KR20180061492A - 레독스 플로우 전지용 바이폴라 플레이트의 제조방법 - Google Patents

레독스 플로우 전지용 바이폴라 플레이트의 제조방법 Download PDF

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Abstract

레독스 흐름 전지용 내구성이 우수한 단층 또는 다층의 바이폴라 플레이트의 제조방법이 제공된다. 내부식성이 강한 바인더 및 높은 전기 전도성 물질을 이용하여 단층 또는 다층의 바이폴라 플레이트를 제조함으로써, 레독스 흐름전지에 내구성, 내부식성 및 전기 전도도를 향상시킨다. 이로써, 레독스 흐름 전지를 위한 내구성이 우수한 바이폴라 플레이트로 사용될 수 있다.

Description

레독스 플로우 전지용 바이폴라 플레이트의 제조방법{Fabricating method of bipolar plate for redox flow batteries}
본 발명은 레독스 플로우 전지용 바이폴라 플레이트에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 레독스 플로우 전지용 내구성 우수한 단층 또는 다층 바이폴라 플레이트의 제조방법에 관한 것이다.
최근 지구 온난화의 주요 원인인 온실가스 배출을 억제하기 위한 방법으로 태양광에너지나 풍력에너지 같은 재생에너지가 각광을 받고 있으며 이들의 실용화 보급을 위해 많은 연구가 진행되고 있다. 그러나 이와 같은 재생에너지는 입지환경이나 자연조건에 의해 크게 영향을 받는다. 더욱이, 재생에너지는 출력 변동이 심하기 때문에 에너지를 연속적으로 고르게 공급할 수 없다는 단점이 있었다.
따라서, 에너지의 출력을 고르게 하기 위해서 출력이 높을 때는 에너지를 저장하고 출력이 낮을 때는 저장된 에너지를 사용할 수 있는 저장장치의 개발이 중요시되고 있으며, 이와 같은 대표적인 대용량 저장장치로는 납축전지, NaS 전지 그리고 레독스 흐름전지 (RFB: Redox Flow Battery) 등이 있다.
레독스 플로우 전지는 이온교환막(격막)의 양측에 다공성 전극(양극 및 음극)과 바이폴라 플레이트, 그리고 프레임으로 구성된다. 여기서, 바이폴라 플레이트는 스택의 각 셀을 분리하는 판으로서 전지의 내부저항을 최소화하기 위해 도전성이 요구되고, 인접하는 셀로 전해액이 새지 않고 확실히 차단되는 특성이 요구 된다. 또한, 바이폴라 플레이트는 전해액에 의한 압력과 온도변화에 의한 열 수축 등도 발생 할 수 있기 때문에 높은 기계적 강도(인장강도) 및 변형에 의한 파손이 발생 하지 않도록 연신 특성도 요구된다.
하지만. 기존의 레독스 플로우 전지는 낮은 내부식성을 갖고 있을 뿐만 양극 전해질과 음극 전해질이 다른 상의 형태로 충방전 되면서 이온이 석출하는 현상이 발생에 인한 전지 효율저하로 인해 실질적으로 상용화에 한계가 있다는 점은 해결해야 할 문제점이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 레독스 플로우 전지용 단층 또는 다층 바이폴라 플레이트의 제조방법을 제공하는데 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면은, 내구성이 강한 레독스 플로우 전지용 바이폴라 플레이트를 제조하는 방법으로써, 탄화 및 고순화된 페놀수지를 제공하는 단계, 상기 페놀수지, 도전성 필러, 바인더 수지 및 첨가제를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계, 및 상기 슬러리를 이용하여 다층의 바이폴라 플레이트를 형성하는 단계를 포함하는 바이폴라 플레이트의 제조방법을 제공할 수 있다.
상기 페놀수지, 도전성 필러, 바인더 수지 및 첨가제를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계에서 상기 페놀수지는 1300℃에서 24시간 탄화되는 것을 특징으로 하는 바이폴라 플레이트의 제조방법을 포함할 수 있다.
상기 페놀수지, 도전성 필러, 바인더 수지 및 첨가제를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계에서 상기 페놀수지는 800℃에서 24시간 고순화 되어 탄소(C)가 90% 내지 99.9%로 고순화되는 것을 특징으로 하는 바이폴라 플레이트의 제조방법을 제공할 수 있다.
상기 페놀수지, 도전성 필러, 바인더 수지 및 첨가제를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계에서 상기 도전성 필러는 흑연(Graphite), 카본(Carbon), 카본 나노 튜브(Carbon Nano Tube, CNT), 기상 성장 탄소 섬유(Vapor Grown Carbon Fiber, VGCF), KB(Ketjen Black), Active Carbon Powder, 탄소 섬유(Carbon Fiber), 금속산화물, 금속 및 세라믹 중에서 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 바이폴라 플레이트의 제조방법을 포함할 수 있다.
상기 페놀수지, 도전성 필러, 바인더 수지 및 첨가제를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계에서 상기 바인더 수지는 열가소성 또는 열경화성 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이폴라 플레이트의 제조방법을 제공할 수 있다.
상기 페놀수지, 도전성 필러, 바인더 수지 및 첨가제를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계에서 상기 바인더 수지는 polyvinylidene fluoride(PVDF), Polypropylene(PP) 및 Polyethylene(PE) 중에서 1종 이상을 포함하는 바이폴라 플레이트의 제조방법을 포함할 수 있다.
상기 바인더 수지의 용해를 위한 용매는 N-methyl-2-pyrrolidone(NMP) 또는 에탄올을 포함하는 바이폴라 플레이트의 제조방법을 제공할 수 있다.
상기 첨가제는 MEP, quaternary ammonium 및 polybromide 중에서 선택되는 1종을 포함하는 것을 특징으로 하는 바이폴라 플레이트의 제조방법을 포함할 수 있다.
상기 다층의 바이폴라 플레이트를 형성하는 단계에서 상기 슬러리는 탄화, 고순화 공정 후에 heating press 및 Doctor Blade를 이용하여 단층 바이폴라 플레이트 일면을 슬러리로 코팅하여 다층의 바이폴라 플레이트로 제조하는 것을 특징으로 하는 바이폴라 플레이트의 제조방법을 제공할 수 있다.
상기 다층의 바이폴라 플레이트를 형성하는 단계에서 상기 단층 바이폴라 플레이트 일면에 바이폴라 플레이트를 더 형성하여 다층의 바이폴라 플레이트를 제조하는 것을 특징으로 하는 바이폴라 플레이트의 제조방법을 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 페놀수지를 탄화 및 고순화시켜 내구성을 향상시키고 내부식성이 강한 바인더를 이용하여 단층 또는 다층 바이폴라 플레이트를 제조함으로써, 레독스 흐름 전지에 내구성 및 내부식성을 향상시킬 수 있다.
또한, 높은 전기 전도성 물질을 이용하여 바이폴라 플레이트를 제조함으로써, 레독스 흐름 전지에 전기 전도도를 향상시킬 수 있다.
다만, 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단층 또는 다층 바이폴라 플레이트의 제조순서를 도식화한 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당 기술 분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등을 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
본 발명은 레독스 플로우 전지용 우수한 내구성을 갖는 단층 또는 다층의 바이폴라 플레이트의 제조방법에 관한 것이다.
레독스 플로우 전지는 기존 이차전지와는 달리 전해액 중의 활물질(active material)이 산화 및 환원되어 충방전되는 시스템으로 전해액의 화학적 에너지를 직접 전기에너지로 저장시키는 전기화학적 축전장치이다. 레독스 플로우 전지의 구성요소는 산화상태가 각각 다른 활물질이 저장되어 있는 탱크와 충방전시 활물질을 순환시키는 펌프, 그리고 이온교환막으로 분리되어 있는 셀 등이 있다.
활물질로는 V, Fe, Cr, Cu, Ti, Mn, 그리고 Sn 등의 전이금속을 강산 수용액에 용해하여 제조한 전해질을 사용한다. 제조한 전해질은 셀 내에 저장되어 있지 않고, 외부의 탱크에 액체 상태로 저장되어 있으며 충방전 과정 중에 펌프를 통하여 셀 내부로 공급되는 것이 플로우 전지이다. 또한. 바이폴라 플레이트는 이온 교환막의 양쪽 사이에 위치한다. 따라서, 바이폴라 플레이트와 전해질 사이에서 반응이 진행되면서 이온의 석출 등의 문제로 성능을 저하시키는 문제점이 있다. 따라서, 내구성 및 내부식성이 우수한 바이폴라 플레이트의 제조가 필수적이다. 본 발명에서는 단층 또는 다층의 바이폴라 플레이트를 제조하여 내구성 및 내부식성이 우수한 레독스 플로우 전지용 바이폴라 플레이트가 제조된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예 에 따른 바이폴라 플레이트의 공정 순서를 도식화한 도면이다.
도 1을 참조하면, 실시예 1에 따른 바이폴라 플레이트의 공정 순서를 도식화한 도면이 개시된다.
S10은 탄화 및 고순화된 페놀수지를 제공하는 단계이다.
페놀수지(phenol resin)는 페놀과 포름알데히드로 제조되는 열경화성 수지이다. 또한, 페놀수지는 내열성, 치수 안정성이 뛰어나다. 상기 페놀수지는 탄화되고 고순화된다. 먼저, 상기 페놀수지는 탄화로에서 1300℃에서 24시간 탄화되고 탄화된 페놀수지를 분쇄하여 미소입자크기의 탄화된 페놀수지 파우더로 만든다.
이어서, 탄화된 페놀수지는 고순화로에 넣고 800℃에서 24시간 고순화 시킨다. 따라서, 상기 탄화된 페놀수지는 고순화 되어 탄소(C)가 90% 내지 99.9%로 고순화된다. 이로써, 고순화된 탄화페놀(carbonized penol)파우더가 제조된다.
S20은 페놀수지, 도전성 필러, 바인더 수지 및 첨가제를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계이다.
상기 페놀수지는 고순화된 탄화페놀(carbonized penol)이며, 상기 도전성 필러는 흑연(Graphite), 카본(Carbon), 카본 나노 튜브(Carbon Nano Tube, CNT), 기상 성장 탄소 섬유(Vapor Grown Carbon Fiber, VGCF), KB(Ketjen Black), Active Carbon Powder, 탄소 섬유(Carbon Fiber), 금속산화물, 금속 및 세라믹 중에서 1종 이상을 포함한다. 또한, 상기 바인더 수지는 열가소성 또는 열경화성 수지를 포함하며 이외에도 바인더 수지로 사용될 수 있는 물질이면 그 종류를 제한하지 않는다. 다만, 바인더 수지는 polyvinylidene fluoride(PVDF), Polypropylene(PP) 및 Polyethylene(PE) 중에서 1종 이상을 포함할 수 있다. 또한, 상기 바인더 수지의 용해를 위한 용매는 N-methyl-2-pyrrolidone(NMP) 또는 에탄올을 포함할 수 있다. 또한, 첨가제는 MEP, quaternary ammonium 및 polybromide 중에서 선택되는 1종을 포함할 수 있다.
상기 페놀수지, 도전성 필러, 바인더 수지, 첨가제를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계에서 상기 페놀수지, 도전성 필러, 바인더 수지, 첨가제는 각기 다른 비율로 첨가되고 혼합되어 슬러리로 제조될 수 있다.
다만, 다층 바이폴라 플레이트는 제조예 중에서 2개이상의 슬러리를 포함한다. 이하, 상기 페놀수지, 도전성 필러, 바인더 수지, 첨가제를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계에서 6가지 제조예가 개시된다.
제조예1
도전성 필러 10g, 바인더 10g, 용매 50mL이 상온 또는 실온이며 12시간 교반하며 혼합되어 슬러리로 제조된다.
제조예2
도전성 필러 8g, 고순화된 탄화페놀 2g, 바인더10g, 용매 50mL이 상온 또는 실온이며 12시간 교반하며 혼합되어 슬러리로 제조된다.
제조예3
도전성 필러 8g, 고순화된 탄화페놀 2g, 바인더 5g, 금속산화물 10g, 용매 50mL이 상온 또는 실온이며 12시간 교반하며 혼합되어 슬러리로 제조된다.
제조예4
도전성 필러 8g, 고순화된 탄화페놀 2g, 바인더 PVDF 5g, 바인더 PP 5g, 바인더 PE 3g, 금속산화물 2g, 용매 50mL이 상온 또는 실온이며 12시간 교반하며 혼합되어 슬러리로 제조된다.
제조예5
도전성 필러 8g, 고순화된 탄화페놀 2g, 바인더 PVDF 5g, 바인더 PP 5g, 바인더 PE 3g, 금속산화물 2g, 용매 50mL 이 상온 또는 실온이며 12시간 교반하며 혼합되어 슬러리로 제조된다.
제조예6
도전성 필러 8g, 고순화된 탄화페놀 2g, 바인더 PVDF 5g, 바인더 PP 5g, 바인더 PE 3g, 금속산화물 2g, 용매 50mL, 첨가제 MEP 1.5g 이 상온 또는 실온이며 12시간 교반하며 혼합되어 슬러리로 제조된다.
상기 제조예로 제조된 슬러리로 바이폴라 플레이트를 제조한다. 상기 바이폴라 플레이트는 단층 또는 다층으로 제조된다.
S30은 단층 또는 다층의 바이폴라 플레이트를 제조하는 단계이다.
먼저, 단층 바이폴라 플레이트 제조방법이 설명된다. 단층 바이폴라 플레이트는 제조예 1 내지 제조예 6 중에서 선택되는 어느 하나의 슬러리를 토대로 제조된다.
S20으로 제조된 슬러리를 일정한 몰드에 3mm 내지 7mm 두께로 붓고 오븐에 넣어 120℃에서 24시간 열로 경화시킨다. 그 후 heating press를 이용하여 300℃에서 5시간동안 열간압력을 가하여 압축시키면 단층 바이폴라 플레이트가 제조된다.
이어서, 다층 바이폴라 플레이트 제조방법이 설명된다. 다층 바이폴라 플레이트는 제조예 1 내지 제조예 6 중에서 2개의 슬러리를 토대로 제조된다.
S20으로 제조된 상기 슬러리는 탄화, 고순화 공정 후에 heating press 및 Doctor Blade 공정을 추가하여 단층 바이폴라 플레이트 일면에 코팅되어 다층의 바이폴라 플레이트로 제조될 수 있다. 단층 및 다층 바이폴라 플레이트를 제조하기 위해 사용되는 슬러리는 제조예 1 내지 제조예 6 의 슬러지 제조방법 중에서 제조된 하나 또는 두개의 슬러지를 포함할 수 있다. 예를 들어, 단층 바이폴라 플레이트 일면에 제조예 1 내지 제조예 6 의 슬러지 제조방법 중에서 제조된 하나의 슬러리를 사용하여 100μm로 펴바르고 오븐에 넣어 120℃에서 24시간 열로 경화 시킨다. 그 후 상온에서 4시간 건조시킨다. 이로써, 단층 바이폴라 플레이트 일면에 바이폴라 플레이트를 더 형성하여 다층 바이폴라 플레이트가 제조된다.
따라서, 페놀수지를 탄화 및 고순화시켜 내구성을 향상시키고 내부식성이 강한 바인더를 이용하여 단층 또는 다층 바이폴라 플레이트를 제조함으로써, 레독스 흐름 전지에 내구성 및 내부식성을 향상시킬 수 있다. 또한, 높은 전기 전도성 물질을 이용하여 바이폴라 플레이트를 제조함으로써, 레독스 흐름 전지에 전기 전도도를 향상시킬 수 있다.

Claims (10)

  1. 내구성이 강한 레독스 플로우 전지용 바이폴라 플레이트를 제조하는 방법으로써,
    탄화 및 고순화된 페놀수지를 제공하는 단계;
    상기 페놀수지, 도전성 필러, 바인더 수지 및 첨가제를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계; 및
    상기 슬러리를 이용하여 다층의 바이폴라 플레이트를 형성하는 단계를 포함하는 바이폴라 플레이트의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 페놀수지, 도전성 필러, 바인더 수지 및 첨가제를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계에서
    상기 페놀수지는 1300℃에서 24시간 탄화되는 것을 특징으로 하는 바이폴라 플레이트의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 페놀수지, 도전성 필러, 바인더 수지 및 첨가제를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계에서
    상기 페놀수지는 800℃에서 24시간 고순화 되어 탄소(C)가 90% 내지 99.9%로 고순화되는 것을 특징으로 하는 바이폴라 플레이트의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 페놀수지, 도전성 필러, 바인더 수지 및 첨가제를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계에서
    상기 도전성 필러는 흑연(Graphite), 카본(Carbon), 카본 나노 튜브(Carbon Nano Tube, CNT), 기상 성장 탄소 섬유(Vapor Grown Carbon Fiber, VGCF), KB(Ketjen Black), Active Carbon Powder, 탄소 섬유(Carbon Fiber), 금속산화물, 금속 및 세라믹 중에서 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 바이폴라 플레이트의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 페놀수지, 도전성 필러, 바인더 수지 및 첨가제를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계에서
    상기 바인더 수지는 열가소성 또는 열경화성 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이폴라 플레이트의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 페놀수지, 도전성 필러, 바인더 수지 및 첨가제를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계에서
    상기 바인더 수지는 polyvinylidene fluoride(PVDF), Polypropylene(PP) 및 Polyethylene(PE) 중에서 1종 이상을 포함하는 바이폴라 플레이트의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 바인더 수지의 용해를 위한 용매는 N-methyl-2-pyrrolidone(NMP) 또는 에탄올을 포함하는 바이폴라 플레이트의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 첨가제는 MEP, quaternary ammonium 및 polybromide 중에서 선택되는 1종을 포함하는 것을 특징으로 하는 바이폴라 플레이트의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 다층의 바이폴라 플레이트를 형성하는 단계에서
    상기 슬러리는 탄화, 고순화 공정 후에 heating press 및 Doctor Blade를 이용하여 단층 바이폴라 플레이트 일면을 슬러리로 코팅하여 다층의 바이폴라 플레이트로 제조하는 것을 특징으로 하는 바이폴라 플레이트의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 다층의 바이폴라 플레이트를 형성하는 단계에서
    상기 단층 바이폴라 플레이트 일면에 바이폴라 플레이트를 더 형성하여 다층의 바이폴라 플레이트를 제조하는 것을 특징으로 하는 바이폴라 플레이트의 제조방법.
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