KR20200073509A - 전도성 중간층을 포함하는 아연-브롬 흐름전지 - Google Patents

전도성 중간층을 포함하는 아연-브롬 흐름전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전도성 중간층을 포함하는 아연-브롬 흐름전지에 관한 것으로, 음극에서의 덴드라이트 형태의 비활성된 아연의 양을 감소시켜 아연 탈착 공정을 개선시켜 전지의 용량 및 수명 특성을 향상시키기 위한 것이다. 본 발명에 따른 아연-브롬 흐름전지는 멤브레인, 멤브레인을 중심으로 한 쪽에 적층된 제1 전극, 멤브레인을 중심으로 다른 쪽에 적층된 제2 전극, 및 제1 및 제2 전극 중 음극과 멤브레인 사이에 개재되어 있으며, 산성 기반 전해질 하에서 수소발생 교환 전류밀도의 로그값이 -4 이하인 전도성 중간층을 포함한다.

Description

전도성 중간층을 포함하는 아연-브롬 흐름전지{Zinc-bromide flow battery comprising conductive interlayer}
본 발명은 아연-브롬 흐름전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 음극에서의 덴드라이트 형태의 비활성된 아연의 양을 감소시켜 아연 탈착 공정을 개선시켜 전지의 용량 및 수명 특성을 향상시킬 수 있는 전도성 중간층을 포함하는 아연-브롬 흐름전지에 관한 것이다.
레독스 흐름전지는 활성물질의 화학적 에너지를 전기에너지로 전기화학적으로 전환할 수 있는 전지를 의미한다. 이러한 레독스 흐름전지는 산화/환원 반응을 일으키는 활물질을 포함한 전해액이 반대 전극과 저장탱크 사이를 순환하여 충ㅇ방전이 진행된다. 양극 전해액은 양극 측에서 산화환원 반응을 통해서 전류를 생성하여 양극 전해액 탱크에 저장된다. 음극 전해액은 음극 측에서 산화환원 반응을 통하여 전류를 생성하여 음극 전해액 탱크에 저장된다.
레독스 흐름전지는 활성물질인 두 종류의 레독스 커플의 용액이 양극과 음극에서 반응하는 시스템의 이차전지이다. 레독스 흐름전지는 레독스 커플 용액을 전지셀의 외부에서 공급하여 충ㅇ방전하는 전지이다. 레독스 커플로는 Fe/Cr, V/Br, Zn/Br, Zn/Ce, V/V 등이 사용되고 있다.
레독스 커플로 Zn/Br을 사용하는 아연-브롬 흐름전지는 충전시, "2Br- → Br2 + 2e-"와 같은 전기화학반응이 형성되어, 양극 전해액에 브롬이 생산되어 양극 전해액 탱크에 저장된다. 음극에서는 "Zn2+ +2e- →Zn"와 같은 전기화학반응이 진행되면서 음극 전해액에 포함된 아연이온이 아연으로 증착된다. 이 과정에서 음극에서 아연 덴드라이트가 형성된다.
이렇게 형성된 아연 덴드라이트는 충전과 방전 반응의 비가역성을 증대시켜 전지의 용량 및 사이클 수명의 저하를 유발시킨다. 또한 아연 덴드라이트는 음극에서 양극 방향으로 성장하여 멤브레인을 뚫고 양극과 접촉하면서 전지의 단락을 유발시킨다.
한국등록특허 제10-1722153호 (2017.03.27. 등록)
따라서 본 발명의 목적은 음극에서의 덴드라이트 형태의 비활성된 아연의 양을 감소시켜 아연 탈착 공정을 개선시켜 전지의 용량 및 수명 특성을 향상시킬 수 있는 전도성 중간층을 포함하는 아연-브롬 흐름전지를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 멤브레인; 상기 멤브레인을 중심으로 한 쪽에 적층된 제1 전극; 상기 멤브레인을 중심으로 다른 쪽에 적층된 제2 전극; 및 상기 제1 및 제2 전극 중 음극과 상기 멤브레인 사이에 개재되어 있으며, 산성 기반 전해질 하에서 수소발생 교환 전류밀도의 로그값이 -4 이하인 전도성 중간층;을 포함하는 아연-브롬 흐름전지를 제공한다.
상기 전도성 중간층은 상온에서 1 S/cm 이상의 전기전도도를 갖는다.
상기 전도성 중간층은 금속 또는 탄소 소재이다.
상기 금속 소재는 Ti, Zn 또는 SUS를 포함한다.
상기 탄소 소재는 탄소나노튜브, 그래핀 또는 그라파이트를 포함한다.
본 발명에 따른 아연-브롬 흐름전지는 초기 5회 구동 후의 아연 탈착 용량이 직전 구동 시의 방전용량의 150% 이하이다.
본 발명에 따른 아연-브롬 흐름전지는 구동 전류밀도가 1 내지 100 mA/cm2 에서 선정할 수 있으며, 탈착 시의 전류밀도가 구동 전류밀도의 1/4 이하이다.
상기 전도성 중간층은 파이버 시트, 폼 또는 메쉬의 형태를 갖는다.
그리고 본 발명은, 멤브레인, 상기 멤브레인을 사이에 두고 서로 마주보게 배치된 제1 전극과 제2 전극, 상기 제1 전극과 제2 전극에 각각 결합되어 상기 제1 및 제2 전극으로 전해액을 흘려주는 제1 및 제2 플로우 프레임을 구비하며 스택되는 복수의 단위 셀; 및 상기 복수의 단위 셀 사이에 개재되고, 스택된 복수의 단위 셀의 양쪽에 스택되는 복수의 바이폴라 플레이트;를 포함하는 아연-브롬 흐름전지를 제공한다. 이때 상기 단위 셀은, 상기 제1 및 제2 전극 중 음극과 상기 멤브레인 사이에 개재되어 있으며, 산성 기반 전해질 하에서 수소발생 교환 전류밀도의 로그값이 -4 이하인 전도성 중간층;을 포함한다.
본 발명에 따르면, 음극과 멤브레인 사이에 전기전도 특성을 갖는 전도성 중간층을 형성함으로써, 음극의 반응면적을 증대하는 효과와 더불어 음극과 멤브레인 사이에서의 전해질의 분포를 향상시킴으로써, 덴드라이트 형태의 비활성화된 아연의 양을 감소시키고, 전지의 용량 및 수명 특성을 향상시킬 수 있다.
즉 전도성 중간층은 전해질의 고른 분포에 의한 활성 증대 효과 뿐만 아니라, 음극에서의 활성 면적을 증대시켜 전류밀도를 감소시킴으로써, 충전 과정 중에 비활성화된 아연 덴드라이트 형성을 감소시키고, 충ㅇ방전 효율특성을 개선시켜 고성능 아연-브롬 흐름전지를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 하나의 단위 셀을 구비하는 아연-브롬 흐름전지를 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 복수의 단위 셀을 구비하는 아연-브롬 흐름전지를 보여주는 도면이다.
도 3은 비교예 및 실시예에 따른 아연-브롬 흐름전지의 아연의 탈착용량을 측정한 그래프이다.
도 4는 비교예에 따른 아연-브롬 흐름전지의 5사이클 충방전 이후의 아연의 탈착용량을 측정한 그래프이다.
도 5는 실시예에 따른 아연-브롬 흐름전지의 5사이클 충방전 이후의 아연의 탈착용량을 측정한 그래프이다.
도 6은 비교예에 따른 아연-브롬 흐름전지의 40mA/cm2의 전류밀도로 구동 시의 효율특성을 측정한 그래프이다.
도 7은 실시예에 따른 아연-브롬 흐름전지의 40mA/cm2의 전류밀도로 구동 시의 효율특성을 측정한 그래프이다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않는 범위에서 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명에 따른 하나의 단위 셀을 구비하는 아연-브롬 흐름전지를 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 아연-브롬 흐름전지(100)는 멤브레인(11), 멤브레인(11)을 중심으로 한 쪽에 적층된 제1 전극(13), 멤브레인(11)을 중심으로 다른 쪽에 적층된 제2 전극(15), 및 제1 및 제2 전극(13,15) 중 음극과 멤브레인(11) 사이에 개재되어 있으며, 산성 기반 전해질 하에서 수소발생 교환 전류밀도의 로그값이 -4 이하인 전도성 중간층(30)을 포함한다. 여기서 산성 기반 전해질은 1M H2SO4 일 수 있다.
이러한 본 발명에 따른 아연-브롬 흐름전지(100)는 단위 셀(10)과, 단위 셀(10)의 양쪽에 접합되는 한 쌍의 바이폴라 플레이트(61,69)를 포함하며, 한 쌍의 바이폴라 플레이트(61,69)의 외측에 순차적으로 설치되는 제1 및 제2 집전체(71,79), 제1 및 제2 셀프레임(81,89), 제1 및 제2 전해액 탱크(91,96), 제1 및 제2 펌프(92,97)를 더 포함할 수 있다.
단위 셀(10)은 멤브레인(11), 제1 전극(13), 제2 전극(15), 전도성 중간층(30), 제1 플로우 프레임(20) 및 제2 플로우 프레임(50)을 포함한다. 멤브레인(11)을 사이에 두고 서로 마주보게 제1 전극(13)과 제2 전극(15)이 배치된다. 제1 및 제2 플로우 프레임(20,50)은 제1 전극(13)과 제2 전극(15)에 각각 결합되어 제1 및 제2 전극(15)으로 전해액을 흘려준다. 제1 전극(13)과 제2 전극(15)은 서로 반대되는 극성을 갖는 전극이다. 예컨대 제1 전극(13)이 양극이고, 제2 전극(15)이 음극일 수 있다. 전도성 중간층(30)은 제2 전극(15)과 멤브레인(11) 사이에 개재된다.
이때 멤브레인(11)은 충전 또는 방전 시 제1 전해액과, 제2 전해액을 분리시키고, 충전 또는 방전 시 선택적으로 이온만을 이동시키는 역할을 한다. 이러한 멤브레인(11)은 일반적으로 사용되는 것으로 특별히 한정하지는 않는다.
제1 및 제2 전극(13,15)은 각각 제1 및 제2 전해액의 산화ㅇ환원을 위한 활성 사이트(active site)를 제공한다. 제1 및 제2 전극(13,15)으로는 탄소재 전극이 사용될 수 있다. 예컨대 제1 및 제2 전극(13,15)의 소재로는 활성탄, 그라파이트, 하드카본 또는 다공성 카본재가 사용될 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다. 다공 카본재는 카본 펠트, 카본 클로스 또는 카본 페이퍼를 포함한다. 바람직하게 제1 및 제2 전극(13,15)은 카본 펠트 또는 카본 페이퍼가 탄소재로 사용될 수 있다.
전도성 중간층(30)은 음극인 제2 전극(15)의 반응면적을 증대하는 효과와 더불어 제2 전극(15)과 멤브레인(11) 사이에서의 전해질의 분포를 향상시킬 수 있도록, 산성 기반 전해질 하에서 수소발생 교환 전류밀도의 로그값이 -4 이하이고, 상온에서 1 S/cm 이상의 전기전도도를 갖는다. 이러한 전도성 중간층(30)은 금속 또는 탄소 소재로 제조될 수 있다. 예컨대 금속 소재는 Ti, Zn 또는 SUS를 포함하며, 이것에 한정되는 것은 아니다. 탄소 소재는 탄소나노튜브, 그래핀 또는 그라파이트를 포함하며, 이것에 한정되는 것은 아니다.
전도성 중간층(30)은 파이버 시트, 폼 또는 메쉬의 형태로 구현될 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다.
이와 같이 전도성 중간층(30)은 제2 전극(15)의 반응면적을 증대하는 효과와 더불어 제2 전극(15)과 멤브레인(11) 사이에서의 전해질의 분포를 향상시킴으로써, 덴드라이트 형태의 비활성화된 아연의 양을 감소시키고, 전지의 용량 및 수명 특성을 향상시킬 수 있다.
즉 전도성 중간층(30)은 전해질의 고른 분포에 의한 활성 증대 효과 뿐만 아니라, 제2 전극(15)에서의 활성 면적을 증대시켜 전류밀도를 감소시킴으로써, 충전 과정 중에 비활성화된 아연 덴드라이트 형성을 감소시키고, 충ㅇ방전 효율특성을 개선할 수 있다. 또한 전도성 중간층(30)은 에너지 밀도 및 가역을 향상시킨다.
그리고 제1 및 제2 플로우 프레임(20,50)은 각각 제1 전극(13) 및 제2 전극(15)이 삽입 설치되는 제1 전극 삽입홀(27)과 제2 전극 삽입홀(57)이 각각 형성되어 있다. 제1 및 제2 플로우 프레임(20,50)은 각각 제1 및 제2 전극 삽입홀(27,57)에 삽입된 제1 및 제2 전극(13,15)으로 제1 전해액과 제2 전해액을 흘려주기 위한 통로인 유로를 포함한다. 제1 및 제2 플로우 프레임(20,50)의 소재로는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스틸렌(PS) 또는 염화비닐(PVC) 등의 플라스틱 수지가 사용될 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다.
아연-브롬 흐름전지(100)에서 제1 전해액과 제2 전해액으로는 ZnBr2 수용액을 사용하며, ZnBr2 수용액에 브롬 발생을 억제하기 위한 착화제(complexing agents), 전해액의 전도도를 향상시키기 위한 도전제와 같은 첨가제가 포함될 수 있다. 첨가제로는 ZnCl2, 4급암모늄 브롬화물(quaternary ammonium bromide; QBr) 등이 사용될 수 있다. 예컨대 전해액으로는 2~3M ZnBr2 수용액에 ZnCl2, QBr이 첨가된 전해액이 사용될 수 있다.
한 쌍의 바이폴라 플레이트(61,69)는 제1 및 제2 플로우 프레임(20,50)의 외측에 적층된다. 바이폴라 플레이트(61,69)로는 도전성 플레이트가 사용될 수 있다. 바이폴라 플레이트(61,69)의 소재로 도전성 그라파이트 플레이트가 사용될 수 있다. 예컨대 바이폴라 플레이트(61,69)는 페놀 수지에 함침된 그라파이트 플레이트가 사용될 수 있다. 그라파이트 플레이트를 단독으로 바이폴라 플레이트(61,69)로 사용하는 경우, 전해액에 사용된 강산이 그라파이트 플레이트를 투과할 수 있다. 따라서 바이폴라 플레이트(61,69)로는 강산의 투과를 막기 위하여 페놀 수지에 함침된 그라파이트 플레이트를 사용하는 것이 바람직하다
이때 제1 플로우 프레임(20)의 제1 전극 삽입홀(27)에 삽입된 제1 전극(13)에 있어서, 제1 전극 삽입홀(27)을 통하여 외부로 노출된 제1 전극(13)의 양면은 각각 멤브레인(11)과 바이폴라 플레이트(61,69)에 접촉한다. 멤브레인(11), 제1 플로우 프레임(20) 및 바이폴라 플레이트(61,69)의 계면을 통해서 제1 전해액이 누액되는 것을 억제하기 위해서, 멤브레인(11)과 제1 플로우 프레임(20) 사이, 또는 제1 플로우 프레임(20)과 바이폴라 플레이트(61) 사이에 개스킷이 개재될 수 있다.
또한 제2 플로우 프레임(50)의 제2 전극 삽입홀(57)에 삽입된 제2 전극(15)에 있어서, 제2 전극 삽입홀(57)을 통하여 외부로 노출된 제2 전극(15)의 양면은 각각 멤브레인(11)과 바이폴라 플레이트(61,69)에 접촉한다. 멤브레인(11), 제2 플로우 프레임(50) 및 바이폴라 플레이트(61,69)의 계면을 통해서 제2 전해액이 누액되는 것을 억제하기 위해서, 멤브레인(11)과 제2 플로우 프레임(50) 사이, 또는 제2 플로우 프레임(50)과 바이폴라 플레이트(61,69) 사이에 개스킷이 개재될 수 있다.
한 쌍의 바이폴라 플레이트(61,69)의 외측에 제1 및 제2 집전체(71,79)가 적층된다. 제1 및 제2 집전체(71,79)는 전자가 움직이는 통로로서 충전 시 외부로부터 전자를 받아들이거나 방전 시 외부로 전자를 내어주는 역할을 한다. 이러한 제1 및 제2 집전체(71,79)는 구리 또는 황동 소재의 전도성 금속판이 사용될 수 있다.
제1 및 제2 집전체(71,79)의 외측에 제1 및 제2 셀프레임(81,89)이 결합된다. 제1 및 제2 셀프레임(81,89)은 사이에 개재된 단위 셀(10), 한 쌍의 바이폴라 플레이트(61,69), 제1 및 제2 집전체(71,79)를 고정한다. 제1 및 제2 셀프레임(81,89)에는 각각 단위 셀(10)의 제1 및 제2 플로우 프레임(20,50)으로 제1 및 제2 전해액을 주입하거나 유출시키는 주입구와 유출구가 형성되어 있다. 제1 및 제2 셀프레임(81,89)의 소재로는 절연체가 사용될 수 있다. 예컨대 제1 및 제2 셀프레임(81,89)의 소재로는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스틸렌(PS) 또는 염화비닐(PVC) 등이 사용될 수 있으며, 이것에 한정되는 아니다.
제1 전해액 탱크(91)는 제1 셀프레임(81)에 형성된 주입구와 유출구에 각각 제1 유입관(93)과 제1 유출관(94)이 연결되어 제1 전해액을 제1 셀프레임(81)으로 순환시킨다. 이때 제1 유입관(93)에는 제1 전해액을 순환시키기 위한 제1 펌프(92)가 연결된다.
그리고 제2 전해액 탱크(96)는 제2 셀프레임(81,89)에 형성된 주입구와 유출구에 각각 제2 유입관(98)과 제2 유출관(99)이 연결되어 제2 전해액을 제2 셀프레임(89)으로 순환시킨다. 이때 제2 유입관(98)에는 제2 전해액을 순환시키기 위한 제2 펌프(97)가 연결된다.
이와 같은 본 발명에 따른 아연-브롬 흐름전지(100)는 다음과 같이 제1 및 제2 전해액을 순환시킨다. 즉 제1 전해액 탱크(91)로부터 인출된 제1 전해액은 제1 펌프(92)의 동작에 의해 제1 유입관(93)을 통하여 제1 셀프레임(81)의 유입구로 주입된다. 제1 셀프레임(81)의 유입구로 주입된 제1 전해액은 제1 집전체(71) 및 제1 바이폴라 플레이트(61)를 지나 단위 셀(10)의 제1 플로우 프레임(20)을 통하여 제1 전극(13)을 통과한다. 그리고 제1 전극(13)을 통과한 제1 전해액은 제1 플로우 프레임(20), 제1 바이폴라 플레이트(61), 제2 집전체(79) 및 제1 셀프레임(81)의 유출구를 통하여 제1 유출관(94)으로 유출된다. 그리고 제1 유출관(94)으로 유출된 제1 전해액은 제1 전해액 탱크(91)로 들어가게 된다.
그리고 제2 전해액 탱크(96)로부터 인출된 제2 전해액은 제2 펌프(97)의 동작에 의해 제2 유입관(98)을 통하여 제2 셀프레임(89)의 유입구로 주입된다. 제2 셀프레임(89)의 유입구로 주입된 제2 전해액은 제2 집전체(79) 및 제2 바이폴라 플레이트(69)를 지나 단위 셀(10)의 제2 플로우 프레임(50)을 통하여 제2 전극(15)을 통과한다. 그리고 제2 전극(15)을 통과한 제2 전해액은 제2 플로우 프레임(50), 제2 바이폴라 플레이트(69), 제2 집전체(79) 및 제2 셀프레임(89)의 유출구를 통하여 제2 유출관(99)으로 유출된다. 그리고 제2 유출관(99)으로 유출된 제2 전해액은 제2 전해액 탱크(96)로 들어가게 된다.
이와 같은 본 발명에 따른 아연-브롬 흐름전지(100)는 초기 5회 구동 후의 아연 탈착 용량이 직전 구동 시의 방전용량의 150% 이하이다. 그리고 본 발명에 따른 아연-브롬 흐름전지(100)는 구동 전류밀도가 1 내지 100 mA/cm2 에서 선정할 수 있으며, 탈착 시의 전류밀도가 구동 전류밀도의 1/4 이하이다.
한편 도 1에서는 아연-브롬 흐름전지(100)가 하나의 단위 셀(10)을 구비하는 예를 개시하였지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 즉 도 2에 도시된 바와 같이, 아연-브롬 흐름전지(200)는 복수의 단위 셀(10)이 스택된 구조를 가질 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 복수의 단위 셀(10)을 구비하는 아연-브롬 흐름전지(200)를 보여주는 도면이다.
도 2를 참조하면, 아연-브롬 흐름전지(200)는 복수의 단위 셀(10) 사이에 바이폴라 플레이트(60)가 각각 개재되고, 스택된 복수의 단위 셀(10)의 양쪽에 한 쌍의 바이폴라 플레이트(60)가 배치된 구조를 제외하면, 도 1의 아연-브롬 흐름전지(100)와 동일한 구조를 갖는다. 즉 아연-브롬 흐름전지(200)는 스택된 복수의 단위 셀(10)의 양쪽 외측에 위치하는 한 쌍의 바이폴라 플레이트(61,69)에 제1 및 제2 집전체(71,79), 제1 및 제2 셀프레임(81,89), 제1 및 제2 전해액 탱크(91,96)가 연결된다.
한편 도 2에 따른 아연-브롬 흐름전지(200)는 3개의 단위 셀(10)이 스택된 예를 개시하였지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 즉 2개 이상의 단위 셀(10)을 스택하여 아연-브롬 흐름전지를 구현할 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 전도성 중간층(30)을 포함하는 아연-브롬 흐름전지의 성능을 확인하기 위해서, 비교예 및 실시예에 따른 아연-브롬 흐름전지를 제조하여 전기화학 특성평가를 실시하였다.
양극으로는 카본 페이퍼 전극을 사용하였으며, 유로가 있는 바이폴라 플레이트를 사용하였다. 음극은 카본 페이퍼 전극을 사용하였으며, 유로가 없는 바이폴라 플레이트를 사용하였다. 멤브레인과 음극 사이에는 일반 플라스틱 형태의 메쉬(비교예)와 티타늄(Ti) 메쉬(실시예)로 각각 중간층으로 도입하였다. 기본 전해액으로는 2.25M ZnBr2 와 3M KCl 이 혼합된 용액을 사용하였다.
매 5 사이클 당 1회 아연 탈착 과정을 진행하면서 장기 수명을 평가하였고, 그 결과는 도 3 내지 도 5의 그래프와 같다. 여기서 도 3은 비교예 및 실시예에 따른 아연-브롬 흐름전지의 아연의 탈착용량을 측정한 그래프이다. 도 4는 비교예에 따른 아연-브롬 흐름전지의 5사이클 충방전 이후의 아연의 탈착용량을 측정한 그래프이다. 그리고 도 5는 실시예에 따른 아연-브롬 흐름전지의 5사이클 충방전 이후의 아연의 탈착용량을 측정한 그래프이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 티타늄 메쉬가 사용된 실시예에서의 아연 탈착 용량이 비교예에서의 아연 탈착 용량에 비해서 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 즉 실시예의 경우 초기 5회 구동 후의 아연 탈착 용량이 직전 구동 시의 방전용량의 150% 이하이다.
이것은 실시예에서 티타늄 메쉬 기반의 전도성 중간층을 도입함으로써, 비교예와 대비할 때, 아연 덴드라이트 형성과 관련된 아연 탈착 용량의 감소 효과를 확인할 수 있었다.
비교예 및 실시예에 따른 중간층을 도입하여 40mA/cm2 의 전류밀도로 구동 시의, 효율 특성을 비교한 결과는 도 6 및 도 7의 그래프와 같다. 도 6은 비교예에 따른 아연-브롬 흐름전지의 40mA/cm2의 전류밀도로 구동 시의 효율특성을 측정한 그래프이다. 도 7은 실시예에 따른 아연-브롬 흐름전지의 40mA/cm2의 전류밀도로 구동 시의 효율특성을 측정한 그래프이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 실시예가 비교예와 비교하여 쿨롱효율, 전압효율 및 에너지효율 면에서 향상 효과가 있는 것을 확인할 수 있었다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.
10 : 단위 셀
11 : 멤브레인
13 : 제1 전극
15 : 제2 전극
20 : 제1 플로우 프레임
27 : 제1 전극 삽입홀
30 : 전도성 중간층
50 : 제2 플로우 프레임
57 : 제2 전극 삽입홀
61 : 제1 바이폴라 플레이트
69 : 제2 바이폴라 플레이트
71 : 제1 집전체
79 : 제2 집전체
81 : 제1 셀프레임
89 : 제2 셀프레임
91 : 제1 전해액 탱크
92 : 제1 펌프
93 : 제1 유입관
94 : 제1 유출관
96 : 제2 전해액 탱크
97 : 제2 펌프
98 : 제2 유입관
99 : 제2 유출관
100, 200 : 아연-브롬 흐름전지

Claims (11)

  1. 멤브레인;
    상기 멤브레인을 중심으로 한 쪽에 적층된 제1 전극;
    상기 멤브레인을 중심으로 다른 쪽에 적층된 제2 전극; 및
    상기 제1 및 제2 전극 중 음극과 상기 멤브레인 사이에 개재되어 있으며, 산성 기반 전해질 하에서 수소발생 교환 전류밀도의 로그값이 -4 이하인 전도성 중간층;
    을 포함하는 아연-브롬 흐름전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 중간층은 상온에서 1 S/cm 이상의 전기전도도를 갖는 것을 특징으로 하는 아연-브롬 흐름전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전도성 중간층은 금속 또는 탄소 소재인 것을 특징으로 하는 아연-브롬 흐름전지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 금속 소재는 Ti, Zn 또는 SUS를 포함하고,
    상기 탄소 소재는 탄소나노튜브, 그래핀 또는 그라파이트를 포함하는 것을 특징으로 아연-브롬 흐름전지.
  5. 제4항에 있어서,
    초기 5회 구동 후의 아연 탈착 용량이 직전 구동 시의 방전용량의 150% 이하인 것을 특징으로 하는 아연-브롬 흐름전지.
  6. 제 5항에 있어서,
    구동 전류밀도가 1 내지 100 mA/cm2 에서 선정할 수 있으며, 탈착 시의 전류밀도가 구동 전류밀도의 1/4 이하인 것을 특징으로 하는 아연-브롬 흐름전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 중간층은 파이버 시트, 폼 또는 메쉬의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 아연-브롬 흐름전지.
  8. 멤브레인, 상기 멤브레인을 사이에 두고 서로 마주보게 배치된 제1 전극과 제2 전극, 상기 제1 전극과 제2 전극에 각각 결합되어 상기 제1 및 제2 전극으로 전해액을 흘려주는 제1 및 제2 플로우 프레임을 구비하며 스택되는 복수의 단위 셀; 및
    상기 복수의 단위 셀 사이에 개재되고, 스택된 복수의 단위 셀의 양쪽에 스택되는 복수의 바이폴라 플레이트;를 포함하며,
    상기 단위 셀은,
    상기 제1 및 제2 전극 중 음극과 상기 멤브레인 사이에 개재되어 있으며, 산성 기반 전해질 하에서 수소발생 교환 전류밀도의 로그값이 -4 이하인 전도성 중간층;
    을 포함하는 아연-브롬 흐름전지.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전도성 중간층은 상온에서 1 S/cm 이상의 전기전도도를 갖는 것을 특징으로 하는 아연-브롬 흐름전지.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전도성 중간층은 파이버 시트, 폼 또는 메쉬의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 아연-브롬 흐름전지.
  11. 제9항에 있어서,
    초기 5회 구동 후의 아연 탈착 용량이 직전 구동 시의 방전용량의 150% 이하인 것을 특징으로 하는 아연-브롬 흐름전지.
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