KR20110027710A - 슈퍼캐패시터, 슈퍼캐패시터 탈염 셀, 슈퍼캐패시터 탈염 장치 및 슈퍼캐패시터 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
슈퍼캐패시터는, 제 1 전극과, 제 2 전극과, 제 1 전극에 접촉하여 제 1 전극으로 그리고 제 1 전극으로부터 이온을 운반하는 제 1 이온 도전성 경로를 제공하는 제 1 이온 캐리어와, 제 1 전극과 제 1 유지층 사이에서 제 1 이온 캐리어를 유지하는 제 1 유지층을 포함한다. 또한, 슈퍼캐패시터는, 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 분산되어 이온을 제공하는 전해질과, 제 1 전극과 접촉되는 제 1 전류 콜렉터와, 제 2 전극과 접촉되는 제 2 전류 콜렉터를 포함한다. 또한, 슈퍼캐패시터의 제조 방법이 제시된다.
Description
본 발명은 전반적으로 슈퍼캐패시터(supercapacitor) 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 슈퍼캐패시터 탈염 셀(desalination cell) 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
슈퍼캐패시터는 일반적으로 에너지 저장 셀로서 이용된다. 일반적으로, 슈퍼캐패시터는 이중층형(double layer type)의 구조를 가지며, 슈퍼 캐패시터 내에서 전형적으로 미립자 활성 탄소를 구비하는 한쌍의 전극은, 균일하게 분산된 전해질 성분을 포함하는, 미세다공성(microporous)이고, 전기 절연성이며, 이온 도전성인 분리 소자에 의해 분리된다. 일반적인 슈퍼캐패시터의 구조는 각각의 전극과 밀접하게 접촉하는 전기 도전성 전류 콜렉터 소자(electrically conductive current collector elements)를 더 구비한다.
전극 양단에 전위를 인가하면 전극/전해질 계면에 존재하는 이중층에서 전하가 형성된다. 슈퍼캐패시터에 있어서, 전극과 분리 소자 사이뿐만 아니라 전극 내측에도 내부 저항이 종종 존재한다. 따라서, 슈퍼캐패시터, 특히 슈퍼캐패시터 탈염 셀(supercapacitor desalination cell)을 충전 또는 방전할 때, 전해질 내의 음 이온 및 양이온을 자극하여 각각의 전극으로 이동하도록 하거나 또는 전극으로부터 떨어져 전해질로 이동하도록, 내부 저항을 극복하기 위해 다량의 에너지가 소모될 수 있다.
미립자 탄소 전극 조성 및 도전성 콜렉터를 통합하는 소정의 방식을 통해 슈퍼캐패시터 내의 내부 저항을 저감하는 시도가 이루어졌다. 이 목적을 달성하는 고온 소결(sintering)의 처리가 미국 특허 제5,115,378호에 개시되어 있지만, 대규모 처리 단계와 높은 에너지 소모로 인해 이 방안이 경제적으로 바람직하지 않다는 점은 명백하다. 다양한 활용 디바이스의 특별한 요구에 맞춰 용이하게 성형할 수 없는, 고체이고 유연성이 없는 사전 형성된 캐패시터 본체를 다루기 어렵다는 점이, 당해 처리가 일반적으로 받아들여지는 데에 대한 한계로서 작용한다.
따라서, 내부 저항을 감소시키는, 새롭고 개선된 슈퍼캐패시터 구조체 및 그 제조 방법이 필요하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼캐패시터가 제공된다. 이 슈퍼캐패시터는, 제 1 전극과, 제 2 전극과, 제 1 전극으로 그리고 제 1 전극으로부터 이온을 운반하기 위한 제 1 이온 도전성 경로(ion-conductive pathway)를 제공하기 위해 제 1 전극에 접촉하도록 구성된 제 1 이온 캐리어와, 제 1 전극과의 사이에 제 1 이온 캐리어를 유지하도록 구성된 제 1 유지층을 포함한다. 또한, 슈퍼캐패시터는, 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 분산되어 이온을 제공하는 전해질과, 제 1 전극에 접촉하도록 구성된 제 1 전류 콜렉터와, 제 2 전극에 접촉하도록 구성된 제 2 전류 콜렉터를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 슈퍼캐패시터 탈염 셀이 제공된다. 이 슈퍼캐패시터 탈염 셀은, 셀의 충전 상태에서 이온을 흡착하고 셀의 방전 상태에서 이온을 탈착하는 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함한다. 이 슈퍼캐패시터 탈염 셀은, 제 1 전극으로 그리고 제 1 전극으로부터 이온을 운반하기 위한 제 1 이온 도전성 경로를 제공하기 위해 제 1 전극에 접촉하도록 구성된 제 1 이온 캐리어와, 제 1 전극과의 사이에서 제 1 이온 캐리어를 유지하도록 구성된 제 1 유지층을 더 포함한다. 또한, 이 슈퍼캐패시터 탈염 셀은, 제 1 전극에 접촉하는 제 1 전류 콜렉터와, 제 2 전극에 접촉하는 제 2 전류 콜렉터를 더 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 슈퍼캐패시터 탈염 장치가 제공된다. 이 슈퍼캐패시터 탈염 장치는, 셀의 충전 상태에서 이온을 흡착하고 셀의 방전 상태에서 이온을 탈착하는 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함하는 슈퍼캐패시터 탈염 셀을 포함한다. 그 슈퍼캐패시터 탈염 셀은, 제 1 전극으로 그리고 제 1 전극으로부터 이온을 운반하기 위한 제 1 이온 도전성 경로를 제공하기 위해 제 1 전극에 접촉하도록 구성된 제 1 이온 캐리어와, 제 1 전극과의 사이에서 제 1 이온 캐리어를 유지하도록 구성된 제 1 유지층과, 제 1 전극에 접촉하도록 구성된 제 1 전류 콜렉터와, 제 2 전극에 접촉하도록 구성된 제 2 전류 콜렉터를 더 포함한다. 또한, 슈퍼캐패시터 탈염 장치는, 전기적 극성이 반대가 되도록 제 1 전극 및 제 2 전극에 전력을 제공하도록 구성된 전원과, 탈염을 위해 셀에 액체를 통과시키도록 구성된 액체원(liquid source)을 구비한다.
또한, 또 다른 실시예에 따른 방법이 제공된다. 이 방법은, 제 1 전극 및 제 2 전극을 제공하는 단계와, 제 1 전극으로 그리고 제 1 전극으로부터 이온을 운반하기 위한 제 1 이온 도전성 경로를 제공하기 위해 제 1 전극에 접촉하도록 구성된 제 1 이온 캐리어를 제공하는 단계와, 제 1 전극과의 사이에 제 1 이온 캐리어를 유지하도록 구성된 제 1 유지층을 제공하는 단계를 포함한다. 이 방법은 제 1 전극에 접촉하도록 구성된 제 1 전류 콜렉터와, 제 2 전극에 접촉하도록 구성된 제 2 전류 콜렉터를 제공하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 상기 및 기타 형태, 특징 및 효과는 첨부된 도면과 함께 이하의 상세한 설명으로부터 더욱 명확해질 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼캐패시터의 개략 단면도이고,
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 슈퍼캐패시터의 개략 단면도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼캐패시터 탈염 셀의 투시도,
도 4는 이온 캐리어가 없는 슈퍼캐패시터 탈염 셀의 실험 곡선,
도 5는 PSS 및 PDDA를 포함한 슈퍼캐패시터 탈염 셀의 실험 곡선,
도 6은 PSS 및 PDDA를 포함한 슈퍼캐패시터 탈염 셀의 안정성을 나타내는 실험도,
도 7은 복수의 슈퍼캐패시터 탈염 셀의 집합된 개략 평면도이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼캐패시터의 개략 단면도이고,
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 슈퍼캐패시터의 개략 단면도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼캐패시터 탈염 셀의 투시도,
도 4는 이온 캐리어가 없는 슈퍼캐패시터 탈염 셀의 실험 곡선,
도 5는 PSS 및 PDDA를 포함한 슈퍼캐패시터 탈염 셀의 실험 곡선,
도 6은 PSS 및 PDDA를 포함한 슈퍼캐패시터 탈염 셀의 안정성을 나타내는 실험도,
도 7은 복수의 슈퍼캐패시터 탈염 셀의 집합된 개략 평면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이하의 설명에서는, 불필요하게 상세하여 발명을 불명료하게 하는 것을 피하기 위해, 주지된 기능 또는 구조는 상세하게 설명하지 않는다.
도 1에 도시된 바와 같이, 슈퍼캐패시터(10)는 제 1 전류 콜렉터(11), 제 2 전류 콜렉터(12), 제 1 전극(13), 제 2 전극(14), 제 1 이온 캐리어(15), 제 2 이온 캐리어(16), 제 1 유지층(17) 및 제 2 유지층(18)을 포함한다. 제 1 전류 콜렉터(11)는 전원(19)의 양의 단자에 접속되고, 제 2 전류 콜렉터(12)는 전원(19)의 음의 단자에 접속될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 염화나트륨 등과 같은 전해질 용액(20)은 슈퍼캐패시터(10)의 제 1 전극(13)과 제 2 전극(14) 사이에 배치될 수 있다.
도시된 예에 있어서, 제 1 전류 콜렉터(11) 및 제 2 전류 콜렉터(12)는 각기 제 1 전극(13)과 제 2 전극(14)과 밀접하게 접촉되어, 제 1 전극(13)은 양의 전극(애노드(anode))로서 작용할 수 있고, 제 2 전극(14)은 음의 전극(캐소드(cathode))으로서 작용할 수 있다. 제 1 이온 캐리어(15)는 음 이온(anion)을 운반하기 위해 제 1 전극(13)과 제 1 유지층(17) 사이에 배치된다. 제 2 이온 캐리어(16)는 양 이온(cation)을 운반하기 위해 제 2 전극(14)과 제 2 유지층(18) 사이에 배치된다. 제 1 유지층(17)과 제 2 유지층(18) 둘 다 이온 교환을 위한 것으로서 전해질 용액(20) 내의 양 이온과 음 이온 둘 다 통과할 수 있다. 즉, 이온이 유지층(17, 18)과 접촉되는 전해질 용액(20)으로부터 전극으로 이동하는 것을 가능하게 할 수 있다. 특히, 제 1 유지층(17)은 음 이온만 통과시킬 수 있고, 제 2 유지층(18)은 양 이온만 통과시킬 수 있다. 한편, 제 1 유지층(17) 및 제 2 유지층(18)은 고분자 다전해질(macromolecule polyelectrolyte)과 같은 이온 캐리어(15, 16)가 유지층을 통해 누설되어 실효성을 잃지 않도록 보호할 수 있다. 소정 실시예에 있어서, 제 1 이온 캐리어(15) 및 제 2 이온 캐리어(16)는 둘 다 음 이온과 양 이온을 운반하기 위한 것일 수 있다.
특히, 슈퍼캐패시터(10)는, 제 1 유지층(17)과 제 2 유지층(18)을 분리하기 위한 멤브레인과 다공질 및 비다공질 재료를 포함하며, 임의의 이온 투과성 비도전 재료일 수 있는 스페이서(100)를 더 포함한다. 스페이서(100)는 제 1 유지층(17)과 제 2 유지층(18) 사이의 거리가 작을 때 그 사이에 액체가 통과하는 전해질(20) 또는 유로(flow channel)를 수용하는 공간을 갖거나, 또는 스페이서(100) 자신이 그 공간일 수 있다.
슈퍼캐패시터(10)의 충전 상태에서, 전원(19)으로부터의 양 전하 및 음 전하는 각기 제 1 전극(13) 및 제 2 전극(14)의 표면에 축적된다. 한편, 양 전하 및 음 전하는 이온화 전해질(20) 내의 음 이온 및 양 이온을 잡아당겨 제 1 전극(13) 및 제 2 전극(14)의 표면에 그것들이 흡착되게 한다. 슈퍼캐패시터(10)의 방전 상태에서, 흡착된 음 이온 및 양이온은 제 1 전극(13) 및 제 2 전극(14)의 표면으로부터 떨어져 전해질(20)로 되돌아간다. 그 동안에, 방출된 에너지가 전구와 같은 전기 장치를 구동하는 데 이용되거나, 또는 쌍방향 DC-DC 컨버터와 같은 에너지 복원 셀을 통해 회수될 수 있다.
도시된 예에 있어서, 음 이온 캐리어(15)의 대향면은 각기 애노드(13) 및 제 1 유지층(17)과 접촉한다. 그리고, 양 이온 캐리어(16)의 대향면은 각기 캐소드(14) 및 제 2 유지층(18)과 접촉한다. 특히, 이온 캐리어(15, 16)는 각기 애노드(13) 및 캐소드(14)로 분산될 수 있다. 즉, 이온 캐리어(15, 16)는 서로 관통하여 각 전극의 격자 공간으로부터 유지층(17, 18)으로 연장될 수 있다. 본 발명의 실시예에 있어서, 이온 캐리어(15, 16)는 전극(13, 14)으로의, 그리고 전극(13, 14)으로부터의 제 1 및 제 2 이온 도전성 운반 경로를 생성하여, 충전 및 방전 주기동안, 각 전극과 유지층 사이의 내부 저항을 저감하는 것이다. 따라서, 충전 상태에서, 제 1 전극(13) 및 제 2 전극(14)의 표면으로 전해질(20) 내의 음 이온 및 양 이온을 흡착하는 데 비교적 작은 양의 에너지가 소모된다. 그리고, 방전 상태에서, 흡착된 음 이온 및 양 이온은 전극(13, 14)의 표면으로부터 분리되어 비교적 작은 양의 에너지만을 소비한 채 전해질(20)로 회수될 수 있다.
소정의 실시예에 있어서, 제 1 이온 캐리어(15)는, 음 이온의 전도를 위해 제 4 급 아민기(quaternary amine group)와 같은 양 이온기(cation group)를 포함하는 이온 폴리머일 수 있다. 제 2 이온 캐리어(16)는 양 이온의 전도를 위해, 술폰산기(SO3H) 또는 카르복시기(COOH-)와 같은 음 이온기(anion group)를 포함하는 이온 폴리머일 수 있다. 도시된 예에 있어서, 제 1 이온 폴리머(15) 및 제 2 이온 폴리머(16)는 각기 제 1 및 제 2 다전해질 용액을 포함한다. 제 1 다전해질 용액은 폴리(다이알릴디메틸 암모늄 클로라이드)(PDDA : poly(diallydimethyl ammonium chloride)) 용액을 포함할 수 있고, 제 2 다전해질 용액은 폴리스타이렌 설페이트 소듐(PSS : polystyrene sulfate sodium) 용액을 포함할 수 있다. PSS는 술폰화폴리스티렌의 나트륨형이라고 부를 수도 있다. 또한, 이온 캐리어(15, 16)는, 전해질(20) 내의 음 이온 및 양 이온 둘 다를 전극(13, 14)으로 운반할 수 있게 하는 폴리인산과 같은 고분자 양성 전해질(macromolecular ampholyte) 등의 이온 폴리머일 수 있다.
슈퍼캐패시터(10)의 요소를 조립할 때, 각 전극(13, 14) 상에 전해질 용액을 배치하고, 일정 기간(예컨대, 2시간 또는 2일) 동안 전해질 용액에 전극(13, 14)을 담가두고 나서, 처리된 각 전극(13, 14) 상에 유지층(17, 18)을 가압하는 것에 의해 슈퍼캐패시터(10)의 구조체를 형성할 수 있다.
충전 또는 방전 중에, 유지층(17 또는 18)은, PSS 또는 PDDA가 전극(13) 또는 전극(14)과 유지층(17 또는 18) 사이에서 국한되어, 전해질(20)의 음 이온 또는 양 이온의 운반을 가능하게 하고 에너지 소비를 감소시키도록, PSS 또는 PDDA 용액 내의 고분자 이온이 누설되는 것을 방지할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 이온 폴리머(15 또는 16)는 겔(gel) 또는 반경화(semi-hardened) 형태와 같이 용액 형태와는 다른 형태를 취할 수 있다. 다전해질 겔(15 또는 16)은, 당업자에 의해 수행될 수 있는, 다전해질 단량체의 인시튜(in-situ) 중합에 의해, 또는 N,N'-메틸렌비스아크릴아미드(N,N'-Methylenebisacrylamide)나 디비닐벤젠(divinyl benzene)과 같은 가교제 시약을 첨가하여 다전해질 분자를 가교시키는 것에 의해, 전극(13 또는 14)의 표면과 내측에 형성될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 이온 폴리머(15, 16)가 겔(gel) 형태일 때, 유지층(17, 18)은 필요하지 않을 수 있다. 특정 실시예에 대하여, 불안정한 다전해질 겔층이 부서져 실효성을 잃는 것을 방지하기 위해 유지층(17, 18)이 채용된다. 또한, 스페이서(100)가 채용될 수도 있다.
소정 실시예에 있어서, 유지층(17, 18)은 멤브레인이고, 폴리에틸렌, 폴리 비닐 클로라이드, 폴리프로필렌, 테프론, 나일론 또는 그들의 임의의 조합과 같은 전기 절연성이고 이온 도전성의 폴리머로 이루어진다. 또한, 유지층(17, 18)은 그물망 또는 시트 형태를 취할 수 있다.
또한, 전류 콜렉터(11, 12)는 판, 그물망, 호일, 시트로 구성될 수 있고, 금속 또는 금속 합금으로 이루어질 수 있다. 금속은 티타늄, 플래티늄, 이리듐, 또는 로듐을 포함할 수 있다. 금속 합금은 스테인레스 스틸을 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 전류 콜렉터(11, 12)는 흑연을 구비할 수 있다. 그 대신에, 전류 콜렉터(11, 12)는 폴리에틸렌을 포함할 수 있는 폴리올레핀과 같은 플라스틱 재료를 구비한다. 플라스틱 전류 콜렉터(11, 12)는 도전성 카본 블랙 또는 금속 입자와 혼합되어, 요구되는 전도성의 필수 레벨을 충족시킬 수 있다.
도시된 실시예에서와 같이, 전극(13, 14)은 서로 나란히 배치된 판 형태를 이루어, 적층형 구조를 형성한다. 소정 실시예에 있어서, 제 1 전극(13) 및 제 2 전극(14)은 시트, 블록 또는 원통과 같은 다양한 형태를 가질 수 있다. 또한, 이들 전극은 다양한 구성으로 배열될 수 있다. 예를 들어, 제 1 전극 및 제 2 전극은 그들 사이에 나선이고 연속적인 공간을 가지고 동심원으로 배치될 수 있다.
제 1 전극(13) 및 제 2 전극(14)은 전기적 도전 재료를 포함할 수 있고, 이 재료는 열 전도성을 갖거나 갖지 않을 수 있다. 일 실시예에 있어서, 도전성 재료는 카본 또는 카본계 재료를 포함할 수 있다. 또한, 카본계 재료는 활성화 카본 입자, 다공성 카본 입자, 카본 섬유 또는 그들의 조합을 포함할 수 있다. 또한, 도전성 재료는 망간의 산화물, 철의 산화물 또는 그 둘의 산화물, 또는 티타늄의 탄화물, 지르코늄의 탄화물, 바나디움의 탄화물, 텅스텐의 탄화물, 또는 그들의 조합과 같은 도전성 화합물을 포함할 수 있다.
도전성 재료는 보다 작은 크기를 갖는 입자와 큰 표면 영역을 가질 수 있다. 알고 있는 바와 같이, 그러한 도전성 재료의 큰 표면 영역으로 인하여, 슈퍼캐패시터(10)의 높은 흡착 용량, 높은 에너지 밀도 및 높은 정전용량을 얻을 수 있다. 본 발명의 실시예에 있어서, 스퍼터링, 스프레잉, 스핀코팅, 캘린더링(calendering) 또는 프린팅과 같은 하나 이상의 증착 기법을 사용하여, 전류 콜렉터(11, 12) 상에 전극(13, 14)의 도전성 재료가 증착될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 슈퍼캐패시터(21)가 제공된다. 도 1 및 2에 도시된 실시예에서 동일한 참조 번호는 동일한 요소를 가리킬 수 있다. 본 실시예에 있어서, 슈퍼캐패시터(21)는, 제 1 전류 콜렉터(11)와, 제 2 전류 콜렉터(12)와, 제 1 전류 콜렉터(11)에 접속된 제 1 전극(13)과, 제 2 전류 콜렉터(12)에 접속된 제 2 전극(14)과, 제 1 전극(13)과 제 2 전극(14) 사이에 배치된 이온 캐리어(22)와, 이온 캐리어(22)와 접속되어 제 1 전극과의 사이의 이온 캐리어(22)를 유지하는 유지층(23)을 구비한다. 전류 콜렉터(11, 12)는 각기 전원(19)(도 1에 도시됨)의 양의 단자와 음의 단자에 접촉될 수 있다. 전해질(20)(도 1에 도시됨)이 슈퍼캐패시터(21)에 분산될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 이온 캐리어(22)는, 전해질(20)의 음 이온과 양 이온 둘 다의 운반을 가능하게 하기 위해, 폴리인산 또는 폴리실리게이트를 포함하는 고분자 양성 전해질과 같은 이온 폴리머일 수도 있다. 그 대신에, 이온 캐리어(22)는 특정한 상황, 예를 들어, 액체 내의 이온 불순물과 같은 특정 이온 종(ion species)의 흡착을 가속시키는 상황에서 음 이온 또는 양이온에 대해서만 교환될 수 있다. 도 2에 도시된 실시예에 있어서, 이온 캐리어(22)는 겔 또는 용액 형태일 수 있다. 특히, 유지층(23)과 전극(14)을 분리하는데 스페이서(100)(도 1에 도시됨)가 채용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 슈퍼캐패시터는 에너지 저장 장치로서 이용될 수 있다. 그 대신에, 슈퍼캐패시터는 슈퍼캐패시터 탈염(SCD : supercapacitor desalination) 장치로서 이용될 수 있다. SCD 장치는, 해수의 탈염 또는 다른 염수(brackish waters)의 탈이온화에 채용되어, 가정용 허용 레벨 및 산업용 허용 레벨까지 소금의 양을 저감시키는 슈퍼캐패시터를 말한다. 또한, SCD 장치는, 농사, 산업 또는 도시에서의 처리시의 오수 또는 폐수와 같은 액체로부터 다른 대전된 불순물 또는 이온 불순물을 제거 또는 감소시킬 수 있다.
도 3은 슈퍼캐패시터 탈염(SCD) 장치의 투시도를 나타낸다. 예로서 슈퍼캐패시터(10)를 들면, SCD 장치(3)는 SCD 셀(10)을 구비한다. 전원(19)은 제 1 전극(13)과 제 2 전극(14)에 서로 전극이 반대되도록 전원을 인가한다. 충전 상태에 있는 동안, 하전 종(charged species)을 갖는 소듐 클로라이드와 같은 액체원(30)으로부터의 유입액이 전극(13)과 전극(14) 사이에 걸쳐 통과할 때, 양 이온(31)은 캐소드(14)를 향해 이동하고, 음 이온(32)은 애노드(13)를 향해서 이동한다. 이 전하가 SCD 셀(10)의 내측에 축적된 결과, SCD 셀(10)에서 나오는 저농도액인 출력 스트림(33)이 입수액에 비해 하전 종의 농도가 낮다. 소정의 실시예에 있어서, 저농도액(33)은 다른 SCD 셀에 도달함으로써, 다시 탈이온화될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 스페이서(100)가 채용되어, 제 1 유지층(17)과 제 2 유지층(18) 사이의 거리가 작을 때 입수액이 통과할 수 있도록, 유로(도시 생략함)를 정의한다.
방전 상태에 있는 동안, 흡착된 이온이 제 1 전극(13) 및 제 2 전극(14)의 표면으로부터 분리된다. 일 실시예에 있어서, SCD 셀(10)이 방전 상태에 있는 동안, 제 1 전극(13) 및 제 2 전극(14)의 극성은 동일하게 유지될 수 있고, 2개의 전극 사이에서 단락 회로가 형성되어, 제 1 전극(13) 및 제 2 전극(14)으로부터 음 이온(32) 및 양 이온(31)이 탈착될 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 제 1 전극(13) 및 제 2 전극(14)의 극성은 반대일 수 있다. 따라서, 제 2 전극(14) 상에 축적된 양 이온(31)은 제 1 전극(14)을 향해 이동하고, 제 1 전극(13) 상에 축적된 음 이온(32)은 제 2 전극(14)을 향해 이동한다. 그 결과, 출력 스트림(33)은 입수액에 비해 하전종의 농도가 보다 높을 수 있다.
도 4는 이온 캐리어가 없는 슈퍼캐패시터 탈염 셀의 실험 곡선을 나타낸다. 도 5는 PSS 및 PDDA가 포함된 슈퍼캐패시터 탈염 셀의 실험 곡선을 나타낸다. 도 4에서, 유체가 흐르는 상태에서, 이온 캐리어가 없는 슈퍼캐패시터 탈염 셀에 80㎃의 전류가 인가될 때, 그 전압 점프 VAC는 약 0.4V이고, 그 개방 회로 전압(OCV : open circuit voltage)은 약 0.1V이므로, 그 셀 저항은 (0.4V-0.1V)/0.08A=3.750Ω으로 표현될 수 있다. 도 5에서, 동일한 유체가 흐르는 상태에서, PSS 및 PDDA가 포함된 슈퍼캐패시터 탈염 셀에 동일하게 80㎃의 전류가 인가될 때, 그 전압 점프 VDE는 약 0.2V이고, 그 개방 회로 전압(OCV)은 매우 작아 산출되지 않을 수 있으므로, 그 셀 저항은 0.2V/0.08A=2.50Ω으로 표현될 수 있다. 확실히, PSS 및 PDDA가 포함된 슈퍼캐패시터 탈염 셀의 내부 저항은 이온 캐리어가 없는 슈퍼캐패시터 탈염 셀의 내부 저항에 비해 30% 감소되었다. 그러므로, 이온 캐리어(15, 16)는 SCD 셀(10)의 내부 저항을 감소시킬 수 있다. 따라서, 대폭적인 에너지량을 절약할 수 있고, 특히 다량의 입수액을 처리할 때 에너지를 절약할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의해 제공되는 PSS 및 PDDA를 구비하는 슈퍼캐패시터 탈염 셀이 600 사이클 이상에 걸쳐 동작면에서 강건한 것으로 나타날 때, 그 셀 저항은 2.0∼2.6Ω의 범위 내에 있다. 도 6에서 주어진 데이터는 PSS 및 PDDA를 포함하는 슈퍼캐패시터 탈염 셀(10)의 효율이 비교적 안정적일 수 있다는 것을 논증한다.
도 7은 복수의 슈퍼캐패시터 탈염 셀이 조립된 개략 평면도이다. 슈퍼캐패시터 탈염 조립체는 베셀(vessel)(71)을 채용한다. 슈퍼캐패시터 탈염 셀(72)은 베셀(71) 내에서 나란히 배열되고, 각 셀(72)은 전원(19)과 유사한 각각의 전원(도시 생략함)에 접속될 수 있다. 또한, 조립체(70)는 2개의 인접 셀을 전기적으로 절연하도록, 2개의 인접 셀(72)마다의 사이에 배치된 절연 분리기(73)를 구비한다. 그 대신에, 슈퍼캐패시터 탈염 셀(72)은 하나의 전원에 접속될 수 있고, 모든 셀(72)은 직렬로 접속될 수 있다. 베셀은, 각기 안으로 흐르는 입수액과 밖으로 흐르는 출력 스트림(33)(도 3에 도시됨)에 대한 유입구(74)와 배출구(75)를 정의한다. 도시된 예에서, 슈퍼캐패시터 탈염 셀(72)은 셀(10) 또는 셀(21), 또는 상술한 다른 실시예와 동일한 것일 수 있다. 알고 있는 바와 같이, 입수액은 펌핑과 같은 외부 힘을 이용하여 베셀(71)의 안쪽으로 유도될 수 있다. 또한, 셀(72)은, 하나의 셀로부터의 출력 스트림이 다른 셀에 대한 입수액으로서 이용될 수 있는 구성으로 배열될 수도 있다.
본 개시를 전형적인 실시예로 도시 및 설명하였지만, 본 개시의 사상으로부터 벗어나지 않고 다양한 변경 및 대체가 이루어질 수 있기 때문에, 상세한 개시로 제한하고자 하는 것은 아니다. 그와 같이, 당업자라면, 일반적인 실험만을 이용하여 본 명세서에서 개시된 본 개시의 추가 변형 및 등가물을 생각할 수 있으며, 그러한 모든 변형 및 등가물은 후속하는 특허청구범위에 의해 정의되는 본 개시의 사상 및 범주 내에 있다.
Claims (29)
- 제 1 전극과,
제 2 전극과,
상기 제 1 전극으로 그리고 상기 제 1 전극으로부터 이온을 운반하기 위한 제 1 이온 도전성 경로(ion-conductive pathway)를 제공하기 위해 상기 제 1 전극에 접촉하도록 구성된 제 1 이온 캐리어와,
상기 제 1 전극과의 사이에 상기 제 1 이온 캐리어를 유지하도록 구성된 제 1 유지층과,
이온을 제공하기 위해 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 분산된 전해질과,
상기 제 1 전극에 접촉하도록 구성된 제 1 전류 콜렉터와,
상기 제 2 전극에 접촉하도록 구성된 제 2 전류 콜렉터를 포함하는
슈퍼캐패시터(supercapacitor).
- 제 1 항에 있어서,
제 2 이온 캐리어와 제 2 유지층을 포함하고,
상기 제 2 이온 캐리어는 상기 제 2 전극으로 그리고 상기 제 2 전극으로부터 이온을 운반하는 제 2 이온 도전성 경로를 제공하기 위해 상기 제 2 전극에 접촉하도록 구성되고, 상기 제 2 유지층은 상기 제 2 전극과의 사이에서 상기 제 2 이온 캐리어를 유지하도록 구성되는
슈퍼캐패시터.
- 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 이온 캐리어는 제 1 전해질을 포함하고, 상기 제 2 이온 캐리어는 제 2 전해질을 포함하는
슈퍼캐패시터.
- 제 3 항에 있어서,
상기 제 1 이온 캐리어는 폴리(다이알릴다이메틸 암모늄 클로라이드)(poly(diallydimethyl ammonium chloride)) 용액을 포함하고, 상기 제 2 이온 캐리어는 폴리스타이렌 설페이트 소듐(polystyrene sulfate sodium) 용액을 포함하는
슈퍼캐패시터.
- 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 유지 층 및 상기 제 2 유지층은 이온 교환 멤브레인을 포함하며, 상기 제 1 이온 캐리어 및 상기 제 2 이온 캐리어가 각기 실효성을 잃는 것을 방지하도록 구성되는
슈퍼캐패시터.
- 제 5 항에 있어서,
상기 제 1 경로 및 상기 제 2 경로는 각각의 상기 전극과 상기 유지층 사이에서 저항을 감소시키도록 구성되는
슈퍼캐패시터.
- 제 5 항에 있어서,
상기 제 1 유지층은 음 이온만을 통과시킬 수 있고, 상기 제 2 유지층은 양 이온만을 통과시킬 수 있는
슈퍼캐패시터.
- 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 유지층과 상기 제 2 유지층 사이에 배치된 스페이서를 더 포함하는
슈퍼캐패시터.
- 셀의 충전 상태에서 이온을 흡착하고 상기 셀의 방전 상태에서 이온을 탈착하도록 구성된 제 1 전극과,
상기 셀의 충전 상태에서 이온을 흡착하고 상기 셀의 방전 상태에서 이온을 탈착하도록 구성된 제 2 전극과,
상기 제 1 전극으로 그리고 상기 제 1 전극으로부터 상기 이온을 운반하기 위한 제 1 이온 도전성 경로를 제공하기 위해 상기 제 1 전극에 접촉하도록 구성된 제 1 이온 캐리어와,
상기 제 1 전극과의 사이에서 상기 제 1 이온 캐리어를 유지하도록 구성된 제 1 유지층과,
상기 제 1 전극에 접촉하도록 구성된 제 1 전류 콜렉터와,
상기 제 2 전극에 접촉하도록 구성된 제 2 전류 콜렉터를 포함하는
슈퍼캐패시터 탈염 셀.
- 제 9 항에 있어서,
상기 제 1 이온 캐리어는 고분자 양성 전해질(macromolecular ampholyte)을 포함하는
슈퍼캐패시터 탈염 셀.
- 제 9 항에 있어서,
제 2 이온 캐리어 및 제 2 유지층을 포함하고,
상기 제 2 이온 캐리어는 상기 제 2 전극으로 그리고 상기 제 2 전극으로부터 이온을 운반하기 위한 제 2 이온 도전성 경로를 제공하기 위해 상기 제 2 전극에 접촉하도록 구성되며,
상기 제 2 유지층은 상기 제 2 전극과의 사이에서 상기 제 2 이온 캐리어를 유지하도록 구성되는
슈퍼캐패시터 탈염 셀.
- 제 11 항에 있어서,
상기 제 1 경로 및 상기 제 2 경로는 상기 각 전극과 상기 유지층 사이에서 저항을 감소시키는
슈퍼캐패시터 탈염 셀.
- 제 11 항에 있어서,
상기 제 1 유지층과 상기 제 2 유지층 사이에 배치된 스페이서를 더 포함하는
슈퍼캐패시터 탈염 셀.
- 제 11 항에 있어서,
상기 제 1 이온 캐리어는 제 1 다전해질(polyelectrolyte)을 포함하고, 상기 제 2 이온 캐리어는 제 2 다전해질을 포함하는
슈퍼캐패시터 탈염 셀.
- 제 14 항에 있어서,
상기 제 1 다전해질은 양 이온기(anion group)를 포함하고, 상기 제 2 다전해질은 음 이온기(cation group)를 포함하는
슈퍼캐패시터 탈염 셀.
- 제 15 항에 있어서,
상기 제 1 다전해질은 폴리(다이알릴다이메틸 암모늄 클로라이드)를 포함하고, 상기 제 2 다전해질은 폴리스타이렌 설페이트 소듐을 포함하는
슈퍼캐패시터 탈염 셀.
- 제 11 항에 있어서,
상기 제 1 유지층 및 상기 제 2 유지층은 이온 교환 멤브레인을 포함하고, 상기 제 1 이온 캐리어 및 상기 제 2 이온 캐리어가 각기 실효성(effectiveness)을 잃는 것을 방지하는
슈퍼캐패시터 탈염 셀.
- 제 17 항에 있어서,
상기 제 1 유지층은 음 이온만을 통과시킬 수 있고, 상기 제 2 유지층은 양 이온만을 통과시킬 수 있는
슈퍼캐패시터 탈염 셀.
- 제 11 항에 있어서,
상기 제 1 이온 캐리어 및 상기 제 2 이온 캐리어는 용액 형태인
슈퍼캐패시터 탈염 셀.
- 제 11 항에 있어서,
상기 제 1 이온 캐리어 및 상기 제 2 이온 캐리어는 겔(gel) 형태인
슈퍼캐패시터 탈염 셀.
- 셀의 충전 상태에서 이온을 흡착하고 상기 셀의 방전 상태에서 이온을 탈착하는 제 1 전극 및 제 2 전극과, 상기 제 1 전극으로 그리고 상기 제 1 전극으로부터 상기 이온을 운반하기 위한 제 1 이온 도전성 경로를 제공하기 위해 상기 제 1 전극에 접촉하도록 구성된 제 1 이온 캐리어와, 상기 제 1 전극과의 사이에서 상기 제 1 이온 캐리어를 유지하도록 구성된 제 1 유지층과, 각기 상기 제 1 전극과 제 2 전극에 접촉하도록 구성된 제 1 전류 콜렉터 및 제 2 전류 콜렉터를 포함하는 슈퍼캐패시터 탈염 셀과,
전기적 극성이 반대가 되도록 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극에 전력을 제공하는 전원과,
탈염을 위해 셀에 액체를 통과시키는 액체원을 포함하는
슈퍼캐패시터 탈염 장치.
- 제 21 항에 있어서,
상기 슈퍼캐패시터 탈염 셀은 제 2 이온 캐리어 및 제 2 유지층을 더 포함하고,
상기 제 2 이온 캐리어는 상기 제 2 전극으로 그리고 상기 제 2 전극으로부터의 이온의 운반을 위한 제 2 이온 도전성 경로를 제공하기 위해 상기 제 2 전극에 접촉하도록 구성되며,
상기 제 2 유지층은 상기 제 2 전극과의 사이에서 상기 제 2 이온 캐리어를 유지하도록 구성되는
슈퍼캐패시터 탈염 장치.
- 제 22 항에 있어서,
상기 슈퍼 캐패시터 탈염 셀은 상기 제 1 유지층과 상기 제 2 유지층 사이에 배치된 스페이서를 더 포함하는
슈퍼캐패시터 탈염 장치.
- 제 22 항에 있어서,
상기 제 1 이온 캐리어는 제 1 다전해질 용액을 포함하고, 상기 제 2 이온 캐리어는 제 2 다전해질 용액을 포함하는
슈퍼캐패시터 탈염 장치.
- 제 24 항에 있어서,
상기 제 1 이온 캐리어는 폴리(다이알릴디메틸 암모늄 클로라이드)를 포함하고, 상기 제 2 이온 캐리어는 폴리스타이렌 설페이트 소듐을 포함하는
슈퍼캐패시터 탈염 장치.
- 제 1 전극 및 제 2 전극을 제공하는 단계와,
상기 제 1 전극으로 그리고 상기 제 1 전극으로부터 이온을 운반하기 위한 제 1 이온 도전성 경로를 제공하기 위해 상기 제 1 전극에 접촉하도록 구성된 제 1 이온 캐리어를 제공하는 단계와,
상기 제 1 전극과의 사이에 상기 제 1 이온 캐리어를 유지하도록 구성된 제 1 유지층을 제공하는 단계와,
상기 제 1 전극에 접촉하도록 구성된 제 1 전류 콜렉터를 제공하는 단계와,
상기 제 2 전극에 접촉하도록 구성된 제 2 전류 콜렉터를 제공하는 단계를 포함하는
방법. - 제 26 항에 있어서,
상기 제 1 전극으로 그리고 상기 제 1 전극으로부터 이온을 운반하는 제 2 이온 도전성 경로를 제공하기 위해 상기 제 2 전극에 접촉하도록 구성된 제 2 이온 캐리어와, 상기 제 2 전극과의 사이에서 상기 제 2 이온 캐리어를 유지하도록 구성된 제 2 유지층을 제공하는 단계를 포함하는
방법.
- 제 27 항에 있어서,
상기 제 1 유지층과 상기 제 2 유지층 사이에 배치된 스페이서를 제공하는 단계를 더 포함하는
방법.
- 제 28 항에 있어서,
상기 제 1 이온 캐리어는 폴리(다이알릴디메틸 암모늄 클로라이드) 용액을 포함하고, 상기 제 2 이온 캐리어는 폴리스타이렌 설페이트 소듐 용액을 포함하는
방법.
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