KR101596218B1 - 고용량 슬러리 전극 및 고용량 슬러리 전극 기반의 플로우 에너지 저장장치 - Google Patents

고용량 슬러리 전극 및 고용량 슬러리 전극 기반의 플로우 에너지 저장장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고용량 슬러리 전극에 관한 것으로, 유동성의 슬러리를 전극으로 사용하여 에너지를 저장하는 플로우 에너지 저장장치의 슬러리 전극으로서, 전해액; 상기 전해액에 분산되고, 전기화학 플로우 커패시터(electrochemical flow capacitor) 저장장치의 활물질로서의 기능을 하는 전극 활물질 입자; 및 상기 전해액에 용해되고, 상기 전극 활물질의 표면에서 레독스 반응을 통한 유사 커패시터 거동을 하는 레독스 활성화 물질;을 포함하여 구성되며, 상기 전극 활물질 입자에 의한 커패시터 특성과 상기 레독스 활성화 물질에 의해서 유사 커패시터(pseudocapacitor) 특성을 함께 나타내는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 슬러리 전극은, 고용량 커패시터의 전극 활물질에 유사 커패시터 특성을 함께 부여함으로써, 에너지 저장 용량이 매우 향상된 슬러리 전극을 제공할 수 있는 효과가 있다. 또한, 상술한 슬러리 전극을 구비한 플로우 에너지 저장장치는, 초고용량 커패시터의 고속 충·방전 특성과 피크전력의 수용성, 안정성, 장수명 등의 장점을 유지하면서 슬러리 전극의 용량의 향상으로 인하여 고에너지 밀도 특성을 함께 나타내는 효과가 있다.

Description

고용량 슬러리 전극 및 고용량 슬러리 전극 기반의 플로우 에너지 저장장치{PSEUDOCAPACITIVE HIGH CAPACITY SLURRY ELECTRODES AND FLOW ENERGY STORAGE SYSTEM BASED ON THE ELECTRODES}
본 발명은 플로우 방식의 에너지 저장장치에 사용되는 슬러리 전극과 이를 기반으로 하는 플로우 에너지 저장장치에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 용량이 크게 향상된 슬러리 전극 및 이를 기반으로 하는 플로우 에너지 저장장치에 관한 것이다.
전력 생산의 주원료인 석유, 석탄 등 화석연료의 급격한 가격 변동과 환율 상승에 따른 불안정한 에너지 수급, 고유가 및 온실가스 감축 의무화 시대로의 진입으로 전력 생산 비용이 상승함에 따라 국가적인 에너지 관리체계가 필요하다. 화석연료를 사용하는 기존 에너지원의 경우 배출되는 온실가스가 생태계 파괴 및 환경오염의 주요인이 되고 있어, 이를 해결할 수 있는 풍력, 태양광, 조력 등의 신재생 에너지가 대체 에너지원으로 각광받고 있다. 하지만, 신재생 에너지에서 생산된 전력은 기후 변화에 매우 민감하여, 균일하고 일정한 형태의 전력공급이 불가능하다. 이로 인하여 기존 전력망 시스템에 직접 연결하여 사용할 수 없는 단점이 있다. 이를 해결하기 위해서는 중대형 에너지저장장치가 필요시 되고 있다. 중대형 이차전지는 신재생 에너지 저장용뿐만 아니라 그린 카와 그린 홈 등 다양한 분야에서도 요구되고 있다.
중대형 이차전지의 경우 가격과 안정성이 매우 중요한 요소이다. 대용량 리튬이온전지는 대면적/대용량화를 위한 공정상의 어려움 및 안정성, 가격 등의 문제로 인하여 MWh급 이상의 전력 저장 시스템을 요구하는 발전소용 및 분산발전용 에너지저장장치로 개발하는데 있어 많은 어려움이 있다. 특히, 신재생 에너지 보급화를 위한 스마트그리드 기술구현의 주요 난관 중 하나는 급변하는 신재생 에너지 전력생산량에 대처하여 전력의 질을 손상시키지 않으면서 실시간으로 에너지공급원을 변환하느냐는 것인데, 현재 사용되고 있는 이차전지의 경우 충전 및 방전속도가 제한적이며 한 번에 받아들이는 전력의 크기도 높지 않아 이와 같은 피크전력을 모두 받아들이는데 어려움이 크다.
최근 미국 Drexel 대학의 Gogotsi 교수 연구팀은 전기화학 플로우 커패시터(EFC, electrochemical flow capacitor)라는 새로운 타입의 에너지저장장치에 대하여 보고하였는데, 이는 플로우 타입의 전기 이중층 커패시터(Electric double layer capacitor, EDLC)로 초고용량 커패시터의 고출력, 장수명, 안정성 등의 장점들을 유지하면서도, 슬러리 상태의 흐름 전극(flow electrodes, 슬러리 전극)의 저장탱크 용량을 증가시킴에 따라 용량을 증가시킬 수 있어, 기존 고체 전극형 초고용량 커패시터에 비하여 상대적으로 높은 에너지밀도의 구현이 가능할 것으로 예상되고 있다. 하지만, 슬러리 전극의 용량에 한계가 있기 때문에 리튬이차전지나 에너지 밀도 수준까지 높이기에는 아직까지 많은 어려움이 있다.
V. Presser, C. R. Dennison, J. Campos, K. W. Knehr, E. C. Kumbur, Y. Gogotsi, "The Electrochemical Flow Capacitor: A New Concept for Rapid Energy Storage and Recovery" Adv. Energy Mater. 2012, 2, 895.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서 이차 전지의 고에너지 밀도 특성과 초고용량 커패시터의 고속 충·방전 특성과 피크전력의 수용성, 안정성, 장수명 등의 장점을 동시에 지니는 새로운 형태의 에너지 저장 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 고용량 슬러리 전극은, 유동성의 슬러리를 전극으로 사용하여 에너지를 저장하는 플로우 에너지 저장장치의 슬러리 전극으로서, 전해액; 상기 전해액에 분산되고, 전기화학 플로우 커패시터(electrochemical flow capacitor) 저장장치의 활물질로서의 기능을 하는 전극 활물질 입자; 및 상기 전해액에 용해되고, 상기 전극 활물질의 표면에서 레독스 반응을 통한 유사 커패시터 거동을 하는 레독스 활성화 물질;을 포함하여 구성되며, 상기 전극 활물질 입자에 의한 커패시터 특성과 상기 레독스 활성화 물질에 의해서 유사 커패시터(pseudocapacitor) 특성을 함께 나타내는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기한 전극 활물질의 표면은 활물질의 전체 표면, 즉 다공질의 활물질의 경우에는 전해액이 침투할 수 있는 표면 기공 내부를 포함하는 전체 표면을 의미한다.
슬러리는 유동성을 나타내는 반고체 형태로서 입자 현탁액이나 콜로이드 현탁액 등과 같은 액체상과 고체상의 혼합물을 지칭한다. 상기한 구성의 슬러리 전극은 전극 활물질 입자에 의한 커패시터 특성과 레독스 활성화 물질에 의해서 유사 커패시터(pseudocapacitor) 특성을 함께 나타내어, 종래의 초고용량 커패시터의 장점을 그대로 유지하면서 용량을 이차전지 수준으로 높일 수 있다.
이때, 전극 활물질 입자는 활성탄, 그래핀, 탄소나노튜브, 전도성 고분자 및 금속산화물 등 초고용량 커패시터용 전극 활물질로 사용되는 재료가 모두 사용 가능하나, 본 발명의 슬러리 전극은 반고형 상태이므로 집전체와 전극간의 전기적 컨택 및 전극 활물질 서로 간의 전기적 컨택이 매우 중요하고, 전극 활성 영역이 일부분에 국한되지 않고 전극 활물질 표면 전체가 전극 활성영역에 해당하므로, 1000 ~ 4000 m2/g의 높은 비표면적을 가지는 구형 또는 시메트릭한 모양의 전극 활물질을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 전극 활물질의 입자 크기는 수십 nm에서 수백 μm 직경의 크기가 가능하나, 100 nm 이하의 아주 작은 입자 크기를 갖는 활물질의 경우 때때로 슬러리 전극 내의 복잡한 네트워크 형성을 통한 저항 증가 및 점도를 높일 수 있으므로, 적절한 유동능을 제공하면서도 슬러리 전극 내 연속적인 네트워크를 잘 유지하기 위해서는 활물질의 입자 크기는 500 nm에서 500 ㎛ 직경의 크기가 바람직하다.
그리고 레독스 활성화 물질은 벤젠 고리에 알코올 작용기와 아민 작용기 중에서 적어도 하나 이상의 작용기를 갖는 하이드로퀴논(hydroquinone), 아미노페놀(aminophenol), 다이아미노벤젠(diaminobenzene)과 같은 환원된 형태와 이것의 산화된 상태인 벤조퀴논(benzoquinone), 퀴논 이민(quinoneimine)과 같은 산화형태를 들 수 있으며, 이것들의 유도체(derivative)도 같은 역할을 할 수 있다. 또 다른 레독스 활성화 물질로서, 나프탈렌이나 안트라센 고리를 갖는 기질 중에 알코올 작용기와 아민 작용기 중에 적어도 하나 이상의 작용기를 갖는 다이하이드록시나프탈렌(dihydroxynaphthalene), 아미노나프톨(aminonaphthol), 다이아미노나프탈렌(diaminonaphthalene), 다이하이드록시안트라센(dihydroxyanthracene), 다이아미노안트라퀴논(diaminoanthraquinone) 등과 같은 환원된 형태와 이것들의 산화된 형태의 분자를 들 수 있으며, 이들의 유도체도 같은 역할을 할 수 있다. 나아가, 상기한 전기화학 활성 유기분자 뿐만 아니라 KI, KBr 등과 같은 무기분자도 다전자 반응에 기인하는 큰 전기화학 당량으로 인하여 고용량 슬러리 전극 제조를 위해 사용될 수 있다.
이러한 레독스 활성화 물질은 전해액에 10-9 M ~ 10 M의 농도 범위 또는 10-8 M ~ 5 M의 농도 범위로 용해된 것이 바람직하다. 사용 물질에 따라서 구체적인 농도 범위에서는 차이가 있다. 1,4-벤젠디올과 1,4-벤조퀴논의 경우는 전해액에 10-9 M ~ 5 M의 농도 범위로 용해될 수 있으며, 바람직하게는 0.01 M ~ 3 M의 농도 범위로 용해된 것이 좋다. 그리고 1,4-나프토퀴논의 경우는 전해액에 10-9 M ~ 5 M의 농도 범위로 용해된 것이 바람직하다.
그리고 전해액에 분산된 도전제 입자를 더 포함할 수 있고, 도전제 입자는 카본 블랙이 좋으며, 전극 활물질 입자에 대한 도전제 입자의 중량비는 0 wt% ~ 50 wt%로 조절 가능하며, 5wt% ~ 30 wt%의 중량비가 바람직하다.
상기 목적을 달성하기 위한 고용량 슬러리 전극의 제조방법은, 전기화학적 활성이 있어서 레독스 반응을 수행하는 레독스 활성화 물질을 전해액에 녹여 레독스 활성화 전해액을 제조하는 단계; 및 전기화학 플로우 커패시터(electrochemical flow capacitor) 저장장치의 활물질로서의 기능을 하는 전극 활물질 입자를 상기 레독스 활성화 전해액과 혼합하는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
이때, 전해액은 수계 전해액, 유기계 전해액 및 이온성액체 전해액 등이 모두 가능하며, 레독스 활성화 물질의 종류에 따라서 용해에 용이한 물질을 선택하여 사용할 수 있다. 우선, 수계 전해액은 황산 (H2SO4), 황산나트륨 (Na2SO4), 염화칼륨 (KCl), 수산화칼륨 (KOH) 및 수산화나트륨 (NaOH) 용액 중에 하나 이상일 수 있다. 다음으로, 유기계 전해액은, 아세토나이트릴 (Acetonitrile, ACN), 프로필렌 카보네이트 (Propylene carbonate, PC), 에틸렌 카보네이트 (Ethylene carbonate, EC), 디에틸렌 카보네이트 (Diethylene carbonate, DEC), 디메틸렌 카보네이트 (Dimethylene carbonate, DMC)로 이루어진 군으로부터 선택된 일종의 유기용매 또는 이종 이상이 혼합된 유기용매와, 테트라에틸암모늄 테트라플루오로보레이트(tetraethylammonium tetrafluorborate, TEABF4), 테트라메틸암모늄 테트라플루오로보레이트 (triethylmethylammonium tetrafluorborate, TEMABF4) 등의 암모늄염이나 LiBF4, LiPF6 등의 리튬금속염으로 이루어진 군으로부터 선택된 일종의 염 또는 이종 이상이 혼합된 염으로 구성된 전해액 중에 하나일 수 있다. 그리고 이온성액체 전해액은, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트 (1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate, EMIBF4), 1-n-부틸-3-메틸이미다졸륨 테트라프루오로보레이트(1-n-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate, BMIBF4), 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 비스-(트리플루오로메틸술포닐)이미드(1-ethyl-3-methylimidazolium bis-(trifluoromethylsulfonyl)imide), EMITFSI), 1-n-부틸-3-메틸이미다졸륨 헥사플루오로포스페이트(1-n-butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate, BMIPF6), 1-부틸-1-메틸피롤리디늄 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드(1-butyl-1-methylpyrrolidinium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide, PYR14TFSI), N-메톡시에틸-N-메틸피롤리디늄 비스-(트리플루오로메탄술포닐)이미드(N-methoxyethyl-N-methylpyrrolidinium bis-(trifluoromethanesulfonyl)imide, PYR1(201)TFSI), 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 트리플루오로메탄술포네이트(1-ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonate, EMITMS), 1-부틸-1-메틸피롤리디늄 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드(1-butyl-1-methylpyrrolidinium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide, BMP-BTI), 1-헥실-3-메틸이미다졸륨 헥사플루오로포스페이트( 1-hexyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate, HMIHFP), 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 다이시안아미드(1-ethyl-3-methylimidazolium dicyanamide, EMIDCA), 11-메틸-3-옥틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트(11-methyl-3-octylimidazolium tetrafluoroborate, MOITFB), N-메틸-N-프로필피레리디늄 비스(플루오로술포닐)이미드(N-Methyl-N-Propylpiperidinium bis(fluorosulfonyl)imide, PIP13FSI) 및 N-부틸-N-메틸피롤리디늄 비스(플루오로술포닐)이미드(N-butyl-N-methylpyrrolidinium bis(fluorosulfonyl)imide), PYR14FSI)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다. 또한, 상기 이온성 전해액은 아세토나이트릴 (Acetonitrile, ACN), 프로필렌 카보네이트 (Propylene carbonate, PC), 에틸렌 카보네이트 (Ethylene carbonate, EC), 디에틸렌 카보네이트 (Diethylene carbonate, DEC), 디메틸렌 카보네이트 (Dimethylene carbonate, DMC)로 이루어진 군으로부터 선택된 일종의 유기용매 또는 이종이상이 혼합된 유기용매와 혼합하여 사용할 수 있다.
또한, 전극 활물질 입자와 함께 도전제 입자를 막자사발에서 잘 섞은 뒤에 레독스 활성화 전해액과 혼합할 수 있으며, 활물질 입자와 도전제 입자의 혼합 파우더에 대한 레독스 활성화 전해액의 중량비가 1:1 ~ 1:20 인 것이 바람직하다.
상기 목적을 달성하기 위한 고용량 슬러리 전극 기반의 플로우 에너지 저장장치는, 서로 이격되어 배치된 양극 전류 집전체와 음극 전류 집전체; 상기 양극 전류 집전체와 음극 전류 집전체의 사이에 배치된 이온 투과성 분리막; 상기 양극 집전체와 상기 이온 투과성 분리막 사이에 형성된 전극 영역에 위치하는 유동성의 양극; 및 상기 음극 집전체와 상기 이온 투과성 분리막 사이에 형성된 전극 영역에 위치하는 유동성의 음극;을 포함하여 구성되고, 상기 양극과 상기 음극 중에 하나 이상이 상술한 고용량 슬러리 전극이며, 상기 고용량 슬러리 전극에 포함된 전극 활물질 입자에 의한 커패시터 특성과 레독스 활성화 물질에 의한 유사 커패시터(pseudocapacitor) 특성을 함께 나타내어, 커패시터의 장점을 그대로 유지하면서 용량을 크게 향상시킨 새로운 구성의 에너지 저장 장치인 것을 특징으로 한다.
이러한 고용량 슬러리 전극 기반의 플로우 에너지 저장장치에서, 전극 활성 영역은 일부분에 국한되지 않고 전극 활물질 표면 전체가 전극 활성 영역에 해당한다. 슬러리 전극은 서로 간의 연속적인 네트워크를 형성하여 전기적 통로를 확보하고 있으며, 적어도 집전체의 일부분과는 전기적으로 컨택되어 있다.
또한, 유동성의 양극과 유동성의 음극을 각각 저장하는 저장 탱크와 유동성의 양극과 유동성의 음극을 저장 탱크와 전극 영역 사이에서 순환시키는 이송로 및 이송펌프를 포함한다. 양극과 음극 슬러리 전극의 유동 방향은, 예를 들어 충전 및 방전 작동을 번갈아 뒤바뀔 수 있으며, 각각의 슬러리 전극의 이동은 독립적으로 이동 가능하고, 연속적이거나 간헐적일 수 있다. 유동성 슬러리 전극은 사용 전에 저장 탱크에 저장되고, 저장 탱크로부터 계속적으로 재생 및 대체되어 매우 높은 에너지 용량을 갖는 에너지 저장 시스템을 생성한다. 저장 탱크에 있는 슬러리 전극은 중력을 포함하여, 펌프나 유체 수송을 위한 임의의 다른 통상적인 장치를 통해 전극셀로 운반할 수 있다. 충전이 완료된 음극 또는 양극 유동성 슬러리 전극이 보관되어 있는 저장 탱크는 셀 하드웨어 부분으로부터 분리가 가능하여, 완충된 전극은 보관함에 따로 보관 할 수 있다. 보관함에 있는 완충된 슬러리 전극은 필요시에 꺼내어 셀에 장착한 후 방전을 통해 충전된 전극의 에너지를 사용할 수 있다. 전류 집전체는 전해액과 반응성이 없으며 높은 전도성을 가지는 재질을 사용할 수 있으며, 예를 들어 전도성 탄소계 물질 또는 비반응성 금속인 Ti나 SUS 등의 재질로 구성될 수 있다.
그리고 양극 전류 집전체 및 음극 전류 집전체와 이온 투과성 분리막 사이에 위치하면서 전극 영역을 형성하기 위한 개스킷을 더 포함할 수 있으며, 이러한 개스킷은 전해액의 특성에 따라서 재질을 선택하여 사용하는 것이 바람직하며, 특히 내구성, 내화학성이 뛰어난 불소고무, 부틸고무, 테플론 재질, 네오프렌, 라텍스, 클로로설폰화 폴리에틸렌 고무, 에틸렌 프로필렌 고무, 스티렌부타디엔 고무, 부타디엔 고무, 니트릴 부타디엔 고무 등을 사용할 수 있다.
상술한 바와 같이 구성된 슬러리 전극은, 고용량 커패시터의 전극 활물질에 유사 커패시터 특성을 함께 부여함으로써, 에너지 저장 용량이 매우 향상된 슬러리 전극을 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 상술한 슬러리 전극을 구비한 플로우 에너지 저장장치는, 초고용량 커패시터의 고속 충·방전 특성과 피크전력의 수용성, 안정성, 장수명 등의 장점을 유지하면서 슬러리 전극의 용량의 향상으로 인하여 고에너지 밀도 특성을 함께 나타내는 효과가 있다.
나아가 상술한 구성의 고용량 슬러리 전극 기반의 플로우 에너지 저장장치는, 상기한 것과 같이 고출력, 고안정성, 고에너지밀도 특성의 대용량 에너지저장장치로서 스마트그리드 기술구현에 매우 적합하다.
도 1은 실시예 1에서 사용된 구형 활성탄 AC8K30의 SEM 사진이다.
도 2는 도 1의 구형 활성탄에 대한 질소가스 흡착 등온 곡선이다.
도 3은 실시예 4에서 사용된 비등방 활성탄 MSP20의 SEM 사진이다.
도 4는 실시예 4에서 사용된 그래핀 나노파우더의 SEM 사진이다.
도 5는 플로우 에너지 저장장치 단위셀의 구성을 나타내는 도면이다.
도 6은 실시예 1의 고용량 슬러리 전극에 대한 순환전압전류 측정 결과이다.
도 7은 순환전압전류 충·방전 실험을 통해 계산된 실시예 1에 따른 고용량 슬러리 전극의 주사속도별 비용량을 나타낸다.
도 8은 실시예 2의 고용량 슬러리 전극에 대한 순환전압전류 측정 결과이다.
도 9는 순환전압전류 충·방전 실험을 통해 계산된 실시예 2에 따른 고용량 슬러리 전극의 주사속도별 비용량을 나타낸다.
도 10은 실시예 3의 고용량 슬러리 전극에 대한 순환전압전류 측정 결과이다.
도 11은 실시예 4의 고용량 슬러리 전극에 대한 순환전압전류 측정 결과이다.
도 12는 비교예 2의 슬러리 전극에 대한 순환전압전류 측정 결과이다.
도 13은 비교예 3의 슬러리 전극에 대한 순환전압전류 측정 결과이다.
도 14는 비교예 4의 슬러리 전극에 대한 주사속도별 순환전압전류 충·방전 실험의 결과이다.
도 15는 순환전압전류 충·방전 실험을 통해 계산된 주사속도별 비축전 용량값이다.
도 16은 실시예 5의 고용량 슬러리 전극에 대한 순환전압전류 측정 결과이다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.
슬러리 전극의 제조
<실시예 1>
전기화학 플로우 커패시터 저장장치의 활물질로서의 기능을 하는 전극 활물질인 구형 활성탄(AC8K30) 입자와 전기화학 활성이 있는 유기분자인 1,4-벤젠디올(1,4-benzenediol, 하이드로퀴논, hydroquinone, HQ)을 포함하고 있는 레독스 활성화 전해액을 혼합하여 고용량 슬러리 전극을 제조하였다.
도 1은 실시예 1에서 사용된 구형 활성탄 AC8K30의 SEM(Scanning Electron Microscopy, Hitachi S-4800) 사진이고, 도 2는 도 1의 구형 활성탄에 대한 질소가스 흡착 등온 곡선이다.
질소가스 흡착 등온 곡선(Adsorption/Desorption isotherm plot)은 액체 질소(77K)에서 BELSORP-max를 사용하여 측정하였으며, BET(Brunaucr-Emmett-Teller) 분석을 통하여 얻은 구형 활성탄 AC8K30의 비표면적은 3634.2 m2/g이고, 세공의 총 부피는 1.9479 cm3/g이며, 세공의 평균 직경은 2.144 nm로 각각 확인되었다.
구체적으로, 먼저 전극 활물질인 구형 활성탄 AC8K30와 도전제인 카본블랙을 80wt%와 20wt%의 비율로 혼합하여 막자사발로 잘 섞어준다. 그리고 1 M의 H2SO4 전해액에 전기화학 활성이 있는 1,4-벤젠디올 0.3 M 농도를 녹여 레독스 활성화 전해액을 제조한다. 상기한 전극 활물질 및 도전제의 혼합파우더와 상기 레독스 활성화 전해액을 1:6의 중량비로 잘 혼합하여 고용량 슬러리 전극을 제조하였다.
<실시예 2>
상기한 실시예 1의 구형 활성탄 (AC8K30)과 전기화학 활성이 있는 유기분자인 1,4-나프토퀴논(1,4-naphtoquinone, NQ)을 포함하고 있는 레독스 활성화 전해액을 혼합하여 고용량 슬러리 전극을 제조하였다.
구체적으로, 먼저 전극 활물질인 구형 활성탄 AC8K30와 도전제인 카본블랙을 80wt%와 20wt%의 비율로 혼합하여 막자사발로 잘 섞어준다. 그리고 1 M의 H2SO4 전해액에 10-6 M의 1,4-나프토퀴논을 녹여 레독스 활성화 전해액을 제조한다. 상기한 전극 활물질 및 도전제의 혼합파우더와 상기 레독스 활성화 전해액을 1:6의 중량비로 잘 혼합하여 고용량 슬러리 전극을 제조하였다.
<실시예 3>
상기한 실시예 1의 구형 활성탄 (AC8K30)과 전기화학 활성이 있는 무기분자인 KI를 포함하고 있는 레독스 활성화 전해액을 혼합하여 고용량 슬러리 전극을 제조하였다.
구체적으로, 먼저 전극 활물질인 구형 활성탄 AC8K30와 도전제인 카본블랙을 80wt%와 20wt%의 비율로 혼합하여 막자사발로 잘 섞어준다. 그리고 1 M의 H2SO4 전해액에 2×10-4 M의 KI를 녹여 레독스 활성화 전해액을 제조한다. 상기한 전극 활물질 및 도전제의 혼합파우더와 상기 레독스 활성화 전해액을 1:6의 중량비로 잘 혼합하여 고용량 슬러리 전극을 제조하였다.
<실시예 4>
전기화학 플로우 커패시터 저장장치의 활물질로서의 기능을 하는 전극 활물질인 비등방 활성탄(MSP20) 및 그래핀 나노파우더 입자와 전기화학 활성이 있는 유기분자인 1,4-벤젠디올을 포함하고 있는 레독스 활성화 전해액을 혼합하여 고용량 슬러리 전극을 제조하였다.
도 3은 실시예 4에서 사용된 비등방 활성탄 MSP20의 SEM(Scanning Electron Microscopy, Hitachi S-4800) 사진이고, 도 4는 실시예 4에서 사용된 그래핀 나노파우더의 SEM(Scanning Electron Microscopy, Hitachi S-4800) 사진이다.
구체적으로, 먼저 전극 활물질인 비등방 활성탄 MSP20와 그래핀 나노파우더를 60wt%와 40wt%의 비율로 혼합하여 막자사발로 잘 섞어준다. 그리고 1 M의 H2SO4 전해액에 전기화학 활성이 있는 1,4-벤젠디올 0.3 M 농도를 녹여 레독스 활성화 전해액을 제조한다. 상기한 전극 활물질 및 도전제의 혼합파우더와 상기 레독스 활성화 전해액을 1:5의 중량비로 잘 혼합하여 고용량 슬러리 전극을 제조하였다.
<실시예 5>
상기한 실시예 1의 구형 활성탄 (AC8K30)과 전기화학 활성이 있는 유기분자인 1,4-벤조퀴논(1,4-benzoquinone, BQ)을 포함하고 있는 레독스 활성화 전해액을 혼합하여 고용량 슬러리 전극을 제조하되, 전해액으로서 유기 전해액을 사용하였다.
구체적으로, 먼저 전극 활물질인 구형 활성탄 AC8K30와 도전제인 카본블랙을 80wt%와 20wt%의 비율로 혼합하여 막자사발로 잘 섞어준다. 그리고 프로필렌카보네이트(Propylene carbonate, PC)용매에 1 M의 TEABF4 전해질 염을 녹인 유기 전해액을 제조한 후, 여기에 0.3 M의 1,4-벤조퀴논 전기화학 활성 분자를 녹여 레독스 활성화 전해액을 제조한다. 상기한 전극 활물질 및 도전제의 혼합파우더와 상기 레독스 활성화 전해액을 1:7의 중량비로 잘 혼합하여 고용량 슬러리 전극을 제조하였다.
본 실시예에서는 전기화학 활성이 있는 유기분자인 1,4-벤조퀴논을 유기 전해액에 용해시켜서 레독스 활성화 전해액을 제조하였다. 이러한 유기 전해액은 유기분자의 용해도가 높기 때문에, 수계 전해액을 사용하는 경우에 비하여 많은 양을 용해시킬 수 있다. 구체적으로 실시예 5의 유기 전해액에는 3 M 농도까지 1,4-벤조퀴논을 용해시킬 수 있으며, 유기 전해액에 따라서는 전기화학 활성이 있는 유기분자인 1,4-벤조퀴논과 1,4-벤젠디올 등을 5 M까지 용해시킬 수 있다. 이와 같이, 유기 용매를 사용하여 유기계 레독스 활성화 물질의 농도를 높이는 경우에, 슬러리 전극의 성능을 더욱 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.
<비교예 1>
실시예 1 내지 실시예 3의 슬러리 전극에서, 전기화학 활성이 있는 유기분자 및 무기분자를 제외하고, 구형 활성탄 AC8K30와 도전제인 카본블랙만을 전해액에 혼합하여 일반적인 슬러리 전극을 제조하였다.
<비교예 2>
실시예 4의 비등방 활성탄 MSP20과 1 M의 H2SO4 전해액을 1:5의 중량비로 잘 혼합하여 슬러리 전극을 제조하였다.
<비교예3>
실시예 4의 그래핀 나노파우더와 1 M의 H2SO4 전해액을 1:6의 중량비로 잘 혼합하여 슬러리 전극을 제조하였다.
<비교예 4>
실시예 4의 비등방 활성탄 MSP20와 그래핀 나노파우더를 60wt%와40 wt%의 비율로 혼합하여 만든 혼합파우더와 1 M의 H2SO4 전해액을 1:7의 중량비로 잘 혼합하여 슬러리 전극을 제조하였다.
플로우 에너지 저장장치 제조
본 실시예에 따라서 제조된 고용량 슬러리 전극의 전기 화학적 특성을 평가하기 위하여, 상기한 실시예와 비교예의 슬러리 전극을 이용하여 플로우 에너지 저장장치를 구성하였다.
도 5는 플로우 에너지 저장장치 단위셀의 구성을 나타내는 도면이다.
양극 및 음극 집전체로는 3 mm 두께의 그라파이트 플레이트를 사용하였고, 가운데는 이온 투과성 분리막으로 절연시켰다. 양쪽의 집전체와 분리막의 사이에는 슬러리 전극이 위치할 수 있도록 공간이 형성된 개스킷을 삽입하였으며, 개스킷으로는 1 mm 두께와 약 4 cm2 면적의 홈을 가지고 있는 실리콘 고무를 사용하였다. 개스킷에는 슬러리 전극을 주입할 수 있는 주입구가 형성되어, 이를 통해 상기한 실시예와 비교예의 슬러리 전극을 개스킷 내부의 홈에 주입한다.
한편, 이번에 제작한 플로우 에너지 저장장치는 슬러리 전극의 전기 화학적 특성을 평가하기 위한 2전극 형태의 단위 셀로서, 슬러리 전극의 보관 및 이동을 위한 장치는 포함시키지 않았다. 또한, 개스킷에 주입구만을 형성하고 배출구는 형성하지 않았지만, 실사용을 위한 플로우 에너지 저장장치는 슬러리 전극을 순환시키기 위하여 배출구가 형성된다. 나아가 개스킷의 재질은 전해액의 특성에 따라서 선택적으로 사용하는 것이 바람직하며, 특히 내구성, 내화학성이 뛰어난 불소고무, 부틸고무, 테플론 재질, 네오프렌, 라텍스, 클로로설폰화 폴리에틸렌 고무, 에틸렌 프로필렌 고무, 스티렌부타디엔 고무, 부타디엔 고무, 니트릴 부타디엔 고무 등을 사용할 수 있다.
전기 화학적 특성 평가
상기한 구조의 2 전극 단위 셀에 실시예와 비교예의 슬러리 전극을 주입하고 순환전압전류 측정(cyclic voltammetry) 실험을 수행하였다.
도 6은 실시예 1의 고용량 슬러리 전극에 대한 순환전압전류 측정 결과이다.
주사속도 2 mV/s에서 실험을 수행한 결과, 붉은 색으로 표시된 실시예 1의 고용량 슬러리 전극의 비축전용량값은 412.4 F/g을 나타내어, 검은 색으로 표시된 비교예 1의 일반적 슬러리 전극의 비축전용량값인 220.1 F/g보다 약 2배 정도 증가한 매우 우수한 용량 값을 보였다.
도 7은 순환전압전류 충·방전 실험을 통해 계산된 실시예 1에 따른 고용량 슬러리 전극의 주사속도별 비용량을 나타낸다.
실시예 1의 고용량 슬러리 전극의 비용량을 주사속도 별로 살펴보면, 2mV/s에서 412.4 F/g, 5mV/s에서 349.2 F/g, 10 mV/s에서 299.6 F/g, 20mV/s에서 243.3 F/g이며, 50mV/s에서 150.2 F/g인 것으로 각각 확인되었다.
반면에, 비교예 1의 일반 슬러리 전극의 비용량을 주사속도 별로 살펴보면, 2 mV/s에서 220.1 F/g이고, 5 mV/s에서 195.1 F/g, 10 mV/s에서 167.6 F/g, 20mV/s에서 135.7 F/g이며, 50mV/s에서 89.5 F/g인 것으로 나타났다.
이로부터 모든 주사속도에서 실시예 1의 고용량 슬러리 전극이 비축전 용량이 비교예 1의 일반 슬러리 전극에 비하여 뛰어난 것을 확인할 수 있다.
도 8은 실시예 2의 고용량 슬러리 전극에 대한 순환전압전류 측정 결과이다.
주사속도 2 mV/s에서 실험을 수행한 결과, 실시예 2 고용량 슬러리 전극의 비축전용량값은 237.8 F/g을 나타내어, 앞서 살펴본 비교예 1의 일반적 슬러리 전극에 대한 비축전용량값인 220.1 F/g보다 약 10% 정도 증가한 것으로 나타났다.
도 9는 순환전압전류 충·방전 실험을 통해 계산된 실시예 2에 따른 고용량 슬러리 전극의 주사속도별 비용량을 나타낸다.
실시예 2의 고용량 슬러리 전극의 비용량을 주사속도 별로 살펴보면, 주사속도 2mV/s에서 237.8 F/g, 5mV/s에서 225.8 F/g, 10 mV/s에서 209 F/g, 20mV/s에서 183.7 F/g이며, 50mV/s에서 132.9 F/g인 것으로 각각 확인되었다.
이로부터 모든 주사속도에서 실시예 2의 고용량 슬러리 전극이 비축전 용량이 비교예 1의 일반 슬러리 전극에 비하여 뛰어난 것을 확인할 수 있었다. 특히 주사속도 50 mV/s의 상대적으로 빠른 주사속도 하에서, 실시예 2의 고용량 슬러리 전극은 비교예 1의 일반 슬러리 전극의 비충전용량값(89.5 F/g)보다 약 40% 이상 향상된 용량 값을 보였다.
실시예 2의 고용량 슬러리 전극에 의한 용량의 향상이 실시예 1의 경우보다 낮은 것은, 1,4-나프토퀴논을 10-6 M 농도로 매우 소량을 첨가한 것도 하나의 이유가 될 것이다. 하지만, 다른 한편으로 실시예 2에서 1,4-나프토퀴논을 매우 소량을 첨가한 경우에도 슬러리 전극의 용량이 증가한 것으로부터 본 발명의 효과를 더욱 확실히 확인할 수 있다.
도 10은 실시예 3의 고용량 슬러리 전극에 대한 순환전압전류 측정 결과이다.
주사속도 2 mV/s에서 실험을 수행한 결과, 실시예 3 고용량 슬러리 전극의 비축전용량값은 243.2 F/g을 나타내어, 앞서 살펴본 비교예 1의 일반적 슬러리 전극의 비축전용량값인 220.1 F/g보다 약 10% 정도 증가한 것으로 나타났다.
실시예 2와 마찬가지로, 전기화학 활성화 물질인 KI를 2×10-4 M 농도의 소량만을 첨가한 실시예 3에서도 일반적 슬러리 전극에 비하여 성능이 향상된 고용량 슬러리 전극의 제조가 가능하였다.
도 11은 실시예 4의 고용량 슬러리 전극에 대한 순환전압전류 측정 결과이고, 도 12는 비교예 2의 슬러리 전극에 대한 순환전압전류 측정 결과이며, 도 13은 비교예 3의 슬러리 전극에 대한 순환전압전류 측정 결과이다.
그리고 도 14는 비교예 4의 슬러리 전극에 대한 주사속도별 순환전압전류 충·방전 실험의 결과이고, 도 15는 순환전압전류 충·방전 실험을 통해 계산된 주사속도별 비축전 용량값이다.
주사속도 2 mV/s에서의 순환전압전류 충·방전 실험에서 실시예 4 고용량 슬러리의 비축전용량은 161.2 F/g를 나타내어, 같은 조건에서 48.2 F/g과 24.5 F/g 및 131.5 F/g를 나타내는 비교예 2 내지 4의 비축전용량보다 향상된 결과를 보였다. 특히 비교예 2 내지 4 중에서 가장 높은 비축전용량을 나타낸 비교예 4에 비해서도 약 20% 이상 향상된 것을 확인할 수 있다.
도 16은 실시예 5의 고용량 슬러리 전극에 대한 순환전압전류 측정 결과이다.
주사속도 2 mV/s에서 실험을 수행한 결과, 실시예 5의 고용량 슬러리 전극의 비축전용량값은 281.0 F/g을 나타내어, 수계 전해액 기반의 일반적 슬러리 전극인 비교예 1의 비축전용량값인 220.1 F/g 보다도 약 27 % 향상된 결과를 보였다. 또한, 기존 수계 전해액 기반의 슬러리 전극이 작동 전압이 1 V 인데 반하여, 유기계 전해액 기반의 슬러리 전극의 작동 전압은 2.7 V로 2.7배 증가시킬 수 있었다. 커패시터에서는 E(에너지)=1/2×C×V2 (C=Capacitance, V=Voltage)가 적용되며, 커패시터의 충전 가능한 최대 에너지양은 용량값과 최대 작동전압의 제곱에 비례한다. 따라서 용량 값의 향상뿐만 아니라 최대 작동 전압을 높이는 일 또한 매우 중요하다. 본 실시예 5의 고용량 슬러리 전극으로부터 용량값 향상에 더하여 작동 전압까지 향상된 고에너지밀도의 고용량 슬러리 전극을 제공할 수 있음을 확인할 수 있다.
이상의 결과에서 본 실시예의 고용량 슬러리 전극은 전기화학 플로우 커패시터 저장장치의 활물질로서의 기능을 하는 전극 활물질 입자와 전기화학적 활성이 있어서 레독스 반응을 수행하는 레독스 활성화 물질을 혼합하여 제조됨으로써, 유사커패시터의 특성을 함께 부여할 수 있었고 결과적으로 종래의 일반적인 슬러리 전극에 비하여 슬러리 전극의 용량이 크게 향상되는 뛰어난 효과가 있음을 확인할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따라 용량이 크게 향상된 고용량 슬러리 전극 기반의 플로우 에너지 저장장치는, 슬러리 전극이 유사커패시터의 특성을 함께 갖기 때문에 종래의 일반적인 전기화학 플로우 커패시터 저장장치와는 차이가 있으며, 전기화학 플로우 커패시터 저장장치의 장점과 이차전지의 고용량을 함께 구비한 뛰어난 성능을 갖는 것을 확인할 수 있다.
한편, 상기한 실시예들 중에서 비등방성 형태의 전극 활물질 입자를 사용한 실시예 4의 경우에 등방성 형태의 전극 활물질 입자를 사용한 실시예 1 내지 실시예 3보다 작은 용량을 나타냈다. 이는 슬러리 전극이 반고형 상태이므로 집전체와 전극간의 전기적 컨택 및 전극 활물질 서로 간의 전기적 컨택이 매우 중요하고, 또한 전극 활성 영역이 일부분에 국한되지 않고 전극 활물질 표면 전체가 전극 활성영역에 해당하기 때문에, 전극 활물질의 비표면이 넓을수록 용량이 향상되기 때문이다.
그리고 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고용량 슬러리 전극 기반의 플로우 에너지 저장장치는, 상기한 고용량 슬러리 전극을 유동성의 양극 또는 유동성의 음극으로 사용하는 것을 제외하고 전기화학 플로우 커패시터 저장장치의 구성을 모두 적용할 수 있으므로 자세한 설명은 생략한다.
이상 본 발명을 바람직한 실시예를 통하여 설명하였는데, 상술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화가 가능함은 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 특정 실시예가 아니라 특허청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (26)

  1. 유동성의 슬러리를 전극으로 사용하여 에너지를 저장하는 플로우 에너지 저장장치의 슬러리 전극으로서,
    전해액;
    상기 전해액에 분산되고, 전기화학 플로우 커패시터(electrochemical flow capacitor) 저장장치의 활물질로서의 기능을 하는 전극 활물질 입자; 및
    상기 전해액에 용해되고, 상기 전극 활물질의 표면에서 레독스 반응을 통한 유사 커패시터 거동을 하는 레독스 활성화 물질;을 포함하여 구성되며,
    상기 전극 활물질 입자에 의한 커패시터 특성과 상기 레독스 활성화 물질에 의해서 유사 커패시터(pseudocapacitor) 특성을 함께 나타내고,
    상기 레독스 활성화 물질이, 나프탈렌이나 안트라센 고리를 갖는 기질 중에 알코올 작용기와 아민 작용기 중에 적어도 하나 이상의 작용기를 갖는 물질로서, 환원된 형태와 산화된 형태 및 이들 유도체 중에 하나 이상의 전기화학적 활성 유기분자인 것을 특징으로 하는 고용량 슬러리 전극.
  2. 유동성의 슬러리를 전극으로 사용하여 에너지를 저장하는 플로우 에너지 저장장치의 슬러리 전극으로서,
    전해액;
    상기 전해액에 분산되고, 전기화학 플로우 커패시터(electrochemical flow capacitor) 저장장치의 활물질로서의 기능을 하는 전극 활물질 입자; 및
    상기 전해액에 용해되고, 상기 전극 활물질의 표면에서 레독스 반응을 통한 유사 커패시터 거동을 하는 레독스 활성화 물질;을 포함하여 구성되며,
    상기 전극 활물질 입자에 의한 커패시터 특성과 상기 레독스 활성화 물질에 의해서 유사 커패시터(pseudocapacitor) 특성을 함께 나타내고,
    상기 레독스 활성화 물질이 1,4-벤젠디올과 벤조퀴논 및 1,4-나프토퀴논 중에서 선택된 하나 이상의 물질이고, 상기 전해액에 10-9 M ~ 5 M의 농도 범위로 용해된 것을 특징으로 하는 고용량 슬러리 전극.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 전극 활물질 입자가 활성탄, 그래핀, 탄소나노튜브, 전도성 고분자 및 금속산화물 중에서 선택된 하나 이상의 물질인 것을 특징으로 하는 고용량 슬러리 전극.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 전극 활물질 입자가 1000 ~ 4000 m2/g의 비표면적을 갖는 것을 특징으로 하는 고용량 슬러리 전극.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 전극 활물질 입자가 구형 또는 시메트릭한 모양인 것을 특징으로 하는 고용량 슬러리 전극.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 전극 활물질 입자가 500nm~500㎛ 범위의 입경을 갖는 것을 특징으로 하는 고용량 슬러리 전극.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 레독스 활성화 물질이 상기 전해액에 10-9 M ~ 10 M의 농도 범위로 용해된 것을 특징으로 하는 고용량 슬러리 전극.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 레독스 활성화 물질이 상기 전해액에 10-8 M ~ 5 M의 농도 범위로 용해된 것을 특징으로 하는 고용량 슬러리 전극.
  9. 청구항 2에 있어서,
    상기 레독스 활성화 물질이 1,4-벤젠디올 또는 벤조퀴논이고, 상기 전해액에 0.01 M ~ 3 M의 농도 범위로 용해된 것을 특징으로 하는 고용량 슬러리 전극.
  10. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 전해액에 분산된 도전제 입자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고용량 슬러리 전극.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 도전제가 카본 블랙인 것을 특징으로 하는 고용량 슬러리 전극.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 전극 활물질 입자에 대한 상기 도전제 입자의 중량비가 50 wt% 이하인 것을 특징으로 하는 고용량 슬러리 전극.
  13. 청구항 10에 있어서,
    상기 전극 활물질 입자에 대한 상기 도전제 입자의 중량비가 5wt% ~ 30 wt% 범위인 것을 특징으로 하는 고용량 슬러리 전극.
  14. 청구항 1의 슬러리 전극을 제조하는 방법으로서,
    전기화학적 활성이 있어서 레독스 반응을 수행하는 레독스 활성화 물질을 전해액에 녹여 레독스 활성화 전해액을 제조하는 단계; 및
    전기화학 플로우 커패시터(electrochemical flow capacitor) 저장장치의 활물질로서의 기능을 하는 전극 활물질 입자를 상기 레독스 활성화 전해액과 혼합하는 단계;를 포함하여 구성되며,
    상기 레독스 활성화 물질이, 나프탈렌이나 안트라센 고리를 갖는 기질 중에 알코올 작용기와 아민 작용기 중에 적어도 하나 이상의 작용기를 갖는 물질로서, 환원된 형태와 산화된 형태 및 이들 유도체 중에 하나 이상의 전기화학적 활성 유기분자인 것을 특징으로 하는 고용량 슬러리 전극의 제조방법.
  15. 청구항 2의 슬러리 전극을 제조하는 방법으로서,
    전기화학적 활성이 있어서 레독스 반응을 수행하는 레독스 활성화 물질을 전해액에 녹여 레독스 활성화 전해액을 제조하는 단계; 및
    전기화학 플로우 커패시터(electrochemical flow capacitor) 저장장치의 활물질로서의 기능을 하는 전극 활물질 입자를 상기 레독스 활성화 전해액과 혼합하는 단계;를 포함하여 구성되며,
    상기 레독스 활성화 물질이 1,4-벤젠디올과 벤조퀴논 및 1,4-나프토퀴논 중에서 선택된 하나 이상의 물질이고, 상기 전해액에 10-9 M ~ 5 M의 농도 범위로 용해된 것을 특징으로 하는 고용량 슬러리 전극의 제조방법.
  16. 청구항 14 또는 청구항 15에 있어서,
    상기 전해액이 황산 (H2SO4), 황산나트륨 (Na2SO4), 염화칼륨 (KCl), 수산화칼륨 (KOH) 및 수산화나트륨 (NaOH) 용액 중에 하나 이상을 포함하는 수계 전해액인 것을 특징으로 하는 고용량 슬러리 전극의 제조방법.
  17. 청구항 14 또는 청구항 15에 있어서,
    상기 전해액이, 아세토나이트릴 (Acetonitrile, ACN), 프로필렌 카보네이트 (Propylene carbonate, PC), 에틸렌 카보네이트 (Ethylene carbonate, EC), 디에틸렌 카보네이트 (Diethylene carbonate, DEC), 디메틸렌 카보네이트 (Dimethylene carbonate, DMC)로 이루어진 군으로부터 선택된 일종의 유기용매 또는 이종 이상이 혼합된 유기용매와, 암모늄염과 리튬금속염으로 이루어진 군으로부터 선택된 일종의 염 또는 이종 이상이 혼합된 염으로 구성된 유기 전해액인 것을 특징으로 하는 고용량 슬러리 전극의 제조방법.
  18. 청구항 14 또는 청구항 15에 있어서,
    상기 전극 활물질 입자와 함께 도전제 입자를 상기 레독스 활성화 전해액에 혼합하는 것을 특징으로 하는 고용량 슬러리 전극의 제조방법.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 전극 활물질 입자와 상기 도전제 입자의 혼합 파우더와 상기 레독스 활성화 전해액의 중량비가 1:1 ~ 1:20 인 것을 특징으로 하는 고용량 슬러리 전극의 제조방법.
  20. 서로 이격되어 배치된 양극 전류 집전체와 음극 전류 집전체;
    상기 양극 전류 집전체와 음극 전류 집전체의 사이에 배치된 이온 투과성 분리막;
    상기 양극 집전체와 상기 이온 투과성 분리막 사이에 형성된 전극 영역에 위치하는 유동성의 양극; 및
    상기 음극 집전체와 상기 이온 투과성 분리막 사이에 형성된 전극 영역에 위치하는 유동성의 음극;을 포함하여 구성되고,
    상기 양극과 상기 음극 중에 하나 이상이 청구항 1 또는 청구항 2의 고용량 슬러리 전극이며,
    상기 고용량 슬러리 전극에 포함된 전극 활물질 입자에 의한 커패시터 특성과 레독스 활성화 물질에 의한 유사 커패시터(pseudocapacitor) 특성을 함께 나타내는 것을 특징으로 하는 고용량 슬러리 전극 기반의 플로우 에너지 저장장치.
  21. 청구항 20에 있어서,
    상기 유동성의 양극과 상기 유동성의 음극을 각각 저장하는 저장 탱크;와
    상기 유동성의 양극과 상기 유동성의 음극을 상기 저장 탱크와 상기 전극 영역 사이에서 순환시키는 이송로 및 이송펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 고용량 슬러리 전극 기반의 플로우 에너지 저장장치.
  22. 청구항 20에 있어서,
    상기 양극 전류 집전체 및 상기 음극 전류 집전체와 상기 이온 투과성 분리막 사이에 위치하며, 상기 전극 영역을 형성하는 개스킷을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고용량 슬러리 전극 기반의 플로우 에너지 저장장치.
  23. 청구항 22에 있어서,
    상기 개스킷이 실리콘 고무, 불소고무, 부틸고무, 네오프렌, 라텍스, 클로로설폰화 폴리에틸렌 고무, 에틸렌 프로필렌 고무, 스티렌부타디엔 고무, 부타디엔 고무, 니트릴 부타디엔 고무 및 테플론 중에서 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 고용량 슬러리 전극 기반의 플로우 에너지 저장장치.
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