KR20200033401A - 파이로 카본이 코팅된 레독스 흐름 전지용 전극의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레독스 흐름 전지용 전극의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 구형 수지를 탄화시켜 판재 형태의 전극을 얻은 후, 파이로 카본을 코팅함으로써 입자들 사이의 기공을 통해 전해액의 접촉면적을 늘려 전해액이 전극 전체에 균일하고 원할하게 흐를 수 있게 하는 한편, 전극의 체적저항과 표면저항을 줄어 전기 전도도를 향상시켜 효율을 극대화할 수 있는 레독스 흐름 전지용 전극의 제조방법에 관한 것이다.

Description

파이로 카본이 코팅된 레독스 흐름 전지용 전극의 제조방법{Manufacturing method of electrode for redox flow battery coated pyrocarbon}

본 발명은 레독스 흐름 전지용 전극의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 구형 수지를 탄화시켜 판재 형태의 전극을 얻은 후, 파이로 카본을 코팅함으로써 입자들 사이의 기공을 통해 전해액의 접촉면적을 늘려 전해액이 전극 전체에 균일하고 원할하게 흐를 수 있게 하는 한편, 전극의 체적저항과 표면저항을 줄어 전기 전도도를 향상시켜 효율을 극대화할 수 있는 레독스 흐름 전지용 전극의 제조방법에 관한 것이다.

에너지 저장 장치는 친환경 에너지 생산 환경에서 매우 중요한 요소이다.

특히 갈수록 심화되는 환경오염과 화석연료의 고갈은 전반적으로 친환경 에너지 생산을 부추기고 있다. 이러한 추세에 따라 태양광 발전, 풍력 발전, 조력 발전 등 많은 분야에서 친환경 에너지 생산이 장려되고 있다.

그러나 이러한 친환경 발전 시스템들은 환경의 변화에 따라 특정 시간대에 전기가 생산되는 단점을 가지고 있다. 예를 들어 태양광 발전은 낮 시간대에만 발전이 가능하고 풍력발전은 바람이 부는 시간대만 발전이 가능하여 전력의 생산 시점과 사용 시점의 불균일 때문에 에너지 저장 장치의 필요성이 대두되고 있다.

에너지 저장 장치는 납축전지, 리튬이온전지, 황나트륨전지 등 종류가 다양한데 2차 전지로써 최근 레독스 흐름 전지(redox flow battery)가 주목받고 있다.

일반적으로 2차 전지는 셀안에 전극, 전해질, 분리막이 함께 존재하여 충방전을 수행하나 레독스 흐름 전지는 이 중, 전해질이 외부 탱크에 별도로 저장되어 순환시키는 구조를 취하므로 일반적인 2차 전지에 비해 대용량으로 제작이 가능하고 전해액으로 수용성 전해물질을 사용할 수 있어 폭발 위험도 매우 낮은 장점이 있다.

전술한 바와 같이 레독스 흐름 전지는 전해액이 외부 탱크에 저장되고 이를 펌프를 통해 전지 내부 스택에 순환시키는 구조로 되어 있다보니 전해액이 스택 내부에서 전극에 얼마나 원활히 순환되고 전자의 주고받음이 활발히 일어나느냐에 따라 성능이 좌우된다.

현재까지 레독스 흐름 전지는 개발 초기 단계이기 때문에 전극도 다양하지 못하다. 현재까지는 전극에 전해액이 잘 흐를 수 있고 전자를 잘 주고 받을 수 있는 소재로 카본 펠트(Carbon Felt, 탄소 섬유로 만든 부직포) 전극이 이용되고 있는데 이 카본 펠트는 전기 전도성이 우수하고, 섬유조직의 모세관 특성에 의해 전해액이 잘 스며드는 장점이 있으나 펠트라는 구조가 섬유조직이 뭉쳐있고 이를 압착하여 장착하다보니 전해액이 균일하게 흐름을 유지하는 것이 쉽지 않다.

즉, 전해질이 카본펠트 전극에 균일하게 흘러 충방전이 이루어져야 하나 대게는 전체 면적 중, 일정 부분만을 물길을 따라 흘러가듯 부분적으로 전해액의 흐름이 나타난다는 것이다.

따라서, 전극의 전체 면적 중, 일부분은 전혀 전해액이 흐르지 않은 부분이 생기고 전해액이 흐르더라도 흐름이 낮은 현상이 생겨 효율을 저감시키는 원인이 된다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로 본 발명의 목적은 전극 전체에 전해액이 고루 원활하게 흐르고 전해액의 접촉면적을 증가시켜 효율을 매우 향상시킬 수 있는 레독스 흐름 전지용 전극을 제조하는 것이다.

또한, 본 발명은 판재형태로 전극을 제작할 때, 체적저항과 표면저항을 줄여 전도도를 향상시킴으로써 효율을 극대화할 수 있는 레독스 흐름 전지용 전극을 제조하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 구형 수지를 이용하여 탄화된 판재를 제작하는 단계; 탄화된 판재를 재단하고 세척하여 전극을 얻는 단계; 및 상기 전극에 파이로 카본(Pyrocarbon)을 코팅하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지용 전극의 제조방법을 제공한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 탄화된 판재를 제작하는 단계:는, 구형 수지 입자로 이루어지는 수지인 구형 수지를 제조하는 제1단계; 상기 구형 수지에 바인더용 수지를 혼합한 후, 판재를 성형하는 제2단계; 상기 판재를 특정 온도에서 경화하는 제3단계; 및 경화된 판재를 특정 온도에서 탄화하는 제4단계;를 포함한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 제1 단계:는, 알콜이 혼합된 증류수에 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol)을 용해하고, 경화재인 헥사메틸렌디아민(hexamethylenediamine)을 첨가한 후, 레졸형 수지를 혼합하는 제1-1단계; 및 상기 레졸형 수지를 반응기에서 교반하여 상기 구형 수지를 제조하는 제1-2단계;를 포함한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 바인더용 수지는 상기 구형 수지 대비 5% 내지 15% 사이의 일정 중량비로 첨가되며, 상기 판재는 상기 구형수지는 성형틀에 부어 프레스를 이용하여 일정한 압력을 가함으로써 제작된다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 제3단계는 상기 판재를 150도 내지 200도 사이의 특정 온도에서 1시간 내지 2시간 베이킹함으로써 경화된다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 제4단계:는, 상기 경화된 판재를 탄화로 내에 투입하여 800도까지 분당 0.5도 내지 1도로 승온하여 800도에서 1시간 유지하여 수분과 휘발성 성분을 제거하여 1차 탄화하는 제4-1단계; 및 상기 1차 탄화된 판재를 자연냉각한 후, 1400도 내지 1800도 사이의 특정 온도까지 분당 0.5도 내지 1도로 승온하여 2차 탄화하는 제4-2단계;를 포함한다.

또한, 본 발명은 상기 제조방법으로 제조된 레독스 흐름 전지용 전극을 더 제공한다.

본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 가진다.

본 발명의 레독스 흐름 전지용 전극의 제조방법에 의하면, 구형 수지를 탄화시켜 판재로 성형한 후, 전극을 제작하므로 종래의 카본 펠트 전극과 비교하여 전극 전체에 전해액이 고루 원활하게 흐르고 전해액의 접촉면적을 증가시킬 수 있어 효율을 매우 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 레독스 흐름 전지용 전극의 제조방법에 의하면, 탄화 판재에 파이로 카본 코팅을 수행하여 체적저항과 표면저항을 줄어 효율을 극대화할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지용 전극의 제조방법을 설명하기 위한 흐름도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지용 전극의 제조방법 중, 탄화 판재를 획득하는 과정을 설명하기 위한 흐름도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지용 전극의 제조방법에서 파이로 카본 코팅하지 않은 탄화 판재의 순환 전압 전류법 수행 결과를 보여주는 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지용 전극의 제조방법에 의해 파이로 카본 코팅된 전극의 순환 전압 전류법 수행 결과를 보여주는 도면,
도 5는 도 3과 도 4의 그래프를 겹쳐 파이로 카본 코팅 전과 후를 비교할 수 있게 한 도면,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지용 전극의 제조방법에서 파이로 카본 코팅하지 않은 탄화 판재의 저항과 전도도를 실험한 결과를 보여주는 도면,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지용 전극의 제조방법에 의해 파이로 카본 코팅된 전극의 저항과 전도도를 실험한 결과를 보여주는 도면,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지용 전극의 제조방법에서 파이로 카본 코팅 전 후의 전극의 저항 및 전도도를 비교한 그래프이다.

본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.

이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.

그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지용 전극의 제조방법은 구형 수지를 탄화시켜 판재를 얻은 후, 재단 및 세척하여 전극형태로 가공하고 파이로 카본 코팅하여 전극을 수득하는 방법이다.

이는 탄화된 수지 입자들 사이의 기공을 통해 전해액의 접촉면적을 늘려 전해액이 전극 전체에 균일하게 흐르게 하면서도 판재 형태로 제작될 때, 증가할 수 있는 체적저항과 표면저항을 줄여 전기전도성을 향상시킴으로써 전지의 효율을 매우 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지용 전극의 제조방법은 먼저, 구형 수지를 이용하여 탄화된 판재를 제작하고(S100), 탄화된 판재를 재단하고 세척하여 전극을 획득하고(S200), 전극에 파이로 카본을 코팅하여(S2000), 최종적으로 파이로 카본 코팅된 전극을 수득한다.

또한, 상기 파이로 카본 코팅은 화학 기상 증착 방법에 의해 수행될 수 있다.

도 2를 참조하여 탄화된 판재를 제작하는 과정을 더욱 자세히 설명하면, 먼저, 구형 수지 입자로 이루어지는 수지(이하, '구형 수지'라 함)을 제조한다(S1000).

또한, 상기 구형 수지를 제조하기 위해서는 먼저, 페놀수지, 요소수지와 같은 경화성 수지를 준비하고, 상기 경화성 수지를 레졸형 수지로 제조한다(S1100).

또한, 상기 경화성 수지가 페놀수지인 경우를 예로 들면, 먼저,폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol)을 알콜이 혼합된 증류수에 용해하고, 경화제인 헥사메틸렌디아민(hexamethylenediamine)을 첨가한 후, 액상인 레졸형 페놀수지를 혼합한다.

다음, 이 레졸형 페놀수지를 가온하면서 반응기에서 교반하여 레졸형 페놀 수지를 구형 수지로 제조한다(S1200).

또한, 도 2는 상기 구형 수지를 확대하여 보여주는 사진으로, 상기 구형 수지는 구형의 수지 입자로 이루어져있다.

다음, 상기 구형 수지가 불용성 수지가 되도록 200 내지 300도에서 일정 시간 경화한다.

다음, 상기 구형 수지를 경화시켜 일정한 강도를 갖는 판재로 성형한다(S2000).

자세하게는 먼저, 상기 구형 수지에 바인더용 수지(페놀 수지일 수 있음)를 상기 구형 수지 대비 5% 내지 15% 사이의 일정 중량비로 첨가하고(S2100), 성형틀에 부어 프레스를 이용하여 가압한 후 판재로 성형한다(S2200).

다음, 성형된 판재를 150도 내지 200도 사이의 특정온도에서 1시간 내지 2시간 베이킹함으로써 경화시키고(S3000), 경화된 판재를 냉각하여 일정한 강도를 갖는 판재로 제작한다.

다음, 상기 판재를 질소 분위기 하에서 탄화시켜 공극이 형성되게 한다(S4000).

또한, 탄화과정은 크랙이 발생하는 등의 문제점을 해결하기 위해 2차에 걸쳐 이루어지며, 1차 탄화는 탈지공정으로 분당 0.5도 에서 1도로 800도까지 승온하여 1시간 정도 유지함으로써 수분이나 휘발성 성분을 제거하고(S4100), 상온에서 냉각한 후, 탄화 공정인 2차 탄화를 수행한다(S4200).

또한, 2차 탄화는 1차 탄화된 판재를 소결로에 투입하여 분당 0.5도 에서 1도로 1400도 내지 1800도 사이의 특정온도로 승온하여 탄소성분을 제외한 거의 모든 성분들이 휘발시킨다.

이렇게 2차 탄화를 거친 판재는 일부 비휘발성 금속원자나 고온에서 견디는 일부 원소들이 남아있을 수 있는데 순도를 더욱 높이기 위해서는 더 높은 온도에서 염소가스의 처리로 초고순도 판재를 얻을 수 있다.

그러나 일반적으로 레독스 흐름 전지의 전극은 고순도를 요구하지 않으며, 그 이유는 레독스 흐름 전지의 전해액이 충방전 반응을 할 때 때로는 수산기 등이 효율을 높일 수 있기 때문이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지용 전극의 제조방법에서 파이로 카본 코팅하지 않은 탄화 판재의 순환 전압 전류법(CV:Cyclic Voltammetry) 수행 결과를 보여주는 도면으로 도 3의 (a)는 V²⁺/V³⁺ 커플 반응에서 순환 전압 전류법 결과를 보여주는 것이고, (b)는 V⁴⁺/V⁵⁺ 커플 반응에서 순환 전압 전류법 결과를 보여주는 것이다.

또한, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지용 전극의 제조방법에 의해 파이로 카본 코팅된 전극의 순환 전압 전류법 수행 결과를 보여주는 도면으로 도 4의 (a)는 V²⁺/V³⁺ 커플 반응에서 순환 전압 전류법 결과를 보여주는 것이고, (b)는 V⁴⁺/V⁵⁺ 커플 반응에서 순환 전압 전류법 결과를 보여주는 것이다.

또한, 도 5는 도 3과 도 4의 그래프를 겹쳐 파이로 카본 코팅 전과 후를 비교할 수 있게 한 도면이다.

도 3 내지 도 5에서도 알 수 있듯이, 파이로 카본 코팅된 전극이 코팅되지 않은 전극에 비해 가역성(reversiblity)이 증가됨을 알 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지용 전극의 제조방법에서 파이로 카본 코팅하지 않은 탄화 판재(No pyro)의 저항과 전도도를 실험한 결과를 보여주는 도면으로 파이로 카본 코팅하지 않은 다섯 개의 탄화 판재 샘플의 체적저항, 저항, 표면저항 및 전도도를 측정한 것이고, 도 7은 파이로 카본 코팅된 전극(Pyro coating)의 저항과 전도도를 실험한 결과를 보여주는 도면으로 파이로 카본 코팅한 다섯 개의 전극 샘플의 체적저항, 저항, 표면저항 및 전도도를 측정한 것이며, 도 8은 도 6의 샘플들의 평균 체적저항, 저항, 표면저항 및 전도도와 도 7의 샘플들의 평균 체적저항, 저항, 표면저항 및 전도도를 계산하여 그래프로 나타낸 것이다.

도 6 내지 도 8에서도 알 수 있듯이 파이로 카본 코팅한 전극이 코팅하지 않은 판재에 비해 체적저항, 저항, 표면저항은 모두 줄어들고 전기 전도도는 향상되는 것을 알 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims (7)

1. 구형 수지를 이용하여 탄화된 판재를 제작하는 단계;
   탄화된 판재를 재단하고 세척하여 전극을 얻는 단계; 및
   상기 전극에 파이로 카본(Pyrocarbon)을 코팅하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지용 전극의 제조방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 탄화된 판재를 제작하는 단계:는,
   구형 수지 입자로 이루어지는 수지인 구형 수지를 제조하는 제1단계;
   상기 구형 수지에 바인더용 수지를 혼합한 후, 판재를 성형하는 제2단계;
   상기 판재를 특정 온도에서 경화하는 제3단계; 및
   경화된 판재를 특정 온도에서 탄화하는 제4단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지용 전극의 제조방법.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 제1 단계:는,
   알콜이 혼합된 증류수에 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol)을 용해하고, 경화재인 헥사메틸렌디아민(hexamethylenediamine)을 첨가한 후, 레졸형 수지를 혼합하는 제1-1단계; 및
   상기 레졸형 수지를 반응기에서 교반하여 상기 구형 수지를 제조하는 제1-2단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지용 전극의 제조방법.
   
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 바인더용 수지는 상기 구형 수지 대비 5% 내지 15% 사이의 일정 중량비로 첨가되며,
   상기 판재는 상기 구형수지는 성형틀에 부어 프레스를 이용하여 일정한 압력을 가함으로써 제작되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지용 전극의 제조방법.
   
5. 제 2 항에 있어서,
   상기 제3단계는 상기 판재를 150도 내지 200도 사이의 특정 온도에서 1시간 내지 2시간 베이킹함으로써 경화하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지용 전극의 제조방법.
   
6. 제 2 항에 있어서,
   상기 제4단계:는,
   상기 경화된 판재를 탄화로 내에 투입하여 800도까지 분당 0.5도 내지 1도로 승온하여 800도에서 1시간 유지하여 수분과 휘발성 성분을 제거하여 1차 탄화하는 제4-1단계; 및
   상기 1차 탄화된 판재를 자연냉각한 후, 1400도 내지 1800도 사이의 특정 온도까지 분당 0.5도 내지 1도로 승온하여 2차 탄화하는 제4-2단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지용 전극의 제조방법.
   
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중, 어느 한 항의 제조방법으로 제조된 레독스 흐름 전지용 전극.

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