KR102349782B1 - Energy Harvester based on Electrochemical - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전기화학 기반 에너지 하베스터 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하우징; 상기 하우징 내에 저장되는 전해액; 상기 전해액에 압력을 인가하기 위한 가압부재; 상기 전해액 내에 구비되며, 상기 가압부재에 의한 압력을 인가받아 이온이 탈리되는 제1이온합금소자로 구성된 제1전극; 및 상기 전해액 내에 구비되며, 상기 제1전극에서 탈리된 이온이 삽입되는 제2이온합금소자와, 상기 가압부재에 의한 압력이 상기 제2이온합금소자에 인가되지 않도록 보호하는 변형방지층을 갖는 제2전극;을 포함하여, 상기 제1전극에서 제2전극으로의 이온 이동에 의해 전력을 생산하는 것을 특징으로 하는 전기화학 에너지 하베스터에 관한 것이다. The present invention relates to an electrochemical-based energy harvester and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a housing; an electrolyte stored in the housing; a pressing member for applying pressure to the electrolyte; a first electrode provided in the electrolyte solution and comprising a first ion alloy element from which ions are desorbed by being applied with pressure by the pressing member; and a second ion alloy element provided in the electrolyte solution into which ions desorbed from the first electrode are inserted, and a deformation preventing layer protecting the pressure by the pressing member from being applied to the second ion alloy element. It relates to an electrochemical energy harvester, characterized in that it generates electric power by movement of ions from the first electrode to the second electrode, including:
Description
본 발명은 전기화학 기반 에너지 하베스터, 그 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to an electrochemical-based energy harvester and a method for manufacturing the same.
국내 전력수요는 매년 증가하여 전력소비량이 급증하는 여름 및 겨울철에 블랙아웃 위기를 초래하고 있는 상황으로, 미래 에너지자원의 안정적 확보 및 전력수요 증대에 대응하기 위한 노력이 전 세계적으로 이루어지고 있고, 신 재생 에너지에 대한 관심도 또한 폭발적으로 증가하고 있는 추세이며, 특히, 태양광, 풍력, 파력, 열, 운동 에너지 등을 전기적 에너지로 전환하는 에너지 하베스팅(energy harvesting) 기술에 대한 개발이 가속화되고 있는 상황이다.Domestic electricity demand increases every year, leading to a blackout crisis in summer and winter, when electricity consumption is rapidly increasing. Interest in renewable energy is also on the rise, and in particular, the development of energy harvesting technology that converts solar, wind, wave, heat, and kinetic energy into electrical energy is accelerating. to be.
즉, 에너지 하베스터 (energy harvester)는 사용되지 않거나 소모되는 에너지를 수집하여, 유용한 전기 에너지로 변환하는 신재생 에너지원이다. 특히 대형 시스템의 전력효율 향상이나 저전력 소형 전자시스템을 위한 반영구적 에너지원으로 주목 받고 있다.In other words, an energy harvester is a renewable energy source that collects unused or consumed energy and converts it into useful electrical energy. In particular, it is attracting attention as a semi-permanent energy source for improving the power efficiency of large systems or for low-power small electronic systems.
압전 에너지 하베스팅(piezoeletric energy harvesting) 기술은 주변에서 발생되는 기계적 에너지(예를 들면, 진동, 충격, 소리 등)를 압전 소재를 이용하여 전기에너지로 변환시키고, 이 렇게 변환된 전기에너지를 저장하는 친환경 에너지 기술이다. 대표적인 압전 에너지 하베스터의 예로는 캔틸레버(cantilever) 구조의 에너지 하베스터를 들 수 있으며, 캔틸레버 구조의 압전 에너지 하베스터에서는 탄성체가 진동하면서 압전 소자를 변형시킴으로써 전기에너지를 발생시키게 된다. The piezoeletric energy harvesting technology converts mechanical energy (eg, vibration, shock, sound, etc.) generated in the surroundings into electrical energy using a piezoelectric material, and stores the converted electrical energy. It is an eco-friendly energy technology. A typical example of a piezoelectric energy harvester may include a cantilever-structured energy harvester. In the cantilevered piezoelectric energy harvester, an elastic body vibrates and deforms a piezoelectric element to generate electrical energy.
이외에도 작은 기계적 에너지에 의해서도 큰 전기에너지를 수확할 수 있는 압전 에너지 하베스터에 관한 많은 연구들이진행되어 왔다. 한편, 압전 에너지 하베스터는 연속적인 외부의 기계적 에너지가 유입되지 않을 경우에는 전력원으로 사용될 수 없기 때문에 변환된 전기에너지를 저장할 배터리 또는 캐퍼시터 등과 같은 저장장치가 필요하다.In addition, many studies have been conducted on piezoelectric energy harvesters that can harvest large electrical energy even with small mechanical energy. On the other hand, since the piezoelectric energy harvester cannot be used as a power source when continuous external mechanical energy is not introduced, a storage device such as a battery or a capacitor to store the converted electrical energy is required.
그러나 압전방식의 에너지 하베스팅 만을 적용하게 되는 경우, 압전출력이 높이 못하고, 특히 진동을 이용한 압전 에너지 하베스터의 경우 장치의 고유 진동수를 발생되는 변위가 최대가 되는 공진주파수에 맞춰서 구조를 설계해야한다. 하지만 이 경우 공진 주파수가 장치의 고정된 고유 진동수를 벗어나게 되면, 발생 변위가 크게 감소하여 압전 출력이 크게 감소하게 된다.However, when only piezoelectric energy harvesting is applied, the piezoelectric output is not high, and in particular, in the case of a piezoelectric energy harvester using vibration, the structure must be designed according to the resonance frequency at which the displacement generated is the maximum. However, in this case, when the resonant frequency deviates from the fixed natural frequency of the device, the generated displacement is greatly reduced and the piezoelectric output is greatly reduced.
또한, 종래 에너지 하베스터에 있어서, 압전 에너지 하베스터 이외에, 정전, 마찰, 전자기 유도 등을 기반으로 하는 에너지 하베스터에 대한 연구가 진행되고 있다. In addition, in the conventional energy harvester, in addition to the piezoelectric energy harvester, research on energy harvesters based on static electricity, friction, electromagnetic induction, and the like is in progress.
그리고 종래 미국 등록특허 US8604664, US8368285, US7298017 등에서는 전기화학적 액츄에이터에 대해 기재하고 있다. 이러한 종래 특허는 통상의 1차 전극과 2차 전극을 갖는 전지 구성에서, 전압 인가에 따른 이온 이동에 따른 부피 변화에 의한 액츄에이터의 작동원리에 대해 기재하고 있다. 즉, 이러한 전기화학적 액츄에이터는 전기가 인가되면, 제1전극부분과 제2전극부분 간에 이온 이동에 따라 굽힘 응력이 작용되어 굽힘 동작이 가능한 액츄에이터에 대해 기재하고 있다. 그러나 이러한 종래 특허에서도 전기화학을 기반으로 하는 에너지 하베스팅에 대해서는 언급하고 있지 않다. And the prior US patents US8604664, US8368285, US7298017, etc. describe the electrochemical actuator. This prior patent describes the operation principle of the actuator by volume change according to ion movement according to voltage application in a battery configuration having a conventional primary electrode and secondary electrode. That is, when electricity is applied to such an electrochemical actuator, bending stress is applied according to the movement of ions between the first electrode part and the second electrode part, and thus, an actuator capable of bending operation is described. However, even in these prior patents, there is no mention of energy harvesting based on electrochemistry.
또한, 미국 공개특허 US2016-0315358호는 전기화학셀의 개념을 도입하고 있고, 배터리 구조에서 적어도 하나의 전극을 압전 전기 화학물질로 구성하고 있다. 그러나 종래 미국 공개특허 US2016-0315358호 역시, 외부 힘에 의해 전압/전류를 생성하는 것은 압전방식이고 이러한 압전방식으로 생산된 전력을 배터리에 저장하는 구성을 기재하고 있을 뿐, 인가되는 압축력에 의해 이온이 이동되면서 전압/전류를 생산하지 구성, 작동원리에 대해서는 언급하고 있지 않다. In addition, US Patent Publication No. US2016-0315358 introduces the concept of an electrochemical cell, and at least one electrode in the battery structure is made of a piezoelectric electrochemical material. However, prior US Patent Publication No. US2016-0315358 also describes a configuration in which a voltage/current is generated by an external force using a piezoelectric method, and the electric power produced by the piezoelectric method is stored in a battery, and ions are generated by the applied compressive force. As it moves, it produces voltage/current, and does not mention the composition and operating principle.
따라서 본원발명의 발명자들은 종래 전기화학 기반 액츄에이터를 응용하여, 이에 대한 역작용을 적용한 전기화학을 기반으로 하는 에너지 하베스팅에 대한 구성, 작용원리를 연구하였다. Therefore, the inventors of the present invention studied the composition and working principle of energy harvesting based on electrochemistry to which the reverse action was applied by applying the conventional electrochemical-based actuator.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 실시예에 따르면, 인가되는 압축력에 의해 이온이 이동되면서 전압, 전류를 생산하여 전기 에너지를 수확할 수 있는 전기화학 기반 에너지 하베스터를 제공하는데 목적이 있다.Therefore, the present invention has been devised to solve the problems of the prior art, and according to an embodiment of the present invention, ions are moved by an applied compressive force while generating voltage and current to produce an electrochemical capable of harvesting electrical energy It aims to provide a basic energy harvester.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.On the other hand, the technical problems to be achieved in the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned are clearly to those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the description below. can be understood
본 발명의 제1목적은, 하우징; 상기 하우징 내에 저장되는 전해액; 상기 전해액에 압력을 인가하기 위한 가압부재; 상기 전해액 내에 구비되며, 상기 가압부재에 의한 압력을 인가받아 이온이 탈리되는 제1이온합금소자로 구성된 제1전극; 및 상기 전해액 내에 구비되며, 상기 제1전극에서 탈리된 이온이 이동되는 제2이온합금소자와, 상기 가압부재에 의한 압력이 상기 제2이온합금소자에 인가되지 않도록 보호하는 변형방지층을 갖는 제2전극;을 포함하여, 상기 제1전극에서 제2전극으로의 이온 이동에 의해 전력이 생산되는 것을 특징으로 하는 전기화학 기반 에너지 하베스터로서 달성될 수 있다. A first object of the present invention, the housing; an electrolyte stored in the housing; a pressing member for applying pressure to the electrolyte; a first electrode provided in the electrolyte solution and comprising a first ion alloy element from which ions are desorbed by being applied with pressure by the pressing member; and a second ion alloy element provided in the electrolyte solution through which ions desorbed from the first electrode move, and a second ion alloy element having a deformation preventing layer that protects the pressure by the pressing member from being applied to the second ion alloy element electrode; including, can be achieved as an electrochemical-based energy harvester, characterized in that the electric power is produced by the movement of ions from the first electrode to the second electrode.
그리고 상기 제2전극은, 상기 변형방지층이 상기 제2이온합금소자의 외면과 특정간격 이격되어 감싸는 형태로 구성되어 요크쉘 구조를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the second electrode may be characterized in that it has a yoke shell structure in which the anti-deformation layer is wrapped around the outer surface of the second ion alloy element at a specific interval.
또한 상기 제1이온합금소자와 상기 제2이온합금소자는 LixSi로 구성되며, 상기 변형방지층은 TiO2로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the first ion alloy element and the second ion alloy element may be composed of Li x Si, and the strain prevention layer may be composed of TiO 2 .
그리고 상기 제1전극과 상기 제2전극은 슬러리 기반 전극으로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다. And the first electrode and the second electrode may be characterized in that it is composed of a slurry-based electrode.
또한 상기 제1전극과 제2전극을 연결하는 쇼트회로를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, it may be characterized in that it further comprises a short circuit for connecting the first electrode and the second electrode.
그리고 상기 제2전극은 Si입자 표면에 SiO2를 형성시킨 후, SiO2 외면에 TiO2를 코팅하고, 상기 SiO2 부분을 에칭하여 요크쉘 구조의 Si@TiO2가 제조되는 것을 특징으로 할 수 있다. And the second electrode forms SiO 2 on the surface of the Si particles, then coats the SiO 2 outer surface with TiO 2 and etches the SiO 2 portion to produce Si@TiO 2 having a yoke shell structure. It can be characterized in that have.
또한 상기 제2전극은 상기 Si@TiO2를 슬러리화하고, 리튬치환반응을 통해 제조되는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the second electrode may be characterized in that the Si@TiO 2 is slurried and manufactured through a lithium substitution reaction.
본 발명의 제2목적은 에너지 하베스터의 작동방법에 있어서, 앞서 언급한 제1목적에 따른 전기화학 기반 에너지 하베스터를 제작하는 단계; 가압부재를 통해 전해액에 압력을 인가하는 단계; 전해액 내에 구비된 제1이온합금소자로 구성된 제1전극이, 압력을 인가받아 이온이 탈리되는 단계; 상기 전해액 내에 구비된, 제2이온합금소자와 상기 제2이온합금소자의 외면과 특정간격 이격된 변형방지층이 감싸는 형태로 구성되어 요크쉘 구조의 제2전극에서, 상기 가압부재에 의한 압력은 상기 변형방지층에 의해 상기 제2이온합금소자에 인가되지 않도록 보호하면서, 상기 제1전극에서 탈리된 이온이 제2이온합금소자로 이동되는 단계; 및 상기 제1전극에서 제2전극으로의 이온 이동에 의해 전력을 생산되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 기반 에너지 하베스터의 작동방법으로서 달성될 수 있다. A second object of the present invention is to provide a method of operating an energy harvester, comprising: fabricating an electrochemical-based energy harvester according to the first object described above; applying pressure to the electrolyte solution through the pressing member; A first electrode comprising a first ion alloy element provided in the electrolyte, the step of desorbing the ions when the pressure is applied; In the second electrode of the yoke shell structure provided in the electrolyte, the second ion alloy element and the deformation preventing layer spaced apart from the outer surface of the second ion alloy element by a specific distance are wrapped around the second electrode, the pressure by the pressing member is the moving ions desorbed from the first electrode to a second ion alloy device while protecting the second ion alloy device from being applied to the second ion alloy device by a deformation prevention layer; and generating electric power by movement of ions from the first electrode to the second electrode.
그리고 가압부재에 의한 압력 인가는, 특정시간동안 압력을 유지하는 단계와, 특정기간동안 압력을 해제하는 단계를 반복하는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the pressure application by the pressing member may be characterized by repeating the steps of maintaining the pressure for a specific time period and releasing the pressure for a specific time period.
본 발명의 제3목적은 전기화학 기반 에너지 하베스터의 제조방법에 있어서, 제1이온합금소자로 구성된 제1전극을 제조하고, 제2이온합금소자와 상기 제2이온합금소자의 외면에 특정간격 이격되도록 감싸는 변형방지층을 갖는 요크쉘 구조의 제2전극을 제조하는 단계; 하우징 내에 저장된 전해액에 상기 제1전극과 제2전극을 침지시키고, 쇼트회로를 통해 상기 제1전극과 제2전극을 연결하는 단계; 및 상기 하우징의 개방단을 폐쇄하고 상기 전해액에 압력을 인가하기 위한 가압부재를 설치하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 기반 에너지 하베스터의 제조방법으로서 달성될 수 있다. A third object of the present invention is to provide a method for manufacturing an electrochemical-based energy harvester by manufacturing a first electrode composed of a first ion alloy element, and spaced apart from a second ion alloy element at a specific distance on the outer surfaces of the second ion alloy element and the second ion alloy element. manufacturing a second electrode having a yoke shell structure having a deformation preventing layer surrounding it as much as possible; immersing the first electrode and the second electrode in the electrolyte stored in the housing, and connecting the first electrode and the second electrode through a short circuit; and closing the open end of the housing and installing a pressing member for applying pressure to the electrolyte.
그리고 상기 제1전극을 제조하는 단계는, Si입자는 준비하는 단계; 상기 Si입자를 슬러리화하는 단계; 및 상기 슬러리화된 Si에 리튬치환반응 공정을 진행하여, 슬러리 기반 LixSi로 구성된 제1전극을 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. And the step of manufacturing the first electrode, the step of preparing Si particles; slurrying the Si particles; and performing a lithium substitution reaction process on the slurried Si to prepare a first electrode composed of a slurry-based Li x Si.
또한 상기 제2전극의 제조하는 단계는, Si입자를 준비하는 제1단계; 상기 Si입자 표면에 SiO2를 형성시키는 제2단계; 상기 SiO2 외면에 TiO2를 코팅하는 제3단계; 및 상기 SiO2 부분을 에칭하여 요크쉘 구조의 Si@TiO2가 제조되는 제4단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the manufacturing of the second electrode may include a first step of preparing Si particles; A second step of forming SiO 2 on the surface of the Si particles; A third step of coating TiO 2 on the SiO 2 outer surface; and a fourth step in which Si@TiO 2 having a yoke shell structure is manufactured by etching the SiO 2 portion.
그리고 상기 제4단계 후에, 상기 Si@TiO2를 슬러리화하는 제5단계; 및 상기 슬러리화된 Si@TiO2에 리튬치환반응 공정을 진행하여, 슬러리 기반 LixSi@TiO2로 구성된 제2전극을 제조하는 제6단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. And after the fourth step, a fifth step of slurrying the Si@TiO 2 ; It may be characterized in that it comprises a; and a sixth step of producing a second electrode made of a lithium substitution reaction proceeds to step Si @ TiO 2 with the slurry, the slurry-based Li x Si @ TiO 2.
본 발명의 실시예에 따른 전기화학 에너지 하베스터에 따르면, 외부에서 전기를 공급하지 않아도 인가되는 압축력에 의해 제1전극에서 제2전극으로 이온이 이동되면서 전압, 전류를 생산하여 스스로 전기를 발생시킬 수 있는 효과를 갖는다. According to the electrochemical energy harvester according to the embodiment of the present invention, ions are moved from the first electrode to the second electrode by the applied compressive force without supplying electricity from the outside, and voltage and current can be generated to generate electricity by itself. have an effect
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.On the other hand, the effects obtainable in the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned will be clearly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the following description. will be able
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초기 상태의 전기화학 기반 에너지 하베스터의 구성도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 압력이 인가된 상태의 전기화학 기반 에너지 하베스터의 구성도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 압력이 인가된 상태의, 제1전극 입자와 제2전극 입자의 가압상태와, Li+의 이동상태를 나타낸 모식도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 제2전극의 Si@TiO2의 제조공정을 나타낸 흐름도,
도 5는 도 4의 Si@TiO2의 제조공정의 각 단계에 대한 SEM(주사전자현미경) 이미지,
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 Si@TiO2의 TEM(투과전자현미경) 이미지,
도 7a는 초기상태에서 압력이 인가된 상태에서의 제1전극 입자와 제2전극입자와, 리튬 이온 양에 따른 전기전위 그래프,
도 7b는 압력이 유지되어 Li+이 이동되는 상태에서의, 제1전극 입자와 제2전극입자와, 리튬 이온 양에 따른 전기전위 그래프,
도 7c는 압력이 해제된 상태에서의, 제1전극 입자와 제2전극입자와, 리튬 이온 양에 따른 전기전위 그래프,
도 7d는 압력해제가 유지되는 평형상태에서의, 제1전극 입자와 제2전극입자와, 리튬 이온 양에 따른 전기전위 그래프,
도 8은 도 7a 내지 도 7d의 과정이 특정주기로 반복되는 상태에서, 쇼트회로에 흐르는 전류 그래프를 도시한 것이다. The following drawings attached to the present specification illustrate preferred embodiments of the present invention, and serve to further understand the technical spirit of the present invention together with the detailed description of the present invention, so that the present invention is limited only to the matters described in those drawings and should not be interpreted.
1 is a block diagram of an electrochemical-based energy harvester in an initial state according to an embodiment of the present invention;
2 is a block diagram of an electrochemical-based energy harvester in a state in which pressure is applied according to an embodiment of the present invention;
3 is a schematic diagram showing the pressurization state of the first electrode particles and the second electrode particles and the movement state of Li + in a state in which a pressure is applied according to an embodiment of the present invention;
4 is a flowchart showing a manufacturing process of Si@TiO 2 of the second electrode according to an embodiment of the present invention;
5 is a SEM (scanning electron microscope) image for each step of the manufacturing process of Si@TiO 2 of FIG. 4;
6 is a TEM (transmission electron microscope) image of Si@TiO 2 prepared according to an embodiment of the present invention;
7a is a graph of electric potential according to the amount of lithium ions and the first electrode particles and the second electrode particles in a state in which pressure is applied in the initial state;
7B is a graph of electric potential according to the amount of lithium ions and the first electrode particles and the second electrode particles in a state in which the pressure is maintained and Li + is moved;
7c is a graph of electric potential according to the amount of lithium ions and the first electrode particles and the second electrode particles in a state in which the pressure is released;
7d is a graph of electric potential according to the amount of lithium ions, the first electrode particles and the second electrode particles, in the equilibrium state in which the pressure release is maintained;
8 is a graph showing a current flowing in a short circuit in a state in which the process of FIGS. 7A to 7D is repeated at a specific cycle.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.The above objects, other objects, features and advantages of the present invention will be easily understood through the following preferred embodiments in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosed subject matter may be thorough and complete, and that the spirit of the present invention may be sufficiently conveyed to those skilled in the art.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.In this specification, when a component is referred to as being on another component, it means that it may be directly formed on the other component or a third component may be interposed therebetween. In addition, in the drawings, the thickness of the components is exaggerated for effective description of the technical content.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.Embodiments described herein will be described with reference to cross-sectional and/or plan views, which are ideal illustrative views of the present invention. In the drawings, thicknesses of films and regions are exaggerated for effective description of technical content. Accordingly, the shape of the illustrative drawing may be modified due to manufacturing technology and/or tolerance. Therefore, embodiments of the present invention are not limited to the specific form shown, but also include changes in the form generated according to the manufacturing process. For example, the region shown at right angles may be rounded or have a predetermined curvature. Accordingly, the regions illustrated in the drawings have properties, and the shapes of the illustrated regions in the drawings are intended to illustrate specific shapes of regions of the device and not to limit the scope of the invention. In various embodiments of the present specification, terms such as first, second, etc. are used to describe various components, but these components should not be limited by these terms. These terms are only used to distinguish one component from another. Embodiments described and illustrated herein also include complementary embodiments thereof.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terminology used herein is for the purpose of describing the embodiments and is not intended to limit the present invention. In this specification, the singular also includes the plural unless specifically stated otherwise in the phrase. As used herein, the terms 'comprises' and/or 'comprising' do not exclude the presence or addition of one or more other components.
아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.In describing the specific embodiments below, various specific contents have been prepared to more specifically describe the invention and help understanding. However, a reader having enough knowledge in this field to understand the present invention may recognize that it can be used without these various specific details. In some cases, it is mentioned in advance that parts that are commonly known and not largely related to the invention are not described in order to avoid confusion without any reason in describing the present invention.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 전기화학 기반 에너지 하베스터의 구성, 기능, 제조방법 및 그 작동원리에 대해 설명하도록 한다. Hereinafter, the configuration, function, manufacturing method and operating principle of the electrochemical-based energy harvester according to an embodiment of the present invention will be described.
먼저 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초기 상태의 전기화학 기반 에너지 하베스터의 구성도를 도시한 것이다. 또한, 도 2는 본 발명의 실시예에 따라 압력이 인가된 상태의 전기화학 기반 에너지 하베스터의 구성도를 도시한 것이다. First, FIG. 1 is a block diagram of an electrochemical-based energy harvester in an initial state according to an embodiment of the present invention. In addition, FIG. 2 is a block diagram of an electrochemical-based energy harvester in a state in which a pressure is applied according to an embodiment of the present invention.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전기화학 기반 에너지 하베스터(100)는 전체적으로, 하우징(10)과, 하우징(10) 내에 저장되는 전해액(11)과, 전해액(11)에 압력을 인가하기 위한 가압부재(20)와, 제1전극(30)과, 제2전극(40)과, 제1전극(30)과 제2전극(40)을 전기적으로 연결하는 쇼트회로(50) 등을 포함하여 구성될 수 있음을 알 수 있다. 1 and 2, the electrochemical-based
가압부재(20)는 하우징(10)의 개방단을 폐쇄하도록 구성되며, 외부의 힘에 의해 전해액(11)이 가압될 수 있도록 구성된다. 본 발명의 실시예에 따른 하우징(10)은 폴리프로필렌으로 구성될 수 있다. The pressing
그리고 제1전극(30)은 입자들로 구성되며, 각각의 입자는 제1이온합금소자(31)로 구성된다. 이러한 제1전극(30)의 제1이온합금소자(31)는 전해액(11) 내에 구비되며, 가압부재(20)에 의한 압력을 인가받아 이온이 탈리되게 된다. And the
본 발명의 실시예에 따른 제1전극(30)의 제1이온합금소자(31)는 LixSi로 구성된다. 후에 설명되는 바와 같이, 이러한 제1전극(30)을 구성하는 LixSi입자는 Si 나노입자를 슬러리화 한 후, 리튬치환반응을 진행하여 제조하게 된다. The first
그리고 제2전극(40)은, 전해액(11) 내에 구비되며, 제2이온합금소자(41)와, 변형방지층(42)을 포함하여 구성된다. 제2전극(40)은 요크쉘 구조를 갖는 입자들로 구성된다. 본 발명의 실시예에 따른 제2이온합금소자(41)는 제1이온합금소자(31)와 같이 LixSi로 구성된다. 그리고 이러한 제2이온합금소자(41)로는 제1전극(30)에서 탈리된 이온이 이동되게 된다. 또한, 변형방지층(42)은 가압부재(20)에 의한 압력이 제2이온합금소자(41)에 인가되지 않도록 구성된다. In addition, the
즉 제2전극(40)은 제1전극(30)에서 탈리된 Li+이 제2이온합금소자(41)로 이동되지만, 변형방지층(42)에 의해 제2이온합금소자(41)로 압력이 인가되지는 않도록 구성된다. That is, in the
따라서 제1전극(30)에서 제2전극(40)으로의 이온 이동에 의해 전력을 생산할 수 있게 된다. Accordingly, power can be generated by ion movement from the
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 압력이 인가된 상태의, 제1전극 입자와 제2전극 입자의 가압상태와, Li+의 이동상태를 나타낸 모식도를 도시한 것이다. 3 is a schematic diagram showing a pressurized state of the first electrode particles and the second electrode particles, and a movement state of Li + in a state in which a pressure is applied according to an embodiment of the present invention.
보다 구체적으로 제2전극(40)의 입자는 변형방지층(42)이 제2이온합금소자(41)의 외면과 특정간격 이격되어 감싸는 형태로 구성되어 요크쉘 구조를 갖게 된다. More specifically, the particles of the
본 발명의 실시예에 따른 제2이온합금소자(41)는 LixSi로 구성되며, 변형방지층(42)은 TiO2로 구성된다. 따라서 제2전극(40)은 LixSi@TiO2 요크쉘구조로 구성된다. The second
도 3에 도시된 바와 같이, 압력이 인가되면, 제1전극(30)의 입자 LixSi는 가압되게 되나, 제2전극(40)의 입자 LixSi@TiO2는 변형방지층(42)인 TiO2에 의해 제2전극 입자의 LixS(41)i에는 압력이 인가되지 않음을 알 수 있다. 그리고 압력인가가 지속되면, 제1전극(30) 입자 LixSi에서 Li+이 탈리되어 Li3 - xSi가 되고, 제1전극(30)에서 탈리된 Li+는 제2전극(40)의 제2이온합금소자(41인 LixSi로 이동되어 Li3 + xSi가 된다. As shown in FIG. 3 , when pressure is applied, the particles Li x Si of the
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 제2전극(40)의 Si@TiO2의 제조공정을 나타낸 흐름도를 도시한 것이다. 그리고 도 5는 도 4의 Si@TiO2의 제조공정의 각 단계에 대한 SEM(주사전자현미경) 이미지를 도시한 것이다. 4 is a flowchart illustrating a manufacturing process of Si@TiO 2 of the
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 제2전극 입자를 위한 요크쉘 구조의 Si@TiO2는 먼저, Si 나노입자를 준비한다. As shown in Figure 4, Si@TiO 2 of the yoke shell structure for the second electrode particle according to the embodiment of the present invention First, Si nanoparticles are prepared.
그리고 TEOS 코팅을 통해 Si 나노입자외면에 SiO2를 코팅하게 된다. 그리고 SiO2 코팅된 입자에 대해 TBOT코팅을 통해 그 외면으로 변형방지층인 TiO2를 코팅하게 된다. Then, SiO 2 is coated on the outer surface of the Si nanoparticles through TEOS coating. And TiO 2 as an anti-deformation layer is coated on the outer surface through TBOT coating on the SiO 2 coated particles.
그리고 마지막으로, TiO2와 Si 사이에 위치되는 SiO2만을 에칭하여 요크쉘 구조의 Si@TiO2를 제조하게 된다. 도 6은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 Si@TiO2의 TEM(투과전자현미경) 이미지를 도시한 것이다. And finally, Si@TiO 2 of the yoke shell structure is manufactured by etching only SiO 2 positioned between TiO 2 and Si. 6 shows a TEM (transmission electron microscope) image of Si@TiO 2 prepared according to an embodiment of the present invention.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 Si@TiO2는 Si와 TiO2 사이에 공극이 존재하는 요크쉘 구조를 가짐을 알 수 있다. As shown in FIG. 6 , Si@TiO 2 prepared according to an embodiment of the present invention has a yoke shell structure in which a void exists between Si and TiO 2 .
그리고 제1전극(30)을 구성하게 될 Si입자와, 제2전극(40)을 구성하게 될 Si@TiO2에 대하여 슬러리 공정을 진행하게 된다. In addition, a slurry process is performed on Si particles that will constitute the
본 발명의 실시예에서, 제1전극은 Si입자를 슬러리화하고, 리튬치환반응을 통해 LixSi를 제조하게 된다. 예를 들어, 0.05g 정도의 Si입자와, 0.1~0.3g 정도의 그라파이트와 카본, 그리고 1g 정도의 바인더(예를 들어 PCP) 그리고 1g 이하의 용제를 혼합하여 슬러리 공정을 진행하게 된다. 슬러리화가 완료되면, 약 10시간 정도 리튬치환반응 공정을 진행하여 LixSi를 제조하게 된다.In an embodiment of the present invention, the first electrode slurries Si particles and produces Li x Si through a lithium substitution reaction. For example, a slurry process is performed by mixing Si particles of about 0.05 g, graphite and carbon of about 0.1 to 0.3 g, a binder (eg, PCP) of about 1 g, and a solvent of 1 g or less. When the slurrying is completed, the lithium substitution reaction process is performed for about 10 hours to prepare Li x Si.
또한, 본 발명의 실시예에서, 제2전극은 Si@TiO2 입자를 슬러리화하고, 리튬치환반응을 통해 LixSi@TiO2를 제조하게 된다. 예를 들어, 0.05g 정도의 Si@TiO2 입자와, 0.1~0.3g 정도의 그라파이트와 카본, 그리고 1g 정도의 바인더(예를 들어 PCP) 그리고 0.97g 이하의 용제를 혼합하여 슬러리 공정을 진행하게 된다. 슬러리화가 완료되면, 약 10시간 정도 리튬치환반응 공정을 진행하여 LixSi@TiO2를 제조하게 된다.In addition, in an embodiment of the present invention, the second electrode slurries Si@TiO 2 particles, and Li x Si@TiO 2 is produced through a lithium substitution reaction. For example, about 0.05 g of Si@TiO 2 particles, about 0.1 to 0.3 g of graphite and carbon, about 1 g of a binder (eg PCP), and 0.97 g or less of a solvent are mixed to proceed with the slurry process. do. When the slurrying is completed, a lithium substitution reaction process is performed for about 10 hours to prepare Li x Si@TiO 2 .
이하에서는 앞서 언급한 본 발명의 실시예에 따른 전기화학 기반 에너지 하베스터의 작동원리에 대해 보다 하게 설명하도록 한다. Hereinafter, the operating principle of the electrochemical-based energy harvester according to the embodiment of the present invention will be described in more detail.
도 7a는 초기상태에서 압력이 인가된 상태에서의 제1전극 입자와 제2전극 입자와, 리튬 이온 양에 따른 전기전위 그래프를 도시한 것이다. 도 7b는 압력이 유지되어 Li+이 이동되는 상태에서의, 제1전극 입자와 제2전극입자와, 리튬 이온 양에 따른 전기전위 그래프를 도시한 것이다. 그리고 도 7c는 압력이 해제된 상태에서의, 제1전극 입자와 제2전극입자와, 리튬 이온 양에 따른 전기전위 그래프를 도시한 것이다. 또한, 도 7d는 압력해제가 유지되는 평형상태에서의, 제1전극 입자와 제2전극입자와, 리튬 이온 양에 따른 전기전위 그래프를 도시한 것이다. 7A is a graph showing an electric potential according to the amount of lithium ions and the first electrode particles and the second electrode particles in a state in which a pressure is applied in the initial state. 7B is a graph illustrating electric potential according to the amount of lithium ions and the first electrode particles and the second electrode particles in a state in which the pressure is maintained and Li+ is moved. And Figure 7c is a graph showing the electric potential according to the amount of the first electrode particles, the second electrode particles, and lithium ions in a state in which the pressure is released. In addition, FIG. 7D is a graph showing the electric potential according to the amount of lithium ions and the first electrode particles, the second electrode particles, in the equilibrium state in which the pressure release is maintained.
도 7a 내지 도 7d에서 제1전극(30) 입자는 Part B, 제2전극(40) 입자는 Part A로 표시하였다. 7A to 7D, the particles of the
도 7a 내지 도 7d에 도시된 그래프는 압력이 인가되지 않은 상태에서의 리튬 이온 양에 대한 전기전위 곡선과, 압력이 인가되은 상태에서의 리튬 이온 양에 대한 전기전위 곡선 상에 제1전극(30, Part B) 입자와 제2전극(40, Part A) 입자의 위치를 나타낸 것이다. The graphs shown in FIGS. 7A to 7D show the electric potential curve for the amount of lithium ions in a state where no pressure is applied and the electric potential curve for the amount of lithium ions in the state where the pressure is applied on the
초기에서 압력이 인가되게 되면 도 7a에 도시된 바와 같이, 제1전극 입자들(Part B, LixSi NPs)에는 압력이 인가되나, 제2전극 입자(Part B)의 변형방지층 내부에 구비되는 LixSi에는 압력이 인가되지 않는다. When pressure is initially applied, as shown in FIG. 7A , pressure is applied to the first electrode particles (Part B, Li x Si NPs), but is provided inside the deformation prevention layer of the second electrode particles (Part B). No pressure is applied to Li x Si.
따라서 제2전극(40) 입자는 A 상태를 유지하나, 제1전극(30) 입자는 압력이 인가된 B`상태로 변화되며, 그래프 상에서 제2전극(40) 입자는 변화가 없으나 제1전극(30) 입자는 가압곡선 상으로 이동(B`)되어 전기변위가 낮아지게 됨을 알 수 있다. Therefore, the particles of the
그리고 압력이 특정시간 동안 유지되면 도 7b에 도시된 바와 같이, 제1전극(30) 입자의 Li+은 탈리되어 Lix - ySi가 되고, 이러한 탈리된 Li+는 제2전극(40) 입자로 이동되어 Lix + ySi가 됨을 알 수 있다. And when the pressure is maintained for a specific time, as shown in FIG. 7B , Li+ of the particles of the
따라서 제1전극(30) 입자는 Li+이 탈리되어 가압곡선 상에서 B``상태로 변화되고, 제2전극(40) 입자는 No stress 곡선 상에서 Li+가 이동되어 A`상태로 변화됨을 알 수 있다. Accordingly, it can be seen that the particles of the
그리고 압력이 해제되면 도 7c에 도시된 바와 같이, 제1전극(30) 입자에 대한 압력이 해제되어 가압곡선 상에서 No stress 곡선 상으로 이동(B```)되어 전기 변위가 증가되고, 제2전극(40) 입자는 A`상태를 유지하게 된다. And when the pressure is released, as shown in FIG. 7c , the pressure on the particles of the
그리고 압력 해제가 유지되는 평형 상태에서는 도 7d에 도시된 바와 같이, 제2전극(40)에서 Li+가 탈리되어 Lix + ySi에서 LixSi로 복귀되고, 탈리된 리튬이온은 제1전극(30)으로 이동되어 Lix-ySi에서 LixSi로 복귀되게 됨을 알 수 있다. And it is returned in the equilibrium state in which the pressure relief maintained as shown in Figure 7d, the Li + in the
따라서 제2전극(40) 입자는 No stress 곡선상에서 A 상태로 변화되고, 제1전극(30) 입자는 No stress 곡선상에서 B 상태로 변화되면서 초기상태로 복귀되게 된다. Accordingly, the particles of the
도 8은 도 7a 내지 도 7d의 과정이 특정주기로 반복되는 상태에서, 쇼트회로(50)에 흐르는 전류 그래프를 도시한 것이다. 즉 30초 동안 가압상태를 유지하고, 그 후 가압을 해제한 상태로 30초를 유지하면서 이러한 과정을 반복하였을 대의 전류 그래프를 도시한 것이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 주기마다 반복되는 동일한 전류 그래프를 획득하여 반복성이 우수한 에너지 하베스터로서 작동될 수 있음을 알 수 있다. 8 is a graph showing a current flowing through the
또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.In addition, in the apparatus and method described above, the configuration and method of the above-described embodiments are not limitedly applicable, but all or part of each embodiment is selectively combined so that various modifications can be made to the embodiments. may be configured.
10:하우징
11:전해액
20:가압부재
30:제1전극
31:제1이온합금소자
40:제2전극
41:제2이온합금소자
42:변형방지층
50:쇼트회로
100:전기화학 기반 에너지 하베스터10: housing
11: Electrolyte
20: pressure member
30: first electrode
31: first ion alloy element
40: second electrode
41: second ion alloy element
42: deformation prevention layer
50: short circuit
100: electrochemical based energy harvester
Claims (13)
상기 하우징 내에 저장되는 전해액;
상기 전해액에 압력을 인가하기 위한 가압부재;
상기 전해액 내에 구비되며, 상기 가압부재에 의한 압력을 인가받아 이온이 탈리되는 제1이온합금소자로 구성된 제1전극; 및
상기 전해액 내에 구비되며, 상기 제1전극에서 탈리된 이온이 이동되는 제2이온합금소자와, 상기 가압부재에 의한 압력이 상기 제2이온합금소자에 인가되지 않도록 보호하는 변형방지층을 갖는 제2전극;을 포함하고, 상기 제2전극은, 상기 변형방지층이 상기 제2이온합금소자의 외면과 특정간격 이격되어 감싸는 형태로 구성되어 요크쉘 구조를 가지며,
가압부재를 통해 전해액에 압력을 인가하면, 제1전극은 압력을 인가받아 이온이 탈리되며, 변형방지층이 감싸는 형태로 구성된 요크쉘 구조의 제2전극은 상기 가압부재에 의한 압력이 상기 변형방지층에 의해 상기 제2이온합금소자에 인가되지 않도록 보호하면서, 상기 제1전극에서 탈리된 이온이 제2이온합금소자로 이동되고, 상기 제1전극에서 제2전극으로의 이온 이동에 의해 전력을 생산되며, 상기 가압부재에 의한 압력인가 유지시간에 따라 전류의 지속시간을 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 전기화학 기반 에너지 하베스터.
housing;
an electrolyte stored in the housing;
a pressing member for applying pressure to the electrolyte;
a first electrode provided in the electrolyte solution and comprising a first ion alloy element from which ions are desorbed by being applied with pressure by the pressing member; and
A second electrode that is provided in the electrolyte and has a second ion alloy element through which ions desorbed from the first electrode move, and a deformation prevention layer that protects the pressure by the pressing member from being applied to the second ion alloy element. including; and, the second electrode has a yoke-shell structure in which the anti-deformation layer is surrounded by a specific distance from the outer surface of the second ion alloy element,
When a pressure is applied to the electrolyte through the pressure member, the first electrode is subjected to pressure and the ions are desorbed, and the second electrode of the yoke shell structure configured in the form that the deformation prevention layer is wrapped is the pressure by the pressure member on the deformation prevention layer. while protecting it from being applied to the second ion alloy element by the , Electrochemical-based energy harvester, characterized in that it is possible to adjust the duration of the current according to the pressure application and holding time by the pressing member.
상기 제1이온합금소자와 상기 제2이온합금소자는 LixSi로 구성되며,
상기 변형방지층은 TiO2로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기화학 기반 에너지 하베스터.
The method of claim 1,
The first ion alloy element and the second ion alloy element are composed of Li x Si,
The strain prevention layer is an electrochemical-based energy harvester, characterized in that composed of TiO 2.
상기 제1전극과 상기 제2전극은 슬러리 기반 전극으로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기화학 기반 에너지 하베스터.
4. The method of claim 3,
The first electrode and the second electrode are electrochemical-based energy harvesters, characterized in that composed of a slurry-based electrode.
상기 제1전극과 제2전극을 연결하는 쇼트회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 기반 에너지 하베스터.
The method of claim 1,
Electrochemical-based energy harvester further comprising a short circuit connecting the first electrode and the second electrode.
상기 제2전극은 Si입자 표면에 SiO2를 형성시킨 후, SiO2 외면에 TiO2를 코팅하고, 상기 SiO2 부분을 에칭하여 요크쉘 구조의 Si@TiO2가 제조되는 것을 특징으로 하는 전기화학 기반 에너지 하베스터.
5. The method of claim 4,
The second electrode forms SiO 2 on the surface of Si particles, then SiO 2 is coated with TiO 2 on the outer surface, and the SiO 2 portion is etched to produce Si@TiO 2 having a yoke shell structure. Electrochemistry, characterized in that based energy harvester.
상기 제2전극은 상기 Si@TiO2를 슬러리화하고, 리튬치환반응을 통해 제조되는 것을 특징으로 하는 전기화학 기반 에너지 하베스터.
7. The method of claim 6,
The second electrode is an electrochemical-based energy harvester, characterized in that produced by slurrying the Si@TiO 2 and a lithium substitution reaction.
제 1항 및 제 3항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 따른 전기화학 기반 에너지 하베스터를 제작하는 단계;
가압부재를 통해 전해액에 압력을 인가하는 단계;
전해액 내에 구비된 제1이온합금소자로 구성된 제1전극이, 압력을 인가받아 이온이 탈리되는 단계;
상기 전해액 내에 구비된, 제2이온합금소자와 상기 제2이온합금소자의 외면과 특정간격 이격된 변형방지층이 감싸는 형태로 구성되어 요크쉘 구조의 제2전극에서, 상기 가압부재에 의한 압력은 상기 변형방지층에 의해 상기 제2이온합금소자에 인가되지 않도록 보호하면서, 상기 제1전극에서 탈리된 이온이 제2이온합금소자로 이동되는 단계; 및
상기 제1전극에서 제2전극으로의 이온 이동에 의해 전력을 생산되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 기반 에너지 하베스터의 작동방법.
A method of operating an energy harvester, comprising:
8. A method comprising: fabricating an electrochemical-based energy harvester according to any one of claims 1 to 7;
applying a pressure to the electrolyte through the pressing member;
A first electrode comprising a first ion alloy element provided in the electrolyte, the step of desorbing the ions when the pressure is applied;
In the second electrode of the yoke shell structure provided in the electrolyte, the second ion alloy element and the deformation preventing layer spaced apart from the outer surface of the second ion alloy element by a specific distance are wrapped around the second electrode, the pressure by the pressing member is the moving ions desorbed from the first electrode to a second ion alloy device while protecting the second ion alloy device from being applied to the second ion alloy device by a deformation prevention layer; and
and generating electric power by moving ions from the first electrode to the second electrode.
가압부재에 의한 압력 인가는, 특정시간동안 압력을 유지하는 단계와, 특정기간동안 압력을 해제하는 단계를 반복하는 것을 특징으로 하는 전기화학 기반 에너지 하베스터의 작동방법.
9. The method of claim 8,
The method of operating an electrochemical-based energy harvester, characterized in that the application of pressure by the pressing member repeats the steps of maintaining the pressure for a specific time and releasing the pressure for a specific time.
제1이온합금소자로 구성된 제1전극을 제조하고, 제2이온합금소자와 상기 제2이온합금소자의 외면에 특정간격 이격되도록 감싸는 변형방지층을 갖는 요크쉘 구조의 제2전극을 제조하는 단계;
하우징 내에 저장된 전해액에 상기 제1전극과 제2전극을 침지시키고, 쇼트회로를 통해 상기 제1전극과 제2전극을 연결하는 단계; 및
상기 하우징의 개방단을 폐쇄하고 상기 전해액에 압력을 인가하기 위한 가압부재를 설치하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 기반 에너지 하베스터의 제조방법.
The method for manufacturing an electrochemical-based energy harvester according to any one of claims 1 and 3 to 7,
manufacturing a first electrode composed of a first ion alloy element, and manufacturing a second electrode having a yoke shell structure having a deformation preventing layer surrounding the second ion alloy element and an outer surface of the second ion alloy element to be spaced apart from each other at a specific distance;
immersing the first electrode and the second electrode in the electrolyte stored in the housing, and connecting the first electrode and the second electrode through a short circuit; and
and closing the open end of the housing and installing a pressing member for applying pressure to the electrolyte.
상기 제1전극을 제조하는 단계는,
Si입자는 준비하는 단계;
상기 Si입자를 슬러리화하는 단계; 및
상기 슬러리화된 Si에 리튬치환반응 공정을 진행하여, 슬러리 기반 LixSi로 구성된 제1전극을 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 기반 에너지 하베스터의 제조방법.
11. The method of claim 10,
The manufacturing of the first electrode comprises:
Si particles are prepared;
slurrying the Si particles; and
A method of manufacturing an electrochemical-based energy harvester comprising: performing a lithium substitution reaction process on the slurried Si to prepare a first electrode composed of a slurry-based Li x Si.
상기 제2전극의 제조하는 단계는,
Si입자를 준비하는 제1단계;
상기 Si입자 표면에 SiO2를 형성시키는 제2단계;
상기 SiO2 외면에 TiO2를 코팅하는 제3단계; 및
상기 SiO2 부분을 에칭하여 요크쉘 구조의 Si@TiO2가 제조되는 제4단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 기반 에너지 하베스터의 제조방법.
12. The method of claim 11,
The manufacturing of the second electrode comprises:
A first step of preparing Si particles;
A second step of forming SiO 2 on the surface of the Si particles;
A third step of coating TiO 2 on the SiO 2 outer surface; and
A fourth step of manufacturing Si@TiO 2 having a yoke shell structure by etching the SiO 2 portion;
상기 제4단계 후에,
상기 Si@TiO2를 슬러리화하는 제5단계; 및
상기 슬러리화된 Si@TiO2에 리튬치환반응 공정을 진행하여, 슬러리 기반 LixSi@TiO2로 구성된 제2전극을 제조하는 제6단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 기반 에너지 하베스터의 제조방법.13. The method of claim 12,
After the fourth step,
A fifth step of slurrying the Si@TiO 2 ; and
Proceeds lithium substitution reaction step in the above slurry Si @ TiO 2, the slurry-based Li x Si @ a sixth step of producing a second electrode consisting of TiO 2; the electrochemical-based energy harvester comprising a manufacturing method.
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| KR1020190168850A KR102349782B1 (en) | 2019-12-17 | 2019-12-17 | Energy Harvester based on Electrochemical |
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