그림 7. 불용성 고체 활물질 기반 레독스 흐름 전지 개략도: (a) 반고체 흐름 전지 [6], (b) 고체
표적/매개/부스트 흐름 전지 [7]
가. 반고체 흐름 전지(Semi-Solid Flow Batteries, SSFB)
가용성 활성 종을 포함하는 전해질은 슬러리 또는 반고체 전극을 형성하는 고체 입자의
현탁액으로 대체된다. 고체 함유 슬러리는 외부 저장소에 저장되고 에너지 변환을 위해
전기화학 반응기로 펌프를 통해서 운반된다 (그림 7a). 이 배터리 기술에 대한 첫 번째 개념
증명은 Li 삽입 재료와 비수성 전해질을 사용하여 시연되었고, 유동성 현탁액의 농도는
12M 에 달했다 [8]. 이 개념은 비수성 전해질 및 수성 전해질뿐만 아니라 유기 미립자 물질 및 용량성 물질을 기반으로 하는 다른 배터리 화학으로도 확장되었다. 고체 활물질의
사용에 대한 주요 제한 사항은 고체 전해질 계면(SEI)의 새로운 역할이다.
고체 입자의 현탁액을 사용하려면 기존 RFB 의 시스템 구조를 변경해야 한다. 특히
반응기 설계는 고체 입자가 통과할 수 있도록 해야 한다. 표면적이 큰 다공성 3 차원
탄소전극은 부유 입자에 의해 막힐 위험이 있으므로 피해야 한다. SSFB 의 일반적인 전지
반응기는 두 개의 집전체, 분리기 및 개스킷으로 구성된다. 슬러리가 흐르는 공간은
개스킷으로 정의된다. 2-D 전극의 최대 전류 밀도는 낮은 전기화학적 표면적 때문에 크게
감소한다. 탄소 입자는 활성 입자의 현탁액에 첨가되어 슬러리에 전기 전도성을 제공하고
따라서 슬러리가 반응기를 통해 흐를 때 전기화학적 표면적을 증가시킨다. 탄소 함량이
높을수록 전기 전도도와 전류 밀도가 높아진다. 전류 밀도는 여전히 기존 RFB 구성에서
달성된 것보다 훨씬 낮고, 점도 및 이온 저항은 탄소 함량이 증가함에 따라 증가하므로 탄소
함량의 절충 값을 찾아야 한다. 계면활성제를 반고체 전극에서 분산제로 사용하면 이러한
유형의 첨가제가 유동성을 증가시켜 탄소 함량을 추가로 증가시킬 수 있기 때문에 반고체
전극의 특성을 향상시키는 것으로 나타났다.
나. 고체 표적/중재/부스트 플로우 전지(Solid Targeted/mediated/Boosted Flow
batteries, SMFBs)
기존 RFB 구조는 고체 활성 물질이 에너지 밀도를 높이기 위해 외부 저장소에 갇힌
경우에만 가능하다. 전극에서 떨어진 고체 물질에 전하를 저장하기 위하여 용해된
산화환원 종을 전기화학 반응기와 외부 저장소 사이의 전하 운반체(산화환원 매개체)로
사용한다. 따라서 용해된 종은 에너지 저장 물질로 작용하지 않고 분자 배선으로 작용하여
농도를 급격히 감소시킨다. 이 전략은 기존의 RFB 구조를 사용하는 여러 활성종 화학
물질에 대해 성공적으로 입증되었다.
이 접근법의 핵심 과정은 저장소에 갇힌 고체 활성 물질과 산화 환원 전해질 사이의
가역적이고 자발적인 전하 이동 반응이다. 고체 물질의 산화환원 전위 위아래에 있는 두
개의 용해된 산화환원 종 A 와 B 가 하나의 저장소에서 사용될 때 종 A 는 충전 과정에서
산화환원 매개체로 작용하는 반면 종 B 는 방전 중에 매개체로 작용한다. 각 저장소에 대해
두 개의 산화환원 매개체를 사용하는 주요 단점은 전압 효율의 저하이다. 대신 Nernst
방정식에 따라 전하 상태에 따른 전해질의 산화환원 전위 변화를 이용하여 각 저장소에
대해 하나의 단일 산화환원 매개체(예: 페로시안화칼륨)를 사용하여 전압 효율 문제를 해결할 수 있다. 산화 환원 매개체와 고체 활성 물질의 산화 환원 전위의 완벽한 일치는 단일
산화 환원 매개체를 사용하는 데 매우 중요하다. 일단 달성되면, 고체 활물질은 에너지 밀도
및 에너지 비용 측면에서 주요 기여자가 된다.
6. 참고문헌
[1] Yoon SJ, Kim S, Kim DK. Optimization of local porosity in the electrode as an advanced
channel for all-vanadium redox flow battery. Energy 2019;172:26–35.
https://doi.org/10.1016/j.energy.2019.01.101.
[2] Sánchez-Díez E, Ventosa E, Guarnieri M, Trovò A, Flox C, Marcilla R, et al. Redox flow
batteries: Status and perspective towards sustainable stationary energy storage. J Power
Sources 2021;481. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2020.228804.
[3] Kim S., Jeon D. H., Yoon S. J. KDK. Modeling vanadium redox flow batteries using
OpenFOAM. In: Beale S. B., Lehnert W., editors. Electrochem. Cell Calc. with
OpenFOAM, Springer; n.d.
[4] Kim S. Vanadium Redox Flow Batteries: Electrochemical Engineering. Energy Storage
Devices, InTech; 2019, p. 115–33. https://doi.org/10.5772/intechopen.85166.
[5] Lee JW, Goulet MA, Kjeang E. Microfluidic redox battery. Lab Chip 2013.
https://doi.org/10.1039/c3lc50499a.
[6] Ventosa E, Buchholz D, Klink S, Flox C, Chagas LG, Vaalma C, et al. Non-aqueous semisolid flow battery based on Na-ion chemistry. P2-type Na x Ni 0.22 Co 0.11 Mn 0.66 O 2 –
NaTi 2 (PO 4 ) 3. Chem Commun 2015;51.
[7] Páez T, Martínez-Cuezva A, Palma J, Ventosa E. Mediated alkaline flow batteries: From
fundamentals to application. ACS Appl Energy Mater 2019;2.
https://doi.org/10.1021/acsaem.9b01826.
[8] Duduta M, Ho B, Wood VC, Limthongkul P, Brunini VE, Carter WC, et al. Semi-solid
lithium rechargeable flow battery. Adv Energy Mater 2011;1.
https://doi.org/10.1002/aenm.201100152.
[9] Ferrigno R, Stroock AD, Clark TD, Mayer M, Whitesides GM. Membraneless vanadium
redox fuel cell using laminar flow. J Am Chem Soc 2002;124:12930–1.
https://doi.org/10.1021/ja020812q.
[10] Ibrahim OA, Goulet MA, Kjeang E. In-situ characterization of symmetric dual-pass
architecture of microfluidic co-laminar flow cells. Electrochim Acta 2016;187.
https://doi.org/10.1016/j.electacta.2015.11.081.