KR20160082372A - 전해질을 물리적으로 분리하는 계층부를 포함하지 않는 레독스 흐름 이차전지 및 적층형 레독스 흐름 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전해질을 물리적으로 분리하는 계층부를 포함하지 않는 레독스 흐름 이차전지 및 적층형 레독스 흐름 이차전지에 관한 것으로 이산화황 기반 무기액체 전해질을 포함하여 가연성 문제를 해결하여 전지의 안정성을 향상시키고, 고전압 구동이 가능하게 하며, 전해질을 물리적으로 분리하는 계층부를 포함하지 않음으로써 전지의 구성을 간단하게 할 수 있다.

Description

전해질을 물리적으로 분리하는 계층부를 포함하지 않는 레독스 흐름 이차전지 및 적층형 레독스 흐름 이차전지{REDOX FLOW BATTERY THAT DO NOT CONTAIN PHYSICALLY SEPERATION THE ELECTROLYTE LAYER PART AND STACKED REDOX FLOW SECONDARY BATTERY}
본 발명은 레독스 흐름 이차전지에 관한 것으로, 특히 이산화황 기반 무기액체 전해질을 포함하고 이를 물리적으로 분리하는 계층부를 포함하지 않는 레독스 흐름 이차전지 및 적층형 레독스 흐름 이차전지에 관한 것이다.
화석 연료를 사용하여 대량의 온실가스 및 환경오염문제를 야기하는 화력발전이나 시설자체의 안정성이나 폐기물처리의 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 이차전지에 대한 관심 및 연구 개발이 크게 증가하고 있는 실정이다.
레독스 흐름 이차전지는 활성물질의 화학적 에너지를 직접 전기 에너지로 전환할 수 있는 산화/환원 전지를 의미하며, 태양광, 풍력 등 외부 환경에 따라 출력변동성이 심한 신재생에너지를 저장하여 고품질 전력으로 변환할 수 있는 에너지 저장시스템이다. 구체적으로, 레독스 흐름 이차전지에서는 산화/환원 반응을 일으키는 활물질을 포함한 전해액이 반대 전극과 저장 탱크 사이를 순환하며 충방전이 진행된다.
이러한 레독스 흐름 이차전지는 일반적으로 활물질이 저장된 탱크와 충방전시 활물질을 순환시키는 펌프, 셀 프레임, 집전체 및 단위셀을 포함하며 단위셀은 분리막, 전극 및 바이폴라 플레이트를 포함한다.
그리고 가장 널리 이용되고 있는 레독스 흐름 이차전지는 바나듐/바나듐 레독스 커플, 아연/브롬 레독스 커플을 적용한 레독스 흐름 이차전지가 널리 이용되고 있는데 이는 셀 전압이 낮고 에너지 밀도가 낮은 단점이 있다.
고전압 구현을 위해 유기용매를 이용한 레독스 커플에 대하여 개발이 진행되고 있으나 유기용매를 사용함으로써 전해액의 가연성 문제가 있다.
또한 기존의 레독스 스름 이차전지에서는 이온이 전달 가능한 분리막 및 음극과 양극이 분리되어 있어야 하므로 2개의 전해액 저장조가 필요하다. 이는 구성이 복잡하고 제작에 비용이 증가한다는 문제가 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1262663호(2013.05.15.)
따라서, 본 발명의 목적은 레독스 흐름 이차전지의 구조를 단순화하고 고전압을 구현하도록 하여 전지의 효율성을 증가시키며, 가연성의 문제를 해결하여 전지의 안정성을 향상시키는 전해질을 물리적으로 분리하는 계층부를 포함하지 않는 레독스 흐름 이차전지 및 적층형 레독스 흐름 이차전지를 제공하는데 있다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 레독스 흐름 이차전지는 상호 마주보게 배치 된 한 쌍의 양극 및 음극; 양극 및 음극을 담지하는 담지부; 담지부에 유입되는 전해질;을 포함하고 전해질을 물리적으로 분리하는 계층부를 포함하지 않는다.
본 발명에 따른 전해질을 물리적으로 분리하는 계층부를 포함하지 않는 레독스 흐름 이차전지는 전해질이 이산화황 기반 무기액체 전해질인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따른 전해질을 물리적으로 분리하는 계층부를 포함하지 않는 레독스 흐름 이차전지는 이산화황 기반 무기액체 전해질이 LiAlCl4 또는 NaAlCl4 중 어느 하나를 용질로, SO2를 용매로 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따른 전해질을 물리적으로 분리하는 계층부를 포함하지 않는 레독스 흐름 이차전지는 용질 및 용매가 용질:용매=1:0.5 내지 6 의 몰비를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따른 전해질을 물리적으로 분리하는 계층부를 포함하지 않는 레독스 흐름 이차전지는 담지부의 일 면에 연결되어 전해질을 유입시키는 유입관; 담지부의 일 면에 연결되어 전해질을 유출시키는 유출관; 유입관 및 유출관 일 면에 연결되어 전해질을 저장하는 저장조;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따른 전해질을 물리적으로 분리하는 계층부를 포함하지 않는 레독스 흐름 이차전지는 양극은 탄소계 소재이며, 음극은 리튬 또는 나트륨, 리튬 또는 나트륨을 포함한 합급, 리튬 또는 나트륨을 함유하는 금속화합물, 리튬 또는 나트륨을 포함하는 무기계 소재 중 어느 하나 인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따른 전해질을 물리적으로 분리하는 계층부를 포함하지 않는 적층형 레독스 흐름 이차전지는 상호 마주하게 배치 된 한 쌍의 양극 및 음극이 복수로 배열 된 전극부; 전극부를 담지하는 담지부; 담지부에 유입되는 전해질;을 포함하고 전해질을 물리적으로 분리하는 계층부를 포함하지 않는다.
본 발명에 따른 전해질을 물리적으로 분리하는 계층부를 포함하지 않는 적층형 레독스 흐름 이차전지는 전극부는 한 쌍의 양극 및 음극 간에 스페이서에 의해 간격을 유지하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 전해질을 물리적으로 분리하는 계층부를 포함하지 않고 하나의 전해조를 포함하기 때문에 전지의 구조를 단순화 할 수 있고, 이산화황 기반 무기액체 전해질을 포함하기 때문에 고전압이 구현될 수 있으며, 가연성 문제를 해결하여 전지 안정성이 향상된다.
도 1은 본 발명의 레독스 흐름 이차전지를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 비교예를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 레독스 흐름 이차전지의 충방전 가부를 설명하기 위한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 레독스 흐름 이차전지의 방전 용량을 판단하기 위한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예와 비교예의 무게당 용량에 대한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 적층형 레독스흐름 이차전지를 설명하기 위한 도면이다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시 예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명에 따른 레독스 흐름 이차전지(이하 '이차전지'라 함)에 대해서 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 레독스 흐름 이차전지(100)를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 이차전지(100)는 상호 마주하게 배치된 한 쌍의 양극(10) 및 음극(20)과, 이를 담지하는 담지부(25) 및 담지부(25)를 흐르는 전해질을 포함하며, 전해질을 물리적으로 분리하는 계층부를 포함하지 않는다.
이차전지(100)는 담지부(25)의 일 면에 연결되어 전해질을 유입시키는 유입관(50), 유출관(40) 및 이와 연결되어 전해질을 저장하는 저장조(30)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
저장조(30)는 필요한 경우 전해질을 유입시킬 수 있도록 전해질을 저장하며, 이차전지(100)는 저장조(30)에서 담지부(25)로 전해질을 유입시키기 위해 펌프(55)를 더 포함할 수 있다.
저장조(30)는 담지부(25)의 일 측면에 배치된다. 또한 저장조(30)는 유입관(50) 및 유출관(40)을 통해 담지부(25)와 연결된다. 유입관(50)은 전해질이 담지부(25)로 유입되는 통로이며, 유출관(40)은 전해질이 담지부로부터 나오는 통로이다.
또한, 펌프(55)는 저장조(25)로부터 전해질을 인출하여 담지부(25)에 유입시키기 위한 것이며, 저장조(30)와 담지부(25) 사이의 유입관(55)에 개재된다. 즉 저장조(30)로부터 인출된 전해질은 펌프(55), 유입관(50), 담지부(25), 유출관(40) 순서대로 흐르게 되며 다시 저장조(30)에 저장된다.
전해질을 물리적으로 분리하는 계층부는 일반적으로 분리막, 격리막, 이온분리막, 이온교환막을 말하며 이에 한하지 않는다.
본 발명에서 계층부를 포함하지 않기 때문에 양극(10) 및 음극(20)간 전해질의 이동은 어떠한 물리적·화학적 장애 없이 일어난다.
본 발명에 따른 이차전지(100)는 전해질을 물리적으로 분리하는 계층부가 없으므로 기존의 이차전지의 구조보다 단순화시키며 제조비용이 절감될 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지(100)에서 전해질은 이산화황 기반 무기액체 전해질일 수 있다.
이산화황 기반 무기액체 전해질은 용매와 용질을 포함한다. 용질은 LiAlCl4, NaAlCl4, KAlCl4, RbAlCl4, CsAlCl4, FrAlCl4, LiGaCl4, NaGaCl4, KGaCl4, RbGaCl4, CsGaCl4 , FrGaCl4, LiInCl4, NaInCl4, KInCl4, RbInCl4, CsInCl4, FrInCl4 , LiTiCl4, NaTiCl4, KTiCl4 , RbTiCl4, CsTiCl4, FrTiCl4, LiUubCl4, NaUubCl4, KaUubCl4, RbUubCl4, CsUubCl4 또는 FrUubCl4 이며, 이에 한하지 않는다.
용매는 SO2 이며, 용질과 용매의 몰비는 1:0.5 내지 6 이다. 이 범위 내에서의 충전 및 방전이 가능하며 그 충·방전 용량이 현저히 우수하다.
이산화황 무기액체 전해질은 유기용매와 달리 불연성으로 가연성 문제를 해결하고 전지의 안정성을 향상시킬 수 있다.
양극(10)은 탄소계 소재를 사용할 수 있다. 이는 주성분으로 도전성 카본블랙을 사용할 수 있으며 바인더로 불소수지 예를들면, PTFE, FEP, PVDF를 사용할 수 있고 이에 한하지 않는다.
음극(20)은 리튬 또는 나트륨, 리튬 또는 나트륨을 포함한 합금, 리튬 또는 나트륨을 함유하는 금속화합물, 리튬 또는 나트륨을 포함하는 무기계 소재 중 어느 하나를 사용할 수 있으며 이에 한하지 않는다.
리튬 또는 나트륨은 불연성으로 가연성 문제를 해결하고 전지의 안정성을 향상시킬 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 이차전지의 충·방전 용량 및 고전압 구현을 판단하기 위하여, 실시예1 및 비교예 1에 따른 이차전지를 제조하였다.
[실시예 1]
사이즈가 9㎠인 양극은 Ketjenblack600jd, PTFE 바인더 10%를 사용하여 제작하였다. 사이즈가 9㎠인 음극은 리튬 금속 시트를 사용하였다. 전해질은 용질을 1몰의 LiAlCl4, 용매를 3몰의 SO2로 하였다. 이차전지는 전해질을 분리하는 계층부를 포함하지 않으며 하나의 저장조로 구성하였다.
[비교예 1]
도 2는 본 발명에 따른 비교예를 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 사이즈가 9㎠인 비이커 전지 양극(410)은 Ketjenblack600jd, PTFE 바인더 10%를 사용하여 제작하였다. 사이즈가 9㎠인 비이커 전지 음극(420)은 리튬 금속 시트를 사용하였다. 비이커 전지 양극(410)과 비이커 전지 음극(420)에 부하(430)를 연결하였다. 전해질은 용질을 1몰의 LiAlCl4, 용매를 3몰의 SO2로 하였다. 비이커 전지(400)는 전해질을 분리하는 계층부를 포함하지 않으며, 전해액의 흐름이 없도록 구성하였다.
도 3은 본 발명에 따른 레독스 흐름 이차전지의 충·방전 가부를 설명하기 위한 그래프이다.
도 3을 참조하면, 실시예 1에 따른 전해질을 분리하는 계층부를 포함하지 않으며 하나의 저장조로 구성된 이차전지는 100시간 동안 2.5 전압에서 4 전압 까지 10회의 충전 및 방전이 가능하다. 즉, 전해질을 분리하는 계층부를 포함하지 않아 양극 및 음극간의 전해액에 자유롭게 이동하더라도 충전 및 방전이 가능한 것으로 판단된다.
도 4는 본 발명에 따른 레독스 흐름 이차전지의 방전 용량을 판단하기 위한 그래프이다.
도 4를 참조하면, 실시예 1에 따른 전해질을 분리하는 계층부를 포함하지 않으며 하나의 저장조로 구성된 이차전지는 10외의 사이클 동안 28mAh 내지 25mAh의 방전 용량을 가지는 것으로 이차전지는 구동이 가능한 것으로 판단된다.
도 5는 본 발명의 실시예와 비교예의 무게당 용량에 대한 그래프이다.
도 5를 참조하면, 양극인 탄소재 무게당 방전용량은 실시예 1 이차전지의 경우 2.5V 로 방전되는 것은 5000mAh/g이며 비교예 1 비이커 전지의 경우 2.5V 방전되는 것은 1900mAh/g으로, 실시예 1에 따른 이차전지는 비교예 1에 따른 비이커 전지보다 2.5 배 이상 증가한다.
또한, 방전 전압이 3.1V 이상으로 기존의 바나듐 레독스 플로우 이차전지의 방전 전압인 1.2V 대비 약 2.5배 높은 전압을 구현할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 이차전지는 한 쌍의 양극 및 음극(이하 '단위전극'이라 함)이 복수로 배열된 이차전지에도 적용이 가능하다. 이러한 복수의 단위전극을 사용하는 적층형 이차전지에 대해서 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명에 따른 적층형 레독스 흐름 이차전지의 단면도이다.
도 6을 참조하면, 적층형 이차전지는 한 쌍의 양극(10) 및 음극(20)이 복수로 배열된 전극부(90), 이를 담지하는 담지부(25), 담지부(25)에 흐르는 전해질을 포함하고 전해질을 물리적으로 분리하는 계층부를 포함하지 않는다.
적층형 이차전지(200)는 한 쌍의 양극(10) 및 음극(20) 간에 간격을 조정하는 스페이서를 더 포함할 수 있다.
전극부(90)에는 단위전극이 복수로 배열되며 단위 전극은 일정한 간격을 두고 있다. 일정한 간격은 스페이서로 조정할 수 있다.
본 발명에 따른 스페이서는 복수로 배열된 단위전극 간 사이에 개재되어 이웃하는 단위전극을 공간적으로 이격시키며 단위전극을 삽입하거나 단위전극을 담지부에 삽입한 상태에서 단위전극을 고정시킨다.
이와 같이 본 발명에 따른 이차전지 및 적층형 이차전지는 이산화황 기반 무기액체 전해질을 포함함으로써 가연성 문제를 해결하여 전지의 안정성을 향상하고, 고전압을 구현할 수 있으며, 전해질을 물리적으로 분리하는 계층부를 포함하하지 않음으로써 전지구조의 단순화 및 제조비용을 절감할 수 있다.
10. . .양극 20. . .음극
25. . .담지부 30. . .전해조 40. . .유입관 50. . .유출관
55. . .펌프 90. . .전극부
100. . .레독스 흐름 이차전지 200. . .적층형 레독스 흐름 이차전지 400. . .비이커 전지 410. . .비이커 전지 양극 420. . .비이커 전지 음극 430. . .부하

Claims (8)

  1. 상호 마주보게 배치 된 한 쌍의 양극 및 음극;
    상기 양극 및 음극을 담지하는 담지부;
    상기 담지부에 유입되는 전해질;을 포함하고
    상기 전해질을 물리적으로 분리하는 계층부를 포함하지 않는 레독스 흐름 이차전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전해질은 이산화황 기반 무기액체 전해질 인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 이차전지.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 이산화황 기반 무기액체 전해질은 LiAlCl4 또는 NaAlCl4 중 어느 하나를 용질로, SO2를 용매로 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 이차전지.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 용질 및 용매는 용질:용매=1:0.5 내지 6 의 몰비를 갖는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 이차전지.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 담지부의 일 면에 연결되어 전해질을 유입시키는 유입관;
    상기 담지부의 일 면에 연결되어 전해질을 유출시키는 유출관;
    상기 유입관 및 유출관 일 면에 연결되어 전해질을 저장하는 저장조;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 이차전지.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 양극은 탄소계 소재이며, 음극은 리튬 또는 나트륨, 리튬 또는 나트륨을 포함한 합급, 리튬 또는 나트륨을 함유하는 금속화합물, 리튬 또는 나트륨을 포함하는 무기계 소재 중 어느 하나 인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 이차전지.
  7. 상호 마주하게 배치 된 한 쌍의 양극 및 음극이 복수로 배열 된 전극부;
    상기 전극부를 담지하는 담지부;
    상기 담지부에 유입되는 전해질;을 포함하고
    상기 전해질을 물리적으로 분리하는 계층부를 포함하지 않는 적층형 레독스 흐름 이차전지.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 전극부는 상기 한 쌍의 양극 및 음극 간에 스페이서에 의해 간격을 유지하는 것을 특징으로 하는 적층형 레독스 흐름 이차전지.
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