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KR102858835B1 - 유동 전지 - Google Patents

유동 전지

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KR102858835B1
KR102858835B1 KR1020220084831A KR20220084831A KR102858835B1 KR 102858835 B1 KR102858835 B1 KR 102858835B1 KR 1020220084831 A KR1020220084831 A KR 1020220084831A KR 20220084831 A KR20220084831 A KR 20220084831A KR 102858835 B1 KR102858835 B1 KR 102858835B1
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KR
South Korea
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electrode
electrolyte
channel plate
sectional area
inlet
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KR1020220084831A
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김정명
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국립창원대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명의 실시예는 다공질 전극의 구조적 최적화를 통하여 전기화학적 성능을 향상할 수 있는 유동 전지에 관한 것이다. 이를 위해, 본 발명의 실시예는 분리막; 상기 분리막을 기준으로 일측면과 타측면에 대향되게 구비되는 양극 전극 및 음극 전극; 및 상기 양극 전극 및 상기 음극 전극이 각각 배치되는 개구부가 중앙에 형성되고, 상기 개구부를 기준으로 상호 대향된 측에 각각 형성되어 상기 개구부를 가로질러 전해액이 유동되는 경로를 형성하는 유입유로 및 유출유로를 갖는 양극 채널 플레이트 및 음극 채널 플레이트;를 포함하며, 상기 양극 전극 및 상기 음극 전극은, 상기 전해액이 유동되는 방향과 수직한 방향을 따른 각 단면적 전체가, 상기 해당 단면적의 길이방향을 따른 상기 유입유로 또는 상기 유출유로의 길이와 대응되는 부분의 단면적보다 140 ~ 180% 더 크게 형성되는, 유동 전지가 제공된다.

Description

유동 전지 {FLOW BATTERY}
본 발명의 실시예는 다공질 전극의 구조적 최적화를 통하여 전기화학적 성능을 향상할 수 있는 유동 전지에 관한 것이다.
일반적으로 대용량의 전력저장을 위한 이차전지로서 유동 전지(Flow Battery)는 유지보수 비용이 적고 상온에서 작동 가능하며, 용량과 출력을 독립적으로 설계할 수 있는 특징이 있기 때문에 최근 대용량 이차전지로서 많은 연구가 진행되고 있다.
이하, 도면을 참조하여 종래 기술에 따른 유동 전지를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래 기술에 따른 유동 전지를 개략적으로 나타낸 분해 사시도이고, 도 2는 도 1의 채널 플레이트 내의 전해액 유동 및 활성 영역을 개략적으로 나타낸 구성도이며, 도 3은 도 2의 활성 영역의 전압 분포를 나타낸 도면이다.
먼저, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 종래 기술에 따른 유동 전지(1)는, 분리막(10)과, 상기 분리막(10)의 양측에 대향되게 각각 구비되는 양극 전극(21)과 음극 전극(22), 그리고 상기 양극 전극(21)과 상기 음극 전극(22)이 각각 배치되는 개구부(31a, 32a)가 중앙에 형성되고 상기 개구부(31a, 32a)를 기준으로 상호 대향된 측에 각각 형성되어 상기 개구부(31a, 32a)를 가로질러 전해액이 유동되는 경로를 형성하는 유입유로(31b, 32b) 및 유출유로(31c, 32c)를 갖는 양극 채널 플레이트(31) 및 음극 채널 플레이트(32)와, 상기 양극 채널 플레이트(31)의 양측면 및 상기 음극 채널 플레이트(32)의 양측면에 각각 구비되어 각 채널 플레이트를 유동하는 전해액의 누설을 방지하기 위한 복수의 가스킷(41a, 41b, 42a, 42b)과, 상기 복수의 가스킷 중 상기 분리막(10)을 기준으로 바깥쪽 가스킷(41b, 42b)에 유동 전지(1) 내부 전기적인 연결을 위해 각각 구비되는 분리판(51, 52)과, 상기 바깥쪽 가스킷(41b, 42b)의 반대측 각 분리판(51, 52)에 구비되어 유동 전지(1)를 외부 회로(미도시)에 전기적으로 연결시키는 양극 전류 수집기(61) 및 음극 전류 수집기(62)와, 상기 양극 채널 플레이트(31) 및 상기 음극 채널 플레이트(32)와 각각 결합되어 유동 전지(1)의 외관을 형성하는 전지셀 조립용 프레임(71, 72)를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기 양극 채널 플레이트(31)의 일측 모서리 및 상기 음극 채널 플레이트(32)의 일측 모서리에는 각 유입유로(31b, 32b)와 유입연결로(31b-1, 32b-1)를 통해 연결되어 외부 전해액 탱크(미도시)로부터 전해액이 공급되기 위한 유입구(31b-2, 32b-2)가 각각 형성될 수 있다.
또한, 상기 유입구(31b-2, 32b-2)가 형성된 모서리와 대각선 측 양극 채널 플레이트(31)의 타측 모서리 및 음극 채널 플레이트(32)의 타측 모서리에는 각 유출유로(31c, 32c)와 유출연결로(31c-1, 32c-1)를 통해 연결되어 해당 전극(21, 22)과 전기화학 반응을 마친 전해액을 외부 전해액 탱크로 이동시키기 위한 유출구(31c-2, 32c-2)가 각각 형성될 수 있다.
상기 전해액과 각 전극(21 or 22) 간이 전기화학 반응을 설명하면, 도 2에 도시된 바와 같이, 먼저 외부 전해액 탱크로부터 전해액이 유입구(31b-2, 32b-2)로 공급된다.
그리고, 상기 유입구(31b-2, 32b-2)로 공급된 전해액은 상기 유입연결로(31b-1, 32b-1)를 거쳐 유입유로(31b, 32b)에 가득 차게 되며, 상기 유입유로(31b, 32b)에 전해액이 빈 공간없이 다 차게 되면 전극(21, 22)으로 유동이 진행된다.
이렇게 상기 전극(21, 22)으로 유입된 전해액은 전극 표면에서 전기화학 반응을 하게 되며, 이때 상기 전기화학 반응을 하는 전극 표면 영역을 활성영역이라 하는데 상기 활성영역에서 생성된 전자는 사람이 사용할 수 있는 전기 에너지를 만들 수 있다.
상기와 같이 전극(21, 22)과의 전기화학 반응을 완료한 전해액은 유출유로(31c, 32c)로 이동하고, 상기 유출유로(31c, 32c)로 이동된 전해액은 유출연결로(31c-1, 32c-1)를 거쳐 유출구(31c-2, 32c-2)를 통해 외부 전해액 탱크로 배출될 수 있다.
그러나, 도 3에 도시된 바와 같이, 종래 유동 전지(1)는 활성영역의 우측하단과 좌측하단 즉, 유입유로(31b, 32b)에 인접한 부위로 전해액의 유동이 집중되어 활성영역의 상단부 즉, 유출유로(31c, 32c)에 인접한 부위에서는 전해액의 전기화학적 반응이 미비한 문제점이 있었다.
이는, 상기 유입유로(31b, 32b)에 가까운 활성영역에서 전기화학 반응을 완료한 전해액은 상기 유출유로(31c, 32c)로 나갈 때까지 더 이상 전기화학 반응을 할 수 없으며, 이에 의해 상기 유출유로(31c, 32c)와 가까운 활성영역인 전극 표면에서는 비가역적 반응이 야기되기 때문이다.
대한민국 등록특허공보 제10-1870270호 (2018.06.18.)
본 발명의 실시예는 다공질 전극의 구조를 최적화하여 전기 에너지를 충전 또는 방전하는 역할을 담당하는 유동 전지의 활성 영역에서 균일한 전해액을 공급하여 전해액의 유동 특성을 개선함으로써 에너지 용량 향상과 수명 증대 및 안정성 확보 등 전기화학적 성능을 높일 수 있는 유동 전지를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 분리막; 상기 분리막의 일측면과 타측면에 대향되게 각각 구비되는 양극 전극 및 음극 전극; 및 상기 양극 전극과 상기 음극 전극이 각각 배치되는 개구부가 중앙에 형성되고, 상기 개구부를 기준으로 상호 대향된 측에 각각 형성되어 상기 개구부를 가로질러 전해액이 유동되는 경로를 형성하는 유입유로 및 유출유로를 갖는 양극 채널 플레이트 및 음극 채널 플레이트;를 포함하며, 상기 양극 전극 및 상기 음극 전극은, 상기 전해액이 유동되는 방향과 수직한 방향을 따른 각 단면적 전체가, 상기 해당 단면적의 길이방향을 따른 상기 유입유로 또는 상기 유출유로의 길이와 대응되는 부분의 단면적보다 140 ~ 180% 더 크게 형성되는, 유동 전지가 제공된다.
여기서, 상기 양극 전극 및 상기 음극 전극은, 상기 유입유로 또는 상기 유출유로의 길이를 기준으로 양측으로 동일한 비율로 단면적이 증가되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 유입유로는, 상기 각 채널 플레이트의 인접한 모서리에 형성된 유입구와 유입연결로를 통해 연결될 수 있으며; 상기 유출유로는, 상기 각 채널 플레이트의 인접한 모서리 중 상기 유입구와 대각선에 위치하는 모서리에 형성된 유출구와 유출연결로를 통해 연결될 수 있다.
또한, 상기 양극 전극 및 상기 음극 전극은, 다공질(다공성)로 이루어질 수 있다.
한편, 상기 각 전극을 기준으로 상기 각 채널 플레이트의 양측면에는 전해액 누설을 방지하기 위한 가스킷이 각각 구비될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 활성 영역에서 전해액의 유동 특성을 개선하여 활성영역으로 보다 균일한 물질 전달 성능을 제공함으로써 전지의 에너지용량을 향상할 수 있고 전지의 수명을 증대할 수 있으며 전지의 성능 안정성 확보가 가능한 이점이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 유동 전지를 개략적으로 나타낸 분해 사시도
도 2는 도 1의 채널 플레이트 내의 전해액 유동 및 활성 영역을 개략적으로 나타낸 구성도
도 3은 도 2의 활성 영역의 전압 분포를 나타낸 도면
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유동 전지를 개략적으로 나타낸 분해 사시도
도 5는 도 4의 양극 전극 또는 음극 전극을 나타낸 평면도
도 6은 도 4의 채널 플레이트 내의 전해액 유동 및 활성 영역을 개략적으로 나타낸 구성도
도 7은 도 5의 활성 영역의 전압 분포를 나타낸 도면
도 8a 및 도 8b는 종래 유동 전지와 본 실시예의 유동 전지의 전기화학적 성능을 나타낸 그래프
도 9는 종래 유동 전지와 본 실시예의 유동 전지의 방전 용량 유지 성능을 비교하여 나타낸 그래프
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 이하의 상세한 설명은 본 명세서에서 기술된 방법, 장치 및/또는 시스템에 대한 포괄적인 이해를 돕기 위해 제공된다. 그러나 이는 예시에 불과하며 개시되는 실시예들은 이에 제한되지 않는다.
실시예들을 설명함에 있어서, 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 개시되는 실시예들의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 개시되는 실시예들에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 실시예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유동 전지를 개략적으로 나타낸 분해 사시도이고, 도 5는 도 4의 양극 전극 또는 음극 전극을 나타낸 평면도이며, 도 6은 도 4의 채널 플레이트 내의 전해액 유동 및 활성 영역을 개략적으로 나타낸 구성도이다. 그리고, 도 7은 도 5의 활성 영역의 전압 분포를 나타낸 도면이고, 도 8a 및 도 8b는 종래 유동 전지와 본 실시예의 유동 전지의 전기화학적 성능을 나타낸 그래프이며, 도 9는 종래 유동 전지와 본 실시예의 유동 전지의 방전 용량 유지 성능을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유동 전지(100)는, 크게 분리막(110)과, 상기 분리막(110)의 양측에 대향되게 각각 구비되는 양극 전극(121)과 음극 전극(122), 그리고 상기 상기 양극 전극(121)과 상기 음극 전극(122)이 각각 배치되는 개구부(131a, 132a)가 중앙에 형성되고 전해액이 유동하는 경로를 제공하는 양극 채널 플레이트(131) 및 음극 채널 플레이트(132), 그리고 상기 양극 채널 플레이트(131)의 양측면 및 상기 음극 채널 플레이트(132)의 양측면에 각각 구비되어 전해액의 누설을 방지하기 위한 복수의 가스킷(141a, 141b, 142a, 142b)과, 바깥쪽 가스킷(141b, 142b)에 각각 구비되는 분리판(151, 152)과, 상기 분리판(151, 152)에 각각 구비되는 양극 전류 수집기(161) 및 음극 전류 수집기(162), 그리고 상기 양극 채널 플레이트(131) 및 상기 음극 채널 플레이트(132)와 각각 결합되는 전지셀 조립용 프레임(171, 172)을 포함할 수 있다.
상기 양극 전극(121)과 상기 음극 전극(122)은, 표면적을 넓혀 전해액과의 전기화학 반응이 더 많이 일어나도록 다공질(다공성) 재질로 형성될 수 있다. 일 예로, 탄소계 재질의 다공성 입자로 이루어질 수 있다.
상기 양극 및 음극 채널 플레이트(131, 132)는 사각형 틀 구조로 형성될 수 있고, 상기 양극 및 음극 채널 플레이트(131)에는 상기 개구부(131a, 132a)를 기준으로 상호 대향된 측에 형성되어 상기 개구부(131a, 132a)를 가로질러 전해액이 유동되는 경로를 형성하는 유입유로(131b, 132b) 및 유출유로(131c, 132c)를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 양극 및 음극 채널 플레이트(131)의 일측 모서리에는 외부 전해액 탱크(미도시)로부터 전해액이 공급되는 유입구(131b-2, 132b-2)가 형성될 수 있고, 상기 유입유로(131b, 132b) 및 상기 유입구(131b-2, 132b-2)는 유입연결로(131b-1, 132b-1)를 통해 상호 연결될 수 있다.
또한, 상기 양극 및 음극 채널 플레이트(131, 132)의 타측 모서리 즉 상기 유입구(131b-2, 132b-2)가 형성된 모서리와 대각선을 이루는 모서리에는 외부 전해액 탱크로 전기화학 반응이 완료된 전해액을 배출하는 유출구(131c-2, 132c-2)가 형성될 수 있고, 상기 유출유로(131c, 132c) 및 상기 유출구(131c-2, 132c-2)는 유출연결로(131c-1, 132c-1)를 통해 상호 연결될 수 있다.
상기 복수의 가스킷(141a, 141b, 142a, 142b)은 중앙이 개구된 사각형 틀 구조로 형성될 수 있고, 상기 분리막(110)과 상기 양극 및 음극 채널 플레이트(131, 132)의 사이와 상기 양극 및 음극 채널 플레이트(131, 132) 및 분리판(151, 152) 사이에 각각 배치되어 이들 사이로 전해액이 누설되는 것을 방지할 수 있다.
상기 분리판(151, 152)은 상기 각 채널 플레이트(131, 132)의 개구부(131a, 132a)보다 큰 사이즈를 갖는 사각 플레이트 구조로 형성될 수 있고, 유동 전지(100)의 내부 전기적인 연결을 위해 전기 전도성 재질로 형성될 수 있다.
즉, 상기 분리판(151, 152)은 해당되는 각 전극(121, 122)과 양극 및 음극 전류 수집기(161, 162)를 전기적으로 연결할 수 있다.
상기 양극 및 음극 전류 수집기(161, 162)는, 유동 전지(100)를 외부 회로(미도시)에 전기적으로 연결시킬 수 있으며, 이에 전기 전도성 금속 재질로 형성될 수 있다.
이때, 상기 외부 회로는 유동 전지(100)에 전력을 저장시키는 외부 전력발생장치 또는 유동 전지(100)에 저장된 전력을 제공받는 외부 로드 등을 포함할 수 있다.
상기 전지셀 조립용 프레임(171, 172)은 상기 양극 및 음극 전류 수집기(161, 162)를 사이에 두고 상호 마주보도록 배치될 수 있고, 재질에 특별히 제한되지 않으나 고분자 재료 또는 금속 재료 등으로 형성될 수 있다.
한편, 본 실시예에서 상기 양극 전극(121) 및 상기 음극 전극(122)은, 상기 전해액이 유동되는 방향과 수직한 방향을 따른 각 단면적 전체가 상기 해당 단면적의 길이방향을 따른 상기 유입유로(131b, 132b) 또는 상기 유출유로(131c, 132c)의 길이와 대응되는 부분의 단면적보다 140 ~ 180% 더 크게 형성되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 양극 전극(121) 및 상기 음극 전극(122)은, 상기 유입유로(131b, 132b) 또는 상기 유출유로(131c, 132c)의 길이를 기준으로 양측으로 동일한 비율로 단면적이 증가되는 것이 바람직하다.
즉, 상기 양극 전극(121) 또는 음극 전극(122)의 두께를 't'라고 하고, 상기 전해액이 유동되는 방향과 수직한 방향을 따른 상기 양극 전극(121) 또는 음극 전극(122)의 전체 길이 중 전기화학 반응을 하는 활성영역과 대응되는 길이를 'L1', 활성영역을 벗어나는 길이를 각각 'L3', 상기 전해액이 유동되는 방향을 따른 상기 양극 전극(121) 또는 음극 전극(122)의 길이를 'L2'라 할 경우, 상술한 전극의 단면적 전체(A2)는 활성영역과 대응되는 전극의 단면적(A1) 대비 140 ~ 180%로 형성될 수 있다.
이에 따라, 본 실시예에서는 상기 유입유로(131b, 132b)로 공급된 전해액이 양극 전극(121) 또는 음극 전극(122)으로 유입되어 유동시, 전기화학 반응을 하는 활성영역을 제외한 나머지 전극 부분에서 전해액의 정체가 발생하여 상대적으로 활성영역으로 집중되어 활성영역에서의 균일한 전해액 유동을 유도할 수 있기 때문에 이를 포함하는 유동 전지(100)의 전기화학적 성능을 향상할 수 있다.
이는, 도 7에 도시된 본 실시예의 유동 전지의 활성 영역에 대한 전압 분포도를 종래 유동 전지의 활성 영역에 대한 전압 분포도와 비교하면 확인할 수 있다.
즉, 도 7을 살펴보면, 종래 유동 전지의 활성 영역에서는 우측 하단과 좌측 하단에 전해액이 집중되었고 전압 분포가 낮은 값을 가졌으나, 본 실시예의 유동 전지의 활성 영역에서는 우측부터 좌측까지 비교적 균일하게 전해액이 유동되고 전압 분포가 전반적으로 높은 값을 가져 전기화학적 성능이 우수한 것을 알 수 있다.
또한, 도 8a 및 도 8b는 종래 유동 전지와 본 실시예의 유동 전지의 충/방전 용량을 비교한 그래프로서, 충전은 우상향하는 그래프로 표현하고 방전은 우하향하는 그래프로 표현하였다.
도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이, 총 5가지 부하에 대하여 충/방전 용량을 실험한 결과, 동일한 부하 조건 일 예로 검은색 40 mA/cm2에서 방전 과정일 때 방전 용량은 종래 약 27 Ah/L 이고 본 실시예 약 34 Ah/L 로, 본 실시예가 우수한 방전 용량을 갖는 것을 알 수 있으며, 마찬가지로 나머지 모든 부하 조건에서 본 실시예가 높은 충/방전 용량을 가지며, 이는 본 실시예의 유동 전지의 전기 용량 등 전기화학적 성능이 우수한 것을 나타낸다. 특히, 가장 높은 부하 조건(160 mA/cm2에서 종래는 충/방전이 안되지만, 본 실시예의 유동 전지는 우수한 성능으로 충/방전이 가능한 것을 알 수 있다.
또한, 도 9는 50번의 충/방전 사이클 중 방전 용량을 각 사이클별로 나타낸 것으로서, 본 실시예에서는 약 35 Ah/L 방전 용량을 유지하였으나, 종래는 27 Ah/L 에서 시작하여 약 15 Ah/L까지 감소하는 것을 알 수 있으며, 이는 본 실시예의 유동 전지가 용량 유지 측면에서도 우수한 성능을 갖는 것을 나타낸다.
이상에서 본 발명의 대표적인 실시예들을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100 : 유동 전지
110 : 분리막
121, 122 : 양극 및 음극 전극
131, 132 : 양극 채널 플레이트 및 음극 채널 플레이트
141a, 141b, 142a, 142b : 가스킷
151, 152 : 분리판
161, 162 : 양극 전류 수집기 및 음극 전류 수집기
171, 172 : 전지셀 조립용 프레임

Claims (5)

  1. 분리막;
    상기 분리막의 일측면과 타측면에 대향되게 각각 구비되는 양극 전극과 음극 전극; 및
    상기 양극 전극과 상기 음극 전극이 각각 배치되는 개구부가 중앙에 형성되고, 상기 개구부를 기준으로 상호 대향된 측에 각각 형성되어 상기 개구부를 가로질러 전해액이 유동되는 경로를 형성하는 유입유로 및 유출유로를 갖는 양극 채널 플레이트 및 음극 채널 플레이트;를 포함하며,
    상기 양극 전극 및 상기 음극 전극은,
    상기 전해액이 유동되는 방향과 수직한 방향을 따른 각 단면적 전체가, 상기 해당 단면적의 길이방향을 따른 상기 유입유로 또는 상기 유출유로의 길이와 대응되는 부분의 단면적보다 140 ~ 180% 더 크게 형성되고,
    상기 양극 전극 및 상기 음극 전극은,
    상기 유입유로 또는 상기 유출유로의 길이를 기준으로 양측으로 동일한 비율로 단면적이 증가되는, 유동 전지.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 유입유로는, 상기 각 채널 플레이트의 인접한 모서리에 형성된 유입구와 유입연결로를 통해 연결되며; 상기 유출유로는, 상기 각 채널 플레이트의 인접한 모서리 중 상기 유입구와 대각선에 위치하는 모서리에 형성된 유출구와 유출연결로를 통해 연결되는, 유동 전지.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 각 전극을 기준으로 상기 각 채널 플레이트의 양측면에는 전해액 누설을 방지하기 위한 가스킷이 각각 구비되는, 유동 전지.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 양극 전극 및 상기 음극 전극은, 다공질로 이루어지는, 유동 전지.
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