KR20200063893A - 레독스 흐름전지용 전극 집전체 및 레독스 흐름전지 - Google Patents

레독스 흐름전지용 전극 집전체 및 레독스 흐름전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 금속 메쉬 플레이트 및 상기 금속 메쉬 플레이트에 접합되어 있는 금속 바를 포함하는 집전체; 및 상기 집전체 상에 구비되고, 내부에 금속 플레이트 중간층이 구비된 탄소-플라스틱 복합전극;을 포함하는 레독스 흐름전지용 전극 집전체 및 레독스 흐름전지에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 본 발명에 따르면, 가열 압착 후 휨 발생이 억제되고 전극 내부저항 낮아져 우수한 전지효율을 갖는 레독스 흐름전지를 제공할 수 있는 전극 집전체 및 이를 포함하는 레독스 흐름전지를 제공할 수 있다.

Description

레독스 흐름전지용 전극 집전체 및 레독스 흐름전지 {ELECTRODE CURRENT COLLECTOR FOR REDOX FLOW BATTERY AND REDOX FLOW BATTERY}
본 발명은 레독스 흐름전지용 전극 집전체 및 레독스 흐름전지에 관한 것으로서, 구체적으로 집전체 상에 구비되는 탄소-플라스틱 복합전극의 내부에 금속 플레이트 중간층을 포함함으로써 가열 압착 후 휨 발생이 억제되고 전극 내부저항 낮아져 우수한 전지효율을 갖는 레독스 흐름전지를 제공할 수 있는 전극 집전체 및 레독스 흐름전지에 관한 것에 관한 것이다.
레독스 흐름 전지(redox flow battery)는 전해액에 포함되어 있는 활물질이 산화/환원되어 충방전되는 시스템으로, 활물질의 화학적 에너지를 직접 전기에너지로 저장시키는 전기화학적 축전장치이다.
이러한 레독스 흐름 전지는 전해액이 저장된 전해액 탱크, 충방전시 전해액을 순환시키는 펌프, 그리고 분리막으로 분획되는 단위 셀을 포함하며, 상기 단위 셀은 전극, 전해액, 집전체 및 분리막을 포함한다. 실제 전기화학적 반응은 단위 셀에서 일어나며, 산화/환원 반응을 일으키는 활물질을 포함하는 전해액이 단위 셀과 저장 탱크 사이를 순환하면서 충방전이 진행된다. 이때, 전기화학적 반응은 단위 셀 내 전해액과 전극 간의 상호 작용에 따라 결정된다.
일반적으로, 집전체는 전극에서 발생하는 전류를 외부로 이동시키는 역할을 하기 때문에 전극에 접착되어 있다. 종래에는 전극과 집전체를 별도로 제조한 후, 이들을 접착하는 방법이 사용되었다. 그러나, 상기 방법에 의하면, 전극과 집전체 사이에 접착 불량이 발생할 수 있고, 장기 사용시 전극과 집전체가 분리되는 현상이 발생할 수 있다. 이에, 알루미늄 또는 구리 메쉬 위에, 탄소소재와 고분자 수지를 포함하는 복합전극을 가열 압착하는 방식을 이용하여 전극과 집전체를 일체형으로 제조하는 방법에 대한 연구가 진행되었다.
이러한 종래의 기술로서, 특허문헌 1(국내 공개특허공보 제10-2017-0035614호)은 금형 내에 배치된 금속 메쉬 플레이트 상에 금속 바를 위치시키는 단계; 및 상기 금형에 탄소 화합물 및 수지를 포함하는 혼합물을 충진하여 압착 성형하는 단계;를 포함하는 레독스 플로우 배터리용 전극 집전체의 제조 방법에 대해 기재하고 있다. 이와 관련하여, 특허문헌 1은 상기 방법에 의해 간단한 방법으로 탄소 화합물 및 수지를 포함하는 전극과 집전체를 일체형으로 제조할 수 있다고 기재하고 있다.
이 밖에도, 특허문헌 2(국내 공개특허공보 제10-2018-0033805호)에는 금속 메쉬 플레이트 상에 탄소-플라스틱 시트를 배치하고 가열 압착하는 방식에 의해 탄소-플라스틱 복합전극과 집전체가 일체화된 전극 집전체를 제조하는 방법이 공지되어 있다.
그러나, 선행문헌들에 의해 제조된 전극 집전체 경우, 탄소-플라스틱 복합전극과 금속 메쉬 플레이트의 수축률 차이에 의해 가열압착 후 휘어지는 현상이 발생하였다. 그리고, 금속 메쉬 플레이트(집전체) 상에 구비된 복합전극의 내부 저항이 높아, 이러한 전극 집전체를 포함하는 레독스 흐름전지는 전지효율이 낮은 단점이 있다.
KR 1020170035614 A KR 1020180033805 A
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 집전체 상에 구비되는 탄소-플라스틱 복합전극의 내부에 금속 플레이트 중간층을 포함함으로써 가열 압착 후 휨 발생이 억제되고 전극 내부저항이 감소된 레독스 흐름전지용 전극 집전체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 상기 전극 집전체를 포함함으로써 전지효율이 향상된 레독스 흐름 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시상태는, 금속 메쉬 플레이트, 및 상기 금속 메쉬 플레이트에 접합되어 있는 금속 바를 포함하는 집전체;및 상기 집전체 상에 구비되고, 내부에 금속 플레이트 중간층이 구비된 탄소-플라스틱 복합전극;을 포함하는 레독스 흐름전지용 전극 집전체를 제공한다.
본 발명의 다른 실시상태는, 상기 전극 집전체를 포함하는 레독스 흐름 전지를 제공한다.
본 발명에 따르면, 집전체 상에 구비되는 탄소-플라스틱 복합전극의 내부에 금속 플레이트 중간층을 포함함으로써 가열 압착 후 휨 발생이 억제되고 전극 내부저항이 감소된 레독스 흐름전지용 전극 집전체를 제공할 수 있다.
이에 따른 전극 집전체는 높은 전기 전도도를 나타낼 수 있고, 이러한 전극 집전체를 포함함으로써 전지효율이 향상된 레독스 흐름전지를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시상태에 따른 전극 집전체의 구성요소 배치순서를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시상태에 따른 전극 집전체의 구성요소 배치순서를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 비교예 따른 전극 집전체의 구성요소 배치순서를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 평가방법에 사용된 단전지 테스트 측정 장치를 개략적으로 나타낸 것이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
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 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본 명세서에 있어서, "전극 집전체"라는 용어는 일체형으로 제조된 전극과 집전체를 의미한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시상태에 대하여 상세하게 설명한다. 도 1에는 본 발명의 일 실시상태에 따른 전극 집전체의 구성요소 배치순서를 개략적으로 나타낸 도면이 도시되어 있다.
본 발명의 일 실시상태는, 금속 메쉬 플레이트(31) 및 상기 금속 메쉬 플레이트(31)에 접합되어 있는 금속 바(32)를 포함하는 집전체(30); 및 상기 집전체(30) 상에 구비되고, 내부에 금속 플레이트 중간층(20)이 구비된 탄소-플라스틱 복합전극(10);을 포함하는 레독스 흐름전지용 전극 집전체를 제공한다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속 플레이트 중간층(20)이 하나의 층 또는 복수개의 층으로 구성될 수 있고, 각각의 금속 플레이트 중간층(20) 양면에는 탄소-플라스틱 복합전극(10)이 구비될 수 있다. 이와 같이, 금속 플레이트(20)의 양면에 탄소-플라스틱 복합전극(10)이 구비될 경우, 상기 금속 플레이트(20)와 전해액이 접했을때 이들 사이에서 발생하는 부반응이 억제될 수 있어 바람직하다.
구체적으로, 도 1에는 상기 금속 플레이트 중간층(20)이 하나의 층으로 구성된 전극 집전체의 배치 순서가 도시되어 있고, 도 2에는 금속 플레이트 중간층(20)이 2개의 층으로 구성된 전극 집전체의 배치 순서가 도시되어 있다.
상기 도 1을 살펴보면, 집전체(30); 탄소-플라스틱 복합전극(10); 금속 플레이트(20); 및 탄소-플라스틱 복합전극(10)이 순차적으로 배치되어 있다. 상기 순서로 배치된 구성요소들의 가열압착에 의해 상기 집전체(30) 상에, 내부에 하나의 금속 플레이트 중간층(20)이 구비된 탄소-플라스틱 복합전극(10)을 포함하는 전극 집전체가 제공될 수 있다. 다만, 상기 도 1에서 상기 금속 플레이트(20)의 좌우에 각각 탄소-플라스틱 복합전극(10) 2개가 연속하여 배치되어 있으나, 연속하여 배치된 탄소-플라스틱 복합전극(10)은 가열압착 후 층간 구분이 없어지므로 각각 하나의 탄소-플라스틱 복합전극(10)으로 볼 수 있다.
한편, 상기 도 2를 살펴보면, 집전체(30); 탄소-플라스틱 복합전극(10); 금속 플레이트(20); 탄소-플라스틱 복합전극(10); 금속 플레이트(20); 및 상기 탄소-플라스틱 복합전극(10)이 순차적으로 배치되어 있다. 상기 순서로 배치된 구성요소들의 가열압착에 의해 상기 집전체(30) 상에, 내부에 2개의 금속 플레이트 중간층(20)이 구비된 전극 집전체가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속 플레이트 중간층(20)은 티타늄, 탄탈 및 이의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종을 포함할 수 있다. 상기 금속 플레이트 중간층(20)은 가열 압착 후 전극 집전체가 휘어지는 현상을 방지해주기 위해 탄소-플라스틱 복합전극(10) 내부에 구비되는 것으로, 탄소-플라스틱 복합전극(10)의 수축율을 감소시켜 주는 역할을 한다. 즉, 본 발명에 따르면, 내부에 금속 플레이트 중간층(20)이 구비된 탄소-플라스틱 복합전극(10)을 포함함으로써 기존에 탄소-플라스틱 복합전극(10)과 금속 메쉬 플레이트(31)의 수축율 차이에 의해 발생하였던 전극 접전체의 휨 현상이 억제될 수 있다. 또한, 상기한 소재의 상기 금속 플레이트 중간층(20)은 탄소-플라스틱 복합전극의 내부 저항을 낮춰 줄 수 있고, 이에 따라 전기 전도성이 우수한 전극 집전체를 제공할 수 있으며, 결과적으로 전지효율이 우수한 레독스 흐름전지를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속 플레이트 중간층(20)은 금속 펠트, 금속 발포체 및 금속 메쉬 중 선택되는 어느 하나의 형태를 가질 수 있다. 이들 중에서, 금속 플레이트 중간층(20)이 금속 메쉬 형태를 가질 경우, 상기 금속 플레이트 중간층(20)과 상기 탄소-플라스틱 복합전극(10)의 계면저항이 낮아져 높은 전압효율을 확보할 수 있다. 상기 금속 플레이트 중간층(20)은 15mesh 이상 60mesh 이하, 구체적으로 20mesh 이상 50mesh 이하의 망목 크기를 갖는 메쉬 구조일 수 있다. 그리고, 상기 금속 플레이트 중간층(20)의 두께는 5㎛ 이상 500㎛ 이하일 수 있다. 상기 금속 플레이트 중간층(20)의 두께가 상기 범위 내인 경우, 가열 압착 등의 공정 등에 적용하기 용이하고, 제조되는 전극 집전체의 전기 저항을 낮출 수 있다.
한편, 상기 금속 메쉬 플레이트(31)의 두께는 0.2mm 이상 1.0mm 이하일 수 있다. 그리고, 상기 금속 메쉬 플레이트(31)의 망목크기는 15mesh 이상 60mesh 이하, 구체적으로 20mesh 이상 50mesh 이하일 수 있다. 이러한 구조의 금속 메쉬 플레이트(31) 상에 상기 탄소-플라스틱 복합전극(10)이 접할 경우, 상기 탄소-플라스틱 복합 전극(10)의 계면저항이 낮아져 전압 효율이 우수한 레독스 흐름 전지를 제공할 수 있다.
상기 금속 메쉬 플레이트(31)는 구리, 알루미늄, 니켈, 금, 은 및 이의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 금속 메쉬 플레이트(31)는 98.85중량% 이상 99.85중량% 이하의 알루미늄 및 0.05중량% 이상 0.2중량% 이하의 구리를 포함하는 알루미늄계 합금일 수 있다. 상기 알루미늄계 합금은 철, 망간 및 아연 중에서 선택된 적어도 1종의 원소를 알루미늄계 합금 총 중량대비 0중량% 초과 1.1중량% 이하만큼 더 포함할 수 있고, 잔부의 불가피한 불순물을 더 포함할 수 있다. 더욱 구체적으로, 상기 철은 최대 0.95중량%까지, 상기 망간은 최대 0.05중량%까지, 상기 아연은 최대 0.1중량%까지 포함될 수 있다.
상기 금속 메쉬 플레이트(31)와 접합되어 있는 금속 바(32)도 상기와 같은 조성을 갖는 알루미늄계 합금인 경우, 상기 금속 메쉬 플레이트(31)와 금속 바(32)가 견고하게 융착되어 접합될 수 있고, 내식성과 용접성이 우수한 장점이 있다.
상기 금속 바(32)는 상기 금속 메쉬 플레이트(31)와 융착되어 접합되고, 상기 금속 바(32)의 적어도 일 단부가 외부로 돌출되어 있을 수 있다. 상기 금속 바(32)는, 상기 금속 메쉬 플레이트(31) 및 이와 접하는 탄소-수지 복합 전극(10) 사이의 소정의 위치에 설치되는 것으로, 금속 바(32)의 외부 돌출부분은 상기 금속 바(32)의 전체 면적 기준으로 5% 이상 80% 이하일 수 있다. 상기 금속 바(32)는 전지의 전압효율을 향상에도 기여할 수 있으며, 상기 금속 바(32)의 돌출된 부분을 통해 전지의 정확한 출력 값이 확인될 수 있다. 상기 금속 바(32)는 1mm 이상 5mm 이하의 두께를 가질 수 있고, 상기 금속 메쉬 플레이트(31) 면적(가로×세로)의 5% 이상 30% 이하의 면적을 가질 수 있다.
상기 탄소-플라스틱 복합 전극(10)은 전도성 탄소와 열가소성 수지를 포함할 수 있다. 기존의 레독스 흐름 전지용 탄소-플라스틱 복합 전극(10)은 열가소성 수지를 높은 함량으로 포함하면 전극 내부저항의 증가로 인해 전압효율이 저하되는게 일반적이었다. 그러나, 본 발명에서는 내부에 금속 플레이트 중간층(20)이 구비된 탄소-플라스틱 복합전극(10)을 사용하므로, 수지함량이 높아져도 낮은 전극 내부저항을 확보할 수 있고, 이에 따라 높은 효율을 나타내는 레독스 흐름전지를 제공할 수 있다. 구체적으로, 상기 탄소-플라스틱 복합 전극(10)은 열가소성 수지 30중량% 이상 80중량% 이하, 및 전도성 탄소 20중량% 이상 70중량% 이하를 포함할 수 있다.
상기 전도성 탄소는 카본 블랙, 그라파이트, 탄소 섬유 및 탄소 나노 튜브로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종을 포함할 수 있다. 상업적으로 이용할 수 있는 전도성 탄소의 예로는, TimCal사의 SuperP, SuperC 그리고 Ketjen사의 300J, 600J 등을 들 수 있다.
상기 열가소성 수지는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌 공중합체 및 에틸렌-알파올레핀 공중합체로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종의 폴리올레핀계 수지를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 폴리올레핀계 수지는 10g/10min 이상 100g/10min이하의 용융 지수(ASTM D1238, 230℃)를 갖는 고결정성 폴리프로필렌 수지일 수 있다. 이때, 상기 용융지수(Melt Index, MI)는 일정 조건하에서 용융물을 피스톤으로 압출하였을 때의 유량을 이르는 것이다. 상기 용융지수를 측정하는 방법으로서는 통상의 공지된 방법이 제한없이 사용가능하나, 구체적으로 ASTM D1238 방법(230℃의 온도, 2.16g의 하중에서 측정)을 이용하여 측정할 수 있다.
상기 탄소-플라스틱 복합 전극(10)의 두께는 0.5mm 이상 2.5mm 이하일 수 있다. 상기 범위의 두께를 갖는 복합 전극은 크랙 발생의 위험이 낮고, 낮은 저항값을 갖는 레독스 흐름 전지를 제공할 수 있어 전지 성능이 향상될 수 있다.
본 발명에 따라 제공되는, 집전체 및 내부에 금속 플레이트 중간층이 구비된 탄소-플라스틱 복합전극을 포함하는 전극 집전체의 두께는 1.0mm 이상 10.0mm 이하일 수 있다. 상기 전극 집전체는 레독스 흐름 전지의 엔드 플로우 프레임과 인서트 사출성형될 수 있는바, 상기 엔드 플로우 프레임과 인서트 사출이 가능한 범위에서 상기 전극 집전체의 두께가 적절하게 조절될 수 있다. 다만, 전극 집전체의 적정 두께를 유지하기 위하여, 금속 플레이트 중간층(20)의 두께가 증가할 경우, 증가한 두께만큼 금속 플레이트 중간층(20)의 일면 또는 양면에 배치되는 탄소-플라스틱 복합전극(10)의 두께는 감소될 수 있다.
본 발명에 따른 전극 집전체의 제조방법으로서는 통상의 공지된 방법이 제한 없이 사용 가능하다. 구체적인 예로, 상기 제조방법은 (1) 금속 메쉬 플레이트(31), 및 상기 금속 메쉬 플레이트(31)에 접합되어 있는 금속 바(32)를 포함하는 집전체를 금형 내에 배치하는 단계; (2) 상기 집전체 상에 탄소-플라스틱 시트(10)를 배치하는 단계; (3) 상기 탄소-플라스틱 시트(10) 상에 금속 플레이트 중간층(20)을 배치하는 단계; (4) 상기 금속 플레이트 중간층(20) 상에 탄소-플라스틱 시트(10)를 배치하는 단계;및 (5) 상기 (4)단계에 따라 얻어진 적층물을 가열 압착하는 단계를 포함할 수 있다
구체적으로, 도 1에는 일 실시상태에 따른 전극 집전체의 구성요소 배치순서를 개략적으로 나타낸 도면이 도시되어 있다. 다만, 도 1을 살펴보면, 상기 (2)단계 및 (4)단계에 탄소-플라스틱 시트(10)가 2매 연속하여 배치되었으나, 연속하여 배치된 탄소-플라스틱 시트(10)들은 가열 압착에 의해 구분이 층의 구분이 없어지므로, 복수 매의 탄소-플라스틱 시트(10)를 연속하여 배치하는 것은 하나의 단계로 볼 수 있다.
상기 제조방법에서, 상기 (3) 단계를 거친 후, 상기 (2)단계 및 (3)단계가 순차적으로 1회 또는 복수회 더 수행된 다음, 상기 (4) 단계로 진행될 수 있다. 구체적으로, 도 2에는 상기 (2)단계 및 (3)단계가 1회 더 수행된 예가 도시되어 있다.
상기 (5)단계에서, 상기 가열 압착은 150℃ 이상 300℃ 이하의 온도, 0.5ton/m2 이상 50ton/m2 이하의 압력에서 수행될 수 있다. 상기 가열 압착에 사용되는 방법이나 장치는 통상의 공지된 것이 제한 없이 사용가능하며, 예컨대 핫 프레스(hot press)가 사용될 수 있다.
상기 가열 압착 과정을 통해 탄소-플라스틱 전극(10) 내의 열가소성 수지가 용융되어 집전체의 금속 메쉬 플레이트(31)의 망목을 통과하여 압착, 침투할 수 있고, 이에 따라 금속 메쉬 플레이트(31)와 탄소-플라스틱 복합 전극(10)이 견고하게 결합될 수 있으며 계면저항도 크게 낮아질 수 있다. 이는, 탄소-플라스틱 전극(10)과 금속 플레이트 중간층(20) 사이에서도 동일하게 적용될 수 있다. 구체적으로, 상기 금속 플레이트 중간층(20)이 금속 메쉬 형태를 가질 경우, 상기 가열 압착에 의해 금속 플레이트 중간층(20)과 탄소-플라스틱 복합 전극(10)이 견고하게 결합될 수 있고 계면 저항도 크게 낮아질 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면 금속 메쉬 플레이트(31) 및 금속 바(32)를 포함하는 집전체(30) 상에, 내부에 금속 플레이트 중간층(20)이 구비된 탄소-플라스틱 복합전극(10)이 위치하도록 배치한 후, 한번에 가열 압착함으로써, 복잡한 추가 공정을 거치지 않고 비교적 간단한 방법으로 레독스 흐름전지용 전극 집전체를 제조할 수 있다. 이렇게 제조된 전극 집전체는 가열 압착 후 금속 메쉬 플레이트(31)와 탄소-플라스틱 복합전극(10)의 수축율 차이로 인한 휨 현상 발생이 억제될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 전극 집전체는 금속 플레이트 중간층(20)을 포함하지 않는 기존의 전극 집전체 대비 우수한 전기전도성을 가지므로, 높은 전지효율을 나타내는 레독스 흐름전지를 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 실시상태는, 상기 전극 집전체를 포함하는 레독스 흐름 전지를 제공한다. 상기 레독스 흐름 전지는, 본 발명에 따른 전극을 사용한다는 것을 제외하고는 당업계에서 통상적으로 사용되는 레독스 흐름 전지의 구성을 가질 수 있다. 일례로, 전극, 전해액 및 분리막을 포함하는 단위셀; 상기 단위셀의 외부에 위치하며, 전해액을 저장하는 전해액 탱크; 충전 및 방전시 상기 단위셀과 탱크 사이에서 전해액을 순환시키는 펌프를 포함할 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 (도 1 참조)
금속 융착기(Metal Welder, 브랜슨)를 이용하여, 금속 메쉬 플레이트 상에 금속 바를 배치하고 융착하여, 집전체를 제조하였다. 이때, 상기 금속 바의 일단부가 상기 금속 메쉬 플레이트 외부로 돌출되도록 배치하였고, 금속 바의 외부 돌출부분 면적은 금속 바의 전체 면적대비 30%로 하였다.
이어서, 금형(mold)의 내에 상기 집전체를 배치하고, 상기 집전체 위에 제1 탄소-플라스틱 시트, 제2 탄소-플라스틱 시트, 메쉬 형태의 금속 플레이트 중간층, 제3 탄소-플라스틱 시트 및 제4 탄소-플라스틱 시트를 순차적으로 적층한 후, 핫 프레스(hot press)로 압착하여 전극 집전체를 제조하였다. 이때, 상기 핫 프레스의 온도는 270℃로 설정하였고, 이후 상기 금형 내부의 온도가 194℃에 도달할 때까지 45ton/cm2의 압력으로 압착을 유지하였다. 이후, 동일 압력을 유지한 상태에서 몰드 내부의 온도를 낮추어 냉각하는 과정을 거쳤다.
단, 상기 금속 메쉬 플레이트는 252cm2의 면적(가로:14cm×세로:18cm), 15mesh의 망목크기 및 460㎛의 두께를 가졌으며, 알루미늄계 합금(ASTM-1100 계열)을 사용하였다. 그리고, 상기 금속 바는 18cm2의 면적(가로:3cm×세로:6cm) 및 0.8mm의 두께를 가졌으며, 알루미늄계 합금(ASTM-1100 계열)을 사용하였다. 그리고, 메쉬 형태의 금속 플레이트 중간층은 252cm2의 면적(가로:14cm×세로: 18cm), 15mesh의 망목크기 및 460㎛의 두께를 가졌으며, 티타늄 재질이 사용되었다. 그리고, 상기 제1 내지 제4 탄소-플라스틱 시트는 모두 300cm2의 면적(가로:15㎝×세로:20㎝) 및 2mm의 두께를 가졌으며, 폴리프로필렌[용융지수: 45g/10min(ASTM D1238, 230℃) 70중량%, 흑연(grafite) 10중량%, 카본블랙 12중량% 및 탄소섬유 8중량%를 포함하였다.
비교예 (도 3 참조)
상기 메쉬 형태의 금속 플레이트 중간층을 적층하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예와 동일한 방법으로 전극 집전체를 제조하였다.
< 평가방법 >
전기화학적 성능 평가
실시예 및 비교예에 따라 제조된 전극 집전체의 대한 전기화학적 성능 평가를 위하여 도 4와 같이 단전지 테스트를 진행하였다.
구체적으로, 상기 각 전극 접전체를 이용하여, 엔드 플레이트(110), 전극 집전체(120), 플로우 프레임(130), 분리막(140), 플로우 프레임(130), 전극 집전체(120), 엔드 플레이트 (110)를 차례로 적층한 테스트용 단전지를 제조하였다. 제조된 단전지는 아연-브롬 레독스 흐름 전지이며, 상기 전극 집전체(120)에 충방전기(100)(4200 series, 제조사: Maccor)를 연결하여 성능 평가 테스트를 진행하였다. 이때, 전해액 용기 내의 전해액은 펌프를 통하여 단전지로 공급된다.
충방전 조건은 20mA/cm2로 진행하였으며, 85mAh/cm2 충전 후 방전을 진행하였고, 방전시 컷-오프(cut-off) 전압은 1.0V로 진행하였다.
상기 단전지(아연-브롬 레독스 흐름 전지)의 에너지 효율(Energy Efficiency, EE), 전압 효율(Voltage Efficiency, VE) 및 전하량 효율(Coulombic Efficiency, CE)은 하기 식 (1) 내지 (3)에 따라 계산되었으며, 그 결과를 하기의 표 1에 나타내었다.
EE(%) = (방전에너지 (Wh) / 충전에너지 (Wh)) * 100 … (1)
VE(%) = (에너지 효율 / 전하량 효율) * 100 … (2)
CE(%) = (방전용량 (Ah) / 충전용량(Ah)) * 100 … (3)
cycle 에너지 [Wh] 전하량(Ah) 효율 [%]
충전 방전 충전 방전 EE VE CE
실시예
 1 5.65 4.25 2.98 2.69 76.4% 83.4% 91.6%
2 5.63 4.42 2.98 2.80 78.6% 83.5% 94.1%
3 5.64 4.49 2.98 2.85 79.6% 83.4% 95.5%
비교예 1 5.75 4.17 2.98 2.69 72.5% 80.2% 90.4%
2 5.75 4.16 2.98 2.72 72.4% 79.3% 91.3%
3 5.76 4.18 2.98 2.73 72.5% 79.2% 91.5%
상기 표 1을 살펴보면, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 전극 집전체를 포함하는 레독스 흐름전지의 경우, 비교예에 따른 전극 집전체를 포함하는 레독스 흐름전지에 비해 각 사이클 별 에너지 효율, 전압효율 및 전하량 효율이 모두 높게 나타나는 것을 알 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
10 탄소-플라스틱 복합전극
20 금속 플레이트 중간층
30 집전체
31 금속 메쉬 플레이트
32 금속 바
100 충방전기
110 엔드 플레이트(End plate)
120 전극
130 플로우 프레임(flow frame)
140 분리막

Claims (5)

  1. 금속 메쉬 플레이트, 및 상기 금속 메쉬 플레이트에 접합되어 있는 금속 바를 포함하는 집전체; 및
    상기 집전체 상에 구비되고, 내부에 금속 플레이트 중간층이 구비된 탄소-플라스틱 복합전극;을 포함하는 레독스 흐름전지용 전극 집전체.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속 플레이트 중간층이 하나의 층 또는 복수개의 층으로 구성되고, 각각의 금속 플레이트 중간층 양면에는 탄소-플라스틱 복합전극이 구비되는 것을 특징으로 하는, 레독스 흐름전지용 전극 집전체.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속 플레이트 중간층은 티타늄, 탄탈 및 이의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종을 포함하는 것을 특징으로 하는, 레독스 흐름전지용 전극 집전체.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속 플레이트 중간층은 금속 펠트, 금속 발포체 및 금속 메쉬 중 선택되는 어느 하나의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는, 레독스 흐름전지용 전극 집전체.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 선택된 어느 한 항에 따른 전극 집전체를 포함하는, 레독스 흐름 전지.
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