KR20230147215A - 밀폐된 산화환원 배터리 - Google Patents

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Abstract

개시된 기술은 일반적으로 에너지 저장 장치들에 관한 것으로, 특히 산화환원 배터리들에 관한 것이다. 일 측면에서, 산화환원 배터리는 제1 하프(half) 셀 및 제2 하프 셀을 포함한다. 상기 제1 하프 셀은 양전극에 접촉하고, 제1 산화환원 반쪽 반응이 일어나도록 구성된 제1 산화환원 쌍이 내부에 용해된, 제1 전해질을, 포함한 양극 전해질 저장소를 포함한다. 상기 제2 하프 셀은 음전극에 접촉하고, 제2 산화환원 반쪽 반응이 일어나도록 구성된 제2 산화환원 쌍이 내부에 용해된, 제2 전해질을, 포함한 음극 전해질 저장소를 포함한다. 상기 밀폐된 산화환원 배터리는 또한 상기 양극 전해질 저장소와 상기 음극 전해질 저장소를 분리하는 이온 교환막을 포함한다. 상기 제1 하프 셀, 상기 제2 하프 셀 및 상기 이온 교환막은, 케이싱으로 밀폐된 산화환원 배터리 셀을 정의한다.

Description

밀폐된 산화환원 배터리 {SEALED REDOX BATTERY}
개시된 기술은 일반적으로 에너지 저장 장치들에 관한 것으로, 특히 밀폐된 산화환원 배터리들에 관한 것이다.
지구 온난화가 수반되는 세계 경제 성장이 지속됨에 따라, 재생 가능 에너지(예: 태양 및 바람 에너지)를 기반으로 하는 재생 가능하고 지속 가능한 에너지 시스템들에 대한 필요성이 시급해지고 있다. 이러한 형태의 에너지의 간헐적 가용성으로 인한 변동에 대비하여 그리드 네트워크들의 안정성을 향상시키기 위해, 에너지 저장 시스템(ESS: Energy Storage Systems)의 발달이 잉여 전기를 저장하는데 이용되며, 이는 필요한 경우 최종 고객이나 전력 그리드로 전달될 수 있다. 다른 것들 중에서도, 전기화학 에너지에 기반한 ESS(예: 충전가능한 또는 이차 배터리들)는 비용효율이 높고 깨끗한 형태의 에너지 저장 솔루션들을 제공할 수 있다. 전기화학 에너지 저장 시스템들의 예로서, 리튬 이온, 납산, 나트륨 황 및 산화환원 흐름(redox-flow) 배터리들을 들 수 있다. 단기 저장(short-term storage), 중기 저장(medium-term storage), 및 장기 저장(long-term storage)과 같은 서로 다른 적용들에 대해서는 서로 다른 저장 횟수가 필요하다. 전기화학 에너지 저장 시스템들의 서로 다른 유형들은 서로 다른 물리적 및/또는 화학적 성질들을 갖는다. 상기 전기화학 에너지 저장 시스템들의 특정한 적용에 대한 적합성을 결정하는 요인들로서 몇 가지 예를 들면, 투자 비용, 전력, 에너지, 수명, 재활용 가능성, 효율성, 확장성(scalability) 및 유지 관리 비용 등이 있다. 적절한 전기화학 저장 시스템을 선택하고 설계할 때 경쟁 요인들이 고려된다.
제1 측면에서, 산화환원 배터리는 제1 하프(half) 셀 및 제2 하프 셀을 포함한다. 상기 제1 하프 셀은 양전극에 접촉하고, 제1 산화환원 반쪽 반응이 일어나도록 구성된 제1 산화환원 쌍이 내부에 용해된, 제1 전해질을, 포함한 양극 전해질 저장소를 포함한다. 상기 제2 하프 셀은 음전극에 접촉하고, 제2 산화환원 반쪽 반응이 일어나도록 구성된 제2 산화환원 쌍이 내부에 용해된, 제2 전해질을, 포함한 음극 전해질 저장소를 포함한다. 상기 밀폐된 산화환원 배터리는 또한 상기 양극 전해질 저장소와 상기 음극 전해질 저장소를 분리하는 이온 교환막을 포함한다. 상기 제1 하프 셀, 상기 제2 하프 셀 및 상기 이온 교환막은, 케이싱으로 밀폐된 산화환원 배터리 셀을 정의한다.
제2 측면에서, 산화환원 배터리는 제1 하프 셀 및 제2 하프 셀을 포함한다. 상기 제1 하프 셀은 양전극에 접촉하고, 제1 산화환원 반쪽 반응이 일어나도록 구성된 제1 산화환원 쌍이 내부에 용해된, 제1 전해질을, 포함한 양극 전해질 저장소를 포함한다. 상기 제2 하프 셀은 음전극에 접촉하고, 제2 산화환원 반쪽 반응이 일어나도록 구성된 제2 산화환원 쌍이 내부에 용해된, 제2 전해질을, 포함한 음극 전해질 저장소를 포함한다. 상기 산화환원 배터리는 동작 중에 상기 양극 전해질 저장소와 상기 음극 전해질 저장소 중 하나 또는 모두에서 압력 누적을 줄이거나 적어도 부분적으로 방지하기 위한 감압 수단을 더 포함한다.
제3 측면에서, 산화환원 배터리는 제1 하프 셀 및 제2 하프 셀을 포함한다. 상기 제1 하프 셀은 양전극에 접촉하고, 제1 산화환원 반쪽 반응이 일어나도록 구성된 제1 산화환원 쌍이 내부에 용해된, 제1 전해질을, 포함한 양극 전해질 저장소를 포함한다. 상기 제2 하프 셀은 음전극에 접촉하고, 제2 산화환원 반쪽 반응이 일어나도록 구성된 제2 산화환원 쌍이 내부에 용해된, 제2 전해질을, 포함한 음극 전해질 저장소를 포함한다. 상기 제1 전해질 저장소는 상기 제1 하프 셀을 위한 제1 전해질의 실질적인 전체 부피를 저장하고, 상기 제2 전해질 저장소는 상기 제2 하프 셀을 위한 제2 전해질의 실질적인 전체 부피를 저장한다.
제4 측면에서, 산화환원 배터리는 제1 하프 셀 및 제2 하프 셀을 포함한다. 상기 제1 하프 셀은 양전극에 접촉하고, 제1 산화환원 반쪽 반응이 일어나도록 구성된 제1 산화환원 쌍이 내부에 용해된, 제1 전해질을, 포함한 양극 전해질 저장소를 포함한다. 상기 제2 하프 셀은 음전극에 접촉하고, 제2 산화환원 반쪽 반응이 일어나도록 구성된 제2 산화환원 쌍이 내부에 용해된, 제2 전해질을, 포함한 음극 전해질 저장소를 포함한다. 상기 산화환원 배터리는, 상기 제1 및 제2 전해질들이 상기 제1 및 제2 하프 셀들 각각 내에서 자체적으로 순환하도록, 구성된다.
제5 측면에서, 산화환원 배터리는 제1 전해질에 용해되고 제1 산화환원 반쪽 반응이 일어나도록 구성된 제1 산화환원 쌍을 포함하는 양극 전해질 저장소와, 제2 전해질에 용해되고 제2 산화환원 반쪽 반응이 일어나도록 구성된 제2 산화환원 쌍을 포함하는 음극 전해질 저장소를 포함한다. 상기 산화환원 배터리는, 상기 양극 전해질 저장소와 상기 음극 전해질 저장소를 분리하고, 상기 제1 전해질 또는 상기 제2 전해질이 이를 통해 전달되는 것을 실질적으로 방지하도록 구성된, 이온 교환막을 더 포함한다. 상기 양극 전해질 저장소, 상기 음극 전해질 저장소와 상기 이온 교환막은 둘러싸여 있거나 밀폐된 셀에 배치된다.
제6 측면에서, 산화환원 배터리는 제1 전해질에 용해되고 제1 산화환원 반쪽 반응이 일어나도록 구성된 제1 산화환원 쌍을 포함하는 양극 전해질 저장소와, 제2 전해질에 용해되고 제2 산화환원 반쪽 반응이 일어나도록 구성된 제2 산화환원 쌍을 포함하는 음극 전해질 저장소를 포함한다. 상기 산화환원 배터리는, 상기 양극 전해질 저장소와 상기 음극 전해질 저장소를 분리하고, 상기 제1 전해질 또는 상기 제2 전해질이 이를 통해 전달되는 것을 실질적으로 방지하도록 구성된 이온 교환막을 더 포함한다. 상기 양극 전해질 저장소와 상기 음극 전해질 저장소 모두 별도의 전해질 탱크에 연결되지 않는다.
제7 측면에서, 산화환원 배터리는 제1 전해질에 용해되고 제1 산화환원 반쪽 반응이 일어나도록 구성된 제1 산화환원 쌍을 포함하는 양극 전해질 저장소와, 제2 전해질에 용해되고 제2 산화환원 반쪽 반응이 일어나도록 구성된 제2 산화환원 쌍을 포함하는 음극 전해질 저장소를 포함한다. 상기 산화환원 배터리는 상기 양극 전해질 저장소와 상기 음극 전해질 저장소를 분리하고, 상기 제1 전해질 또는 상기 제2 전해질이 이를 통해 전달되는 것을 실질적으로 방지하도록 구성된 이온 교환막을 더 포함한다. 상기 산화환원 배터리는 상기 제1 전해질 또는 상기 제2 전해질을 흐르게 하기 위한 펌핑 장치를 포함하지 않는다.
제8 측면에서, 산화환원 배터리는 제1 전해질에 용해되고 제1 산화환원 반쪽 반응이 일어나도록 구성된 제1 산화환원 쌍을 포함하는 양극 전해질 저장소와, 제2 전해질에 용해되고 제2 산화환원 반쪽 반응이 일어나도록 구성된 제2 산화환원 쌍을 포함하는 음극 전해질 저장소를 포함한다. 상기 산화환원 배터리는 상기 양극 전해질 저장소와 상기 음극 전해질 저장소를 분리하고, 상기 제1 전해질 또는 상기 제2 전해질이 이를 통해 전달되는 것을 실질적으로 방지하도록 구성된 이온 교환막을 더 포함한다. 상기 양극 전해질 저장소는 상기 제1 산화환원 반쪽 반응에 참여하지 않는 양전극을 더 포함하고, 상기 음극 전해질 저장소는 상기 제2 산화환원 반쪽 반응에 참여하지 않는 음전극을 더 포함한다.
제9 측면에서, 산화환원 배터리는 제1 전해질에 용해되고 제1 산화환원 반쪽 반응이 일어나도록 구성된 제1 산화환원 쌍을 포함하는 양극 전해질 저장소와, 제2 전해질에 용해되고 제2 산화환원 반쪽 반응이 일어나도록 구성된 제2 산화환원 쌍을 포함하는 음극 전해질 저장소를 포함한다. 상기 제1 및 제2 산화환원 반쪽 반응들은 상기 양극 전해질 저장소와 상기 음극 전해질 저장소를 분리하는 이온 교환막을 통해 제1 산화환원 쌍이나 제2 산화환원 쌍의 이온들이 실질적으로 전달되지 않고도, 제1 및 제2 산화환원 반쪽 반응들이 일어난다. 상기 양극 전해질 저장소, 상기 음극 전해질 저장소와 상기 분리막은 둘러싸여 있거나 밀폐된 셀에 배치된다.
제10 측면에서, 산화환원 배터리는 제1 전해질에 용해되고 제1 산화환원 반쪽 반응이 일어나도록 구성된 제1 산화환원 쌍을 포함하는 양극 전해질 저장소와, 제2 전해질에 용해되고 제2 산화환원 반쪽 반응이 일어나도록 구성된 제2 산화환원 쌍을 포함하는 음극 전해질 저장소를 포함한다. 상기 제1 및 제2 산화환원 반쪽 반응들은 상기 양극 전해질 저장소와 상기 음극 전해질 저장소를 분리하는 이온 교환막을 통해 제1 산화환원 쌍이나 제2 산화환원 쌍의 이온들이 실질적으로 전달되지 않고도, 제1 및 제2 산화환원 반쪽 반응들이 일어난다. 상기 양극 전해질 저장소와 상기 음극 전해질 저장소 모두 별도의 전해질 탱크에 연결되지 않는다.
제11 측면에서, 산화환원 배터리는 제1 전해질에 용해되고 제1 산화환원 반쪽 반응이 일어나도록 구성된 제1 산화환원 쌍을 포함하는 양극 전해질 저장소와, 제2 전해질에 용해되고 제2 산화환원 반쪽 반응이 일어나도록 구성된 제2 산화환원 쌍을 포함하는 음극 전해질 저장소를 포함한다. 상기 제1 및 제2 산화환원 반쪽 반응들은 상기 양극 전해질 저장소와 상기 음극 전해질 저장소를 분리하는 분리막을 통해 제1 산화환원 쌍이나 제2 산화환원 쌍의 이온들이 실질적으로 전달되지 않고도, 제1 및 제2 산화환원 반쪽 반응들이 일어난다. 상기 산화환원 배터리는 상기 양극 전해질 저장소로/로부터 상기 제1 전해질을 흐르게 하거나 상기 음극 전해질 저장소로/로부터 상기 제2 전해질을 흐르게 하기 위한 펌핑 장치를 포함하지 않는다.
제12 측면에서, 산화환원 배터리는 제1 전해질에 용해되고 제1 산화환원 반쪽 반응이 일어나도록 구성된 제1 산화환원 쌍을 포함하는 양극 전해질 저장소를 포함하고, 상기 양극 전해질 저장소는 상기 제1 산화환원 반쪽 반응에 참여하지 않는 양전극을 더 포함한다. 상기 산화환원 배터리는 제2 전해질에 용해되고 제2 산화환원 반쪽 반응이 일어나도록 구성된 제2 산화환원 쌍을 포함하는 음극 전해질 저장소를 포함하고, 상기 음극 전해질 저장소는 상기 제2 산화환원 반쪽 반응에 참여하지 않는 음전극을 더 포함한다. 상기 제1 및 제2 산화환원 반쪽 반응들은 상기 양극 전해질 저장소와 상기 음극 전해질 저장소를 분리하는 이온 교환막을 통해 제1 산화환원 쌍이나 제2 산화환원 쌍의 이온들이 실질적으로 전달되지 않고도, 제1 및 제2 산화환원 반쪽 반응들이 일어난다.
도 1은 예시적인 산화환원 흐름 배터리(redox flow battery)에 대한 개략도이다.
도 2a는 실시예들에 따른 밀폐된 산화환원 배터리에 대한 개략도이다.
도 2b는 일부 실시예들에 따라, 적층 구성으로 복수의 밀폐된 산화환원 배터리 셀들을 포함한 밀폐된 산화환원 배터리에 대한 개략도이다.
도 2c는 일부 다른 실시예들에 따라, 적층 구성으로 복수의 밀폐된 산화환원 배터리 셀들을 포함한 밀폐된 산화환원 배터리에 대한 개략도이다.
도 2d는 실시예들에 따라, 원통형 적층 구성으로 복수의 밀폐된 산화환원 배터리 셀들을 포함한 밀폐된 산화환원 배터리에 대한 개략도이다.
도 3a는 일부 실시예들에 따라, 양극 전해질 저장소와 음전극 저장소 중 하나 또는 모두에서, 이들 사이에 연결된 도관을 이용하여, 압력 누적(buildup)을 줄이거나 적어도 부분적으로 방지하도록 구성된 밀폐된 산화환원 배터리를 개략적으로 도시한다.
도 3b, 3ba 및 3bb는 일부 다른 실시예들에 따라, 양극 전해질 저장소와 음전극 저장소 중 하나 또는 모두에서, 이들을 관통하여 형성된 하나 이상의 개구들을 갖는 이온 교환막을 이용하여, 압력 누적을 줄이거나 적어도 부분적으로 방지하도록 구성된 밀폐된 산화환원 배터리들을 개략적으로 도시한다.
도 3c는 또 다른 일부 실시예들에 따라, 양극 전해질 저장소와 음전극 저장소 중 하나 또는 모두에서, 다공성 이온 교환막을 이용하여, 압력 누적을 줄이거나 적어도 부분적으로 방지하도록 구성된 밀폐된 산화환원 배터리를 개략적으로 도시한다.
도 4는 실시예들에 따라, 양극 전해질 저장소와 음극 전해질 저장소 중 하나 또는 모두에서, 압력 누적을 줄이거나 적어도 부분적으로 방지하도록 구성된 밀폐된 산화환원 배터리를 개략적으로 도시한다.
도 5a 및 5b는 실시예들에 따라, 양극 전해질 저장소와 음극 전해질 저장소 중 하나 또는 모두에서, 압력 누적을 줄이거나 적어도 부분적으로 방지하도록 구성된 밀폐된 산화환원 배터리들을 개략적으로 도시한다.
상기 논의된 바와 같이, 특정 적용에 적절한 전기화학 에너지 저장 시스템의 선택 및 설계에 있어 고려되는 경쟁 요인들은, 다른 것들 중에서도 투자 비용, 전력, 에너지, 수명, 재활용 가능성, 효율성, 확장성 및 유지 관리 비용을 포함한다. 다양한 전기화학 에너지 저장 시스템들 중에, 산화환원 흐름 배터리들(RFB: Redox Flow Battery)은 고정(stationary) 에너지 저장소에 유망한 것으로 여겨진다. RFB들은 전기화학 에너지 변환 장치들로서, 용액에 용해된 산화환원종들(redox species)의 산화환원 과정들을 이용한다. 상기 용액은 외부 탱크들에 저장되어 필요할 때 RFB 셀로 유입된다. RFB 기술의 몇 가지 유리한 특징들은 전력 및 에너지의 독립적인 확장성, 높은 방전 심도 (DOD: Depth of Discharge) 및 환경 영향 감소이다. 이러한 특징들은 광범위한 작동 전력 및 방전 시간을 가능하게 하여, RFB들을 재생가능한 자원들로부터 생성된 전기의 저장에 적합하게 만든다.
도 1은 예시적인 산화환원 흐름 배터리(RFB: Redox Flow Battery)에 대한 개략도이다. 상기 RFB(100)는 배터리 셀(104)을 포함한다. 상기 배터리 셀(104)은, 분리막(separator) 또는 이온 교환막(112)에 의해 분리된 제1 하프(half) 셀(104A) 및 제2 하프 셀(104B)을 갖는다. 상기 제1 하프 셀(104A)은 제1 또는 양극 전해질 및 양전극이 내부에 배치된 양극 전해질 저장소(106A)를 포함하고, 상기 제2 하프 셀(104B)은 제2 또는 음극 전해질 및 음전극이 내부에 배치된 음극 전해질 저장소(106B)를 포함한다. 상기 양전극은 양극 집전체(positive current collector, 108A)에 전기적으로 연결되고, 상기 음전극은 음극 집전체(negative current collector, 108B)에 전기적으로 연결된다. 상기 양극 전해질 저장소(106A)는 유체 연통하고, 양극 전해질 탱크(116A)에 물리적으로 연결되며, 상기 음극 전해질 저장소(106B)는 유체 연통하고, 양극 전해질 탱크(116B)에 물리적으로 연결된다. 동작 중에는, 상기 양극 전해질은, 화살표들로 표시된 바와 같이, 양극 전해질 펌프(128A)를 이용하여, 출구 및 입구 도관들(120A, 124B)을 통해 상기 양극 전해질 탱크(116A)와 상기 양극 전해질 저장소(106A) 사이에서 순환된다. 유사하게, 상기 음극 전해질은 출구 및 입구 도관들(120B, 124B)을 통해 상기 음극 전해질 탱크(116B)와 상기 음극 전해질 저장소(106B) 사이에서 순환된다.
일부 구성들에서, 복수의 배터리 셀들(104-1, 104-2, ..., 104-n)이 적층되어 RFB 셀(150)을 형성하며, 각 셀은 상기 배터리 셀(104)과 유사한 방식으로 구성된다. 상기 복수의 배터리 셀들(104-1, 104-2, ..., 104-n)은 서로 유체 연통 가능한 양극 전해질 저장소들(106A)의 각각과, 서로 유체 연통 가능한 음극 전해질 저장소들(106B)의 각각을 포함한다. 상기 양극 전해질 저장소들(106A)의 연결된 각각은 차례로 상기 양극 전해질 탱크(116A)와 유체 연통되며, 상기 음극 전해질 저장소들(106B)의 연결된 각각은 차례로 상기 음극 전해질 탱크(116B)와 유체 연통된다.
리튬 이온, 납산 및 나트륨 황 배터리들과 같은 다른 전기화확 저장 기술들에 비해, RFB들은 에너지 저장소로부터의 전력 변환의 분리를 포함하는 몇 가지 장점들을 제공하여, 독립적인 전력 및 에너지 확장을 가능하게 한다. 예를 들면, RFB들은 적용에 따라 유연하고 분산된 방식으로 조정될 수 있고, 예들 들면 국내 저장소를 위한 수 kW/kWh에서 그리드 저장소를 위한 수 내지 수십 MW/MWh의 시스템들에 이르는 전력 및 에너지를 제공하도록 확장될 수 있다. 또한, 연료 셀들과는 달리, RFB들 내의 반응들은 가역적이어서, 동일한 셀이 전기를 화학 에너지로 또는 그 반대로 변환하는 변환기로 작동할 수 있도록 한다. RFB들은 이온 금속들을 소비하지 않고 금속 이온 원자가를 변경하여 동작하여, 긴 주기의 서비스 수명을 가능하도록 한다. 전해질의 상대적으로 높은 열용량이 부분적으로 기인하여, 셀 온도는 전해질 흐름을 조절하여 상대적으로 쉽게 조정될 수 있다. 충전 상태(SOC: State of Charge)가 셀 전압을 통해 쉽게 모니터링되면서도, 매우 깊은 DOD가 달성될 수 있다.
RFB들의 다양한 장점들에도 불구하고, 수십 년에 걸쳐 기술에 있어 상대적으로 큰 자본, 연구 및 개발 투자가 이루어졌지만, 그 상용화가 다른 전기화학 저장 기술들에 비해 널리 보급되지 않았다. 특히, ESS 적용에 대한 배터리 수요가 최근에 급증하고 화재 및 폭발에 대한 더 높은 안전성을 포함한 이러한 적용에 RFB들이 명백하게 적합하지만, 광범위한 상업화가 아직 실현되지 않아 오랫동안 필요성을 느꼈음에도 RFB의 상업화에 상당한 장애물들이 존재함을 시사한다. 본 발명자들은, 상대적으로 낮은 신뢰성, 낮은 효율성, 큰 시스템 면적 및 높은 시스템 복잡성을 포함하는 그러한 몇 가지 장애물들을 인지하였다.
RFB들의 광범위한 상용화에 대한 제1 장애물은 도 1에 대해 전술한 RFB(100)와 같은 RFB들의 비교적 높은 복잡성과 관련 신뢰성 문제들과 연관된다. 전술한 바와 같이, RFB들은 전해질을 배터리 셀(104)로/로부터 전달하기 위한 다수의 도관들(120A, 120B, 124A, 124B), 전해질을 순환시키기 위한 펌프들(128A, 128B) 및 전해질을 저장하기 위한 탱크들(116A, 116B)을 포함한다. 비교적 높은 복잡성으로 인해, 배터리 셀(104)과 탱크들(116A, 116B) 사이의 도관들(120A, 120B, 124A, 124B)과 연관된 다양한 연결점들이 신뢰성 오류(예: 누출(leakage))로 이어질 수 있다. 오류(failure) 가능성과 빈도는 이러한 도관의 수에 비례하여 증가하며, 이는 ESS의 크기에 따라 확장된다. 오류가 발생하면, 이는 안전 위험뿐만 아니라 예정에 없던 수리로 이어진다. 또한, 이러한 고장의 가능성을 줄이고 예방 보전을 통하여 중단없는 동작을 보장하면, 운영 비용이 추가된다.
RFB들의 폭넓은 사용화에 대한 제2 장애물은 RFB들의 비교적 낮은 효율성과 연관된다. 비교적 낮은 효율성에 대한 하나의 요인은 전해질을 순환시키는데 소비되는 에너지와 연관된다. 예를 들면, 바나듐계(vanadium-based) RFB용 전해질은 황산을 포함하여, 상대적으로 점도가 높을 수 있다. 무작위 배향 탄소섬유 펠트계 전극의 미세한 다공성 구조를 통해 전해질, 특히 상대적으로 점도가 높은 전해질을 순환시켜, 상대적으로 많은 양의 외부 에너지를 소비하여 RFB들의 외적 효율성을 낮춘다. RFB 시스템의 더 낮은 외부 효율은 리튬 이온 배터리(LIB: Lithium Ion Battery) 기술과 같은 경쟁 이차 배터리 기술 대비 낮은 상업적 경쟁력의 주요 원인 중 하나이다.
RFB들의 광범위한 상용화에 대한 제3 장애물은 다른 전기화학 저장 기술들에 비해 상대적으로 낮은 전력 밀도 및 에너지 밀도와 연관되어, 이들의 모바일 적용에 장애가 된다. 상술한 바와 같이, 전력 및 에너지 밀도는 에너지 저장 장치의 총 부피에 대한 저장 장치의 전력 출력 및 에너지 저장을 각각 나타낸다. 따라서, RFB의 경우, 전력 및 에너지 밀도는 셀 부피, 탱크 부피 및 전해질을 전달하기 위한 도관의 부피를 포함하는 총 부피에 대한 전력 출력 및 저장 에너지의 비율을 나타낸다. 더 낮은 전력 및 에너지 밀도들을 부분적으로 보상하기 위해, RFB들은 종종 비교적 큰 셀 활성 영역들과 막들을 갖게 되어, 셀 치수가 증가된 전해질 저장소(116A, 116B) 내부의 전해질의 가로축 기울기가 높아질 수 있다. 따라서, RFB들의 평균 전류 밀도와 공칭(nominal) 전류가 균일한 최대 전류 밀도에 기반한 최대 이론 값들에 비해 실질적으로 더 낮을 수 있다. 또한, 별도의 탱크들과 도관들을 포함한 순환 시스템에 대한 필요에 의해, 전체적인 시스템 수준의 공간 효율성이 더 감소된다.
RFB들의 광범위한 상업화에 대한 제4 장애물은 시스템 복잡성과 연관되어, 화학 공장의 시스템 복잡성에 필적한다. RFB 시스템들을 설계하는 복잡성이 높아, 개발 사이클이 증가되고, 이로 인해 기술 개발이 현저하게 느려진다. 게다가, 시스템 복잡성은 노동 및 자본 집약적이며, ESS 현장에서 설치, 유지 보수 및 철거에 있어 높은 수준의 전문성이 요구된다. 시스템 복잡성은 전체 비용의 동반되는 증가뿐만 아니라, 시스템들을 구축하고 유지하는데 요구되는 인력 배치 및 훈련 증가의 잠재적 필요성으로 인해 소비자들을 단념시킨다.
RFB들에 의해 부여되는 혜택들 중 대부분을 유지하면서도 이러한 및 다른 한계들을 해결하기 위해, 본 개시는 밀폐된 산화환원 배터리들에 관한 것이다.
밀폐된 산화환원 배터리
여기에 개시된 산화환원 배터리의 다양한 실시예들은 산화환원 배터리에 관한 것이다. 실시예들에 따른 상기 산화환원 배터리는, 상기에 논의된 RFB들의 상용화 장애물들 모두 중 일부를 적어도 부분적으로 극복하거나 완화하면서도 RFB들의 장점들을 유지한다. 특히, 일부 RFB들과는 달리 산화환원 반응들에 참여하는 산화환원 쌍들을 이용하면서, 여기에 개시된 산화환원 배터리의 실시예들은 밀폐된 배터리 셀을 포함하고, 배터리 셀에 연결된 별도의 전해질 탱크나, 배터리 셀 외부로부터 전해질을 공급하기 위한 펌프와 같은 전해질 순환 장치를 갖지 않는다.
도 2a는 실시예들에 따른 밀폐된 산화환원 배터리에 대한 개략도이다. 상기 도시된 밀폐된 산화환원 배터리(200A)는 제1 하프 셀(204A)과 제2 하프 셀(204B)을 포함한다. 상기 제1 하프 셀(204A)은, 양전극에 접촉하는 제1 또는 양극 전해질이 내부에 배치된 양극 전해질 저장소(106A)를 포함한다. 상기 제1 전해질에는, 제1 산화환원 반쪽 반응이 일어나도록 구성된 제1 산화환원 쌍이 용해되어 있다. 상기 제2 하프 셀(204B)은, 음전극에 접촉하는 제2 또는 음극 전해질이 내부에 배치된 음극 전해질 저장소(106B)를 포함한다. 상기 제2 전해질에는, 제2 산화환원 반쪽 반응이 일어나도록 구성된 제2 산화환원 쌍이 용해되어 있다. 상기 양극 및 음극 전해질 저장소들(106A, 106B)은 각각의 반쪽 반응들에 대해 반응 공간들을 정의한다. 상기 밀폐된 산화환원 배터리(200A)는 또한 상기 양극 전해질 저장소(106A)와 상기 음극 전해질 저장소(106B)를 분리하는 이온 교환막(112)을 포함한다. 상기 양전극은 양극 집전체(108A)에 전기적으로 연결되고, 상기 음전극은 음극 집전체(108B)에 전기적으로 연결된다. 일부 구현들에서, 제1 양극판(bipolar plate, 208A)은 상기 양극 집전체(108A)와 상기 양극 전해질 저장소(106A) 사이에 개재되고, 제2 양극판(208B)은 상기 음극 집전체(108B)와 상기 음극 전해질 저장소(106B) 사이에 개재된다.
종래 RFB들과는 달리, 밀폐된 산화환원 배터리(200)에서, 상기 제1 하프 셀(204A), 상기 제2 하프 셀(204B) 및 상기 이온 교환막(112)은 케이싱이나 프레임(212)으로 밀폐된 산화환원 배터리 셀을 정의한다. 상기 밀폐된 케이싱(212)은, 정상 동작 중에, 이의 내부 내용물들이 외부로부터 물리적으로 접근가능하지 않을 수 있도록 한다. 즉, 상기 양극 및 음극 전해질들은 전해질 탱크들과 같은 외부 용기들과 유체 연통되지 않는다. 상기 케이싱(212)은 완전적으로 및/또는 영구적으로 산화환원 배터리(200A)를 밀폐한다. 그러한 구성은 종래 산화환원 흐름 배터리들과 대조되어, 상기 산화환원 배터리 셀은 외부 탱크들과 유체 연통한다. 즉, 상기 밀폐된 산화환원 배터리(200A)에서, 도 1에 대해 전술한 RFB(100)와는 달리, 둘러싸인 셀의 양극 전해질 저장소(106A)나 음극 전해질 저장소(106B) 모두, 제1 또는 제2 전해질들 각각을 저장하는 별도의 전해질 탱크와 유체 연통되거나 물리적으로 연결되지 않는다. 이렇게, 상기 양극 및 음극 전해질들의 실질적인 전체 용량이 상기 산화환원 배터리 내에 저장되어 상기 케이싱(212)에 의해 밀폐되고 둘러싸여진다. 즉, 상기 제1 전해질 저장소(106A)는 상기 제1 하프 셀(204A)을 위한 제1 전해질의 실질적인 전체 부피를 저장하고, 상기 제2 전해질 저장소(106B)는 상기 제2 하프 셀(204B)을 위한 제2 전해질의 실질적인 전체 부피를 저장한다. 상기 밀폐된 산화환원 배터리(200A)가 별도의 저장 탱크에 연결되지 않는 일부 이유로, 도 1에 도시된 RFB(100)과는 달리, 상기 밀폐된 산화환원 배터리(200A)는 유리하게, 전해질을 배터리 셀로/로부터 전달하기 위한 도관들(120A, 120B, 124A, 124B, 도 1)이나 전해질을 순환시키기 위한 펌프들(128A, 128B, 도 1)을 포함하지 않는다.
전술한 바와 같이, 상기 밀폐된 산화환원 배터리(200A)의 눈에 띄는 구조적 차이는, 펌프들(128A, 128B, 도 1)의 생략이다. 대신에, 실시예들에 따른 상기 밀폐된 산화환원 배터리(200A)는 상기 제1 하프 셀(204A)의 양극 전해질 저장소(106A)와 상기 제2 하프 셀(204B)의 음극 전해질 저장소(106B) 각각의 내부에서 제1 및 제2 전해질이 자체 순환된다. 다양한 구성들에서, 제1 및 제2 전해질의 자체 순환은, 제1 및 제2 전해질 저장소 사이의 삼투압 차이, 제1 및 제2 전해질 중 하나 또는 둘 모두의 밀도 변화, 상기 제1 및 제2 전해질 중 하나 또는 모두의 확산 또는 이동, 제1 및 제2 전극 각각에 대한 제1 및 제2 전해질 중 하나 또는 모두의 친화도, 제1 및 제2 산화환원 반쪽 반응, 및 제1 및 제2 전해질 중 하나 또는 모두의 열 팽창 또는 수축 중 하나 이상에 의해 유발된다. 상기 발명자들은, 도 2a의 단면도에서의 양극 및 음극 전해질 저장소들(106A, 106B)의 두께가 20 cm, 15 cm, 10 cm, 5 cm, 2 cm, 1 cm 또는 이러한 값들 중 어느 하나에 의해 정의된 범위의 값을 초과하지 않는 경우 자체 순환이 전력 및 에너지 출력의 안정성을 제공하는데 효과적이라는 것을 발견하였다.
도 2a를 참조하면, 상기 케이싱(212)은 매우 산성일 수 있는 양극 및 음극 전해질을 수용하도록 적절한 내식성 재료로 형성된다. 내식성을 제공하는 것과 함께, 상기 케이싱(212)은 상기 밀폐된 산화환원 배터리(200)에 대한 기계적 지지를 제공하기 위해 단단한 케이싱이다. 일부 실시예들에서, 실시예들에 따른 케이싱(212)의 적어도 일부분들이 양극 및 음극 전해질 저장소들(106A, 106B) 내에 내부 압력의 변화를 수용하도록 변형되도록 구성된 유연한 소재로 형성될 수 있다. 내부 압력의 증가는, 예를 들면, 압력이 조절된 밀폐된 산화환원 배터리들에 대해 아래에 설명된 다양한 효과들로 인해 유발될 수 있다. 상기 케이싱의 부분들만이 유연한 재료로 형성되는 구성들에서, 나머지 부분들은 단단한 재료로 형성될 수 있다. 상기 유연한 부분들은 압력 증가에 따라 예를 들면, 팽창하여, 상기 양극 및 음극 전해질 저장소들(106A, 106B) 중 하나 또는 모두가 0.1%, 0.2%, 0.5%, 1%, 2%, 5%, 10%, 20%, 50% 보다 큰 각 부피의 증가 시에도 수용할 수 있도록 구성될 수 있다. 상기 케이싱(212)의 적절한 재료는 폴리염화비닐(PVC: polyvinyl chloride), 폴리에틸렌(PE: polyethylene), 폴리스티렌(PS: polystyrene), 폴리프로필렌(PP: polypropylene), 폴리카보네이트(PC: polycarbonate), ABS, 강화플라스틱 등을 포함할 수 있다.
이렇게 구성된, 밀폐된 산화환원 배터리(200A)는 다양한 기술적 및 상업적 장점들을 포함한다. 예를 들면, 전해질을 순환시키는 펌프들뿐만 아니라 배터리 셀과 탱크들 사이의 도관들(예: 관이음들)과 관련된 다양한 신뢰성 오류들이 실질적으로 감소되거나 제거되어, 밀폐된 산화환원 배터리(200)의 동작과 연관된 안전 위험과 운영 비용뿐만 아니라 예정에 없던 수리를 줄인다. 또한, 상기 RFB(100, 도 1)에 대해 전술한 바와 같이, 외적 효율성은, 펌프들을 이용하여 배터리 셀과 탱크들 사이에 전해질을 순환시킬 필요성을 제거하여 실질적으로 향상된다. 본 발명자들은, 상기 셀과 전해질 탱크들 사이에서 전해질을 순환시킬 필요성을 제거하여, 밀폐된 산화환원 배터리(200A)는 시스템의 크기에 따라, 종래 RFB들에 비해 최대 2-50배까지 에너지 또는 전력 밀도를 향상시킬 수 있다. 상술한 바와 같이, 에너지 또는 전력 밀도는 에너지 저장 장치의 총 부피에 대한 저장 장치의 에너지 또는 전력 출력을 나타낸다. 따라서, 밀폐된 산화환원 배터리의 경우, 상기 에너지 또는 전력 밀도는 밀폐된 산화환원 배터리 내부의 총 부피에 대한 에너지 또는 전력 출력의 비율을 나타낸다. 또한, 별도의 탱크들, 펌프들 및 도관들을 포함한 순환 시스템을 생략하여, 공간 효율성이 더 향상된다. 게다가, 상기 시스템 복잡성은 크게 감소되어, 밀폐된 산화환원 배터리(200)의 상업적 구현에 대한 장벽이 크게 줄어든다. 예를 들면, 종래 RFB들과는 달리, 상기 밀폐된 산화환원 배터리(200A)는 모듈화된 구현에 대한 리튬 이온 배터리와 유사한 팩으로 제조되어, 종래 RFB들을 설치하는데 필요할 수 있는 거슬리는 구조가 필요없이, 자동화와 대량 생산에 더 알맞게 된다.
하기에서, 상기 밀폐된 산화환원 배터리(200A)의 작동 원리 및 측면들이 바나듐(V: vanadium) 기반 산화환원 쌍들에 기반한 밀폐된 바나듐 산화환원 배터리의 일 예를 이용하여 설명된다. 그러나, 실시예들이 그렇게 제한되지 않으며, 여기에 설명된 원리들이 다양한 다른 산화환원 쌍들에 따라 산화환원 배터리들에 적용될 수 있음을 이해할 것이다.
실시예들에 따른 밀폐된 V 산화환원 배터리에서, 상기 제1 하프 셀(204A)의 상기 제1 또는 양극 전해질에 용해된 제1 산화환원 쌍은 V4+/V5+ 산화환원 쌍일 수 있으며, 상기 제2 하프 셀(204B)의 상기 제2 또는 음극 전해질에 용해된 제2 산화환원 쌍은 V2+/V3+ 산화환원 쌍일 수 있다. 충전 및 방전 중에 산화환원 반응들은 하기의 수식들을 이용하여 설명될 수 있으며, →는 방전 반응 방향을 나타내고 ←는 충전 반응 방향을 나타낸다.
제2 하프 셀 / 음의 전극: V2+ ←→V3+ + e-
제1 하프 셀 / 양의 전극: V5+ + e- ←→ V4+
전체 반응: V2+ + V5+ ←→ V4+ + V3+
충전하는 동안, 상기 제1 하프 셀(204A)에서, V4+ 이온들 내의 4가 바나듐은 V5+ 이온들 내의 5가 바나듐으로 산화되는 반면, 상기 제2 하프 셀(204B)에서는, 3가 이온들 V3+이 2가 이온들 V2+로 환원된다. 방전하는 동안, 상기 제1 하프 셀(204A)에서, V5+ 이온들 내의 5가 바나듐은 V4+ 이온들 내의 4가 바나듐으로 환원되는 반면, 상기 제2 하프 셀(204B)에서는, 2가 이온들 V2+이 3가 이온들 V3+로 산화된다. 이러한 산화환원 반응들이 일어나는 동안, 전자들은 외부 회로를 통해 전달되고 특정 이온들은 이온 교환막(112)을 가로질러 확산되어, 각각 양의 하프 셀과 음의 하프 셀의 전기적 중성의 균형을 맞춘다.
다른 산화환원 반응들은 실시예들에 따른 밀폐된 산화환원 배터리(200)에서 구현될 수 있다. 다양한 실시예들에 따라, 상기 제1 산화환원 쌍이나 제2 산화환원 쌍은 바나듐(V), 아연(Zn: zinc), 브롬(Br: bromine), 크롬(Cr: chromium), 망간(Mn: manganese), 티타늄(Ti: titanium), 철(Fe: iron), 세륨(Ce: cerium) 및 코발트(Co: cobalt) 중 하나 또는 그 이상의 이온들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 상기 제1 및 제2 산화환원 쌍들은 전술한 V 산화환원 배터리에서와 같이, 동일한 금속의 이온들을 포함한다. 이러한 실시예들에서는, 유리하게, 양극 및 음극 전해질들의 혼합으로 인해, 이러한 전해질들의 교차 오염이 일어나지는 않는다.
상술한 바와 같이, 산화환원 배터리의 전해질은 이온화를 통해 전류를 전도하는 용액이다. 상기 전해질은 산화환원 쌍의 산화 및 환원 중에 용액 내 이온들의 전하의 균형을 맞추기 위해, 환원 및 산화된 형태의 산화환원 쌍을 지원하고 해당 양이온들과 음이온들도 지원한다. 실시예들에 따른 상기 양극 및 음극 전해질들은 산성 수용액을 포함한다. 밀폐된 V 산화환원 배터리의 경우, V 이온들의 농도는 전해질의 에너지 밀도와 연관된다. 더 높은 에너지 밀도는 유리하게도 주어진 양의 에너지와 전력 출력에 요구되는 양극 및 음극 전해질 저장소들(106A, 106B)의 부피를 줄이는 역할을 할 수 있다. 그러나, 매우 높은 V 이온들의 농도는 V 이온들의 안정성을 저하시킬 수 있다. 따라서, 주어진 적용에 대해 V 이온들의 최적의 범위가 존재한다. 예를 들면, 제1 및 제2 전해질 중 하나 또는 모두에 용해된 바나듐 이온들은 1.0M, 1.5M, 2.0M, 2.5M 또는 이러한 값들 중 어느 것에 의해 정의된 범위의 값 보다 클 수 있다. 반면에, 1.0M 보다 낮은 V 이온 농도들은 일부 적용들에 적합하지 않은 에너지 수준들로 이어질 수 있다. 반면, 2.5M 보다 큰 V 이온 농도들은 예를 들면, 50℃ 이상의 동작 온도에서 V5+ 이온들의 안정성이 더 낮을 수 있고, 예를 들어, -20℃ 이하의 동작 온도에서는 전해질의 V2+과 V3+ 이온들의 용해도 한계에 이를 수 있다.
바람직하게, 실시예들에 따르면, 양극 및 음극 전해질들은 동일한 용매(들) 및/또는 동일한 금속의 이온들을 포함할 수 있다. 이러한 실시예들에서, 상기 이온 교환막(112)을 통한 양극 및 음극 전해질들의 혼합으로 인해, 각 하프 셀들이 오염되지 않는다. 또한, 양극 및 음극 전해질들은 동일한 출발 용매(들) 및 용질(들)로부터 준비될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에 따른 밀폐된 V 산화환원 배터리의 경우, 양극 및 음극 전해질들 모두는 황산을 포함한다. 4가 바나듐 이온들(V4+) 및/또는 3가 바나듐 이온들(V3+)을 형성하기 위해, 예를 들면, 수용액에서 0.1M 내지 2.5M VOSO4 (바나딜 황산염)을 0.1M 내지 6M H2SO4에 용해하여, 전해질들이 준비될 수 있다. 상기 4가/3가 바나듐 이온들이 전기화학적으로 산화되어 양극 전해질(음극액)을 형성하며, 이는 5가 바나듐 이온들(V5+)의 용액이다. 반대로, 상기 4가/3가 바나듐 이온들이 전자화학적으로 환원되어 음극 전해질(양극액)을 형성하며, 이는 2가 바나듐 이온들(V2+)의 용액이다.
도 2A를 참조하면, 다양한 실시예들에서, 상기 양극 및 음극 전해질 저장소들(106A, 106B)에 각각 배치된 상기 양전극 및 음전극은, 몇 가지 예를 들어, 탄소 또는 흑연 펠트, 탄소 천, 카본 블랙, 흑연 분말 및 그래핀과 같은 탄소계 재료들을 포함한다. 상기 탄소계 재료들은 유리하게 상대적으로 높은 작동 범위, 우수한 안정성 및 높은 가역성을 제공한다. 상기 전극들은 상대적으로 높은 전기화학적 활성, 낮은 벌크 저항률 및 넓은 비표면적에 최적화된다. 상기 전극의 전기화학적 활성의 개선은 밀폐된 산화환원 배터리(200A)의 에너지 효율성을 증가시킨다. 상기 밀폐된 산화환원 배터리(200A)의 성능을 향상시키기 위해, 상기 전극의 표면들은, 예를 들어 금속으로 코팅하고, 표면 거칠기를 증가시키거나 첨가물들로 도핑하여 수정될 수 있다.
상기 반응 공간들을 정의하는 양극 및 음극 전해질 저장소들(106A, 106B)은 존재하는 경우 이온 교환막(112)과 제1 및 제2 양극판들(208A, 208B) 각각의 사이나, 이온 교환막(112)과 양극 및 음극 집전체들(108A, 108B) 각각의 사이에 각 전극들로 부분적으로 또는 완전하게 채워진다. 각 전극들로 채워진 후, 양극 및 음극 전해질 저장소들(106A, 106B)의 남는 공간들은, 존재하는 경우 이온 교환막(112)과 제1 및 제2 양극판들(208A, 208B) 각각의 사이나, 이온 교환막(112)과 양극 및 음극 집전체들(108A, 108B) 각각의 사이에 각 전해질들로 부분적으로 또는 완전하게 채워진다. 다양한 실시예들에서, 하기에 설명된 바와 같이 의도적으로 구멍이 천공되거나 다공성이 된 경우를 제외하고는, 상기 이온 교환막(112)은 2개의 하프 셀들을 실질적으로 분리하고, 2개의 전해질들과 산화환원 쌍들이 혼합되는 것을 실질적으로 방지하여, 전류가 흐르는 동안 회로를 완성하기 위해 2개의 하프 셀들 사이의 전하 균형을 맞추기 위한 H+와 같은 이온의 수송을 가능하게 한다. 상기 이온 교환막(112)은 음이온 교환막 또는 양이온 교환막일 수 있다. 상기 이온 교환막(112)은, 재료들의 몇 가지 범주들을 예를 들면, 과불소화 이오노머(perfluorinated ionomer), 부분적 불소화 폴리머(partially fluorinated polymer) 및 비불소화 탄화수소(non-fluorinated hydrocarbons)를 포함할 수 있다. 상기 이온 교환막(112)의 특정 예들은 Nafion®, Flemion®, NEOSEPTA-F® 및 Gore Select®을 포함하며, 우수한 화학적 안정성, 높은 전도성 및 기계적 강도를 제공한다.
다양한 예시된 실시예들이 특정 이온 유형(예: 음이온 또는 양이온)에 선택적일 수 있는 이온 교환막(112)을 포함하지만, 실시예들이 그렇게 제한되지는 않는다. 예를 들어, 다양한 실시예들에서, 상기 이온 교환막(112)은 비선택적 막(예: 다공성막)일 수 있다.
도 2a를 참조하면, 일부 실시예들에서, 출력 전력은 셀 스택을 형성하기 위해 많은 단일 산화환원 배터리 셀들을, 예를 들면 직렬로 연결하여 확장될 수 있다. 이러한 구성들에서, 제1 및 제2 양극판들(208A, 208B)은 단일 셀들의 직렬 연결을 용이하게 하고, 인접한 양극판들 사이의 집전판들(108A, 108B)이 제거될 수 있다. 상기 제1 및 제2 양극판들(208A, 208B)은 흑연, 탄소, 탄소 플라스틱 등과 같은 적절한 재료로 형성되어, 셀 스택의 높은 전기 전도성과 낮은 내부 저항을 제공한다. 또한, 제1 및 제2 양극판들(208A, 208B)은 전기 전도성을 증가시키기 위해 전극들에 눌렸을 때 받는 접촉 압력을 지지한다. 게다가, 제1 및 제2 양극판들(208A, 208B)은 집전판들(108A, 108B)의 부식이나 산화를 방지하기 위해 높은 내산성(acid resistance)을 갖도록 제공된다.
양극 및 음극 집전체들(108A, 108B)은 구리나 알루미늄과 같은 높은 전기 전도성을 갖는 금속을 포함하고, 충전 및 방전 과정들에서 전류를 흐르게 하는 역할을 한다.
전술한 단일 밀폐된 산화환원 배터리(200A)는 예를 들어, 약 1.65V 이하의 전기화학적 반응이 특징인 출력 전압을 갖기 때문에, 추가 셀들이 전기적 직렬이나 전기적 병렬로 연결되어, 상술한 바와 같이, 더 높은 전압 및 전류를 각각 달성할 수 있다.
도 2b는 일부 실시예들에 따라, 적층 구성으로 복수의 밀폐된 산화환원 배터리 셀들을 포함한 밀폐된 산화환원 배터리에 대한 개략도이다. 상기 도시된 밀폐된 산화환원 배터리(200B)는 적층 가능한 복수의 배터리 셀들(200B-1, 200B-2, ..., 200B-n)을 포함하고, 각 셀은 상기 밀폐된 산화환원 배터리(200A, 도 2a)와 유사한 방식으로 구성된다. 상기 복수의 배터리 셀들(200B-1, 200B-2, ..., 200B-n) 각각은 양극 전해질 저장소(106A), 음극 전해질 저장소(106B) 및 이온 교환막(112)을 포함한다. 예시된 실시예에서, 복수의 배터리 셀들(200B-1, 200B-2, ..., 200B-n) 각각은 별도의 케이싱(212)에 의해 둘러싸여진다. 상기 복수의 배터리 셀들(200B-1, 200B-2, ..., 200B-n)은 전기적 직렬로 연결되어 출력 전압을 증가시킨다.
도 2c는 일부 다른 실시예들에 따라, 적층 구성으로 복수의 밀폐된 산화환원 배터리 셀들을 포함한 밀폐된 산화환원 배터리에 대한 개략도이다. 상기 도시된 밀폐된 산화환원 배터리(200C)는 적층 가능한 복수의 배터리 셀들(200C-1, 200C-2, ..., 200C-n)을 포함하고, 상기 복수의 배터리 셀들(200C-1, 200C-2, ..., 200C-n) 각각은 양극 전해질 저장소(106A), 음극 전해질 저장소(106B) 및 이온 교환막(112)을 포함한 상기 밀폐된 산화환원 흐름 배터리(200, 도 2a)와 유사한 방식으로 구성된다. 그러나, 상기 밀폐된 산화환원 배터리(200B, 도2b)와는 달리, 상기 예시된 실시예에서, 복수의 배터리 셀들(200C-1, 200C-2, ..., 200C-n)은 공통 케이싱(222)에 의해 둘러싸여진다. 상기 밀폐된 산화환원 배터리(200B, 도 2b)와 유사한 방식으로, 상기 복수의 배터리 셀들(200C-1, 200C-2, ..., 200C-n)은 전기적 직렬로 연결되어 출력 전압을 증가시킨다. 또한, 일부 실시예들에서, 상기 복수의 배터리 셀들(200C-1, 200C-2, ..., 200C-n)의 양극 전해질 저장소(106A)는 서로 유체 연통할 수 있고, 상기 복수의 배터리 셀들(200C-1, 200C-2, ..., 200C-n)의 음극 전해질 저장소(106B)는 서로 유체 연통할 수 있다. 상기 밀폐된 산화환원 배터리(200C)는 파우치형 배터리나 강체(rigid) 케이스형 배터리로 구성될 수 있다.
도 2d는 실시예들에 따라, 원통형 적층 구성으로 복수의 밀폐된 산화환원 배터리 셀들을 포함한 밀폐된 산화환원 배터리에 대한 개략도이다. 상기 도시된 밀폐된 산화환원 배터리(200D)는 원통형으로 적층 가능한 복수의 배터리 셀들(200D-1, 200D-2, ..., 200D-n)을 포함하고, 상기 복수의 배터리 셀들(200D-1, 200D-2, ..., 200D-n) 각각은 양극 전해질 저장소(106A), 음극 전해질 저장소(106B) 및 이온 교환막(112)을 포함한 상기 밀폐된 산화환원 흐름 배터리(200, 도 2a)와 유사한 방식으로 구성된다. 상기 복수의 배터리 셀들(200D-1, 200D-2, ..., 200C-n)은 상기 밀폐된 산화환원 배터리(200B, 도 2b)에 대해 전술한 바와 같은 유사한 방식으로 케이싱에 개별적으로 둘러싸일 수 있다. 또는, 상기 복수의 배터리 셀들(200D-1, 200D-2, ..., 200C-n)은 상기 밀폐된 산화환원 배터리(200C, 도 2c)에 대해 전술한 바와 같은 유사한 방식으로 공통 케이싱(222)에 둘러싸일 수 있다. 상기 밀폐된 산화환원 배터리(200B, 도 2b)와 유사한 방식으로, 상기 복수의 배터리 셀들(200D-1, 200D-2, ..., 200D-n)은 전기적 직렬로 연결되어 출력 전압을 증가시킨다. 또한, 일부 실시예들에서, 상기 복수의 배터리 셀들(200D-1, 200D-2, ..., 200D-n)의 양극 전해질 저장소(106A)는 서로 유체 연통할 수 있고, 상기 복수의 배터리 셀들(200D-1, 200D-2, ..., 200D-n)의 음극 전해질 저장소(106B)는 서로 유체 연통할 수 있다.
도 2b 및 2c에 대해 전술한 상기 적층된 구성들 각각에서 복수의 배터리 셀들의 일부 또는 모두는, 셀들의 일부 또는 모두의 반대 극성들의 집전체들을 적절하게 전기적으로 연결하여 전기적으로 직렬로 연결되거나, 모든 셀들 중 일부의 동일한 극성의 집전체들을 적절하게 전기적으로 연결하여 전기적으로 병렬로 연결될 수 있다고 이해될 수 있다.
기존 이차 배터리에 대한 밀폐된 산화환원 배터리의 차이점들
종래 RFB들에 대한 실시예들에 따른 밀폐된 산화환원 배터리들의 차이점들 및 장점들이 상기에 설명되었으며, 이들은 기존 RFB들의 느린 상업적 구현의 원인이 되는 전해질 탱크들, 펌핑 시스템 및 도관들 네트워크의 생략을 포함한다. 별도의 전해질 탱크들이 존재하지 않지만, 상기 밀폐된 산화환원 배터리들(200A-200D, 도 2a-2d)은 기존 RFB들에서 사용할 수 있는 고유한 설계 유연성 일부를 유지한다. 예를 들어, 액체의 고유한 순응성으로 인해 셀 기하학의 설계는 기존의 이차 배터리들에 비해 훨씬 더 유연하다. 게다가, 전력 및 에너지 저장 용량은, 전극 표면적에 대한 전해질 부피의 비율을 조절하는 것과 같이 제한된 정도로 독립적으로 분리되거나 확장될 수 있다. 상기 비율은 전술한 바와 같이, 예를 들어 상기 양극 및 음극 전해질 저장소들(106A, 106B)의 두께를 이용하여 조절될 수 있다. 반면에, 실시예들에 따른 상기 밀폐된 산화환원 배터리들은 모듈화된 구현을 가능하게 하도록 완전히 밀폐되었기 때문에, 종래 배터리들의 주요 장점들도 공유한다. 실시예들에 따른 밀폐된 산화환원 배터리들과 종래 이차 배터리들(예: LIB들)은 유사한 용어들을 이용하여 참조되는 구성요소들을 가질 수 있지만, 상술한 바와 같이, 실시예들에 따른 밀폐된 산화환원 배터리들의 구성요소들과 이들의 동작 원리들은 종래 이차 배터리들의 구성요소들과 이들의 동작 원리들과 구별될 수 있음을 인식할 것이다. 하기에서, 실시예들에 따른 밀폐된 산화환원 배터리들과 LIB들을 비교했지만, 다른 종래 이차 배터리들과도 비교할 수 있음을 이해할 것이다.
첫째, 실시예들에 따른 밀폐된 산화환원 배터리의 전해질들의 구조, 기능적 역할과 동작 원리는 종래 이차 배터리들(예: LIB들)의 구조, 기능적 역할과 동작 원리와는 구별될 수 있다. 동작 시, LIB들에서, 상기 전해질은 그 자체로 에너지를 저장하거나 충전/방전 과정들에서 전기화학적 반응들에 참여하지 않는다. 대신에, LIB들의 전해질은, 충전/방전 과정 중에 양전극 및 음전극 사이에 리튬 이온들이 수송되는 경로를 주로 제공하는 역할을 한다. 따라서, 상기 전해질의 이동은 분리막(separator)에 의해 실질적으로 제한되지 않는다. 반대로, 실시예들에 따른 밀폐된 산화환원 배터리(200)에서, 전기화학적 에너지는 용해된 활성 물질, 예를 들어, 충전/방전 과정들 중에 전기화학적 반응들을 거친 양극 및 음극 전해질들에 용해된 각 산화환원 쌍들의 형태로, 전해질들에 저장된다. 따라서, 상기 전해질들은 실시예들에 따른 밀폐된 산화환원 배터리들에 에너지를 저장하는 매체라고 할 수 있다. V 산화환원 배터리의 예에서, 전술한 바와 같이, 양극 및 음극 전해질들에 용해된 V 이온 종들의 산화 상태들은 각 반쪽 반응들에 의해 변경된다. 따라서, 상기 밀폐된 산화환원 배터리들의 양극 및 음극 전해질들의 화학적 구성들은 LIB들의 전해질과는 다르다. 또한, LIB들과는 달리, 실시예들에 따른 상기 밀폐된 산화환원 배터리들에서, 양극 전해질 및 음극 전해질의 화학적 구성들의 차이로 인한 기전력이 에너지 저장으로 이어지므로, 양극 및 음극 전해질들이 혼합되어 저장된 에너지가 손실된다.
둘째, 실시예들에 따른 밀폐된 산화환원 배터리의 전극들의 구조, 기능적 역할과 동작 원리는 종래 이차 배터리들(예: LIB들)의 구조, 기능적 역할과 동작 원리와는 구별될 수 있다. LIB들에서, 전극들에 포함되는 활성 물질들은 직접 전기화학 반응들에 참여한다. 동작 시에, LIB에서, 리튬 이온들은 양극의 활물질과 음극의 활물질 사이를 이동하여 전기화학적 평형을 이루고, 상기 전극들 자체가 에너지 저장을 위한 주요 매체의 역할을 한다. 반대로, 실시예들에 따른 상기 밀폐된 산화환원 배터리의 전극들은 다른 역할을 한다. 밀폐된 산화환원 배터리의 양전극은 제1 산화환원 반쪽 반응에 참여하지 않고, 상기 밀폐된 산화환원 배터리의 음전극은 제2 산화환원 반쪽 반응에 참여하지 않는다. 상술한 바와 같이, 산화환원 반쪽 반응에 참여하지 않는 전극은 촉매와 유사한 방식으로 전기화학적 반응을 위한 물리적 사이트를 제공하는 전극의 기능을 배제하지 않는다. 그러나, 상기 전극들 자체는 전기화학적 반응들에 참여하지 않고 산화환원 이온들은 배터리의 충전 및 방전 중에 양전극 및 음전극 사이에서 이동하지 않는다. 구성에 따라, 촉매의 역할을 하는 작용기는 표면 상에 존재할 수 있다. 그러나, 이는 LIB들의 경우에서와 같이 전기화학적 반응에 능동적으로 참여하는 전극들과는 구별될 수 있다. 오히려, 상기 전극들은 전기화학적 반응들에 의해 생성되는 전자들을 실질적으로 능동적으로 수송한다.
셋째, 실시예들에 따른 밀폐된 산화환원 배터리의 이온 교환막들의 구조, 기능적 역할과 동작 원리는 종래 이차 배터리들(예: LIB들)의 구조, 기능적 역할과 동작 원리와는 구별될 수 있다. LIB에서, 전기화학적 반응들이 일어나는 전극들의 활성 물질들은 일반적으로 고체 상태이고, 양전극 및 음전극 사이에 배치된 분리막은 주로 이들 사이의 전기적 단락을 방지하는 역할을 한다. 따라서, 상기 분리막이 양전극과 음전극 사이의 전기적 접촉을 방지하는 역할을 하는 반면, LIB에서, 상기 분리막은 리튬 이온들이 이들을 통과하여 수송되는 것을 제한하거나 이들 사이의 전기화학적 반응들을 제한하도록 특별히 설계되지 않는다. 다시 말해, LIB의 분리막은 충전 및 방전을 위해 전기화학적 반응들의 일부로서 이온들의 수송을 간섭하지 않고, 양전극과 음전극을 서로 전기적으로 절연하는 역할을 주로 한다. 따라서, LIB를 위한 분리막은 상기 전극들 사이의 리튬 이온들을 자유롭게 수송하도록 설계된다. 반대로, 실시예들에 따른 밀폐된 산화환원 배터리에서, 상기 산화환원 활성 종들은 전해질에서 용해되고, 상기 이온 교환막(112, 도 2a)는 양극 및 음극 전해질들을 전기적으로 분리시키고 서로 혼합되지 않도록 한다. 일반적으로, 상기 이온 교환막(112)은 음이온들과 양이온들이 서로 간에 수송되어 2개의 하프 셀들 간에 전하의 균형을 맞추는 선택적 투과막을 포함한다. 예를 들면, 상기 이온 교환막은 음이온들과 양이온들을 선택적으로 통과시키도록 구성될 수 있다. 따라서, 실시예들에 따른 밀폐된 산화환원 배터리들에서, 에너지를 저장하는 전해질들은 액체이므로, 상기 이온 교환막(112)이 없으면, 양전극 및 음전극이 서로 접촉하는지 여부와 관계없이, 양극 및 음극 전해질들이 혼합되어 전기적 단락이 발생한다. 따라서, 실시예들에 따른 밀폐된 산화환원 배터리들에서, 상기 제1 및 제2 산화환원 반쪽 반응들은 상기 양극 전해질 저장소(106A)와 상기 음극 전해질 저장소(106B)를 분리하는 이온 교환막(112)을 통해 제1 산화환원 쌍이나 제2 산화환원 쌍의 이온들이 실질적으로 전달되지 않고도, 제1 및 제2 산화환원 반쪽 반응들이 일어난다. 상술한 바와 같이, 상기 산화환원 쌍들의 이온들을 실질적으로 전달하지 않는 이온 교환막(112)은 양극 및 음극 전해질 저장소들(106A, 106B, 도 2a) 사이의 전해질들의 크로스오버(crossover)를 실질적으로 방지하는 역할을 하는 이온 교환막(112)을 나타낸다. 따라서, 상기 이온 교환막(112)의 모재는, V 산화환원 배터리의 전해질, 예를 들어 V 이온들에서 산화환원 종들의 이동을 방지하면서, 하프 셀들 간의 전하 균형을 위해 V 산화환원 배터리에서 다른 이온들, 예를 들면 H+ 이온들의 이동을 선택적으로 허용하는 막일 수 있다. 그러나, 산화환원 쌍들의 이온들을 실질적으로 전달하지 않는 이온 교환막(112)은 아래에 설명된 바와 같이, 여전히 의도되지 않은 교차를 허용하거나, 내부 압력 누적(buildup)을 줄이기 위해 제한된 의도된 혼합을 허용한다.
압력이 조절되는 밀폐된 산화환원 배터리들
전술한 바와 같이, 실시예들에 따른 밀폐된 산화환원 배터리들은 부분적으로 전해질 탱크들, 펌핑 시스템 및 도관 네트워크를 생략으로 인해, 종래 RFB들의 상업화의 주요한 장애물들을 극복한다. 반면, 부분적으로, 밀폐된 구조로 인해, 더 단순하고 컴팩트한 설계를 포함하여, 종래 이차 배터리들이 제공하는 주요한 장점들도 제공한다. 이러한 주요한 장점들을 제공하면서, 발명자들은 실시예들에 따른 밀폐된 산화환원 배터리들의 밀폐된 구조로부터 특정한 기술적 문제들이 발생할 수 있음을 깨달았다. 하기에서, 이러한 및 다른 문제들을 해결하기 위한 기술적 특징들과 함께, 그 문제들을 설명한다.
발명자들은 밀폐된 산화환원 배터리들과 연관된 이러한 기술적 문제들이 이온 교환막의 구조적 한계점들로부터 발생한다는 점을 알았다. 전술한 바와 같이, 이온 교환막(112, 도 2a)의 재료는 선택적으로 특정 이온들, 예를 들면, V 산화환원 배터리의 H+ 이온들을 통과시키면서도, 이상적으로는 산화환원 활성종들, 예를 들면, V 산화환원 배터리의 V 이온들이 용해되어 있는 양극 및 음극 전해질들을 전기적으로 분리하고 이들의 혼합을 방지한다. 그러나, 실제로, 전해질들과 산화환원 활성종들의 바람직하지 않은 혼합이 이온 교환막(112, 도 2a)을 통해 발생된다. 예를 들어, V 산화환원 배터리들에서, 물, 황산 및 V 이온들의 혼합은 양극 및 음극 전해질 저장소들(106A, 106B) 사이의 이온 교환막(112)을 통하여 발생한다. 크로스오버라고 총칭되는 이러한 현상은 일반적으로 산화환원 배터리의 장기간 수명과 에너지 효율을 저하시키는 현상으로 여겨진다. 이러한 크로스오버는 충전/방전 과정에서 더 가속화된다. 예를 들어, V 산화환원 배터리들의 경우, 크로스오버는 충전 과정 중에, 그리고 반대 방향으로 방전 과정 중에, 퍼플루오로설폰산(PFSA: perfluorosulfonic acid)을 포함한 이온 교환막을 통해 양극 전해질 저장소(106A)에서 음극 전해질 저장소(106B)로 발생한다. 산화환원 작용과 이온교환막의 특성에 따라, 크로스오버는 순 방향(net directional)일 수 있다. 발명자들은, V 산화환원 배터리들과 같은 일부 시스템들의 경우, 방전 과정 중에 크로스오버의 정도가 충전 과정 중에 크로스오버의 정도 보다 크며, 충전 및 방전이 반복되면서, 양극 전해질의 부피와 음극 전해질의 부피 간의 불균형이 축적된다는 것을 발견하였다. 이로 인해 전해질 양과 이온의 농도에 있어 양극 및 음극 전해질 저장소들(106A, 106B) 사이의 불균형이 발생한다. 이러한 불균형은 양극 및 음극 전해질 저장소들(106A, 106B) 중 하나 또는 모두에 있어 음압 또는 양압이 축적될 수 있다. 충전 및 방전 과정들이 반복되면서, 양극 및 음극 전해질 저장소들(106A, 106B) 사이의 축적된 불균형과 이에 따른 압력 축적은 에너지 용량 및 효율성을 감소시켜, 결국 밀폐된 산화환원 배터리가 영구적으로 손상된다.
크로스오버에 의해 야기되는 방향성 물질 전달의 영향은 종래의 RFB들과 비교하여 실시예들에 따른 밀폐된 산화환원 배터리들에서 더 심각할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 이는, RFB들의 전해질 탱크들은 양극 및 음극 전해질 저장소들(106A, 106B)내 전해질들 부피 변화의 일부 보상을 허용하는 반면, 실시예들에 따른 밀폐된 산화환원 배터리들의 양극 및 음극 전해질 저장소들(106A, 106B)내의 부피는, 전해질 탱크들이 없어, 상대적으로 고정적이다. 그 결과, 양극 및 음극 전해질 저장소들(106A, 106B) 사이의 전해질 부피들의 불균형 및 이의 결과적인 압력 누적은, 상기 이온 교환막(112), 상기 양전극 및 음전극, 상기 양극 및 음극 전해질 저장소들(106A, 106B) 및/또는 케이싱(212)를 포함한 배터리의 다양한 구성요소들에 대한 변형 및 손상 가능성을 증가시킨다. 크로스오버로 인한 압력 누적에 더해, 실시예들에 따른 밀폐된 산화환원 배터리들은 배터리 셀들과 전해질 탱크 사이의 전해질 교환을 통해 일부 열 교환을 허용하는 기존 RFB들에 비해 더 열적으로 격리되므로, 상기 밀폐된 산화환원 배터리들은 전해질들의 온도 변화에 더 취약할 수 있다. 더 높은 온도는 전해질을 열적으로 팽창시킬 뿐만 아니라 수소 발생 및 CO2 발생과 같은 부반응을 일으키거나 가속화할 수 있으며, 이는 상기 밀폐된 산화환원 배터리들 내의 압력 누적을 더 증가시킬 수 있다. 이하에서, 상기 밀폐된 산화환원 배터리들과 연관된 이러한 및 다른 기술적 문제점들을 해결하는 다양한 실시예들이 설명된다.
도 3a 내지 3c는 실시예들에 따라, 양극 전해질 저장소와 음전극 저장소 중 하나 또는 모두에서, 압력 누적을 줄이거나 적어도 부분적으로 방지하도록 구성된 밀폐된 산화환원 배터리들을 개략적으로 도시한다. 도 3a 내지 3c에 예시된 밀폐된 산화환원 배터리들 각각은, 도 2a에 대해 전술한 상기 밀폐된 산화환원 배터리(200A)의 다양한 특징들에 더하여, 동작 중에 상기 양극 전해질 저장소와 상기 음극 전해질 저장소 중 하나 또는 모두에서 압력 누적을 줄이거나 적어도 부분적으로 방지하기 위한 감압 수단을 포함한다. 상기 감압 수단은 상기 양극 전해질 저장소(106A)의 양극 전해질과 상기 음극 전해질 저장소(106B)의 음극 전해질을 통제 가능하도록 혼합, 예를 들면, 직접 혼합하여, 상기 압력 누적을 방지하거나 적어도 일부 방지하도록 구성된다. 전해질들의 혼합이 실시예들에 따른 밀폐된 산화환원 배터리들의 배터리 효율성 감소로 이어지지만, 배터리 효율 감소로 인한 전력 출력 손실은 전해질들을 순환시키기 위한 종래 RFB들에 있어 에너지 소비보다 상당히 낮다는 것을 이해할 것이다. 하기에서, 상기 케이싱은 도시된 밀폐된 산화환원 배터리들로부터 명확성을 위해 생략된다. 그러나, 상기 도시된 밀폐된 산화환원 배터리 구성들 각각은 도 2a 내지 2d에 대해 전술한 바와 같은 유사한 방식으로 케이싱(212)을 포함하는 것으로 이해될 것이다.
도 3a는 일부 실시예들에 따라, 상기 양극 및 음극 전해질 저장소들을 연결하는 도관을 이용하여 상기 양극 및 음극 전해질들의 혼합을 통제 가능하게 허용하여, 양극 전해질 저장소와 음극 전해질 저장소 중 하나 또는 모두에서, 압력 누적을 줄이거나 적어도 부분적으로 방지하도록 구성된 밀폐된 산화환원 배터리를 개략적으로 도시하고 있다. 상기 밀폐된 산화환원 배터리(300A)는, 상기 밀폐된 산화환원 배터리(300A)가 상기 양극 전해질 저장소(106A)와 상기 음극 전해질 저장소(106B)를 직접 연결하는 감압 도관(304)을 더 포함하는 것을 제외하고, 도 2a에 대해 전술한 밀폐된 산화환원 배터리(200A)와 유사한 방식으로 구성된다. 상기 양극 및 음극 전해질 저장소들(106A, 106B) 사이에서 발생하는 압력차를 완화하기 위해, 상기 도관(304)은 더 높은 압력을 갖는 전해질 저장소로부터 더 낮은 압력을 갖는 전해질 저장소로 전해질의 통제된 전달을 허용함으로써, 상기 양극 및 음극 전해질 저장소들(106A, 106B) 사이의 전해질 혼합을 가능하게 한다. 전술한 바와 같이, 일반적으로, 상기 양극 및 음극 전해질들의 혼합은 에너지 용량 및 효율의 감소나 심지어, 밀폐된 산화환원 배터리의 손상을 야기한다. 그러나, 상기 도관(304)은 전해질 크로스오버의 부피에 비례하는 통제된 낮은 수준으로 전해질들의 혼합량을 통제 가능하게 제한하도록 구성된다. 실시예들에 따르면, 상기 양극 및 음극 전해질 저장소들(106A, 106B)의 하나로부터 다른 하나로 전해질의 허용된 흐름의 양이, 상기 도관(304)이 없는 경우 상기 양극 및 음극 전해질 저장소들(106A, 106B)의 하나로부터 다른 하나로 일어나는 전해질 크로스오버의 양보다 적거나 같도록 통제된다. 이는, 예를 들어, 크로스오버의 결과 전달되는 전해질의 양과 같거나 큰 도관(304)내 버퍼 부피를 제공하여 달성된다. 실시예들에 따르면, 상기 양극 및 음극 전해질 저장소들(106A, 106B) 사이에, 충전 또는 방전 사이클 당, 전달되거나 교차 전달되는 전해질의 부피는0.001%, 0.01%, 0.1%, 1%, 10%, 또는 이들 값들 중 어느 하나에 정의된 범위 내의, 상기 양극 및 음극 전해질 저장소들(106A, 106B) 중 하나 또는 모두의 전해질의 부피의 백분율 보다 작을 수 있다. 상기 도관(304)에 의해 제공되는 버퍼 부피는, 예를 들어, 하나의 충전 또는 방전 사이클 내에서 상기 양극 및 음극 전해질 저장소들(106A, 106B) 사이에 전달되거나 교차 전달되는 전해질의 부피와 대략적으로 동일하거나 클 수 있다.
도 3b, 3ba 및 3bb는 일부 다른 실시예들에 따라, 양극 전해질 저장소와 음전극 저장소 중 하나 또는 모두에서, 이들을 관통하여 형성된 하나 이상의 개구들을 갖는 이온 교환막을 이용하여 상기 양극 및 음극 전해질들의 혼합을 통제 가능하게 허용하여, 압력 누적을 줄이거나 적어도 부분적으로 방지하도록 구성된 밀폐된 산화환원 배터리를 개략적으로 도시하고 있다. 도 3b를 참조하면, 상기 예시된 밀폐된 산화환원 배터리(300B)는, 상기 밀폐된 산화환원 배터리(300B)가 자신을 통과하여 형성되는 하나 또는 그 이상의 구멍들이나 개구들(308)을 포함하는 이온 교환막(312B)을 포함한다는 점을 제외하고, 도 2a에 대하여 전술한 밀폐된 산화환원 배터리(200A)와 유사한 방식으로 구성된다. 상기 예시된 이온 교환막(312B)은 상기 하나 또는 그 이상의 개구들(308)을 제외하고는, 도 2a에 도시된 이온 교환막(112)과 실질적으로 유사하다. 상기 양극 및 음극 전해질 저장소들(106A, 106B) 사이에서 발생하는 압력차를 완화하기 위해, 상기 하나 이상의 구멍들(308)은 더 높은 압력을 갖는 전해질로부터 더 낮은 압력을 갖는 전해질 저장소로 전해질의 통제된 전달을 허용함으로써, 상기 양극 및 음극 전해질 저장소들(106A, 106B) 사이의 전해질 혼합을 가능하게 한다. 상기 구멍들(308)의 크기, 위치 및 수는 의도적인 혼합의 양을 전해질 크로스오버의 부피에 비례하는 통제된 낮은 수준으로 허용하도록 설계된다. 실시예들에 따르면, 상기 양극 및 음극 전해질 저장소들(106A, 106B)의 하나로부터 다른 하나로 전해질의 허용된 흐름의 양이, 상기 구멍들(308)이 없는 경우 상기 양극 및 음극 전해질 저장소들(106A, 106B)의 하나로부터 다른 하나로 일어나는 전해질 크로스오버의 양보다 적거나 같도록 통제된다. 실시예들에 따르면, 상기 구멍(들)(308)은 10㎚, 100㎚, 1㎛, 10㎛, 100㎛, 1㎜, 10㎜ 또는 이러한 값들 중 어느 하나에 의해 정의된 범위의 값 보다 큰 측면 치수들, 예를 들어, 지름들을 가질 수 있다. 실시예들에 따르면, 상기 양극 및 음극 전해질 저장소들(106A, 106B) 중 하나로부터 다른 하나로의 전해질의 허용된 흐름의 전체 부피 및 비율은 도 3a에 대해 전술한 밀폐된 산화환원 배터리(300A)에 대해 상기에 설명된 값들과 유사하도록 통제된다. 상기 이온 교환막(112, 도 2a)을 통한 크로스오버의 비율은 전력 출력에 비례하여 증가함을 이해할 것이다. 따라서, 더 높은 전력 출력으로, 증가된 크로스오버에 의해 야기된 전해질 불균형이 비교적 빨리 완화되어야 한다. 전해질 불균형을 상쇄하기 위해 구멍들(308)을 통해 반대 방향의 혼합을 의도적으로 허용함으로써, 더 높은 전력 출력으로 전력의 안정성이 향상될 수 있다. 혼합이 증가하여 배터리 효율성이 저하될 수 있지만, 더 높은 출력으로 전력 출력의 안정성이 증가되면, 밀폐된 산화환원 배터리(300B)의 구성을 이용하여 적어도 부분적으로 저하된 배터리 효율성을 보상할 수 있다.
도 3ba는 대안적인 실시예에 따라, 양극 전해질 저장소와 음전극 저장소 중 하나 또는 모두에서, 이들을 관통하여 형성된 하나 이상의 개구들을 갖는 이온 교환막을 이용하여, 압력 누적을 줄이거나 적어도 부분적으로 방지하도록 구성된 밀폐된 산화환원 배터리를 개략적으로 도시하고 있다. 상기 밀폐된 산화환원 배터리(300B-1)는 상기 하나 또는 그 이상의 개구들(308, 도 3b)을 제외하고, 상기 이온 교환막(112, 도 2a)과 실질적으로 유사한 상기 이온 교환막(312B, 도 3b) 대신에, 상기 밀폐된 산화환원 배터리(300B-1)가, 각각 부분적으로 둘러싸인 버퍼 부피를 갖는 하나 또는 그 이상의 버퍼 부피 구조들(309)로 대체된 부분을 갖는 이온 교환막(312B-1)을 포함한다는 점을 제외하고, 상기 밀폐된 산화환원 배터리(300B, 도 3b)와 유사한 방식으로 구성된다. 상기 부분적으로 둘러싸인 버퍼 부피는 각각이 그를 통과하여 형성된 개구를 갖는 측벽들에 의해 정의된다. 동작 시에, 전술한 바와 같이, 상기 양극 및 음극 전해질 저장소들(106A, 106B) 중 하나 또는 모두에서 증가된 압력에 반응하여, 상기 양극 및 음극 전해질 저장소들(106A, 106B) 중 하나 또는 모두로부터의 전해질(들)이 개구(들)을 통과하여 상기 양극 및 음극 전해질들 중 하나 또는 모두로 상기 부분적으로 둘러싸인 버퍼 부피를 충진한다. 이렇게 구성된, 부분적으로 둘러싸인 버퍼 부피는 상기 양극 및 음극 전해질 저장소들(106A, 106B) 간의 전해질들의 교차 혼합을 제한하는 역할을 할 수 있다.
도 3bb는 다른 대안적인 실시예에 따라, 양극 전해질 저장소와 음전극 저장소 중 하나 또는 모두에서, 이들을 관통하여 형성된 하나 이상의 개구들을 갖는 이온 교환막을 이용하여, 압력 누적을 줄이거나 적어도 부분적으로 방지하도록 구성된 밀폐된 산화환원 배터리를 개략적으로 도시하고 있다. 상기 밀폐된 산화환원 배터리(300B-2)는 상기 이온 교환막(112, 도 2a)과 실질적으로 유사한 상기 이온 교환막(312B, 도 3b) 대신에, 상기 밀폐된 산화환원 배터리(300B-2)는, 각각 그를 통과하여 형성된 개구를 갖는 하나 또는 그 이상의 전기 단락 방지 구조들(310)로 대체된 부분을 갖는 이온 교환막(312B-2)을 포함한다는 점을 제외하고, 상기 밀폐된 산화환원 배터리(300B, 도 3b)와 유사한 방식으로 구성된다. 상기 전기 단락 방지 구조들(310) 각각은 상기 양극 및 음극 집전체들(108A, 108B)에 대해 반대 방향들로 돌출된 부분들을 포함한다. 동작 시에, 전술한 바와 같이, 상기 양극 및 음극 전해질 저장소들(106A, 106B) 중 하나 또는 모두에서 증가된 압력에 반응하여, 상기 양극 및 음극 전해질 저장소들(106A, 106B) 중 하나 또는 모두로부터의 전해질(들)은 도 3b에 대해 전술한 바와 유사한 방식으로 개구(들)을 통과한다. 또한, 상기 전기 단락 방지 구조들(309)은 상기 양전극 및 음전극이 상기 개구들을 통해 서로 접촉하지 않도록 방지하는 역할을 한다. 이러한 접촉은 전기적 단락을 일으킬 수 있다.
상기 밀폐된 산화환원 배터리들(300B (도 3b), 300B-1 (도 3ba), 및 300B-2 (도 3bb) 각각에서, 개구들에 또는 근처에 형성된 버퍼 부피가 존재하며, 상기 전해질들은 전극들이 서로 접촉하지 않도록 방지하면서 혼합되도록 허용된다. 상기 산화환원 배터리 (300B, 도 3b)에서, 상기 버퍼 부피는 상기 이온 교환막(312B)에 형성된 개구(들)(308)의 부피에 의해 생성된다. 상기 산화환원 배터리 (300B-1, 도 3ba)에서, 상기 버퍼 부피는 상기 부분적으로 둘러싸인 버퍼 부피와, 상기 버퍼 부피 구조들(309)의 측벽들을 통과하여 형성된 개구들의 부피에 의해 생성된다. 상기 산화환원 배터리 (300B-2, 도 3bb)에서, 상기 버퍼 부피는 상기 전기 단락 방지 구조(들)(309)을 통과해 형성되는 개구(들)의 부피에 의해 형성된다. 상기 밀폐된 산화환원 배터리들(300B (도 3b), 300B-1 (도 3ba), 및 300B-2 (도 3bb) 각각에 제공되는 버퍼 부피는 크로스오버의 결과 전달되는 전해질의 부피와 동일하거나 크도록 설계된다. 전술한 바와 같이, 상기 양극 및 음극 전해질 저장소들(106A, 106B) 사이에, 충전 또는 방전 사이클 당, 전달되거나 교차 전달되는 전해질의 부피는 0.001%, 0.01%, 0.1%, 1%, 10%, 또는 이들 값들 중 어느 하나에 정의된 범위 내의, 상기 양극 및 음극 전해질 저장소들(106A, 106B) 중 하나 또는 모두의 전해질의 부피의 백분율 보다 작을 수 있다.
도 3c는 또 다른 일부 실시예들에 따라, 양극 및 음극 전해질들의 혼합을 통제 가능하게 허용하여, 양극 전해질 저장소와 음전극 저장소 중 하나 또는 모두에서, 압력 누적을 줄이거나 적어도 부분적으로 방지하도록 구성된 밀폐된 산화환원 배터리를 개략적으로 도시하고 있다. 상기 밀폐된 산화환원 배터리(300C)는, 상기 밀폐된 산화환원 배터리(300C)가 다공성 구조를 갖는 이온 교환막(312C)을 포함하는 점을 제외하고, 도 2a에 대해 전술한 상기 밀폐된 산화환원 배터리(200A)와 유사한 방식으로 구성된다. 상기 양극 및 음극 전해질 저장소들(106A, 106B) 사이에서 발생하는 압력차를 완화하기 위해, 상기 다공성 구조는 더 높은 압력을 갖는 전해질로부터 더 낮은 압력을 갖는 전해질 저장소로 전해질의 통제된 전달을 허용함으로써, 상기 양극 및 음극 전해질 저장소들(106A, 106B) 사이의 전해질 혼합을 가능하게 한다. 상기 다공성 구조의 구멍들(pores)의 크기 및 면 밀도는, 의도적인 혼합의 양을 전해질 크로스오버의 부피에 비례하는 통제된 낮은 수준으로 허용하도록 설계된다. 실시예들에 따르면, 상기 양극 및 음극 전해질 저장소들(106A, 106B)의 하나로부터 다른 하나로 전해질의 허용된 흐름의 양이, 비다공성(nonporous) 이온 교환막의 경우 상기 양극 및 음극 전해질 저장소들(106A, 106B)의 하나로부터 다른 하나로 일어나는 전해질 크로스오버의 양보다 적거나 같도록 통제된다. 실시예들에 따르면, 상기 이온 교환막(312C)의 구멍(들)(pores)은 1㎚, 10㎚, 100㎚, 1㎛, 10㎛, 100㎛, 1㎜, 또는 이러한 값들 중 어느 하나에 의해 정의된 범위의 값 보다 큰 측면 치수들, 예를 들어, 지름들을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 이온 교환막은 다공성 부분들과 비다공성 부분들을 포함한다. 실시예들에 따르면, 상기 양극 및 음극 전해질 저장소들(106A, 106B) 중 하나로부터 다른 하나로의 전해질의 허용된 흐름의 전체 양 및 비율은 전술한 밀폐된 산화환원 배터리(300A, 도 3a)에 대해 상기에 설명된 값들과 유사하도록 통제된다. 상기 밀폐된 산화환원 배터리(300B, 도 3b)에 대해 유사한 방식으로, 혼합이 증가하여 배터리 효율성이 저하될 수 있지만, 더 높은 출력으로 전력 출력의 안정성이 증가되면, 밀폐된 산화환원 배터리(300C)의 구성을 이용하여 적어도 부분적으로 저하된 배터리 효율성을 보상할 수 있다.
도 4는 일부 다른 실시예들에 따라, 양극 전해질 저장소와 음전극 저장소 중 하나 또는 모두에서, 압력 누적을 줄이거나 적어도 부분적으로 방지하도록 구성된 밀폐된 산화환원 배터리를 개략적으로 도시하고 있다. 상기 밀폐된 산화환원 배터리(400)는, 도 4에 도시된 상기 밀폐된 산화환원 배터리(400)가 도 2a에 대해 전술한 상기 밀폐된 산화환원 배터리(200A)의 다양한 특징들에 더하여, 동작 중에 상기 양극 전해질 저장소와 상기 음극 전해질 저장소 중 하나 또는 모두에서 압력 누적을 줄이거나 적어도 부분적으로 방지하기 위한 감압 수단을 포함한다는 점을 제외하고, 도 2a에 대해 전술한 상기 밀폐된 산화환원 배터리(200A)와 유사한 방식으로 구성된다. 상기 감압 수단은 상기 양극 및 음극 전해질 저장소들(106A, 106B) 내부에 액체 또는 기체의 부피 증가를 수용하여, 상기 압력 누적을 방지하거나 부분적으로 방지하도록 구성된다. 도시된 실시예에서, 상기 감압 수단은 상기 양극 전해질(106A)와 상기 음극 전해질 저장소(106B) 중 하나 또는 모두에 형성된 초과 또는 자유 부피(404)를 포함한다. 상술한 바와 같이, 초과 또는 자유 부피는 각 전해질로 의도적으로 비충진된 상기 양극 및 음극 전해질 저장소들(106A, 106B) 내의 부피를 의미한다. 따라서, 이러한 실시예들에서, 상기 양극 및 음극 전해질 저장소들(106A, 106B)중 하나 또는 모두는 상기 양극 및 음극 전해질들 각각으로 부분적으로만 충진된다. 상기 양극 및 음극 전해질 저장소들(106A, 106B) 모두 중 하나의 전해질이, 예를 들어, 전술한 바와 같이 크로스오버나 전해질의 열적 팽창으로 인해 팽창하면, 상기 초과 또는 자유 부피(404)가 상기 양극 및 음극 전해질 저장소들(106A, 106B) 중 하나 또는 모두에서 압력 누적을 줄이거나 방지하도록 상기 증가된 부피를 수용할 수 있다. 예를 들어, 상기 밀폐된 산화환원 배터리(400) 내부의 온도가 내부적으로 생성된 열이나 외부 환경으로부터의 열로 인해 증가되면, 이로 인한 압력 누적은 열적 팽창으로 인한 전해질의 증가된 부피를 수용하여, 상기 초과 또는 자유 부피(404)에 의해 적어도 부분적으로 수용될 수 있다. 이러한 압력 누적은 예를 들면, 전해질의 열적 팽창, 용해도 감소로 인해 전해질로부터 용해된 기체의 진화(evolution) 및 상기 배터리 내부의 기체의 생성이나 팽창으로부터 발생할 수 있다. 상기 초과 또는 자유 부피(404)의 크기는, 기준 온도, 예를 들면 상온에 대한 예상 피크 온도(예: 60°C)에서의 전해질들의 예상 열적 팽창 및 예상 기체 생성 및/또는 팽창에 기반하여 결정될 수 있다. 실시예들에 따르면, 상기 초과 또는 자유 부피(404)는, 상기 각각의 양극 및 음극 전해질 저장소들(106A, 106B)의 총 부피에 기초하여, 0.1%, 0.2%, 0.5%, 1%, 2%, 5%, 10%, 20%, 50% 또는 이들 값들 중 어느 것에 의해 정의되는 범위 내의 값보다 큰 부피를 차지할 수 있다.
도 5a와 5b는 일부 다른 실시예들에 따라, 양극 전해질 저장소와 음전극 저장소 중 하나 또는 모두에서, 압력 누적을 줄이거나 적어도 부분적으로 방지하도록 구성된 밀폐된 산화환원 배터리들을 개략적으로 도시하고 있다. 도 5a 및 5b에 예시된 밀폐된 산화환원 배터리들(500A 및 500B) 각각은, 도 2a에 대해 전술한 상기 밀폐된 산화환원 배터리(200A)의 다양한 특징들에 더하여, 동작 중에 상기 양극 전해질 저장소와 상기 음극 전해질 저장소 중 하나 또는 모두에서 압력 누적을 줄이거나 적어도 부분적으로 방지하기 위한 감압 수단을 포함한다. 상기 감압 수단은 상기 양극 양극 및 음극 전해질 저장소들(106A, 106B) 중 하나 또는 모두에서 가스 누적을 감소시켜, 상기 압력 누적을 방지하거나 적어도 부분적으로 방지하도록 구성된다. 전술한 바와 같이, 충전 및/또는 방전 중에 부반응들은 몇 가지 예를 들면, 물 분해, 탄소 기반 전극들의 산화로 인한 CO2 및 O2로 인한 수소와 같은 기체를 발생시킬 수 있다. 이러한 부반응들은 상기 밀폐된 산화환원 배터리들 내부의 압력 누적으로 이어질 수 있고, 상기 압력 누적의 강도는 더 높은 온도들에서 가속화될 수 있다.
도 5a는 일부 실시예들에 따라, 상기 양극 및 음극 전해질 저장소들(106A, 106B) 중 하나 또는 모두에서 가스 누적을 감소시켜, 상기 양극 전해질 저장소와 상기 음극 전해질 저장소 중 하나 또는 모두에서, 압력 누적을 줄이거나 적어도 부분적으로 방지하도록 구성된 밀폐된 산화환원 배터리를 개략적으로 도시하고 있다. 상기 밀폐된 산화환원 배터리(500A)는, 상기 밀폐된 산화환원 배터리(500A)가 상기 양극 및 음극 전해질 저장소들(106A, 106B) 중 하나 또는 모두에 형성된 기체 환원층(504)을 더 포함한다는 점을 제외하고, 도 2a에 대해 전술한 상기 밀폐된 산화환원 배터리(200A)와 유사한 방식으로 구성된다. 상기 기체 환원층(504)은 적절한 수단, 예를 들면, 흡수, 반응 또는 촉매 전환에 의해 동작 중에 생성될 수 있는 기체 종들을 환원, 예를 들어, 선택적으로 환원하도록 구성될 수 있다. 상기 기체 환원층(504)이 상기 양극 및 음극 전해질 저장소들(106A, 106B)의 상부 내면(upper inner surface)에 형성되도록 도시되었지만, 실시예들은 이렇게 제한되지 않으며, 상기 기체 환원층(504)은 각 전극의 표면을 포함하여 상기 양극 및 음극 전해질 저장소들(106A, 106B) 내의 임의의 표면에 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 기체 환원층(504)은 전술한 바와 같이, 부반응에서 생성될 수 있는 수소를 선택적으로 환원하도록 구성된다. 예를 들어, 상기 기체 환원층(504)은 수소와 산소를 열과 물로 바꾸는 촉매의 역할을 하는 백금(Pt: platinum)을 포함할 수 있다. 상기 기체 환원층(504)은 백금-탄소(Pt/C:platinum-carbon) 복합 재료 또는 백금-탄소-고분자(Pt/C/polymer: platinum-carbon-polymer) 복합 재료를 포함할 수 있다. 상기 Pt/C 또는 Pt/C/고분자 복합 재료는 CB (Carbon Black)과 같은 탄소 기반 구조의 표면들에 형성되는 나노결정질 Pt 백금을 포함할 수 있다. 주어진 부피의 경우, 상기 나노결정질 Pt는 수소와 산소의 효율적인 촉매 전환을 위해 다소 큰 표면 대 부피 비율을 갖는다. 이렇게 구성된, 기체 환원층(504)은 수소 및 산소 기체 발생으로 인한 기체 누적을 실질적으로 감소시키거나 제거할 수 있다. 상기 기체 환원층(504)의 양은 동작 온도의 범위로 생성될 것으로 예상되는 기체의 양에 기반하여 결정될 수 있다. 실시예들에 따르면, 상기 기체 환원층은, 상기 각각의 양극 및 음극 전해질 저장소들(106A, 106B)의 총 부피에 기초하여, 0.1%, 0.2%, 0.5%, 1%, 2%, 5%, 10%, 20%, 또는 이들 값들 중 어느 것에 의해 정의되는 범위 내의 값보다 큰 부피를 차지할 수 있다.
도 5b는 일부 실시예들에 따라, 상기 양극 및 음극 전해질 저장소들(106A, 106B) 중 하나 또는 모두에서 가스 누적을 감소시켜, 상기 양극 전해질 저장소와 상기 음극 전해질 저장소 중 하나 또는 모두에서, 압력 누적을 줄이거나 적어도 부분적으로 방지하도록 구성된 밀폐된 산화환원 배터리를 개략적으로 도시하고 있다. 상기 밀폐된 산화환원 배터리(500B)는, 상기 양극 및 음극 전해질 저장소들(106A, 106B) 중 하나 또는 모두에 연결된 기체 방출 밸브(508)와 상기 기체를 수용하는 초과 또는 자유 부피(404)를 포함하는 점을 제외하고, 도 2a에 대해 전술한 상기 밀폐된 산화환원 배터리(200A)와 유사한 방식으로 구성된다. 상기 기체 방출 밸브(508)는 액체가 통과하여 방출되는 것을 방지하면서, 상기 제1 및/또는 양극 및 음극 전해질 저장소들(106A, 106B)의 외부로 배터리에 축적되었을 수 있는 기체를 방출하도록 구성될 수 있다. 상기 기체 방출 밸브(508)는, 상기 초과 볼륨(404)내의 기체 압력이 설정된 압력에 도달하면, 상기 기체가 이를 통해 방출되어 상기 양극 및 음극 전해질 저장소들(106A, 106B) 내부의 압력 누적을 감소시키거나 부분적으로 감소시키도록 구성될 수 있다.
문맥이 명백하게 달리 요구하지 않는 한, 설명 및 청구범위 전체에 걸쳐 "포함하다(comprise, include)", "포함하는(comprising, including)" 등의 단어는 배타적이거나 완전한 의미에 반하여, 즉 "포함하지만 이에 국한되지 않는"의 의미로, 포괄적인 의미로 해석될 것이다. 여기에서 일반적으로 사용되는 "결합된"이라는 단어는 직접 연결되거나 하나 이상의 중간 요소들을 통해 연결될 수 있는 둘 이상의 요소들을 나타낸다. 여기에서 일반적으로 사용되는 "결합된"이라는 단어는 직접 연결되거나 하나 이상의 중간 요소들을 통해 연결될 수 있는 둘 이상의 요소들을 나타낸다. 또한, "여기에", "위", "아래에" 및 이와 유사한 의미의 단어들은 본 출원에서 이용될 때, 본 출원의 특정 부분이 아니라 본 출원을 전체적으로 나타낸다. 문맥이 허용하는 경우, 단수 또는 복수를 사용하는 위의 상세한 설명의 단어들은 각각 복수 또는 단수를 포함할 수 있다. 두 개 이상의 항목들의 목록을 참조하여 "또는"이라는 단어는, 목록의 항목들 중 어느 것, 목록의 항목들 모두 및 목록의 항목들의 어느 조합이라는 해석들 모두를 포함한다.
또한, 다른 것들 중에서도, “할 수 있다”, “할 수 있었다”, “수도 있었다”, “수도 있다”, “예”, “예를 들면”, “와 같은” 등의 여기에서 사용되는 조건부 언어는, 다르게 특별히 언급되지 않는 한, 또는 사용된 문맥 내에서 달리 이해되지 않는 한, 일반적으로 특정 실시예들이 특정 특징들, 요소들 및/또는 상태들을 포함하지만 다른 실시예들은 포함하지 않는다는 것을 전달하기 위한 것이다. 따라서, 이러한 조건부 언어는 일반적으로 특징들, 요소들 및/또는 상태들이 하나 이상의 실시예들에 대해 어떤 방식으로든 필요하거나 이러한 특징들, 요소들 및/또는 상태들이 임의의 특정 실시예에 포함되거나 수행되는지 여부를 암시하도록 의도되지 않는다.
특정 실시예들이 설명되었지만, 이들 실시예들은 단지 예로서 제시되었으며, 본 개시의 범위를 제한하도록 의도되지 않는다. 실제로, 상술한 새로운 장치, 방법들 및 시스템들은 다양한 다른 형태들로 구현될 수 있으며, 본 명세서에 기술된 방법들 및 시스템들의 형태로 다양한 생략들, 대체들 및 변경들이 본 개시의 정신을 벗어나지 않고 이루어질 수 있다. 예를 들면, 블록들은 주어진 배열로 제시되지만, 대안적인 실시예들은 다른 구성요소들 및/또는 회로 토폴로지들로 유사한 기능을 수행할 수 있고, 일부 블록들은 제거, 이동, 추가, 세분화(subdivided), 조합 및/또는 수정될 수 있다. 이러한 블록들 각각은 다양한 서로 다른 방식들로 구현될 수 있다. 전술한 다양한 실시예들의 구성요소들 및 동작들의 임의의 적절한 조합은 추가적인 실시예들을 제공하기 위해 조합될 수 있다. 전술한 다양한 특징들 및 과정들은 서로 독립적으로 구현되거나 다양한 방식들로 조합될 수 있다. 본 개시의 특징들의 모든 가능한 조합들 및 하위 조합들은 본 개시의 범위 내에 포함되도록 의도된다.

Claims (19)

  1. 양전극에 접촉하고, 제1 산화환원 반쪽 반응이 일어나도록 구성된 제1 산화환원 쌍이 내부에 용해된, 제1 전해질을 포함한 양극 전해질 저장소를 포함하는 제1 하프 셀;
    음전극에 접촉하고, 제2 산화환원 반쪽 반응이 일어나도록 구성된 제2 산화환원 쌍이 내부에 용해된, 제2 전해질을 포함한 음극 전해질 저장소를 포함하는 제2 하프 셀;
    상기 양극 전해질 저장소와 상기 음극 전해질 저장소를 분리하는 이온 교환막; 및
    상기 양극 및 음극 전해질 저장소 중 어느 하나에서 다른 하나로 상기 제1 또는 제2 전해질을 전달하는 감압 수단을 포함하는 산화환원 배터리.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 산화환원 쌍과 상기 제2 산화환원 쌍은 동일한 금속의 이온들을 포함하는 산화환원 배터리.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 산화환원 쌍 또는 상기 제2 산화환원 쌍은 바나듐(V), 아연(Zn: zinc), 브롬(Br: bromine), 크롬(Cr: chromium), 망간(Mn: manganese), 티타늄(Ti: titanium), 철(Fe: iron), 세륨(Ce: cerium) 및 코발트(Co: cobalt) 중 하나 또는 그 이상의 이온들을 포함하는 산화환원 배터리.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 및 제2 산화환원 쌍들은 V 이온들을 포함하는 산화환원 배터리.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 양극 전해질 저장소와 상기 음극 전해질 저장소는 모두 상기 제1 또는 제2 전해질 각각을 저장하는 별도의 전해질 탱크에 연결되지 않는 산화환원 배터리.
  6. 제1항에 있어서, 상기 감압 수단은 상기 제1 및 제2 전해질들의 총 부피의 0.001% 및 10% 사이의 부피를 갖는 산화환원 배터리.
  7. 제1항에 있어서, 상기 산화환원 배터리는, 상기 제1 및 제2 전해질들이, 상기 양극 및 음극 전해질 저장소 사이의 삼투압 차이 또는 상기 제1 및 제2 산화환원 쌍 각각에 대한 상기 제1 및 제2 전해질 중 하나 또는 모두의 친화도에 의하여 상기 제1 및 제2 하프 셀들 내에서 자체적으로 순환하도록 구성된 산화환원 배터리.
  8. 제1항에 있어서, 각각이 상기 제1 하프 셀, 상기 제2 하프 셀 및 상기 이온 교환막을 포함하는 복수의 산화환원 배터리 셀들을 더 포함하고, 상기 산화환원 배터리 셀들은 서로 전기적으로 연결되는 산화환원 배터리.
  9. 제8항에 있어서, 상기 산화환원 배터리 셀들이 적층되어 있는 산화환원 배터리.
  10. 제8항에 있어서, 상기 산화환원 배터리 셀들은 반경 방향으로 적층된 동심 원통형 쉘(shell)들로 구성되는 산화환원 배터리.
  11. 제1항에 있어서, 상기 양전극은 상기 제1 산화환원 반쪽 반응에 참여하지 않고, 상기 음전극은 상기 제2 산화환원 반쪽 반응에 참여하지 않는 산화환원 배터리.
  12. 제1항에 있어서, 상기 제1 하프 셀, 상기 제2 하프 셀 및 상기 이온 교환막은, 케이싱으로 밀폐된 산화환원 배터리 셀을 정의하는 산화환원 배터리.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 양극 전해질 저장소는 상기 제1 하프 셀을 위한 상기 제1 전해질의 실질적인 전체 부피를 저장하고,
    상기 음극 전해질 저장소는 상기 제2 하프 셀을 위한 상기 제2 전해질의 실질적인 전체 부피를 저장하는 산화환원 배터리.
  14. 제1항에 있어서, 상기 제1 전해질 또는 상기 제2 전해질을 순환시키기 위한 펌핑 장치를 포함하지 않는 산화환원 배터리.
  15. 제1항에 있어서, 상기 양극 전해질 저장소 및 상기 음극 전해질 저장소의 두께-상기 이온 교환막의 표면에 수직인 방향의 두께-가 20cm를 초과하지 않는 산화환원 배터리.
  16. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 전해질은 황산이 용해된 수용액인 산화환원 배터리.
  17. 제1항에 있어서, 상기 감압 수단은 상기 양극 및 음극 전해질 저장소 중 더 높은 압력을 갖는 전해질 저장소로부터 더 낮은 압력을 갖는 전해질 저장소로 상기 제1 또는 제2 전해질을 전달하는 산화환원 배터리.
  18. 제1항에 있어서, 상기 감압 수단은 상기 양극 및 음극 전해질 저장소들의 하나로부터 다른 하나로 일어나는 전해질 크로스오버의 양보다 적거나 같은 양의 상기 제1 및 제2 전해질들을 전달하는 산화환원 배터리.
  19. 양전극에 접촉하고, 제1 산화환원 반쪽 반응이 일어나도록 구성된 제1 산화환원 쌍이 내부에 용해된, 제1 전해질을 포함한 양극 전해질 저장소를 포함하는 제1 하프 셀;
    음전극에 접촉하고, 제2 산화환원 반쪽 반응이 일어나도록 구성된 제2 산화환원 쌍이 내부에 용해된, 제2 전해질을 포함한 음극 전해질 저장소를 포함하는 제2 하프 셀;
    상기 양극 전해질 저장소와 상기 음극 전해질 저장소를 분리하는 이온 교환막; 및
    상기 제1 및 제2 전해질들을 혼합하는 감압 수단을 포함하는 산화환원 배터리.
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