는 전반부에 전도성 탄소 화합물을 투입하여, 상기 전도성 플라스틱 시트 표면에 탄소 전극을 접합하는 단계;
    를 포함하는, 레독스 흐름 전지용 전극의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 플라스틱 시트는 글래스 파이버, 그라파이트 분말, 카본 필터, 커플링제, 엘라스토머, 컴파운드 활제 및 산화방지제로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 첨가제를 더 포함하는, 레독스 흐름 전지용 전극의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 탄소 전극은 카본 펠트, 탄소 페이퍼, 탄소 부직포, 그라파이트 시트, 또는 카본나노튜브를 포함하는, 레독스 흐름 전지용 전극의 제조방법.
  7. 제1항의 방법으로 제조되며,
    전도성 플라스틱 시트; 및 상기 전도성 플라스틱 시트 위에 일체화된 탄소 전극을 포함하고 내부 저항이 100mΩ 이하인, 레독스 흐름 전지용 전극.
  8. 제7항에 있어서, 0.1㎜ 내지 40㎜의 두께를 갖는, 레독스 흐름 전지용 전극.
  9. 제7항의 레독스 흐름 전지용 전극을 포함하는 전지.
  10. 제9항에 있어서, 상기 전지는 레독스 흐름 전지, 연료전지, 또는 이차전지를 포함하는 것인, 전지.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 레독스 흐름 전지는,
    산화상태가 각각 다른 활물질이 저장된 탱크;
    충/방전시 활물질을 순환시키는 펌프; 및
    상기 전극, 분리막 및 전해질을 포함한 단위셀;을 포함하는, 전지.
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