KR101163996B1 - a redox flow secondary cell having metal foam electrodes - Google Patents

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KR101163996B1
KR101163996B1 KR1020100032951A KR20100032951A KR101163996B1 KR 101163996 B1 KR101163996 B1 KR 101163996B1 KR 1020100032951 A KR1020100032951 A KR 1020100032951A KR 20100032951 A KR20100032951 A KR 20100032951A KR 101163996 B1 KR101163996 B1 KR 101163996B1
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Abstract

본 발명은 메탈 폼 전극을 가지는 레독스 플로우 이차 전지에 관한 것으로, 이러한 본 발명은, 다공성의 오픈 스트럭쳐인 메탈 폼으로 형성된 한 쌍의 전극을 가지는 단위 셀; 상기 단위 셀의 양면에 접합되는 한 쌍의 집전체; 및 상기 집전체의 바깥 면 각각에 부착되는 한 쌍의 셀프레임;을 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 이차 전지를 제공한다. The present invention relates to a redox flow secondary battery having a metal foam electrode, the present invention, a unit cell having a pair of electrodes formed of a metal foam that is a porous open structure; A pair of current collectors joined to both sides of the unit cell; It provides a redox flow secondary battery comprising a; and a pair of cell frames attached to each of the outer surface of the current collector.

Description

메탈 폼 전극을 가지는 레독스 플로우 이차 전지{a redox flow secondary cell having metal foam electrodes}Redox flow secondary cell having a metal foam electrode

본 발명은 이차 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 다공성의 오픈 구조(Open Structure)를 가지는 메탈 폼(Metal Foam)을 전극으로 사용하는 레독스 플로우 이차 전지에 관한 것이다. The present invention relates to a secondary battery, and more particularly, to a redox flow secondary battery using a metal foam (Metal Foam) having a porous open structure (electrode) as an electrode.

전력 저장 기술은 전력 이용의 효율화, 전력 공급 시스템의 능력이나 신뢰성 향상, 시간에 따라 변동 폭이 큰 신재생 에너지의 도입 확대, 이동체의 에너지 회생 등 에너지 전체에 걸쳐 효율적 이용을 위해 중요한 기술이며 그 발전 가능성 및 사회적 기여에 대한 요구가 점점 증대되고 있다.Electric power storage technology is an important technology for efficient use of the entire energy, such as efficient use of electric power, improvement of the power supply system's ability and reliability, the introduction of renewable energy that fluctuates over time, and the energy regeneration of the moving body. There is an increasing demand for possibilities and social contributions.

마이크로 그리드와 같은 반 자율적인 지역 전력 공급 시스템의 수급 균형의 조정 및 풍력이나 태양광 발전과 같은 신재생 에너지 발전의 불균일한 출력을 적절히 분배하고 기존 전력 계통과의 차이에서 발생하는 전압 및 주파수 변동 등의 영향을 제어하기 위해서 이차 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며 이러한 분야에서 이차 전지의 활용도에 대한 기대치가 높아지고 있다.Adjusting the supply and demand balance of semi-autonomous regional power supply systems such as microgrids and properly distributing non-uniform outputs of renewable energy generation such as wind and solar power, and voltage and frequency fluctuations resulting from differences from existing power systems. In order to control the effect of the secondary battery is being actively researched and the expectation of the utilization of the secondary battery in these fields is increasing.

대용량 전력 저장용으로 사용될 이차 전지에 요구되는 특성을 살펴보면 에너지 저장 밀도가 높아야 하며 이러한 특성에 가장 적합한 고용량 및 고효율의 2차전지로서 레독스 플로우 이차 전지가 가장 각광받고 있다.Looking at the characteristics required for the secondary battery to be used for high-capacity power storage, the energy storage density should be high, and the redox flow secondary battery is the most popular as a high capacity and high efficiency secondary battery that is most suitable for such characteristics.

레독스 플로우 이차 전지는 셀프레임이 전체 셀의 윤곽을 형성하고 있으며 셀 중앙이 이온 교환막에 의해 분리되며 이온 교환막을 중심으로 양극 및 음극의 전극이 위치하고 있으며 전기 전도를 위한 바이폴라 플레이트와 집전체가 구성되어 있으며 전해질을 담아놓는 양극 탱크와 음극 탱크 그리고 전해질이 들어가는 유입구와 전해질이 다시 나오는 유출구로 구성된다. In the redox flow secondary battery, the cell frame forms the outline of the entire cell, the center of the cell is separated by the ion exchange membrane, and the electrodes of the positive and negative electrodes are located around the ion exchange membrane, and the bipolar plate and the current collector are configured for electrical conduction. It consists of a positive and negative tank containing electrolyte, an inlet for the electrolyte and an outlet for the electrolyte to come back.

레독스 플로우 이차 전지에 수계 전해질을 사용하는 경우 구동 전압은 약 0.8 내지 1.7 V이며, 양극 탱크와 음극 탱크에서 흘러나오는 양극 전해질과 음극 전해질이 셀 내부로 흘러들어가 양극과 음극에 각각 부착되어 있는 전극에서 전기화학적 반응을 통해 충전 및 방전이 진행된다.When the aqueous electrolyte is used in the redox flow secondary battery, the driving voltage is about 0.8 to 1.7 V, and the positive and negative electrolytes flowing from the positive and negative electrode tanks flow into the cell and are attached to the positive and negative electrodes, respectively. Charging and discharging proceed through an electrochemical reaction at.

상기와 같은 레독스 플로우 전지의 출력 및 에너지 효율을 증가시키기 위하여 구동 전압이 높은 레독스 플로우 이차 전지 개발이 진행되고 있는데, 이를 위해서는 수계 전해질이 아닌 비수계 전해질이 사용되어져야 한다. 이러한 비수계 전해질이 적용되는 레독스 플로우 이차 전지의 개발을 위해서는 비수계 전해질과의 친화성이 높으면서 전기 전도도가 우수한 전극 사용이 요구되며 이러한 요구치를 만족 시키는 전극에 대한 연구 개발이 시급한 실정이다.In order to increase the output and energy efficiency of the redox flow battery as described above, the development of a redox flow secondary battery having a high driving voltage is in progress. For this purpose, a non-aqueous electrolyte should be used instead of an aqueous electrolyte. In order to develop a redox flow secondary battery to which such a non-aqueous electrolyte is applied, it is required to use an electrode having high affinity with a non-aqueous electrolyte and excellent electrical conductivity, and it is urgent to research and develop an electrode that satisfies these requirements.

상용 수계 레독스 플로우 이차 전지에 사용되는 전극 소재의 경우 카본 펠트 또는 카본 시트 등이 많이 사용되어지고 있다. 하지만, 이러한 카본 소재 전극의 경우 비수계 전해액과의 친화성이 매우 낮기 때문에 비수계 레독스 플로우 이차 전지에 적용하는 것은 매우 제한적이다. 이러한 이유로 비수계 전해액과 친화성이 높은 금속 소재의 전극을 사용하는 방법이 제안되고 있다. 그러나 이러한 금속 소재 전극의 경우 비수계 전해액과의 친화성은 높으나 카본 소재의 전극 보다 활성화 면적이 매우 낮기 때문에 에너지 효율이 낮아 질 수밖에 없다. In the case of electrode materials used in commercial water-based redox flow secondary batteries, carbon felt or carbon sheet is frequently used. However, in the case of the carbon-based electrode, since the affinity with the non-aqueous electrolyte solution is very low, it is very limited to apply to the non-aqueous redox flow secondary battery. For this reason, the method of using the electrode of the metal material which has high affinity with a non-aqueous electrolyte solution is proposed. However, the metal electrode has a high affinity with the non-aqueous electrolyte, but the energy efficiency is inevitably lowered because the activation area is much lower than that of the carbon electrode.

따라서 상술한 바와 같은 종래의 문제를 감안한 본 발명의 목적은 비수계 레독스 플로우 이차 전지의 에너지 효율을 향상시키기 위하여 사용되는 금속 소재 전극의 활성화 면적을 높일 수 있는 다공성의 오픈 스트럭쳐(Open Structure) 형태의 메탈 폼(Metal Foam) 전극을 가지는 레독스 플로우 이차 전지를 제공함에 있다. Therefore, an object of the present invention in view of the above-described conventional problem is a porous open structure form which can increase the activation area of a metal material electrode used to improve energy efficiency of a non-aqueous redox flow secondary battery. To provide a redox flow secondary battery having a metal foam (Metal Foam) of.

또한, 본 발명의 다른 목적은 다공성의 오픈 스트럭쳐(Open Structure) 형태의 메탈 폼(Metal Foam) 전극을 가지는 단위 셀이 복수개 형성된 레독스 플로우 이차 전지를 제공함에 있다. Another object of the present invention is to provide a redox flow secondary battery in which a plurality of unit cells having a porous open structure type metal foam electrode is formed.

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레독스 플로우 이차 전지는, 다공성 구조의 메탈 폼으로 형성된 한 쌍의 전극을 포함하는 단위 셀; 상기 단위 셀의 양면에 접합되는 한 쌍의 집전체; 및 상기 집전체의 바깥 면 각각에 부착되는 한 쌍의 셀프레임;을 포함한다. Redox flow secondary battery according to a preferred embodiment of the present invention for achieving the above object, a unit cell including a pair of electrodes formed of a metal foam of a porous structure; A pair of current collectors joined to both sides of the unit cell; And a pair of cell frames attached to each of an outer surface of the current collector.

상기 전극은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 타이타늄(Ti), 타이타늄 합금(Ti-Alloy), 니켈(Ni), 및 니켈합금(Ni-Alloy) 중 선택된 어느 하나를 통해 형성되는 것을 특징으로 한다. The electrode is formed through any one selected from aluminum (Al), copper (Cu), titanium (Ti), titanium alloy (Ti-Alloy), nickel (Ni), and nickel alloy (Ni-Alloy). do.

상기 메탈 폼의 구멍 크기는 0.45 mm 내지 5 mm임을 특징으로 한다. The hole size of the metal foam is characterized in that 0.45 mm to 5 mm.

상기 전극은 3 mm 내지 10 mm의 두께를 가지는 것을 특징으로 한다. The electrode has a thickness of 3 mm to 10 mm.

상기 단위 셀은 이온교환막; 상기 이온교환막 양면에 각각 접합되며 양극 및 음극을 포함하는 상기 한 쌍의 전극; 및 일면이 상기 한 쌍의 전극 각각의 바깥 면에 접합되고 타면이 상기 집전체에 접합되는 한 쌍의 플레이트를 포함한다. The unit cell includes an ion exchange membrane; The pair of electrodes bonded to both sides of the ion exchange membrane and including an anode and a cathode; And a pair of plates, one surface of which is bonded to an outer surface of each of the pair of electrodes and the other surface of which is bonded to the current collector.

여기서, 상기 전극은 실버 페이스트 또는 카본 페이스트를 상기 메탈 폼의 내면에 사용하여 상기 플레이트와 부착되는 것을 특징으로 한다. The electrode may be attached to the plate by using silver paste or carbon paste on the inner surface of the metal foam.

상기 단위 셀은 상기 전극 상호간 상기 이온교환막을 통해 산화 환원 반응에 따라 전기를 발생하는 것을 특징으로 한다. The unit cell is characterized in that for generating electricity by the redox reaction through the ion exchange membrane between the electrodes.

상기 집전체는 상기 플레이트를 통해 상기 발생된 전기를 인출하는 것을 특징으로 한다. The current collector draws out the generated electricity through the plate.

또한, 상기 이차 전지는 상기 셀프레임 각각의 좌우에 배치되어 전해질을 인출할 수 있도록 저장하는 양극 및 음극 탱크; 상기 양극 및 음극 탱크와 각각 연결되어 상기 전해질을 공급하는 펌프; 상기 전해질이 상기 셀프레임을 통해 상기 단위 셀로 들어가도록 상기 펌프와 상기 셀프레임을 연결하는 유입구; 및 상기 셀프레임을 연결하여 상기 단위 셀로부터 유출되는 전해질이 상기 양극 및 음극 탱크에 유입되도록 연결하는 유출구;를 더 포함한다. In addition, the secondary battery is a positive electrode and a negative electrode tank disposed on the left and right of each of the cell frame to store the electrolyte to withdraw; A pump connected to the anode and cathode tanks to supply the electrolyte; An inlet connecting the pump and the cell frame such that the electrolyte enters the unit cell through the cell frame; And an outlet for connecting the cell frame so that the electrolyte flowing out of the unit cell is introduced into the positive and negative electrode tanks.

여기서, 상기 전해질은 비수계 전해질이 사용됨을 특징으로 한다. Here, the electrolyte is characterized in that a non-aqueous electrolyte is used.

한편, 상기 이차 전지는 1.5 V 내지 3.0 V의 전압 영역에서 구동됨을 특징으로 한다. On the other hand, the secondary battery is characterized in that it is driven in the voltage range of 1.5V to 3.0V.

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 레독스 플로우 이차 전지는, 서로 마주보며 이격되어 형성되는 한 쌍의 셀프레임; 상기 한 쌍의 셀프레임 안쪽 면 각각에 부착되는 한 쌍의 집전체; 및 상기 한 쌍의 집전체 사이에 형성되는 적어도 2개의 단위 셀;을 포함하며, 상기 단위 셀은 다공성 구조의 메탈 폼으로 형성된 한 쌍의 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다. Redox flow secondary battery according to another embodiment of the present invention for achieving the above object, a pair of cell frames facing each other formed spaced apart; A pair of current collectors attached to each of inner surfaces of the pair of cell frames; And at least two unit cells formed between the pair of current collectors, wherein the unit cells include a pair of electrodes formed of a metal foam having a porous structure.

여기서, 상기 적어도 2개의 단위 셀은 서로 직렬로 연결됨을 특징으로 한다. The at least two unit cells may be connected in series with each other.

상기 전극은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 타이타늄(Ti), 타이타늄 합금(Ti-Alloy), 니켈(Ni), 및 니켈합금(Ni-Alloy) 중 선택된 어느 하나를 통해 형성되는 것을 특징으로 한다. The electrode is formed through any one selected from aluminum (Al), copper (Cu), titanium (Ti), titanium alloy (Ti-Alloy), nickel (Ni), and nickel alloy (Ni-Alloy). do.

상기 메탈 폼의 구멍 크기는 0.45 내지 5 mm임을 특징으로 한다. The hole size of the metal foam is characterized in that 0.45 to 5 mm.

상기 전극은 3 mm 내지 10 mm 이하의 두께를 가지는 것을 특징으로 한다. The electrode has a thickness of 3 mm to 10 mm or less.

상기 단위 셀은 이온교환막; 상기 이온교환막 양면에 각각 접합되며 양극 및 음극을 포함하는 상기 한 쌍의 전극; 및 일면이 상기 한 쌍의 전극 각각의 바깥 면에 접합되고 타면이 상기 집전체에 접합되는 한 쌍의 플레이트를 포함한다. The unit cell includes an ion exchange membrane; The pair of electrodes bonded to both sides of the ion exchange membrane and including an anode and a cathode; And a pair of plates, one surface of which is bonded to an outer surface of each of the pair of electrodes and the other surface of which is bonded to the current collector.

여기서, 상기 전극은 실버 페이스트 또는 카본 페이스트를 상기 메탈 폼의 내면에 사용하여 상기 플레이트와 부착되는 것을 특징으로 한다. The electrode may be attached to the plate by using silver paste or carbon paste on the inner surface of the metal foam.

상기 단위 셀은 상기 전극 상호간 상기 이온교환막을 통해 산화 환원 반응에 따라 전기를 발생하는 것을 특징으로 한다. The unit cell is characterized in that for generating electricity by the redox reaction through the ion exchange membrane between the electrodes.

상기 집전체는 상기 플레이트를 통해 상기 발생된 전기를 인출하는 것을 특징으로 한다. The current collector draws out the generated electricity through the plate.

또한, 상기 이차 전지는 상기 셀프레임 각각의 좌우에 배치되어 전해질을 인출할 수 있도록 저장하는 양극 및 음극 탱크; 상기 양극 및 음극 탱크와 각각 연결되어 상기 전해질을 공급하는 펌프; 상기 전해질이 상기 셀프레임을 통해 상기 단위 셀로 들어가도록 상기 펌프와 상기 셀프레임을 연결하는 유입구; 및 상기 셀프레임을 연결하여 상기 단위 셀로부터 유출되는 전해질이 상기 양극 및 음극 탱크에 유입되도록 연결하는 유출구;를 더 포함한다. In addition, the secondary battery is a positive electrode and a negative electrode tank disposed on the left and right of each of the cell frame to store the electrolyte to withdraw; A pump connected to the anode and cathode tanks to supply the electrolyte; An inlet connecting the pump and the cell frame such that the electrolyte enters the unit cell through the cell frame; And an outlet for connecting the cell frame so that the electrolyte flowing out of the unit cell is introduced into the positive and negative electrode tanks.

여기서, 상기 전해질은 비수계 전해질이 사용됨을 특징으로 한다. Here, the electrolyte is characterized in that a non-aqueous electrolyte is used.

한편, 상기 이차 전지는 1.5 V 내지 3.0 V의 전압 영역에서 구동됨을 특징으로 한다. On the other hand, the secondary battery is characterized in that it is driven in the voltage range of 1.5V to 3.0V.

상술한 바와 같은 본 발명에 따르면, 비수계 레독스 플로우 이차 전지용 메탈 폼(Metal Foam) 전극 구조는 기존 금속 소재 전극이 가지는 장점인 높은 전해액 친화성 및 우수한 전기 전도성을 가지고 있을 뿐만 아니라 금속 소재 전극의 단점이었던 작은 활성화 면적을 구조적으로 향상 시켜 비수계 레독스 플로우 이차전지의 에너지 효율을 향상시키는 효과가 있다. According to the present invention as described above, the metal foam electrode structure for the non-aqueous redox flow secondary battery not only has a high electrolyte affinity and excellent electrical conductivity which is an advantage of the existing metal material electrode but also of the metal material electrode Structural improvement of the small activation area, which was a disadvantage, has the effect of improving the energy efficiency of the non-aqueous redox flow secondary battery.

도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지를 설명하기 위한 도면.
도 3은 도 1 및 도 2의 이차 전지에서 양극 및 음극을 포함하는 전극의 미세구조를 촬영한 사진.
도 4 및 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지를 설명하기 위한 도면.
도 6 및 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 효과를 설명하기 위한 그래프. 1 and 2 are views for explaining a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
3 is a photograph of a microstructure of an electrode including a cathode and an anode in the secondary battery of FIGS. 1 and 2.
4 and 5 are views for explaining a secondary battery according to another embodiment of the present invention.
6 and 7 are graphs for explaining the effect of the secondary battery according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명의 실시 예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description, only parts necessary for understanding the operation according to the embodiment of the present invention will be described, and the description of other parts will be omitted so as not to disturb the gist of the present invention.

먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지에 대해서 설명하기로 한다. 도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지를 설명하기 위한 도면이다. 여기서, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 각 구성을 분해하여 도시한 분해도이다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 단면을 도시한 단면도이다. First, a secondary battery according to an embodiment of the present invention will be described. 1 and 2 are views for explaining a secondary battery according to an embodiment of the present invention. 1 is an exploded view illustrating the disassembled components of a rechargeable battery according to an exemplary embodiment of the present invention. 2 is a cross-sectional view illustrating a cross section of a rechargeable battery according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지는 가수가 변하는 금속 이온의 산화 환원 반응을 이용하여 충전 또는 방전하는 레독스 플로우 이차 전지이다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 레독스 플로우 이차 전지는 1.5 V 내지 3.0 V의 전압 영역에서 구동된다. 1 and 2, a secondary battery according to an embodiment of the present invention is a redox flow secondary battery that is charged or discharged by using a redox reaction of a metal ion whose valence is changed. In addition, the redox flow secondary battery according to the embodiment of the present invention is driven in the voltage range of 1.5V to 3.0V.

본 발명의 실시예에 따른 이차 전지는 판형의 다층 구조로 이루어진 단위 셀(100)과 단위 셀(100)의 외곽 양면에 접합되며 판형으로 이루어진 한 쌍의 집전체(40)와 각 집전체(40)의 바깥 면에 접합되며 판형으로 형성된 셀프레임(50)을 포함한다. Secondary battery according to an embodiment of the present invention is bonded to the outer surface of the unit cell 100 and the unit cell 100 having a plate-shaped multilayer structure, a pair of current collector 40 and each current collector 40 made of a plate shape It is bonded to the outer surface of the) includes a cell frame 50 formed in a plate shape.

여기서, 단위 셀(100)은 각각 판형인 이온교환막(10), 전극(20) 및 바이폴라 플레이트(이하, "플레이트"로 축약함)(30)를 포함하며, 이온교환막(10)을 중심으로, 이온교환막(10) 양면에 양극(cathode)과 음극(anode)이 한 쌍인 전극(20)이 마주보며 접합되며, 각 양극 및 음극의 전극(20) 바깥 면에 플레이트(30)가 접합되는 구조를 가진다. 이와 같이, 각각이 판형인 이온교환막(10), 전극(20) 및 플레이트(30)가 다층 구조로 하나의 단위 셀(100)을 이룬다. 단위 셀(100)에서 가수가 변하는 금속 이온의 산화 환원 반응이 이루어지며, 산화 환원 반응은 이온교환막(10)을 통해 양극 및 음극의 전극(20) 상호간 이루어진다. 이러한 산화 환원 반응에 따라 전기가 발생한다. 이와 같이, 단위 셀(100)의 양극과 음극의 전극(20)에서 전기가 발생하면, 플레이트(30)와 집전체(40)는 발생된 전기를 인출한다. 셀프레임(50)은 상술한 이온교환막(10), 한 쌍의 전극(20), 한 쌍의 플레이트(30) 및 한 쌍의 집전체(40)의 형상을 유지 및 지지한다. Herein, the unit cell 100 includes a plate-shaped ion exchange membrane 10, an electrode 20, and a bipolar plate (hereinafter abbreviated as “plate”) 30, mainly around the ion exchange membrane 10. On both sides of the ion exchange membrane 10, a pair of electrodes 20 having a pair of anodes and a cathode are joined to face each other, and the plate 30 is bonded to the outer surface of the electrodes 20 of each of the anodes and cathodes. Have As described above, each of the plate-shaped ion exchange membrane 10, the electrode 20, and the plate 30 forms a single unit cell 100 in a multilayer structure. In the unit cell 100, a redox reaction of a metal ion having a valence is performed, and the redox reaction is performed between the electrodes 20 of the anode and the cathode through the ion exchange membrane 10. Electricity is generated by this redox reaction. As such, when electricity is generated at the positive electrode and the negative electrode 20 of the unit cell 100, the plate 30 and the current collector 40 draw out the generated electricity. The cell frame 50 maintains and supports the shapes of the ion exchange membrane 10, the pair of electrodes 20, the pair of plates 30, and the pair of current collectors 40 described above.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지는 양극 탱크(60)와 음극 탱크(70), 펌프(Pump)(61, 71), 유입구(63, 73) 및 유출구(65, 75)를 더 포함하여 구성된다. 양극 탱크(60)와 음극 탱크(70)는 필요한 경우 인출할 수 있도록 각각 양극과 음극 전해질을 저장한다. 양극 탱크(60)와 음극 탱크(70) 각각은 양극과 음극 전해질로 비수계 전해질을 사용한다. 이러한 양극 탱크(60) 및 음극 탱크(70)는 각각 상술한 단위 셀(100)의 전극(20)에서 양극 및 음극에 대응하여 단위 셀(100)의 좌우에 배치된다. 또한, 양극 탱크(60) 및 음극 탱크(70)는 유입구(63, 73) 및 유출구(65, 75)를 통해 셀프레임(60)과 연결된다. 유입구(63, 73)는 양극 탱크(60) 및 음극 탱크(70)의 전해질이 단위 셀(100)로 들어가는 통로이며, 유출구(65, 75)는 전해질이 다시 나오는 통로이다. 또한, 펌프(Pump)(61, 71)는 양극 탱크(60) 및 음극 탱크(70)로부터 전해질을 인출하여 단위 셀(100)에 공급하기 위한 것이며, 각각의 양극 탱크(60) 및 음극 탱크(70)와 유입구(63, 73) 사이에 개재된다. 즉, 양극 탱크(60) 및 음극 탱크(70)로부터 인출된 전해질은 펌프(Pump)(61, 71), 유입구(63, 73), 각 셀프레임(50), 및 각 집전체(40)를 통해 단위 셀(100)에 공급되며, 역순으로 다시 양극 탱크(60) 및 음극 탱크(70)에 저장된다. In addition, the secondary battery according to the embodiment of the present invention further includes a positive electrode tank 60 and a negative electrode tank 70, pumps 61 and 71, inlets 63 and 73, and outlets 65 and 75. It is configured by. The positive electrode tank 60 and the negative electrode tank 70 respectively store the positive electrode and the negative electrode electrolyte so that they can be withdrawn if necessary. Each of the positive electrode tank 60 and the negative electrode tank 70 uses a non-aqueous electrolyte as the positive electrode and the negative electrode electrolyte. The anode tank 60 and the cathode tank 70 are disposed on the left and right sides of the unit cell 100 corresponding to the anode and the cathode of the electrode 20 of the unit cell 100 described above, respectively. In addition, the anode tank 60 and the cathode tank 70 are connected to the cell frame 60 through the inlets 63 and 73 and the outlets 65 and 75. The inlets 63 and 73 are passages through which the electrolytes of the positive and negative electrode tanks 60 and 70 enter the unit cell 100, and the outlets 65 and 75 are passages through which the electrolytes reappear. In addition, the pumps 61 and 71 are for supplying the electrolyte from the positive electrode tank 60 and the negative electrode tank 70 and supplying the electrolyte to the unit cell 100. Each of the positive electrode tank 60 and the negative electrode tank ( Interposed between 70) and inlets (63, 73). That is, the electrolyte drawn out from the positive electrode tank 60 and the negative electrode tank 70 is connected to the pumps 61 and 71, the inlets 63 and 73, each cell frame 50, and each current collector 40. It is supplied to the unit cell 100, and is stored in the positive electrode tank 60 and the negative electrode tank 70 in the reverse order.

도 3은 도 1 및 도 2의 이차 전지에서 양극 및 음극을 포함하는 전극의 미세구조를 촬영한 사진이다. 3 is a photograph of a microstructure of an electrode including a cathode and an anode in the secondary battery of FIGS. 1 and 2.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에서 전극(20)으로 사용되는 금속은 메탈 폼이며, 소위, "메탈 스폰지"라고 칭하기도 한다. 메탈 폼은 스폰지와 같이, 복수의 구멍(pore)을 가지는 다공성의 오픈 스트럭쳐(Open Structure)로 이루어진다. 따라서 메탈 폼은 단면적이 넓다. 이러한 이유로 반응 면적이 작은 금속 소재 전극의 단점을 보완할 수 있다. 또한, 메탈 폼은 다공성 구조로 인해 전해질의 흐름성이 매우 좋기 때문에 에너지 효율을 향상 시킬 수 있다. 게다가, 메탈 폼은 금속 소재가 가지는 높은 전도도를 동시에 가지고 있기 때문에 전압 효율을 향상 시킬 수 있다. 여기서, 다공성 구조의 메탈 폼에서 구멍(Pore)의 크기는 미세할수록 바람직하며, 0.45 mm 내지 5 mm의 크기로 형성될 수 있다. 특히, 구멍의 크기는 0.5 mm 이하의 크기를 가지는 것이 바람직하다. As shown in FIG. 3, the metal used as the electrode 20 in the embodiment of the present invention is a metal foam, and may be referred to as a "metal sponge". The metal foam is made of a porous open structure having a plurality of pores, like a sponge. Therefore, the metal foam has a wide cross section. For this reason, the disadvantage of the metal electrode having a small reaction area can be compensated. In addition, the metal foam can improve the energy efficiency because the flow of the electrolyte is very good due to the porous structure. In addition, since the metal foam has the high conductivity of the metal material at the same time, the voltage efficiency can be improved. In this case, the smaller the size of the pores in the metal foam of the porous structure, the more preferable, and may be formed in a size of 0.45 mm to 5 mm. In particular, the size of the holes preferably has a size of 0.5 mm or less.

앞서 설명한 바와 같이, 메탈 폼을 이용한 전극(20)은 플레이트(30)의 안쪽 면에 부착된다. 이러한 메탈 폼 전극(20)의 부착은 실버 페이스트 또는 카본 페이스트를 메탈 폼의 내면에 사용하여 플레이트(30)에 부착시킨다. As described above, the electrode 20 using the metal foam is attached to the inner surface of the plate 30. The metal foam electrode 20 is attached to the plate 30 using silver paste or carbon paste on the inner surface of the metal foam.

메탈 폼 전극(20)의 두께 및 크기는 전지의 용량과 출력에 의존하기 때문에 그 범위를 규정할 필요는 없으나, 전극(20) 두께의 경우는 전해질 누액과 관련이 있으므로 3 mm 내지 10 mm가 바람직하다. Since the thickness and size of the metal foam electrode 20 depend on the capacity and output of the battery, it is not necessary to define the range, but the thickness of the electrode 20 is preferably 3 mm to 10 mm because it is related to electrolyte leakage. Do.

메탈 폼으로 사용될 수 있는 금속소재로는 알루미늄(Al), 구리(Cu), 타이타늄(Ti), 타이타늄 합금(Ti-Alloy), 니켈(Ni), 니켈합금(Ni-Alloy) 등이 있으며, 이러한 금속 소재에서 다공성의 오픈 스트럭쳐(Open structure) 형태의 구조를 가지는 것이 사용된다. Metal materials that can be used as metal foams include aluminum (Al), copper (Cu), titanium (Ti), titanium alloys (Ti-Alloy), nickel (Ni), nickel alloys (Ni-Alloy), and the like. In the metal material, one having a porous open structure type structure is used.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지는 복수개의 단위 셀(100)이 플레이트(30)에 의해 직렬로 연결된 이차 전지에도 적용이 가능하다. 이러한 복수개의 단위 셀(100)을 사용하는 이차 전지에 대해서 설명하기로 한다. In addition, the secondary battery according to the embodiment of the present invention may be applied to a secondary battery in which a plurality of unit cells 100 are connected in series by a plate 30. A secondary battery using the plurality of unit cells 100 will be described.

도 4 및 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지를 설명하기 위한 도면이다. 여기서, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지의 각 구성을 분해하여 도시한 분해도이다. 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지의 단면을 도시한 단면도이다. 4 and 5 are views for explaining a secondary battery according to another embodiment of the present invention. 4 is an exploded view illustrating the components of the secondary battery according to another embodiment of the present invention. 5 is a cross-sectional view illustrating a cross section of a rechargeable battery according to another exemplary embodiment of the present invention.

도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지는 가수가 변하는 금속 이온의 산화 환원 반응을 이용하여 충전 또는 방전하는 레독스 플로우 이차 전지이다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 레독스 플로우 이차 전지는 1.5 V 내지 3.0 V의 전압 영역에서 구동된다. 4 and 5, a secondary battery according to an embodiment of the present invention is a redox flow secondary battery that is charged or discharged by using a redox reaction of a metal ion having a valence. In addition, the redox flow secondary battery according to the embodiment of the present invention is driven in the voltage range of 1.5V to 3.0V.

본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지는 한 쌍의 셀프레임(50), 한 쌍의 집전체(40) 및 복수개의 단위 셀(100)을 포함한다. A secondary battery according to another embodiment of the present invention includes a pair of cell frames 50, a pair of current collectors 40, and a plurality of unit cells 100.

한 쌍의 셀프레임(50)은 서로 소정 간격 이격하여 대향한다. 이와 같이, 서로 마주보는 한 쌍의 셀프레임(50) 각각의 안쪽 면에 한 쌍의 집전체(40) 각각이 접합된다. 집전체(50) 사이에는 복수개의 단위 셀(100)이 개재된다. 앞서 설명한 바와 같이, 복수개의 단위 셀(100)은 이온교환막(10), 양극과 음극을 포함하는 전극(20) 및 플레이트(30)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 복수의 단위 셀(100)은 서로 직렬로 연결되며, 연결되는 부분의 플레이트(30)를 서로 공유한다. 예컨대, 도 4 및 도 5에서는 3개의 단위 셀(100)이 형성된 이차 전지를 도시하였다. 도시된 바와 같이, 3개의 단위 셀은 연결되는 2개의 플레이트(30)를 공유하므로, 4개의 플레이트(30)가 존재한다. The pair of cell frames 50 face each other at a predetermined interval. As such, each of the pair of current collectors 40 is bonded to the inner surface of each of the pair of cell frames 50 facing each other. A plurality of unit cells 100 are interposed between the current collector 50. As described above, the plurality of unit cells 100 includes an ion exchange membrane 10, an electrode 20 including an anode and a cathode, and a plate 30. As shown, the plurality of unit cells 100 are connected in series with each other, and share the plate 30 of the portion to be connected to each other. For example, FIGS. 4 and 5 illustrate secondary batteries in which three unit cells 100 are formed. As shown, since three unit cells share two plates 30 to be connected, there are four plates 30.

이와 같이, 복수개의 단위 셀(100)이 직렬로 연결된 구조에서 각 전극(20)은 도 3에 개시된 바와 같이, 메탈 폼(Metal Foam)으로 이루어져 있으며, 메탈 폼은 스폰지와 같이, 복수의 구멍(pore)을 가지는 다공성의 오픈 스트럭쳐(Open Structure)로 이루어진다. 다공성 구조의 메탈 폼에서 구멍(Pore)의 크기는 미세할수록 바람직하며, 0.45 mm 내지 5 mm의 크기로 형성될 수 있다. 특히, 구멍의 크기는 0.5 mm 이하의 크기를 가지는 것이 바람직하다. 앞서 설명한 바와 같이, 메탈 폼을 이용한 전극(20)은 플레이트(30)의 안쪽 면에 부착된다. 이러한 메탈 폼 전극(20)의 부착은 실버 페이스트 또는 카본 페이스트를 메탈 폼의 내면에 사용하여 플레이트(30)에 부착시킨다. 전극(20) 두께는 전해질 누액과 관련이 있으므로 3 mm 내지 10 mm로 형성함이 바람직하다. 메탈 폼으로 사용될 수 있는 금속 소재로는 알루미늄(Al), 구리(Cu), 타이타늄(Ti), 타이타늄 합금(Ti-Alloy), 니켈(Ni), 니켈합금(Ni-Alloy) 등이 있다. As described above, in the structure in which the plurality of unit cells 100 are connected in series, each electrode 20 is made of a metal foam, as shown in FIG. 3, and the metal foam is formed of a plurality of holes such as a sponge. porous structure having a pore). The smaller the size of the pores in the metal foam of the porous structure, the more preferable, and may be formed in the size of 0.45 mm to 5 mm. In particular, the size of the holes preferably has a size of 0.5 mm or less. As described above, the electrode 20 using the metal foam is attached to the inner surface of the plate 30. The metal foam electrode 20 is attached to the plate 30 using silver paste or carbon paste on the inner surface of the metal foam. Since the thickness of the electrode 20 is related to electrolyte leakage, the thickness of the electrode 20 is preferably 3 mm to 10 mm. Metal materials that can be used as the metal foam include aluminum (Al), copper (Cu), titanium (Ti), titanium alloys (Ti-Alloy), nickel (Ni), nickel alloys (Ni-Alloy).

또한, 도 4 및 도 5에 도시되지는 않았지만, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지는 양극 탱크(60)와 음극 탱크(70), 펌프(Pump)(61, 71), 유입구(63, 73) 및 유출구(65, 75)를 더 포함한다. In addition, although not shown in Figures 4 and 5, the secondary battery according to another embodiment of the present invention is a positive electrode tank 60, a negative electrode tank 70, pumps (61, 71), inlet (63, 73 and outlets 65 and 75 further.

양극 탱크(60)와 음극 탱크(70)는 필요한 경우 인출할 수 있도록 각각 양극과 음극 전해질을 저장하며, 각각 양극과 음극 전해질로 비수계 전해질을 사용한다. 이러한 양극 탱크(60) 및 음극 탱크(70)는 각각 상술한 단위 셀(100)의 전극(20)에서 양극 및 음극에 대응하여 단위 셀(100)의 좌우에 배치된다. 또한, 양극 탱크(60) 및 음극 탱크(70)는 유입구(63, 73) 및 유출구(65, 75)를 통해 셀프레임(60)과 연결된다. 또한, 펌프(Pump)(61, 71)는 양극 탱크(60) 및 음극 탱크(70)로부터 전해질을 인출하여 단위 셀(100)에 공급하며, 각각의 양극 탱크(60) 및 음극 탱크(70)와 유입구(63, 73) 사이에 개재된다. 즉, 양극 탱크(60) 및 음극 탱크(70)로부터 인출된 전해질은 펌프(Pump)(61, 71), 유입구(63, 73), 각 셀프레임(50), 및 각 집전체(40)를 통해 단위 셀(100)에 공급되며, 역순으로 다시 양극 탱크(60) 및 음극 탱크(70)에 저장된다. The positive electrode tank 60 and the negative electrode tank 70 store a positive electrode and a negative electrode electrolyte so that they can be withdrawn if necessary, and use a non-aqueous electrolyte as the positive electrode and the negative electrode, respectively. The anode tank 60 and the cathode tank 70 are disposed on the left and right sides of the unit cell 100 corresponding to the anode and the cathode of the electrode 20 of the unit cell 100 described above, respectively. In addition, the anode tank 60 and the cathode tank 70 are connected to the cell frame 60 through the inlets 63 and 73 and the outlets 65 and 75. In addition, the pumps 61 and 71 extract the electrolyte from the anode tank 60 and the cathode tank 70 and supply the electrolyte to the unit cell 100, and each of the anode tank 60 and the cathode tank 70 is provided. And an inlet (63, 73). That is, the electrolyte drawn out from the positive electrode tank 60 and the negative electrode tank 70 is connected to the pumps 61 and 71, the inlets 63 and 73, each cell frame 50, and each current collector 40. It is supplied to the unit cell 100, and is stored in the positive electrode tank 60 and the negative electrode tank 70 in the reverse order.

다음으로, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 효과를 일반적인 이차 전지를 비교하여 설명하기로 한다. 도 6 및 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 효과를 설명하기 위한 그래프이다. Next, the effect of the secondary battery according to the embodiment of the present invention will be described by comparing the general secondary battery. 6 and 7 are graphs for explaining the effect of the secondary battery according to an embodiment of the present invention.

먼저, 본 발명의 실시예에 따라 니켈로 제작된 두께 2 mm의 메탈 폼을 50mm × 60mm 크기로 잘라 양극 및 음극의 전극(20)으로 제조하였다. 이러한 메탈 폼 전극(20)을 이용하여 단위 셀(100)을 형성한다. 이때, 단위 셀(100)에서 플레이트(30)는 흑연(Graphite)을 사용하였고, 이온교환막(10)은 나피온을 사용하였다. 한편, 비교예로서 일반적인 이차 전지는 양극 및 음극 전극으로 반응 면적이 작은 니켈로 메쉬(mesh)형의 금속 소재를 사용하였다. First, according to an embodiment of the present invention, a metal foam having a thickness of 2 mm made of nickel was cut into a size of 50 mm × 60 mm to prepare an electrode 20 of a positive electrode and a negative electrode. The unit cell 100 is formed using the metal foam electrode 20. In this case, in the unit cell 100, the plate 30 used graphite, and the ion exchange membrane 10 used Nafion. On the other hand, as a comparative example, a general secondary battery uses a nickel-mesh metal material having a small reaction area as a positive electrode and a negative electrode.

이어서, 메탈 폼 전극과 그물 구조 전극을 이용한 이차 전지 각각의 IOR(Internal Ohmic Resistance) 및 차지 트랜스퍼(Charge Transfer) 저항을 측정하고, 충전 및 방전을 실시하였고 그 결과를 도 6 및 도 7에 나타내었다.Subsequently, the internal ohmic resistance (IOR) and charge transfer (Charge Transfer) resistance of each of the secondary batteries using the metal foam electrode and the mesh structure electrode were measured, charged and discharged, and the results are shown in FIGS. 6 and 7. .

도 6은 메탈 폼 전극을 사용하는 이차 전지와 메쉬 전극을 사용하는 이차 전지의 IOR(Internal Ohmic Resistance) 및 차지 트랜스퍼(Charge Transfer) 저항 측정 결과를 비교하여 나타낸 그래프이다. FIG. 6 is a graph illustrating a comparison of internal ohmic resistance (IOR) and charge transfer resistance measurement results of a secondary battery using a metal foam electrode and a secondary battery using a mesh electrode.

여기서, 도면 부호 (a)는 비교예로서 메쉬 전극이 적용된 단위 셀에 대한 측정 결과이며, 도면 부호 (b)는 메탈 폼 전극이 적용된 단위 셀의 측정 결과를 나타낸 것이다. Here, reference numeral (a) is a measurement result of a unit cell to which a mesh electrode is applied as a comparative example, and reference numeral (b) shows a measurement result of a unit cell to which a metal foam electrode is applied.

도 4에 개시된 바와 같이, 메쉬 전극을 사용한 (a)의 경우 IOR은 0.033이고 차지 트랜스퍼 저항은 0.066을 나타낸다. 반면, 메탈 폼 전극을 사용한 (b)의 경우 IOR은 0.032이고, 차지 트랜스퍼 저항은 0.036을 나타낸다. As shown in FIG. 4, in the case of (a) using the mesh electrode, the IOR is 0.033 and the charge transfer resistance is 0.066. On the other hand, in the case of (b) using the metal foam electrode, the IOR is 0.032 and the charge transfer resistance is 0.036.

개시된 결과를 통해 알 수 있듯이, (a) 및 (b) 두 경우의 전극이 동일한 금속 소재이기 때문에 전기 전도성과 관련된 값인 IOR은 거의 동일한 값을 가지는 것을 확인할 수 있다. 반면, 메쉬 전극을 사용하는 경우 메탈 폼을 사용하는 경우에 비해 차지 트랜스퍼 저항이 크게 나타난다. 이는 메쉬 전극을 사용하는 경우의 반응 면적이 메탈 폼을 사용하는 경우에 비해 작기 때문이다. 이 결과는 메탈 폼 전극을 사용할 경우, 저항이 감소하게 되므로 출력 특성을 증가시키는데 효과가 있다는 것을 나타낸다. As can be seen from the disclosed results, since the electrodes of (a) and (b) are the same metal material, it can be confirmed that the IOR, which is a value related to electrical conductivity, has almost the same value. On the other hand, when the mesh electrode is used, the charge transfer resistance is greater than when the metal foam is used. This is because the reaction area in the case of using the mesh electrode is smaller than in the case of using the metal foam. This result indicates that when the metal foam electrode is used, the resistance is reduced, which is effective in increasing the output characteristics.

도 7은 메탈 폼 전극을 사용하는 이차 전지와 메쉬 전극을 사용하는 이차 전지의 단위 셀 충전 및 방전 결과를 비교하여 나타낸 그래프이다. 여기서, 도면 부호 (a)는 비교예로서 니켈 메쉬 전극이 적용된 단위 셀에 대한 측정 결과이며, 도면 부호 (b)는 메탈 폼 전극이 적용된 단위 셀의 측정 결과를 나타낸 것이다. FIG. 7 is a graph illustrating unit cell charging and discharging results of a secondary battery using a metal foam electrode and a secondary battery using a mesh electrode. Here, reference numeral (a) is a measurement result of a unit cell to which a nickel mesh electrode is applied as a comparative example, and reference numeral (b) shows a measurement result of a unit cell to which a metal foam electrode is applied.

도 7에 개시된 바와 같이, 메쉬 전극을 사용한 (a)의 경우 에너지 효율은 61%를 나타낸다. 반면, 메탈 폼 전극을 사용한 (b)의 경우 85%의 에너지 효율을 나타낸다. 이러한 결과에 따라 메탈 폼 전극 구조가 에너지 효율이 더 높음을 알 수 있다. As shown in FIG. 7, in the case of (a) using the mesh electrode, the energy efficiency is 61%. On the other hand, in the case of using the metal foam electrode (b) shows an energy efficiency of 85%. These results indicate that the metal foam electrode structure has a higher energy efficiency.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면 전극(20)으로 메탈 폼을 사용하며, 메탈 폼은 스폰지와 같이, 복수의 구멍(pore)을 가지는 다공성의 오픈 스트럭쳐(Open Structure)로 이루어지므로 단면적이 넓다. 이러한 이유로 반응 면적이 작은 금속 소재 전극의 단점을 보완할 수 있다. 또한, 메탈 폼은 다공성 구조로 인해 전해질의 흐름성이 매우 좋기 때문에 에너지 효율을 향상 시킬 수 있다. 게다가, 메탈 폼은 금속 소재가 가지는 높은 전도도를 동시에 가지고 있기 때문에 전압 효율을 향상 시킬 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따르면 기존 금속 소재 전극이 가지는 장점인 높은 전해액 친화성 및 우수한 전기 전도성을 가지고 있을 뿐만 아니라 금속 소재 전극의 단점이었던 작은 활성화 면적을 구조적으로 향상 시켜 비수계 레독스 플로우 이차 전지의 에너지 효율을 향상시키는 효과가 있다. As described above, according to the embodiment of the present invention, the metal foam is used as the electrode 20, and the metal foam is made of a porous open structure having a plurality of pores, such as a sponge, so that the cross-sectional area is wide. For this reason, the disadvantage of the metal electrode having a small reaction area can be compensated. In addition, the metal foam can improve the energy efficiency because the flow of the electrolyte is very good due to the porous structure. In addition, since the metal foam has the high conductivity of the metal material at the same time, the voltage efficiency can be improved. That is, according to the embodiment of the present invention, not only has a high electrolyte affinity and excellent electrical conductivity, which are advantages of the existing metal electrode, but also structurally improves a small activation area, which is a disadvantage of the metal electrode, by non-aqueous redox flow secondary. There is an effect of improving the energy efficiency of the battery.

이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시 예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시 예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 이와 같이, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 균등론에 따라 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다. While the present invention has been described with reference to several preferred embodiments, these embodiments are illustrative and not restrictive. As such, those of ordinary skill in the art will appreciate that various changes and modifications can be made according to equivalents without departing from the spirit of the present invention and the scope of rights set forth in the appended claims.

100 : 단위 셀
10 : 이온교환막
20 : 전극
30 : 플레이트
40 : 집전체
50 : 셀프레임
60 : 양극 탱크
70 : 음극 탱크
61, 71 : 펌프
63, 73 : 유입구
65, 75 : 유출구100: unit cell
10: ion exchange membrane
20 electrode
30: plate
40: current collector
50: cell frame
60: anode tank
70: cathode tank
61, 71: Pump
63, 73: inlet
65, 75: outlet

Claims (23)

레독스 플로우 이차 전지에 있어서,
다공성 구조의 메탈 폼(Metal Foam)으로 형성된 한 쌍의 전극을 포함하고, 상기 메탈 폼은 스폰지와 같이 복수의 구멍을 가지는 다공성의 오픈 구조(Open Structure)를 가지며, 구멍의 크기는 0.5mm 이하인 단위 셀;
상기 단위 셀의 양면에 접합되는 한 쌍의 집전체;
상기 집전체의 바깥 면 각각에 부착되는 한 쌍의 셀프레임;
상기 셀프레임 각각의 좌우에 배치되어 비수계 전해질을 인출할 수 있도록 저장하는 양극 및 음극 탱크;
상기 양극 및 음극 탱크와 각각 연결되어 상기 비수계 전해질을 공급하는 펌프;
상기 비수계 전해질이 상기 셀프레임을 통해 상기 단위 셀로 들어가도록 상기 펌프와 상기 셀프레임을 연결하는 유입구; 및
상기 셀프레임을 연결하여 상기 단위 셀로부터 유출되는 상기 비수계 전해질이 상기 양극 및 음극 탱크에 유입되도록 연결하는 유출구;를 포함하고,
상기 단위 셀은
이온교환막;
상기 이온교환막 양면에 각각 접합되며 양극 및 음극을 포함하는 상기 한 쌍의 전극; 및
일면이 상기 한 쌍의 전극 각각의 바깥 면에 접합되고 타면이 상기 집전체에 접합되는 한 쌍의 플레이트를 포함하고,
상기 메탈 폼은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 타이타늄(Ti), 타이타늄 합금(Ti-Alloy), 니켈(Ni), 및 니켈합금(Ni-Alloy) 중 선택된 어느 하나를 통해 형성되고,
상기 전극은 실버 페이스트 또는 카본 페이스트를 상기 메탈 폼의 내면에 사용하여 상기 플레이트와 부착되는 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 이차 전지.In a redox flow secondary battery,
It includes a pair of electrodes formed of a metal foam (Metal Foam) of the porous structure, the metal foam has a porous open structure having a plurality of holes, such as sponge, the size of the hole is 0.5mm or less Cell;
A pair of current collectors joined to both sides of the unit cell;
A pair of cell frames attached to each outer surface of the current collector;
Positive and negative electrode tanks disposed on left and right sides of each of the cell frames to store the non-aqueous electrolyte;
A pump connected to the anode and cathode tanks to supply the non-aqueous electrolyte, respectively;
An inlet connecting the pump and the cell frame such that the non-aqueous electrolyte enters the unit cell through the cell frame; And
And an outlet for connecting the cell frame so that the non-aqueous electrolyte flowing out of the unit cell flows into the positive and negative electrode tanks.
The unit cell is
Ion exchange membrane;
The pair of electrodes bonded to both sides of the ion exchange membrane and including an anode and a cathode; And
A pair of plates, one surface of which is bonded to an outer surface of each of the pair of electrodes and the other surface of which is bonded to the current collector,
The metal foam is formed through any one selected from aluminum (Al), copper (Cu), titanium (Ti), titanium alloy (Ti-Alloy), nickel (Ni), and nickel alloy (Ni-Alloy),
The electrode is a redox flow secondary battery, characterized in that attached to the plate using a silver paste or carbon paste on the inner surface of the metal foam. 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 메탈 폼의 구멍 크기는 0.45 mm 내지 5 mm임을 특징으로 하는 레독스 플로우 이차 전지. The method of claim 1,
Redox flow secondary battery, characterized in that the pore size of the metal foam is 0.45 mm to 5 mm. 제1항에 있어서, 상기 전극은
3 mm 내지 10 mm의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 이차 전지. The method of claim 1, wherein the electrode
Redox flow secondary battery having a thickness of 3 mm to 10 mm. 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 단위 셀은
상기 전극 상호간 상기 이온교환막을 통해 산화 환원 반응에 따라 전기를 발생하는 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 이차 전지. The method of claim 1, wherein the unit cell
A redox flow secondary battery, characterized in that to generate electricity through the ion exchange membrane between the electrodes in accordance with a redox reaction. 제7항에 있어서, 상기 집전체는
상기 플레이트를 통해 상기 발생된 전기를 인출하는 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 이차 전지. The method of claim 7, wherein the current collector
Redox flow secondary battery, characterized in that for extracting the generated electricity through the plate. 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 이차 전지는
1.5 V 내지 3.0 V의 전압 영역에서 구동됨을 특징으로 하는 레독스 플로우 이차 전지. The method of claim 1, wherein the secondary battery
Redox flow secondary battery, characterized in that driven in the voltage range of 1.5V to 3.0V. 레독스 플로우 이차 전지에 있어서,
서로 마주보며 이격되어 형성되는 한 쌍의 셀프레임;
상기 한 쌍의 셀프레임 안쪽 면 각각에 부착되는 한 쌍의 집전체;
상기 한 쌍의 집전체 사이에 형성되는 적어도 2개의 단위 셀로서, 상기 단위 셀은 다공성의 오픈 구조(Open Structure)를 가지는 메탈 폼(Metal Foam)으로 형성된 한 쌍의 전극을 포함하는 상기 적어도 2개의 단위 셀;
상기 셀프레임 각각의 좌우에 배치되어 비수계 전해질을 인출할 수 있도록 저장하는 양극 및 음극 탱크;
상기 양극 및 음극 탱크와 각각 연결되어 상기 비수계 전해질을 공급하는 펌프;
상기 전해질이 상기 셀프레임을 통해 상기 단위 셀로 들어가도록 상기 펌프와 상기 셀프레임을 연결하는 유입구; 및
상기 셀프레임을 연결하여 상기 단위 셀로부터 유출되는 상기 비수계 전해질이 상기 양극 및 음극 탱크에 유입되도록 연결하는 유출구;을 포함하고,
상기 단위 셀은 다공성 구조의 메탈 폼(Metal Foam)으로 형성된 한 쌍의 전극을 포함하고, 상기 메탈 폼은 스폰지와 같이 복수의 구멍을 가지는 다공성의 오픈 구조(Open Structure)를 가지며, 구멍의 크기는 0.5mm 이하이고,
상기 단위 셀은
이온교환막;
상기 이온교환막 양면에 각각 접합되며 양극 및 음극을 포함하는 상기 한 쌍의 전극; 및
일면이 상기 한 쌍의 전극 각각의 바깥 면에 접합되고 타면이 상기 집전체에 접합되는 한 쌍의 플레이트를 포함하고,
상기 메탈 폼은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 타이타늄(Ti), 타이타늄 합금(Ti-Alloy), 니켈(Ni), 및 니켈합금(Ni-Alloy) 중 선택된 어느 하나를 통해 형성되고,
상기 전극은 실버 페이스트 또는 카본 페이스트를 상기 메탈 폼의 내면에 사용하여 상기 플레이트와 부착되는 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 이차 전지. In a redox flow secondary battery,
A pair of cell frames facing each other and spaced apart;
A pair of current collectors attached to each of inner surfaces of the pair of cell frames;
At least two unit cells formed between the pair of current collectors, wherein the unit cells include a pair of electrodes formed of a metal foam having a porous open structure; Unit cell;
Positive and negative electrode tanks disposed on left and right sides of each of the cell frames to store the non-aqueous electrolyte;
A pump connected to the anode and cathode tanks to supply the non-aqueous electrolyte, respectively;
An inlet connecting the pump and the cell frame such that the electrolyte enters the unit cell through the cell frame; And
And an outlet for connecting the cell frame so that the non-aqueous electrolyte flowing out of the unit cell flows into the positive and negative electrode tanks.
The unit cell includes a pair of electrodes formed of a porous metal foam (Metal Foam), the metal foam has a porous open structure having a plurality of holes, such as sponge, the size of the hole 0.5mm or less,
The unit cell is
Ion exchange membrane;
The pair of electrodes bonded to both sides of the ion exchange membrane and including an anode and a cathode; And
A pair of plates, one surface of which is bonded to an outer surface of each of the pair of electrodes and the other surface of which is bonded to the current collector,
The metal foam is formed through any one selected from aluminum (Al), copper (Cu), titanium (Ti), titanium alloy (Ti-Alloy), nickel (Ni), and nickel alloy (Ni-Alloy),
The electrode is a redox flow secondary battery, characterized in that attached to the plate using a silver paste or carbon paste on the inner surface of the metal foam. 제12항에 있어서,
상기 적어도 2개의 단위 셀은 서로 직렬로 연결됨을 특징으로 하는 레독스 플로우 이차 전지. The method of claim 12,
The at least two unit cells are connected to each other in series redox flow secondary battery. 삭제delete 제12항에 있어서,
상기 메탈 폼의 구멍 크기는 0.45 mm 내지 5 mm임을 특징으로 하는 레독스 플로우 이차 전지. The method of claim 12,
Redox flow secondary battery, characterized in that the pore size of the metal foam is 0.45 mm to 5 mm. 제12항에 있어서, 상기 전극은
3 mm 내지 10 mm 이하의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 이차 전지. The method of claim 12, wherein the electrode
Redox flow secondary battery having a thickness of 3 mm to 10 mm or less. 삭제delete 삭제delete 제12항에 있어서, 상기 단위 셀은
상기 전극 상호간 상기 이온교환막을 통해 산화 환원 반응에 따라 전기를 발생하는 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 이차 전지. The method of claim 12, wherein the unit cell
A redox flow secondary battery, characterized in that to generate electricity through the ion exchange membrane between the electrodes in accordance with a redox reaction. 제19항에 있어서, 상기 집전체는
상기 플레이트를 통해 상기 발생된 전기를 인출하는 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 이차 전지. The method of claim 19, wherein the current collector
Redox flow secondary battery, characterized in that for extracting the generated electricity through the plate. 삭제delete 삭제delete 제12항에 있어서, 상기 이차 전지는 1.5 V 내지 3.0 V의 전압 영역에서 구동됨을 특징으로 하는 레독스 플로우 이차 전지. The redox flow secondary battery of claim 12, wherein the secondary battery is driven in a voltage range of 1.5 V to 3.0 V.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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US10135086B2 (en) 2013-11-22 2018-11-20 Samsung Electronics Co., Ltd. Redox flow battery

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101335431B1 (en) * 2011-12-27 2013-12-05 전자부품연구원 Redox flow secondary cell
KR101353601B1 (en) * 2011-12-27 2014-01-27 재단법인 포항산업과학연구원 Sodium metal halide rechargeable battery and method for manufacturing the same
KR101443680B1 (en) * 2012-02-09 2014-09-26 전자부품연구원 Redox flow secondary cell
KR101692549B1 (en) * 2015-06-18 2017-01-05 주식회사 비츠로셀 NEGATIVE ELECTRODE CURRENT COLLECTOR FOR Ni-Zn FLOW BATTERY AND Ni-Zn FLOW BATTERY INCLUDING THE SAME
DE102021122995B3 (en) 2021-09-06 2022-10-06 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Bipolar plate for a redox flow battery, redox flow battery and method for operating a redox flow battery

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11329474A (en) * 1998-05-19 1999-11-30 Mitsui Eng & Shipbuild Co Ltd Redox battery or redox capacitor and manufacture thereof
US20040029019A1 (en) * 2001-08-10 2004-02-12 Clarke Robert Lewis Battery with bifunctional electrolyte
US20060183016A1 (en) * 2003-04-14 2006-08-17 Michael Kazacos Novel vanadium halide redox flow battery

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11329474A (en) * 1998-05-19 1999-11-30 Mitsui Eng & Shipbuild Co Ltd Redox battery or redox capacitor and manufacture thereof
US20040029019A1 (en) * 2001-08-10 2004-02-12 Clarke Robert Lewis Battery with bifunctional electrolyte
US20060183016A1 (en) * 2003-04-14 2006-08-17 Michael Kazacos Novel vanadium halide redox flow battery

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9793567B2 (en) 2013-11-01 2017-10-17 Samsung Electronics Co., Ltd. Ion exchange membrane, method of preparing the same, and redox flow battery comprising the same
US10135086B2 (en) 2013-11-22 2018-11-20 Samsung Electronics Co., Ltd. Redox flow battery

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