KR20180072255A - 금속 포일 지지체형 박형 양극, 이를 포함하는 아연-니켈 플로우 전지 - Google Patents

금속 포일 지지체형 박형 양극, 이를 포함하는 아연-니켈 플로우 전지 Download PDF

Info

Publication number
KR20180072255A
KR20180072255A KR1020160175632A KR20160175632A KR20180072255A KR 20180072255 A KR20180072255 A KR 20180072255A KR 1020160175632 A KR1020160175632 A KR 1020160175632A KR 20160175632 A KR20160175632 A KR 20160175632A KR 20180072255 A KR20180072255 A KR 20180072255A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
anode
positive electrode
thin
metal foil
flow cell
Prior art date
Application number
KR1020160175632A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102032184B1 (ko
Inventor
문지웅
전재호
Original Assignee
재단법인 포항산업과학연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 재단법인 포항산업과학연구원 filed Critical 재단법인 포항산업과학연구원
Priority to KR1020160175632A priority Critical patent/KR102032184B1/ko
Publication of KR20180072255A publication Critical patent/KR20180072255A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102032184B1 publication Critical patent/KR102032184B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/18—Regenerative fuel cells, e.g. redox flow batteries or secondary fuel cells
    • H01M8/184—Regeneration by electrochemical means
    • H01M8/188—Regeneration by electrochemical means by recharging of redox couples containing fluids; Redox flow type batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/24—Electrodes for alkaline accumulators
    • H01M4/32—Nickel oxide or hydroxide electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64—Carriers or collectors
    • H01M4/66—Selection of materials
    • H01M4/661—Metal or alloys, e.g. alloy coatings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64—Carriers or collectors
    • H01M4/70—Carriers or collectors characterised by shape or form
    • H01M4/75—Wires, rods or strips
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/20—Indirect fuel cells, e.g. fuel cells with redox couple being irreversible
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y02E60/528—

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Cell Electrode Carriers And Collectors (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

본 발명은, Zn-Ni 플로우 전지를 제조하는데 있어서 금속 포일을 양극 집전체 겸 양극 지지체로서 적용하고, 그 위에 양극 활물질 Ni(OH)2를 포함하는 양극재를 적어도 일면 내지 양면에 도포한 박형 양극과 음극용 금속 포일 지지체를 준비하고 이들 양극과 음극의 간극을 종래대비 매우 촘촘하게 배치하여 종래 기술 대비 동일 부피 내에 많은 수의 전극을 집적함으로써 단위부피당의 에너지밀도(Wh/L)는 종래 수준을 유지하면서 단위 부피당의 출력밀도(W/L)를 획기적으로 증가시킬 수 있는 Zn-Ni 플로우 전지를 구현할 수 있다.

Description

금속 포일 지지체형 박형 양극, 이를 포함하는 아연-니켈 플로우 전지{METAL FOIL SUPPORTED ELECTRODE AND Zn-Ni FLOW SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SAME}
본 발명은 금속포일 지지체형 양극 및 음극 이를 포함하는 Zn-Ni 플로우 전지에 관한 것이다.
전 세계적으로 에너지 수요의 증가 및 화석연료 사용으로 인하여 CO2 배출에 따른 환경오염 등이 문제되고 있다. 이러한 문제로 인해 태양광, 풍력, 연료전지 등 신재생 에너지가 각광을 받고 있으며, 최근에는 보급되어 실생활에 활용되고 있음은 물론, 그 적용처가 점차 확대되고 있는 추세이다.
이러한 신재생 에너지는 입지 환경이나 자연 조건에 크게 영향을 받으므로 출력 변동이 심하여 연속적 공급이 불가능하고, 또 에너지 생산 시점과 수요 시점의 시간차가 발생하게 되어 에너지 저장 시스템이 중요하게 대두된다.
잉여 전력이나 야간 부하시에는 양수 발전, 압축 공기 에너지 저장, 초전도 에너지 저장, 플라이휠 저장 장치 등이 적용될 수 있으며, 대규모 태양광 발전 및 풍력 발전 단지에는 대용량 이차 전지 저장 시스템이 선정되고 있다. 특히, 스마트 그리드에는 대용량 에너지저장 기술이 중요하게 부각되고 있으며, 이러한 전기 에너지 저장에는 계통 상태에 따라 신속한 대응이 가능한 이차전지가 효율적이다.
이중, 대용량 전력 저장용 이차 전지에 있어서는 에너지 저장 밀도가 높아야 하며, 이러한 특성에 가장 적합한 고용량 및 고효율의 2차 전지로서는 플로우 전지가 유리하다.
플로우 전지로서는 Zn-Ni 플로우 전지를 들 수 있다. 이러한 플로우 전지의 충방전 반응은 도 1에 개략적으로 나타낸 바와 같다. 보다 구체적으로 Zn-Ni 플로우 전지는 방전 반응시 양극 및 음극에서는 다음과 같은 반응이 일어난다. 전해액은 예를 들어, 6~10 M 농도의 KOH를 포함하는 강알칼리 수용액을 적용할 수 있다.
양극 반응: 2NiOOH + 2H2O + 2e- = 2Ni(OH)2 + 2OH-, Eo = 0.490V
음극 반응: Zn + 4OH- = Zn(OH)4 2 - + 2e-, Eo = -1.215V
전체 반응: Zn + 2KOH + 2H2O + 2NiOOH = 2Ni(OH)2 + K2Zn(OH)4: V = 1.705V
이러한 Zn-Ni 플로우 전지는 양극 집전체 상에 양극활물질인 Ni(OH)2를 니켈화합물을 포함하는 양극재가 도포된 양극과, 집전체로만 구성된 음극을 일정한 간격으로 교차 배열하고, 상기 양극 음극 사이의 간극으로는 전기화학 반응에 필요한 높은 OH- 이온전도성을 갖는 강알칼리 수용액을 펌프 혹은 교반장치를 통하여 순환시키는 구조이다. 셀 제작 단계에서 상기 전해액에 음극 활물질인 Zn(OH)4 2 -가 용해되어 있다. 전해액에 용해된 Zn(OH)4 2 -는 충전시 음극집전체에 Zn으로 석출되고, 반대로 방전시에는 Zn(OH)4 2 - 이온으로 전해액에 재용해된다.
현재 Zn-Ni 플로우 전지에서 허용 가능한 전류밀도는 10mA/cm2 내지 30mA/cm2로 낮은 수준이다. 이는 Li이온전지는 물론 경쟁 대상인 V-RFB(Vanadium Redox Flow battery)와 비교해도 낮은 수준이다. Zn-Ni 플로우 전지는 느린 충방전 속도, 예를 들어 장주기 ESS 용도 중에서 C-rate 기준으로 0.2~0.3C 정도의 충방전 속도로 운전되는 ESS에는 사용될 수 있지만, 빠른 충방전에 대응 능력이 동시에 요구되는 보다 다양한 ESS 용도로는 경쟁력이 부족한 실정이다.
현재 Zn-Ni 플로우 전지에서 허용 가능한 전류밀도는 10mA/cm2 내지 30mA/cm2 수준이다. 그러므로 단위부피당 정격출력 및 피크출력이 낮기 때문에 느린 충방전 속도로 응용되는 장주기 ESS에는 사용가능하지만, 빠른 충방전에 대응이 필요한 용도에서는 경쟁력이 부족한 실정이다.
본 발명에서는 단위부피당의 에너지밀도(Wh/L)는 종래 수준을 유지하면서 단위 부피당의 출력밀도(W/L)를 획기적으로 증가시킬 수 있는 Zn-Ni 플로우 전지를 구현하고자 하였다.
본 발명에 따르면, Zn-Ni 플로우 전지를 제조하는데 있어서 금속 포일을 양극 집전체 이자 양극 지지체로서 적용하고, 그 위에 양극 활물질 Ni(OH)2를 포함하는 양극재를 적어도 일면 내지는 양면에 도포한 박형 양극과 음극용 금속 포일 지지체를 준비하고 이들 양극과 음극의 간극을 종래 대비 매우 촘촘하게 배치하여 종래 기술 대비 동일 부피 내에 많은 수의 전극을 집적함으로써 단위부피당의 에너지밀도(Wh/L)는 종래 수준을 유지하면서 단위 부피당의 출력밀도(W/L)를 획기적으로 증가시킬 수 있는 Zn-Ni 플로우 전지를 구현할 수 있다.
본 발명의 Zn-Ni 플로우 전지는 금속 포일을 집전체 겸 지지체로 하고, 상기 금속 포일의 적어도 일면에는 양극재가 도포된 박형 양극 및 금속 포일을 집전체 겸 지지체로 하는 박형 음극을 포함하며, 상기 박형 양극 및 박형 음극간 전극 간극을 줄여서 단위부피당 전극 집적도를 향상시켜 단위부피당 출력밀도를 높인 것을 특징으로 하는 Zn-Ni 플로우 전지이다.
상기 박형 양극의 두께는 집전체와 양극재를 합하여 0.3mm 이하일 수 있다.
상기 박형 음극의 두께는 음극 집전체의 두께이며, 그 두께가 0.2mm 이하일 수 있다.
상기 전극 간극은 0.5mm 이하일 수 있다.
상기 박형 양극은 0.05~0.2mm의 스테인리스 포일을 집전체 겸 지지체로 사용하는 것이다.
상기 집전체 겸 지지체는 표면에 도금 혹은 클래딩에 의하여 Ni 내지는 Ni1 -xCox 코팅층을 포함할 수 있다.
상기 코팅층은 5~30㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
상기 박형 양극은 Ni(OH)2를 양극 활물질로 하는 양극재가 상기 금속포일 지지체 겸 집전체의 일면 혹은 양면에 0.1mm 이하의 두께로 도포된 것을 사용할 수 있다.
상기 박형 음극은 0.05~0.2mm 두께의 스테인리스 포일을 사용할 수 있다.
상기 박형 음극은 상기 스테인리스 포일의 표면에 도금 또는 클래딩에 의해 Ni, Cu 또는 Sn의 코팅층을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명은 또한 금속 포일의 양극 지지체 겸 집전체 및 상기 양극 집전체의 적어도 일면에 양극활물질, 도전재 및 바인더를 포함하는 양극재가 도포되고, 양극 집전체와 양극재의 합계로서 양극 두께가 0.3㎜ 이하인 Zn-Ni 플로우 전지용 박형 양극을 제공한다.
상기 양극은 80 내지 300㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
상기 양극 지지체 겸 집전체는 0.05 내지 0.2㎜의 두께를 갖는 금속 포일일 수 있다.
상기 양극 집전체는 니켈 또는 니켈 도금된 스테인리스 스틸의 금속 포일일 수 있다.
본 발명에 따르면, Zn-Ni 플로우 전지를 제조하는데 있어서 금속 포일을 양극 집전체 이자 양극 지지체로서 적용하고, 그 위에 양극 활물질 Ni(OH)2를 포함하는 양극재를 적어도 일면 내지는 양면에 도포한 박형 양극과 음극용 금속 포일 지지체를 준비하고 이들 양극과 음극의 간극을 종래 대비 매우 촘촘하게 배치하여 종래 기술 대비 동일 부피 내에 많은 수의 전극을 집적함으로써 단위부피당의 에너지밀도(Wh/L)는 종래 수준을 유지하면서 단위 부피당의 출력밀도(W/L)를 획기적으로 증가시킬 수 있는 Zn-Ni 플로우 전지를 구현할 수 있다.
그러므로 본 발명에 의한 Zn-Ni 플로우 전지는 저속 충방전 속도로 운전되는 장주기-ESS용도 뿐만아니라, 고출력이 필요한 용도 예를 들어 비상전원 (UPS)기능이 있는 ESS 및 신재생 에너지 peak shaving 과 같이 고속 충방전이 필요한 ESS 분야의 이차전지로 용도 확대가 기대된다.
도 1은 Zn-Ni 플로우 전지의 개념을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 금속포일 지지체형 양극을 제조하는 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 금속 포일 지지체형 양극을 이용한 본 발명의 플로우 전지의 구조를 개념적으로 나타내는 것으로서, 도 1에 나타낸 동일 부피의 플로우 전지에 비하여 출력을 향상시킬 수 있는 개념을 설명하는 도면이다.
본 발명은 Zn-Ni 플로우 전지에 대한 것이다. 보다 구체적으로는 강성이 있는 금속 포일을 양극 및 음극 집전체겸 지지체로 사용하여 양극 활물질의 두께를 50~300㎛ 수준으로 줄인 박형 양극 및 음극을 제조하고, 상기 양극과 음극의 간극을 기존 제품의 약 3mm 수준보다 줄이고 단위부피당 전극 수를 늘림으로써 Zn-Ni 플로우 전지의 제품의 단위부피당 에너지 밀도는 종래 수준을 유지하면서 충방전 속도, 즉, 제품의 단위부피당 출력을 증가시킬 수 있는 Zn-Ni 플로우 전지를 제공하고자 하는 것이다.
도 1에 일반적인 Zn-Ni 플로우 전지의 구조를 개략적으로 나타내었다. 도 1로부터 알 수 있는 바와 같이, Zn-Ni 플로우 전지는 양극, 음극 및 양극과 음극 사이에 6 내지 10M 농도의 KOH 수용액을 기본으로 하는 유동하는 전해액을 포함한다.
양극활물질 소재로 NiOOH를 이용할 경우, 양극에서는 아래의 반응식 1과 같은 화학 반응이 일어난다.
[반응식 1]
2NiOOH + 2H2O + 2e- = 2Ni(OH)2 + 2OH-, E0 = 0.490V
아울러, 음극에서는 아래의 반응식 2와 같은 아연의 화학 반응이 일어난다.
[반응식 2]
Zn + 4OH- = Zn(OH)4 2 - + 2e-, E0 = -1.215V
전해액에 KOH 수용액을 포함할 경우, 상기의 반응식 1과 반응식 2로부터 전체적인 전지화학반응은 아래의 반응식 3과 같다.
[반응식 3]
Zn + 2KOH + 2H2O + 2NiOOH = 2Ni(OH)2 + K2Zn(OH)4, V=1.705V
상기 반응식 1 내지 3을 참조하면, 충전시에는 전해액에 용해된 상태로 제공된 음극활물질인 Zn(OH)4 2 - 이온이 환원되어 Zn으로 석출되고, 반대로 방전시에는 상기 Zn이 다시 Zn(OH)4 2 - 이온으로 되어 전해액에 녹는다. 한편 NiOOH는 방전시 Ni(OH)2로 변화된다. 반대로, 충전시에는 상기 Ni(OH)2가 NiOOH로 변화된다.
상기 양극은 양극 집전체 및 상기 양극 집전체의 적어도 일면에 양극재가 도포되어 있다. 상기 양극재는 양극활물질로서 니켈 화합물, 도전재 및 바인더를 포함하며, 이때, 상기 니켈 화합물은 예를 들어, NiOOH, Ni(OH)2 등의 분말 상태를 갖는 것을 사용한다. 이러한 니켈 화합물은 충방전 상태에 따라 NiOOH(충전 후), Ni(OH)2 (방전 후) 및 NiOOH 및 Ni(OH)2가 공존(충방전 도중)하는 상태로 존재할 수 있다.
한편, 본 발명에서 양극이라 함은 양극 활물질과 도전재 및 바인더로 구성된 양극재가 양극집전체에 도포된 상태를 의미한다. 상기 양극재 구성요소 중 도전재는 양극활물질인 Ni(OH)2로부터 집전체로 전자를 전달하는 역할을 하는데, 그라파이트, 카본블랙과 같은 탄소분말 및 니켈분말과 같은 금속분말을 사용할 수 있다. 이러한 도전재로는 니켈분말, 카본블랙(Carbon Black), 켓젠블랙(Ketjen Black), 그라파이트(Graphite) 등을 들 수 있으며, 이들은 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 니켈 화합물과 도전재는 바인더에 의해 집전체의 표면에 도포된다. 상기 바인더는 특별히 한정하지 않으며, 예를 들어, PTEE(Polytetra Fluoro Ethylene) 및 PVDF(polyvinylidene fluoride)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 불소수지를 사용할 수 있다.
본 발명의 양극은 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 Ni(OH)2 양극활물질, 도전재 및 바인더를 혼합한 양극재를 용매와 함께 혼합하여 슬러리 또는 페이스트화한 후, 양극재 슬러리 또는 양극재 페이스트를 상기 집전체 표면에 도포 및 건조/경화함으로써 집전체 표면에 양극재가 코팅된 양극을 제조할 수 있다.
상기 양극재 슬러리 또는 페이스트는 스크린 프린팅, 습식 파우더 스프레이, 바코팅, 테이프캐스팅 등의 다양한 방법을 적용하여 형성할 수 있는 것으로서 특별히 한정하지 않는다.
상기 양극재는 Ni(OH)2 등의 양극활물질, 도전재 및 바인더를 포함하며, 이들은 부피비로 80~90부피%의 양극활물질과 5~10부피%의 도전재, 5~10부피%의 바인더로 구성되는 것이 바람직하다. 도전재의 함량이 낮으면 전도도가 부족하여 충방전 속도를 확보할 수 없으나, 과량 첨가되면 단위부피당 에너지 밀도가 감소하는 단점이 있다. 바인더 역시 부족하면 양극 탈리 현상이 발생하여 장기 충방전 수명이 감소하지만 과량 첨가하면 전극의 도전성이 감소하여 출력과 용량이 동시에 감소하는 문제가 있다.
본 발명의 양극은 상기 양극재가 양극 집전체의 표면에 도포되어 있는 것으로서, 상기 양극 집전체는 두께 0.2㎜ 이하, 보다 구체적으로는 0.05 내지 0.2㎜ 범위의 금속 포일(금속 박판)을 사용하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.1㎜ 급 박판을 사용하는 것이 바람직하다. 플로우 전지는 양극과 음극 사이를 전해액이 유동하여야 하므로, 각각의 전극이 전해액이 유동하는 상태에서 전극 형상 및 전극간 거리를 안정적으로 유지할 수 있어야 한다.
이때, 양극집전체는 집전뿐만 아니라 전극간 거리와 형상을 안정적으로 유지시키는 역할을 수행하며, 이를 위해 상기 집전체는 상기와 같은 두께 범위를 갖는 것이 바람직하다. 즉, 집전체의 두께가 0.05㎜ 미만의 두께를 갖는 경우에는 전해액이 유동하는 환경 하에서 전극의 형상을 유지하지 못하여 파괴될 우려가 있으며, 양극과 음극의 접촉을 야기하여 전지의 단락을 초래할 수 있다.
한편, 양극 집전체의 두께가 상기 범위를 벗어나 두꺼운 경우에는 플로우 전지로서 전극의 형태를 유지하는 데에는 적합하나, 전체 전극의 두께가 증대하게 되어 단위 부피당 전지 내에 포함되는 전극의 개수가 감소하게 되고, 이는 전지 용량 감소를 초래하며, 또한 고출력을 발휘할 수 없게 한다.
상기 양극 집전체는 Ni, 혹은 니켈 도금된 스테인리스 스틸 등의 재질로 된 것을 사용할 수 있다. 다만, 본 발명에서는 금속 포일을 양극 집전체로 사용하므로, 전지의 단위 부피당 포함되는 양극 집전체의 개수가 증가하게 된다. 따라서, 본 발명의 양극 집전체로는 가격이 저렴하고 강성이 우수한 스테인리스 포일을 사용하는 것이 원가 절감 측면에서 보다 바람직하다. 상기 스테인리스 포일은 표면에 도금 혹은 클래딩에 의하여 Ni 내지는 Ni1 - xCox 코팅층을 포함하는 것을 사용할 수 있다.
이와 같은 양극 집전체의 표면에 상기 양극재의 페이스트 또는 슬러리를 도포함으로써 양극을 제조한다. 본 발명에서는 상기 양극 집전체 표면에 도포되는 양극재의 두께(또는 부착량)이 중요하지만, 상기 두께 또는 부착량을 얇게 함으로써 집전체로부터 양극 활물질의 거리가 단축되어 높은 출력, 즉, 고속 충방전이 가능하다. 이 경우 동일 면적일 때 전극판에서 얻을 수 있는 용량(Ah/전극)이 감소하는 단점이 있을 수 있으나, 이는 상기와 같은 금속 포일을 지지체로 사용함으로써 전극 갯수를 늘릴 수 있으며, 이에 의해 단위부피당 용량은 동일하게 유지할 수 있다.
통상 Zn-Ni 플로우 전지에서는 0.5 내지 1.0㎜의 전극을 주로 사용하고 있으며, 이러한 전극은 고출력, 고속 충방전에 불리하기 때문에 전력저장 장치 중에서 주로 저속 충방전을 하는 장주기 ESS용으로 응용이 한정되어 있다는 단점이 있다. 이에, 본 발명에서는 300㎛ 이하, 예를 들어, 80 내지 300㎛, 100 내지 300㎛, 150 내지 300㎛의 수준으로 양극의 두께를 얇게 형성함으로써 Vanadium Redox Flow 대비 낮은 단위면적당 출력밀도를 크게 향상시킬 수 있다.
이를 위해, 본 발명은 양극 지지체 겸 집전체인 금속 포일의 일면 또는 양면에 양극재를 0.1㎜ 이하, 보다 바람직하게는 0.03 내지 0.1㎜, 예를 들어, 0.03 내지 0.07㎜의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.
예를 들어, 현재 Zn-Ni 플로우 전지 제품의 선도 주자인 미국의 CUNY사의 경우 다공성 니켈 소결체를 양극 집전체로 사용하며, 양극 두께가 약 600㎛ 수준이다. 본 발명에서는, 일 예로서, 0.1㎜ 두께의 금속 포일을 양극 집전체로 사용하고, 그 양면에 0.05㎜ 수준의 양극재를 도포함으로써, 상기CUNY 사의 양극에 대비 1/23이하인 200㎛ 수준으로 박형 양극을 형성할 수 있다. 이에 의해 본 발명은 종래에 비하여 단위부피당 3배의 양극을 집적함으로써 양극의 유효 면적을 약 3배 증가시킬 수 있고 그만큼 단위부피당 출력(W/L)이 향상이 가능하다.
본 발명의 Zn-Ni 플로우 전지에 있어서 상기 양극과 쌍이 되는 음극 역시 상기 양극과 마찬가지로 0.2㎜ 이하, 보다 바람직하게는 0.05 내지 0.2㎜, 예를 들어, 0.1㎜ 수준의 금속 포일을 사용할 수 있다. 상기 금속 포일은 음극의 집전체 및 지지체로서의 역할을 수행하며, 그 자체가 음극의 두께이다.
상기 음극의 금속 포일은 예를 들어, 니켈 및 구리 등의 재질을 사용할 수 있으며, 스테인리스 포일의 표면에 니켈, 구리, 또는 주석을 도금 또는 클래딩한 금속 포일을 음극 집전체로 사용할 수 있다. 경제성을 위하여 니켈, 구리, 또는 주석으로 도금 혹은 클래딩한 스테인리스 금속 포일을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에서의 음극은 음극집전체만으로 구성되며, 음극활물질은 전해액에 Zn(OH)4 2- 이온 상태로 용해되어 있다. 충전시에는 전해액 중의 Zn(OH)4 2 - 이온이 음극 집전체 위에 석출되며, 방전 시에는 상기 Zn이 다시 Zn(OH)4 2 - 이온으로 전해액에 용해된다. 또한, KOH 수용액의 경우, 상기의 전지 반응에 필요한 OH- 이온 및 음극활물질인 Zn(OH)4 2 -를 충분히 제공한다.
상기 전해액은 펌프나 모터로 계속 순환시켜 전해액 내의 Zn(OH)4 2 -, (OH)- 이온 등 주요 이온들의 농도를 균일하게 유지함으로써 충전시 음극에서 수지상 아연인 Zn 덴드라이트(dendrite)의 생성 및 이로 인한 단락 발생을 방지할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 전지 구성을 통하여 제품 단위부피당 전류 밀도, 즉, 단위부피당 출력을 획기적으로 향상시킬 수 있다. 또한 전극 두께가 얇아지면 양극인 Ni(OH)2의 도전 경로가 단축되어 높은 C-rate에서도 충방전 용량이 감소하지 않으며, 도전재의 함량을 줄여서 단위부피당의 에너지 밀도의 향상도 도모할 수 있다.
한편, Zn-Ni 플로우 전지는 양극과 음극 사이에 6 내지 10M 농도의 KOH 수용액 전해기반의 강알칼리 전해액을 사용한다. 상기 전해액은 충전 또는 방전시 전지 내부의 아연 이온이 이동하는 통로로서 역할을 수행한다.

Claims (14)

  1. 금속 포일을 집전체 겸 지지체로 하고, 상기 금속 포일의 적어도 일면에는 양극재가 도포된 박형 양극; 및
    금속 포일을 집전체 겸 지지체로 하는 박형 음극;
    을 포함하며, 상기 박형 양극 및 박형 음극간 전극 간극을 줄여서 단위부피당 전극 집적도를 향상시켜 단위부피당 출력밀도를 높인 것을 특징으로 하는 Zn-Ni 플로우 전지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 박형 양극의 두께는 집전체와 양극재를 합하여 0.3mm 이하인 Zn-Ni 플로우 전지.
  3. 제1항에 있어서, 상기 박형 음극의 두께는 음극 집전체의 두께이며, 그 두께가 0.2mm 이하인 Zn-Ni 플로우 전지.
  4. 제1항에 있어서, 전극 간극은 0.5mm 이하인 Zn-Ni 플로우 전지.
  5. 제1항에 있어서, 박형 양극은 0.05~0.2mm의 스테인리스 포일을 집전체 겸 지지체로 사용하는 것인 Zn-Ni 플로우 전지.
  6. 제5항에 있어서, 상기 집전체 겸 지지체는 표면에 도금 혹은 클래딩에 의하여 Ni 내지는 Ni1 - xCox 코팅층을 포함하는 것인 Zn-Ni 플로우 전지.
  7. 제6항에 있어서, 상기 코팅층은 5~30㎛의 두께를 갖는 것인 Zn-Ni 플로우 전지.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 박형 양극은 Ni(OH)2를 양극 활물질로 하는 양극재가 상기 금속포일 지지체 겸 집전체의 일면 혹은 양면에 0.1mm 이하의 두께로 도포된 것인 Zn-Ni 플로우 전지.
  9. 제1항에 있어서, 상기 박형 음극은 0.05~0.2mm 두께의 스테인리스 포일인 Zn-Ni 플로우 전지.
  10. 제9항에 있어서, 상기 박형 음극은 상기 스테인리스 포일의 표면에 도금 또는 클래딩에 의해 Ni, Cu 또는 Sn의 코팅층을 포함하는 것인 Zn-Ni 플로우 전지.
  11. 금속 포일의 양극 지지체 겸 집전체 및 상기 양극 집전체의 적어도 일면에 양극활물질, 도전재 및 바인더를 포함하는 양극재가 도포되고, 양극 집전체와 양극재의 합계로서 양극 두께가 0.3㎜ 이하인 Zn-Ni 플로우 전지용 박형 양극.
  12. 제11항에 있어서, 상기 양극은 80 내지 300㎛의 두께를 갖는 것인 Zn-Ni 플로우 전지용 박형 양극.
  13. 제11항에 있어서, 상기 양극 지지체 겸 집전체는 0.05 내지 0.2㎜의 두께를 갖는 금속 포일인 니켈-아연 플로우 전지용 박형 양극.
  14. 제11항에 있어서, 상기 양극 집전체는 니켈 또는 니켈 도금된 스테인리스 스틸의 금속 포일인 Zn-Ni 플로우 전지용 박형 양극.
KR1020160175632A 2016-12-21 2016-12-21 금속 포일 지지체형 박형 양극, 이를 포함하는 아연-니켈 플로우 전지 KR102032184B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160175632A KR102032184B1 (ko) 2016-12-21 2016-12-21 금속 포일 지지체형 박형 양극, 이를 포함하는 아연-니켈 플로우 전지

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160175632A KR102032184B1 (ko) 2016-12-21 2016-12-21 금속 포일 지지체형 박형 양극, 이를 포함하는 아연-니켈 플로우 전지

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20180072255A true KR20180072255A (ko) 2018-06-29
KR102032184B1 KR102032184B1 (ko) 2019-10-18

Family

ID=62781230

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160175632A KR102032184B1 (ko) 2016-12-21 2016-12-21 금속 포일 지지체형 박형 양극, 이를 포함하는 아연-니켈 플로우 전지

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102032184B1 (ko)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20030044495A (ko) * 2001-11-30 2003-06-09 한국바이오시스템(주) 고분자전해질막-전극접합체를 이용한 생물연료전지
KR20050096002A (ko) * 2004-03-29 2005-10-05 삼성에스디아이 주식회사 캔형 리튬이온 이차전지
KR20080082240A (ko) * 2007-03-08 2008-09-11 삼성에스디아이 주식회사 폴리머 전지팩
KR20080087340A (ko) * 2007-03-26 2008-10-01 삼성에스디아이 주식회사 폴리머 전해질 전지 및 그 형성 방법
KR20140052478A (ko) * 2012-10-24 2014-05-07 주식회사 비츠로셀 수명 특성이 우수한 니켈-아연 플로우 전지
US20160351890A1 (en) * 2014-09-02 2016-12-01 Panisolar, Inc. Batteries with Replaceable Zinc Cartridges

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20030044495A (ko) * 2001-11-30 2003-06-09 한국바이오시스템(주) 고분자전해질막-전극접합체를 이용한 생물연료전지
KR20050096002A (ko) * 2004-03-29 2005-10-05 삼성에스디아이 주식회사 캔형 리튬이온 이차전지
KR20080082240A (ko) * 2007-03-08 2008-09-11 삼성에스디아이 주식회사 폴리머 전지팩
KR20080087340A (ko) * 2007-03-26 2008-10-01 삼성에스디아이 주식회사 폴리머 전해질 전지 및 그 형성 방법
KR20140052478A (ko) * 2012-10-24 2014-05-07 주식회사 비츠로셀 수명 특성이 우수한 니켈-아연 플로우 전지
US20160351890A1 (en) * 2014-09-02 2016-12-01 Panisolar, Inc. Batteries with Replaceable Zinc Cartridges

Also Published As

Publication number Publication date
KR102032184B1 (ko) 2019-10-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Shen et al. Electrochemical energy: advanced materials and technologies
US10910674B2 (en) Additive for increasing lifespan of rechargeable zinc-anode batteries
Rahman et al. High energy density metal-air batteries: a review
KR102166391B1 (ko) 고출력 응용을 위한 2차 아연-이산화망간 전지
KR101758967B1 (ko) 전지
WO2011079482A1 (zh) 一种电池
US9293796B2 (en) Metal-air battery with dual electrode anode
JPH11242954A (ja) 電極構造体、二次電池及びそれらの製造方法
JP2010073533A (ja) 充放電可能な電池
CN103441260B (zh) 一种水系碱性电化学储能器件
Ma et al. Progress and perspective of aqueous zinc-ion battery
CN102903924A (zh) 电池
CN104795564A (zh) 一种水溶液二次电池的正极材料、极片、二次电池和用途
CN103094583A (zh) 电池及电池集流体的处理方法
KR20220040505A (ko) 금속 음극 및 상기 금속 음극의 제작 방법 그리고 상기 금속 음극을 구비하는 이차 전지
KR20160059974A (ko) 전지 시스템 및 이를 포함하는 레독스 흐름 전지
CN108390110B (zh) 一种铅-锰二次电池
WO2016045622A1 (zh) 电池、电池组和不间断电源
CN112952212A (zh) 水系二氧化锰-金属二次电池
CN105449294A (zh) 电池
Asmare et al. Recent advances in electrically rechargeable transition metal-based-air batteries for electric mobility
CN113140708B (zh) 一种基于锡负极的碱性蓄电池
JP5557385B2 (ja) プロトンを挿入種とする蓄電デバイス
KR102032184B1 (ko) 금속 포일 지지체형 박형 양극, 이를 포함하는 아연-니켈 플로우 전지
CN109980226B (zh) 一种具有聚酰胺光亮剂层的锌负极及其制备方法和应用

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)