KR102590023B1 - Secondary battery for reducing desalination energy consumption - Google Patents
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Abstract
본 발명은 에너지 소모량 감소를 위한 이차 전지에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 소모량 감소를 위한 이차 전지는, 유기 전해질에 함침되는 애노드(anode)를 포함하는 음극부; 상기 음극부의 일측에 결합하며, 염수(brine)가 주입되는 탈염부; 상기 탈염부의 일측에 결합하며, 수계 레독스(redox) 용액에 함침되는 제1 캐소드(cathode)를 포함하는 제1 양극부; 상기 음극부의 타측에 결합하며, 염수가 주입되는 농축수부; 및 상기 농축수부의 일측에 결합하며, 상기 수계 레독스 용액에 함침되는 제2 캐소드를 포함하는 제2 양극부;를 포함할 수 있다. The present invention relates to a secondary battery for reducing energy consumption. A secondary battery for reducing energy consumption according to an embodiment of the present invention includes a cathode portion including an anode impregnated with an organic electrolyte; A desalination section coupled to one side of the cathode section and into which brine is injected; A first anode unit coupled to one side of the desalting unit and including a first cathode impregnated with an aqueous redox solution; A concentrated water portion coupled to the other side of the cathode portion and into which salt water is injected; and a second anode unit coupled to one side of the concentrated water unit and including a second cathode impregnated with the aqueous redox solution.
Description
본 발명은 담수화 에너지 소모량 감소를 위한 이차 전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 담수화 에너지 소모량 감소를 위한 수계 레독스(redox) 용액을 이용하는 이차 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a secondary battery for reducing desalination energy consumption, and more specifically, to a secondary battery using an aqueous redox solution to reduce desalination energy consumption.
담수화의 에너지 효율을 높이기 위해 담수화 전지가 개발되어 왔다.Desalination batteries have been developed to increase the energy efficiency of desalination.
그 중 음이온 교환막을 활용하는 해수전지 담수화 기술은 다른 담수화 전지 기술(<1.25 V, <78 Wh/kg전극) 에 비해 높은 이론 전압 (3.46 V)과 높은 에너지 밀도(4010 Wh/kg전극)를 가지고 있다.Among them, seawater battery desalination technology using an anion exchange membrane has a higher theoretical voltage (3.46 V) and higher energy density (4010 Wh/kg electrode) than other desalination battery technologies (<1.25 V, <78 Wh/kg electrode). there is.
때문에 해수전지 담수화 기술은 다른 담수 전지 기술(136 mg/g전극)에 비해 담수화 전지 시스템 크기 당 더 많은 염(~2520 mg/g전극)을 처리할 수 있음. Therefore, seawater cell desalination technology can process more salt (~2520 mg/g electrode) per desalination cell system size compared to other desalination cell technologies (136 mg/g electrode).
하지만 해수전지 담수화 기술은 양극반응으로 해수의 물 분해를 통한 속도가 매우 느린 산소발생반응(oxygen evolution reaction, OER)과 산소 환원반응(oxygen reduction reaction, ORR)을 각각 충전과 방전 시 사용하고 있다. 따라서 동일 전류 대비 충방전 전압 효율(담수 생산 간 필요 에너지)이 매우 낮은 문제가 있다.However, seawater battery desalination technology uses the very slow oxygen evolution reaction (OER) and oxygen reduction reaction (ORR) through the decomposition of water in seawater through an anode reaction for charging and discharging, respectively. Therefore, there is a problem that the charging and discharging voltage efficiency (energy required for fresh water production) is very low compared to the same current.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 에너지 소모량 감소를 위한 이차 전지를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.The present invention was created to solve the above-mentioned problems, and its purpose is to provide a secondary battery for reducing energy consumption.
또한, 본 발명은 염수의 OER/ORR을 대체할 수 있는 양극 반응을 위한 양극 용액을 사용하는 이차 전지를 제공하는 것을 그 목적으로 한다. Additionally, the purpose of the present invention is to provide a secondary battery using a positive electrode solution for a positive electrode reaction that can replace the OER/ORR of brine.
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 objects mentioned above, and other objects not mentioned can be clearly understood from the description below.
상기한 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 소모량 감소를 위한 이차 전지는, 유기 전해질에 함침되는 애노드(anode)를 포함하는 음극부; 상기 음극부의 일측에 결합하며, 염수(brine)가 주입되는 탈염부; 상기 탈염부의 일측에 결합하며, 수계 레독스(redox) 용액에 함침되는 제1 캐소드(cathode)를 포함하는 제1 양극부; 상기 음극부의 타측에 결합하며, 염수가 주입되는 농축수부; 및 상기 농축수부의 일측에 결합하며, 상기 수계 레독스 용액에 함침되는 제2 캐소드를 포함하는 제2 양극부;를 포함할 수 있다. In order to achieve the above objectives, a secondary battery for reducing energy consumption according to an embodiment of the present invention includes a cathode portion including an anode impregnated with an organic electrolyte; A desalination section coupled to one side of the cathode section and into which brine is injected; A first anode unit coupled to one side of the desalting unit and including a first cathode impregnated with an aqueous redox solution; A concentrated water portion coupled to the other side of the cathode portion and into which salt water is injected; and a second anode unit coupled to one side of the concentrated water unit and including a second cathode impregnated with the aqueous redox solution.
실시예에서, 상기 수계 레독스 용액은, 상기 수계 레독스 용액 내의 물(water)에서 충전 시 산소가 발생되지 않고, 방전 시 수소가 발생되지 않는 포텐셜(potential)을 갖는 양극 전해질을 포함할 수 있다. In an embodiment, the aqueous redox solution may include a positive electrolyte having a potential such that oxygen is not generated when charging and hydrogen is not generated when discharging from water in the aqueous redox solution. .
실시예에서, 상기 담수화 에너지 소모량 감소를 위한 이차 전지는, 상기 음극부와 상기 탈염부 사이에 위치하고, 상기 탈염부로부터 상기 음극부로 나트륨 이온을 통과시키는 제1 고체 전해질; 및 상기 제1 양극부와 상기 탈염부 사이에 위치하고, 상기 탈염부로부터 상기 제1 양극부로 염소 이온을 통과시키는 제1 음이온 교환막;을 더 포함할 수 있다. In an embodiment, the secondary battery for reducing desalination energy consumption includes: a first solid electrolyte located between the cathode portion and the desalting portion and allowing sodium ions to pass from the desalting portion to the cathode portion; and a first anion exchange membrane located between the first anode unit and the desalting unit and allowing chlorine ions to pass from the desalting unit to the first anode unit.
실시예에서, 상기 담수화 에너지 소모량 감소를 위한 이차 전지는, 상기 음극부와 상기 농축수부 사이에 위치하고, 상기 음극부로부터 상기 농축수부로 나트륨 이온을 통과시키는 제2 고체 전해질; 및 상기 제2 양극부와 상기 농축수부 사이에 위치하고, 상기 제2 양극부로부터 상기 농축수부로 염소 이온을 통과시키는 제2 음이온 교환막;을 더 포함할 수 있다. In an embodiment, the secondary battery for reducing desalination energy consumption includes: a second solid electrolyte located between the cathode portion and the concentrated water portion and allowing sodium ions to pass from the cathode portion to the concentrated water portion; and a second anion exchange membrane located between the second anode unit and the concentrated water unit and allowing chlorine ions to pass from the second anode unit to the concentrated water unit.
실시예에서, 상기 제1 양극부는, 충전 시 사용된 수계 레독스 용액을 상기 제2 양극부로 전달하기 위한 제1 배출부와 상기 방전 시 사용된 수계 레독스 용액을 상기 제2 양극부로부터 전달 받기 위한 제1 주입부를 포함하고, 상기 제2 양극부는, 상기 충전 시 사용된 수계 레독스 용액을 상기 제1 양극부로부터 전달 받기 위한 제2 주입부와 상기 방전 시 사용된 수계 레독스 용액을 상기 제1 양극부로 전달하기 위한 제2 배출부를 포함할 수 있다. In an embodiment, the first anode unit includes a first discharge unit for delivering the aqueous redox solution used during charging to the second anode unit and a first discharge unit for receiving the aqueous redox solution used during discharging from the second anode unit. It includes a first injector for receiving the aqueous redox solution used during the charge, and a second injector for receiving the aqueous redox solution used during the discharge from the first anode part. 1 It may include a second discharge unit for delivering to the anode unit.
실시예에서, 상기 담수화 에너지 소모량 감소를 위한 이차 전지는, 상기 제1 음이온 교환막과 제1 고체 전해질 사이에, 교차로 배치된 적어도 하나의 제3 음이온 교환막과 적어도 하나의 제3 양이온 교환막;을 더 포함할 수 있다. In an embodiment, the secondary battery for reducing desalination energy consumption further includes at least one third anion exchange membrane and at least one third cation exchange membrane arranged alternately between the first anion exchange membrane and the first solid electrolyte. can do.
실시예에서, 상기 담수화 에너지 소모량 감소를 위한 이차 전지는, 상기 제2 음이온 교환막과 제2 고체 전해질 사이에, 교차로 배치된 적어도 하나의 제4 음이온 교환막과 적어도 하나의 제4 양이온 교환막;을 더 포함할 수 있다. In an embodiment, the secondary battery for reducing desalination energy consumption further includes at least one fourth anion exchange membrane and at least one fourth cation exchange membrane arranged alternately between the second anion exchange membrane and the second solid electrolyte. can do.
상기한 목적들을 달성하기 위한 구체적인 사항들은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술될 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.Specific details for achieving the above objectives will become clear by referring to the embodiments described in detail below along with the attached 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, and may be configured in various different forms. In order to ensure that the disclosure of the present invention is complete, those skilled in the art ( It is provided to fully inform those skilled in the art of the invention of the scope of the invention.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 양극 반응을 더 빠른 레독스(Redox) 반응으로 대체함에 따라 높은 충방전 전압 효율을 도출하여, 담수 생산간 필요 에너지를 최소화 할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, by replacing the anode reaction with a faster redox reaction, high charge and discharge voltage efficiency can be achieved, thereby minimizing the energy required for fresh water production.
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 effects described above, and potential effects expected by the technical features of the present invention can be clearly understood from the description below.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 담수화 에너지 소모량 감소를 위한 이차 전지를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수계 레독스 전해질 후보군을 도시한 도면이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 충방전 전압 성능 그래프를 도시한 도면이다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 후 탈염부의 염 농도 그래프를 도시한 도면이다.
도 4a 및 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 스택형 충전부를 도시한 도면이다.
도 5a 및 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 스택형 방전부를 도시한 도면이다.Figure 1 is a diagram illustrating a secondary battery for reducing desalination energy consumption according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a diagram showing a group of aqueous redox electrolyte candidates according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3A is a diagram showing a graph of charge/discharge voltage performance according to an embodiment of the present invention.
Figure 3b is a diagram showing a salt concentration graph of the desalting unit after charging according to an embodiment of the present invention.
4A and 4B are diagrams illustrating a stacked charging unit of a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
5A and 5B are diagrams illustrating a stacked discharge unit of a secondary 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. Since the present invention can be subject to various changes and can have various embodiments, specific embodiments will be 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.The various features of the invention disclosed in the claims may be better understood by consideration of the drawings and detailed description. The apparatus, method, manufacturing method, and various embodiments disclosed in the specification are provided for illustrative purposes. The disclosed structural and functional features are intended to enable those skilled in the art to specifically implement various embodiments, and are not intended to limit the scope of the invention. The disclosed terms and sentences are intended to easily explain 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 related known technology may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 담수화 에너지 소모량 감소를 위한 이차 전지를 설명한다. Hereinafter, a secondary battery for reducing desalination energy consumption according to an embodiment of the present invention will be described.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 담수화 에너지 소모량 감소를 위한 이차 전지(100)를 도시한 도면이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수계 레독스 전해질 후보군을 도시한 도면이다.Figure 1 is a diagram illustrating a secondary battery 100 for reducing desalination energy consumption according to an embodiment of the present invention. Figure 2 is a diagram showing a group of aqueous redox electrolyte candidates according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참고하면, 담수화 에너지 소모량 감소를 위한 이차 전지(100)는, 제1 양극부(110), 탈염부(120), 음극부(130), 농축수부(140) 및 제2 양극부(150)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 1, the secondary battery 100 for reducing desalination energy consumption includes a first anode unit 110, a desalination unit 120, a cathode unit 130, a concentrated water unit 140, and a second anode unit ( 150) may be included.
음극부(130)는 유기 전해질에 함침되는 애노드(anode)(136)를 포함할 수 있다. The cathode portion 130 may include an anode 136 impregnated with an organic electrolyte.
예를 들어, 애노드(136)는 하드 카본(Hard Carbon), Na 층간 삽입 전극 및 Na 금속을 포함할 수 있다. For example, the anode 136 may include hard carbon, a Na intercalation electrode, and Na metal.
제1 고체 전해질(125)은 음극부(130)와 탈염부(120) 사이에 위치하고, 탈염부(120)로부터 음극부(130)로 나트륨 이온을 통과시킬 수 있다. The first solid electrolyte 125 is located between the cathode section 130 and the desalting section 120 and can pass sodium ions from the desalting section 120 to the cathode section 130.
예를 들어, 제1 고체 전해질(125)은 NASICON(natrium super ionic conductor)을 포함할 수 있다. For example, the first solid electrolyte 125 may include a natrium super ionic conductor (NASICON).
탈염부(120)는 음극부(130)의 일측에 결합하며 염수(brine)가 주입될 수 있다. 예를 들어, 염수는 해수(seawater), 기수 및 농축수를 포함할 수 있다. The desalination unit 120 is coupled to one side of the cathode unit 130 and brine can be injected. For example, brackish water may include seawater, brackish water, and concentrated water.
일 실시예에서, 탈염부(120)는 염수가 유입되는 유입부(122)와 충전 반응을 통해 염수로부터 생성된 담수를 배출시키는 배출부(124)를 포함할 수 있다. In one embodiment, the desalination unit 120 may include an inlet 122 through which salt water flows in, and an outlet 124 through which fresh water generated from salt water through a charging reaction is discharged.
제1 음이온 교환막(Anion Exchange Membrane, AEM)(115)은 제1 양극부(110)와 탈염부(120) 사이에 위치하고, 탈염부(120)로부터 제1 양극부(110)로 염소 이온을 통과시킬 수 있다. The first anion exchange membrane (AEM) 115 is located between the first anode section 110 and the desalting section 120, and allows chlorine ions to pass from the desalting section 120 to the first anode section 110. You can do it.
제1 양극부(110)는 탈염부(120)의 일측에 결합하며, 수계 레독스(redox) 용액에 함침되는 제1 캐소드(cathode)(116)를 포함할 수 있다. The first anode unit 110 is coupled to one side of the desalination unit 120 and may include a first cathode 116 that is impregnated with an aqueous redox solution.
예를 들어, 제1 캐소드(116)는 집전체 전극으로, 탄소(펠트, 천 등) 전극, 금속(Pt, Ti 등) 메쉬, 봉 전극 여러 가지 전기화학적으로 안정한 전도체를 포함할 수 있다.For example, the first cathode 116 is a current collector electrode and may include various electrochemically stable conductors such as carbon (felt, cloth, etc.) electrodes, metal (Pt, Ti, etc.) mesh, and rod electrodes.
일 실시예에서, 수계 레독스 용액은 수계 레독스 용액 내의 물(water)에서 충전 시 산소가 발생되지 않고, 방전 시 수소가 발생되지 않는 포텐셜(potential)을 갖는 양극 전해질을 포함할 수 있다. In one embodiment, the aqueous redox solution may include a positive electrolyte having a potential such that oxygen is not generated when charging and hydrogen is not generated when discharging from water in the aqueous redox solution.
일 실시예에서, 수계 레독스 용액은 충전 시 OER(oxygen evolution reaction)보다 낮은 포텐셜을 갖고, 방전 시 HER(hydrogen evolution reaction)보다 높은 포텐셜을 갖는 양극 전해질을 포함할 수 있다. In one embodiment, the aqueous redox solution may include a positive electrode electrolyte that has a potential lower than the oxygen evolution reaction (OER) during charging and a higher potential than the hydrogen evolution reaction (HER) during discharging.
예를 들어, 도 2를 참고하면, 수계 레독스 용액은, Na4[Fe(CN)6], FeCl2/FeCl3, Br-/Br2-, Cu+/Cu2+, RuO42-/RuO4 -, TEMPO/oxoammonium, Mn[(CN)6]4-/ Mn[(CN)6]3- 등의 수계 레독스 용액을 포함할 수 있다. 또한, 흐름(flow) CDI(capacitive deionization) 전극(탄화 분말 등)이 사용될 수 있다. For example, referring to Figure 2, the aqueous redox solution is Na 4 [Fe(CN) 6 ], FeCl 2 /FeCl 3 , Br - /Br 2 - , Cu + /Cu 2+ , RuO4 2- /RuO 4 - , It may include aqueous redox solutions such as TEMPO/oxoammonium, Mn[(CN)6] 4- / Mn[(CN)6] 3- . Additionally, flow CDI (capacitive deionization) electrodes (carbonized powder, etc.) may be used.
농축수부(140)는 음극부(130)의 타측에 결합하며 염수가 주입될 수 있다.The concentrated water unit 140 is coupled to the other side of the cathode unit 130 and saline water can be injected.
일 실시예에서, 농축수부(140)는 염수가 유입되는 유입부(142)와 방전 반을 통해 염수로부터 생성된 농축 염수를 배출시키는 배출부(144)를 포함할 수 있다. In one embodiment, the concentrated water unit 140 may include an inlet 142 through which salt water flows in, and an outlet 144 through which the concentrated brine generated from the salt water is discharged through the discharge half.
제2 고체 전해질(135)은 음극부(130)와 농축수부(140) 사이에 위치하고 음극부(130)로부터 농축수부(140)로 나트륨 이온을 통과시킬 수 있다. 예를 들어, 제2 고체 전해질(135)은 NASICON을 포함할 수 있다. The second solid electrolyte 135 is located between the cathode unit 130 and the concentrated water unit 140 and can pass sodium ions from the cathode unit 130 to the concentrated water unit 140. For example, the second solid electrolyte 135 may include NASICON.
제2 양극부(150)는 농축수부(140)의 일측에 결합하며, 수계 레독스 용액에 함침되는 제2 캐소드(156)를 포함할 수 있다. The second anode unit 150 is coupled to one side of the concentrated water unit 140 and may include a second cathode 156 that is impregnated with an aqueous redox solution.
제2 음이온 교환막(145)은 제2 양극부(150)와 농축수부(140) 사이에 위치하고, 제2 양극부(150)로부터 농축수부(140)로 염소 이온을 통과시킬 수 있다. The second anion exchange membrane 145 is located between the second anode unit 150 and the concentrated water unit 140 and can pass chlorine ions from the second anode unit 150 to the concentrated water unit 140.
일 실시예에서, 수계 레독스 용액은 제1 양극부(110)와 제2 양극부(150)로 순환될 수 있다. In one embodiment, the aqueous redox solution may be circulated to the first anode unit 110 and the second anode unit 150.
일 실시예에서, 제1 양극부(110)는 충전 시 사용된 수계 레독스 용액을 제2 양극부(150)로 전달하기 위한 제1 배출부(112)와 방전 시 사용된 수계 레독스 용액을 제2 양극부(150)로부터 전달 받기 위한 제1 주입부(114)를 포함할 수 있다. In one embodiment, the first anode unit 110 has a first discharge unit 112 for transferring the aqueous redox solution used during charging to the second anode unit 150 and a water-based redox solution used during discharging. It may include a first injection unit 114 to receive delivery from the second anode unit 150.
또한, 제2 양극부(150)는 충전 시 사용된 수계 레독스 용액을 제1 양극부(110)로부터 전달 받기 위한 제2 주입부(152)와 방전 시 사용된 수계 레독스 용액을 제1 양극부(110)로 전달하기 위한 제2 배출부(154)를 포함할 수 있다.In addition, the second anode unit 150 has a second injection unit 152 for receiving the aqueous redox solution used during charging from the first anode unit 110, and a second injection unit 152 for receiving the aqueous redox solution used during discharging from the first anode unit 110. It may include a second discharge unit 154 for delivering to the unit 110.
일 실시예에서, 이차 전지(100)의 충전 반응 시 제1 양극부(110)와 음극부(130)에서의 반응은 각각 하기 <화학식 1> 및 <화학식 2>와 같이 나타내고, 방전 반응 시 제2 양극부(150)과 음극부(130)에서의 반응은 각각 하기 <화학식 3> 및 <화학식 4>와 같이 나타낼 수 있다. In one embodiment, during the charging reaction of the secondary battery 100, the reactions in the first anode part 110 and the cathode part 130 are respectively represented as <Formula 1> and <Formula 2> below, and during the discharge reaction, 2 The reactions in the anode part 150 and the cathode part 130 can be expressed as <Formula 3> and <Formula 4> below, respectively.
이러한 순환을 통해, 충전(방전) 간 산화(환원)된 Na3Fe(CN)6와 Na4Fe(CN)6를 다시 방전(충전) 간 환원(산화)하여 용액을 가역적으로 사용할 수 있도록 다시 재생 가능하게 할 수 있다. Through this cycle, Na 3 Fe(CN) 6 and Na 4 Fe(CN) 6 that were oxidized (reduced) between charging (discharging) are reduced (oxidized) between discharging (charging) again so that the solution can be used reversibly. It can be made renewable.
또한, 탈염부(120)와 농축수부(140)를 구분되게 사용하여, 충전과 방전 간에 염수 교환 과정 없이 각 격실에서 담수와 농축수 생산이 가능하도록 할 수 있다. In addition, by using the desalination unit 120 and the concentrated water unit 140 separately, fresh water and concentrated water can be produced in each compartment without a salt water exchange process between charging and discharging.
만약 종래와 같이 순환하지 않고, 한 자리에서 용액을 계속 사용할 경우 탈염부 격실과 농축수부 격실을 한 개의 격실로 번갈아가면서 활용해야하는데, 이 경우, 담수 생산과 농축수 생산 간에 격실 내 염수를 계속해서 교환해주어야 한다는 번거로움이 있다. If the solution is not circulated as in the past and the solution is continuously used in one place, the desalination compartment and the concentrated water compartment must be used alternately as one compartment. In this case, the salt water in the compartment is continuously used between fresh water production and concentrated water production. There is a hassle of having to exchange it.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 충방전 전압 성능 그래프를 도시한 도면이다. 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 후 탈염부의 염 농도 그래프를 도시한 도면이다.FIG. 3A is a diagram showing a graph of charge/discharge voltage performance according to an embodiment of the present invention. Figure 3b is a diagram showing a salt concentration graph of the desalting unit after charging according to an embodiment of the present invention.
도 3a를 참고하면, 본 발명에 따른 이차 전지(100)는 충전 전압이 낮아지고 방전 전압이 높아짐을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 3A, it can be seen that the charging voltage of the secondary battery 100 according to the present invention is lowered and the discharge voltage is increased.
즉, 본 발명의 경우, 양극 반응을 더 빠른 레독스(Redox) 반응으로 대체함에 따라 높은 충방전 전압 효율을 도출하여, 담수 생산간 필요 에너지를 최소화 할 수 있다. That is, in the case of the present invention, by replacing the anode reaction with a faster redox reaction, high charge and discharge voltage efficiency can be achieved, thereby minimizing the energy required for fresh water production.
도 3b를 참고하면, 본 발명의 탈염부(120)의 경우(Na-HCF Final), 초기 염 농도가 35,064ppm이었으나, 충전 후 555ppm까지 감소하여 담수화 효능이 향상됨을 확인할 수 있다. Referring to Figure 3b, in the case of the desalination unit 120 of the present invention (Na-HCF Final), the initial salt concentration was 35,064 ppm, but it decreased to 555 ppm after charging, confirming that the desalination efficiency is improved.
반면, 종래의 경우(Seawater Final), 충전 후 1,294ppm으로 감소하여 본 발명에 비하여 담수화 효과가 낮음을 확인할 수 있다. On the other hand, in the conventional case (Seawater Final), it decreased to 1,294ppm after charging, confirming that the desalination effect is lower than that of the present invention.
일 실시예에서, 하기 <표 1>과 같이 본 발명에 따른 이차 전지(100)는 기존 시스템에 비하여, 충방전간 소모 에너지, 담수 생성량, 담수 생성량 당 에너지가 효율적임을 확인할 수 있다. In one embodiment, as shown in <Table 1> below, it can be confirmed that the secondary battery 100 according to the present invention is efficient in terms of energy consumption between charging and discharging, amount of fresh water produced, and energy per amount of fresh water produced, compared to the existing system.
(양극부 : 염수)existing system
(Anode part: salt water)
(양극부 : 0.1 M Na-HCF + 0.1M NaCl)Secondary battery according to the present invention
(Anode part: 0.1 M Na-HCF + 0.1 M NaCl)
(mWh)Energy consumed between charging and discharging
(mWh)
(mL)freshwater production
(mL)
mWh/mL (kWh/m3)Energy per unit of freshwater produced
mWh/mL (kWh/m 3 )
도 4a 및 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 스택형 충전부를 도시한 도면이다.4A and 4B are diagrams illustrating a stacked charging unit of a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
도 4a 및 4b를 참고하면, 담수화 에너지 소모량 감소를 위한 이차 전지(100)는 제1 음이온 교환막(115)과 제1 고체 전해질(125) 사이에 교차로 배치된 적어도 하나의 제3 양이온 교환막(Cation Exchange Membrane, CEM)(410)과 적어도 하나의 제3 음이온 교환막(420)을 포함할 수 있다. Referring to FIGS. 4A and 4B, the secondary battery 100 for reducing desalination energy consumption includes at least one third cation exchange membrane (Cation Exchange) disposed alternately between the first anion exchange membrane 115 and the first solid electrolyte 125. Membrane (CEM) 410 and at least one third anion exchange membrane 420.
일 실시예에서, 제1 음이온 교환막(115)과 제1 고체 전해질(125) 사이에 교차로 여러 층의 제3 양이온 교환막(410)과 제3 음이온 교환막(420)이 배치될 수 있다. In one embodiment, several layers of the third cation exchange membrane 410 and the third anion exchange membrane 420 may be disposed between the first anion exchange membrane 115 and the first solid electrolyte 125.
일 실시예에서, 충전 반응을 통해 탈염부(120)의 제1 음이온 교환막(115)과 제3 양이온 교환막(410) 사이와 제3 음이온 교환막(420)과 제1 고체 전해질(125) 사이에는 담수가 생성되어 배출될 수 있다. In one embodiment, fresh water is supplied between the first anion exchange membrane 115 and the third cation exchange membrane 410 of the desalting unit 120 and between the third anion exchange membrane 420 and the first solid electrolyte 125 through the charging reaction. can be produced and discharged.
일 실시예에서, 충전 반응을 통해 탈염부(120)의 제3 양이온 교환막(410)과 제3 음이온 교환막(420) 사이에는 농축 염수가 생성되어 배출될 수 있다. In one embodiment, concentrated brine may be generated and discharged between the third cation exchange membrane 410 and the third anion exchange membrane 420 of the desalting unit 120 through a charging reaction.
이 경우, 충전 간 담수 생산량을 증가시킬 수 있어, 결과적으로, 담수 생산량 당 에너지 소모량을 감소시킬 수 있다. In this case, fresh water production between recharges can be increased and, as a result, energy consumption per fresh water production can be reduced.
예를 들어, 기존 염수담수화 배터리 충전부의 경우, 1F 전하량만큼 충전할 때, 1 몰(mole)의 NaCl이 제거되지만, 본 발명에 따른 스택형 충전부의 경우, 도 4a와 같이 한 쌍의 제3 양이온 교환막(410)과 제3 음이온 교환막(420)이 배치되어 있는 경우, 1F 전하량 만큼 충전할 때, 2 몰의 NaCl이 제거되며, 도 4b와 같이 N쌍의 제3 양이온 교환막(410)과 제3 음이온 교환막(420)이 배치되어 있는 경우, 1F 전하량 만큼 충전할 때, N 몰의 NaCl이 제거될 수 있다. For example, in the case of the existing salt water desalination battery charging unit, 1 mole of NaCl is removed when charging as much as 1F charge, but in the case of the stacked charging unit according to the present invention, a pair of third cations is removed as shown in Figure 4a. When the exchange membrane 410 and the third anion exchange membrane 420 are disposed, when charged by 1F charge, 2 moles of NaCl are removed, and as shown in Figure 4b, the N pair of the third cation exchange membrane 410 and the third When the anion exchange membrane 420 is disposed, N moles of NaCl can be removed when charged to the amount of 1F charge.
도 5a 및 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 스택형 방전부를 도시한 도면이다.5A and 5B are diagrams showing a stacked discharge unit of a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
도 5a 및 5b를 참고하면, 담수화 에너지 소모량 감소를 위한 이차 전지(100)는 제2 음이온 교환막(145)과 제2 고체 전해질(135) 사이에 교차로 배치된 적어도 하나의 제4 음이온 교환막(510)과 적어도 하나의 제4 양이온 교환막(520)을 포함할 수 있다.Referring to FIGS. 5A and 5B, the secondary battery 100 for reducing desalination energy consumption includes at least one fourth anion exchange membrane 510 disposed alternately between the second anion exchange membrane 145 and the second solid electrolyte 135. and at least one fourth cation exchange membrane 520.
일 실시예에서, 제2 음이온 교환막(145)과 제2 고체 전해질(135) 사이에 교차로 여러 층의 제4 음이온 교환막(510)과 제4 양이온 교환막(520)이 배치될 수 있다. In one embodiment, several layers of the fourth anion exchange membrane 510 and the fourth cation exchange membrane 520 may be disposed between the second anion exchange membrane 145 and the second solid electrolyte 135.
일 실시예에서, 방전 반응을 통해 농축수부(140)의 제2 고체 전해질(135)과 제4 음이온 교환막(510) 사이와 제4 양이온 교환막(520)과 제2 음이온 교환막(145) 사이에는 농축 염수가 생성되어 배출될 수 있다. In one embodiment, concentration is formed between the second solid electrolyte 135 and the fourth anion exchange membrane 510 of the concentrated water unit 140 and between the fourth cation exchange membrane 520 and the second anion exchange membrane 145 through a discharge reaction. Brine may be generated and discharged.
일 실시예에서, 방전 반응을 통해 농축수부(140)의 제4 음이온 교환막(510)과 제4 양이온 교환막(520) 사이에는 담수가 생성되어 배출될 수 있다. In one embodiment, fresh water may be generated and discharged between the fourth anion exchange membrane 510 and the fourth cation exchange membrane 520 of the concentrated water unit 140 through a discharge reaction.
이 경우, 방전 간에 담수를 생산할 수 있어, 결과적으로, 담수 생산량 당 에너지 소모량을 감소시킬 수 있다. In this case, fresh water can be produced between discharges, and as a result, energy consumption per fresh water production can be reduced.
예를 들어, 기존 해수담수화 배터리 방전부의 경우, 담수생산이 불가하며, 농축 염수만이 생성되지만, 본 발명에 따른 스택형 방전부의 경우, 도 5a와 같이 한 쌍의 제4 음이온 교환막(510)과 제4 양이온 교환막(520)이 배치되어 있는 경우, 1F 전하량 만큼 방전할 때, 1 몰의 NaCl이 제거되고, 도 5b와 같이 N 쌍의 제4 음이온 교환막(510)과 제4 양이온 교환막(520)이 배치되어 있는 경우, 1F 전하량 만큼 방전할 때, N 몰의 NaCl이 제거될 수 있다. For example, in the case of the existing seawater desalination battery discharge unit, fresh water production is not possible and only concentrated brine is produced, but in the case of the stack-type discharge unit according to the present invention, a pair of fourth anion exchange membranes 510 are used as shown in Figure 5a. ) and the fourth cation exchange membrane 520 are disposed, when discharging as much as 1F charge, 1 mole of NaCl is removed, and the N pair of the fourth anion exchange membrane 510 and the fourth cation exchange membrane ( If 520) is disposed, N moles of NaCl can be removed when discharging by the amount of charge 1F.
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 an illustrative explanation of the technical idea of the present invention, and those skilled in the art will be able to make various changes and modifications without departing from the essential characteristics of the present invention.
본 명세서에 개시된 다양한 실시예들은 순서에 관계없이 수행될 수 있으며, 동시에 또는 별도로 수행될 수 있다. Various embodiments disclosed herein can be performed in any order, simultaneously or separately.
일 실시예에서, 본 명세서에서 설명되는 각 도면에서 적어도 하나의 단계가 생략되거나 추가될 수 있고, 역순으로 수행될 수도 있으며, 동시에 수행될 수도 있다. In one embodiment, at least one step may be omitted or added to each drawing described in this specification, may be performed in reverse order, or may be performed simultaneously.
본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예들에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.The embodiments disclosed in this specification are not intended to limit the technical idea of the present invention, but are for illustrative purposes, 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 in accordance with the claims, and all technical ideas within the equivalent scope should be understood to be included in the scope of rights of the present invention.
100: 이차 전지
110: 제1 양극부
112: 제1 배출부
114: 제1 주입부
115: 제1 음이온 교환막
116: 제1 캐소드
120: 탈염부
122: 유입부
124: 배출부
125: 제1 고체 전해질
130: 음극부
135: 제2 고체 전해질
136: 애노드
140: 농축수부
142: 유입부
144: 배출부
145: 제2 음이온 교환막
150: 제2 양극부
152: 제2 주입부
154: 제2 배출부
156: 제2 캐소드
410: 제3 양이온 교환막
420: 제3 음이온 교환막
510: 제4 음이온 교환막
520: 제4 양이온 교환막100: secondary battery
110: first anode part
112: first discharge unit
114: first injection unit
115: first anion exchange membrane
116: first cathode
120: Desalination section
122: inlet
124: discharge unit
125: first solid electrolyte
130: cathode part
135: second solid electrolyte
136: anode
140: Concentrated water unit
142: inlet
144: discharge unit
145: Second anion exchange membrane
150: second anode part
152: second injection unit
154: second discharge unit
156: second cathode
410: Third cation exchange membrane
420: Third anion exchange membrane
510: Fourth anion exchange membrane
520: Fourth cation exchange membrane
Claims (7)
상기 음극부의 일측에 결합하며, 염수(brine)가 주입되는 탈염부;
상기 탈염부의 일측에 결합하며, 수계 레독스(redox) 용액에 함침되는 제1 캐소드(cathode)를 포함하는 제1 양극부;
상기 음극부의 타측에 결합하며, 염수가 주입되는 농축수부; 및
상기 농축수부의 일측에 결합하며, 상기 수계 레독스 용액에 함침되는 제2 캐소드를 포함하는 제2 양극부;
를 포함하는,
담수화 에너지 소모량 감소를 위한 이차 전지.
A cathode portion including an anode impregnated with an organic electrolyte;
A desalination section coupled to one side of the cathode section and into which brine is injected;
A first anode unit coupled to one side of the desalting unit and including a first cathode impregnated with an aqueous redox solution;
A concentrated water portion coupled to the other side of the cathode portion and into which salt water is injected; and
a second anode unit coupled to one side of the concentrated water unit and including a second cathode impregnated with the aqueous redox solution;
Including,
Secondary battery to reduce desalination energy consumption.
상기 수계 레독스 용액은, 상기 수계 레독스 용액 내의 물(water)에서 충전 시 산소가 발생되지 않고, 방전 시 수소가 발생되지 않는 포텐셜(potential)을 갖는 양극 전해질을 포함하는,
담수화 에너지 소모량 감소를 위한 이차 전지.
According to paragraph 1,
The aqueous redox solution includes a positive electrode electrolyte having a potential such that oxygen is not generated when charging and hydrogen is not generated when discharging from water in the aqueous redox solution.
Secondary battery to reduce desalination energy consumption.
상기 음극부와 상기 탈염부 사이에 위치하고, 상기 탈염부로부터 상기 음극부로 나트륨 이온을 통과시키는 제1 고체 전해질; 및
상기 제1 양극부와 상기 탈염부 사이에 위치하고, 상기 탈염부로부터 상기 제1 양극부로 염소 이온을 통과시키는 제1 음이온 교환막;
을 더 포함하는,
담수화 에너지 소모량 감소를 위한 이차 전지.
According to paragraph 1,
a first solid electrolyte located between the cathode section and the desalting section and allowing sodium ions to pass from the desalting section to the cathode section; and
a first anion exchange membrane located between the first anode unit and the desalination unit and allowing chlorine ions to pass from the desalination unit to the first anode unit;
Containing more,
Secondary battery to reduce desalination energy consumption.
상기 음극부와 상기 농축수부 사이에 위치하고, 상기 음극부로부터 상기 농축수부로 나트륨 이온을 통과시키는 제2 고체 전해질; 및
상기 제2 양극부와 상기 농축수부 사이에 위치하고, 상기 제2 양극부로부터 상기 농축수부로 염소 이온을 통과시키는 제2 음이온 교환막;
을 더 포함하는,
담수화 에너지 소모량 감소를 위한 이차 전지.
According to paragraph 1,
a second solid electrolyte located between the cathode portion and the concentrated water portion and allowing sodium ions to pass from the cathode portion to the concentrated water portion; and
a second anion exchange membrane located between the second anode unit and the concentrated water unit and allowing chlorine ions to pass from the second anode unit to the concentrated water unit;
Containing more,
Secondary battery to reduce desalination energy consumption.
상기 제1 양극부는, 충전 시 사용된 수계 레독스 용액을 상기 제2 양극부로 전달하기 위한 제1 배출부와 방전 시 사용된 수계 레독스 용액을 상기 제2 양극부로부터 전달 받기 위한 제1 주입부를 포함하고,
상기 제2 양극부는, 상기 충전 시 사용된 수계 레독스 용액을 상기 제1 양극부로부터 전달 받기 위한 제2 주입부와 상기 방전 시 사용된 수계 레독스 용액을 상기 제1 양극부로 전달하기 위한 제2 배출부를 포함하는,
담수화 에너지 소모량 감소를 위한 이차 전지.
According to paragraph 1,
The first anode unit includes a first discharge unit for delivering the aqueous redox solution used during charging to the second anode unit and a first injection unit for receiving the aqueous redox solution used during discharging from the second anode unit. Contains,
The second anode unit includes a second injection unit for receiving the aqueous redox solution used during charging from the first anode unit and a second injection unit for delivering the aqueous redox solution used during discharging to the first anode unit. Including an outlet,
Secondary battery to reduce desalination energy consumption.
상기 제1 음이온 교환막과 제1 고체 전해질 사이에, 교차로 배치된 적어도 하나의 제3 음이온 교환막과 적어도 하나의 제3 양이온 교환막;
을 더 포함하는,
담수화 에너지 소모량 감소를 위한 이차 전지.
According to paragraph 3,
at least one third anion exchange membrane and at least one third cation exchange membrane arranged alternately between the first anion exchange membrane and the first solid electrolyte;
Containing more,
Secondary battery to reduce desalination energy consumption.
상기 제2 음이온 교환막과 제2 고체 전해질 사이에, 교차로 배치된 적어도 하나의 제4 음이온 교환막과 적어도 하나의 제4 양이온 교환막;
을 더 포함하는,
담수화 에너지 소모량 감소를 위한 이차 전지. According to paragraph 4,
at least one fourth anion exchange membrane and at least one fourth cation exchange membrane arranged alternately between the second anion exchange membrane and the second solid electrolyte;
Containing more,
Secondary battery to reduce desalination energy consumption.
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