KR20160084819A - 이차전지 전극 구조 - Google Patents

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KR20160084819A
KR20160084819A KR1020160001711A KR20160001711A KR20160084819A KR 20160084819 A KR20160084819 A KR 20160084819A KR 1020160001711 A KR1020160001711 A KR 1020160001711A KR 20160001711 A KR20160001711 A KR 20160001711A KR 20160084819 A KR20160084819 A KR 20160084819A
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노태근
정봉현
민근기
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이정배
변수진
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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 명세서는 이차전지 전극 구조에 관한 것이다.

Description

이차전지 전극 구조 {ELECTRODE STRUCTURE OF SECONDARY BATTERY}
본 명세서는 이차전지 전극 구조에 관한 것이다.
연료전지는 외부에서 공급되는 연료와 산소를 촉매작용에 의해 전기화학적으로 반응시켜 연료에서 직접적으로 그리고 동시에 전기에너지와 열에너지를 얻어내는 정지형 에너지 변환장치이다. 연료전지의 공기전극(양극)과 연료전극(음극) 사이에는 전해질이라고 불리는 이온 투과층이 있으며, 이 전해질의 종류에 의해서 인산형(PAFC), 고체분자형(PEM), 용융탄산염형(MCFC), 고체산화물형(SOFC), 알칼리형(AFC)의 5종류로 분류된다.
연료전지는 기존 내연기관에 비하여 효율이 높아 연료 사용량이 적으며, SOx, NOx, VOC 등의 환경오염 물질을 발생시키지 않는 무공해 에너지원이라는 장점이 있다. 또한, 생산설비에 필요한 입지면적이 적고 건설 기간이 짧다는 등의 추가적 장점이 있다.
따라서 연료전지는 휴대용 기기 등의 이동용 전원, 자동차 등의 수송용 전원, 가정용 및 전력사업용으로 이용가능한 분산형 발전에 이르기까지 응용분야가 다양하다. 특히, 차세대 운송 장치인 연료전지 자동차의 운영이 실용화될 경우, 그 잠재 시장 규모는 광범위할 것으로 예상된다.
레독스 플로우 배터리는(Redox Flow Battery)는 재충전이 가능한 연료전지 중 하나이다. 레독스 플로우 배터리 내부에는 여러 종류의 전기활성물질을 포함하고 있는 전해질이 있는데, 이 전해질의 산화 및 환원 반응에 의해 충방전이 일어나는 이차전지이다. 일반적인 전지와의 가장 큰 차이점은 에너지가 저장되는 전해질을 순환시키면서 충전과 방전이 이루어진다는 점이다. 구체적으로, 레독스 플로우 전지는 다른 전지와는 다르게 활물질이 고체가 아닌 수용액 상태의 이온으로 존재하며, 양극과 음극에서 각 이온들의 산화/환원 반응에 의해 전기 에너지를 저장 및 발생하는 메커니즘을 가진다. 즉, 레독스 플로우 전지는 전극의 활물질이 용매에 녹아 있는 전해액(용액) 상태이며, 산화수가 다른 양극전해액과 음극전해액으로 구성된 전지를 충전시키면 양극에서는 산화반응이, 음극에서는 환원반응이 일어나며, 전지의 기전력은 양극전해액과 음극전해액을 구성하고 있는 레독스 커플(redox couple)의 표준전극전위(E0)의 차이에 의해서 결정된다. 레독스 커플에는 Fe/Cr, V/Br, Zn/Br, Zn/Ce, V/V 등이 있으나, 저장가능한 전기량이나 경제성 등을 고려해서 바나듐(V/V) 레독스 커플이 많이 사용되고 있다. 한편, 전해액은 전해액 탱크로부터 펌프에 의해 공급되며 양극과 음극의 표면에서 산화환원 반응속도가 빠른 일반 전지의 장점과 높은 출력 특성을 가지는 연료전지의 장점을 동시에 가진다.
기존 레독스 플로우 배터리의 전극은 카본펠트(carbon felt)를 사용하는데, 전극 활성 면적이 넓어 물질 전달 속도(transfer rate)가 빠른 장점이 있으나, 전해액이 카본펠트 전극에 전체적으로 고르게 펴지며 반응에 참여하기에는 압력강하(pressure drop) 현상과 일정한 농도의 전해액 전달에 문제점이 생기게 된다.
이를 개선하기 위한 방법으로 바이폴라 플레이트(BIPOLAR PLATE)에 유로를 형성시키고, 카본펠트 대신 연료전지에서 사용하는 카본 페이퍼 전극을 사용하여 압력 강화 현상을 줄이고, 물질 전달 속도도 유지하는 방법을 개발하여 성능을 향상시킨 결과를 보고하고 있지만, 이 방법은 카본페이퍼를 사용해야 하는 제한적인 문제가 발생하며, 카본펠트를 사용할 때 바이폴라 플레이트에 형성된 유로를 카본펠트가 눌리면서 유로를 막게 되어 유로의 이점이 상쇄되는 단점이 있다. 이로 인하여 전극 활성 면적이 넓은 카본펠트 전극을 활용할 수 없다는 문제점이 있다.
일본 특허 출원 공개 제2014-029035호
본 명세서는 이차전지 전극 구조를 제공하고자 한다.
본 명세서의 일 실시상태는 바이폴라 플레이트; 및 상기 바이폴라 플레이트의 일면에 구비되고, 밀도 및 기공 사이즈 중 적어도 하나가 상이한 2종 이상의 카본펠트 패턴을 포함하는 카본펠트층을 포함하는 것인 이차전지용 전극을 제공한다.
본 명세서의 또 다른 실시상태는 바이폴라 플레이트; 및 상기 바이폴라 플레이트의 일면에 구비되고, 밀도 및 기공 사이즈 중 적어도 하나가 상이한 2종 이상의 카본펠트 패턴을 포함하는 카본펠트층을 포함하는 것인 이차전지용 전극을 포함하는 이차전지를 제공한다.
본 명세서에 기재된 실시상태들에 따르면, 기존 전극 활성 면적이 극대화 된 카본펠트 전극을 활용하면서, 압력 강화를 줄이는 전극 구조를 제공할 수 있다. 또한, 기존 평평한 바이폴라 플레이트 사용이 가능하여 유로 형성에 대한 가격 부담을 줄일 수 있는 장점이 있으며, 성능 발현 조건에 따른 전극 구조를 보다 쉽게 변화를 줄 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 이차전지용 전극의 구조를 예시한 도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 이차전지용 전극의 구조를 예시한 도이다.
도 3은 본 명세서의 일 실시예에 따른 이차전지용 전극의 구조를 예시한 도이다.
도 4는 본 명세서의 일 실시예에 따른 이차전지용 전극 구조의 단면을 예시한 도이다.
도 5는 본 명세서의 일 실시예에 따른 카본펠트층의 구조를 예시한 도이다.
도 6은 본 명세서의 일 실시예에 따른 카본펠트층의 구조를 예시한 도이다.
도 7은 실시예 및 비교예의 전극의 평면도 및 A-A'의 단면도를 나타낸 것이다.
도 8은 실시예 및 비교예를 이용하여 제조된 전지에 대한 충방전성능 그래프이다.
이하, 본 명세서에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
본 명세서의 일 실시상태는 바이폴라 플레이트; 및 상기 바이폴라 플레이트의 일면에 구비되고, 밀도 및 기공 사이즈 중 적어도 하나가 상이한 2종 이상의 카본펠트 패턴을 포함하는 카본펠트층을 포함하는 것인 이차전지용 전극을 제공한다.
도 3에 밀도 및 기공 사이즈 중 적어도 하나가 상이한 2종 이상의 카본펠트(210, 220)를 포함하는 이차전지용 전극의 일 예를 도시하였고, 도 1 및 2에 종래 기술에 따른 이차전지용 전극 구조를 예시하였다. 도 1에 바이폴라 플레이트에 카본펠트층을 적층하여 이차전지 전극을 형성한 예를 예시하였으며, 도 2에 바이폴라 플레이트에 유로가 형성된 카본펠트층을 적층하여 이차전지 전극을 형성한 예를 도시하였다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 카본펠트층은 밀도가 상이한 2종 이상의 카본펠트 패턴을 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 카본펠트층은 기공 사이즈가 상이한 2종 이상의 카본펠트 패턴을 포함할 수 있다.
상기 2종 이상의 카본펠트 패턴은 두께가 동일하거나, 두께 차이가 100㎛ 이하일 수 있다. 구체적으로, 전지셀 체결시, 상기 2종 이상의 카본펠트 패턴의 두께 차이가 0㎛ 이상 100㎛ 이하일 수 있다. 상기 2종 이상의 카본펠트 패턴은 서로 두께가 동일하거나 비슷하여 약간의 차이는 있을 수 있으나, 상기 2종 이상의 카본펠트 패턴이 구비된 카본펠트층의 양면은 평탄할 수 있다.
도 7에 표시된 바와 같이, 본 명세서에서 카본펠트 패턴의 두께는 어느 하나의 카본펠트 패턴이 구비된 부분에서 카본펠트층의 일면으로부터 타면까지의 거리를 의미한다.
상기 카본펠트 패턴의 두께는 1mm 이상 5mm 이하일 수 있으며, 구체적으로, 2mm 이상 4mm 이하일 수 있다.
본 명세서의 또 다른 실시상태에 있어서, 상기 카본펠트층은 상기 바이폴라 플레이트의 면 상에 구비되고, 서로 상이한 종류의 카본펠트로 구성된 2종 이상의 카본펠트 패턴을 포함할 수 있다. 도 5에 서로 상이한 종류의 카본펠트로 구성된 2종 이상의 카본펠트 패턴을 포함하는 경우를 도시하였다. 본 명세서의 도면 중 210, 220, 230은 서로 상이한 종류의 카본펠트를 의미할 수 있다. 도 b) 및 c)와 같이 서로 상이한 종류의 2종 이상의 카본펠트가 상기 바이폴라 플레이트의 면 상에 구비될 수도 있고, 도 a), c), d), e) 및 f)와 같이 패턴의 형태로서 구비될 수도 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 카본펠트층이 상기 바이폴라 플레이트와 접하는 전체 면적 대비, 상기 카본펠트 패턴 중 어느 하나의 카본펠트 패턴의 면적은 10% 내지 90%일 수 있으며, 구체적으로 50%일 수 있다. 상기 카본펠트로 구성된 각 카본펠트 패턴의 상기 바이폴라플레이트와 접하는 면적이 상기 범위일 경우, 전극내부로의 활물질 이온의 물질 전달이 향상되고, 압력 강화의 최소화를 할 수 있는 이점이 있다.
상기 카본펠트층이 고밀도 카본펠트 패턴과 저밀도 카본펠트 패턴을 포함하는 경우, 상기 카본펠트층이 상기 바이폴라 플레이트와 접하는 전체 면적 대비, 상기 고밀도 카본펠트 패턴과 저밀도 카본펠트 패턴 중 어느 하나의 카본펠트 패턴의 면적의 합은 10% 내지 90%일 수 있다. 상기 카본펠트로 구성된 각 카본펠트 패턴의 상기 바이폴라플레이트와 접하는 면적이 상기 범위일 경우, 전극내부로의 활물질 이온의 물질 전달이 향상되고, 압력 강화의 최소화를 할 수 있는 이점이 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 카본펠트 패턴들 간의 두께 방향으로의 경계면은 상기 바이폴라 플레이트와 접하는 면에 대하여 경사를 이루거나 또는 수직일 수 있다. 또한, 상기 경계면은 평면, 굴곡면 또는 요철면일 수 있다. 예컨대, 지그재그 (zig-zag), 물결(wave), 요철, 호, 원기둥의 일부, 구의 일부를 포함하는 형태로서 이루어질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서의 호, 원기둥, 구는 곡률이 일정할 수도 있으나, 일부가 나머지 부분과 곡률이 상이한 경우도 포함한다.
본 명세서에서 두께란 바이폴라 플레이트와 카본펠트층이 접하는 면에 대하여 수직 단면에서의 하부와 상부 사이를 의미할 수 있다.
본 명세서의 또 다른 실시상태에 있어서, 상기 적어도 하나의 카본펠트 패턴은 상기 바이폴라 플레이트와 접하는 면에 대하여 적어도 하나의 수직 단면이 원, 타원 또는 다각형의 형태를 포함할 수 있다.
도 4에 본 명세서의 몇몇 실시상태에 따른 카본펠트 패턴의 수직 단면을 예시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 상기 기재한 바와 같이 타원 또는 다각형의 형태를 포함할 수 있다.
본 명세서의 또 다른 실시상태에 있어서, 상기 카본펠트 패턴은 카본펠트층이 지지체와 접하는 면의 방향으로 적층될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 카본펠트 패턴은 각각 상기 카본펠트층의 상면에서 보았을 때 스트라이프 형태를 갖는 단위를 2개 이상 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 카본펠트 패턴들이 적층된 방향으로의 양측으로 상기 단위와 상이한 밀도 및 기공 사이즈 중 적어도 하나가 다른 패턴과 접하여 배치될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 스트라이프의 폭은 5mm 내지 50mm일 수 있다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 패턴이 적어도 하나의 스트라이프를 포함하는 경우, 상기 스트라이프 중 일부가 카본펠트층의 일단부로부터 대향하는 변까지의 길이의 10% 내지 100% 범위까지 구비될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 패턴이 하나의 스트라이프를 포함하는 경우, 각각의 스트라이프의 길이가 상이할 수 있다. 예컨대, 양단의 길이가 중앙부의 길이보다 길 수 있다. 도 5의 g)에 본 명세서의 일 실시상태에 따른 카본펠트층의 구조를 도시하였다.
본 명세서의 또 다른 실시상태에 따르면, 상기 스트라이프의 길이가 상이한 경우, 도 5의 f)에 도시된 바와 같이 양단의 길이가 중앙부의 길이보다 짧을 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서의 또 다른 실시상태에 따르면, 상기 패턴이 둘 이상의 스트라이프를 포함하는 경우, 상기 스트라이프가 교차될 수 있다. 도 6의 a), b), d), e), g) 및 h)에 둘 이상의 스트라이프를 포함하는 패턴의 경우를 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서의 또 다른 실시상태에 따르면, 상기 패턴은 격자 또는 메쉬 형태일 수 있다. 예컨대, 도 6의 c)와 같이 밀도가 상이한 패턴(210) 및 (220)이 교대로 적층되어 메쉬 형태를 형성할 수 있다. 또한, 도 6)의 f)와 같이 밀도가 상이한 패턴 (210), (220) 및 (230)이 교대로 적층되어 메쉬 형태를 형성할 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 3 종류 이상의 밀도가 상이한 패턴이 교대로 적층되어 격자 또는 메쉬 형태를 이룰 수도 있다.
본 명세서의 또 다른 실시상태에 있어서, 상기 2종 이상의 카본펠트가 상기 바이폴라 플레이트의 평면 상 수직방향으로 교대로 구비된 것일 수 있다.
본 명세서의 또 다른 실시상태에 있어서, 상기 2종 이상의 카본펠트가 n각 기둥, 또는 원기둥의 형태로서 상기 바이폴라 플레이트의 평면 상에 교대로 구비되고, n이 3 이상의 정수일 수 있다.
상기 원기둥 또는 n각 기둥은, 스택 체결시 상하로 압축되어 빈공간을 발생시키지 않는 형태라면, 한정되지 않는다. 예컨대, 원기둥, 삼각기둥, 사각기둥, 오각 기둥 등이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 4는 상기 원기둥 또는 n각 기둥이 바이폴라 플레이트의 평면 상에 교대로 구비된 것을 예시한 것이다. 바이폴라 플레이트에 유로를 형성하는 대신 밀도 및 기공 사이즈가 상이한 카본펠트를 적용하여 유로가 형성되어 있는 역할을 대신할 수 있다. 그러므로, 밀도가 낮고 기공 사이즈가 큰 카본펠트에 전해액이 흐를 때에는 압력강하가 적고, 밀도가 높고 기공 사이즈가 작은 카본펠트에 전해액이 흐를 때에는 압력 강하의 영향을 크게 받을 수 있도록 설계가 가능하다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 2종 이상의 카본펠트 패턴 중 밀도가 높은 카본펠트 패턴과 밀도가 작은 카본펠트 패턴 밀도 차이가 0.02g/cm3 내지 0.2g/cm3인 것일 수 있다.
상기 2종 이상의 카본펠트 패턴의 밀도 차이가 상기 범위를 만족할 경우 밀도가 낮은 단일 카본펠트를 적용한 경우보다 전해액 흐름에 대한 압력강하가 적절하게 유지되어, 카본펠트 내 활물질 이온들의 물질 전달이 보다 용이하게 된다. 또한 밀도가 높은 단일 카본펠트를 적용한 경우 보다 압력 강하가 낮게 형성되어, 카본펠트 내 활물질 이온들의 물질 전달이 보다 용이하게 된다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 밀도가 상이한 2종 이상의 카본펠트 패턴 중 밀도가 높은 카본펠트 패턴의 밀도가 0.15g/cm3 내지 0.25g/cm3이고, 밀도가 작은 카본펠트 패턴의 밀도가 0.05g/cm3 내지 0.14g/cm3인 것일 수 있다.
본 명세서의 또 다른 실시상태에 있어서, 상기 기공 사이즈가 상이한 2종 이상의 카본펠트 패턴 중 기공 사이즈가 큰 카본펠트 패턴과 기공 사이즈가 작은 카본펠트 패턴의 기공 사이즈의 차이가 10 ㎛ 내지 100 ㎛일 수 있다.
본 명세서에서 기공 사이즈란 평균 값을 의미할 수 있다.
상기 2종 이상의 카본펠트 패턴의 기공 사이즈 차이가 상기 범위를 만족할 경우 기공 사이즈가 작은 단일 카본펠트를 적용한 경우보다 전해액 흐름에 대한 압력강하가 낮게 유지되어, 카본펠트 내 활물질 이온들의 물질 전달이 보다 용이하게 된다. 또한 기공 사이즈가 큰 단일 카본펠트를 적용한 경우보다 압력 강하가 적절하게 형성되어, 카본펠트 내 활물질 이온들의 물질 전달이 보다 용이하게 된다.
본 명세서의 또 다른 실시상태에 있어서, 상기 기공 사이즈가 상이한 2종 이상의 카본펠트 패턴 중 기공 사이즈가 큰 카본펠트 패턴의 기공 사이즈가 50 ㎛ 내지 100 ㎛ 이고, 기공 사이즈가 작은 카본펠트 패턴의 기공 사이즈가 10 ㎛ 내지 49 ㎛ 일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 이차전지용 전극의 입단부에 상기 2종 이상의 카본펠트 패턴 중 밀도가 작고, 기공 사이즈가 큰 카본펠트 패턴; 또는 두께가 얇은 카본펠트 패턴이 구비될 수 있다.
본 명세서에서 입단부란, 이차전지 전극에서 전해액이 들어오는 부분을 뜻할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 2종 이상의 카본펠트 패턴 중 두께가 얇은 카본펠트 패턴 두께가 1 mm 내지 4 mm 일 수 있다.
상기 이차전지용 전극의 입단부에 상기 2종 이상의 카본펠트 패턴 중 밀도가 작고, 기공 사이즈가 큰 패턴; 또는 두께가 얇은 카본펠트 패턴이 구비되면, 입단으로부터 유입되는 활물질의 이온 농도가 높은 전해액이 카본 펠트에 전달되어 반응이 일어날 때에 유입되는 전해엑에 있는 모든 이온들이 반응에 참여하는 것이 아니기 때문에 효율적인 전극 양의 사용이 가능하다. 또한, 입단에서 압력저하가 심하게 일어나는 것을 방지할 수 있다.
본 명세서의 또 다른 실시상태에 있어서, 상기 이차전지용 전극의 출단부에 상기 2종 이상의 카본펠트 패턴 중 밀도가 크고, 기공 사이즈가 작은 카본펠트 패턴; 또는 두께가 두꺼운 카본펠트 패턴이 구비될 수 있다.
본 명세서에서 출단부란, 전해액이 빠져나오는 부분을 의미할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 2종 이상의 카본펠트 패턴 중 두께가 얇은 카본펠트 패턴의 두께가 4 mm 내지 6 mm 일 수 있다.
상기 두께가 얇은 카본펠트 패턴과 두께가 두꺼운 카본펠트 패턴의 두께의 차이는 0.5 mm 내지 3 mm일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이차전지용 전극의 출단에서는 입단이나 중간 부분에서 반응하고 남은 활물질 이온들이 반응에 참여하게 된다. 그러므로, 반응에 참여할 수 있는 이온농도가 낮아지게 된다. 상기 이차전지용 전극의 출단부에 상기 2종 이상의 카본펠트 패턴 중 밀도가 크고, 기공 사이즈가 작은 카본펠트 패턴; 또는 두께가 두꺼운 카본펠트 패턴이 구비될 경우, 셀 전체적으로 고르게 반응이 일어날 수 있는 이점이 있다.
단일 카본펠트를 사용할 때에는 전해액의 농도가 전해액이 들어가는 앞단에서는 높을 수 있으나, 반응이 충방전이 일어나면서 전해액이 빠져나가는 후반부에는 농도가 낮은 전해액이 카본펠트에 닿을 수 있다.
도면 5 및 6은 본 명세서의 실시상태에 따른 카본펠트의 구조를 예시한 것이다. 도면 5 및 6의 몇몇 예와 같이 앞단에는 밀도가 낮고 기공 사이즈가 큰 카본펠트 또는 두께가 얇은 카본 펠트 전극을 위치 시키면, 이차전지용 전극의 출단부에 전해액의 전달이 잘 될 수 있다. 또한, 높은 농도의 전해액 역시 전달이 잘 될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 이차전지용 전극을 포함하는 이차전지를 제공한다.
본 명세서의 또 다른 실시상태에 따르면, 상기 이차전지는 이차전지 또는 레독스 플로우 배터리일 수 있다.
상기 이차전지 또는 레독스 플로우 배터리는 전술한 전극 구조를 포함하는 것을 제외하고는 해당 기술분야에 알려져 있는 구조, 재료 및 방법을 이용할 수 있다.
이하에서, 실시예를 통하여 본 명세서를 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 본 명세서를 예시하기 위한 것일 뿐, 본 명세서를 한정하기 위한 것은 아니다.
[실시예]
밀도가 0.18g/cm3인 고밀도 카본펠트와 밀도가 0.12g/cm3인 저밀도 카본펠트를 도 7의 구조로 전극을 제조했다. 이때, 저밀도 카본펠트 패턴의 폭은 5mm이었다.
구체적으로, 실시예의 카본펠트 전극은 활성면적이 325cm2인 고밀도 카본펠트에 도 7과 같이 저밀도 카본펠트가 들어갈 공간의 폭을 5mm로 절단하여 패턴을 형성한다. 이렇게 형성된 패턴 내부에 미리 준비된 저밀도 카본펠트를 채워 전체적으로 균일한 형상의 카본펠트 전극을 제조했다.
이때, 상기 전극의 일면의 전체 면적 대비, 상기 저밀도 카본펠트의 면적은 약 10%이다.
[비교예]
활성면적이 325cm2 인 실시예의 고밀도 카본펠트만으로 전극을 제조했다.
[실험예]
단위셀 성능을 확인하기 위해 엔드 플레이트 및 바이폴라 플레이트 상부에 실시예 또는 비교예의 카본펠트를 각각 적층하고, 2개의 카본펠트 사이에 Nafion 분리막을 적층하였으며, 같은 방법으로 실시예 또는 비교예의 카본펠트를 다시 적층, 최종적으로 바이폴라 플레이트와 엔드 플레이트를 적층하여 단위셀을 준비하였다. 전해액은 바나듐 1몰 황산수용액 3몰을 사용하였으며, 단위면적 당 2cc의 전해액 유속으로 단위셀의 성능을 평가하였다.
상기 제조된 플로우 배터리를 이용하여 측정된 전지운전효율을 하기 표 1에 표시했다. 그 중 150mA/cm2에서의 충전(왼쪽) 및 방전(오른쪽) 성능 그래프를 도 8에 도시했다.
실시예 비교예
전류효율
(CE %)		 전압효율
(VE %)		 에너지효율
(EE %)		 전류효율
(CE %)		 전압효율
(VE %)		 에너지효율
(EE %)
50mA/cm2 97.1 93.9 91.2 93.7 93.2 87.3
100 mA/cm2 97.5 88.9 86.6 95.6 87.3 83.4
150 mA/cm2 97.2 84.1 81.8 96.1 81.9 78.7
200 mA/cm2 97.2 79.6 77.4 96.3 77.0 74.2
10: 바이폴라 플레이트
20: 카본펠트층
30: 이차전지 전극
40: 전해액
50: 유로
100: 바이폴라 플레이트
200: 카본펠트층
210, 220, 230: 카본펠트

Claims (22)

  1. 바이폴라 플레이트; 및
    상기 바이폴라 플레이트의 일면에 구비되고, 밀도 및 기공 사이즈 중 적어도 하나가 상이한 2종 이상의 카본펠트 패턴을 포함하는 카본펠트층을 포함하는 것인 이차전지용 전극.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 2종 이상의 카본펠트 패턴은 두께가 동일하거나, 두께 차이가 100㎛ 이하인 것인 이차전지용 전극.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 카본펠트층은 밀도가 상이한 2종 이상의 카본펠트 패턴을 포함하는 것인 이차전지용 전극.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 카본펠트층은 기공 사이즈가 상이한 2종 이상의 카본펠트 패턴을 포함하는 것인 이차전지용 전극.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 카본펠트층은 2종 이상의 카본펠트 패턴을 포함하고,
    상기 카본펠트 패턴 중 2종 이상은 서로 상이한 종류의 카본펠트로 구성된 것인 이차전지용 전극.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 2종 이상의 카본펠트 패턴 중 서로 인접하는 카본펠트 패턴은 서로 상이한 종류의 카본펠트로 구성된 것인 이차전지용 전극.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 카본펠트층이 상기 바이폴라 플레이트와 접하는 전체 면적 대비, 상기 카본펠트 패턴 중 어느 하나의 카본펠트 패턴의 면적은 10% 내지 90%인 것인 이차전지용 전극.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 카본펠트 패턴의 폭은 5 mm 내지 50 mm인 이차전지용 전극.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 2종 이상의 카본펠트 패턴이 상기 바이폴라 플레이트의 평면 상 수평방향으로 교대로 구비된 것인 이차전지용 전극.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 2종 이상의 카본펠트 패턴이 n각 기둥, 또는 원기둥의 형태로서 상기 바이폴라 플레이트의 평면 상에 교대로 구비되고, n이 3 이상의 정수인 것인 이차전지용 전극.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 2종 이상의 카본펠트 패턴 중 밀도가 높은 카본펠트 패턴과 밀도가 작은 카본펠트 패턴의 밀도 차이가 0.02 g/cm3 내지 0.2g/cm3 인 것을 특징으로 하는 것인 이차전지용 전극.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 2종 이상의 카본펠트 패턴 중 밀도가 높은 카본펠트 패턴의 밀도가 0.15g/cm3 내지 0.25g/cm3 이고, 밀도가 작은 카본펠트 패턴의 밀도가 0.05g/cm3 내지 0.14g/cm3인것을 특징으로 하는 것인 이차전지용 전극.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 2종 이상의 카본펠트 패턴 중 기공 사이즈가 큰 카본펠트 패턴과 기공 사이즈가 작은 카본펠트 패턴의 기공 사이즈의 차이가 10 ㎛ 내지 100 ㎛ 인것을 특징으로 하는 것인 이차전지용 전극.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 2종 이상의 카본펠트 패턴 중 기공 사이즈가 큰 카본펠트 패턴의 기공 사이즈가 50 ㎛ 내지 100 ㎛ 이고, 기공 사이즈가 작은 카본펠트 패턴의 기공 사이즈가 10 ㎛ 내지 49 ㎛ 인것을 특징으로 하는 것인 이차전지용 전극.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 이차전지용 전극의 입단부에 상기 2종 이상의 카본펠트 패턴 중 밀도가 작고, 기공 사이즈가 큰 카본펠트 패턴이 구비된 것인 이차전지용 전극.
  16. 청구항 1에 있어서,
    상기 이차전지용 전극의 입단부에 상기 2종 이상의 카본펠트 패턴 중 두께가 얇은 카본펠트 패턴이 구비된 것인 이차전지용 전극.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 2종 이상의 카본펠트 패턴 중 두께가 얇은 카본펠트 패턴의 두께가 1 mm 내지 4 mm 인 것인 이차전지용 전극.
  18. 청구항 1에 있어서,
    상기 이차전지용 전극의 출단부에 상기 2종 이상의 카본펠트 패턴 중 밀도가 크고, 기공 사이즈가 작은 카본펠트 패턴이 구비된 것인 이차전지용 전극.
  19. 청구항 1에 있어서,
    상기 이차전지용 전극의 출단부에 상기 2종 이상의 카본펠트 패턴 중 두께가 두꺼운 카본펠트 패턴이 구비된 것인 이차전지용 전극.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 2종 이상의 카본펠트 패턴 중 두께가 두꺼운 카본펠트 패턴의 두께가 4 mm 내지 6 mm 인 것인 이차전지용 전극.
  21. 청구항 1 내지 20 중 어느 한 항에 따른 이차전지용 전극을 포함하는 이차전지.
  22. 청구항 21에 있어서, 상기 이차전지는 레독스 플로우 배터리인 것인 이차전지.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014029035A (ja) 2012-07-31 2014-02-13 Toho Tenax Co Ltd 炭素繊維フェルト、その製造方法、及び電極

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014029035A (ja) 2012-07-31 2014-02-13 Toho Tenax Co Ltd 炭素繊維フェルト、その製造方法、及び電極

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190106552A (ko) * 2018-03-09 2019-09-18 주식회사 엘지화학 이차전지용 전극 및 이를 포함하는 이차전지

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