KR20200063891A - 레독스 흐름 전지용 바이폴라 전극, 이를 포함하는 레독스 흐름 전지 스택 - Google Patents

레독스 흐름 전지용 바이폴라 전극, 이를 포함하는 레독스 흐름 전지 스택 Download PDF

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이재혁
백영민
박미소
조화연
박상선
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Abstract

본 발명은 음각 또는 양각 패턴 구조체를 포함하는 패턴 영역이 일면 상에 구비된 탄소-플라스틱 복합층; 및 상기 탄소-플라스틱 복합층의 타면 상에 구비된 탄소 코팅층;을 포함하는, 레독스 흐름 전지용 바이폴라 전극 및 이를 포함하는 레독스 흐름 전지 스택에 관한 것이다.

Description

레독스 흐름 전지용 바이폴라 전극, 이를 포함하는 레독스 흐름 전지 스택 {BIPOLAR ELECTRODE FOR REDOX FLOW BATTERY, REDOX FLOW BATTERY STACK COMPRISING THE SAME}
본 발명은 레독스 흐름 전지용 바이폴라 전극, 이를 포함하는 레독스 흐름 전지 스택에 관한 것이다.
레독스 흐름 전지는 전해액에 포함된 이온의 산화/환원 반응을 통해 전기 에너지를 충전 또는 방전하는 전기화학적 축전 장치이다. 레독스 흐름 전지의 애노드 전해액과 캐소드 전해액은 분리막에 의해 분리되어 있으며, 이를 중심으로 양쪽에 존재하는 이온의 농도차에 의해 확산 현상이 발생한다.
아연-브롬 레독스 흐름 전지는 아연/브롬(Zn/Br)을 레독스 커플(Redox-Couple)로 사용하는 레독스 흐름 전지이다. 이와 같은 아연-브롬 레독스 흐름 전지는 충전 시 애노드에 아연이 적층되고 캐소드 전해액에 브롬이 생성되며, 방전 시 적층된 아연과 브롬의 전자 전달반응으로 인해 해리되는 현상으로 충방전이 진행된다.
상기 애노드 전해액에 포함된 아연이 애노드 전극 상에 아연층으로 형성되는 과정에서 애노드에 아연이 균일하게 형성되지 않게 되면, 전해액의 pH 증가, 전지의 효율 감소 및 전지의 단락을 유발할 수 있으며, 아연 덴드라이트(Zn dendrite)가 과량으로 생성될 수 있다. 아연 덴드라이트가 지나치게 성장하게 되면 분리막에 손상을 가하게 될 수 있으며, 이는 아연-브롬 레독스 흐름 전지에 치명적인 문제가 될 수 있다.
그러므로, 아연-브롬 레독스 흐름 전지의 구동 시 발생되는 아연 덴드라이트의 생성을 효과적으로 억제하고, 애노드에 균일한 아연층이 형성되도록 하기 위한 연구가 필요하다.
일본 공개 특허 공보 2012-009448
본 발명은 레독스 흐름 전지용 바이폴라 전극 및 이를 포함하는 레독스 흐름 전지용 바이폴라 전지 스택을 제공하고자 한다. 특히, 아연-브롬 레독스 흐름 전지의 구동 중 발생하는 아연 덴드라이트의 성장을 억제하고, 아연층이 균일하게 애노드 상에 형성되도록 유도하여 전지 효율을 향상시킬 수 있는 레독스 흐름 전지용 바이폴라 전극을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시상태는, 음각 또는 양각 패턴 구조체를 포함하는 패턴 영역이 일면 상에 구비된 탄소-플라스틱 복합층; 및 상기 탄소-플라스틱 복합층의 타면 상에 구비된 탄소 코팅층;을 포함하는, 레독스 흐름 전지용 바이폴라 전극을 제공한다.
본 발명의 다른 실시상태는, 애노드, 캐소드 및 분리막을 포함하는 단위 셀이 2 이상 연속하여 구비된 레독스 흐름 전지 스택에 있어서, 인접한 2개의 단위 셀은 적어도 하나의 상기 레독스 흐름 전지용 바이폴라 전극을 구비하는, 레독스 흐름 전지용 바이폴라 전지 스택을 제공한다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 레독스 흐름 전지용 바이폴라 전극은 패턴 영역이 구비된 면을 애노드로 사용하여 아연 덴드라이트의 성장을 억제할 수 있으며, 이를 통하여 레독스 흐름 전지의 구동 안정성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 레독스 흐름 전지용 바이폴라 전극은 탄소 코팅층을 캐소드로 사용하여 반응 면적을 최대한 증가시켜 전지 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시상태에 따른 레독스 흐름 전지용 바이폴라 전극의 단면 구조를 도시한 것이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 일 실시상태에 따른 레독스 흐름 전지용 바이폴라 전극의 패턴 영역의 일 예를 나타낸 것이다.
본 명세서에서 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 단위 "중량부"는 각 성분간의 중량의 비율을 의미할 수 있다.
본 명세서에 있어서, 어느 부재의 두께는 micrometer를 이용하여 측정될 수 있다.
본 명세서에 있어서, 패턴 구조체의 직경은 패턴 구조체의 수평 단면에서의 중심을 지나는 직선의 길이를 의미할 수 있다. 구체적으로, 패턴 구조체의 수평 단면이 원인 경우에는 중심을 지나는 직선의 길이를 의미할 수 있으며, 또한 패턴 구조체의 수평 단면이 다각형인 경우에는 어느 한변으로부터 대향하는 다른 변으로의 중심을 지나는 직선의 길이 중 가장 짧은 직선의 길이를 의미할 수 있다. 또한, 패턴 구조체의 수평 단면이 타원형인 경우에는 중심을 지나는 장축 및 단축의 길이의 평균일 수 있다.
본 발명자들은 레독스 흐름 전지의 효율을 향상시킬 수 있는 전극에 대한 연구를 지속한 결과, 바이폴라 전극에서의 애노드로 작용하는 면에 패턴 영역을 구비하는 경우 아연 덴드라이트의 성장이 억제되는 것을 확인하였다. 나아가, 바이폴라 전극에서의 캐소드로 작용하는 면에 탄소 코팅층을 구비하여 표면적을 높이는 경우 전지 효율이 향상되는 것을 확인하였으며, 이와 같은 연구 결과에 기초하여, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 일 실시상태는, 음각 또는 양각 패턴 구조체를 포함하는 패턴 영역이 일면 상에 구비된 탄소-플라스틱 복합층; 및 상기 탄소-플라스틱 복합층의 타면 상에 구비된 탄소 코팅층;을 포함하는, 레독스 흐름 전지용 바이폴라 전극을 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시상태에 따른 레독스 흐름 전지용 바이폴라 전극의 단면 구조를 도시한 것이다. 도 1에 따르면, 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지용 바이폴라 전극(1)은 탄소-플라스틱 복합층(12)의 일면 상에 패턴 영역(11)을 구비하고, 탄소-플라스틱 복합층(12)의 타면 상에 탄소 코팅층(13)이 구비되어 있는 구조를 가질 수 있다.
상기 패턴 영역은 복수의 패턴 구조체가 규칙적으로 반복하여 구비된 영역을 의미할 수 있다. 상기 패턴 구조체는 음각 또는 양각으로 구비되며, 상기 패턴 영역 내에서 패턴을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 패턴 구조체의 수평 단면은 사각형, 원형 또는 타원형일 수 있다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 일 실시상태에 따른 레독스 흐름 전지용 바이폴라 전극의 패턴 영역의 일 예를 나타낸 것이다. 구체적으로, 도 2 내지 도 4의 회색 영역은 음각 영역으로서, 도 2은 사각형의 양각 패턴 구조체가 구비된 것을 도시한 것이다. 또한, 도 3은 사각형의 음각 패턴 구조체가 구비된 것을 도시한 것이며, 도 4는 원형의 음각 패턴 구조체가 구비된 것을 도시한 것이다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 인접하는 상기 패턴 구조체 간의 이격 거리는 상기 패턴 구조체 직경의 0.1 배 내지 5 배일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 패턴 영역은 수평 단면이 사각형, 원형 또는 타원형인 패턴 구조체를 포함하고, 상기 패턴 구조체의 직경은 2 ㎜ 이상 10 ㎜ 이하이며, 인접하는 상기 패턴 구조체 간의 이격 거리는 1 ㎜ 이상 10 ㎜ 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 패턴 영역은 수평 단면이 사각형인 양각 패턴 구조체를 포함하고, 상기 양각 패턴 구조체의 직경은 3 ㎜ 이상 8 ㎜ 이하이며, 인접하는 상기 양각 패턴 구조체 간의 이격 거리는 1 ㎜ 이상 2 ㎜ 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 양각 패턴 구조체의 직경은 도 2의 (101)일 수 있으며, 상기 양각 패턴 구조체 간의 이격 거리는 도 2의 (102)일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 패턴 영역은 수평 단면이 사각형, 원형 또는 타원형인 음각 패턴 구조체를 포함하고, 상기 음각 패턴 구조체의 직경은 2 ㎜ 이상 10 ㎜ 이하이며, 인접하는 상기 음각 패턴 구조체 간의 이격 거리는 2 ㎜ 이상 10 ㎜ 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 사각형의 음각 패턴 구조체의 직경은 도 3의 (202)일 수 있으며, 상기 음각 패턴 구조체의 이격 거리는 도 3의 (201)일 수 있다. 또한, 상기 원형의 음각 패턴 구조체의 직경은 도 4의 (302)일 수 있으며, 상기 원형의 음각 패턴 구조체의 이격 거리는 도 4의 (301)일 수 있다.
상기 패턴 구조체의 직경이 상기 범위를 초과하는 경우, 패턴 영역에 따른 레독스 흐름 전지의 효율 향상 효과가 미미할 수 있다. 또한, 상기 패턴 구조체의 직경이 상기 범위 미만인 경우 탄소-플라스틱 복합층 상에 패턴 영역을 형성하기 곤란한 문제가 있다. 나아가, 인접하는 상기 패턴 구조체 간의 이격 거리가 상기 범위 내인 경우, 탄소-플라스틱 복합층 상에 패턴 영역을 형성하기 용이하며, 패턴 영역에 따른 레독스 흐름 전지의 효율 향상 효과를 기대할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 패턴 영역의 면적은 상기 탄소-플라스틱 복합층의 활성 영역 표면 면적의 30 % 이상 100 % 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 탄소-플라스틱 복합층의 활성 영역은 분리막 및 플로우 프레임 등이 접합되는 테두리 영역을 제외한 영역일 수 있다. 즉, 상기 탄소-플라스틱 복합층이 레독스 흐름 전지에 조립되는 경우, 테두리 영역을 통하여 분리막 및 플로우 프레임 등이 접합될 수 있으므로, 상기 탄소-플라스틱 복합층의 테두리 영역은 패턴 영역이 구비되지 않을 수 있다. 상기 탄소-플라스틱 복합층의 비활성 영역인 테두리 영역은 상기 탄소-플라스틱 복합층의 표면 면적의 1 % 내지 5 %의 영역를 차지할 수 있으며, 나머지 중심 영역은 활성 영역일 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 패턴 구조체의 수평 단면적 비율은 상기 탄소-플라스틱 복합층의 활성 영역 표면 면적의 20 % 이상 65 % 이하일 수 있다. 상기 패턴 구조체가 음각 또는 양각으로 상기 패턴 영역에 구비되는 경우, 상기 패턴 구조체의 수평 단면적의 비율은 상기 탄소-플라스틱 복합층의 활성 영역 표면 면적의 20 % 이상 65 % 이하일 수 있다.
상기 패턴 영역의 면적 및/또는 상기 패턴 구조체의 수평 단면적 비율이 상기 범위 내인 경우, 아연층이 고르게 형성되고 아연 덴드라이트의 성장을 효과적으로 억제할 수 있다. 나아가, 아연 덴드라이트의 끊어짐에 따른 불활성 아연이 형성되는 것을 방지하여, 레독스 흐름 전지의 구동 안정성 및 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 탄소-플라스틱 복합층은 30 중량% 이상 80 중량% 이하의 폴리올레핀계 수지, 및 20 중량% 이상 70 중량% 이하의 탄소 화합물을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 탄소-플라스틱 복합층은 60 중량% 이상 76 중량% 이하의 폴리올레핀계 수지, 및 24 중량% 이상 40 중량% 이하의 탄소 화합물을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 탄소-플라스틱 복합층에 포함되는 탄소 화합물은 전도성을 갖는 탄소 화합물을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 탄소-플라스틱 복합층에 포함되는 탄소 화합물은 카본 펠트, 천연 흑연(graphite), 인조 흑연(graphite), 팽창 흑연(graphite), 탄소 섬유, 난흑연화성 탄소, 카본 블랙, 탄소 나노 튜브, 플러렌, 및 활성탄 중 적어도 1종을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 폴리올레핀계 수지는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌 공중합체, 및 에틸렌-알파올레핀 공중합체 중 적어도 1종을 포함하거나, 이들 중 적어도 2종의 공중합체를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 폴리올레핀계 수지는 10 g/10분 이상 100 g/10분 이하(ASTM D1238, 230 ℃)의 용융 지수를 갖는 고결정성 폴리프로필렌 수지일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 탄소-플라스틱 복합층의 두께는 0.9 ㎜ 이상 1.2 ㎜ 이하일 수 있다. 상기 탄소-플라스틱 복합층의 두께는 상기 패턴 영역을 포함한 두께로서 상기 탄소-플라스틱 복합층의 타면으로부터 상기 패턴 영역의 양각 영역의 말단까지의 거리를 의미할 수 있다. 상기 탄소-플라스틱 복합층의 두께가 상기 범위 내인 경우, 이의 제조 시 크랙을 방지하고 탄소-플라스틱 복합층의 내구성을 확보할 수 있다. 나아가, 상기 탄소-플라스틱 복합층의 두께가 상기 범위 내인 경우, 저항이 지나치게 증가하는 것을 방지하여 전지 성능을 최적화할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 레독스 흐름 전지용 바이폴라 전극 전체 두께에 대한 상기 패턴 영역의 두께의 비는 0.1 이상 0.3 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 패턴 영역의 두께는 0.1 ㎜ 이상 0.4 ㎜ 이하일 수 있다. 상기 패턴 영역의 두께는 패턴 영역의 음각 영역의 하부면으로부터 양각 영역의 상부면까지의 거리를 의미할 수 있다. 상기 패턴 영역의 두께가 상기 범위 내인 경우, 상기 탄소-플라스틱 복합층 상에 패턴 영역이 안정적으로 형성될 수 있으며, 레독스 흐름 전지용 바이폴라 전극의 내구성을 확보할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 패턴 영역은 열가압공정에 의하여 상기 탄소-플라스틱 복합층의 일면 상에 형성될 수 있다. 상기 열가압공정의 일 예로서, 열압착(heat pressing)법을 들 수 있다. 구체적으로, 판상으로 제조된 탄소-플라스틱 복합층의 일면 상에 상기 패턴 구조체에 대응 하는 형상을 가지는 몰드를 이용하여 열과 함께 가압하여 패턴 영역을 형성할 수 있다. 상기 열가압공정은 당 업계에 알려진 방법으로 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 패턴 영역은 상기 탄소-플라스틱 복합층의 타면 상에 상기 탄소 코팅층을 형성한 후, 상기 탄소-플라스틱 복합층의 일면 상에 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 탄소 코팅층은 활성탄, 전도성 탄소 및 바인더를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 활성탄은 약 1 ㎚ 내지 2 ㎚ 크기의 기공을 가지는 탄소 화합물로서, 상기 활성탄은 내부 기공들에 의하여 전극과 전해질이 반응할 수 있는 면적이 넓어 산화/환원 속도를 높일 수 있다는 이점이 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 활성탄의 비표면적은 700 ㎡/g 이상 2,200 ㎡/g 이하, 또는 800 ㎡/g 이상 1,600 ㎡/g 이하이고, 평균 입자 직경은 2 ㎛ 이상 80 ㎛ 이하일 수 있다. 상가 활성탄의 비표면적 및 평균 입자 직경이 상기 범위 내인 경우, 반응 면적을 충분히 확보할 수 있으므로, 전지 효율을 상승시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 탄소 코팅층에 포함되는 전도성 탄소는 카본 블랙, 그라파이트, 탄소 섬유 및 탄소 나노 튜브로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 전도성 탄소는 카본 블랙, 그라파이트, 탄소 섬유 및 탄소 나노 튜브를 모두 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 전도성 탄소는 6 중량부 내지 10 중량부의 카본 블랙, 4 중량부 내지 10 중량부의 그라파이트, 4 중량부 내지 6 중량부의 탄소 섬유, 및 1 중량부 내지 5 중량부의 탄소 나노 튜브를 포함할 수 있다. 상기 전도성 탄소의 상업적으로 이용할 수 있는 예로서, TimCal사의 SuperP 및 SuperC, 그리고 Ketjen사의 300J 및 600J 등을 들 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 탄소 코팅층에 포함되는 바인더는 폴리프로필렌-그라프트-말레 안하이드라이드를 포함할 수 있다. 상기 폴리프로필렌-그라프트-말레 안하이드라이드(Polypropylene-graft-maleic anhydride)는 폴리프로필렌의 사슬 내에 말레 안하이드라이드가 그라프트된 구조를 가지고 있으며, 그라프트된 말레 안하이드라이드에 의하여, 상기 탄소-플라스틱 복합층과의 접착성을 보다 높일 수 있다. 상기 폴리프로필렌-그라프트-말레 안하이드라이드의 중량 평균 분자량은 3,000 g/mol 이상 30,000 g/mol 이하일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 탄소 코팅층은 75 중량% 이상 90 중량% 이하의 활성탄, 5 중량% 이상 15 중량% 이하의 전도성 탄소, 및 4 중량% 이상 10 중량% 이하의 바인더를 포함할 수 있다.
상기 탄소 코팅층은 활성탄, 전도성 탄소, 바인더 및 소수성 유기 용매를 포함한 슬러리 조성물을 이용하여 형성될 수 있다. 상기 슬러리 조성물에서의 활성탄, 전도성 탄소 및 바인더는 전술한 바와 같다.
상기 소수성 유기 용매는 소수성 특성을 갖는 활성탄 및 전도성 카본을 보다 용이하게 용해할 수 있으며, 이들을 균일하게 혼합 및 분산시켜 슬러리 형태로 제조할 수 있도록 한다. 구체적으로, 상기 소수성 유기 용매는 톨루엔, 사이클로헥산, 자일렌, N-메틸 피롤리돈, 디메틸 설폭사이드, 및 디메틸 아세테이트로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 탄소 코팅층은 상기 탄소-플라스틱 복합층의 타면 상에 상기 슬러리 조성물을 코팅한 후 건조하여 형성될 수 있다. 상기 코팅은 슬롯다이 코터, 콤마 코터, 블레이드 코터, 그라비아 코터, 바 코터, 또는 립 코터 등의 알려진 코팅 방법을 이용하여 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 탄소 코팅층은 별도의 패턴층이 형성되지 않고 균일한 높이의 층상으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 레독스 흐름 전지용 바이폴라 전극의 총 두께는 0.9 ㎜ 이상 1.2 ㎜ 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 레독스 흐름 전지용 바이폴라 전극에 있어서, 상기 패턴 영역이 구비된 탄소-플라스틱 복합층의 일면은 애노드이고, 상기 탄소 코팅층이 구비된 탄소-플라스틱 복합층의 타면은 캐소드일 수 있다. 구체적으로, 상기 패턴 영역이 구비된 면은 레독스 흐름 전지의 애노드 위치에 구비되고, 상기 탄소 코팅층이 구비된 면은 레독스 흐름 전지의 캐소드 위치에 구비될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 레독스 흐름 전지용 바이폴라 전극은 아연-브롬 레독스 흐름 전지용 바이폴라 전극일 수 있으며, 이 때 상기 패턴 영역이 구비된 면은 아연 덴드라이트의 성장을 억제하여 아연층의 균일한 형성을 유도할 수 있다. 이를 통하여, 아연 덴드라이트의 성장에 의한 분리막의 천공을 방지할 수 있으며, 아연 덴드라이트의 끊어짐에 따른 불활성 아연이 형성되는 것을 방지할 수 있다.
나아가, 상기 탄소 코팅층은 활성탄에 의한 내부 기공에 의하여 매우 넓은 비표면적을 가질 수 있다. 이에 따라 상기 탄소 코팅층은 애노드 전해액과의 반응 면적이 매우 넓어 향상된 산화/환원 속도를 구현할 수 있다.
본 발명의 다른 실시상태는, 애노드, 캐소드 및 분리막을 포함하는 단위 셀이 2 이상 연속하여 구비된 레독스 흐름 전지 스택에 있어서, 인접한 2개의 단위 셀은 적어도 하나의 상기 레독스 흐름 전지용 바이폴라 전극을 구비하는, 레독스 흐름 전지용 바이폴라 전지 스택을 제공한다. 구체적으로, 상기 레독스 흐름 전지용 바이폴라 전지 스택은 아연-브롬 레독스 흐름 전지용 바이폴라 전지 스택일 수 있다.
상기 레독스 흐름 전지용 바이폴라 전지 스택에 있어서, 상기 레독스 흐름 전지용 바이폴라 전극은 인접하는 2개의 단위 셀 사이에 구비되어, 하나의 단위 셀의 캐소드 및 다른 하나의 단위 셀의 애노드로써 작동될 수 있다.
상기 레독스 흐름 전지용 바이폴라 전지 스택은 전술한 레독스 흐름 전지용 바이폴라 전극을 사용하는 것을 제외하고, 당 업계에 알려진 구조 및 구성을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 레독스 흐름 전지 스택은 전해액이 저장된 탱크; 및 상기 단위셀과 탱크 사이에서 전해액을 순환시키는 펌프;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 레독스 흐름 전지 스택은 플로우 프레임(flow frame)을 더 포함할 수 있다. 상기 플로우 프레임은 전해액의 이동 통로 역할을 할 뿐만 아니라, 실제 전지의 전기 화학 반응이 잘 일어날 수 있도록 전극과 분리막 사이로 전해액의 고른 분포를 제공할 수 있다. 상기 플로우 프레임은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 또는 폴리염화비닐 등의 고분자로 이루어진 1 ㎜ 내지 1.5 ㎜의 두께의 필름 상으로 구비될 수 있다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 기술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
[ 실시예 1]
폴리프로필렌[약 45 g/10분(ASTM D1238, 230℃)의 용융 지수] 65중량부 및 그라파이트 20 중량부를 포함하는 조성물을 압출기(68 ㎜ twin screw, L/D 20, 약 190 ℃ 온도) 및 약 180 ℃ 온도의 T-다이를 이용하여 압출하여 판상의 탄소-플라스틱 복합층을 제조하였다.
나아가, PDM 혼합기에 BET 표면적 800 ㎡/g 및 평균입자직경 약 60 ㎛의 활성탄(Calgon사의 Tog-LF) 88 g 및 BET 표면적 62 ㎡/g 및 평균입자직경 약 0.040 ㎛의 전도성 카본 블랙(Timcal사의 SuperP) 8g을 투입하고, Planetary 20 RPM, Disperser 500 RPM의 속도로 혼합(dry mixing)하였다. 이어, 롯데케미칼사의 GM5070E(PP-g-MAH) 40 g(10 wt% in Toluene)와 용매인 톨루엔 50 g을 투입하고 혼합하여 반죽 형태가 되도록 하였다(kneading mixing). 이어 톨루엔 174 g을 천천히 투입하고 교반하여 흐름성이 있는 코팅 조성물을 제조하였다(slurry mixing). 상기 BET 표면적 측정은 ASTM D3037-89, BET Nitrogen Surface Area 에 의하였다. 제조된 코팅 조성물의 고형분 함량은 36.2%이었고, 점도는 3,200 cps이였다.
상기 코팅 조성물을 닥터 블레이드(Doctor Blade)를 통하여 약 8 mg/㎠의 로딩량으로 상기 탄소-플라스틱 복합층의 일면 상에 코팅하였다. 그리고, 약 70 ℃의 오븐에서 1시간 동안 건조하여, 250 ㎛ 두께의 탄소 코팅층을 형성하였다.
나아가, 도 2와 같이 사각형의 양각 패턴 구조체에 대응하는 형상의 몰드(SUS 304)를 이용하여, 탄소 코팅층이 형성되지 않은 상기 탄소-플라스틱 복합층의 반대면의 활성 영역 표면 전체에 열가압공정을 이용하여 양각의 사각형 패턴 단위체의 패턴 영역(mesh 패턴)을 형성하였다. 이 때, 열가압 조건은 165 ℃ 에서 50 bar로 50초 동안 압착(pressing)하였고, 활성 영역 표면에 대한 패턴 구조체의 수평 단면적의 비율은 30 %였다.
상기와 같이 제조된 레독스 흐름 전지용 바이폴라 전극을 구비하는 플로우 프레임과 분리막이 반복되며 구비된 전지 스택을 제조한 후, 전해액 용기의 전해액은 펌프를 통하여 전지 스택에 공급하며, 충방전기를 통하여 전류를 가하여 충전과 방전을 진행하였다. 상기 충방전기는 Maccor사의 제품을 사용하였으며, 20 mA/㎠의 충방전 전류밀도, 80 Ah의 충전 용량 조건으로 진행하였다. 또한, 충방전 1회 진행 후 1회의 스트립핑을 1 Cycle로 설정하여 10 cycle에 대한 평균 에너지 효율을 측정하였다.
[ 실시예 2]
도 3과 같이 사각형의 음각 패턴 구조체를 포함하는 패턴 영역(사각형 패턴)을 형성한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 레독스 흐름 전지용 바이폴라 전극 및 전지 스택을 제조하여, 10 cycle에 대한 평균 에너지 효율을 측정하였다. 이때, 활성 영역 표면에 대한 패턴 구조체의 수평 단면적의 비율은 60 %였다.
[ 실시예 3]
도 4와 같이 원형의 음각 패턴 구조체를 포함하는 패턴 영역(원형 패턴)을 형성한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 레독스 흐름 전지용 바이폴라 전극 및 전지 스택을 제조하여, 10 cycle에 대한 평균 에너지 효율을 측정하였다. 이때, 활성 영역 표면에 대한 패턴 구조체의 수평 단면적의 비율은 60 %였다.
[ 실시예 4]
탄소-플라스틱 복합층 일 면의 활성 영역 표면에 대한 패턴 구조체의 수평 단면적의 비율을 30 %로 조절한 것을 제외하고, 실시예 3과 동일한 방법으로 레독스 흐름 전지용 바이폴라 전극 및 전지 스택을 제조하여, 10 cycle에 대한 평균 에너지 효율을 측정하였다.
[ 참고예 ]
탄소-플라스틱 복합층 일 면의 활성 영역 표면에 대한 패턴 구조체의 수평 단면적의 비율을 10 %로 조절한 것을 제외하고, 실시예 3과 동일한 방법으로 레독스 흐름 전지용 바이폴라 전극 및 전지 스택을 제조하여, 10 cycle에 대한 평균 에너지 효율을 측정하였다.
[ 비교예 1]
패턴 영역을 형성하지 않은 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 레독스 흐름 전지용 바이폴라 전극 및 전지 스택을 제조하여, 10 cycle에 대한 평균 에너지 효율을 측정하였다.
상기 실시예 1 내지 4, 참고예 및 비교예 1에 따른 전지 스택의 10 cycle에 대한 평균 에너지 효율은 하기 표 1과 같다.
내용 10 cycle 평균
에너지 효율[%]
실시예 1 Mesh 패턴 구비 (활성 영역의 30 %) 74.2
실시예 2 사각형 패턴 구비 (활성 영역의 60 %) 75.2
실시예 3 원형 패턴 구비 (활성 영역의 60 %) 76.1
실시예 4 원형 패턴 구비 (활성 영역의 30 %) 74.3
참고예 원형 패턴 구비 (활성 영역의 10 %) 72.1
비교예 1 패턴 미구비 73.2
* 에너지 효율 (Energy Efficiency, EE) = (방전에너지 (Wh) / 충전에너지 (Wh)) × 100
상기 표 1의 결과에 따르면, 일면 상에 패턴 영역을 구비한 실시예 1 내지 4의 경우, 패턴 영역을 구비하지 않은 비교예 1에 비하여, 에너지 효율이 향상된 것을 확인할 수 있다. 이는 패턴 영역에서 아연층이 균일한 두께로 형성되고, 아연 덴드라이트의 형성이 억제된 결과, 균일한 충방전이 일어나고 아연 덴드라이트의 이탈에 따른 불활성 아연의 형성을 방지한 결과이다.
1: 레독스 흐름 전지용 바이폴라 전극
11: 패턴 영역
12: 탄소-플라스틱 복합층
13: 탄소 코팅층

Claims (7)

  1. 음각 또는 양각 패턴 구조체를 포함하는 패턴 영역이 일면 상에 구비된 탄소-플라스틱 복합층; 및 상기 탄소-플라스틱 복합층의 타면 상에 구비된 탄소 코팅층;을 포함하는, 레독스 흐름 전지용 바이폴라 전극.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 패턴 구조체의 수평 단면은 사각형, 원형 또는 타원형인 것을 특징으로 하는, 레독스 흐름 전지용 바이폴라 전극.
  3. 청구항 1에 있어서,
    인접하는 상기 패턴 구조체 간의 이격 거리는 상기 패턴 구조체 직경의 0.1 배 내지 5 배인 것을 특징으로 하는, 레독스 흐름 전지용 바이폴라 전극.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 패턴 구조체의 수평 단면적 비율은 상기 탄소-플라스틱 복합층의 활성 영역 표면 면적의 20 % 이상 65 % 이하인 것을 특징으로 하는, 레독스 흐름 전지용 바이폴라 전극.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 레독스 흐름 전지용 바이폴라 전극 전체 두께에 대한 상기 패턴 영역의 두께의 비는 0.1 이상 0.3 이하인 것을 특징으로 하는, 레독스 흐름 전지용 바이폴라 전극.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 패턴 영역은 열가압공정에 의하여 상기 탄소-플라스틱 복합층의 일면 상에 형성되는 것을 특징으로 하는, 레독스 흐름 전지용 바이폴라 전극.
  7. 애노드, 캐소드 및 분리막을 포함하는 단위 셀이 2 이상 연속하여 구비된 레독스 흐름 전지 스택에 있어서,
    인접한 2개의 단위 셀은 적어도 하나의 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 따른 레독스 흐름 전지용 바이폴라 전극을 구비하는, 레독스 흐름 전지용 바이폴라 전지 스택.
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