KR20240074443A - 레독스 흐름 전지 - Google Patents

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KR20240074443A
KR20240074443A KR1020220156531A KR20220156531A KR20240074443A KR 20240074443 A KR20240074443 A KR 20240074443A KR 1020220156531 A KR1020220156531 A KR 1020220156531A KR 20220156531 A KR20220156531 A KR 20220156531A KR 20240074443 A KR20240074443 A KR 20240074443A
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권용재
신민규
현규환
임현수
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서울과학기술대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은, 레독스 흐름 전지에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지는, 양극 및 양극 전해액을 포함하는 양극셀; 음극 및 음극 전해액을 포함하는 음극셀; 및 상기 양극셀과 음극셀 사이에 위치하는 이온 교환막;을 포함하고, 상기 양극 전해액은 양의 전해질, 양극 활물질 및 양극 전자전달 매개체를 포함하고, 상기 음극 전해액은 음의 전해질 및 음극 활물질을 포함한다.

Description

레독스 흐름 전지{REDOX FLOW BATTERY}
본 발명은 레독스 흐름 전지에 관한 것이다.
온실효과의 주범인 이산화탄소 없이 지속 가능한 발전을 위하여 종래 사용되던 화석 연료를 이용한 전력 생산을 탈피하고 태양, 바람, 지열 등과 같이 풍부하고 재생 가능한 에너지원을 사용하는 방안이 각광을 받고 있다. 하지만 이러한 에너지원은 재생이 가능할 뿐 사시사철 에너지가 지속적으로 공급되지 않는다는 큰 단점을 지니고 있다.
이에 따라 발생되는 발전의 간헐성, 전력 품질의 불균일성 등을 해결하기 위한 에너지 저장장치(Energy Storage System ; ESS)의 중요성이 함께 증대되고 있다. ESS가 신재생에너지와 맞물려 작동하기 위해서는 대용량, 고안전성 반드시 가져가야 할 특성인데, 본 두 가지 특성을 모두 갖춘 ESS가 수계에서 작동하는 레독스 흐름전지(Redox Flow Battery; RFB)이다.
RFB는 활물질(Active material)과 전해액(Electrolyte) 종류에 따라 원하는 전압과 용량을 자유롭게 설정할 수 있다는 장점이 있다. 또한 전극 자체가 반응하는 것이 아니기 때문에 전극의 수명을 증가시킬 수 있다. 이러한 RFB의 성능에 영향을 주는 핵심요소는 크게 전극, 이온교환막 그리고 전해액과 그에 녹아있는 활물질이다. 특히, 활물질은 전지의 전압, 용량, 전해액 조건 등 레독스 흐름전지의 핵심 특성을 결정하는 중요한 요소이다.
가장 대중적으로 알려진 RFB는 음극, 양극 모두 바나듐 활물질을 사용하는 올 바나듐 레독스 흐름전지(V-RFB)이다. 성능이 준수하나 활물질(바나듐)의 가격이 비싸고 전압 측면에서 한계를 가진다는 점에서 개선이 필요하다. 레독스 흐름전지의 성능 향상과 비용의 절감을 위하여 철을 기반으로 하는 활물질이 다양하게 연구되고 있다.
철을 기반으로 하는 레독스 흐름전지(Fe-RFB)는 음극과 양극의 전위 차이를 만들기 위해서 철 이온과 다양한 배위 화합물과 결합시켜 음극 활물질과 양극 활물질의 전위 차이를 발생시키는 방법이 사용되고 있다.
Fe-RFB의 양극으로는 페로시안화칼륨(Ferrocyanide)이 가장 대중적으로 사용되고 있다. 페로시안화칼륨은 Fe3+와 CN-의 배위 화합물로 현재까지 수계에서 사용할 수 있는 가장 높은 + 전위를 갖는 양극 활물질이다. 하지만, 용해도나 음전위 값이 우수한 음극 활물질이 개발된다 하더라도 양극 활물질인 페로시안화칼륨 자체 용해도가 낮아 배터리의 용량을 키우는데 한계가 존재한다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 양극의 활물질 및 양극 전자전달 매개체를 이용하여 배터리의 용량을 증가시킨 레독스 흐름 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 분야 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지는, 양극 및 양극 전해액을 포함하는 양극셀; 음극 및 음극 전해액을 포함하는 음극셀; 및 상기 양극셀과 음극셀 사이에 위치하는 이온 교환막;을 포함하고, 상기 양극 전해액은 양의 전해질, 양극 활물질 및 양극 전자전달 매개체를 포함하고, 상기 음극 전해액은 음의 전해질 및 음극 활물질을 포함한다.
일 실시형태에 있어서, 상기 양극 활물질은 산소를 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 양극 전자전달 매개체는, BIS-TRIS (2-비스(2-히드록시에틸)아미노-2-(히드록시메틸)-1,3-프로판디올), MES (2-(N-모르폴리노)에탄설폰산), ADA (N-(2-아세트아미도) 이미노디아세트산), PIPES (피페라진-N,N'-비스(2-에탄설폰산), ACES (N-(2-아세트아미도)-2-아미노에탄설폰산), BES (N,N-비스(2-히드록시에틸)-2-아미노에탄설폰산), MOPS (3-(N-모르폴리노) 프로판설폰산), TES (N-트리스(히드록시메틸)메틸-2-아미노에탄설폰산), HEPES (N-2-히드록시에틸-피페라진-N'-2-에탄설폰산), DIPSO (3-(N,N-비스[2-하이드로에틸]아미노)-2-하이드록시프로판설포닉산), TEA (트리에탄올아민) 및 TiPA (트리이소프로판올아민)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나; 및 코발트(Co)계 물질;의 혼합물인 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 음극 활물질은, BIS-TRIS (2-비스(2-히드록시에틸)아미노-2-(히드록시메틸)-1,3-프로판디올), MES (2-(N-모르폴리노)에탄설폰산), ADA (N-(2-아세트아미도) 이미노디아세트산), PIPES (피페라진-N,N'-비스(2-에탄설폰산), ACES (N-(2-아세트아미도)-2-아미노에탄설폰산), BES (N,N-비스(2-히드록시에틸)-2-아미노에탄설폰산), MOPS (3-(N-모르폴리노) 프로판설폰산), TES (N-트리스(히드록시메틸)메틸-2-아미노에탄설폰산), HEPES (N-2-히드록시에틸-피페라진-N'-2-에탄설폰산), DIPSO (3-(N,N-비스[2-하이드로에틸]아미노)-2-하이드록시프로판설포닉산), TEA (트리에탄올아민) 및 TiPA (트리이소프로판올아민)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나; 및 철(Fe)계 물질;의 혼합물인 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 레독스 흐름 전지 충전 시, 상기 양극에서는 산소 발생 반응(Oxygen Evolution Reaction)이 발생하고, 상기 음극에서는 활물질의 환원 반응이 발생하고, 상기 레독스 흐름 전지 방전 시, 상기 양극에서는 양극 전자전달 매개체의 환원 반응이 발생하고, 상기 음극에서는 활물질의 산화반응이 발생하고, 상기 양극에 산소 주입 시 환원된 양극 전자전달 매개체는 전해질 저장 탱크에서 산소와 반응하여 다시 충전상태로 돌아오게 되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지는, 양극의 활물질로서 산소를 사용하여 배터리의 용량을 증가시킬 수 있다. 종래의 양극 활물질로서 사용한 용해도가 낮은 페로시안화칼륨(Ferrocyanide)에 비하여, 산소는 지속적인 공급이 가능해 음극 활물질의 최대 용해도까지 사용, 배터리 용량을 증가시킬 수 있다. 또한, 고용량으로 구동 가능한 Fe-RFB 설계가 가능하며, Fe-RFB 활용도를 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름전지의 구성을 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름전지의 작동원리 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 레독스 흐름 전지의 쿨롱 효율, 에너지 효율 및 용량을 나타낸 그래프이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다.
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
이하, 본 발명의 레독스 흐름 전지에 대하여 실시예 및 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명이 이러한 실시예 및 도면에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지는, 양극 및 양극 전해액을 포함하는 양극셀; 음극 및 음극 전해액을 포함하는 음극셀; 및 상기 양극셀과 음극셀 사이에 위치하는 이온 교환막;을 포함하고, 상기 양극 전해액은 양의 전해질, 양극 활물질 및 양극 전자전달 매개체를 포함하고, 상기 음극 전해액은 음의 전해질 및 음극 활물질을 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름전지의 구성을 나타낸 개략도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름전지(100)는, 양극(110) 및 양극 전해액(142)을 포함하는 양극셀과, 음극(120) 및 음극 전해액(152)을 포함하는 음극셀과, 상기 양극셀과 음극셀 사이에 위치하는 이온 교환막(130)을 포함한다.
일 실시형태에 있어서, 상기 레독스 흐름전지(100)가 상기 양극 전해액(142)을 상기 양극셀에 공급하는 양극 전해액 탱크(140); 및 상기 음극 전해액(152)을 상기 음극셀에 공급하는 음극 전해액 탱크(150);를 포함할 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 양극 전해액(142)은 양의 전해질, 양극 활물질 및 양극 전자전달 매개체를 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 양극 활물질은 산소를 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 산소는 "공기(air)"로부터 공급받는 것일 수 있다. 상기 공기는 대기 공기로 제한되는 것은 아니며, 산소를 포함하는 기체의 조합, 또는 순수 산소 기체를 포함할 수 있다.
상기 양극 활물질을 산소를 사용할 경우 수계에서 사용할 수 있는 최대 양전위를 사용할 수 있기 때문에 전위 측면에서 큰 장점을 갖고 있다. 그러나, 산소의 전기화학반응은 과전압이 크다는 단점이 존재하여 실제로 얻을 수 있는 전압은 이론치에 크게 미치지 못한다. 본 발명에서는 양극 전자전달 매개체를 사용하여, 산소의 전위를 희생하여, 과전압을 해결하는 방식을 적용할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름전지의 작동원리 설명하는 도면이다.
도 2를 참조하면, 양극의 활물질을 산소로 사용할 경우 환원반응의 과전압 (빗금 부분)이 커져 배터리의 전압이 작아진다 (기존 전압). 이를 개선하기 위해 산소환원 반응의 과전압과 산소반응 사이의 전위를 가지는 양극 전자전달 매개체를 사용하여 배터리의 전압을 개선할 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 양극(110)은 제1 집전체(112) 상에 형성되고, 상기 음극(120)은 제2 집전체(122) 상에 형성된다.
일 실시형태에 있어서, 상기 제1 집전체(112), 제2 집전체(122)로서는 산소의 확산을 신속하게 하기 위하여 망상 또는 메시 모양 등의 다공체를 이용할 수 있으며, 스테인레스강, 니켈, 알루미늄 등의 다공성 금속판 또는 다공성 카본 페이퍼(carbon paper) 등을 사용할 수 있으나 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 집전체로 사용될 수 있는 것이라면 모두 가능하다. 상기 집전체는 산화를 방지하기 위하여 내산화성의 금속 또는 합금 피막으로 피복될 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 산소를 양극 활물질로 사용하는 양극은 도전성 재료를 포함할 수 있다. 상기 도전성 재료는 다공성일 수 있다. 따라서, 상기 도전성 재료로는 다공성 및 도전성을 갖는 것이라면 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어, 다공성을 갖는 탄소계 물질을 사용할 수 있다. 이와 같은 탄소계 물질로는 카본 블랙, 그래파이트, 그래핀, 탄소나노튜브, 활성탄, 탄소섬유 등을 사용할 수 있다. 또한, 상기 도전성 재료로는 금속 섬유, 금속 메쉬 등의 금속성 도전성 재료; 구리, 은, 니켈, 알루미늄 등의 금속성 분말; 또는 폴리페닐렌 유도체 등의 유기 도전성 재료도 사용할 수 있다. 상기 도전성 재료들은 단독 또는 혼합하여 사용될 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 양극 전자전달 매개체는, BIS-TRIS (2-비스(2-히드록시에틸)아미노-2-(히드록시메틸)-1,3-프로판디올), MES (2-(N-모르폴리노)에탄설폰산), ADA (N-(2-아세트아미도) 이미노디아세트산), PIPES (피페라진-N,N'-비스(2-에탄설폰산), ACES (N-(2-아세트아미도)-2-아미노에탄설폰산), BES (N,N-비스(2-히드록시에틸)-2-아미노에탄설폰산), MOPS (3-(N-모르폴리노) 프로판설폰산), TES (N-트리스(히드록시메틸)메틸-2-아미노에탄설폰산), HEPES (N-2-히드록시에틸-피페라진-N'-2-에탄설폰산), DIPSO (3-(N,N-비스[2-하이드로에틸]아미노)-2-하이드록시프로판설포닉산), TEA (트리에탄올아민) 및 TiPA (트리이소프로판올아민)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나; 및 코발트(Co)계 물질;의 혼합물인 것일 수 있다.
바람직하게는, 상기 양극 전자전달 매개체는, Co(TiPa)인 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 음극 활물질은, BIS-TRIS (2-비스(2-히드록시에틸)아미노-2-(히드록시메틸)-1,3-프로판디올), MES (2-(N-모르폴리노)에탄설폰산), ADA (N-(2-아세트아미도) 이미노디아세트산), PIPES (피페라진-N,N'-비스(2-에탄설폰산), ACES (N-(2-아세트아미도)-2-아미노에탄설폰산), BES (N,N-비스(2-히드록시에틸)-2-아미노에탄설폰산), MOPS (3-(N-모르폴리노) 프로판설폰산), TES (N-트리스(히드록시메틸)메틸-2-아미노에탄설폰산), HEPES (N-2-히드록시에틸-피페라진-N'-2-에탄설폰산), DIPSO (3-(N,N-비스[2-하이드로에틸]아미노)-2-하이드록시프로판설포닉산), TEA (트리에탄올아민) 및 TiPA (트리이소프로판올아민)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나; 및 철(Fe)계 물질;의 혼합물인 것일 수 있다.
바람직하게는, 상기 음극 활물질은, Fe(BIS-TRIS)인 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 이온 교환막(130)은, 나피온계, 다공성 유무기소재, 폴리올레핀, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리에테르에테르케톤, 폴리술폰, 폴리이미드 및 폴리아미드이미드로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
바람직하게는, 상기 이온 교환막(130)은, 나피온계를 포함할 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 레독스 흐름 전지 충전 시, 상기 양극에서는 산소 발생 반응(Oxygen Evolution Reaction)이 발생하고, 상기 음극에서는 활물질의 환원 반응이 발생한다.
일 실시형태에 있어서, 상기 레독스 흐름 전지 방전 시, 상기 양극에서는 양극 전자전달 매개체의 환원 반응이 발생하고, 상기 음극에서는 활물질의 산화반응이 발생하고, 상기 양극에 산소 주입 시 환원된 양극 전자전달 매개체는 전해질 저장 탱크에서 산소와 반응하여 다시 충전상태로 돌아오게 되는 것일 수 있다.
예를 들어, 음극 활물질로서 Fe(BIS-TRIS) (-1.3 V vs. SHE)를 사용하고 양극 활물질로서 산소 (0.2 V vs. SHE), 양극 전자전달 매개체로서 Co(TiPA) (-0.35 V vs. SHE)를 사용할 때 충방전 메커니즘은 아래와 같다 (전해질 조건 pH 14).
충전 시
음극 : Fe(Ⅲ)(BIS-TRIS) + e- → Fe(Ⅱ)(BIS-TRIS)
양극 : 4OH- → O2 + 2H2O + 4e-
방전 시
음극 : Fe(Ⅱ)(BIS-TRIS) → Fe(Ⅲ)(BIS-TRIS) + e-
양극 : Co(Ⅲ)(TiPA) + e- → Co(Ⅱ)(TiPA)Co(Ⅱ)(TiPA) + O2 + 2H2O → Co(Ⅲ)(TiPA) + 4OH-
충전할 때 음극에서는 활물질의 환원반응이 발생(Fe3+ → Fe2+)하며 양극에서는 산소 발생 반응(Oxygen Evolution Reaction)이 발생한다. 방전할 때 음극에서는 활물질의 산화반응이 발생 (Fe2+ → Fe3+)하고, 양극에서는 양극 전자전달 매개체의 환원 (Co3+ → Co2+) 반응이 발생하게 된다. 이때 양극에 산소를 주입할 경우, 환원된 양극 전자전달 매개체(Co2+)는 전해질 저장 탱크에서 산소와 반응하여 다시 충전상태로 돌아오게 된다 (Co2+ + O2 → Co3+). 상기 순환 과정에 의하여 배터리의 용량은 음극 용량에 의하여 결정되게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지는, 양극의 활물질로서 산소를 사용하여 배터리의 용량을 증가시킬 수 있다. 종래의 양극 활물질로서 사용한 용해도가 낮은 페로시안화칼륨(Ferrocyanide)에 비하여, 산소는 지속적인 공급이 가능해 음극 활물질의 최대 용해도까지 사용, 배터리 용량을 증가시킬 수 있다. 또한, 고용량으로 구동 가능한 Fe-RFB 설계가 가능하며, Fe-RFB 활용도를 증가시킬 수 있다.
이하, 하기 실시예 및 비교예를 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상이 그에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
양극/음극 전해액 제조
음극 활물질은 Fe(BIS-TRIS) 0.5 M, 양극 활물질은 산소를 사용하였고, 양극 전저전달 매개체로서 Co(TiPA)를 사용하였다.
양극 전해액의 경우 2.55 M의 KOH를 포함하는 용액 20 mL, 음극 전해액의 경우 2.55 M의 KOH를 포함하는 용액 20 mL를 사용하였다.
레독스 흐름 전지 조립
음극의 전극은 그래파이트 펠트, 양극의 전극은 니켈 폼과 그래파이트 펠트, 분리막은 Dupont 사의 Nafion 212를 사용하며 전극 면적은 2 cm2 × 2 cm2로 하였다.
음극의 쌍전극판(Bipolar plate)은 탄소(carbon)를 사용하고 양극의 쌍전극판(Bipolar plate)은 백금 코팅된 티타늄을 사용하였다. 음극 및 양극의 집전장치는 금이 코팅된 구리판을 사용하였다.
전지는 30 토크까지 5씩 늘려가며 체결하였다.
음극 활물질로서 Fe(BIS-TRIS) (-1.3 V vs. SHE)를 사용하고 양극 활물질로서 산소 (0.2 V vs. SHE), 양극 전자전달 매개체로서 Co(TiPA) (-0.35 V vs. SHE)를 사용할 때 충방전 메커니즘은 아래와 같다 (전해질 조건 pH 14).
충전 시
음극 : Fe(Ⅲ)(BIS-TRIS) + e- → Fe(Ⅱ)(BIS-TRIS)
양극 : 4OH- → O2 + 2H2O + 4e-
방전 시
음극 : Fe(Ⅱ)(BIS-TRIS) → Fe(Ⅲ)(BIS-TRIS) + e-
양극 : Co(Ⅲ)(TiPA) + e- → Co(Ⅱ)(TiPA), Co(Ⅱ)(TiPA) + O2 + 2H2O → Co(Ⅲ)(TiPA) + 4OH-
충전할 때 음극에서는 활물질의 환원반응이 발생(Fe3+ → Fe2+)하며 양극에서는 산소 발생 반응(Oxygen Evolution Reaction)이 발생한다. 방전할 때 음극에서는 활물질의 산화반응이 발생 (Fe2+ → Fe3+)하고, 양극에서는 양극 전자전달 매개체의 환원 (Co3+ → Co2+) 반응이 발생하게 된다. 이때 양극에 산소를 주입할 경우, 환원된 양극 전자전달 매개체(Co2+)는 전해질 저장 탱크에서 산소와 반응하여 다시 충전상태로 돌아오게 된다 (Co2+ + O2 → Co3+). 상기 순환 과정에 의하여 배터리의 용량은 음극 용량에 의하여 결정되게 된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 레독스 흐름 전지의 쿨롱 효율, 에너지 효율 및 용량을 나타낸 그래프이다.
이를 통해, 본 발명의 실시예에 따른 레독스 흐름 전지는, 양극 활물질로서 산소를 사용하고, 양극 전자전달 매개체로서 코발트 착제를 첨가함으로써, 양극의 용해도 한계를 해결하여 배터리의 부피당 용량을 증가시킬 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.
100: 레독스 흐름전지
110: 양극
112: 제1 집전체
120: 음극
122: 제2 집전체
130: 이온 교환막
140: 양극 전해액 탱크
142: 양극 전해액
150: 음극 전해액 탱크
152: 음극 전해액

Claims (5)

  1. 양극 및 양극 전해액을 포함하는 양극셀;
    음극 및 음극 전해액을 포함하는 음극셀; 및
    상기 양극셀과 음극셀 사이에 위치하는 이온 교환막;
    을 포함하고,
    상기 양극 전해액은 양의 전해질, 양극 활물질 및 양극 전자전달 매개체를 포함하고,
    상기 음극 전해액은 음의 전해질 및 음극 활물질을 포함하는 것인,
    레독스 흐름 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 양극 활물질은 산소를 포함하는 것인,
    레독스 흐름 전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 양극 전자전달 매개체는,
    BIS-TRIS (2-비스(2-히드록시에틸)아미노-2-(히드록시메틸)-1,3-프로판디올), MES (2-(N-모르폴리노)에탄설폰산), ADA (N-(2-아세트아미도) 이미노디아세트산), PIPES (피페라진-N,N'-비스(2-에탄설폰산), ACES (N-(2-아세트아미도)-2-아미노에탄설폰산), BES (N,N-비스(2-히드록시에틸)-2-아미노에탄설폰산), MOPS (3-(N-모르폴리노) 프로판설폰산), TES (N-트리스(히드록시메틸)메틸-2-아미노에탄설폰산), HEPES (N-2-히드록시에틸-피페라진-N'-2-에탄설폰산), DIPSO (3-(N,N-비스[2-하이드로에틸]아미노)-2-하이드록시프로판설포닉산), TEA (트리에탄올아민) 및 TiPA (트리이소프로판올아민)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나; 및
    코발트(Co)계 물질;
    의 혼합물인 것인,
    레독스 흐름 전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 음극 활물질은,
    BIS-TRIS (2-비스(2-히드록시에틸)아미노-2-(히드록시메틸)-1,3-프로판디올), MES (2-(N-모르폴리노)에탄설폰산), ADA (N-(2-아세트아미도) 이미노디아세트산), PIPES (피페라진-N,N'-비스(2-에탄설폰산), ACES (N-(2-아세트아미도)-2-아미노에탄설폰산), BES (N,N-비스(2-히드록시에틸)-2-아미노에탄설폰산), MOPS (3-(N-모르폴리노) 프로판설폰산), TES (N-트리스(히드록시메틸)메틸-2-아미노에탄설폰산), HEPES (N-2-히드록시에틸-피페라진-N'-2-에탄설폰산), DIPSO (3-(N,N-비스[2-하이드로에틸]아미노)-2-하이드록시프로판설포닉산), TEA (트리에탄올아민) 및 TiPA (트리이소프로판올아민)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나; 및
    철(Fe)계 물질;
    의 혼합물인 것인,
    레독스 흐름 전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 레독스 흐름 전지 충전 시,
    상기 양극에서는 산소 발생 반응(Oxygen Evolution Reaction)이 발생하고,
    상기 음극에서는 활물질의 환원 반응이 발생하고,
    상기 레독스 흐름 전지 방전 시,
    상기 양극에서는 양극 전자전달 매개체의 환원 반응이 발생하고,
    상기 음극에서는 활물질의 산화반응이 발생하고,
    상기 양극에 산소 주입 시 환원된 양극 전자전달 매개체는 전해질 저장 탱크에서 산소와 반응하여 다시 충전상태로 돌아오게 되는 것인,
    레독스 흐름 전지.
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