KR20150133302A - 유동성 에너지 저장장치 및 이를 이용한 에너지 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 에너지 저장장치에 관한 것으로, 상세하게, 제1집전체, 상기 제1집전체에 이격 배치되는 제1전극 분리막 및 상기 제1집전체와 제1전극 분리막 사이에 위치하며 전극활물질 및 비수계 전해질을 함유하는 제1유동성 전극물질을 포함하는 제1유동성 전극; 제2집전체, 상기 제2집전체에 이격 배치되는 제2전극 분리막 및 상기 제2집전체와 제2전극 분리막 사이에 위치하며 전극활물질 및 비수계 전해질을 함유하는 제2유동성 전극물질을 포함하는 제2유동성 전극; 서로 이격 대향하는 상기 제1전극 분리막 및 제2전극 분리막에 위치하는 전해액; 및 상기 제1집전체 및 제2집전체와 연결되어 전압을 인가하는 전원공급부;를 포함하는 에너지 저장장치에 관한 것이다.
Description
본 발명은 에너지 저장장치에 관한 것으로, 상세하게, 이온의 흡착 및 탈착에 의해 에너지를 저장 및 방출하는 에너지 저장장치 및 이를 이용한 에너지 시스템에 관한 것이다.
차세대 에너지 저장 장치들 중 울트라 캐패시터 또는 슈퍼 캐패시터라 불리는 장치는 빠른 충방전 속도, 높은 안정성, 그리고 친환경적 특성으로 인해, 차세대 에너지 저장 장치로 각광받고 있다. 일반적인 슈퍼 캐패시터는 전해액 및 전해액 내에서 분리막을 사이에 두고 서로 대향되도록 배치되는 양극 구조체 및 음극 구조체를 포함하여 구성된다.
현재, 대표적인 슈퍼 캐패시터로 리튬 이온 캐패시터(Lithium Ion Capacitor:LIC)가 있다. 보통 리튬 이온 캐패시터는 활성탄소로 이루어진 양극와 다양한 종류의 흑연 재료로 이루어진 음극을 사용하고, 리튬 이온을 캐리어 이온으로 하는 슈퍼 캐패시터이다. 리튬 이온 캐패시터는 2차 전지에 비해 상대적으로 높은 출력 밀도를 가지므로, 차량과 같은 운송 수단의 보조 전원인 백업 전원으로 사용하고자 하는 노력이 계속되고 있다. 그러나, 운송수단의 백업 전원으로 리튬 이온 캐패시터를 사용하기 위해서는 현재 기술 보다 더 높은 출력 밀도가 요구된다.
리튬 이온 캐패시터의 전극의 비표면적을 높이기 위한 일반적으로 스택화와 같이 모듈의 구조를 변화시키거나, 미국 등록특허 제5,425,858호의 레졸사이놀과 포름알데히드의 졸-겔 중합에 의해 만들어진 단일체 형태의 탄소 에에로겔과 같이 새로운 전극소재 소재를 개발하는 방향이 주를 이루고 있다.
그러나, 구조적으로 처리 용량과 처리 효율을 높이고자 하는 경우, 초기 설비비의 증가, 운전 비용의 증가 및 장비의 크기 증가를 피할 수 없으며, 전극 물질의 미세화 및 다공화에 의해 비표면적을 향상시키고자 하는 경우, 전기장 중첩에 의해 전기 흡착 성능이 감소되는 문제를 피할 수 없는 한계가 있다.
본 발명의 목적은 전극의 대면적화 또는 스택화를 이루지 않더라도, 에너지 밀도 및 저장 용량을 획기적으로 증가시킬 수 있으며, 동일한 물리적 크기를 가지면서도 용량이 가변적으로 조절될 수 있는 에너지 저장장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 전력 밀도 및 용량이 획기적으로 증대된 에너지 저장장치를 이용하여, 저장된 에너지가 회수됨과 동시에 전극에 흡착된 이온을 탈착되어 전극의 재생이 이루어지는 에너지 시스템을 제공하는 것이며, 나아가, 에너지 회수시 발생하는 고농축 이온액을 이용하여 전력을 생성하는 에너지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 에너지 저장장치는 제1집전체, 제1집전체에 이격 배치되는 제1전극 분리막 및 제1집전체와 제1전극 분리막 사이에 위치하며 전극활물질과 비수계 전해질을 함유하는 제1유동성 전극물질을 포함하는 제1유동성 전극; 제2집전체, 제2집전체에 이격 배치되는 제2전극 분리막 및 제2집전체와 제2전극 분리막 사이에 위치하며 전극활물질과 비수계 전해질을 함유하는 제2유동성 전극물질을 포함하는 제2유동성 전극; 서로 이격 대향하는 제1전극 분리막 및 제2전극 분리막 사이에 위치하는 전해액; 및 제1집전체 및 제2집전체와 연결되어 전압을 인가하는 전원공급부;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장장치는 제1유동성 전극물질을 보관하는 제1전극물질보관조; 제1전극물질보관조와 제1유동성전극 사이에 구비되어, 제1전극물질보관조의 제1유동성 전극물질을 제1유동성전극에 공급하는 제1공급수단; 제2유동성 전극물질을 보관하는 제2전극물질보관조; 및 제2전극물질보관조와 제2유동성전극 사이에 구비되어, 제2전극물질보관조의 제2유동성 전극물질을 제2유동성전극에 공급하는 제2공급수단;을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장장치는 1유동성 전극에서 배출되는 제1유동성 전극물질을 보관하는 제1충전물질보관조; 및 상기 제2유동성 전극에서 배출되는 제2유동성 전극물질을 보관하는 제2충전물질보관조;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장장치는 전해액을 보관하는 전해액보관조; 및 전해액보관조와 제1전극 분리막 및 제2전극 분리막에 의해 규정되는 전해공간 사이에 구비되어, 전해액보관조의 전해액을 전해공간에 공급하는 제3공급수단;을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장장치는 전해공간에서 배출되는 전해액을 보관하는 탈이온액보관조(1600)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장장치에 있어, 제1유동성 전극물질 및 제2유동성 전극물질의 비수계 전해질은 서로 독립적으로, 에틸렌 카르보네이트(EC), 프로필렌 카르보네이트(PC), 부틸렌 카르보네이트(BC), 디메틸 카르보네이트(DMC), 디에틸 카르보네이트(DEC), 디프로필 카르보네이트(DPC), 디부틸 카르보네이트(DBC), 에틸 메틸 카르보네이트(EMC), 메틸 프로필 카르보네이트(MPC), 에틸 프로필 카르보네이트(EPC), 플루오로에틸렌 카보네이트(FEC), 아세토니트릴, 니트로메탄, γ-부티로락톤, 2-메틸-γ-부티로락톤, 3-메틸-γ-부티로락톤, 4-메틸-γ-부티로락톤, β-프로피오락톤, δ-발레로락톤, α-부티로락톤, δ-부티로락톤, 트리메톡시메탄, 1,2-디메톡시에탄, 디에틸에테르, 2-에톡시에탄, 테트라하이드퓨란, 2-메틸 테트라하이드로퓨란, 메톡시에탄, 1,3-디옥솔란(1,3-dioxolane), 1,4-디옥산, 1,2-디에톡시에탄, 1,2-디부톡시에탄, 디메틸 술폭사이드, 디메틸포름아미드, 메틸 포르메이트, 에틸 포르메이트, 프로필 포르메이트, 부틸 포르메이트, 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 프로필 아세테이트, 부틸 아세테이트, 메틸 프로피오네이트, 에틸 프로피오네이트, 프로필 프로피오네이트, 부틸 프로피오네이트, 메틸 부티레이트, 에틸 부티레이트, 프로필 부티레이트, 부틸 부티레이트, , 트리메틸 포스페이트, 트리에틸 포스페이트, 트리스(2-클로로에틸) 포스페이트, 트리스(2,2,2-트리플루오로에틸) 포스페이트, 트리프로필 포스페이트, 트리이소프로필 포스페이트, 트리부틸 포스페이트, 트리헥실 포스페이트, 트리페닐 포스페이트, 트리톨릴 포스페이트, 트리에스터 포스페이트, 프로필렌탄산염, 에틸렌탄산염, 디에틸탄산염, 디메틸탄산염 및 에틸메틸탄산염, 초산 에스터, 유산 에스터 및 프로포닉산 에스터에서 하나 또는 둘 이상 선택된 유기용매를 함유할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장장치에 있어, 제1유동성 전극물질 및 제2유동성 전극물질의 비수계 전해질은 서로 독립적으로, 리튬 이온, 소듐 이온, 칼륨 이온 또는 이들의 혼합 이온을 포함하는 금속 양이온; 암모늄 이온; 포스포늄 이온; 및 카르보늄 이온;에서 하나 또는 둘 이상 선택된 양이온을 함유할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장장치에 있어, 제1유동성 전극물질 및 제2유동성 전극물질의 비수계 전해질은 서로 독립적으로, 불화 이온, 염화 이온, 브롬화 이온, 요오드화 이온, 질산이온, 황산 이온, 아세트산 이온, 과염소산 이온, 테트라플루오로붕산 이온, 헥사플루오로포스페이트 이온, 헥사플루오로아르세네이트 이온, 헥사플루오로안티모네이트 이온, 플루오로알킬술폰산 이온, 플루오로알킬술포닐이미드 이온 및 플루오로알킬카복실 이온에서 하나 또는 둘 이상 선택된 음이온을 함유할 수 있다.
본 발명에 따른 에너지 시스템은 상술한 에너지 저장장치; 및 에너지 방출장치;를 포함하며, 에너지 방출장치는 에너지 저장장치에서 배출되는 제1유동성 전극물질이 유입되는 제1방전전극; 에너지 저장장치에서 배출되는 제2유동성 전극물질이 유입되는 제2방전전극; 서로 이격 대향하는 제1방전전극 및 제2방전전극 사이에 위치하는 이온액;을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 시스템에 있어, 에너지 방출장치는 제1방전전극 및 제2방전전극과 연결된 부하를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 시스템에 있어, 제1방전전극 및 제2방전전극은 각각 집전체; 집전체와 이격 배치되어, 유입되는 상기 제1유동성 전극물질 또는 제2유동성 전극물질을 수용하는 전극공간을 형성하는 전극 분리막;을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 시스템에 있어, 에너지 방출장치는 상기 제1방전전극에서 배출되는 제1유동성 전극물질을 보관하는 제1방전물질보관조; 및 상기 제2방전전극에서 배출되는 제2유동성 전극물질을 보관하는 제2방전물질보관조;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 시스템은 제1방전물질보관조와 에너지 저장장치 사이에 구비되어, 제1방전물질보관조의 제1유동성 전극물질을 상기 에너지 저장장치의 제1유동성전극에 공급하는 제4공급수단; 및 제2방전물질보관조와 에너지 저장장치 사이에 구비되어, 제2방전물질보관조의 제2유동성 전극물질을 너지 저장장치의 제2유동성전극에 공급하는 제5공급수단;을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 시스템은 에너지 방출장치에서 배출되는 이온액을 보관하는 농축액보관조를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 시스템은 이온 농도가 상이한 두 용액을 이용하여 전기 에너지를 생성하는 PRO(Pressure Retarded Osmosis) 장치, RED(Reverse Electro-Dialysis) 장치 또는 VP(Vapor Pressure) 장치에 농축액보관조에 보관된 이온액을 공급하는 제6공급수단;을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 시스템에 있어, 에너지 방출장치의 이온액은 담수일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 시스템에 있어, 에너지 저장장치의 전해액은 해수일 수 있다.
본 발명에 따른 에너지 저장장치는 이온이 흡착되는 전극물질이 유동적임에 따라, 고도의 스택화 또는 대면적화를 이루지 않고도, 저장조를 통해 유동성 전극에 전극물질을 공급하는 극히 용이하고 단순한 방법을 통해, 전극의 용량을 획기적으로 증진시킬 수 있는 장점이 있으며, 전극물질이 비수계 전해질을 함유함으로써, 전극의 전력 밀도를 향상시킬 수 있으며, 이온 흡착 효율의 증진 및 흡착 시간의 단축이 가능한 장점이 있다.
본 발명에 따른 에너지 시스템은 충전되는 전극물질 및 방전되는 전극물질이 유동적임에 따라, 에너지 충전장치 및 에너지 방전장치에 전극물질을 공급하는 극히 용이한 방법으로 충전용량 및 방전용량을 획기적으로 증진시킬 수 있으며, 용도에 따라, 극히 용이하게 충전용량 및 방전용량을 가변적으로 설계할 수 있는 장점이 있으며, 에너지 방전장치에서 재생된 전극물질이 에너지 충전장치로 공급됨에 따라, 전극물질이 폐회로를 이룰 수 있는 장점이 있으며, 에너지 방전장치에서 제조되는 고농축 이온액을 이용하여 에너지 전기에너지를 생성할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장장치에 구비되는 전극 구조체를 도시한 단면도이며,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장장치의 구성을 도시한 일 구성도이며,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장장지의 구성을 도시한 다른 구성도이며,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장장지의 구성을 도시한 또 다른 구성도이며,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 시스템의 에너지 방출장치에 구비되는 전극 구조체를 도시한 단면도이며,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 시스템에 구비되는 에너지 방출장치의 구성을 도시한 일 구성도이며,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 시스템의 구성을 도시한 일 구성도이며,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 시스템의 구성을 도시한 다른 구성도이다.
<도면 부호>
100 : 제1유동성 전극 200 : 제2유동성 전극
300 : 전해액
130 : 제1전극 분리막 120 : 제1유동성 전극물질
230 : 제2 전극 분리막 220 : 제2유동성 전극물질
110 : 제1집전체 210 : 제2집전체
130 : 제1전극 분리막 230 : 제2전극 분리막
121 : 제1전극활물질 221 : 제2전극활물질
122 : 제1비수계 전해질 222 : 제2비수계 전해질
400 : 전원공급부
1100 : 제1전극물질보관조 1200 : 제2전극물질보관조
1300 : 전해액보관조 1400 : 제1충전물질보관조
1500 : 제2충전물질보관조 1600 : 탈이온액보관조
100' : 제1방전 전극 200' : 제2방전 전극
300' : 이온액
110' : 제3집전체 130' : 제3전극 분리막
120' : 제3유동성 전극물질 210' : 제4집전체
230' : 제4전극 분리막 220' : 제4유동성 전극물질
500 : 부하
2100 : 이온액보관조 2200 : 제1방전물질보관조
2400 : 제2방전물질보관조 2300 : 농축액보관조
1 : 제1공급수단 2 : 제2공급수단
3 : 제3공급수단 4 : 제4공급수단
5 : 제5공급수단 6 : 제6공급수단
7 : 제7공급수단 8 : 제8공급수단
9 : 제9공급수단
A : 제1전극공간 B : 제2전극공간
C : 전해공간 A' : 제3전극공간
B' : 제4전극공간 C' : 이온공간
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장장치의 구성을 도시한 일 구성도이며,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장장지의 구성을 도시한 다른 구성도이며,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장장지의 구성을 도시한 또 다른 구성도이며,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 시스템의 에너지 방출장치에 구비되는 전극 구조체를 도시한 단면도이며,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 시스템에 구비되는 에너지 방출장치의 구성을 도시한 일 구성도이며,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 시스템의 구성을 도시한 일 구성도이며,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 시스템의 구성을 도시한 다른 구성도이다.
<도면 부호>
100 : 제1유동성 전극 200 : 제2유동성 전극
300 : 전해액
130 : 제1전극 분리막 120 : 제1유동성 전극물질
230 : 제2 전극 분리막 220 : 제2유동성 전극물질
110 : 제1집전체 210 : 제2집전체
130 : 제1전극 분리막 230 : 제2전극 분리막
121 : 제1전극활물질 221 : 제2전극활물질
122 : 제1비수계 전해질 222 : 제2비수계 전해질
400 : 전원공급부
1100 : 제1전극물질보관조 1200 : 제2전극물질보관조
1300 : 전해액보관조 1400 : 제1충전물질보관조
1500 : 제2충전물질보관조 1600 : 탈이온액보관조
100' : 제1방전 전극 200' : 제2방전 전극
300' : 이온액
110' : 제3집전체 130' : 제3전극 분리막
120' : 제3유동성 전극물질 210' : 제4집전체
230' : 제4전극 분리막 220' : 제4유동성 전극물질
500 : 부하
2100 : 이온액보관조 2200 : 제1방전물질보관조
2400 : 제2방전물질보관조 2300 : 농축액보관조
1 : 제1공급수단 2 : 제2공급수단
3 : 제3공급수단 4 : 제4공급수단
5 : 제5공급수단 6 : 제6공급수단
7 : 제7공급수단 8 : 제8공급수단
9 : 제9공급수단
A : 제1전극공간 B : 제2전극공간
C : 전해공간 A' : 제3전극공간
B' : 제4전극공간 C' : 이온공간
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 에너지 저장장치 및 에너지 시스템을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명에 따른 에너지 저장장치에 구비되는 전극 구조체의 일 예를 도시한 도면으로, 도 1에 도시한 바와 같이, 전극 구조체는 서로 이격 배치되는 제1유동성 전극(100) 및 제2유동성 전극(200)과 이격 배치되는 두 유동성 전극 사이에 위치하는 전해액(300)을 포함할 수 있다.
상세하게, 제1유동성 전극(100)은 제1집전체(110), 제1전극 분리막(130) 및 제1유동성 전극물질(120)을 포함하며, 제1집전체(110)와 제1전극 분리막(130)은 대응되는 형상으로 이격 배치되고, 제1집전체(110)와 제1전극 분리막(130)사이의 공간에 제1유동성 전극물질(120)이 위치할 수 있다. 이때, 제1유동성 전극물질(120)은 제1전극활물질(121) 및 액상의 제1비수계 전해질(122)을 포함할 수 있다.
상세하게, 제2유동성 전극(200)은 제1유동성 전극(100)과 유사하게, 제2집전체(210), 제2전극 분리막(230) 및 제2유동성 전극물질(220)을 포함하며, 제2집전체(110)와 제2전극 분리막(230)은 대응되는 형상으로 이격 배치되고, 제2집전체(210)와 제2전극 분리막(230)사이의 공간에 제2유동성 전극물질(220)이 위치할 수 있다. 이때, 제2유동성 전극물질(220)은 제2전극활물질(221) 및 액상의 제2비수계 전해질(222)을 포함할 수 있다.
도 1에 도시한 일 예와 같이, 제1유동성 전극(100)과 제2유동성 전극(200)은 전극 분리막이 마주하도록 이격 배치될 수 있으며, 제1유동성 전극(100)과 제2유동성 전극(200) 사이에는 전해액(300)이 위치할 수 있다.
이때, 도 1에는 도시하지 않았으나, 제1유동성 전극(100)과 제2유동성 전극(200)이 이격 적층된 적층 방향을 상하 방향으로 하고, 상하 방향에 수직인 방향을 측면 방향으로 하여, 전극 구조체의 적어도 서로 대향하는 두 측면 방향은 전도성 또는 비 전도성 측벽에 의해 밀폐될 수 있다. 상세하게, 제1유동성 전극(100)과 제2유동성 전극(200) 각각에 있어, 집전체와 전극 분리막 사이의 서로 대향하는 두 측면 방향이 측벽에 의해 밀폐될 수 있으며; 제1유동성 전극(100)과 제2유동성 전극(200) 사이의 서로 대향하는 두 측면 방향이 측벽에 의해 밀폐될 수 있으며; 집전체와 전극 분리막 사이의 서로 대향하는 두 측면 방향 및 제1유동성 전극(100)과 제2유동성 전극(200) 사이의 서로 대향하는 두 측면 방향이 측벽에 의해 밀폐될 수 있다. 이러한 측벽은 유동성 물질이 전극 또는 구조체 밖으로 원치 않게 배출되는 것을 방지하기 위함이며, 유동성 물질의 흐름 방향을 가이드(guide)하기 위한 것임에 따라, 측벽의 위치 및/또는 측벽의 구조는 전극 또는 전극 구조체의 용도, 디멘젼(dimension), 사용 조건등에 따라 적절히 가변될 수 있음은 물론이다.
또한, 부분적인 측벽의 형성에 의해, 제1유동성 전극(100)의 제1집전체(110)와 제1전극 분리막(130)에 의해 규정되어 제1유동성 전극물질(120)이 수용되는 공간에는 전극 구조체 외부에서 제1유동성 전극물질이 유입 및 배출될 수 있는 유입구 및 배출구가 형성될 수 있으며, 제2유동성 전극(200)의 제2집전체(210)와 제2전극 분리막(230)에 의해 규정되어 제2유동성 전극물질(220)이 수용되는 공간에는 전극 구조체 외부에서 제2유동성 전극물질이 유입 및 배출될 수 있는 유입구 및 배출구가 형성될 수 있으며, 제1유동성 전극(100)의 제1전극 분리막(130)과 제2유동성 전극(200)의 제2전극 분리막(230)에 의해 규정되어 전해액이 수용되는 공간에는 전극 구조체 외부에서 전해액이 유입 및 배출될 수 있는 유입구 및 배출구가 형성될 수 있음은 물론이다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장장치에 구비되는 전극 구조체는 물리적으로 고정된 전극이 아닌, 액상의 비수계 전해질에 분산된 전극 활물질을 함유하여 흐름(flow) 가능한 전극임에 따라, 전극내 유동성 전극물질을 연속 또는 불연속적으로 교체 또는 순환시키는 방법에 의해 전극의 용량을 증가시킬 수 있는 장점이 있으며, 전력 밀도가 획기적으로 증대된 장점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장장치에 구비되는 전극 구조체에 있어, 제1집전체(110) 및 제2집전체(210)는 전지(축전지를 포함함) 분야에서 통상적으로 사용되는 집전체이면 족하다. 비한정적인 일 예로, 제1집전체(110) 및 제2집전체(210)는 서로 독립적으로, 폼(foam), 필름(film), 메쉬(mesh), 펠트(felt), 다공성 박(perforated film) 또는 이들의 적층체일 수 있으며, 카본, 니켈, 티타늄, 크롬, 코발트, 아연, 그라파이트 및 그래핀에서 하나 또는 둘 이상 선택된 물질일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장장치에 구비되는 전극 구조체에 있어, 제1전극 분리막(130) 및 제2전극 분리막(230)은 전지(축전지를 포함함) 분야에서 통상적으로 사용되는 집전체이면 족하다. 일 예로, 제1전극 분리막(130) 및 제2전극 분리막(230)은 서로 독립적으로, 이온 교환막 또는 미세공 절연막일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장장치에 구비되는 전극 구조체에 있어, 제1유동성 전극물질(120)은 제1전극활물질(121) 및 액상의 제1비수계 전해질(122)을 포함할 수 있으며, 분산상 또는 콜로이달상일 수 있다. 또한, 제2유동성 전극물질(220)은 제2전극활물질(221) 및 액상의 제2비수계 전해질(222)을 포함할 수 있으며, 분산상 또는 콜로이달상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장장치에 구비되는 전극 구조체에 있어, 제1전극활물질(121) 및/또는 제2전극활물질(221)은 탄소체를 함유할 수 있다.
탄소체는 탄소 입자, 탄소나노튜브, 탄소섬유 및 그래핀에서 하나 또는 둘 이상 선택된 물질; 또는 탄소 입자, 탄소나노튜브, 탄소섬유 및 그래핀에서 둘 이상 선택된 물질의 복합체;일 수 있다.
탄소 입자는 활성탄소, 탄소 에어로겔, 메조포러스 카본(mesoporous carbon), 카본 블랙 및 흑연에서 하나 또는 둘 이상 선택된 것일 수 있다. 탄소 섬유는 활성 탄소섬유를 포함할 수 있다. 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브 및 다중벽 탄소나노튜브에서 하나 또는 둘 이상 선택된 것일 수 있으며, 파이버형 탄소나노튜브 또는 다수개의 탄소나노튜브가 결합된 탄소나노튜브 번들(bundle)일 수 있다. 그래핀은 단층 그래핀 또는 다층 그래핀일 수 있다.
둘 이상의 탄소체가 결합된 복합체는 탄소나노튜브, 탄소 섬유 및 그래핀에서 하나 또는 둘 이상 선택된 이방성 물질에 다수개의 탄소 입자가 결합된 복합체일 수 있다. 상세하게, 다수개의 탄소 입자가 그래핀의 표면 또는 다층 그래핀의 층간에 위치 및 결합된 복합체일 수 있으며, 다수개의 탄소 입자가 탄소나노튜브 또는 탄소 섬유의 표면에 위치 및 결합된 복합체일 수 있있다. 탄소 입자와 탄소나노튜브, 탄소 입자와 탄소 섬유, 탄소 입자와 그래핀 간의 결합은 흡착(정전기적 또는 물리적 흡착), 이온 또는 공유 결합을 포함하는 화학적 결합 또는 전도성 고분자 바인더에 의한 결합을 포함할 수 있다.
제1전극활물질(121) 및/또는 제2전극활물질(221)은 나노 입자, 나노 튜브, 나노 섬유, 나노 플레이트 및 나노 로드에서 하나 또는 둘 이상 선택된 나노 구조일 수 있다.
제1전극활물질(121) 및/또는 제2전극활물질(221)에 탄소체로 함유되는 탄소 입자는 전극물질의 유동성을 저해하지 않고, 전극물질의 전도도 및 이온의 흡착율을 높이기 위해, 평균 직경이 10nm 내지 500μm일 수 있다. 전극 활물질로 함유되는 탄소입자는 유니 모달(uni-modal) 분포, 바이 모달(bi-modal) 분포 또는 트리 모달(tri-modal)의 입도 분포를 가질 수 있다.
제1전극활물질(121) 및/또는 제2전극활물질(221)로 함유되는 탄소 섬유, 탄소나노튜브, 그래핀 또는 이들의 혼합물을 포함하는 이방성 물질은 전극물질의 유동성을 저해하지 않으며, 전극물질의 전도도를 향상시키기 위해, 종횡비가 3 내지 1000일 수 있다. 또한, 이방성 물질의 장단축비를 기준으로 유니 모달(uni-modal) 분포, 바이 모달(bi-modal) 분포 또는 트리 모달(tri-modal) 분포를 가질 수 있다.
탄소체가 탄소 입자와 함께 이방성 물질을 함유하는 경우, 이방성 물질의 큰 장단축비에 의해, 탄소체간 및 탄소체와 집전체간의 접점(contact)이 증가하여, 유동성 전극물질의 내부 저항 감소가 가능하며, 유동성 전극물질내 보다 균일한 전기장의 분포를 가능하게 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장장치에 구비되는 전극 구조체에 있어, 제1유동성 전극물질(120) 및 제2유동성 전극물질(220)에 함유되는 비수계 전해질은 서로 독립적으로, 카보네이트계, 락톤계, 에스테르계, 에테르계, 술폭사이드계, 아마이드계, 함질소계, 에스터계, 케톤계, 유기황(organosulfur)계, 유기인(organophosphorous)계 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 하나 이상의 선택된 유기용매를 함유할 수 있다.
상세하게, 제1유동성 전극물질(120) 및 제2유동성 전극물질(220)에 함유되는 비수계 전해질은 서로 독립적으로, 에틸렌 카르보네이트(EC), 프로필렌 카르보네이트(PC), 부틸렌 카르보네이트(BC), 디메틸 카르보네이트(DMC), 디에틸 카르보네이트(DEC), 디프로필 카르보네이트(DPC), 디부틸 카르보네이트(DBC), 에틸 메틸 카르보네이트(EMC), 메틸 프로필 카르보네이트(MPC), 에틸 프로필 카르보네이트(EPC), 플루오로에틸렌 카보네이트(FEC), 아세토니트릴, 니트로메탄, γ-부티로락톤, 2-메틸-γ-부티로락톤, 3-메틸-γ-부티로락톤, 4-메틸-γ-부티로락톤, β-프로피오락톤, δ-발레로락톤, α-부티로락톤, δ-부티로락톤, 트리메톡시메탄, 1,2-디메톡시에탄, 디에틸에테르, 2-에톡시에탄, 테트라하이드퓨란, 2-메틸 테트라하이드로퓨란, 메톡시에탄, 1,3-디옥솔란(1,3-dioxolane), 1,4-디옥산, 1,2-디에톡시에탄, 1,2-디부톡시에탄, 디메틸 술폭사이드, 디메틸포름아미드, 메틸 포르메이트, 에틸 포르메이트, 프로필 포르메이트, 부틸 포르메이트, 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 프로필 아세테이트, 부틸 아세테이트, 메틸 프로피오네이트, 에틸 프로피오네이트, 프로필 프로피오네이트, 부틸 프로피오네이트, 메틸 부티레이트, 에틸 부티레이트, 프로필 부티레이트, 부틸 부티레이트, , 트리메틸 포스페이트, 트리에틸 포스페이트, 트리스(2-클로로에틸) 포스페이트, 트리스(2,2,2-트리플루오로에틸) 포스페이트, 트리프로필 포스페이트, 트리이소프로필 포스페이트, 트리부틸 포스페이트, 트리헥실 포스페이트, 트리페닐 포스페이트, 트리톨릴 포스페이트, 트리에스터 포스페이트, 프로필렌탄산염, 에틸렌탄산염, 디에틸탄산염, 디메틸탄산염 및 에틸메틸탄산염, 초산 에스터, 유산 에스터 및 프로포닉산 에스터에서 하나 또는 둘 이상 선택된 유기용매를 함유할 수 있다.
상술한 비수계 전해질의 유기용매는 양의 전기활성물질 및/또는 음의 전기활성물질에 대한 반응률을 증가시키며, 전극의 전력 밀도를 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 상술한 유동성 전극이 에너지 저장장치 또는 슈퍼 캐패시터로 사용되는 경우, 에너지 저장장치의 출력 밀도를 증가 시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장장치에 구비되는 전극 구조체에 있어, 제1유동성 전극물질(120) 및/또는 제2유동성 전극물질(220)은 전극 활물질 100 중량부를 기준으로 10 내지 5000 중량부의 비수계 전해질을 함유할 수 있다. 유동성 전극물질에 함유된 전극 활물질 대비 비수계 전해질의 중량비는 탄소체를 포함하는 전극 활물질에 의한 유동성 저하를 방지하고, 전력밀도가 높은 전해질에 의해 다량의 이온을 단시간 내에 흡착 또는 탈착할 수 있으며, 유동성 전극물질의 통전성을 저해하지 않을 수 있는 범위이다.
제1유동성 전극물질(120) 및 제2유동성 전극물질(220)에 함유되는 비수계 전해질은 서로 독립적으로 양이온, 음이온 또는 양이온과 음이온을 함유할 수 있다.
상세하게, 비수계 전해질에 함유되는 양이온 및/또는 음이온은 전극의 충전 또는 방전 반응에 관여하는 양의 전기활성물질 및/또는 음의 전기활성물질일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장장치에 구비되는 전극 구조체에 있어, 비수계 전해질에 함유되는 양이온은 금속 양이온 또는 유기 양이온일 수 있다.
상세하게, 금속 양이온은 리튬 이온, 소듐 이온, 칼륨 이온 또는 이들의 혼합 이온을 포함할 수 있다.
상세하게, 유기 양이온은 히드록소늄 (hydroxonium), 옥소늄 (oxonium), 암모늄 (ammonium), 아미디늄 (amidinium), 포스포늄 (phosphonium), 우로늄 (uronium), 티오우로늄 (thiouronium), 구아니디늄 (guanidinium), 설포늄 (sulfonium), 포스폴륨 (phospholium), 포스포롤륨 (phosphorolium), 이오도늄 (iodonium), 카보늄 (carbonium), 피리디늄 (pyridinium), 퀴놀리늄 (quinolinium), 이소퀴놀리늄 (isoquinolinium), 이미다졸륨 (imidazolium), 피라졸륨 (pyrazolium), 이미다졸리늄 (imidazolinium), 트리아졸륨 (triazolium), 피리다지늄 (pyridazinium), 피리미디늄 (pyrimidinium), 피롤리디늄 (pyrrolidinium), 티아졸륨 (thiazolium), 옥사졸륨 (oxazolium), 피라지늄 (pyrazinium), 피페라지늄 (piperazinium), 피페리디늄 (piperidinium), 피롤륨 (pyrrolium), 피리지늄 (pyrizinium), 인돌륨 (indolium), 퀴녹살리늄 (quinoxalinium), 티오모폴리늄 (thiomorpholinium), 모폴리늄 (morpholinium) 및 인돌리늄 (indolinium) 양이온에서 하나 또는 둘 이상 선택될 수 있으며, 이들의 호변이성체 형태(tautomeric forms)일 수 있다.
보다, 상세하게, 암모늄 이온은 4급 암모늄 이온을 포함할 수 있으며, 4급 암모늄 이온은 R1R2R3R4N+일 수 있다. 이때, R1,R2,R3및 R4는 서로 독립적으로 포화 알킬기, 불포화 알킬기, 시클로알킬기, 헤테로 고리기, 아릴기 또는 알콕시알킬기일 수 있다.
보다 상세하게, 포스포늄 이온은 4급 포스포늄 이온을 포함할 수 있으며, 4급 포스포늄 이온은 R5R6R7R8P+일 수 있다. 이때, R5,R6,R7및 R8은 서로 독립적으로 포화 알킬기, 불포화 알킬기, 시클로알킬기, 헤테로 고리기, 아릴기, 비닐기 또는 알콕시알킬기일 수 있다.
비수계 전해질은 할로겐, 설페이트, 설포네이트, 아미드, 이미드, 보레이트, 포스페이트, 안티모네이트, 아르세네이트 및 데카네이트로 이루어진 군으로부터 하나 또는 둘 이상 선택된 음이온을 함유할 수 있다.
상세하게, 비수계 전해질은 불화 이온, 염화 이온, 브롬화 이온, 요오드화 이온, 질산이온, 황산 이온, 아세트산 이온, 과염소산 이온, 테트라플루오로붕산 이온, 헥사플루오로포스페이트 이온, 헥사플루오로아르세네이트 이온, 헥사플루오로안티모네이트 이온, 플루오로알킬술폰산 이온, 플루오로알킬술포닐이미드 이온 및 플루오로알킬카복실 이온에서 하나 또는 둘 이상 선택된 음이온을 함유할 수 있다.
상세하게, 플로오로알킬술폰산 이온(Rf1SO3 -),플루오로알킬술포닐이미드 이온((Rf2SO2)2N-)및 플루오로알킬카복실 이온(Rf3CO2 -)에서, Rf1,Rf2및 Rf3는 서로 독립적으로, 전부 또는 일부가 플루오르로 치환된 C1-8의 알킬기일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유동성 전극에 있어, 비수계 전해질은 상술한 양이온 또는 음이온을 서로 독립적으로 0.01M 내지 50M 몰농도로 함유할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장장치의 일 예를 도시한 단면도이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 에너지 저장장치는 상술한 전극 구조체를 포함하며, 전극 구조체의 제1유동성 전극(100) 및 제2유동성 전극(200)과 연결되어, 전압을 인가하는 전원공급부(400)를 포함할 수 있다.
이때, 제1유동성 전극(100) 및 제2유동성 전극(200)은 서로 상보적으로 음극(제1유동성 전극)-양극(제2유동성 전극) 또는 양극(제1유동성 전극)-음극(제2유동성 전극)일 수 있다. 이하에서는 설명의 명료함을 위해, 제1유동성 전극(100)을 양극으로, 제2유동성 전극(200)을 음극으로 하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장장치를 상술하나, 제1유동성 전극이 음극이며, 제2유동성 전극이 양극인 경우에도 유사한 작용을 함은 물론이다.
상세하게, 에너지 저장장치는 제1유동성 전극(100)의 제1집전체(110) 및 제2유동성 전극(200)의 제2집전체(210)와 연결되어 전압을 인가하는 전원공급부(400)를 포함하며, 전원공급부(400)는 제1유동성 전극(100)의 제1집전체(110)에 양의 전압을, 제2유동성 전극(200)의 제2집전체(210)에 음(ground를 포함함)의 전압을 인가하여, 제1유동성 전극(100)과 제2유동성 전극(200)간 전기장을 형성할 수 있다.
이러한 전기장에 의해, 제1유동성 전극(100)과 제2유동성 전극(200) 사이에 위치하는 전해액(300)에 함유된 양이온이 제2전극 분리막(230)을 통해 제2유동성 전극물질(220)로 이동 및 흡착되어 양이온으로 충전된 제2유동성 전극물질(220)이 제조되며, 전해액(300)에 함유된 음이온이 제1전극 분리막(130)을 통해 제1유동성 전극물질(120)로 이동 및 흡착되어 음이온으로 충전된 제1유동성 전극물질(120)이 제조될 수 있다.
도 2의 일 실시예에 따른 에너지 저장장치에 있어, 전해액(300)은 수용성 전해액 또는 비수계 전해액일 수 있다. 수용성 전해액은 해수(seawater)이거나, 염화나트륨(NaCl), 질산(HNO3),염산(HCl), 인산(H3PO4),메탄술폰산(CH3SO3H),수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH) 또는 이들의 혼합물을 함유하는 수용액일 수 있다.
상세하게, 비수계 전해액은 제1유동성 전극물질 및/또는 제2유동성 전극물질의 비수계 전해질과 유사하게, 카보네이트계, 에스테르계, 에테르계, 케톤계, 유기황(organosulfur)계, 유기인(organophosphorous)계, 비양성자성 용매 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 하나 이상의 유기용매와 양이온 및 음이온을 함유할 수 있다.
일 예로, 비수계 전해액은 에틸렌 카르보네이트(EC), 프로필렌 카르보네이트(PC), 부틸렌 카르보네이트(BC), 디메틸 카르보네이트(DMC), 디에틸 카르보네이트(DEC), 디프로필 카르보네이트(DPC), 디부틸 카르보네이트(DBC), 에틸 메틸 카르보네이트(EMC), 메틸 프로필 카르보네이트(MPC), 에틸 프로필 카르보네이트(EPC), 플루오로에틸렌 카보네이트(FEC), 디부틸에테르, 테트라글라임, 디그라임, 디메톡시에탄, 테트라하이드퓨란, 2-메틸 테트라하이드로퓨란, 1,3-디옥솔란(1,3-dioxolane), 1,4-디옥산, 1,2-디메톡시에탄, 1,2-디에톡시에탄, 1,2-디부톡시에탄, 아세토니트릴, 디메틸포름아미드, 메틸 포르메이트, 에틸 포르메이트, 프로필 포르메이트, 부틸 포르메이트, 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 프로필 아세테이트, 부틸 아세테이트, 메틸 프로피오네이트, 에틸 프로피오네이트, 프로필 프로피오네이트, 부틸 프로피오네이트, 메틸 부티레이트, 에틸 부티레이트, 프로필 부티레이트, 부틸 부티레이트, γ-부티로락톤, 2-메틸-γ-부티로락톤, 3-메틸-γ-부티로락톤, 4-메틸-γ-부티로락톤, β-프로피오락톤, δ-발레로락톤, 트리메틸 포스페이트, 트리에틸 포스페이트, 트리스(2-클로로에틸) 포스페이트, 트리스(2,2,2-트리플루오로에틸) 포스페이트, 트리프로필 포스페이트, 트리이소프로필 포스페이트, 트리부틸 포스페이트, 트리헥실 포스페이트, 트리페닐 포스페이트, 트리톨릴 포스페이트, 프로필렌탄산염, 에틸렌탄산염, 디에틸탄산염, 디메틸탄산염 및 에틸메틸탄산염, 초산 에스터, 유산 에스터 및 프로포닉산 에스터에서 하나 또는 둘 이상 선택된 물질을 함유할 수 있다.
일 예로, 비수계 전해액은 제1유동성 전극물질 및/또는 제2유동성 전극물질의 비수계 전해질과 유사하게, 양이온 및 음이온을 함유할 수 있다.
상세하게, 비수계 전해액은 리튬 이온, 소듐 이온, 칼륨 이온 또는 이들의 혼합 이온인 금속 이온을 포함할 수 있다.
상세하게, 비수계 전해액은 히드록소늄 (hydroxonium), 옥소늄 (oxonium), 암모늄 (ammonium), 아미디늄 (amidinium), 포스포늄 (phosphonium), 우로늄 (uronium), 티오우로늄 (thiouronium), 구아니디늄 (guanidinium), 설포늄 (sulfonium), 포스폴륨 (phospholium), 포스포롤륨 (phosphorolium), 이오도늄 (iodonium), 카보늄 (carbonium), 피리디늄 (pyridinium), 퀴놀리늄 (quinolinium), 이소퀴놀리늄 (isoquinolinium), 이미다졸륨 (imidazolium), 피라졸륨 (pyrazolium), 이미다졸리늄 (imidazolinium), 트리아졸륨 (triazolium), 피리다지늄 (pyridazinium), 피리미디늄 (pyrimidinium), 피롤리디늄 (pyrrolidinium), 티아졸륨 (thiazolium), 옥사졸륨 (oxazolium), 피라지늄 (pyrazinium), 피페라지늄 (piperazinium), 피페리디늄 (piperidinium), 피롤륨 (pyrrolium), 피리지늄 (pyrizinium), 인돌륨 (indolium), 퀴녹살리늄 (quinoxalinium), 티오모폴리늄 (thiomorpholinium), 모폴리늄 (morpholinium) 및 인돌리늄 (indolinium) 양이온에서 하나 또는 둘 이상 선택되거나, 이들의 호변이성체 형태(tautomeric forms)인 양이온을 함유할 수 있다.
상세하게, 비수계 전해액은 할로겐, 설페이트, 설포네이트, 아미드, 이미드, 보레이트, 포스페이트, 안티모네이트, 아르세네이트 및 데카네이트로 이루어진 군으로부터 하나 또는 둘 이상 선택된 음이온을 함유할 수 있다.
보다 상세하게, 비수계 전해질은 불화 이온, 염화 이온, 브롬화 이온, 요오드화 이온, 질산이온, 황산 이온, 아세트산 이온, 과염소산 이온, 테트라플루오로붕산 이온, 헥사플루오로포스페이트 이온, 헥사플루오로아르세네이트 이온, 헥사플루오로안티모네이트 이온, 플루오로알킬술폰산 이온, 플루오로알킬술포닐이미드 이온 및 플루오로알킬카복실 이온에서 하나 또는 둘 이상 선택된 음이온을 함유할 수 있다.
도 2의 일 실시예에 화살표로 도시한 바와 같이, 유동 물질인 제1유동성 전극물질(120), 제2유동성 전극물질(220) 및 전해액(300)에서 하나 또는 둘 이상 선택된 물질은 장치 외부에서 장치 내부로 유입될 수 있으며, 장치 내부에서 장치 외부로 배출될 수 있다.
상세하게, 제1유동성 전극물질(120), 제2유동성 전극물질(220) 및 전해액(300)에서 하나 또는 둘 이상 선택된 물질은 연속적으로 공급 및 배출되거나, 불연속적으로 공급 및 배출될 수 있다.
연속적 공급 및 배출은 제1유동성 전극(100)의 제1유동성 전극물질(120), 제2유동성 전극(200)의 제2유동성 전극물질(220) 및 전해액(300)에서 적어도 하나 이상 선택되는 유동물질이 에너지 저장장치의 전극 구조체로 연속적으로 공급 및 배출됨을 의미한다. 둘 이상의 유동 물질이 연속적으로 공급 및 배출되는 경우, 둘 이상의 유동 물질 각각의 공급 및 배출 속도는 서로 같거나 상이할 수 있다.
일 예로, 연속적인 전해액, 제1유동성 전극물질 및 제2유동성 전극물질의 투입에 의해, 양이온으로 충전된 제2유동성 전극물질, 음이온으로 충전된 유동성 전극물질 및 이온이 제거된 전해액이 연속적으로 배출될 수 있다.
불연속적 공급 및 배출은 제1유동성 전극(100)의 제1유동성 전극물질(120), 제2유동성 전극(200)의 제2유동성 전극물질(220) 및 전해액(300)에서 적어도 하나 이상 선택되는 유동물질이 정적 상태(static condition)로 전지 구조체에 일정 시간 머무른 후, 외부로부터 유동물질의 공급과 함께 전지 구조체에 정적 상태로 머무른 유동 물질이 배출됨을 의미한다. 둘 이상의 유동 물질이 불연속적 공급 및 배출되는 경우, 둘 이상의 유동 물질 각각이 전지 구조체에 머무르는 시간(즉, 정적 상태 유지 시간)은 서로 같거나 상이할 수 있다.
일 예로, 불연속적인 전해액, 제1유동성 전극물질 및 제2유동성 전극물질의 투입에 의해, 양이온으로 충전된 제2유동성 전극물질, 음이온으로 충전된 유동성 전극물질 및 이온이 제거된 전해액이 불연속적으로 배출될 수 있다.
상술한 유동물질별 공급 방법(연속적, 불연속적), 절대적 또는 상대적 공급 유량, 정적 상태 유지 여부 및 정적 상태 유지 시간은 에너지 저장장치를 구성하는 전극 구조체의 물리적 형태와 물리적 크기(일 예로, 마이크로 플우딕스 채널과 같이), 유동성 전극물질의 이온 흡착 정도 및 유동성 전극물질의 이온 흡착 속도를 고려하여 적절히 가변 설계될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장장치의 다른 예를 도시한 단면도로, 도 3에 도시한 바와 같이, 에너지 저장장치는 전원공급부가 구비된 전극 구조체(1000)와 함께, 제1유동성 전극물질(120)을 보관하는 제1전극물질보관조(1100); 제1전극물질보관조(1100)와 제1유동성 전극(100) 사이에 구비되어, 제1전극물질보관조(1100)의 제1유동성 전극물질(120)을 제1유동성 전극(100)에 공급하는 제1공급수단(1); 제2유동성 전극물질(220)을 보관하는 제2전극물질보관조(1200); 및 제2전극물질보관조(1200)와 제2유동성 전극(200) 사이에 구비되어, 제2전극물질보관조(1200)의 제2유동성 전극물질(220)을 제2유동성 전극(200)에 공급하는 제2공급수단(2);을 더 포함할 수 있다.
도 1을 기반으로 상술한 전극 구조체의 전극물질이 집전체에 고정된 고정상이 아닌, 분산상 또는 콜로이드 상인 유동상임에 따라, 전극물질이 전극 구조체 외부에서 공급되며, 전기적 반응이 완료된 전극물질이 전극 구조체로부터 배출될 수 있다.
제1전극물질보관조(1100)는 제1유동성 전극(100)의 제1유동성 전극물질(120)을 보관하며, 제1공급수단(1)에 의해 제1유동성 전극물질(120)을 제1집전체(110)와 제1전극 분리막(130) 사이의 공간인 제1전극공간(A)에 공급할 수 있다.
제2전극물질보관조(1200)는 제2유동성 전극(200)의 제2유동성 전극물질(220)을 보관하며, 제2공급수단(2)에 의해 제2유동성 전극물질(220)을 제2집전체(210)와 제2전극 분리막(230) 사이의 공간인 제2전극공간(B)에 공급할 수 있다.
도 3의 일 실시예에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장장치는 전해액(300)을 보관하는 전해액보관조(1300); 및 전해액보관조(1300)와 제1전극 분리막(130) 및 제2전극 분리막(230)사이의 공간인 전해공간(C) 사이에 구비되어, 전해액보관조(1300)의 전해액을 전해공간(C)에 공급하는 제3공급수단(3);을 더 포함할 수 있다.
전해액보관조(1300)는 전극 구조체의 전해액(300)을 보관하며, 제3공급수단(3)에 의해 전해액(300)을 제1전극 분리막(130) 및 제2전극 분리막(230)에 의해 구획 및 규정되는 공간인 전해공간(C)에 공급할 수 있다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장장치의 다른 예를 도시한 단면도로, 도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장장치는 제1유동성 전극(100)에서 배출되는 제1유동성 전극물질(120)을 보관하는 제1충전물질보관조(1400); 제2유동성 전극(200)에서 배출되는 제2유동성 전극물질(220)을 보관하는 제2충전물질보관조(1500); 및 전해공간(C)에서 배출되는 전해액(300)을 보관하는 탈이온액보관조(1600)를 더 포함할 수 있다.
유동성 전극물질의 충전은 유입측에서 배출측으로 전극물질이 흐르며 이온이 흡착됨에 따라 이루어질 수 있으며, 일정 시간동안 정적 상태로 전극구조체에 머무르며 이온이 흡착됨에 따라 이루어질 수 있다.
상세하게, 제1유동성 전극물질은 제1전극물질보관조(1100)에서 제1공급수단(1)에 의해 제1전극공간(A)에 유입되고, 유입된 제1유동성 전극물질은 정적 또는 흐름 상태에서 전해액(300)에 함유된 음이온을 흡착하여 충전되며, 충전된 제1유동성 전극물질은 제1충전물질보관조(1400)로 배출되어 보관될 수 있다.
상세하게, 제2유동성 전극물질은 제2전극물질보관조(1200)에서 제2공급수단(2)에 의해 제2전극공간(B)에 유입되고, 유입된 제2유동성 전극물질은 정적 또는 흐름 상태에서 전해액(300)에 함유된 양이온을 흡착하여 충전되며, 충전된 제2유동성 전극물질은 제2충전물질보관조(1500)로 배출되어 보관될 수 있다.
상세하게, 전기적 활성물질, 즉, 충방전에 관여하는 양이온 및 음이온을 함유하는 전해액은 전해액보관조(1300)에서 제3공급수단(3)에 의해 전해공간(C)에 유입되고, 유입된 전해액은 정적 또는 흐름 상태에서 제1전극 분리막(130) 및/또는 제2전극 분리막(230)을 통해 음이온 및/또는 양이온이 제1유동성 전극물질(120) 및/또는 제2유동성 전극물질(220)로 이동하여, 전극활물질에 의해 흡착 제거되며, 이온이 제거된 전해액은 탈이온액보관조(1600)로 배출되어 보관될 수 있다.
상술한 바와 같이, 제1유동성 전극물질(120), 제2유동성 전극물질(220) 및 전해액(300)에서 하나 또는 둘 이상 선택된 물질은 연속적으로 공급 및 배출되거나, 불연속적으로 공급 및 배출될 수 있으며, 연속적 또는 불연속적 공급 방법, 공급유속, 공급량, 정적상태 유지시간등은 제1공급수단, 제2공급수단 및 제3공급수단에 의해 제어될 수 있다. 이때, 제1공급수단, 제2공급수단 및 제3공급수단은 각각 펌프일 수 있으며, 제1공급수단, 제2공급수단 및 제3공급수단은 동작 상태(on/off를 포함한 상태임) 및 조건이 제어부에 의해 제어될 수 있음은 물론이다.
이하, 상술한 에너지 저장장치를 이용한 에너지 시스템에 대해 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 에너지 시스템은 상술한 에너지 저장장치; 및 에너지 방출장치;를 포함한다.
도 5는 본 발명에 따른 에너지 시스템에 있어, 에너지 방출장치에 구비되는 전극 구조체의 일 예를 도시한 단면도이다.
도 5에 도시한 바와 같이, 에너지 방출장치에 구비되는 전극 구조체는 도 1을 기반으로 상술한 에너지 저장장치에 구비되는 전극 구조체와 유사한 구조를 가질 수 있다.
상세하게, 에너지 방출장치에 구비되는 전극 구조체는 서로 이격 배치되는 제1방전 전극(100') 및 제2방전 전극(200')과 이격 배치되는 두 방전 전극 사이에 위치하는 이온액(300')을 포함할 수 있다.
상세하게, 제1방전 전극(100')은 제3집전체(110'), 제3전극 분리막(130') 및 제3유동성 전극물질(120')을 포함하며, 제3집전체(110')와 제3전극 분리막(130')은 대응되는 형상으로 이격 배치되고, 제3집전체(110')와 제3전극 분리막(130')사이의 공간에 제3유동성 전극물질(120')이 위치할 수 있다.
상세하게, 제2방전 전극(200')은 제1방전 전극(100')과 유사하게, 제4집전체(210'), 제4전극 분리막(230') 및 제4유동성 전극물질(220')을 포함하며, 제4집전체(210')와 제4전극 분리막(230')은 대응되는 형상으로 이격 배치되고, 제4집전체(210')와 제4전극 분리막(230')사이의 공간에 제4유동성 전극물질(220')이 위치할 수 있다.
도 5에 도시한 일 예와 같이, 제1방전 전극(100')과 제2방전 전극(200')은 전극 분리막이 마주하도록 이격 배치될 수 있으며, 제1방전 전극(100')과 제2방전 전극(200') 사이에는 이온액(300')이 위치할 수 있다.
이때, 도 5에는 도시하지 않았으나, 제1방전 전극(100')과 제2방전 전극(200')이 이격 적층된 적층 방향을 상하 방향으로 하고, 상하 방향에 수직인 방향을 측면 방향으로 하여, 전극 구조체의 적어도 서로 대향하는 두 측면 방향은 전도성 또는 비 전도성 측벽에 의해 밀폐될 수 있다. 상세하게, 제1방전 전극(100')과 제2방전 전극(200') 각각에 있어, 집전체와 전극 분리막 사이의 서로 대향하는 두 측면 방향이 측벽에 의해 밀폐될 수 있으며; 제1방전 전극(100')과 제2방전 전극(200') 사이의 서로 대향하는 두 측면 방향이 측벽에 의해 밀폐될 수 있으며; 집전체와 전극 분리막 사이의 서로 대향하는 두 측면 방향 및 제1방전 전극(100')과 제2방전 전극(200') 사이의 서로 대향하는 두 측면 방향이 측벽에 의해 밀폐될 수 있다. 이러한 측벽은 유동성 물질이 전극 또는 구조체 밖으로 원치 않게 배출되는 것을 방지하기 위함이며, 유동성 물질의 흐름 방향을 가이드(guide)하기 위한 것임에 따라, 측벽의 위치 및/또는 측벽의 구조는 전극 또는 전극 구조체의 용도, 디멘젼(dimension), 사용 조건등에 따라 적절히 가변될 수 있음은 물론이다.
또한, 부분적인 측벽의 형성에 의해, 제1방전 전극(100')의 제3집전체(110')와 제3전극 분리막(130')에 의해 규정되어 제3유동성 전극물질(120')이 수용되는 공간, 즉, 제3전극공간(A')에는 전극 구조체 외부에서 제3유동성 전극물질이 유입 및 배출될 수 있는 유입구 및 배출구가 형성될 수 있으며, 제2방전 전극(200')의 제4집전체(210')와 제4전극 분리막(230')에 의해 규정되어 제4유동성 전극물질(220')이 수용되는 공간, 즉, 제4전극공간(B')에는 전극 구조체 외부에서 제4유동성 전극물질이 유입 및 배출될 수 있는 유입구 및 배출구가 형성될 수 있으며, 제1방전 전극(100')의 제3전극 분리막(130')과 제2방전 전극(200')의 제4전극 분리막(230')에 의해 규정되어 이온액이 수용되는 공간, 즉, 이온공간(C')에는 전극 구조체 외부에서 이온액이 유입 및 배출될 수 있는 유입구 및 배출구가 형성될 수 있음은 물론이다.
에너지 방출장치에 구비되는 전극 구조체를 상술함에 있어, 제3집전체, 제4집전체, 제3전극분리막 및 제4전극분리막은 도 1을 기반으로 에너지 저장장치에 구비되는 전극 구조체와 유사함에 따라, 이에 대한 설명은 생략한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 시스템에 있어, 에너지 방출장치의 제3유동성 전극물질(120')은 에너지 저장장치에서 배출되는 제1유동성 전극물질(120)일 수 있으며, 에너지 방출장치의 제4유동성 전극물질(220')은 에너지 저장장치에서 배출되는 제1유동성 전극물질(120)일 수 있다.
즉, 에너지 방출장치의 제3유동성 전극물질(120') 및 제4유동성 전극물질(220')은 이온흡착에 의해 충전된 상태의 전극물질일 수 있으며, 제3유동성 전극물질(120')은 상술한 에너지 저장장치에 의해 충전 및 배출된 제1유동성 전극물질(120)일 수 있으며, 제4유동성 전극물질(220')은 상술한 에너지 저장장치에 의해 충전 및 배출된 제2유동성 전극물질(220)일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 시스템에 있어, 에너지 방출장치의 이온액은 담수를 포함하는 탈이온수이거나, 유기용매일 수 있다.
상세하게, 이온액은 담수 또는 카보네이트계, 에스테르계, 에테르계, 케톤계, 유기황(organosulfur)계, 유기인(organophosphorous)계, 비양성자성 용매 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 하나 이상의 유기용매일 수 있다.
상세하게, 이온액으로 사용되는 유기용매는 에틸렌 카르보네이트(EC), 프로필렌 카르보네이트(PC), 부틸렌 카르보네이트(BC), 디메틸 카르보네이트(DMC), 디에틸 카르보네이트(DEC), 디프로필 카르보네이트(DPC), 디부틸 카르보네이트(DBC), 에틸 메틸 카르보네이트(EMC), 메틸 프로필 카르보네이트(MPC), 에틸 프로필 카르보네이트(EPC), 플루오로에틸렌 카보네이트(FEC), 디부틸에테르, 테트라글라임, 디그라임, 디메톡시에탄, 테트라하이드퓨란, 2-메틸 테트라하이드로퓨란, 1,3-디옥솔란(1,3-dioxolane), 1,4-디옥산, 1,2-디메톡시에탄, 1,2-디에톡시에탄, 1,2-디부톡시에탄, 아세토니트릴, 디메틸포름아미드, 메틸 포르메이트, 에틸 포르메이트, 프로필 포르메이트, 부틸 포르메이트, 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 프로필 아세테이트, 부틸 아세테이트, 메틸 프로피오네이트, 에틸 프로피오네이트, 프로필 프로피오네이트, 부틸 프로피오네이트, 메틸 부티레이트, 에틸 부티레이트, 프로필 부티레이트, 부틸 부티레이트, γ-부티로락톤, 2-메틸-γ-부티로락톤, 3-메틸-γ-부티로락톤, 4-메틸-γ-부티로락톤, β-프로피오락톤, δ-발레로락톤, 트리메틸 포스페이트, 트리에틸 포스페이트, 트리스(2-클로로에틸) 포스페이트, 트리스(2,2,2-트리플루오로에틸) 포스페이트, 트리프로필 포스페이트, 트리이소프로필 포스페이트, 트리부틸 포스페이트, 트리헥실 포스페이트, 트리페닐 포스페이트, 트리톨릴 포스페이트, 프로필렌탄산염, 에틸렌탄산염, 디에틸탄산염, 디메틸탄산염 및 에틸메틸탄산염, 초산 에스터, 유산 에스터 및 프로포닉산 에스터에서 하나 또는 둘 이상 선택된 것일 수 있다.
도 5를 기반으로 상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 시스템에 구비되는 에너지 방출장치는 에너지 충전장치에서 충전된 유동성 전극물질이 연속적으로 전극구조체에 투입되며, 유동성 전극물질에 기 흡착된 양이온 및 음이온이 제거된 유동성 전극물질 및 유동성 전극물질에서 방출되는 양이온과 음이온으로 농축된 이온액이 배출되며 전기 에너지를 방출할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 시스템에 구비되는 에너지 방출장치의 일 예를 도시한 단면도로, 도 6에 도시한 바와 같이, 에너지 방출장치는 도 5를 기반으로 상술한 전극 구조체를 포함하며, 전극 구조체의 제1방전 전극(100') 및 제2방전 전극(200')과 연결되어, 전력을 소모하는 부하(500)를 포함할 수 있다.
상세하게, 에너지 방출장치는 제1방전 전극(100')의 제3집전체(110') 및 제2방전 전극(200')의 제4집전체(210')와 전기적으로 연결된 부하(500)를 포함하며, 제1방전 전극(100') 및 제2방전 전극(200')에 충전된 이온들이 전극분리막을 통해 이온액으로 방전되며 발생하는 전력이 부하에 공급될 수 있다.
이러한 방전에 의해, 에너지 충전장치에서 충전된 유동성 전극물질의 방전이 이루어지며, 흡착된 이온이 제거된 유동성 전극물질, 즉, 재생된 유동성 전극물질이 제조될 수 있다.
도 6의 일 실시예에 화살표로 도시한 바와 같이, 충전된 제1유동성 전극물질(120), 충전된 제2유동성 전극물질(220) 및 이온액(300')에서 하나 또는 둘 이상 선택된 물질은 장치(에너지 방출장치의 전극 구조체) 외부에서 장치 내부로 유입될 수 있으며, 장치 내부에서 장치 외부로 배출될 수 있다.
상세하게, 에너지 저장장치에서 상술한 바와 유사하게, 충전된 제1유동성 전극물질(120), 충전된 제2유동성 전극물질(220) 및 이온액(300')에서 하나 또는 둘 이상 선택된 물질은 연속적으로 공급 및 배출되거나, 불연속적으로 공급 및 배출될 수 있다.
즉, 충전된 유동성 전극물질의 방전은 에너지 방출장치의 유입측에서 배출측으로 전극물질이 흐르며 이온이 탈착됨에 따라 이루어질 수 있으며, 일정 시간동안 정적 상태로 에너지 방출장치의 전극구조체에 머무르며 이온이 방출됨에 따라 이루어질 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 시스템의 구성도를 도시한 일 예로, 도 7에 도시한 바와 같이, 에너지 시스템은 로드가 구비된 전극구조체(2000)를 포함하는 에너지 방출장치의 제3전극공간(A')에 제1충전물질보관조(1400)의 충전된 제1유동성 전극물질을 공급하는 제4공급수단(4)을 포함할 수 있다.
또한, 에너지 시스템은 에너지 방출장치의 제4전극공간(B')에 제2충전물질보관조(1500)의 충전된 제2유동성 전극물질을 공급하는 제5공급수단(5)을 포함할 수 있으며, 이온액(300')을 보관하는 이온액보관조(2100)의 이온액을 에너지 방출장치의 이온공간(C')에 공급하는 제6공급수단(6)을 포함할 수 있다.
또한, 에너지 시스템은 제1방전 전극(100')에서 배출되는 제3유동성 전극물질(120'), 즉, 재생된 제1유동성 전극물질을 보관하는 제1방전물질보관조(2200); 제2방전 전극(200')에서 배출되는 제4유동성 전극물질(220'), 즉, 재생된 제2유동성 전극물질을 보관하는 제2방전물질보관조(2400); 및 이온공간(C')에서 배출되는 농축된 이온액(300')을 보관하는 농축액보관조(2300)를 더 포함할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 시스템의 구성도를 도시한 일 예로, 도 8에 도시한 바와 같이, 에너지 시스템은 제1방전물질보관조(2200)와 에너지 저장장치 사이에 구비되어, 제1방전물질보관조(2200)의 제3유동성 전극물질, 즉, 재생된 제1전극물질을 상기 에너지 저장장치의 제1유동성 전극(100)에 공급하는 제7공급수단(7); 및 제2방전물질보관조(2400)와 에너지 저장장치 사이에 구비되어, 제2방전물질보관조(2400)의 제4유동성 전극물질, 즉, 재생된 제2유동성 전극물질을 에너지 저장장치의 제2유동성 전극(200)에 공급하는 제8공급수단(8);을 더 포함할 수 있다.
이때, 도 8에 도시한 바와 같이, 제7공급수단(7)에 의해 제1방전물질보관조(2200)에서 제1전극물질보관조(1100)로 전극물질이 이동될 수 있으며, 제8공급수단(8)에 의해 제2방전물질보관조(2400)에서 제2전극물질보관조(1200)로 전극물질이 이동될 수 있음은 물론이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 시스템에 있어, 에너지 저장장치의 전해액은 해수를 포함할 수 잇으며, 에너지 방출장치의 이온액은 담수를 포함할 수 있다. 이러한 경우, 에너지 저장장치에서는 이온이 제거된 해수, 즉, 담수가 배출됨에 따라, 탈이온액보관조(1600)와 이온액보관조(2100)가 단일한 보관조로 구현될 수 있음은 물론이다.
도 8의 일 실시예에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 시스템은 농축액보관조(2300)에 보관된 이온액을 PRO(Pressure Retarded Osmosis) 장치, RED(Reverse Electro-Dialysis) 장치 또는 VP(Vapor Pressure) 장치에 공급하는 제9공급수단(9)을 더 포함할 수 있다.
PRO(Pressure Retarded Osmosis) 장치, RED(Reverse Electro-Dialysis) 장치 또는 VP(Vapor Pressure) 장치는 이온 농도가 상이한 두 용액을 이용하여 전기 에너지를 생성하는 통상적인 장치일 수 있으며, 에너지 방출장치에서 배출되는 고농도의 이온액이 제9공급수단(9)에 의해 PRO(Pressure Retarded Osmosis) 장치, RED(Reverse Electro-Dialysis) 장치 또는 VP(Vapor Pressure) 장치에 공급되어, 이온 농도차에 의한 에너지 생성에 사용될 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
Claims (17)
- 제1집전체, 상기 제1집전체에 이격 배치되는 제1전극 분리막 및 상기 제1집전체와 제1전극 분리막 사이에 위치하며 전극활물질 및 비수계 전해질을 함유하는 제1유동성 전극물질을 포함하는 제1유동성 전극;
제2집전체, 상기 제2집전체에 이격 배치되는 제2전극 분리막 및 상기 제2집전체와 제2전극 분리막 사이에 위치하며 전극활물질 및 비수계 전해질을 함유하는 제2유동성 전극물질을 포함하는 제2유동성 전극;
서로 이격 대향하는 상기 제1전극 분리막 및 제2전극 분리막 사이에 위치하는 전해액; 및
상기 제1집전체 및 제2집전체와 연결되어 전압을 인가하는 전원공급부;
를 포함하는 에너지 저장장치. - 제 1항에 있어서,
상기 에너지 저장장치는 상기 제1유동성 전극물질을 보관하는 제1전극물질보관조;
상기 제1전극물질보관조와 제1유동성전극 사이에 구비되어, 제1전극물질보관조의 제1유동성 전극물질을 제1유동성전극에 공급하는 제1공급수단;
상기 제2유동성 전극물질을 보관하는 제2전극물질보관조; 및
상기 제2전극물질보관조와 제2유동성전극 사이에 구비되어, 제2전극물질보관조의 제2유동성 전극물질을 제2유동성전극에 공급하는 제2공급수단;
을 더 포함하는 에너지 저장장치. - 제 2항에 있어서,
상기 에너지 저장장치는
상기 제1유동성 전극에서 배출되는 제1유동성 전극물질을 보관하는 제1충전물질보관조; 및
상기 제2유동성 전극에서 배출되는 제2유동성 전극물질을 보관하는 제2충전물질보관조;
를 더 포함하는 에너지 저장장치. - 제 3항에 있어서,
상기 에너지 저장장치는 상기 전해액을 보관하는 전해액보관조; 및
상기 전해액보관조와 상기 제1전극 분리막 및 제2전극 분리막에 의해 규정되는 전해공간 사이에 구비되어, 전해액보관조의 전해액을 전해공간에 공급하는 제3공급수단;
을 더 포함하는 에너지 저장장치. - 제 4항에 있어서,
상기 에너지 저장장치는
상기 전해공간에서 배출되는 전해액을 보관하는 탈이온액보관조(1600)를 더 포함하는 에너지 저장장치. - 제 1항에 있어서,
상기 제1유동성 전극물질 및 제2유동성 전극물질의 비수계 전해질은 서로 독립적으로, 에틸렌 카르보네이트(EC), 프로필렌 카르보네이트(PC), 부틸렌 카르보네이트(BC), 디메틸 카르보네이트(DMC), 디에틸 카르보네이트(DEC), 디프로필 카르보네이트(DPC), 디부틸 카르보네이트(DBC), 에틸 메틸 카르보네이트(EMC), 메틸 프로필 카르보네이트(MPC), 에틸 프로필 카르보네이트(EPC), 플루오로에틸렌 카보네이트(FEC), 아세토니트릴, 니트로메탄, γ-부티로락톤, 2-메틸-γ-부티로락톤, 3-메틸-γ-부티로락톤, 4-메틸-γ-부티로락톤, β-프로피오락톤, δ-발레로락톤, α-부티로락톤, δ-부티로락톤, 트리메톡시메탄, 1,2-디메톡시에탄, 디에틸에테르, 2-에톡시에탄, 테트라하이드퓨란, 2-메틸 테트라하이드로퓨란, 메톡시에탄, 1,3-디옥솔란(1,3-dioxolane), 1,4-디옥산, 1,2-디에톡시에탄, 1,2-디부톡시에탄, 디메틸 술폭사이드, 디메틸포름아미드, 메틸 포르메이트, 에틸 포르메이트, 프로필 포르메이트, 부틸 포르메이트, 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 프로필 아세테이트, 부틸 아세테이트, 메틸 프로피오네이트, 에틸 프로피오네이트, 프로필 프로피오네이트, 부틸 프로피오네이트, 메틸 부티레이트, 에틸 부티레이트, 프로필 부티레이트, 부틸 부티레이트, , 트리메틸 포스페이트, 트리에틸 포스페이트, 트리스(2-클로로에틸) 포스페이트, 트리스(2,2,2-트리플루오로에틸) 포스페이트, 트리프로필 포스페이트, 트리이소프로필 포스페이트, 트리부틸 포스페이트, 트리헥실 포스페이트, 트리페닐 포스페이트, 트리톨릴 포스페이트, 트리에스터 포스페이트, 프로필렌탄산염, 에틸렌탄산염, 디에틸탄산염, 디메틸탄산염 및 에틸메틸탄산염, 초산 에스터, 유산 에스터 및 프로포닉산 에스터에서 하나 또는 둘 이상 선택된 유기용매를 함유하는 에너지 저장장치. - 제 1항에 있어서,
상기 제1유동성 전극물질 및 제2유동성 전극물질의 비수계 전해질은 서로 독립적으로, 리튬 이온, 소듐 이온, 칼륨 이온 또는 이들의 혼합 이온을 포함하는 금속 양이온; 암모늄 이온; 포스포늄 이온; 및 카르보늄 이온;에서 하나 또는 둘 이상 선택된 양이온을 함유하는 에너지 저장장치. - 제 1항에 있어서,
상기 제1유동성 전극물질 및 제2유동성 전극물질의 비수계 전해질은 서로 독립적으로, 불화 이온, 염화 이온, 브롬화 이온, 요오드화 이온, 질산이온, 황산 이온, 아세트산 이온, 과염소산 이온, 테트라플루오로붕산 이온, 헥사플루오로포스페이트 이온, 헥사플루오로아르세네이트 이온, 헥사플루오로안티모네이트 이온, 플루오로알킬술폰산 이온, 플루오로알킬술포닐이미드 이온 및 플루오로알킬카복실 이온에서 하나 또는 둘 이상 선택된 음이온을 함유하는 에너지 저장장치. - 제 1항 내지 제 8항에서 선택된 어느 한 항의 에너지 저장장치; 및 에너지 방출장치;를 포함하며,
상기 에너지 방출장치는
상기 에너지 저장장치에서 배출되는 제1유동성 전극물질이 유입되는 제1방전전극;
상기 에너지 저장장치에서 배출되는 제2유동성 전극물질이 유입되는 제2방전전극;
서로 이격 대향하는 상기 제1방전전극 및 제2방전전극 사이에 위치하는 이온액;
을 포함하는 에너지 시스템. - 제 9항에 있어서,
상기 에너지 방출장치는
상기 제1방전전극 및 제2방전전극과 연결된 부하를 더 포함하는 에너지 시스템. - 제 9항에 있어서,
상기 제1방전전극 및 제2방전전극은 각각
집전체; 상기 집전체와 이격 배치되어, 유입되는 상기 제1유동성 전극물질 또는 제2유동성 전극물질을 수용하는 전극공간을 형성하는 전극 분리막;을 포함하는 에너지 시스템. - 제 9항에 있어서,
상기 에너지 방출장치는
상기 제1방전전극에서 배출되는 제1유동성 전극물질을 보관하는 제1방전물질보관조; 및
상기 제2방전전극에서 배출되는 제2유동성 전극물질을 보관하는 제2방전물질보관조;
를 더 포함하는 에너지 시스템. - 제 12항에 있어서,
상기 에너지 시스템은
상기 제1방전물질보관조와 상기 에너지 저장장치 사이에 구비되어, 제1방전물질보관조의 제1유동성 전극물질을 상기 에너지 저장장치의 제1유동성전극에 공급하는 제7공급수단; 및
상기 제2방전물질보관조와 상기 에너지 저장장치 사이에 구비되어, 제2방전물질보관조의 제2유동성 전극물질을 상기 에너지 저장장치의 제2유동성전극에 공급하는 제8공급수단;
을 더 포함하는 에너지 시스템. - 제 9항에 있어서,
상기 에너지 시스템은
상기 에너지 방출장치에서 배출되는 이온액을 보관하는 농축액보관조를 더 포함하는 에너지 시스템. - 제 14항에 있어서,
상기 에너지 시스템은 이온 농도가 상이한 두 용액을 이용하여 전기 에너지를 생성하는 PRO(Pressure Retarded Osmosis) 장치, RED(Reverse Electro-Dialysis) 장치 또는 VP(Vapor Pressure) 장치에 상기 농축액보관조에 보관된 이온액을 공급하는 제9공급수단;을 더 포함하는 에너지 시스템. - 제 15항에 있어서,
상기 에너지 방출장치의 이온액은 담수인 에너지 시스템. - 제 16항에 있어서,
상기 에너지 저장장치의 전해액은 해수인 에너지 시스템.
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