KR102334440B1 - Secondary battery for hydrogen evolution - Google Patents

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Abstract

본 발명은 충방전 과정을 통해 전기를 생산함과 동시에 수소를 생산하기 위한 이차 전지에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지는 유기 전해질에 함침되는 애노드(anode)를 포함하는 음극부; 나트륨 함유 용액에 함침되는 캐소드(cathode)를 포함하는 양극부; 및 상기 양극부와 상기 음극부 사이에 위치하여 상기 양극부와 상기 음극부를 분리하는 고체 전해질;을 포함하고, 방전 전류를 조절함에 따라, 방전 반응을 통해 상기 양극부에서 수소가 생성될 수 있다. The present invention relates to a secondary battery for producing electricity and hydrogen at the same time through a charging/discharging process. A secondary battery according to an embodiment of the present invention includes: a negative electrode including an anode impregnated with an organic electrolyte; an anode comprising a cathode impregnated in a sodium-containing solution; and a solid electrolyte positioned between the anode part and the cathode part to separate the anode part and the cathode part; and by controlling a discharge current, hydrogen may be generated in the anode part through a discharge reaction.

Description

수소 생산을 위한 이차 전지{Secondary battery for hydrogen evolution}Secondary battery for hydrogen evolution

본 발명은 이차 전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 충방전 과정을 통해 전기를 생산함과 동시에 수소를 생산하기 위한 이차 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a secondary battery, and more particularly, to a secondary battery for producing electricity and hydrogen at the same time through a charge/discharge process.

청정 신에너지 기술 개발로 수소 연료가 각광받고 있으며, 이에 따라 여러 가지 수소 저장 시스템에 개발되고 있다. Hydrogen fuel is in the spotlight with the development of clean new energy technology, and accordingly, it is being developed in various hydrogen storage systems.

수소 저장 기술 중 하나는 금속 또는 그 화합물이 수소와 반응하여 금속 수소화물을 형성하는 고체 상태의 저장 방식이다. 그러나, 이러한 금속 수소화물은 상대적으로 낮은 중량 수소 밀도, 제한된 탈수소화 속도, 낮은 가역효율 및 수소 방출에 필요한 고온으로 인해 효과적인 수소 저장 시스템으로 간주될 수 없다.One of the hydrogen storage technologies is solid state storage in which a metal or a compound thereof reacts with hydrogen to form a metal hydride. However, these metal hydrides cannot be considered as effective hydrogen storage systems due to their relatively low gravimetric hydrogen density, limited dehydrogenation rate, low reversible efficiency, and the high temperature required for hydrogen release.

또 다른 수소 저장 기술 중 하나는 유기/무기 화학 수소화물을 이용한 수소 운동 및 저장 방식이다. 다만, 유기/무기 화학 수소화물의 가역성은 상당히 낮으며, 액체 유기수소 운반체는 토양 유기물에 유해하므로 환경에 약영향을 미칠 수 있다. Another hydrogen storage technology is hydrogen movement and storage using organic/inorganic chemical hydrides. However, the reversibility of organic/inorganic chemical hydrides is quite low, and the liquid organic hydrogen carrier is harmful to soil organic matter, so it may have a weak effect on the environment.

또한, 수소 생성 기술로 알칼리 금속과 물의 화학 반응을 이용하는 방식이 있으나, 이는 비가역성의 문제가 있다. 여기서, 비가역성은 수소 생산을 위해 알칼리 금속을 재사용할 수 없음을 의미한다. 또한, 알칼리 금속 기반의 수소 생성 기술은의 경우, 알칼리 금속이 대기 및 습기와 접촉할 대 쉽게 금속 산화물 및 수산화물을 형성하여 보관 및 사용에 특별한 시설 및 보호가 필요로 하는 문제점이 있다. In addition, there is a method using a chemical reaction of an alkali metal and water as a hydrogen generation technology, but this has a problem of irreversibility. Here, irreversibility means that alkali metals cannot be reused for hydrogen production. In addition, in the case of alkali metal-based hydrogen generation technology, when the alkali metal comes into contact with the atmosphere and moisture, it easily forms metal oxides and hydroxides, so there is a problem that special facilities and protection are required for storage and use.

[특허문헌 1] 한국등록특허 제10-1881999호[Patent Document 1] Korean Patent No. 10-1881999

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 충방전 과정을 통해 전기를 생산함과 동시에 수소를 생산하기 위한 이차 전지를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.The present invention was created to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a secondary battery for producing electricity and hydrogen at the same time through a charging/discharging process.

또한, 본 발명은 고전류의 방전 전류로 방전 과정을 진행함으로써, 전기 생산과 동시에 수소를 생산할 수 있는 이차 전지를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a secondary battery capable of simultaneously producing electricity and hydrogen by performing a discharge process with a high-current discharge current.

또한, 본 발명은 음극부의 애노드로 FeS2 애노드를 사용하여 충전 전압을 낮춤으로써, 태양광 충전을 통한 자가 충전 시스템을 구현하는 이차 전지를 제공하는 것을 그 목적으로 한다. In addition, an object of the present invention is to provide a secondary battery that implements a self-charging system through solar charging by lowering the charging voltage by using an FeS2 anode as an anode of the negative electrode part.

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

상기한 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지는 유기 전해질에 함침되는 애노드(anode)를 포함하는 음극부; 나트륨 함유 용액에 함침되는 캐소드(cathode)를 포함하는 양극부; 및 상기 양극부와 상기 음극부 사이에 위치하여 상기 양극부와 상기 음극부를 분리하는 고체 전해질;을 포함하고, 방전 전류를 조절함에 따라, 방전 반응을 통해 상기 양극부에서 수소가 생성될 수 있다. In order to achieve the above objects, a secondary battery according to an embodiment of the present invention includes a negative electrode including an anode impregnated with an organic electrolyte; an anode comprising a cathode impregnated in a sodium-containing solution; and a solid electrolyte positioned between the anode part and the cathode part to separate the anode part and the cathode part; and by controlling a discharge current, hydrogen may be generated in the anode part through a discharge reaction.

실시예에서, 상기 방전 전류의 크기는, 0.05mA/cm2 내지 2mA/cm2일 수 있다.In an embodiment, the magnitude of the discharge current may be 0.05mA/cm2 to 2mA/cm2.

실시예에서, 상기 양극부는, 상기 방전 과정을 통해 생성된 수소가 배출되는 배출부;를 포함할 수 있다.In an embodiment, the anode unit may include a discharge unit through which hydrogen generated through the discharging process is discharged.

실시예에서, 상기 양극부는, 상기 양극부 내부에 불활성 기체를 주입하기 위한 유입부;를 포함할 수 있다.In an embodiment, the anode part may include an inlet for injecting an inert gas into the anode part.

실시예에서, 상기 나트륨 함유 용액은, 해수(seawater)를 포함할 수 있다.In an embodiment, the sodium-containing solution may include seawater.

실시예에서, 상기 애노드는, 나트륨 애노드 및 FeS2 애노드 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. In an embodiment, the anode may include at least one of a sodium anode and an FeS2 anode.

실시예에서, 상기 이차전지는 나트륨 함유 용액에 함침되는 다른 캐소드를 포함하는 다른 양극부;를 더 포함할 수 있다.In an embodiment, the secondary battery may further include another positive electrode including another cathode immersed in a sodium-containing solution.

실시예에서, 상기 캐소드는, 상기 이차전지의 방전 반응에서 사용되고, 상기 다른 캐소드는, 태양전지를 통한 상기 이차전지의 충전 반응에서 사용될 수 있다.In an embodiment, the cathode may be used in a discharging reaction of the secondary battery, and the other cathode may be used in a charging reaction of the secondary battery through a solar cell.

실시예에서, 상기 양극부는, 리튬 함유 용액에 함침되는 상기 캐소드를 포함할 수 있다. In an embodiment, the cathode part may include the cathode immersed in a lithium-containing solution.

상기한 목적들을 달성하기 위한 구체적인 사항들은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술될 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.Specific details for achieving the above objects will become clear with reference to the embodiments to be described in detail below in conjunction 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 various different forms, and those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs ( Hereinafter, "a person skilled in the art") is provided to fully inform the scope of the invention.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 양극 전해액으로 해수(seawater)를 이용하고 고전류의 방전 전류로 방전 과정을 진행함으로써, 전기 생산과 동시에 수소를 생산할 수 있고, 해수를 냉각제로 사용하여 수소 생산시 발생하는 고온을 제어하고 열적 위험을 최소화할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, hydrogen can be produced at the same time as electricity is produced by using seawater as an anode electrolyte and performing a discharge process with a high-current discharge current, and hydrogen is produced using seawater as a coolant. can control high temperatures and minimize thermal risks.

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 potential 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 이차전지의 기능적 구성을 도시한 도면이다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 종류의 애노드를 사용한 경우의 수소 생성량 그래프를 도시한 도면이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 양극 전해액으로 해수를 사용한 경우의 이차전지의 성능 그래프를 도시한 도면이다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 양극 전해액으로 황산나트륨을 사용한 경우의 이차전지의 성능 그래프를 도시한 도면이다.
도 4a 및 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 각 사이클에 대한 충방전 전압 그래프를 도시한 도면이다.
도 5a 및 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 각 사이클에 대한 패러데이 효율 및 수소 생성량 그래프를 도시한 도면이다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 충방전 전압 그래프를 도시한 도면이다.
도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 방전 전압 그래프 및 수소 생성율 그래프를 도시한 도면이다.
도 7a 및 7f는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 방전 전류에 대한 충방전 전압 그래프 및 수소 생산 성능 그래프를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 방전 전류에 대한 패러데이 효율 그래프를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 다른 기능적 구성을 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 FeS2 애노드를 사용한 경우의 이차전지의 성능 그래프를 도시한 도면이다. 1 is a diagram illustrating a functional configuration of a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
2a and 2b are diagrams illustrating a hydrogen production amount graph when various types of anodes are used according to an embodiment of the present invention.
3A is a diagram illustrating a performance graph of a secondary battery when seawater is used as a cathode electrolyte according to an embodiment of the present invention.
3B is a diagram illustrating a performance graph of a secondary battery when sodium sulfate is used as a positive electrode electrolyte according to an embodiment of the present invention.
4A and 4B are diagrams illustrating charge/discharge voltage graphs for each cycle according to an embodiment of the present invention.
5A and 5B are diagrams illustrating graphs of Faraday efficiency and hydrogen production for each cycle according to an embodiment of the present invention.
6A is a diagram illustrating a charging/discharging voltage graph according to an embodiment of the present invention.
6B is a diagram illustrating a discharge voltage graph and a hydrogen generation rate graph according to an embodiment of the present invention.
7A and 7F are diagrams illustrating a charge/discharge voltage graph and a hydrogen production performance graph for various discharge currents according to an embodiment of the present invention.
8 is a diagram illustrating a Faraday efficiency graph with respect to a discharge current according to an embodiment of the present invention.
9 is a diagram illustrating another functional configuration of a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
10 is a diagram illustrating a performance graph of a secondary battery in the case of using an FeS2 anode 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. Since the present invention can have various changes and can 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 기능상의 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 upon consideration of the drawings and detailed description. The apparatus, methods, preparations, 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 sentences disclosed are for the purpose of easy-to-understand descriptions of various features of the disclosed invention, 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 describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known technology may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 충방전 과정을 통해 전기를 생산함과 동시에 수소를 생산하기 위한 이차 전지를 설명한다.Hereinafter, a secondary battery for generating electricity and simultaneously producing hydrogen through a charging/discharging process according to an embodiment of the present invention will be described.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지(100)의 기능적 구성을 도시한 도면이다.1 is a diagram illustrating a functional configuration of a secondary battery 100 according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참고하면, 이차전지(100)는 양극부(110), 음극부(120) 및 고체 전해질(130)을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 1 , the secondary battery 100 may include a positive electrode unit 110 , a negative electrode unit 120 , and a solid electrolyte 130 .

양극부(110)는 나트륨 함유 용액에 함침되는 캐소드(cathode)(112)와 나트륨 함유 용액이 담기는 수조를 포함할 수 있다. 여기서, 나트륨 함유 용액은 양극부(110)의 양극 전해액으로 이용된다. 예를 들어, 나트륨 함유 용액은 해수(seawater) 및 황산나트륨(Na2SO4) 수용액 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. The anode unit 110 may include a cathode 112 impregnated with a sodium-containing solution and a water tank containing the sodium-containing solution. Here, the sodium-containing solution is used as the anode electrolyte of the anode unit 110 . For example, the sodium-containing solution may include at least one of seawater and sodium sulfate (Na2SO4) aqueous solution.

일 실시예에서, 양극부(110)는 일 측면에 양극부(110) 내부로 나트륨 함유 용액이 유입되거나 배출되는 배관부(114)를 포함할 수 있다. In one embodiment, the anode part 110 may include a piping part 114 through which a sodium-containing solution is introduced or discharged into the anode part 110 on one side.

예를 들어, 캐소드(112)는 카본 펠트, 카본 페이퍼, 카본 파이버, 금속 박막 또는 이들의 조합일 수 있는 양극 집전체 및 양극 집전체 상에 마련된 촉매층을 포함할 수 있다. 즉, 캐소드(112)는 카본 소재로 구성된 카본 캐소드를 포함할 수 있다. For example, the cathode 112 may include a positive electrode current collector, which may be carbon felt, carbon paper, carbon fiber, a metal thin film, or a combination thereof, and a catalyst layer provided on the positive electrode current collector. That is, the cathode 112 may include a carbon cathode made of a carbon material.

음극부(120)는 유기 전해질(예: TEGDME)에 함침되는 애노드(anode)(122)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 애노드(122)는 나트륨 금속으로 구성된 나트륨 애노드, 리튬 금속으로 구성된 리튬 애노드 및 FeS2로 구성된 FeS2 애노드 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 애노드(122)는 다양한 소재가 적용될 수 있으며 애노드(122)의 소재 종류는 이에 제한되지 않는다. The negative electrode unit 120 may include an anode 122 impregnated with an organic electrolyte (eg, TEGDME). For example, the anode 122 may include at least one of a sodium anode composed of sodium metal, a lithium anode composed of lithium metal, and an FeS2 anode composed of FeS2. 122) is not limited thereto.

일 실시예에서, 음극부(120)의 애노드(122)가 리튬 금속으로 구성되는 경우, 양극부(110)의 양극 전해액은 리튬 함유 수용액이 사용될 수 있다. 예를 들어, 리튬 함유 수용액은 황산리튬(Li2SO4) 수용액을 포함할 수 있다. In one embodiment, when the anode 122 of the negative electrode part 120 is made of lithium metal, the lithium-containing aqueous solution may be used as the positive electrode electrolyte of the positive electrode part 110 . For example, the lithium-containing aqueous solution may include a lithium sulfate (Li2SO4) aqueous solution.

일 실시예에서, 애노드(122)는 음극 집전체 및 음극 집전체 상에 위치하는 활물질층을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 활물질층은 하드 카본(hard carbon, HC), 유기물계 재료, 또는 합금계 재료로 구성될 수 있다.In an embodiment, the anode 122 may include an anode current collector and an active material layer disposed on the anode current collector. In an embodiment, the active material layer may be formed of hard carbon (HC), an organic material, or an alloy-based material.

일 실시예에서, 충전 시, 양극부(110)에서는 전기 에너지를 충전하는 하기 <화학식 1>과 같은 반응이 발생할 수 있다.In one embodiment, during charging, a reaction such as the following <Formula 1> for charging electrical energy may occur in the positive electrode unit 110 .

Figure 112019020786760-pat00001
Figure 112019020786760-pat00001

일 실시예에서, 방전 시, 양극부(110)에서는 전기 에너지를 방전하면서 수소를 발생시키는 하기 <화학식 2>와 같은 반응이 발생할 수 있다. In one embodiment, during discharge, a reaction such as the following <Formula 2> for generating hydrogen while discharging electrical energy may occur in the anode unit 110 .

Figure 112019020786760-pat00002
Figure 112019020786760-pat00002

일 실시예에서, 충방전 시, 음극부(120)에서는 하기 <화학식 3>과 같은 반응이 발생할 수 있다.In one embodiment, during charging and discharging, a reaction as shown in the following <Formula 3> may occur in the negative electrode unit 120 .

Figure 112019020786760-pat00003
Figure 112019020786760-pat00003

즉, 충전 시, 이차전지(100)의 전체 화학식은 하기 <화학식 4>와 같이 표현될 수 있다.That is, during charging, the overall chemical formula of the secondary battery 100 may be expressed as in the following <Formula 4>.

Figure 112019020786760-pat00004
Figure 112019020786760-pat00004

또한, 방전 시, 이차전지(100)의 전체 화학식은 하기 <화학식 5>와 같이 표현될 수 있다. In addition, during discharge, the overall chemical formula of the secondary battery 100 may be expressed as in the following <Formula 5>.

Figure 112019020786760-pat00005
Figure 112019020786760-pat00005

이 때, 종래의 경우 양극부의 캐소드 표면에 존재하는 산소에 의해 ORR(oxygen reduction reaction) 반응이 진행되었으나, 상기 <화학식 5>를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지(100)의 경우, 고전류로 방전 과정을 진행함으로써, 산소가 양극부(110)의 캐소드(112) 표면에 위치하기도 전에 방전 과정이 일어남에 따라 산소가 있음에도 불구하고 산소가 없는 환경처럼 산소를 이용하지 못하고 바로 수소 생성 반응(HER(hydrogen evolution reaction))이 진행될 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지(100)의 경우, 수소 생성 반응이 일어나도록 방전 전류를 조절함에 따라, 방전 반응을 통해 양극부(110)에서 수소가 생성될 수 있다. At this time, in the conventional case, an ORR (oxygen reduction reaction) reaction was performed by oxygen present on the cathode surface of the positive electrode, but referring to <Formula 5>, the secondary battery 100 according to an embodiment of the present invention In this case, by performing the discharge process with a high current, as the discharge process occurs before oxygen is located on the surface of the cathode 112 of the anode part 110, even though oxygen is present, oxygen cannot be used like in an oxygen-free environment and immediately hydrogen A hydrogen evolution reaction (HER) may proceed. That is, in the case of the secondary battery 100 according to an embodiment of the present invention, as the discharge current is adjusted so that the hydrogen generation reaction occurs, hydrogen may be generated in the anode unit 110 through the discharge reaction.

이 경우, 고전류는 방전 전류를 의미할 수 있으며, 수소 생성 반응이 일어날 수 있는 방전 전류의 범위는 0.05mA/cm2 내지 2mA/cm2일 수 있다. 여기서, 방전 전류는 전류 밀도를 의미할 수 있으며, 고체 전해질(130)의 단면적 대비 발생되는 전류를 나타낼 수 있다. 따라서, 이차전지(100)의 형태가 코인형(coin-type), 사각 팩형(pack-type) 등 다양하더라도 수소 생성 반응을 위하여 동일한 범위의 방전 전류가 적용될 수 있다. In this case, the high current may mean a discharge current, and the range of the discharge current in which the hydrogen generation reaction may occur may be 0.05 mA/cm 2 to 2 mA/cm 2 . Here, the discharge current may mean a current density, and may represent a current generated compared to the cross-sectional area of the solid electrolyte 130 . Therefore, even if the shape of the secondary battery 100 is various, such as a coin-type, a square pack-type, etc., the same range of discharge current may be applied for the hydrogen generation reaction.

일 실시예에서, 방전 전류가 설정되었을 때, 방전 용량이 누적되면서 동시에 수소 생산량 또한 누적될 수 있다. In one embodiment, when the discharge current is set, the discharge capacity may be accumulated while the hydrogen production may also be accumulated.

일 실시예에서, 방전 전류를 조절함에 따라, 방전 반응을 통해 생성되는 수소 생성량은 하기 <수학식 1>과 같이 패러데이 효율(faradaic efficiency)로 표현될 수 있다. 예를 들어, 수소 생성량은 생성된 수소의 몰 농도를 의미할 수 있다. In an embodiment, as the discharge current is adjusted, the amount of hydrogen generated through the discharge reaction may be expressed as faradaic efficiency as shown in Equation 1 below. For example, the amount of hydrogen generated may mean a molar concentration of generated hydrogen.

Figure 112019020786760-pat00006
Figure 112019020786760-pat00006

여기서, FE는 패러데이 효율, n은 물 환원(water reduction)에 필요한 전자의 수, F는 패러데이 상수(96485C/mol), H2는 수소의 몰 농도, I는 방전 전류, T는 방전 시간을 의미할 수 있다. where FE is the Faraday efficiency, n is the number of electrons required for water reduction, F is the Faraday constant (96485C/mol), H 2 is the molar concentration of hydrogen, I is the discharge current, and T is the discharge time can do.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지(100)의 양극부(110)에서는 방전 과정을 통해 수소가 발생될 수 있다. 일 실시예에서, 양극부(110)는 방전 과정을 통해 생성된 수소가 배출되는 배출부(116)를 포함할 수 있다. Accordingly, in the positive electrode part 110 of the secondary battery 100 according to an embodiment of the present invention, hydrogen may be generated through a discharge process. In an embodiment, the anode unit 110 may include a discharge unit 116 through which hydrogen generated through a discharge process is discharged.

일 실시예에서, 양극부(110)는 양극부(110) 내부에 불활성 기체(예: 아르곤 가스(Ar))를 주입하기 위한 유입부(118)를 포함할 수 있다. 이 경우, 불활성 기체를 주입함으로써, 양극부(110) 내부의 밀폐구조 안에 존재하는 산소를 제거할 수 있다. In an embodiment, the anode part 110 may include an inlet 118 for injecting an inert gas (eg, argon gas (Ar)) into the anode part 110 . In this case, by injecting an inert gas, oxygen present in the sealed structure inside the anode part 110 may be removed.

양극부(110)와 음극부(120) 사이에는, 양극부(110)와 음극부(120)를 분리하면서, 이차전지(100)의 충방전 반응에서, 나트륨 이온을 통과시키는 고체 전해질(130)이 위치할 수 있다. 예를 들어, 고체 전해질은 나시콘(NASICON) 또는 리시콘(LISICON)을 포함할 수 있다. Between the positive electrode part 110 and the negative electrode part 120, while separating the positive electrode part 110 and the negative electrode part 120, in the charging/discharging reaction of the secondary battery 100, a solid electrolyte 130 that allows sodium ions to pass therethrough. This can be located For example, the solid electrolyte may include NASICON or LISICON.

도 2a 및 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 종류의 애노드를 사용한 경우의 수소 생성량 그래프를 도시한 도면이다.2A and 2B are diagrams illustrating a hydrogen production amount graph when various types of anodes are used according to an embodiment of the present invention.

도 2a를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지(100)는 양극부(110)의 양극 전해액으로 해수를 사용하고, 음극부(120)의 애노드(122)로 나트륨 금속으로 구성된 나트륨 애노드를 사용할 수 있다. 이 경우, 방전 용량(capacity)이 1.0mAh까지는 증가할수록 수소 생성량이 증가함을 확인할 수 있다. 이 때, 패러데이 효율은 95.0%일 수 있다.Referring to FIG. 2A , in the secondary battery 100 according to an embodiment of the present invention, seawater is used as the positive electrolyte of the positive electrode unit 110 , and the anode 122 of the negative electrode unit 120 is composed of sodium metal. Anodes can be used. In this case, it can be seen that the amount of hydrogen generated increases as the discharge capacity increases up to 1.0 mAh. In this case, the Faraday efficiency may be 95.0%.

도 2b를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 다른 이차전지(100)는 양극부(110)의 양극 전해액으로 황산리튬 수용액을 사용하고, 음극부(120)의 애노드(122)로 리튬 금속으로 구성된 리튬 애노드를 사용할 수 있다. 이 경우 또한, 방전 용량이 1.0mAh까지는 증가할수록 수소 생성량이 증가함을 확인할 수 있다. 이 때, 패러데이 효율은 90.2%일 수 있다.Referring to FIG. 2B , in the secondary battery 100 according to an embodiment of the present invention, an aqueous lithium sulfate solution is used as the positive electrolyte of the positive electrode unit 110 , and lithium metal is used as the anode 122 of the negative electrode unit 120 . A configured lithium anode may be used. In this case, it can also be confirmed that the amount of hydrogen generated increases as the discharge capacity increases up to 1.0 mAh. In this case, the Faraday efficiency may be 90.2%.

즉, 도 2a 및 2b를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지(100)는 1.0mAh 용량까지 방전하여 전기를 생산할 수 있고, 동시에 수소 생산도 가능함을 확인할 수 있다. That is, referring to FIGS. 2A and 2B , it can be confirmed that the secondary battery 100 according to an embodiment of the present invention can produce electricity by discharging to a capacity of 1.0 mAh, and hydrogen production is also possible at the same time.

도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 양극 전해액으로 해수를 사용한 경우의 이차전지의 성능 그래프를 도시한 도면이다.3A is a diagram illustrating a performance graph of a secondary battery when seawater is used as a cathode electrolyte according to an embodiment of the present invention.

도 3a를 참고하면, 0.05mA/cm2의 방전전류에 대한 방전 전압 그래프, 양극부(110)의 양극 전해액으로 해수를 사용하고, 음극부(120)의 애노드(122)로 나트륨 애노드를 사용한 이차전지(100)의 수소 생성율 그래프 및 수소 생성량 그래프를 확인할 수 있다. Referring to FIG. 3A , a graph of the discharge voltage for a discharge current of 0.05 mA/cm 2 , a secondary battery using seawater as the anode electrolyte of the anode unit 110 , and using a sodium anode as the anode 122 of the cathode unit 120 . You can check the hydrogen production rate graph and the hydrogen production amount graph of (100).

이 경우, 방전 용량이 0.5mAh까지는 방전 전압의 평탄부를 확인할 수 있다. 또한, 방전 용량이 0.5mAh까지는 방전 용량이 증가할수록 수소 생성량이 증가함을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지(100)는 0.5mAh 용량까지 방전하여 전기를 생산할 수 있고, 동시에 수소 생산도 가능함을 확인할 수 있다. 이 때, 패러데이 효율은 99.7%일 수 있다.In this case, the flat part of the discharge voltage can be confirmed up to the discharge capacity of 0.5 mAh. In addition, it can be seen that the amount of hydrogen generated increases as the discharge capacity increases up to the discharge capacity of 0.5 mAh. That is, it can be confirmed that the secondary battery 100 according to an embodiment of the present invention can produce electricity by discharging to a capacity of 0.5 mAh, and hydrogen production is also possible at the same time. In this case, the Faraday efficiency may be 99.7%.

도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 양극 전해액으로 황산나트륨을 사용한 경우의 이차전지의 성능 그래프를 도시한 도면이다.3B is a diagram illustrating a performance graph of a secondary battery when sodium sulfate is used as a cathode electrolyte according to an embodiment of the present invention.

도 3b를 참고하면, 0.05mA/cm2의 방전전류에 대한 방전 전압 그래프, 양극부(110)의 양극 전해액으로 황산나트륨을 사용하고, 음극부(120)의 애노드(122)로 나트륨 애노드를 사용한 이차전지(100)의 수소 생성율 그래프 및 수소 생성량 그래프를 확인할 수 있다. Referring to FIG. 3b , a graph of the discharge voltage for a discharge current of 0.05 mA/cm 2 , a secondary battery using sodium sulfate as the anode electrolyte of the anode unit 110 , and using a sodium anode as the anode 122 of the cathode unit 120 . You can check the hydrogen production rate graph and the hydrogen production amount graph of (100).

이 경우, 방전 용량이 0.5mAh까지는 방전 전압의 평탄부를 확인할 수 있다. 또한, 방전 용량이 0.5mAh까지는 방전 용량이 증가할수록 수소 생성량이 증가함을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지(100)는 0.5mAh 용량까지 방전하여 전기를 생산할 수 있고, 동시에 수소 생산도 가능함을 확인할 수 있다. 이 때, 패러데이 효율은 91.8%일 수 있다.In this case, the flat part of the discharge voltage can be confirmed up to the discharge capacity of 0.5 mAh. In addition, it can be seen that the amount of hydrogen generated increases as the discharge capacity increases up to the discharge capacity of 0.5 mAh. That is, it can be confirmed that the secondary battery 100 according to an embodiment of the present invention can produce electricity by discharging to a capacity of 0.5 mAh, and hydrogen production is also possible at the same time. In this case, the Faraday efficiency may be 91.8%.

도 4a 및 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 각 사이클에 대한 충방전 전압 그래프를 도시한 도면이다.4A and 4B are diagrams illustrating charge/discharge voltage graphs for each cycle according to an embodiment of the present invention.

도 4a를 참고하면, 각각 6시간 동안 0.5mA/cm2의 전류에서 이차전지(100)의 정전류 충방전 전압 그래프를 확인할 수 있다. 각 사이클에서, 충전 과정 동안 해수 산화(산소 발생 및/또는 염화물 산화 반응) 및 방전 과정 동안 해수 환원(즉, 수소 발생) 결과로 충전 및 방전 전압 평탄부를 확인할 수 있다. Referring to FIG. 4A , a graph of the constant current charging/discharging voltage of the secondary battery 100 can be confirmed at a current of 0.5 mA/cm 2 for 6 hours, respectively. In each cycle, charge and discharge voltage plateaus can be seen as a result of seawater oxidation (oxygen evolution and/or chloride oxidation reaction) during charging and seawater reduction (ie hydrogen evolution) during discharge.

도 4b를 참고하면, 70시간 동안 안정적인 충방전 전압 그래프를 확인할 수 있으며, 이를 통해, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지(100)는 금속 수 화학 반응 가역 H2 저장(metal water chemical reaction reversible H2 storage)이 가능함을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 4B , a graph of a stable charge/discharge voltage can be confirmed for 70 hours. Through this, the secondary battery 100 according to an embodiment of the present invention stores metal water chemical reaction reversible H2 storage) is possible.

도 5a 및 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 각 사이클에 대한 패러데이 효율 및 수소 생성량 그래프를 도시한 도면이다.5A and 5B are diagrams illustrating graphs of Faraday efficiency and hydrogen production for each cycle according to an embodiment of the present invention.

도 5a 및 5b를 참고하면, 각 사이클에 대하여, 패러데이 효율 값은 초기에 점진적인 증가하는 것을 확인할 수 있지만, 일정시간 방전된 후 패러데이 효율 값의 일정한 것을 확인할 수 있다. 이 경우, 이러한 각 사이클의 주기적 시험에서, 82.6%의 최대 패러데이 효율이 달성될 수 있다.Referring to FIGS. 5A and 5B , for each cycle, it can be seen that the Faraday efficiency value is initially gradually increased, but it can be confirmed that the Faraday efficiency value is constant after being discharged for a predetermined time. In this case, in periodic testing of each of these cycles, a maximum Faraday efficiency of 82.6% can be achieved.

수소 생성량의 경우, 각 사이클 마다 방전 시간에 따른 일정한 수소 생산량을 확인할 수 있다. 이를 통해, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지(100)는 충방전 사이클이 진행되더라도 패러데이 효율 및 수소 생성량 성능이 유지됨을 확인할 수 있다. In the case of the hydrogen production amount, it is possible to check a constant hydrogen production amount according to the discharge time for each cycle. Through this, it can be confirmed that in the secondary battery 100 according to an embodiment of the present invention, the Faraday efficiency and the hydrogen production amount performance are maintained even when a charge/discharge cycle is performed.

도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 충방전 전압 그래프를 도시한 도면이다. 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 방전 전압 그래프 및 수소 생성율 그래프를 도시한 도면이다.6A is a diagram illustrating a charging/discharging voltage graph according to an embodiment of the present invention. 6B is a diagram illustrating a discharge voltage graph and a hydrogen generation rate graph according to an embodiment of the present invention.

도 6a를 참고하면, 20mA/g의 전류 레이트(current rate)에서, 음극부(120)의 애노드(122)로 FeS2 전극을 사용한 이차전지(100)(예: 하프-셀)의 정전류 충방전 전압 그래프를 확인할 수 있다. 즉, 표면 상에 고체 전해질 중간계(interphase) 형성으로 인한 최초의 비가역 사이클링 이후(쿨롱 효율 ~75%), FeS2 전극은 후속 사이클 동안 ~380mAh/g의 특정 용량을 갖는 가역적인 충방전 동작을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 6A , at a current rate of 20 mA/g, a constant current charging/discharging voltage of a secondary battery 100 (eg, a half-cell) using an FeS2 electrode as the anode 122 of the negative electrode part 120 . You can check the graph. That is, after the first irreversible cycling due to the formation of a solid electrolyte interphase on the surface (coulombic efficiency ~75%), the FeS2 electrode can confirm a reversible charge-discharge operation with a specific capacity of ~380mAh/g during subsequent cycles. have.

도 6b를 참고하면, 음극부(120)의 애노드(122)로 FeS2 전극을 사용하고, 충전 시 용량 컷-오프(250 mAh/g) 및 방전 시 전압 컷-오프(0V)를 갖는 0.1 mA/cm2의 전류 밀도에서 사이클링을 수행하는 경우, 83.9%의 패러데이 효율과 함께 대량의 H2 생성을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 6B , an FeS2 electrode is used as the anode 122 of the negative electrode unit 120, and 0.1 mA/ When cycling at a current density of cm2, a large amount of H2 production can be confirmed with a Faraday efficiency of 83.9%.

이 경우, 패러데이 효율은 나트륨 애노드의 효율보다 낮지만, 결과는 분명히 마이크로 스케일의 FeS2 전극을 이차전지(100)의 음극부(120)의 애노드(122)로 적용 가능하다는 것을 확인할 수 있다. 또한, 이 경우, 나트륨 애노드를 사용하는 경우에 비해 동작 전압이 1V 이상 감소함을 알 수 있다.In this case, the Faraday efficiency is lower than that of the sodium anode, but the results clearly confirm that the micro-scale FeS2 electrode can be applied as the anode 122 of the negative electrode part 120 of the secondary battery 100 . In addition, in this case, it can be seen that the operating voltage is reduced by 1V or more compared to the case of using the sodium anode.

도 7a 및 7f는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 방전 전류에 대한 충방전 전압 그래프 및 수소 생산 성능 그래프를 도시한 도면이다.7A and 7F are diagrams illustrating a charge/discharge voltage graph and a hydrogen production performance graph for various discharge currents according to an embodiment of the present invention.

도 7a 및 7f를 참고하면, 자연 환경(natural environment)에서, 즉, Ar 가스로 이차전지(100)를 퍼징(purge)시키지 않고 이차전지(100)의 성능을 확인하기 위해, 6시간 동안 0.05, 0.1, 0.5, 1.0, 1.5 및 2.0 mA/cm2의 방전 전류로 실험을 수행하였다. 7A and 7F, in a natural environment, that is, in order to check the performance of the secondary battery 100 without purging the secondary battery 100 with Ar gas, 0.05 for 6 hours, Experiments were performed with discharge currents of 0.1, 0.5, 1.0, 1.5 and 2.0 mA/cm 2 .

이 경우, 대기 중에서도 이차전지(100)의 성능이 우수함을 확인할 수 있다. 즉, 0.05, 0.1, 0.5, 1.0, 1.5 및 2.0mA/cm2 각각에서 방전하는 동안 달성된 최대 패러데이 효율은 각각 약 8, 28, 49, 64, 75 및 77%였다. 따라서, 자연 환경에서도 패러데이 효율은 높은 방전 전류에서 높아짐을 확인할 수 있다. 이 경우, 도 8을 참고하면, 방전 전류가 높아짐에 따라 패러데이 효율이 증가함을 확인할 수 있다. In this case, it can be confirmed that the performance of the secondary battery 100 is excellent even in the air. That is, the maximum Faraday efficiencies achieved during discharge at 0.05, 0.1, 0.5, 1.0, 1.5 and 2.0 mA/cm 2 respectively were about 8, 28, 49, 64, 75, and 77%, respectively. Therefore, it can be confirmed that the Faraday efficiency is increased at a high discharge current even in a natural environment. In this case, referring to FIG. 8 , it can be seen that the Faraday efficiency increases as the discharge current increases.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지(900)의 다른 기능적 구성을 도시한 도면이다. 9 is a diagram illustrating another functional configuration of a secondary battery 900 according to an embodiment of the present invention.

도 9를 참고하면, 이차전지(900)는 제1 양극부(910), 음극부(920), 제1 고체 전해질(930), 제2 양극부(940) 및 제2 고체 전해질(950)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 9 , the secondary battery 900 includes a first positive electrode part 910 , a negative electrode part 920 , a first solid electrolyte 930 , a second positive electrode part 940 , and a second solid electrolyte 950 . may include

제1 양극부(910)는 나트륨 함유 용액에 함침되는 제1 캐소드(912) 및 나트륨 함유 용액이 담기는 수조를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 제1 양극부(910)는 일 측면에 제1 양극부(910) 내부로 나트륨 함유 용액이 유입되거나 배출되는 배관부(914)를 포함할 수 있다. The first anode part 910 may include a first cathode 912 impregnated in the sodium-containing solution and a water tank in which the sodium-containing solution is contained. In one embodiment, the first anode part 910 may include a piping part 914 through which a sodium-containing solution is introduced or discharged into the first anode part 910 on one side.

예를 들어, 제1 캐소드(912)는 카본 펠트, 카본 페이퍼, 카본 파이버, 금속 박막 또는 이들의 조합일 수 있는 양극 집전체 및 양극 집전체 상에 마련된 촉매층을 포함할 수 있다. 즉, 제1 캐소드(912)는 카본 소재로 구성된 카본 캐소드를 포함할 수 있다. For example, the first cathode 912 may include a positive electrode current collector, which may be carbon felt, carbon paper, carbon fiber, a metal thin film, or a combination thereof, and a catalyst layer provided on the positive electrode current collector. That is, the first cathode 912 may include a carbon cathode made of a carbon material.

일 실시예에서, 제1 양극부(910)는 발생된 산소를 외부로 배출하기 위한 배출부(916)를 포함할 수 있다. 또한, 충전 시 제1 캐소드(912)에서 발생된 전자는 제1 캐소드(912)와 전기적으로 연결된 외부 회로를 통해 음극부(920)로 전달될 수 있다. 즉, 제1 양극부(910)의 제1 캐소드(912)는 이차전지(900)의 충전 반응에서 사용될 수 있다. In one embodiment, the first anode part 910 may include a discharge part 916 for discharging the generated oxygen to the outside. In addition, electrons generated from the first cathode 912 during charging may be transferred to the negative electrode unit 920 through an external circuit electrically connected to the first cathode 912 . That is, the first cathode 912 of the first positive electrode part 910 may be used in the charging reaction of the secondary battery 900 .

일 실시예에서, 충전 시, 이차전지(900)의 전체 화학식은 하기 <화학식 6>과 같이 표현될 수 있다.In one embodiment, during charging, the overall chemical formula of the secondary battery 900 may be expressed as follows <Formula 6>.

Figure 112019020786760-pat00007
Figure 112019020786760-pat00007

음극부(920)는 유기 전해질(예: TEGDME)에 함침되는 애노드(922)를 포함할 수 있다. 애노드(922)는 음극 집전체 및 음극 집전체 상에 위치하는 활물질층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 애노드(922)는 나트륨 금속으로 구성된 나트륨 애노드, 리튬 금속으로 구성된 리튬 애노드 및 FeS2로 구성된 FeS2 애노드 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 애노드(922)는 다양한 소재가 적용될 수 있으며 애노드(922)의 소재 종류는 이에 제한되지 않는다.The negative electrode part 920 may include an anode 922 impregnated with an organic electrolyte (eg, TEGDME). The anode 922 may include an anode current collector and an active material layer disposed on the anode current collector. For example, the anode 922 may include at least one of a sodium anode composed of sodium metal, a lithium anode composed of lithium metal, and an FeS2 anode composed of FeS2. 922) is not limited thereto.

일 실시예에서, 애노드(922)로 나트륨 애노드를 사용하는 경우 충전전압이 ~3.48V일 수 있다. 즉, 충전 시 3.48V의 높은 전압을 가해야만 이차전지(100)의 충전이 가능하다. 하지만, 나트륨 애노드 대비 FeS2 애노드를 사용하는 경우, 충전 전압이 ~2.4V로 낮아질 수 있으며, 이 경우, 충전 전압이 낮아짐에 따라 이차전지(900)는 태양전지(960)를 통한 광충전을 수행할 수 있어 충전 전압을 낮추거나 외부 인가 전원 없이 자가 충전 시스템을 구현하면서, 동시에 수소 생성 시스템을 구현할 수 있다. In one embodiment, when using a sodium anode as the anode 922, the charging voltage may be ~3.48V. That is, the secondary battery 100 can be charged only by applying a high voltage of 3.48V during charging. However, when using an FeS2 anode compared to a sodium anode, the charging voltage may be lowered to ~2.4V. In this case, as the charging voltage is lowered, the secondary battery 900 performs photocharging through the solar cell 960. Therefore, it is possible to reduce the charging voltage or implement a self-charging system without externally applied power while simultaneously implementing a hydrogen generation system.

일 실시예에서, 충방전 시 음극부(920)에서는 하기 <화학식 7>과 같은 반응이 발생할 수 있다. In an embodiment, a reaction such as the following <Formula 7> may occur in the negative electrode unit 920 during charging and discharging.

Figure 112019020786760-pat00008
Figure 112019020786760-pat00008

제1 양극부(910)와 음극부(920) 사이에는, 제1 양극부(910)와 음극부(920)를 분리하면서, 이차전지(900)의 충전 반응 시, 나트륨 이온(Na+)을 통과시켜 제1 양극부(910)로부터 음극부(920)로 이동시키는 제1 고체 전해질(930)이 위치할 수 있다. Between the first positive electrode part 910 and the negative electrode part 920, while the first positive electrode part 910 and the negative electrode part 920 are separated, during the charging reaction of the secondary battery 900, sodium ions (Na + ) A first solid electrolyte 930 that passes through and moves from the first anode part 910 to the cathode part 920 may be positioned.

제2 양극부(940)는 나트륨 함유 용액에 함침되는 제2 캐소드(942) 및 나트륨 함유 용액이 담기는 수조를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 제2 양극부(940)는 일 측면에 제2 양극부(940) 내부로 나트륨 함유 용액이 유입되거나 배출되는 배관부(944)를 포함할 수 있다.The second anode part 940 may include a second cathode 942 immersed in a sodium-containing solution and a water tank in which the sodium-containing solution is contained. In an embodiment, the second anode part 940 may include a piping part 944 through which a sodium-containing solution is introduced or discharged into the second anode part 940 on one side.

제2 캐소드(942)는 이차전지(900)의 방전 시 제2 양극부(940)에서 이용되는 캐소드를 의미할 수 있다. 이 경우, 방전 시 제2 캐소드(942)는 음극부(920)로부터 전자를 전달받을 수 있다. 즉, 제2 양극부(940)의 제2 캐소드(942)는 이차전지(900)의 방전 반응에서 사용될 수 있다. The second cathode 942 may refer to a cathode used in the second anode unit 940 when the secondary battery 900 is discharged. In this case, during discharge, the second cathode 942 may receive electrons from the cathode unit 920 . That is, the second cathode 942 of the second anode part 940 may be used in the discharge reaction of the secondary battery 900 .

예를 들어, 제2 캐소드(942)는 카본 펠트, 카본 페이퍼, 카본 파이버, 금속 박막 또는 이들의 조합일 수 있는 양극 집전체 및 양극 집전체 상에 마련된 촉매층을 포함할 수 있다. 즉, 제2 캐소드(942)는 카본 소재로 구성된 카본 캐소드를 포함할 수 있다. For example, the second cathode 942 may include a positive electrode current collector, which may be carbon felt, carbon paper, carbon fiber, a metal thin film, or a combination thereof, and a catalyst layer provided on the positive electrode current collector. That is, the second cathode 942 may include a carbon cathode made of a carbon material.

또한, 방전 시, 이차전지(900)의 전체 화학식은 하기 <화학식 8>과 같이 표현될 수 있다. In addition, during discharge, the overall chemical formula of the secondary battery 900 may be expressed as in the following <Formula 8>.

Figure 112019020786760-pat00009
Figure 112019020786760-pat00009

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지(900)의 제2 양극부(940)에서는 방전 과정을 통해 수소가 발생될 수 있다. 일 실시예에서, 제2 양극부(940)는 방전 과정을 통해 생성된 수소가 배출되는 배출부(946)를 포함할 수 있다. In the second anode part 940 of the secondary battery 900 according to an embodiment of the present invention, hydrogen may be generated through a discharge process. In an embodiment, the second anode part 940 may include a discharge part 946 from which hydrogen generated through a discharge process is discharged.

일 실시예에서, 제2 양극부(940)는 양극부(920) 내부에 불활성 기체(예: 아르곤 가스(Ar))를 주입하기 위한 유입부(948)를 포함할 수 있다. 이 경우, 불활성 기체를 주입함으로써, 제2 양극부(940) 내부의 밀폐구조 안에 존재하는 산소를 제거할 수 있다. In an embodiment, the second anode part 940 may include an inlet 948 for injecting an inert gas (eg, argon gas (Ar)) into the anode part 920 . In this case, oxygen present in the sealed structure inside the second anode part 940 may be removed by injecting an inert gas.

제2 양극부(940)와 음극부(920) 사이에는, 제2 양극부(940)와 음극부(920)를 분리하면서, 이차전지(900)의 방전 반응 시, 나트륨 이온(Na+)을 통과시켜 음극부(920)로부터 제2 양극부(940)로 이동시키는 제2 고체 전해질(950)이 위치할 수 있다. Between the second positive electrode unit 940 and the negative electrode unit 920 , while the second positive electrode unit 940 and the negative electrode unit 920 are separated, sodium ions (Na + ) are released during the discharge reaction of the secondary battery 900 . A second solid electrolyte 950 that passes through and moves from the negative electrode unit 920 to the second positive electrode unit 940 may be located.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 FeS2 애노드를 사용한 경우의 이차전지의 성능 그래프를 도시한 도면이다. 10 is a diagram illustrating a performance graph of a secondary battery in the case of using an FeS2 anode according to an embodiment of the present invention.

도 10을 참고하면, 0.05mA/cm2의 방전전류에 대한 방전 전압 그래프, 양극부(110)의 양극 전해액으로 해수를 사용하고, 음극부(120)의 애노드(122)로 FeS2 애노드를 사용한 이차전지의 수소 생성율 그래프 및 수소 생성량 그래프를 확인할 수 있다. Referring to FIG. 10 , a graph of the discharge voltage for a discharge current of 0.05 mA/cm 2 , a secondary battery using seawater as the anode electrolyte of the anode unit 110 , and using an FeS anode as the anode 122 of the cathode unit 120 . You can check the hydrogen production rate graph and the hydrogen production amount graph of

이 경우, 방전 용량이 250mAh/g까지는 방전 전압의 평탄부를 확인할 수 있다. 또한, 방전 용량이 250mAh/g까지는 방전 용량이 증가할수록 수소 생성량이 증가함을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지는 250mAh/g 용량까지 방전하여 전기를 생산할 수 있고, 동시에 수소 생산도 가능함을 확인할 수 있다. 이 때, 패러데이 효율은 74.9%일 수 있다.In this case, the flat portion of the discharge voltage can be confirmed up to the discharge capacity of 250 mAh/g. In addition, it can be seen that the amount of hydrogen generated increases as the discharge capacity increases up to a discharge capacity of 250 mAh/g. That is, it can be confirmed that the secondary battery according to an embodiment of the present invention can produce electricity by discharging to a capacity of 250 mAh/g, and hydrogen production is also possible at the same time. In this case, the Faraday efficiency may be 74.9%.

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 description is merely illustrative of the technical spirit 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.Accordingly, the embodiments disclosed in the present specification are not intended to limit the technical spirit of the present invention, but to illustrate, 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 protection scope of the present invention should be interpreted by the claims, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be understood to be included in the scope of the present invention.

100: 이차전지
110: 양극부
112: 캐소드
114: 배관부
116: 배출부
118: 유입부
120: 음극부
122: 애노드
130: 고체 전해질
900: 이차전지
910: 제1 양극부
912: 제1 캐소드
914: 배관부
916: 배출부
920: 음극부
922: 애노드
930: 제1 고체 전해질
940: 제2 양극부
942: 제2 캐소드
944: 배관부
946: 배출부
948: 유입부
950: 제2 고체 전해질
960: 태양전지100: secondary battery
110: positive electrode
112: cathode
114: piping
116: discharge unit
118: inlet
120: cathode
122: anode
130: solid electrolyte
900: secondary battery
910: first anode part
912: first cathode
914: plumbing
916: discharge part
920: cathode
922: anode
930: first solid electrolyte
940: second anode part
942: second cathode
944: plumbing
946: discharge part
948: inlet
950: second solid electrolyte
960: solar cell

Claims (9)

이차 전지에 있어서,
유기 전해질에 함침되는 애노드(anode)를 포함하는 음극부;
나트륨 함유 용액에 함침되는 캐소드(cathode)를 포함하는 양극부;
나트륨 함유 용액에 함침되는 다른 캐소드를 포함하는 다른 양극부; 및
상기 양극부와 상기 음극부 사이에 위치하여 상기 양극부와 상기 음극부를 분리하는 고체 전해질;
을 포함하고,
방전 전류를 조절함에 따라, 방전 반응을 통해 상기 양극부에서 수소가 생성되고,
상기 양극부는, 상기 양극부 내부에 불활성 기체를 주입하기 위한 유입부를 포함하고,
상기 애노드는, FeS2로 구성된 FeS2 애노드를 포함하고,
상기 캐소드는, 상기 이차전지의 방전 반응에서 사용되고,
상기 다른 캐소드는, 상기 FeS2 애노드에 의해 충전 전압이 낮아짐에 따라, 태양전지를 통한 상기 이차전지의 충전 반응에서 사용되는,
이차전지.
In the secondary battery,
a negative electrode including an anode impregnated in an organic electrolyte;
an anode comprising a cathode impregnated in a sodium-containing solution;
another anode comprising another cathode immersed in a sodium-containing solution; and
a solid electrolyte positioned between the positive electrode and the negative electrode to separate the positive electrode and the negative electrode;
including,
By controlling the discharge current, hydrogen is generated in the anode part through the discharge reaction,
The anode part includes an inlet for injecting an inert gas into the anode part,
The anode is configured to include FeS 2 anode consisting of FeS 2,
The cathode is used in the discharge reaction of the secondary battery,
The other cathode, as the charging voltage is lowered by the FeS 2 anode, is used in the charging reaction of the secondary battery through the solar cell,
secondary battery.
 제1항에 있어서,
상기 방전 전류의 크기는, 0.05mA/cm2 내지 2mA/cm2인,
이차전지.
According to claim 1,
The magnitude of the discharge current is 0.05mA / cm2 to 2mA / cm2,
secondary battery.
 제1항에 있어서,
상기 양극부는, 상기 방전 과정을 통해 생성된 수소가 배출되는 배출부;
를 포함하는,
이차전지.
According to claim 1,
The anode unit may include: an exhaust unit through which hydrogen generated through the discharging process is discharged;
containing,
secondary battery.
 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 나트륨 함유 용액은, 해수(seawater)를 포함하는,
이차전지.
According to claim 1,
The sodium-containing solution, including seawater,
secondary battery.
 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 양극부는, 상기 나트륨 함유 용액 또는 리튬 함유 용액에 함침되는 상기 캐소드를 포함하는,
이차전지.
According to claim 1,
The anode portion, comprising the cathode impregnated in the sodium-containing solution or lithium-containing solution,
secondary battery.
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