흐름 전지

흐름 전지() 또는 산화 환원 흐름 전지(, 산화 환원 반응에서 유래)는 화학 전지의 일종으로, 화학 에너지가 액체에 용해된 두 가지 화학 성분에 의해 공급되며, 이들은 멤브레인의 양쪽 별도 시스템을 통해 펌핑된다. 전지 내부의 이온 이동(외부 회로를 통한 전류 흐름 동반)은 액체가 각 공간에서 순환하는 동안 멤브레인을 통해 일어난다.

무기 및 유기 형태를 포함한 다양한 흐름 전지가 시연되었다. 흐름 전지 설계는 다시 완전 흐름, 반 흐름 및 무막식으로 분류될 수 있다.

기존 전지와 흐름 전지의 근본적인 차이는 기존 전지에서는 전극 물질에 에너지가 저장되는 반면, 흐름 전지에서는 전해질에 에너지가 저장된다는 것이다.

흐름 전지는 연료전지처럼 사용될 수도 있고(새로운 충전된 음극액(환원제 또는 연료) 및 충전된 양극액(산화제)이 시스템에 추가되는 방식) 또는 이차 전지처럼 사용될 수도 있다(전력원에 의해 환원제와 산화제가 재생되는 방식).

흐름 전지는 고체 전기활성 물질을 사용하는 기존의 이차 전지에 비해 몇 가지 기술적 장점을 가지고 있다. 예를 들어, 전력(스택 크기에 의해 결정됨)과 에너지(탱크 크기에 의해 결정됨)의 독립적인 스케일링, 긴 사이클 및 사용 수명, 그리고 잠재적으로 낮은 총소유비용 등이 있다. 그러나 흐름 전지는 낮은 사이클 에너지 효율(50–80%)이라는 단점이 있다. 이러한 단점은 내부 교차(멤브레인/분리막을 통한)의 영향을 줄이고 전력 비용(스택 크기)을 줄이기 위해 흐름 전지를 높은(>= 100 mA/cm2) 전류 밀도에서 작동해야 하기 때문에 발생한다. 또한, 대부분의 흐름 전지(Zn-Cl2, Zn-Br2, H2-LiBrO3는 예외)는 리튬 이온 전지보다 낮은 비에너지(무거운 무게)를 가지고 있다. 더 무거운 무게는 주로 산화 환원 활성 종을 액상으로 유지하기 위해 용매(일반적으로 물)를 사용해야 하기 때문에 발생한다.

흐름 전지에 대한 특허 분류는 2021년 현재 완전히 개발되지 않았다. 선진특허분류는 흐름 전지를 재생 연료 전지(H01M8/18)의 하위 클래스로 간주하지만, 연료 전지를 흐름 전지의 하위 클래스로 간주하는 것이 더 적절하다.

전지 전압은 네른스트 식에 의해 화학적으로 결정되며, 실제 응용에서는 1.0에서 2.43 볼트 범위이다. 에너지 용량은 전해질 부피의 함수이고, 전력은 전극의 표면적의 함수이다.

 역사 
아연-브로민 흐름 전지(Zn-Br2)가 최초의 흐름 전지였다. 존 도일은 1879년 9월 29일  특허를 출원했다. Zn-Br2 전지는 상대적으로 높은 비에너지를 가지고 있으며, 1970년대에 전기차량에 시연되었다.

1950년대 독일에서 일하던 에스토니아의 화학자 발터 강그로(Walther Kangro)는 용해된 전이 금속 이온을 기반으로 하는 Ti-Fe 및 Cr-Fe 흐름 전지를 처음으로 시연했다.W. Kangro Dr, 1949.; W. Kangro Dr, 1954.;W. Kangro and H. Pieper, Electrochim Acta, 7 (4), 435-448 (1962) Ti-Fe 산화환원 흐름 전지(RFB) 화학에 대한 초기 실험 후, 미국 항공 우주국과 일본 및 기타 지역의 그룹은 추가 개발을 위해 Cr-Fe 화학을 선택했다. 혼합 용액(즉, 음극액과 양극액에 크로뮴과 철 종을 모두 포함하는)은 사이클링 중 시간에 따라 변하는 농도 효과를 줄이기 위해 사용되었다.

1980년대 후반, 호주 뉴사우스웨일스 대학교의 Sum, Rychcik, 스카일라스-카자코스E. R. Sum, M.; Skyllas-Kazacos, M., J Power Sources, 16 (2), 85-95 (1985); E. S.-K. Sum, M., J Power Sources, 15 (2-3), 179-190 (1985); M. Rychcik and M. Skyllas-Kazacos, J Power Sources, 19 (1), 45-54 (1987); M. Rychcik and M. Skyllas-Kazacos, J Power Sources, 22 (1), 59-67 (1988)는 바나듐 RFB 화학을 시연했다. UNSW는 VRFB와 관련된 여러 특허를 출원했으며, 이는 나중에 일본, 태국 및 캐나다 기업에 라이선스되어 다양한 성공을 거두며 이 기술을 상용화하려고 노력했다.

유기 산화 환원 흐름 전지는 2009년에 등장했다.

2022년 중화인민공화국 다롄시는 당시 최대 규모인 400 MWh, 100 MW 바나듐 흐름 전지를 가동하기 시작했다.

스미토모 일렉트릭은 대만, 벨기에, 호주, 모로코, 캘리포니아에서 사용할 흐름 전지를 건설했다. 일본 홋카이도의 흐름 전지 농장은 2022년 4월 개장 당시 세계 최대 규모였으나 천연가스 발전소의 출력을 맞출 수 있는 8배 더 큰 흐름 전지가 중국에 배치되면서 그 자리를 내주었다.

섬네일|800px|center|전기화학 전원 관련 출판물의 연간 로그 수. 선형 스케일로 표시된 인플레이션 조정된 기름값(미국 달러/리터)도 자홍색 선으로 표시되어 있다.

 설계 
흐름 전지는 하나 이상의 용해된 전기활성 원소를 포함하는 전해질이 화학 에너지를 전기 에너지로 가역적으로 변환하는 전기화학 전지의 셀을 통해 흐르는 이차 전지형 연료전지이다. 전기활성 원소는 "전극 반응에 참여하거나 전극에 흡착될 수 있는 용액 내 원소"이다.

전해질은 외부(일반적으로 탱크)에 저장되며, 일반적으로 반응기의 셀(또는 셀들)을 통해 펌핑된다. 흐름 전지는 방전된 전해질 액체를 교체함으로써(마치 내연기관에 연료를 다시 채우는 것과 유사하게) 빠르게 "재충전"될 수 있으며, 사용된 물질은 재충전을 위해 회수된다. 또한, 흐름 전지는 제자리에서 재충전될 수도 있다. 많은 흐름 전지는 저렴한 비용과 적절한 전기 전도성 때문에 탄소 펠트 전극을 사용하지만, 많은 산화환원 쌍에 대한 고유 활성이 낮아 제한된 전력 밀도를 보인다. 생성될 수 있는 전기량은 전해질 부피에 따라 달라진다.

흐름 전지는 전기화학 공학의 설계 원리를 따른다.

 평가 
산화 환원 흐름 전지는, 그리고 정도는 덜하지만 하이브리드 흐름 전지는 다음과 같은 장점을 가지고 있다.

 에너지(탱크)와 전력(스택)의 독립적인 스케일링으로, 각 응용 분야에 최적화된 비용/무게 등을 가능하게 한다.
 긴 사이클 및 사용 수명 (리튬 이온 및 관련 전지를 열화시키는 고체-고체 상전이가 없기 때문)
 빠른 반응 시간
 "균등화 충전" 불필요 (모든 셀이 동일한 충전 상태를 갖도록 배터리를 과충전하는 것)
 유해 물질 배출 없음
 유휴 기간 동안 자가 방전 거의 없음
 전기활성 물질 재활용

일부 유형은 쉬운 충전 상태 결정(충전량에 따른 전압 의존성), 낮은 유지 보수 및 과충전/과방전에 대한 내성을 제공한다.

일반적으로 가연성 전해질을 포함하지 않고 전해질을 전력 스택과 분리하여 저장할 수 있기 때문에 안전하다.

주요 단점은 다음과 같다.

 낮은 에너지 밀도 (유용한 양의 에너지를 저장하려면 큰 탱크가 필요함)
 낮은 충전 및 방전 속도. 이는 큰 전극과 멤브레인 분리막을 의미하며 비용을 증가시킨다.
 낮은 에너지 효율. 이는 교차(내부 자가 방전) 효과를 최소화하고 비용을 줄이기 위해 더 높은 전류 밀도에서 작동하기 때문이다.

흐름 전지는 일반적으로 연료전지보다 높은 에너지 효율을 가지지만, 리튬 이온 전지보다는 낮다.

전통적인 흐름 전지 화학은 낮은 비에너지(완전 전기차에는 너무 무거움)와 낮은 비출력(정지형 에너지 저장에는 너무 비쌈)을 모두 가지고 있다. 그러나 수소-브로민 흐름 전지는 1.4 W/cm2의 높은 출력을 시연했고, 수소-브롬산염 흐름 전지는 높은 비에너지(탱크 수준에서 530 Wh/kg)를 보여주었다.

 전통적인 흐름 전지 
산화환원 전지는 유체(액체 또는 기체) 매체에서 산화환원 활성 종을 사용한다. 산화환원 흐름 전지는 이차 전지형 전지이다. 이들은 불균일 전자 전달을 사용하며 고체 확산 또는 삽입을 사용하지 않기 때문에 기존 전지보다는 연료전지와 더 유사하다. 연료 전지가 전지로 간주되지 않는 주요 이유는 원래(1800년대) 연료 전지가 비연소 전기화학 과정을 통해 연료(및 공기)에서 직접 전기를 생산하는 수단으로 등장했기 때문이다. 이후, 특히 1960년대와 1990년대에 충전식 연료 전지(예: NASA의 헬리오스 프로토타입에 사용된 단일 재생 연료 전지인 /)가 개발되었다.

Cr-Fe 화학은 수화 이성질현상(예: 전기화학적으로 활성인 Cr3+ 클로로-착물과 비활성인 헥사-아쿠아 착물 사이의 평형, 그리고 음극에서의 수소 발생)과 같은 단점이 있다. 수화 이성질현상은 킬레이트성 아미노-리간드를 추가하여 완화할 수 있으며, 수소 발생은 H2 과전압을 높이기 위해 Pb 염을 추가하고 크로뮴 전극 반응을 촉매하기 위해 Au 염을 추가하여 완화할 수 있다.

전통적인 산화 환원 흐름 전지 화학에는 철-크로뮴, 바나듐, 폴리설파이드-브롬(Regenesys) 및 우라늄이 포함된다. 산화 환원 연료 전지는 상업적으로 덜 일반적이지만 많은 제안이 있었다.

 바나듐 
바나듐 산화환원 흐름 전지는 상업적 선두 주자이다. 이들은 양쪽 전극에 바나듐을 사용하므로 교차 오염 문제가 발생하지 않는다. 그러나 바나듐 염의 제한된 용해도는 실제 적용에서 이러한 장점을 상쇄한다. 이 화학의 장점으로는 흑연-수성 산성 계면의 전기화학적 전압 창 내에 네 가지 산화 상태가 존재하여 Cr-Fe RFB에서 유해한 혼합 희석을 제거한다는 점이 있다. 상업적 성공에 더 중요한 것은 탄소/수성 산성 계면의 전압 창이 바나듐 산화환원 쌍과 거의 완벽하게 일치한다는 점이다. 이는 저렴한 탄소 전극의 수명을 연장하고 H2 및 O2 발생과 같은 부반응의 영향을 줄여 수년간의 내구성과 수많은 사이클(15,000–20,000) 수명을 제공하며, 이는 결과적으로 기록적으로 낮은 균등화 발전 비용(LCOE, 시스템 비용을 사용 가능한 에너지, 사이클 수명 및 왕복 효율로 나눈 값)으로 이어진다. 이러한 긴 수명은 상대적으로 높은 초기 비용(바나듐, 탄소 펠트, 양극판 및 멤브레인에 의해 발생)을 상각할 수 있게 한다. LCOE는 kWh당 수십 센트 수준으로 고체 전지보다 훨씬 낮고 미국 및 EC 정부 기관에서 제시한 5센트 목표에 가깝다. 주요 과제는 다음과 같다: V2O5의 낮은 풍부도 및 높은 비용(> $30 / Kg); 수소 및 산소 발생을 포함한 기생 반응; 그리고 사이클링 중 V2O5의 침전.

 하이브리드 
하이브리드 흐름 전지(HFB)는 하나 이상의 전기활성 구성 요소를 고체층으로 증착하여 사용한다. 주요 단점은 이것이 에너지와 전력을 분리하는 것을 감소시킨다는 것이다. 이 전지는 하나의 전지 전극과 하나의 연료전지 전극을 포함한다. 이 유형은 전극 표면적에 의해 에너지에 제한을 받는다.

HFB에는 아연-브로민, 아연-세륨, 가용성 납-산, 그리고 모든 철 흐름 전지가 포함된다. 웡(Weng) 외 연구진은 실험적 OCV 1.93 V, 작동 전압 1.70 V로 상대적으로 높은 값을 갖는 바나듐-금속 수소화물 하이브리드 흐름 전지를 보고했다. 이 전지는 와  혼합 용액에서 작동하는 흑연 펠트 양극과 KOH 수용액에 담긴 금속 수소화물 음극으로 구성된다. 서로 다른 pH를 가진 두 전해질은 양극성 멤브레인으로 분리된다. 이 시스템은 쿨롱(95%), 에너지(84%), 전압(88%)에서 우수한 가역성과 높은 효율을 보였다. 그들은 전류 밀도 증가, 100 cm2의 더 큰 전극 포함 및 직렬 작동을 통해 개선을 보고했다. 변동하는 시뮬레이션된 전력 입력을 사용한 예비 데이터는 kWh 규모 저장에 대한 타당성을 시험했다. 2016년에는 고에너지 밀도 Mn(VI)/Mn(VII)-Zn 하이브리드 흐름 전지가 제안되었다.

 아연-폴리요오드화물 
아연–폴리요오드화물 흐름 전지 시제품은 167 Wh/L의 에너지 밀도를 시연했다. 기존의 아연–브로민 전지는 70 Wh/L에 도달한다. 비교를 위해 리튬 인산철 배터리는 325 Wh/L를 저장한다. 아연–폴리요오드화물 전지는 산성 전해액이 없고 불연성이며 -4에서 122 F (영하 20에서 영상 50 °C)의 작동 범위를 가지므로 무게를 늘리고 공간을 차지하는 광범위한 냉각 회로가 필요하지 않아 다른 흐름 전지보다 안전하다고 주장된다. 아직 해결되지 않은 한 가지 문제는 음극에 아연이 축적되어 멤브레인을 침투하여 효율을 감소시킬 수 있다는 것이다. Zn 덴드라이트 형성 때문에 Zn-할로겐화물 전지는 높은 전류 밀도(> 20 mA/cm2)에서 작동할 수 없으므로 전력 밀도가 제한적이다. ZnI 전해액에 알코올을 추가하면 도움이 될 수 있다. Zn/I RFB의 단점은 요오드화물 염의 높은 비용(> $20 / Kg), Zn 증착의 제한된 면적 용량으로 인해 분리된 에너지와 전력이 감소하는 점, 그리고 Zn 덴드라이트 형성이다.

전지가 완전히 방전되면 두 탱크 모두 동일한 전해질 용액, 즉 양전하를 띠는 아연 이온()과 음전하를 띠는 요오드화물 이온()의 혼합물을 담고 있다. 충전되면 한 탱크에는 다른 음이온인 폴리요오드화물()이 담겨 있다. 전지는 액체를 혼합하는 스택을 통해 액체를 펌핑하여 전력을 생산한다. 스택 내부에서는 아연 이온이 선택적 멤브레인을 통과하여 스택의 음극 쪽에서 금속 아연으로 변한다. 에너지 밀도를 높이기 위해 브롬화물 이온()은 자유 요오드를 안정화시키는 착화제로 사용되어 요오드-브롬화물 이온()을 형성하여 전하 저장에 필요한 요오드화물 이온을 확보하는 수단이 된다.

 양성자 흐름 
양성자 흐름 전지(PFB)는 금속 수소화물 저장 전극을 가역적 양성자 교환막(PEM) 연료 전지에 통합한다. 충전 중 PFB는 연료 전지의 한 전극에서 물 분해로 생성된 수소 이온을 전자 및 금속 입자와 결합한다. 에너지는 금속 수소화물 고체 형태로 저장된다. 방전은 이 과정이 역전되고 양성자가 주변 산소와 결합할 때 전기와 물을 생성한다. 리튬보다 저렴한 금속을 사용할 수 있으며 리튬 전지보다 더 큰 에너지 밀도를 제공한다.

 유기 
바나듐 및 Zn-Br2 전지와 같은 무기 산화환원 흐름 전지와 비교하여 유기 산화환원 흐름 전지의 장점은 활성 구성 요소의 조절 가능한 산화환원 특성이다. 2021년 현재 유기 RFB는 낮은 내구성(즉, 사용 수명 또는 사이클 수명 또는 둘 다)을 겪었으며 상업적 규모로 시연되지 않았다.

유기 산화 환원 흐름 전지는 다시 수성(AORFBs)과 비수성(NAORFBs)으로 분류될 수 있다. AORFBs는 전해질 물질의 용매로 물을 사용하는 반면, NAORFBs는 유기 용매를 사용한다. AORFBs와 NAORFBs는 다시 전체 시스템과 하이브리드 시스템으로 나눌 수 있다. 전자는 유기 전극 물질만 사용하는 반면, 후자는 양극 또는 음극 중 하나에 무기 물질을 사용한다. 대규모 에너지 저장에서는 낮은 용매 비용과 높은 전도성으로 인해 AORFBs가 더 큰 상업적 잠재력을 가지며, 물 기반 전해질의 안전성 이점도 제공한다. NAORFBs는 훨씬 더 큰 전압 창을 제공하고 공간을 덜 차지한다.

 pH 중성 AORFBs 
pH 중성 AORFB는 pH 7 조건에서 작동하며, 일반적으로 NaCl을 지지 전해질로 사용한다. pH 중성 조건에서는 유기 및 유기금속 분자가 부식성 산성 및 알칼리성 조건보다 더 안정적이다. 예를 들어, AORFB에 사용되는 일반적인 양극액인 K4[Fe(CN)]은 알칼리 용액에서는 안정하지 않지만 pH 중성 조건에서는 안정하다.

AORFB는 pH 중성 조건에서 메틸 바이올로겐을 음극액으로, 4-하이드록시-2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-1-옥실을 양극액으로 사용했으며, NaCl과 저렴한 음이온 교환막을 추가했다. 이 MV/TEMPO 시스템은 2015년 현재 AORFB에 대해 보고된 가장 높은 전지 전압인 1.25 V와 아마도 가장 낮은 초기 비용($180/kWh)을 가지고 있다. 수성 액체 전해질은 인프라를 교체하지 않고도 드롭인 방식으로 대체할 수 있도록 설계되었다. 600밀리와트 테스트 전지는 20~100 mA/cm 범위의 전류 밀도에서 거의 100% 효율로 100회 사이클 동안 안정적이었으며, 최적 성능은 40~50 mA로 평가되었고, 이때 원래 전압의 약 70%가 유지되었다. 중성 AORFB는 부식성 RFB에 필적하는 전기화학적 성능을 보이면서 산성 또는 알칼리성 대안보다 환경 친화적일 수 있다. MV/TEMPO AORFB는 TEMPO 측의 제한으로 인해 8.4 Wh/L의 에너지 밀도를 갖는다. 2019년에 초경량 설폰산-비올로겐/페로시안화 칼륨 AORFB를 사용하는 비올로겐 기반 흐름 전지가 10 Wh/L의 에너지 밀도에서 1000 사이클 동안 안정적이라고 보고되었는데, 이는 당시 가장 안정적이고 에너지 밀도가 높은 AORFB였다.

 산성 AORFBs 
퀴논과 그 유도체는 많은 유기 산화 환원 시스템의 기반이 된다. 한 연구에서는 1,2-디히드로벤조퀴논-3,5-디술폰산(BQDS)과 1,4-디히드로벤조퀴논-2-술폰산(BQS)이 양극으로 사용되었고, 기존의 Pb/PbSO4는 하이브리드 산성 AORFB의 음극액이었다. 퀴논은 기존 양극액의 하나와 비교하여 두 배의 전하를 받아들이므로, 주어진 부피에서 두 배 많은 에너지를 의미한다.

또 다른 퀴논인 9,10-안트라퀴논-2,7-디술폰산(AQDS)이 평가되었다. AQDS는 황산 내 유리 탄소 전극에서 빠르고 가역적인 2전자/2양성자 환원을 겪는다. 저렴한 탄소 전극을 사용하는 수성 흐름 전지는 퀴논/하이드로퀴논 쌍을 / 산화환원 쌍과 결합하여 13,000 A/m2에서 6,000 W/m2를 초과하는 피크 갈바니 전력 밀도를 생성한다. 사이클링 결과 사이클당 > 99%의 저장 용량 유지율을 보였다. 부피 에너지 밀도는 20 Wh/L 이상이었다. 음극에는 안트라퀴논-2-술폰산과 안트라퀴논-2,6-디술폰산, 양극에는 1,2-디히드로벤조퀴논-3,5-디술폰산을 사용하여 위험한 Br2의 사용을 피한다. 이 전지는 열화 없이 1,000회 사이클 동안 지속된다고 주장되었다. 전지 전압이 낮고(약 0.55 V) 에너지 밀도가 낮다(< 4 Wh/L).

브롬화수소산을 덜 유독한 알칼리성 용액(1 M KOH)과 페로시안화 칼륨으로 대체하면 부식성이 낮아 저렴한 중합체 탱크를 사용할 수 있었다. 멤브레인 내 전기 저항 증가를 상쇄하기 위해 전압을 1.2 V로 높였다. 전지 효율은 99%를 초과했으며, 왕복 효율은 84%로 측정되었다. 이 전지는 최소 1,000회 사이클의 예상 수명을 제공했다. 이론적 에너지 밀도는 19 Wh/L이었다. 페로시안화칼륨의 고pH KOH 용액에서의 화학적 안정성은 확인되지 않았다.

동일 분자 내에 음극액과 양극액을 모두 통합하는, 즉 양기능성 분석물 또는 콤비 분자를 사용하면 동일한 물질을 두 탱크 모두에서 사용할 수 있다. 한 탱크에서는 전자 공여체로, 다른 탱크에서는 전자 수용체로 작용한다. 이것은 교차 효과를 감소시키는 등의 장점이 있다. 따라서 퀴논 다이아미노안트라퀴논과 인디고 기반 분자뿐만 아니라 TEMPO/페나진도 이러한 대칭형 산화환원 흐름 전지(SRFB)에 사용될 수 있는 잠재적인 전해질이다.

또 다른 접근 방식은 블래터 라디칼을 공여체/수용체로 채택했다. 이 라디칼은 테스트에서 275회 충방전 사이클을 견뎠지만, 물에 용해되지는 않았다.

 알칼리성 
퀴논과 플루오레논 분자는 물 용해도를 높이기 위해 재설계될 수 있다. 2021년에는 가역 케톤(탈)수소화 시연 전지가 촉매 없이 실온에서 120일 동안 1,111회의 충전 사이클 동안 지속적으로 작동하여 97%의 용량을 유지했다. 이 전지는 바나듐 기반 시스템의 두 배 이상의 에너지 밀도를 제공했다. 주요 과제는 안정적인 양극액의 부재로, 에너지 밀도가 5 Wh/L 미만으로 유지되었다. 알칼리성 AORFB는 알칼리 용액에서 페로시안화 칼륨의 안정성 문제로 인해 과량의 페로시안화 칼륨 양극액을 사용한다.

금속-유기 흐름 전지는 유기 리간드를 사용하여 산화환원 특성을 향상시킨다. 리간드는 킬레이트인 EDTA와 같을 수 있으며, 전해질이 중성 또는 알칼리성 조건에 있도록 할 수 있으며, 그렇지 않으면 금속 아쿠오 착물이 침전될 것이다. 물의 금속 배위를 차단함으로써 유기 리간드는 금속 촉매 물 분해 반응을 억제하여 더 높은 전압의 수성 시스템을 유도할 수 있다. 예를 들어, 1,3-프로판디아민테트라아세테이트(PDTA)에 배위된 크로뮴을 사용하면 페로시안화물에 대해 1.62 V, 브로민에 대해 기록적인 2.13 V의 전지 전위가 얻어졌다. 금속-유기 흐름 전지는 록히드 마틴의 그리드스타 플로우(Gridstar Flow) 기술과 같은 배위 화학 흐름 전지로 알려져 있을 수 있다.

 올리고머 
올리고머 산화 환원 종은 교차를 줄이는 동시에 저렴한 멤브레인을 허용하기 위해 제안되었다. 이러한 산화 환원 활성 올리고머는 산화 환원 중합체로 알려져 있다. 한 시스템은 유기 중합체와 셀룰로스 멤브레인을 포함하는 염 용액을 사용한다. 시제품은 상당한 용량을 유지하면서 10,000회 충전 사이클을 거쳤다. 에너지 밀도는 10 Wh/L이었다. 전류 밀도는 1 amperes/cm2에 도달했다.

또 다른 올리고머 RFB는 저비용의 투석 막과 함께 비올로겐 및 TEMPO 산화환원 중합체를 사용했다. 기능화된 거대분자(아크릴 유리 또는 스티로폼과 유사)가 물에 용해되어 활성 전극 물질을 구성했다. 크기 선택성 나노다공성 막은 여과기처럼 작동하며, 기존의 이온 선택성 막보다 훨씬 쉽고 저렴하게 생산된다. 이 막은 큰 "스파게티" 같은 중합체 분자는 차단하면서 작은 반대 이온은 통과시킨다. 이 개념은 전통적인 나피온 막의 높은 비용 문제를 해결할 수 있다. 올리고머 산화 환원 종을 사용하는 RFB는 경쟁력 있는 면적별 전력을 시연하지 못했다. 낮은 작동 전류 밀도는 큰 산화 환원 분자의 본질적인 특징일 수 있다.

 기타 유형 
기타 흐름형 전지에는 아연-세륨 전지, 아연-브로민 전지 및 수소-브로민 전지가 있다.

 무막식 
멤브레인 없는 전지는 두 액체가 채널을 통해 펌핑되어 에너지를 저장하거나 방출하기 위한 전기화학 반응을 겪는 층류에 의존한다. 용액은 거의 섞이지 않고 평행하게 흐른다. 이 흐름은 멤브레인 없이 액체를 자연스럽게 분리한다.

멤브레인은 종종 가장 비용이 많이 들고 신뢰성이 낮은 배터리 구성 요소인데, 특정 반응물에 반복적으로 노출되어 부식되기 쉽기 때문이다. 멤브레인이 없으면 액체 브로민 용액과 수소를 사용할 수 있게 된다. 이 조합은 멤브레인이 사용될 경우 문제가 되는데, 브롬화수소산을 형성하여 멤브레인을 손상시킬 수 있기 때문이다. 두 재료 모두 저렴한 비용으로 구할 수 있다. 이 설계는 두 전극 사이에 작은 채널을 사용한다. 액체 브로민은 흑연 음극 위로 채널을 통해 흐르고 브롬화수소산은 다공성 양극 아래로 흐른다. 동시에 수소 가스가 양극을 가로질러 흐른다. 화학 반응은 배터리를 재충전하기 위해 역전될 수 있는데, 이는 무막식 설계에서는 처음이다. 2013년 8월에 발표된 이러한 무막 흐름 전지 중 하나는 최대 전력 밀도 0.795 W/cm2를 생산했는데, 이는 다른 무막 시스템보다 3배 많고 리튬 이온 전지보다 10배 높은 수치이다.

2018년에는 전해액 흐름의 재충전 및 재순환이 가능한 거시적 무막 RFB가 시연되었다. 이 전지는 서로 섞이지 않는 유기 양극액 및 수성 음극액 액체를 기반으로 하였으며, 사이클링 동안 높은 용량 유지율과 쿨롱 효율을 보였다.

 서스펜션 기반 
나노입자 네트워크로 배열된 리튬-황 시스템은 전하가 전도성 플레이트와 직접 접촉하는 입자 안팎으로 이동해야 하는 요구 사항을 없앤다. 대신 나노입자 네트워크는 액체 전체에 전기가 흐르도록 한다. 이는 더 많은 에너지를 추출할 수 있게 한다.

반고체 흐름 전지에서는 양극 및 음극 입자가 운반 액체에 현탁되어 있다. 이 현탁액은 얇고 다공성 막과 같은 장벽으로 분리된 반응 챔버 스택을 통해 흐른다. 이 접근 방식은 액체 전해액에 전극 물질을 현탁시키는 수성 흐름 전지의 기본 구조와 탄소 없는 현탁액 및 전도성 탄소 네트워크를 갖춘 슬러리 모두에서 리튬 이온 전지의 화학을 결합한다. 탄소 없는 반고체 RFB는 고체 분산 산화환원 흐름 전지라고도 불린다. 물질을 용해시키면 화학적 거동이 상당히 변한다. 그러나 고체 물질 조각을 현탁시키면 고체의 특성이 보존된다. 그 결과 점성이 있는 현탁액이 된다.

2022년, 인플루이트 에너지(Influit Energy)는 금속 산화물이 수용액에 현탁된 흐름 전지 전해액을 발표했다.

산화 환원 표적 고체(ROTS) 또는 고체 에너지 부스터(SEB)를 사용하는 흐름 전지는 양극액 또는 음극액 또는 둘 다(산화환원 유체라고도 함)가 하나 이상의 고체 전기활성 물질(SEM)과 접촉한다. 유체는 하나 이상의 산화환원 쌍을 포함하며, 이는 SEM의 산화환원 전위를 측면에 둔다. 이러한 SEB/RFB는 기존 전지(예: 리튬 이온 전지)의 높은 비에너지 장점과 흐름 전지의 분리된 에너지-전력 장점을 결합한다. SEB(ROTS) RFB는 점성 슬러리를 펌핑할 필요가 없고, 침전/막힘이 없으며, 더 높은 면적당 전력, 더 긴 내구성 및 더 넓은 화학 설계 공간과 같은 반고체 RFB에 비해 장점이 있다. 그러나 이중 에너지 손실(스택에서 한 번, SEB(ROTS)와 매개체 사이의 탱크에서 한 번) 때문에 이러한 전지는 낮은 에너지 효율을 겪는다. 시스템 수준에서 전통적인 리튬 이온 전지의 실제 비에너지는 리튬 이온 전지의 SEB(ROTS) 흐름 버전보다 크다.

 비교 
+ 흐름 전지 조성 비교 커플 최대 전지 전압 (V) 평균 전극 전력 밀도 (W/m2) 평균 유체 에너지 밀도 사이클 수 수소–브롬산 리튬  1.1  15,000  750 Wh/kg  수소–염소산 리튬  1.4  10,000  1400 Wh/kg  브로민–수소  1.07  7,950   철–주석  0.62  < 200   철–타이타늄  0.43  < 200   철–크로뮴  1.07  < 200   철–철  1.21  < 1000  20 Wh/L  10,000 유기 (2013)  0.8  13,000  21.4 Wh/L  10 유기 (2015)  1.2   7.1 Wh/L  100 MV-TEMPO 1.25 8.4 Wh/L 100 설폰산 바이올로겐 (NH4)4[Fe(CN)6] 0.9 > 500 10 Wh/L 1,000 금속-유기–페로시안화물 1.62 2,000 21.7 Wh/L 75 금속-유기–브로민 2.13 3,000 35 Wh/L 10 바나듐–바나듐 (황산염)  1.4  ~800  25 Wh/L  바나듐–바나듐 (브롬화물)    50 Wh/L  2,000 나트륨–브로민 폴리설파이드  1.54  ~800   나트륨–칼륨     황–산소-염 아연–브로민  1.85  ~1,000  75 Wh/kg  > 2,000 납-산 (메테인설포네이트)  1.82  ~1,000  아연–세륨 (메테인설포네이트)  2.43  < 1,200–2,500  Zn-Mn(VI)/Mn(VII)  1.2   60 Wh/L

 응용 
기술적 장점 덕분에 산화환원 흐름 전지는 대규모 에너지 저장에 적합하다. 흐름 전지는 일반적으로 수시간의 충전-방전 주기를 가진 비교적 큰(1 kWh – 10 MWh) 정지형 응용 분야에 적합하다고 간주된다. 흐름 전지는 더 짧은 충전/방전 시간에서는 비용 효율적이지 않다. 시장 틈새 시장은 다음과 같다.

 그리드 저장: 전력망 사용을 위한 단기 및 장기 에너지 저장
 부하 평준화: 배터리가 전력망에 연결되어 비수기 시간에 전력을 저장하고 피크 수요 기간에 방출한다. 대부분의 흐름 전지 화학에서 이러한 사용을 제한하는 일반적인 문제는 낮은 면적 전력(작동 전류 밀도)으로, 이는 높은 비용으로 이어진다.
 풍력 또는 태양광과 같은 간헐적 에너지원에서 피크 수요 기간에 사용할 에너지 전환.
 수요 급증을 배터리로 충족시키는 피크 쉐이빙.
 무정전 전원 공급 장치: 주 전원이 중단될 경우 배터리가 사용된다.
 전력 변환: 모든 셀이 동일한 전해액을 공유하므로, 전해액은 주어진 수의 셀을 사용하여 충전하고 다른 수의 셀을 사용하여 방전할 수 있다. 배터리 전압은 사용된 셀 수에 비례하므로, 배터리는 강력한 DC-DC 변환기 역할을 할 수 있다. 또한, 셀 수가 계속 변경되는 경우(입력 및 출력 측) 전력 변환은 스위칭 장치의 주파수에 의해 제한되는 AC/DC, AC/AC 또는 DC-AC일 수도 있다.
 전기차량: 흐름 전지는 전해액을 교체하여 빠르게 "재충전"할 수 있으므로, 차량이 가솔린 차량만큼 빠르게 에너지를 공급받아야 하는 응용 분야에 사용될 수 있다. 전기차 응용 분야에서 대부분의 RFB 화학의 일반적인 문제는 낮은 에너지 밀도로, 이는 짧은 주행 거리로 이어진다. 아연-염소 전지와 고용해성 할로겐산염 전지는 주목할 만한 예외이다.
 독립형 전력 시스템: 이에 대한 예시로는 전력망 공급이 불가능한 휴대폰 기지국이 있다. 배터리는 태양광 또는 풍력 발전원과 함께 사용되어 변동하는 전력 수준을 보상하고, 발전기와 함께 사용하여 연료를 절약할 수 있다.

 같이 보기 
 연료전지 용어집
 수소 기술
 배터리 종류 목록
 미세관 멤브레인
 산화 환원 전극

 각주 

 외부 링크 
 Electropaedia on Flow Batteries
 Research on the uranium redox flow battery

 South Australian Flow Battery Project

분류:전기화학
분류:연료전지
분류:전지 유형