KR102042098B1 - Seawater Battery - Google Patents

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Abstract

본 발명은 해수 전지에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 해수 전지는, 애노드(anode); 및 나트륨 이온의 인터칼레이션(intercalation) 및 디인터칼레이션(deintercalation) 및 이작용성(bifunctional) 전극 촉매 반응을 위해 이용되는 전기화학 촉매 물질로 이루어진 촉매층을 포함하는 캐소드(cathode);를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 해수 전지용 캐소드 물질은 OER(oxygen evolution reaction)/ORR(oxygen reduction reaction) 촉매 활성 반응뿐만 아니라, 나트륨 이온의 인터칼레이션 및 디인터칼레이션을 모두 촉진시켜, 해수 전지의 충전 및 방전 속도가 개선되고 에너지 용량이 증가한다.
The present invention relates to a seawater battery.
Seawater battery according to an embodiment of the present invention, the anode (anode); And a cathode comprising a catalyst layer made of an electrochemical catalyst material used for intercalation and deintercalation and bifunctional electrode catalysis of sodium ions. have.
The cathode material for a seawater battery according to an embodiment of the present invention promotes both an intercalation and deintercalation of sodium ions, as well as an oxygen evolution reaction (OER) / oxygen reduction reaction (ORR) catalytic activity reaction. Its charging and discharging rate is improved and energy capacity is increased.

Figure 112018032959157-pat00007
Figure 112018032959157-pat00007

Description

해수 전지{Seawater Battery}Seawater Battery

본 발명은 해수 전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 해수 전지용 캐소드에 적용된 전기화학적 촉매 물질에 관한 것이다.The present invention relates to seawater cells, and more particularly to electrochemical catalyst materials applied to cathodes for seawater cells.

재생 가능한 에너지원의 효과적 사용은 지속 가능한 사회를 달성하기 위해 해결해야 할 가장 필수적인 문제들 중 하나이다. 바람, 태양, 수력, 바이오 매스 및 지열 에너지와 같은 재생 가능 에너지원은 안정적으로 전기를 생산하지 못한다. 결과적으로, 현재 에너지 소비를 충족시킬 수 있는 일관된 전력 공급 장치에 간헐적으로 발생하는 에너지를 축적하기 위해서는 대규모 에너지 저장 장치가 필수적이며, 고 에너지 리튬-이온 배터리가 솔루션으로 기여할 것으로 예상된다. 그러나, 리튬 비용의 증가에 따라 최근 해수 전지가 대규모 용도로 기존의 리튬 이온 배터리 기술을 대체할 수 있는 저비용/고효율 기술로 간주됨에 따라, 해수 전지에 대한 연구 및 개발 시도가 활성화되었다.Effective use of renewable energy sources is one of the most essential issues to be solved to achieve a sustainable society. Renewable energy sources such as wind, solar, hydro, biomass and geothermal energy do not reliably produce electricity. As a result, large-scale energy storage devices are necessary to accumulate intermittent energy in a consistent power supply that can meet current energy consumption, and high-energy lithium-ion batteries are expected to contribute as solutions. However, as the cost of lithium has increased recently, seawater cells have been considered as low-cost / high-efficiency technologies that can replace conventional lithium-ion battery technology for large-scale applications, and research and development efforts for seawater batteries have been activated.

[특허문헌 1] 한국등록특허 제10-1702929호[Patent Document 1] Korean Patent Registration No. 10-1702929

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 해수 전지(seawater battery)의 캐소드(cathode)에 사용된 이작용기(bifunctional) 전기화학 촉매를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and an object thereof is to provide a bifunctional electrochemical catalyst used in the cathode of a seawater battery.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects that are not mentioned will be clearly understood from the following description.

상기한 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 전지는, 애노드(anode); 및 나트륨 이온의 인터칼레이션(intercalation) 및 디인터칼레이션(deintercalation) 및 이작용성(bifunctional) 전극 촉매 반응을 위해 이용되는 전기화학 촉매 물질로 이루어진 촉매층을 포함하는 캐소드(cathode);를 포함할 수 있다.In order to achieve the above objects, a seawater battery according to an embodiment of the present invention, an anode (anode); And a cathode comprising a catalyst layer made of an electrochemical catalyst material used for intercalation and deintercalation and bifunctional electrode catalysis of sodium ions. have.

실시예에서, 상기 이작용성 전극 촉매 반응은, OER(oxygen evolution reaction)/ORR(oxygen reduction reaction) 촉매 활성 반응을 포함할 수 있다.In an embodiment, the bifunctional electrode catalysis may include an oxygen evolution reaction (OER) / oxygen reduction reaction (ORR) catalytic activity reaction.

실시예에서, 상기 전기화학 촉매 물질은, P2-타입 층상(layered) Na0.5Co0.5Mn0.5O2를 포함할 수 있다.In an embodiment, the electrochemical catalyst material may comprise P2-type layered Na 0.5 Co 0.5 Mn 0.5 O 2 .

실시예에서, 상기 해수 전지는, 해수에 함침되는 상기 캐소드를 포함하는 양극부, 유기 전해질에 함침되는 상기 애노드를 포함하는 음극부 및 상기 양극부와 상기 음극부 사이에 위치하여 상기 양극부와 상기 음극부를 분리하는 고체 전해질을 더 포함할 수 있다.In an embodiment, the seawater battery includes a positive electrode portion including the cathode impregnated with seawater, a negative electrode portion including the anode impregnated with an organic electrolyte, and positioned between the positive electrode portion and the negative electrode portion and the positive electrode portion and the negative electrode portion. It may further include a solid electrolyte for separating the negative electrode.

실시예에서, 상기 캐소드는,양극 집전체 및 양극 집전체 상에 마련된 P2-타입 층상(layered) Na0.5Co0.5Mn0.5O2로 이루어진 촉매층을 포함할 수 있다.In an embodiment, the cathode may include a catalyst layer made of P2-type layered Na 0.5 Co 0.5 Mn 0.5 O 2 provided on the cathode current collector and the cathode current collector.

실시예에서, 상기 Na0.5Co0.5Mn0.5O2 물질에서 상기 나트륨 이온이 인터칼레이션-디인터칼레이션됨에 따라 코발트 이온이 3+/4+로 산화 및 환원될 수 있다.In an embodiment, cobalt ions may be oxidized and reduced to 3 + / 4 + as the sodium ions are intercalated-deintercalated in the Na 0.5 Co 0.5 Mn 0.5 O 2 material.

실시예에서, 상기 나트륨 이온의 인터칼레이션-디인터칼레이션은 상기 나트륨 이온이 상기 애노드의 하드 카본에 삽입되거나 방출되는 반응을 포함할 수 있다.In an embodiment, the intercalation-deintercalation of the sodium ions may comprise a reaction in which the sodium ions are inserted or released into the hard carbon of the anode.

상기한 목적들을 달성하기 위한 구체적인 사항들은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술될 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.Specific details for achieving the above objects will be apparent with reference to the embodiments to be described later in detail with the accompanying drawings.

그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 서로 다른 다양한 형태로 구성될 수 있으며, 본 발명의 개시가 완전하도록 하고 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자(이하, "통상의 기술자")에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해서 제공되는 것이다.However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be configured in a variety of different forms, to make the disclosure of the present invention complete and those skilled in the art to which the present invention belongs ( In the following, the description is provided to fully inform the scope of the invention to the ordinary technician.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 해수 전지의 캐소드(cathode)에 이작용기(bifunctional) 전기화학 촉매를 사용함으로써, Na+이온 인터칼레이션/디인터칼레이션(intercalation/deintercalation) 반응 및 OER(oxygen evolution reaction)/ORR(oxygen reduction reaction) 촉매 활성 반응을 모두 촉진시켜, 해수 전지의 충전 및 방전 속도가 개선되고 에너지 밀도가 증가한다. According to an embodiment of the present invention, by using a bifunctional electrochemical catalyst for the cathode of the seawater battery, Na + ion intercalation / deintercalation reaction and OER (oxygen) It promotes both the evolution reaction (oxygen reduction reaction) / ORR (oxygen reduction reaction) catalytic activity reaction, thereby improving the charge and discharge rate of the seawater battery and increase the energy density.

본 발명의 효과들은 상술된 효과들로 제한되지 않으며, 본 발명의 기술적 특징들에 의하여 기대되는 잠정적인 효과들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to the above-described effects, and the tentative effects expected by the technical features of the present invention will be clearly understood from the following description.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 전지를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 캐소드의 전기화학적 특성에 대한 그래프이다.
도 3 및 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 전지의 충전 및 방전 성능에 대한 그래프이다.
1 is a view showing a seawater battery according to an embodiment of the present invention.
2 is a graph of the electrochemical properties of the cathode according to an embodiment of the present invention.
3 and 4 is a graph of the charge and discharge performance of the seawater battery according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고, 여러 가지 실시예들을 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세히 설명하고자 한다. The present invention may be modified in various ways and may have various embodiments. Specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail.

청구범위에 개시된 발명의 다양한 특징들은 도면 및 상세한 설명을 고려하여 더 잘 이해될 수 있을 것이다. 명세서에 개시된 장치, 방법, 제법 및 다양한 실시예들은 예시를 위해서 제공되는 것이다. 개시된 구조 및 기능 상의 특징들은 통상의 기술자로 하여금 다양한 실시예들을 구체적으로 실시할 수 있도록 하기 위한 것이고, 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 개시된 용어 및 문장들은 개시된 발명의 다양한 특징들을 이해하기 쉽게 설명하기 위한 것이고, 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다.Various features of the invention disclosed in the claims may be better understood in view of the drawings and detailed description. The apparatus, methods, recipes, and various embodiments disclosed herein are provided for purposes of illustration. The disclosed structural and functional features are intended to enable those skilled in the art to specifically practice the various embodiments, and are not intended to limit the scope of the invention. The terms and phrases disclosed are intended to explain various features of the disclosed invention in an easy-to-understand manner, and are not intended to limit the scope of the invention.

본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.In the following description of the present invention, if it is determined that the detailed description of the related known technology may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

이하, 도 1을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 전지(seawater battery)의 구성을 설명한다.Hereinafter, a configuration of a seawater battery according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 1.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 전지(100)를 도시한 도면이다.1 is a view showing a seawater battery 100 according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참고하면, 본 실시예에 따른 해수 전지(100)는 캐소드(cathode)(110) 및 애노드(anode)(120)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 해수 전지(110)는 해수에 함침되는 캐소드(110)를 포함하는 양극부, 유기 전해질에 함침되는 애노드(120)를 포함하는 음극부 및 양극부와 음극부 사이에 위치하여 양극부와 음극부를 분리하는 고체 전해질을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 고체 전해질로 나시콘(nasicon)을 사용하였다.Referring to FIG. 1, the seawater battery 100 according to the present embodiment may include a cathode 110 and an anode 120. Specifically, the seawater battery 110 is positioned between an anode part including a cathode 110 impregnated in seawater, an anode part including an anode 120 impregnated in an organic electrolyte, and between the anode part and the cathode part, It may include a solid electrolyte for separating the negative electrode. In one embodiment of the present invention, nasicon was used as the solid electrolyte.

캐소드(110)는 카본 펠트, 카본 페이퍼, 카본 파이버, 금속 박막 또는 이들의 조합일 수 있는 양극 집전체 및 양극 집전체 상에 마련된 P2-타입 층상(layered) Na0.5Co0.5Mn0.5O2 물질로 이루어진 촉매층을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 양극 집전체로써 카본 펠트를 이용하였다.The cathode 110 is a P2-type layered Na 0.5 Co 0.5 Mn 0.5 O 2 material provided on the positive electrode current collector and the positive electrode current collector, which may be carbon felt, carbon paper, carbon fiber, metal thin film or a combination thereof. It may comprise a catalyst layer made up. In one embodiment of the present invention, the carbon felt was used as the positive electrode current collector.

애노드(120)는 음극 집전체 및 음극 집전체 상에 위치하는 활물질층을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 활물질층으로써 하드 카본(hard carbon, HC)을 이용하였다.The anode 120 may include a negative electrode current collector and an active material layer positioned on the negative electrode current collector. In an embodiment of the present invention, hard carbon (HC) is used as the active material layer.

해수 전지(100)에서 촉매층을 구성하는 촉매로 P2-타입 층상(layered) Na0.5Co0.5Mn0.5O2 물질을 사용함으로써 인터칼레이션(intercalation)-디인터칼레이션(deintercalation)이 일어날 때에도 가용 에너지를 얻을 수 있어, 에너지 용량을 늘릴 수 있는 효과를 갖는다. 즉, 이러한 물질로 이루어진 촉매를 사용함으로써 OER(oxygen evolution reaction)/ORR(oxygen reduction reaction) 반응을 모두 향상시켜서 전압 갭을 줄일 수 있게 되었으며, 따라서 충전 대비 방전양을 늘릴 수 있게 되었고, 인터칼레이션-디인터칼레이션을 이용하여 나트륨 이온을 통해 충전이 가능하게끔 함으로써 에너지 용량을 늘릴 수 있게 되었다. 반면, 기존의 해수 전지의 경우, 즉 기존의 촉매 물질을 사용한 해수전지의 경우, OER/ORR 반응만이 수행되어 에너지가 획득되었을 뿐, 인터칼레이션-디인터칼레이션 과정은 수행되지 않았다.Available energy even when intercalation-deintercalation occurs by using a P2-type layered Na 0.5 Co 0.5 Mn 0.5 O 2 material as a catalyst constituting the catalyst layer in the seawater cell 100 It can be obtained, has the effect of increasing the energy capacity. In other words, by using a catalyst made of such a material it is possible to reduce the voltage gap by improving both the OER (oxygen evolution reaction) / ORR (oxygen reduction reaction) reaction, thus increasing the amount of discharge compared to the charge, intercalation Deintercalation allows the charge through sodium ions to increase energy capacity. On the other hand, in the case of the conventional seawater battery, that is, in the case of the seawater battery using the existing catalyst material, only the OER / ORR reaction was performed to obtain energy, the intercalation-de-intercalation process was not performed.

예를 들어, 기존의 경우 캐소드의 촉매층을 구성하는 촉매로 Pt와 같은 귀금속이 사용되었는데, Pt와 같은 귀금속 기반의 전기 촉매의 표면에서 OER/ORR 반응만이 일어날 뿐, Pt 이온의 인터칼레이션-디인터칼레이션 반응이 일어나지 않았기 때문에, 충전 및 방전 시 에너지를 얻을 수 없어 가용성이 낮고 고비용이 발생하여 해수 전지의 대규모 사용이 저해되었다. 그러나, 본 발명의 다양한 실시예에 따라, 해수 전지(100)에서 캐소드(110)의 촉매층을 구성하는 촉매로 P2-타입 층상(layered) Na0.5Co0.5Mn0.5O2 물질을 사용함으로써, OER/ORR 반응뿐만 아니라 Na+ 이온 인터칼레이션-디인터칼레이션 반응이 일어나기 때문에, 에너지 용량을 늘릴 수 있는 효과를 갖는다. 이 경우, Na+ 이온이 인터칼레이션-디인터칼레이션됨에 따라 Co 이온이 3+/4+로 산화 및 환원될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, Na+ 이온의 인터칼레이션-디인터칼레이션은 Na+ 이온이 애노드(120)의 활물질층, 예를 들어, 하드 카본에 삽입되거나 방출되는 반응을 의미할 수 있다.For example, in the conventional case, a noble metal such as Pt was used as a catalyst constituting the catalyst layer of the cathode, and only an OER / ORR reaction occurred on the surface of the noble metal based electrocatalyst such as Pt. Since no deintercalation reaction occurred, energy could not be obtained during charging and discharging, resulting in low availability and high cost, which hampered the large-scale use of seawater batteries. However, according to various embodiments of the present invention, OER / ORR by using a P2-type layered Na0.5Co0.5Mn0.5O2 material as a catalyst constituting the catalyst layer of the cathode 110 in the seawater cell 100, In addition to the reaction, Na + ion intercalation-deintercalation reaction occurs, which has the effect of increasing the energy capacity. In this case, Co ions may be oxidized and reduced to 3 + / 4 + as Na + ions are intercalated-deintercalated. In one embodiment of the present invention, intercalation-deintercalation of Na + ions may refer to a reaction in which Na + ions are inserted or released into the active material layer of the anode 120, for example, hard carbon.

일부 실시예들에서, P2-타입 층상 Na0.5Co0.5Mn0.5O2 물질은 혼합된 하이드록시 카보네이트(hydroxy-carbonate, MHC) 방법에 의해 제조될 수 있다. 예를 들어, Co(NO3)2.6H2O및 Mn(NO3)2.4H2O염(salt)(Sigma-Aldrich)의 전구체 용액(precursor solution)을 첨가하고 교반(stir)함으로써 40

Figure 112018032959157-pat00001
에서 NaOH 2몰(mole) 및 Na2CO3 1몰을 함유하는 용액이 제조될 수 있다. In some embodiments, the P2-type layered Na 0.5 Co 0.5 Mn 0.5 O 2 material may be prepared by a mixed hydroxy-carbonate (MHC) method. For example, by adding and stirring a precursor solution of Co (NO 3 ) 2 .6H 2 O and Mn (NO 3 ) 2 .4H 2 O salt (Sigma-Aldrich), 40
Figure 112018032959157-pat00001
A solution containing 2 moles of NaOH and 1 mole of Na 2 CO 3 can be prepared.

전구체 용액을 첨가하는 동안, (Co0.5Mn0.5)2(OH)2CO3화합물의 침전물이 획득되고, 획득된 침전물은 증류수와 에탄올로 세척된 후 60

Figure 112018032959157-pat00002
에서 24시간 동안 건조될 수 있다. 또한, 균질한 혼합물을 만들기 위해 (Co0.5Mn0.5)2(OH)2CO3전구체와 Na2CO3분말이 분쇄기에 의해 400rpm에서 2시간 동안 잘 갈아서 분쇄될 수 있다. During the addition of the precursor solution, a precipitate of (Co 0.5 Mn 0.5 ) 2 (OH) 2 CO 3 compound is obtained, and the obtained precipitate is washed with distilled water and ethanol and then 60
Figure 112018032959157-pat00002
Can be dried for 24 hours. In addition, the (Co 0.5 Mn 0.5 ) 2 (OH) 2 CO 3 precursor and the Na 2 CO 3 powder can be ground and ground well at 400 rpm for 2 hours by a mill to make a homogeneous mixture.

분쇄된 혼합물을 900

Figure 112018032959157-pat00003
에서 12시간 동안 하소(calcine)시키고, P2-타입 층상 Na0.5Co0.5Mn0.5O2 물질이 획득될 수 있다. 예를 들어, 혼합물의 열분해 반응은 하기 <화학식 1>과 같이 정의될 수 있다.Crushed mixture 900
Figure 112018032959157-pat00003
Calcined for 12 hours at, and a P2-type layered Na 0.5 Co 0.5 Mn 0.5 O 2 material can be obtained. For example, the pyrolysis reaction of the mixture may be defined as in the following <Formula 1>.

Figure 112018032959157-pat00004
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P2-타입 층상 Na0.5Co0.5Mn0.5O2 물질에서, 나트륨 이온은 캐소드(110)의 2개의 각기둥 부위들(prismatic sites)에 배열되고 모서리와 면을 공유하며, 본 발명에서 제안된 Na0.5Co0.5Mn0.5O2 물질은 P2-타입 층상 Na0.5 +Co0.5 3+Mn0.5 4+02구조에 대응하는 다중 산화 상태를 포함한다. 이 경우, OER 활성은 Co3+/4+이온에 기반하여 촉진되고, 이어서 ORR 활성은 Mn4+이온에 기반하여 촉진될 수 있다. In the P2-type layered Na 0.5 Co 0.5 Mn 0.5 O 2 material, sodium ions are arranged at two prismatic sites of the cathode 110 and share a corner and face, and the Na 0.5 Co proposed in the present invention. The 0.5 Mn 0.5 O 2 material comprises multiple oxidation states corresponding to the P2-type layered Na 0.5 + Co 0.5 3+ Mn 0.5 4+ 0 2 structure. In this case, OER activity can be promoted based on Co 3 + / 4 + ions, followed by ORR activity based on Mn 4+ ions.

따라서, 해수 전지 양극 집전체 상에 촉매로써 P2-타입 층상 Na0.5Co0.5Mn0.5O2를 이용함으로써 Na+이온에 기반한 산화 환원 반응과 이작용성 전극 촉매 반응을 발현할 수 있다. 구체적으로, P2-타입 층상 Na0.5Co0.5Mn0.5O2재료는 해수 전지(100)의 주요 전기 화학적 반응으로서 Na+ 이온 인터칼레이션-디인터칼레이션뿐만 아니라 OER/ORR 촉매 활성을 모두 촉진시킬 수 있다. Accordingly, by using P2-type layered Na 0.5 Co 0.5 Mn 0.5 O 2 as a catalyst on a seawater battery positive electrode current collector, redox reaction based on Na + ions and bifunctional electrode catalysis can be expressed. Specifically, the P2-type layered Na 0.5 Co 0.5 Mn 0.5 O 2 material is the main electrochemical reaction of the seawater cell 100, which will promote both O + / ORR catalytic activity as well as Na + ion intercalation-deintercalation. Can be.

여기서, Na+이온 인터칼레이션-디인터칼레이션 및 OER/ORR 촉매 활성 과정은 듀얼 프로세스(dual process)로 지칭될 수 있다. 이를 통해, P2-타입 층상 Na0.5Co0.5Mn0.5O2 재료를 캐소드로 사용하는 해수 전지(100)는 충전 및 방전 속도가 개선되고 에너지 밀도 또한 증가한다. Here, the Na + ion intercalation-deintercalation and OER / ORR catalyst activation process can be referred to as a dual process. As a result, the seawater battery 100 using the P2-type layered Na 0.5 Co 0.5 Mn 0.5 O 2 material as a cathode improves the charging and discharging rate and increases the energy density.

일부 실시예들에 따라, 높은 전압 범위까지 적층 재료의 P2 구조를 안정화시킬 것으로 기대되는 높은 Na 함량 시스템에서, P2-타입 층상 Na0.5Co0.5Mn0.5O2 재료가 캐소드(110)로 사용될 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예들에 따라, 해수 전지(100)의 셀 전압과 사이클링 성능을 이해하기 위해, 풀-셀(full-cell)은 캐소드(110)로 Na0.5Co0.5Mn0.5O2 물질과 애노드(120)로 하드 카본을 이용하여 제작될 수 있다. According to some embodiments, in a high Na content system that is expected to stabilize the P2 structure of the laminate material up to a high voltage range, a P2-type layered Na 0.5 Co 0.5 Mn 0.5 O 2 material may be used as the cathode 110. . According to various embodiments of the present disclosure, in order to understand the cell voltage and the cycling performance of the seawater battery 100, the full-cell is a cathode 110 with Na 0.5 Co 0.5 Mn 0.5 O 2 material. The anode 120 may be manufactured using hard carbon.

이 경우, 전극 재료인 Na0.5Co0.5Mn0.5O2 물질은 단일 P2 상(phase)을 구성하며 고 에너지 밀도의 재충전 가능한 캐소드(110)로서 매우 잘 구현된다.In this case, the Na 0.5 Co 0.5 Mn 0.5 O 2 material, the electrode material, constitutes a single P2 phase and is very well implemented as a high energy density rechargeable cathode 110.

일부 실시예들에서, 하프-셀 및 풀-셀 해수 전지는 세라믹 NASICON 고체 전해질에 의해 구획된 캐소드액으로서의 수성 해수와 애노드액으로서 비수성 물질(예: 테트라에틸렌 글리콜 디메틸에테르(tetraethylene glycol dimethylether) 중 1M NaCF3SO3)을 사용하고, 캐소드로 P2-타입 층상 Na0.5Co0.5Mn0.5O2 물질과 애노드로 나트륨 금속과 하드 카본을 사용하여 제작될 수 있다. 예를 들어, 해수 전지(110)의 캐소드(110)와 애노드(120)에서 각각 일어날 수 있는 전기 화학 반응은 하기 <화학식 2> 및 <화학식 3>과 같이 정의될 수 있다.In some embodiments, half-cell and full-cell seawater cells are used in aqueous seawater as catholyte and nonaqueous material as anolyte (e.g., in tetraethylene glycol dimethylether) partitioned by a ceramic NASICON solid electrolyte. 1M NaCF 3 SO 3 ) and P2-type layered Na 0.5 Co 0.5 Mn 0.5 O 2 material as cathode and sodium metal and hard carbon as anode. For example, electrochemical reactions that may occur at the cathode 110 and the anode 120 of the seawater battery 110 may be defined as in the following <Formula 2> and <Formula 3>.

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도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 캐소드(110)의 전기화학적 특성에 대한 그래프이다.2 is a graph of the electrochemical characteristics of the cathode 110 according to an embodiment of the present invention.

도 2의 (a)를 참고하면, 제안된 듀얼 프로세스를 고려할 때, 캐소드(110)에 사용된 P2-타입 층상 Na0.5Co0.5Mn0.5O2 물질은 20% Pt/C 촉매와 카본 펠트 기질(substrate)에 대비하여, 5시간 동안 0.1mA(부하 중량(load weight) 10 mg)에서, 비수성(non-aqueous) 전해질(예: TEGDME에서 1M NaCF3SO3)을 애노드액(anolyte)으로 사용하고 수성인 해수를 캐소드액으로 사용하는 해수 전지(100)에 적용되어 사용되었다. Referring to FIG. 2A, in consideration of the proposed dual process, the P2-type layered Na 0.5 Co 0.5 Mn 0.5 O 2 material used in the cathode 110 may be formed of a 20% Pt / C catalyst and a carbon felt substrate ( For 5 hours at 0.1 mA (load weight 10 mg), a non-aqueous electrolyte (e.g., 1M NaCF3SO3 in TEGDME) was used as the anolyte and aqueous It was applied to the seawater battery 100 using the seawater as the catholyte.

이 경우, 촉매를 이용하지 않은 카본 펠트로만 이루어진 기질(적색 라인) 및 카본 펠트위에 20% Pt/C를 촉매로 이용한 경우(청색 라인)의 전압 대 시간 성능은 플랫 전압 프로파일과 유사한 완전한 OER 및 ORR 특성을 나타내었다. In this case, the voltage vs. time performance for substrates consisting only of uncatalyzed carbon felt (red line) and 20% Pt / C on carbon felt as catalyst (blue line) yields a complete OER and ORR similar to the flat voltage profile. Characteristics.

그러나, P2-타입 층상 Na0.5Co0.5Mn0.5O2 물질을 카본 펠트 위에 촉매로 이용한 경우(녹색 라인)는 1)슬로프(slope) 및 2)플랫(plat)과 관련된 2가지 타입의 전압 프로파일을 나타낸다. 녹색 라인의 전압 프로파일은, Na+이온 인터칼레이션-디인터칼레이션에 해당하는 슬로프 전압 프로파일과 OER/ORR 특성과 관련된 플랫 전압 프로파일을 포함하고 있다. 즉, 하프-셀(half-cell) 해수 전지용 P2-타입 층상 Na0.5Co0.5Mn0.5O2 물질은 20% Pt/C 촉매 및 카본 펠트 기재와 비교할 때 더 우수한 성능을 보여 준다. However, when a P2-type layered Na 0.5 Co 0.5 Mn 0.5 O 2 material was used as catalyst on the carbon felt (green line), two types of voltage profiles related to 1) slope and 2) plat were developed. Indicates. The voltage profile of the green line includes the slope voltage profile corresponding to Na + ion intercalation-deintercalation and the flat voltage profile associated with the OER / ORR characteristics. That is, the P2-type layered Na 0.5 Co 0.5 Mn 0.5 O 2 material for half-cell seawater cells shows better performance compared to 20% Pt / C catalysts and carbon felt substrates.

도 2의 (b)를 참고하면, Na+이온 인터칼레이션-디인터칼레이션 및 OER/ORR 특성을 확인할 수 있다. 예를 들어, 전달된 방전 용량(delivered discharge capacity)은 P2-타입 층상 Na0.5Co0.5Mn0.5O2 물질에 대한 Na+이온 인터칼레이션-디인터칼레이션 과정(슬로프 전압 프로파일)에 대응하는 ~ 30mAh g-1일 수 있다. 일부 실시예들에서, 명확한 OER/ORR 특성을 확인하기 위해 충전-방전 사이클 지속 시간이 0.1mA를 기준으로 10시간으로 연장되는 경우, Na+이온 인터칼레이션-디인터칼레이션에 대한 일정한(constant) 슬로프 전압 프로파일 및 OER/ORR 특성에 대한 플랫 전압 프로파일이 확인될 수 있다. Referring to (b) of FIG. 2, Na + ion intercalation-deintercalation and OER / ORR characteristics can be confirmed. For example, the delivered discharge capacity may be defined as the corresponding Na + ion intercalation-deintercalation process (slope voltage profile) for P2-type layered Na 0.5 Co 0.5 Mn 0.5 O 2 material. 30 mAh g-1. In some embodiments, constant for Na + ion intercalation-deintercalation when the charge-discharge cycle duration is extended to 10 hours based on 0.1 mA to confirm clear OER / ORR characteristics. The slope voltage profile and the flat voltage profile for the OER / ORR characteristics can be identified.

도 2의 (c)를 참고하면, Na+ 이온 하프-셀(half-cell)의 전압 대 용량 그래프 결과로부터, P2-타입 층상 Na0.5Co0.5Mn0.5O2 물질의 Na+ 이온 인터칼레이션-디인터칼레이션에 기인한 슬로프 전압 프로파일을 확인할 수 있다. 따라서, P2-타입 층상 Na0.5Co0.5Mn0.5O2 물질은 해수 전지(100)의 캐소드(110)의 활물질 상의 촉매로 사용되고, 또한 우수한 레이트 용량을 가진 고전압 영역에서 작동한다. 일부 실시예들에서, FEC(5 중량 %)를 갖는 1:1(v/v) EC-PC에서 비수성 1 M NaPF6를 사용하여 50사이클 동안 0.1C에서 3.0 내지 4.4V 사이에서 ~ 52mAh g-1이 Na-이온 하프-셀에 제공된다. When reference to Fig. (C) 2, Na + ions half-from the voltage-capacity graph of the result cell (half-cell), P2- type layer Na 0.5 Co 0.5 Mn 0.5 O 2 material Na + ion intercalation - We can see the slope voltage profile due to deintercalation. Thus, the P2-type layered Na 0.5 Co 0.5 Mn 0.5 O 2 material is used as a catalyst on the active material of the cathode 110 of the seawater cell 100 and also operates in the high voltage region with good rate capacity. In some embodiments, ˜52 mAh g − between 3.0 and 4.4 V at 0.1 C for 50 cycles using a nonaqueous 1 M NaPF 6 in a 1: 1 (v / v) EC-PC with FEC (5 wt.%). 1 is given to the Na-ion half-cell.

도 2의 (d)를 참고하면, 순환 전압 전류 분석(cyclic voltammetric analysis)은 0.1mV s-1에서 2.5-4.0V 사이에서 수행되었으며, 이는 카본 펠트 기질과 비교하여 P2-타입 층상 Na0.5Co0.5Mn0.5O2 물질의 Na-이온 인터칼레이션-디인터칼레이션 과정에 기인한 Co3+/4+산화 환원 종(redox species)에 대해 3.31/3.04V에서의 명백한 산화 및 환원 피크의 존재에 의해 확인할 수 있다. 즉, 획득된 산화 및 환원 피크로부터, P2-타입 층상 Na0.5Co0.5Mn0.5O2 물질이 해수 전지(100)에 대한 Co3+/4+산화 환원 종과 관련된 산화 환원 과정을 촉진함을 확인할 수 있다.Referring to (d) of FIG. 2, cyclic voltammetric analysis was performed at 0.1 mV s −1 at 2.5-4.0 V, which is compared with the carbon felt substrate to form a P2-type layered Na 0.5 Co 0.5. In the presence of apparent oxidation and reduction peaks at 3.31 / 3.04V for Co 3 + / 4 + redox species due to the Na-ion intercalation-deintercalation process of Mn 0.5 O 2 material It can be confirmed by. That is, from the obtained oxidation and reduction peaks, it was confirmed that the P2-type layered Na 0.5 Co 0.5 Mn 0.5 O 2 material promotes the redox process associated with Co 3 + / 4 + redox species for the seawater cell 100. Can be.

도 3 및 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 전지의 충전 및 방전 성능에 대한 그래프이다.3 and 4 is a graph of the charge and discharge performance of the seawater battery according to an embodiment of the present invention.

도 3의 (a)를 참고하면, 하프-셀 해수 충전-방전 사이클링 연구가 0.1 mA에서 이루어졌으며, 초기 5 사이클 동안의 전압 대 시간 성능을 고려할 때, P2-타입 층상 Na0.5Co0.5Mn0.5O2 물질이 카본 펠트 기질 및 20% Pt/C 촉매와 비교하여 해수 전지(100)의 충전 및 방전 성능에 있어 상당한 개선을 나타냄을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 3A, a half-cell seawater charge-discharge cycling study was conducted at 0.1 mA, and considering the voltage versus time performance during the initial 5 cycles, P2-type layered Na 0.5 Co 0.5 Mn 0.5 O It can be seen that the two materials show a significant improvement in the charge and discharge performance of the seawater cell 100 compared to the carbon felt substrate and the 20% Pt / C catalyst.

예를 들어, P2-타입 층상 Na0.5Co0.5Mn0.5O2 물질의 Na+ 이온 인터칼레이션-디인터칼레이션 및 OER/ORR 특성에 대한 ~0.78V(ΔV)의 획득된 전압 차이는 카본 펠트 기질보다 작았으며 거의 20% Pt/C 촉매의 성능에 근접한다. For example, the obtained voltage difference of ˜0.78 V (ΔV) for Na + ion intercalation-deintercalation and OER / ORR properties of P2-type layered Na 0.5 Co 0.5 Mn 0.5 O 2 material is carbon felt. It is smaller than the substrate and approximates the performance of nearly 20% Pt / C catalyst.

도 3의 (b)를 참고하면, P2-타입 층상 Na0.5Co0.5Mn0.5O2 물질을 캐소드(110)로 사용한 하프-셀 해수 전지 사이클 연구는 카본 펠트 기질 및 20% Pt/C 촉매와 비교하여 50사이클 동안 우수한 사이클 안정성을 나타낸다. Referring to FIG. 3 (b), a half-cell seawater cell cycle study using P2-type layered Na 0.5 Co 0.5 Mn 0.5 O 2 material as the cathode 110 was compared with a carbon felt substrate and a 20% Pt / C catalyst. Showing good cycle stability for 50 cycles.

도 3의 (c)를 참고하면, 전압 대 시간 순환 그래프는 슬로프 및 플랫 전압 영역에 해당하는 통합 전압 프로파일과 관련된 Na+이온 인터칼레이션-디인터칼레이션 및 OER/ORR 촉매 활성의 특성을 확인할 수 있다. Referring to (c) of FIG. 3, the voltage vs. time cyclic graph can confirm the characteristics of Na + ion intercalation-deintercalation and OER / ORR catalytic activity associated with the integrated voltage profile corresponding to the slope and flat voltage regions. have.

도 3의 (d)를 참고하면, 하프-셀 해수 전지는 80%의 전압 효율로 ~0.78V(ΔV)의 일정한 전압 차이를 나타낸다. 일부 실시예들에서, 장치 내 설계된 캐소드의 성능을 확인하기 위해, 풀-셀 해수 전지는 고체 전해질로 세라믹 NASICON 및 해수 캐소드액, 애노드액으로 비수성 물질(예: TEGDME에서 1M NaCF3SO3)을 사용하고, 애노드로 HC를 사용하여 제조될 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드는 Na-이온 하프-셀 사이클링 분석에 기반하여 선택될 수 있다. Referring to FIG. 3D, the half-cell seawater battery exhibits a constant voltage difference of ˜0.78 V (ΔV) at a voltage efficiency of 80%. In some embodiments, to verify the performance of the designed cathode in the device, a full-cell seawater cell uses ceramic NASICON and seawater catholyte as the solid electrolyte, and nonaqueous material (eg 1M NaCF3SO3 in TEGDME) as the solid electrolyte. , Using HC as an anode. In some embodiments, the anode can be selected based on Na-ion half-cell cycling analysis.

도 4의 (a)를 참고하면, 하프-셀(적색 라인) 및 풀-셀(청색 라인) 전압 대 시간 프로파일은 P2-타입 층상 Na0.5Co0.5Mn0.5O2 물질의 캐소드에 대한 Na+ 이온 인터칼레이션-디인터칼레이션 및 OER/ORR 촉매 활성의 이중 프로세스에 대하여 비교될 수 있다. Referring to FIG. 4A, half-cell (red line) and full-cell (blue line) voltage versus time profiles are plotted with Na + ions for the cathode of the P2-type layered Na 0.5 Co 0.5 Mn 0.5 O 2 material. It can be compared for a dual process of intercalation-deintercalation and OER / ORR catalytic activity.

도 4의 (b)를 참고하면, P2-타입 층상 Na0.5Co0.5Mn0.5O2 물질이 해수 배터리의 풀-셀의 성능에 대하여 카본 펠트 기질과 비교됨을 확인할 수 있다. 즉, P2-타입 층상 Na0.5Co0.5Mn0.5O2 물질에 대한 전압 차는 약 0.36V로, 카본 펠트 기질(1.06V)보다 매우 적으며, 하드 카본 방전 용량은 183mAh g-1이다. Referring to Figure 4 (b), it can be seen that the P2-type layered Na 0.5 Co 0.5 Mn 0.5 O 2 material is compared with the carbon felt substrate for the performance of the full-cell of the seawater battery. That is, the voltage difference for the P2-type layered Na 0.5 Co 0.5 Mn 0.5 O 2 material is about 0.36 V, much less than the carbon felt substrate (1.06 V), and the hard carbon discharge capacity is 183 mAh g-1.

도 4의 (c)를 참고하면, 전압 대 시간의 그래프를 통해 전극의 상당한 전압 안정성을 확인할 수 있다. Referring to (c) of FIG. 4, a considerable voltage stability of the electrode can be confirmed through a graph of voltage versus time.

도 4의 (d)를 참고하면, 풀-셀의 사이클링 실험에서, 5 사이클 후에 하드 카본 방전 용량이 안정화되고, 안정화된 방전 용량은 사이클 안정성이 우수한 183 mAh g-1이고, 50 사이클 동안 0.1 mA에서 85% 쿨롱 효율을 유지함을 확인할 수 있다. 즉, P2-타입 Na0.5Co0.5Mn0.5O2 물질의 캐소드는 해수 전지에 대한 통합 전압 프로파일에 상응하는 Na+ 이온 인터칼레이션-디인터칼레이션 및 OER/ORR 촉매 활성의 우수한 이중 공정을 나타내며, 상업적 규모로 작동할 수 있다.Referring to FIG. 4D, in the full-cell cycling experiment, the hard carbon discharge capacity is stabilized after 5 cycles, and the stabilized discharge capacity is 183 mAh g-1 having excellent cycle stability, and 0.1 mA for 50 cycles. It can be seen that at 85% Coulomb efficiency is maintained. That is, the cathode of the P2-type Na 0.5 Co 0.5 Mn 0.5 O 2 material represents an excellent dual process of Na + ion intercalation-deintercalation and OER / ORR catalytic activity corresponding to the integrated voltage profile for seawater cells. It can operate on a commercial scale.

이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 통상의 기술자라면 본 발명의 본질적인 특성이 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능할 것이다.The above descriptions are merely illustrative of the technical idea of the present invention, and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention.

따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예들에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.Therefore, the embodiments disclosed herein are not intended to limit the technical spirit of the present invention, but to describe, and the scope of the present invention is not limited by these embodiments.

본 발명의 보호범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.The scope of protection of the present invention should be interpreted by the claims, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be understood as being included in the scope of the present invention.

100: 해수 전지
110: 캐소드
120: 애노드
100: seawater battery
110: cathode
120: anode

Claims (7)

애노드(anode); 및
나트륨 이온의 인터칼레이션(intercalation) 및 디인터칼레이션(deintercalation) 및 이작용성(bifunctional) 전극 촉매 반응을 위해 이용되는 전기화학 촉매 물질로 이루어진 촉매층을 포함하는 캐소드(cathode);
를 포함하고,
상기 전기화학 촉매 물질은, P2-타입 층상(layered) Na0.5Co0.5Mn0.5O2를 포함하고,
상기 P2-타입 층상 Na0.5Co0.5Mn0.5O2은, Co(NO3)2.6H2O 및 Mn(NO3)2.4H2O 염의 전구체 용액을 교반하여 생성된 (Co0.5Mn0.5)2(OH)2CO3 전구체와 Na2CO3 분말의 혼합물을 하소(calcine)시켜 생성된,
해수 전지.
Anode; And
A cathode comprising a catalyst layer of an electrochemical catalyst material used for intercalation and deintercalation of sodium ions and bifunctional electrode catalysis;
Including,
The electrochemical catalyst material comprises a P2-type layered Na 0.5 Co 0.5 Mn 0.5 O 2 ,
The P2-type layered Na 0.5 Co 0.5 Mn 0.5 O 2 Silver, Of (Co 0.5 Mn 0.5 ) 2 (OH) 2 CO 3 precursor and Na 2 CO 3 powder produced by stirring the precursor solution of Co (NO 3 ) 2 .6H 2 O and Mn (NO 3 ) 2 .4H 2 O salts Produced by calcining the mixture,
Seawater battery.
제1항에 있어서,
상기 이작용성 전극 촉매 반응은,
OER(oxygen evolution reaction)/ORR(oxygen reduction reaction) 촉매 활성 반응을 포함하는,
해수 전지.
The method of claim 1,
The bifunctional electrode catalyst reaction,
Including an oxygen evolution reaction (OER) / oxygen reduction reaction (ORR) catalytic activity reaction,
Seawater battery.
삭제delete 제1항에 있어서,
해수에 함침되는 상기 캐소드를 포함하는 양극부, 유기 전해질에 함침되는 상기 애노드를 포함하는 음극부 및 상기 양극부와 상기 음극부 사이에 위치하여 상기 양극부와 상기 음극부를 분리하는 고체 전해질을 더 포함하는,
해수 전지.
The method of claim 1,
Further comprising a cathode comprising the cathode impregnated in sea water, a cathode comprising the anode impregnated in an organic electrolyte and a solid electrolyte located between the anode and the cathode to separate the anode and the cathode doing,
Seawater battery.
제4항에 있어서,
상기 캐소드는,
양극 집전체 및 양극 집전체 상에 마련된 P2-타입 층상(layered) Na0.5Co0.5Mn0.5O2로 이루어진 촉매층을 포함하는,
해수 전지.
The method of claim 4, wherein
The cathode,
Comprising a positive electrode collector and a catalyst layer made of P2-type layered Na0.5Co0.5Mn0.5O2 provided on the positive electrode current collector,
Seawater battery.
제5항에 있어서,
상기 Na0.5Co0.5Mn0.5O2 물질에서 상기 나트륨 이온이 인터칼레이션-디인터칼레이션됨에 따라 코발트 이온이 3+/4+로 산화 및 환원되는,
해수 전지.
The method of claim 5,
In the Na0.5Co0.5Mn0.5O2 material, cobalt ions are oxidized and reduced to 3 + / 4 + as the sodium ions are intercalated-deintercalated.
Seawater battery.
제5항에 있어서,
상기 나트륨 이온의 인터칼레이션-디인터칼레이션은 상기 나트륨 이온이 상기 애노드의 하드 카본에 삽입되거나 방출되는 반응을 포함하는,
해수 전지.
The method of claim 5,
Intercalation-deintercalation of the sodium ions comprises reaction in which the sodium ions are inserted or released into the hard carbon of the anode,
Seawater battery.
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