KR20130134959A - 유동성 전극 및 유동성 전극 구조체 - Google Patents

유동성 전극 및 유동성 전극 구조체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전극 및 전극 구조체에 관한 것으로서, 상세하게는 본 발명에 따른 유동성 전극은 집전체; 상기 집전체 상에 이격 배치되는 전극 분리막; 상기 집전체와 전극 분리막 사이에 위치하는 유동성 전극물질을 포함하며, 상기 유동성 전극물질은 탄소 입자, 탄소 섬유 또는 이들의 혼합물을 포함하는 탄소체를 전극 활물질로 함유한다.

Description

유동성 전극 및 유동성 전극 구조체{Flowable Electrode and the Electrode Apparatus using Thereof}
본 발명은 전극 및 전극 구조체에 관한 것으로, 상세하게, 이온이 흡착 또는 탈착되는 전극 및 전극 구조체에 관한 것이다.
현재 수용액 중의 이온성 물질을 제거하는 방법으로 이온교환법이 가장 많이 사용되고 있다. 이 방법은 대부분의 이온성 물질들을 효과적이면서도 경제적으로 분리할 수 있다는 장점을 갖고 있지만 이온교환이 완료된 수지를 재생하는 과정에서 다량의 산, 염기, 또는 염 폐액이 발생한다는 큰 단점을 갖고 있다.
이온교환법 이외에도 역삼투막법, 전기투석법 등의 분리막 기술이 적용되고 있지만 막을 주기적으로 교체해 주거나 운전과정에서 고압, 또는 전기를 공급해야 하는 공정의 특성상 경제성 측면에서 단점을 갖고 있다. 또한 이러한 분리막 공정은 운전 과정에서 발생되는 농축액의 처리 문제 등이 해결해야 할 과제로 남아 있다.
이처럼 이온성 물질들을 처리하는 기존 기술의 문제점들을 해결하고자 최근에 축전식 전기흡착을 이용하여 이온성 물질을 제거하는 기술이 연구되고 있다. 전기흡착법(CDI; Capacitive deionization)을 통해 효과적으로 이온을 제거하기 위해서는 전극의 비표면적을 높여 전극의 축전용량을 높이고 전극의 전기 저항을 줄여 전극 표면에 전기장이 균일하게 분포하도록 하는 것이 중요하다.
전기흡착법에서, 전극의 비표면적을 높이기 위한 일반적으로 스택화와 같이 모듈의 구조를 변화시키거나, 미국 등록특허 제5,425,858호의 레졸사이놀과 포름알데히드의 졸-겔 중합에 의해 만들어진 단일체 형태의 탄소 에에로겔과 같이 새로운 전극소재 소재를 개발하는 방향이 주를 이루고 있다.
그러나, 구조적으로 처리 용량과 처리 효율을 높이고자 하는 경우, 초기 설비비의 증가, 운전 비용의 증가 및 장비의 크기 증가를 피할 수 없으며, 전극 물질의 미세화 및 다공화에 의해 비표면적을 향상시키고자 하는 경우, 전기장 중첩에 의해 전기 흡착 성능이 감소되는 문제를 피할 수 없는 한계가 있다.
미국 등록특허 제5,425,858호
본 발명의 목적은 전극의 대면적화 또는 스택화를 이루지 않더라도, 전극의 용량을 획기적으로 증가시킬 수 있으며, 동일한 물리적 크기를 가지면서도 용량이 가변적으로 조절될 수 있는 전극을 제공하는 것이며, 가변적이며 현저히 증대된 축전용량을 가지면서도 전극의 전기 저항이 낮고 전기장이 균일하게 분포하는 전극을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 축전 용량이 가변 가능하며, 현저히 증대된 축전 용량을 가지며, 낮은 전기 저항 및 균일한 전기장 분포를 갖는 전극 구조체를 제공하는 것이며, 해수담수화 또는 전기 에너지 저장에 사용될 수 있는 전극 구조체를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 유동성 전극은 집전체; 집전체에 이격 배치되는 전극 분리막; 집전체와 전극 분리막 사이에 위치하는 유동성 전극물질을 포함하며, 유동성 전극물질은 탄소 입자, 탄소 섬유 또는 이들의 혼합물을 포함하는 탄소체를 전극 활물질로 함유한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유동성 전극에 있어, 탄소체는 이온 교환수지로 표면 코팅된 코어-쉘 구조일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유동성 전극에 있어, 탄소체는 표면에 음 또는 양의 전하를 갖는 유기 리간드가 결합된 표면개질된 전극 활물질일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유동성 전극에 있어, 탄소체는 붕소족, 산소족 및 질소족에서 하나 이상 선택된 원소로 도핑된 입자일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유동성 전극에 있어, 탄소체는 전도성 입자와 결합된 복합체일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유동성 전극에 있어, 탄소체는 그래핀을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유동성 전극에 있어, 탄소체는 탄소 입자, 탄소 섬유 및 그래핀에서 둘 이상 선택된 물질이 결합한 복합체일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유동성 전극에 있어, 전극 분리막은 이온 교환막일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유동성 전극에 있어, 전극 분리막은 미세공 절연막일 수 있다.
본 발명에 따른 전극 구조체는 상술한 유동성 전극을 단위 전극으로 하여, 제 1단위 전극 및 제2 단위 전극을 포함하며, 제1 단위 전극 및 제2 단위 전극이 전극 분리막을 통해 서로 대향되도록 이격 배치된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극 구조체에 있어, 제1 단위 전극의 전극 분리막과 제2 단위 전극의 전극 분리막 사이에 음이온 및 양이온을 함유하는 용해액이 위치할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극 구조체는 해수 담수화용일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극 구조체에 있어, 용해액은 해수일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극 구조체는 전기 에너지 저장용일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극 구조체는 제1 단위 전극의 집전체 및 제2 단위 전극의 집전체와 연결되어 전압을 인가하는 전원공급부를 더 포함하며, 용해액에 함유된 음이온이 제1 단위 전극의 유동성 전극물질에 흡착 또는 결합되고, 용해액에 함유된 양이온이 제2 단위 전극의 유동성 전극물질에 흡착 또는 결합되어, 제1 단위 전극 및 제2 단위 전극의 유동성 전극 물질에 전기적 에너지를 저장할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극 구조체에 있어, 용해액은 V3 +/V2 +, Np4 +/Np3 +, Sn4+/Sn2+, Sr2 +/Sr, Ba2 +/Ba, Ce3 +/Ce, Zn2 +/Zn, As5 +/As3 +, U4 +/U3 +, Sb5 +/Sb3 +, S4 +/S2 +, Ti4+/Ti2+, In3 +/In2 +, Ni4 +/Ni2 +, Cr3 +/Cr2 +, In2 +/In+, Ti3 +/Ti2 +, Eu3 +/Eu2 +, Pb2 +/Pb, Tl+/Tl, Ti4 +/Ti3 +, Na+/Na, Li+/Li, K+/K, Mg+/Mg, Mg2 +/Mg, Ca+/Ca, Ca2 +/Ca, Sr+/Sr 및 Be2 +/Be에서 하나 또는 둘 이상 선택된 레독스 페어를 형성할 수 있는 양이온; 및 F/F-, O/O2 -, Cl/Cl-, Br/Br-, I5 +/I-, Cl/Cl- 및 I/I-에서 하나 또는 둘 이상 선택된 레독스 페어를 형성할 수 있는 음이온;을 함유할 수 있다.
본 발명에 따른 유동성 전극은 이온이 흡착되는 전극물질이 유동적임에 따라, 고도의 스택화 또는 대면적화를 이루지 않고도, 외부 저장조를 통해 유동성 전극에 전극물질을 공급하는 극히 용이하고 단순한 방법을 통해, 전극의 용량을 획기적으로 증진시킬 수 있는 장점이 있으며, 전극물질이 탄소 입자, 탄소 섬유 및 그래핀(graphene)에서 하나 또는 둘 이상 선택된 전극 활물질을 함유함으로써, 유동성을 저해하지 않으면서도, 전극물질의 내부 저항 감소가 가능하며, 유동성 전극물질내 전기장 분포의 균일성이 증대되어, 이온 흡착 효율의 증진 및 흡착 시간의 단축이 가능한 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유동성 전극의 단면을 도시한 도면이며,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유동성 전극에 있어, 전극활물질의 일 예를 도시한 도면이며,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유동성 전극에 있어, 전극활물질의 다른 일 예를 도시한 도면이며,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 구조체의 일 예를 도시한 단면도이며,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 구조체의 다른 예를 도시한 단면도이다.
<도면 부호>
100 : 유동성 전극 10 : 집전체
20 : 유동성 전극물질 30 : 전극 분리막
21 : 탄소체 22 : 액상 매질
1 : 이온교환수지 2 : 음의 유기리간드
3 : 양의 유기리간드 110 : 제1단위전극
120 : 제2단위전극 300 : 전원공급부
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 전극 및 전극 구조체를 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
본 발명에 따른 유동성 전극은 집전체; 집전체에 이격 배치되는 전극 분리막; 집전체와 전극 분리막 사이에 위치하는 유동성 전극물질을 포함하며, 유동성 전극물질은 탄소 입자, 탄소 섬유 또는 이들의 혼합물을 포함하는 탄소체를 전극 활물질로 함유한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 유동성 전극은 물리적으로 고정된 전극이 아닌, 액상 매질에 분산된 전극 활물질을 함유하여 흐름(flow) 가능한 전극임에 따라, 전극내 유동성 전극물질을 연속 또는 불연속적으로 교체 또는 순환시키는 방법에 의해 전극의 용량을 증가시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유동성 전극의 단면을 도시한 단면도이다.
도 1의 일 실시예에 따른 단면도에 도시한 바와 같이, 유동성 전극(100)은 집전체(10), 전극 분리막(30) 및 유동성 전극물질(20)을 포함하여 구성된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유동성 전극(100)에 있어, 집전체(10)와 전극 분리막(30)은 대응되는 형상으로 이격 배치되고, 집전체(10)와 전극 분리막(30)사이의 공간에 유동성 전극물질(20)이 위치할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유동성 전극(100)에 있어, 집전체(10)는 전지(축전지를 포함함) 분야에서 통상적으로 사용되는 집전체이면 족하다. 비한정적인 일 예로, 집전체(10)는 폼(foam), 필름(film), 메쉬(mesh), 펠트(felt), 다공성 박(perforated film) 또는 이들의 적층체일 수 있으며, 카본, 니켈, 티타늄, 크롬, 코발트, 아연, 그라파이트 및 그래핀에서 하나 또는 둘 이상 선택된 물질일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유동성 전극(100)에 있어, 전극 분리막(30)은 전지(축전지를 포함함) 분야에서 통상적으로 사용되는 집전체이면 족하다. 일 예로, 전극 분리막(30)은 이온 교환막 또는 미세공 절연막일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유동성 전극(100)에 있어, 유동성 전극물질(20)은 전극 활물질 및 액상 매질(22)을 포함할 수 있으며, 전극 활물질이 액상 매질에 분산된 분산액일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유동성 전극(100)에 있어, 유동성 전극물질(20)의 전극 활물질은 탄소체(21)를 함유할 수 있다. 전극 활물질로 함유되는 탄소체(21)는 탄소 입자, 탄소 섬유 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있으며, 탄소 입자는 활성탄소, 탄소 에어로겔, 메조포러스 카본(mesoporous carbon), 카본 블랙 및 흑연에서 하나 또는 둘 이상 선택된 것일 수 있다. 탄소 섬유는 활성 탄소섬유를 포함하며, 나노섬유일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유동성 전극(100)에 있어, 전극 활물질로 함유되는 탄소 입자는 전극물질의 유동성을 저해하지 않으며, 전극물질의 전도도 및 이온의 흡착율을 높이기 위해, 평균 직경이 10nm 내지 500μm일 수 있다. 전극 활물질로 함유되는 탄소입자는 유니 모달(uni-modal) 분포, 바이 모달(bi-modal) 분포 또는 트리 모달(tri-modal)의 입도 분포를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유동성 전극(100)에 있어, 전극 활물질로 함유되는 탄소 섬유의 장단축비는 3 내지 1000일 수 있으며, 장단축비를 기준으로 유니 모달(uni-modal) 분포, 바이 모달(bi-modal) 분포 또는 트리 모달(tri-modal) 분포를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 전극 활물질이 탄소 섬유를 함유하거나, 탄소 섬유와 탄소 입자를 함유하는 경우, 탄소 섬유의 큰 장단축비에 의해, 탄소 섬유간의 접점(contact)이 증가하여, 유동성 전극물질의 내부 저항 감소가 가능하며, 유동성 전극물질(20)내 보다 균일한 전기장의 분포를 가능하게 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유동성 전극(100)에 있어, 유동성 전극물질(20)은 전극 활물질 100 중량부를 기준으로 10 내지 5000 중량부의 액상 매질을 함유할 수 있다. 유동성 전극물질(20)에 함유된 전극 활물질 대비 액상 매질의 중량비는 탄소체를 포함하는 전극 활물질에 의한 유동성 저하를 방지하면서도 유동성 전극물질(20)의 통전성을 저해하지 않을 수 있는 범위이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유동성 전극(100)에 있어, 액상 매질(22)은 탄소체를 포함하는 전극활물질이 안정적으로 분산되며, 전극의 동작 전압 및 동작 환경에서 안정한 물질이면 사용가능하며, 전지(축전지를 포함함) 분야에서 통상적으로 사용되는 액상 전해질을 사용할 수 있다.
상세하게, 액상 매질(22)은 수용성 전해질 또는 비수계 전해질일 수 있다. 수용성 전해질은 해수(seawater)이거나, 염화나트륨(NaCl), 질산(HNO3),염산(HCl), 인산(H3PO4),메탄술폰산(CH3SO3H),수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH) 또는 이들의 혼합물을 함유하는 수용액일 수 있다.
상세하게, 비수계 전해질은 카보네이트계, 에스테르계, 에테르계, 케톤계, 유기황(organosulfur)계, 유기인(organophosphorous)계, 비양성자성 용매 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 하나 이상의 물질을 함유할 수 있다. 일 예로, 비수계 전해질은 에틸렌 카르보네이트(EC), 프로필렌 카르보네이트(PC), 부틸렌 카르보네이트(BC), 디메틸 카르보네이트(DMC), 디에틸 카르보네이트(DEC), 디프로필 카르보네이트(DPC), 디부틸 카르보네이트(DBC), 에틸 메틸 카르보네이트(EMC), 메틸 프로필 카르보네이트(MPC), 에틸 프로필 카르보네이트(EPC), 플루오로에틸렌 카보네이트(FEC), 디부틸에테르, 테트라글라임, 디그라임, 디메톡시에탄, 테트라하이드퓨란, 2-메틸 테트라하이드로퓨란, 1,3-디옥솔란(1,3-dioxolane), 1,4-디옥산, 1,2-디메톡시에탄, 1,2-디에톡시에탄, 1,2-디부톡시에탄, 아세토니트릴, 디메틸포름아미드, 메틸 포르메이트, 에틸 포르메이트, 프로필 포르메이트, 부틸 포르메이트, 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 프로필 아세테이트, 부틸 아세테이트, 메틸 프로피오네이트, 에틸 프로피오네이트, 프로필 프로피오네이트, 부틸 프로피오네이트, 메틸 부티레이트, 에틸 부티레이트, 프로필 부티레이트, 부틸 부티레이트, γ-부티로락톤, 2-메틸-γ-부티로락톤, 3-메틸-γ-부티로락톤, 4-메틸-γ-부티로락톤, β-프로피오락톤, δ-발레로락톤, 트리메틸 포스페이트, 트리에틸 포스페이트, 트리스(2-클로로에틸) 포스페이트, 트리스(2,2,2-트리플루오로에틸) 포스페이트, 트리프로필 포스페이트, 트리이소프로필 포스페이트, 트리부틸 포스페이트, 트리헥실 포스페이트, 트리페닐 포스페이트, 트리톨릴 포스페이트, 프로필렌탄산염, 에틸렌탄산염, 디에틸탄산염, 디메틸탄산염 및 에틸메틸탄산염, 초산 에스터, 유산 에스터 및 프로포닉산 에스터에서 하나 또는 둘 이상 선택된 물질을 함유할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유동성 전극(100)에 있어, 전극활물질의 일 예를 도시한 도면으로, 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 유동성 전극(100)에 있어, 전극 활물질은 탄소체(21)에 이온교환 수지(1)가 표면 코팅된 코어-쉘 구조일 수 있다.
상세하게, 코어-쉘 구조의 전극 활물질은 코어로 탄소체(21)를 함유하며, 코어 표면을 감싸는 쉘로 이온교환 수지(1)를 함유한다. 코어는 단일한 탄소체 또는 둘 이상의 탄소체가 서로 응집된 응집체일 수 있다.
즉, 탄소체(21)가 탄소 입자를 함유하는 경우, 코어는 단일한 탄소 입자 또는 둘 이상의 탄소 입자가 뭉쳐진 2차 입자일 수 있다. 탄소체가 탄소 섬유를 함유하는 경우, 코어는 섬유형상일 수 있으며, 단일한 탄소 섬유 또는 둘 이상의 탄소 섬유가 응집되어 코어를 형성할 수 있다. 탄소체가 탄소 입자 및 탄소 섬유를 모두 함유하는 경우, 적어도 탄소 입자는 이온교환 수지로 코팅되며, 선택적으로, 탄소 섬유의 코팅이 이루어질 수 있다. 나아가, 탄소 입자 및 탄소 섬유 모두에 이온교환 수지가 코팅되는 경우, 탄소 입자 및 탄소 섬유의 복합체가 코어를 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 전극활물질이 코어-쉘 구조인 경우, 쉘은 이온교환 수지에 의한 양이온 또는 음이온의 선택적 투과가 안정적으로 이루어지는 두께이면 족하나, 코어-쉘 입자의 과도한 크기 증가에 의한 유동성 저하 및 분산성 저하를 방지하는 측면에서, 쉘의 두께는 10nm 내지 100 μm일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 전극 활물질이 이온교환 수지의 쉘-탄소체의 코어를 포함하는 코어-쉘 구조를 가짐으로써, 이온 교환막이 아닌 보다 저렴한 미세공 절연막으로 전극 분리막을 구성할 수 있으며, 전극에 흡착되는 이온을 함유하는 용해액과의 접촉면적을 극대화할 수 있다. 또한, 이온의 흡착이 이루어지는 탄소체(들)의 표면이 이온교환 수지로 감싸여 있음에 따라, 유동성 전극물질(20)이 전극 밖으로 배출되어 저장조등을 통해 보관될 때, 유동성 전극물질의 자가방전을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유동성 전극에 있어, 쉘을 형성하는 이온교환 수지는 양이온 교환 수지 또는 음이온 교환수지일 수 있으며, 전지 또는 수처리 분야에서 통상적으로 사용되는 양이온 또는 음이온 교환수지이면 족하다. 비 한정적인 일 예로, 양이온 교환 수지는 양이온 교환능을 부여하는 술폰산기, 카르복실기 또는 인산기의 관능기가 도입된 불소계 고분자 수지를 들 수 있다.
비한정적인 일 예로, 양이온 교환 수지는 폴리2-술포에틸메타크릴레이트(Poly2-sulfoethylmethacrylate), 폴리디아릴디케틸암모늄클로라이드(Polydiallyldimethylammoniumchloride), 폴리스티렌술포네이트(Polystyrenesulfonate), 폴리포스파젠술포네이트(Polyphosphagensulfonate), 술포닉 폴리이미드(Sulfonic polyimide), 술포닉 폴리페닐렌옥사이드(Sulfonic polyphenyleneoxide), 폴리디메틸페닐렌옥사이드 프로피오닉 산(Polydimethylphenyleneoxide propionic acid), 술포닉 폴리우레탄(Sulfonic polyurethane), 술포닉 폴리에테르술폰(sulfonic polyethersulfone), 술포닉 폴리벤조이미다졸(Sulfonic polybenzoimidazole), 술포닉 폴리(4-페녹시 벤조일-1,4-페닐렌)(Sulfonic poly(4-phenoxy benzoyl-1,4-phenylene)), 술포닉 폴리프로필렌(Sulfonic polypropylene), 술포닉 폴리메틸메타크릴레이트(sulfonic polymethylmethacrylate), 술포닉 폴리(비닐리덴 플루오라이드)(Sulfonic Poly(vinylidene fluoride)), 플루오로 폴리테트라플루오로에틸렌(Fluoro Polytetrafluoroethylene), 폴리(2,4-디메틸 페닐렌 옥사이드)(Poly(2,4-Dimethyl phenylene oxide)), 프로 프로펜산(Propene acid) 및 술포닉 폴리 에테르 케톤(Sulfonic poly ether ether keton)에서 하나 또는 둘 이상 선택된 수지를 포함할 수 있다. 또한, NafionTM등의 상용제품으로 판매되는 이온교환수지일 수 있다.
비 한정적인 일 예로, 음이온 교환 수지는 음이온 교환능을 부여하는 4급 암모늄기(4급 ammonium group), 피리딜기(pyridyl group), 이미다졸기(imidazole group), 4급 피리디늄기(4급 pyridinium group)가 도입된 수지(탄화수소계 수지를 포함함)를 들 수 있다. 비 한정적인 상세한 일 예로, 클로라이드(chloride), 히드록사이드(hydroxide) 또는 카보네이트(carbonate) 도입된 작용기(functional group), 디알킬아미노(dialkylamino) 또는 치환된 디알킬아미노(dialkylamino) 작용기, 아미노알킬포스포네이트(aminoalkylphosphonate) 또는 아미노디아세테이트 (aminodiacetate) 작용기를 갖는 겔 또는 매크로 포러스 고분자일 수 있다. 또한 4급 암모늄 염기로 치환되는 폴리스티렌(Polystyrene) 수지, 1~3급 아민(amin)으로 치환되는 폴리스티렌(polystyrene) 수지, 4-포밀-1-메틸피리디움 벤젠술포네이트(4-formyl-1-methylpyridium benzenesulfonate), 또는 암모늄기 또는 피리디움기로 치환된 폴리비닐아세테이트(PVA) 수지일 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유동성 전극(100)에 있어, 전극활물질의 일 예를 도시한 도면으로, 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 유동성 전극(100)에 있어, 전극 활물질로 함유되는 탄소체(21)는 양의 전하 또는 음의 전하를 갖는 유기 리간드(2 또는 3)가 결합된 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 전극 활물질이 액상 매질 내에서 음 또는 양의 전하를 유기 리간드(2 또는 3)가 탄소체(21) 표면에 구비됨에 따라, 액상 매질(22) 내 탄소체(21)의 분산성 향상뿐만 아니라, 집전체(10)와 전극 분리막(30) 사이의 유동성 전극물질(20)의 내부 저항에 의한 전압 강하를 최소화할 수 있는 장점이 있으며, 유동성 전극물질(20)의 이온 흡착 속도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 유동성 전극물질(20)이 전극 밖으로 배출되어 저장조등을 통해 보관될 때, 유동성 전극물질의 자가방전을 방지할 수 있다.
상세하게, 유동성 전극이 양극인 경우, 탄소체(1)의 표면에 결합된 유기 리간드는 액상 매질 내에서 양의 전하를 띠는 유기 리간드(3)일 수 있으며, 유동성 전극이 음극인 경우, 탄소체의(1) 표면에 결합된 유기 리간드는 액상 매질 내에서 음의 전하를 띠는 유기 리간드(2)일 수 있다.
양의 전하를 갖는 유기 리간드의 일 예로, 암모늄기(-NH3),피리디늄기(-NH) 및 니트릴기(-CN)에서 하나 둘 이상 선택된 작용기를 갖는 유기물을 들 수 있으며, 음의 전하를 갖는 유기 리간드의 일 예로, 카르복실기(-COOH), 산소기(-C=O), 플루오린기(-F), 클로린기(-Cl), 술폰기(_SO2H),포스포닉기(-HPO2H)및 니트로기(-NO2)에서 하나 또는 둘 이상 선택된 작용기를 갖는 유기물을 들 수 있다.
상술한 유기 리간드가 카르복실기, 하이드록실기, 에스테르기, 알데하이드기, 케톤기, 암모늄기, 피리디니움기, 니트릴기 및 에테르기에서 하나 또는 둘 이상 선택된 관능기; 아크릴산, 메타크릴산, 글리시딜아크릴레이트, 글리시딜메타크릴레이트, 폴리에틸렌글리콜디아크릴레이트, 1,3-부틸렌글리콜디아크릴레이트, 에틸렌글리콜디메타크릴레이트, 디에틸렌글리콜디메타크릴레이트, 트리에틸렌글리콜디메타크릴레이트, 폴리에틸렌글리콜디메타크릴레이트, 1,3-부틸렌글리콜디메타크릴레이트, 무수말레인산, 4-비닐페닐보론산, 비닐 아세테이트 및 비닐 알코올을 포함하는 비닐계 단량체; 및 극성 아민기(-NH, -NH2,-NH3)를 포함하는 아민계 단량체;에서 하나 또는 둘 이상 선택된 것일 수도 있다.
양극으로 사용되는 유동성 전극에서는 음 이온의 흡착이 발생할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따라, 양극으로 사용되는 유동성 전극이 양의 전하를 갖는 유기 리간드가 표면 형성된 탄소체를 함유하는 경우, 양극에 인가되는 양의 전압에 의해 분리막에서 집전체 방향으로 음이온의 흐름이 발생함과 동시에, 탄소체의 표면 유기 리간드에 의한 양의 정전위에 의해 음이온이 탄소체 쪽으로 이동하게 된다. 즉, 유동성 전극에 인가되는 전압에 의한 음이온의 흐름과 함께, 유기 리간드에 의한 정전기적 인력에 의해 탄소체 쪽으로도 음이온의 흐름이 형성되어, 탄소체에 의한 음이온의 흡착속도를 현저하게 향상시킬 수 있다.
또한, 탄소체에 흡착된 음이온에 의해, 유동성 전극 물질 내에서 전압 강하가 발생하게 되는데, 흡착된 음이온의 양이 증가할수록 이러한 전압 강하는 더욱 심해져 음이온의 흡착 효율을 저하시킨다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에 따라, 탄소체의 표면에 양의 전하를 갖는 유기 리간드가 결합된 경우, 흡착된 음이온에 의한 전압 강하를 방지할 수 있으며, 탄소체 표면의 정전기(양의 정전기)에 의해 흡착된 음이온의 탈착(자가 방전)을 방지할 수 있다.
음극으로 사용되는 유동성 전극에서는 양 이온의 흡착이 발생할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따라, 음극으로 사용되는 유동성 전극이 음의 전하를 갖는 유기 리간드로 표면 개질된 탄소체를 함유하는 경우, 상술한 바와 유사하게, 탄소체에 의한 양이온 흡착속도를 현저하게 향상시킬 수 있으며, 흡착된 양이온에 의한 전압 강하를 방지할 수 있으며, 유동성 전극물질의 자가 방전을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유동성 전극에 있어, 전극 활물질로 함유되는 탄소체는 전이금속, 알칼리금속, 알칼리토금속, 붕소족, 산소족 및 질소족에서 하나 이상 선택된 원소로 도핑된 것일 수 있다. 이때, 붕소족 원소는 붕소를 포함하며, 산소족 원소는 산소 및 황에서 하나 또는 둘 이상 선택된 원소를 포함하며, 질소족 원소는 질소 및 인에서 하나 또는 둘 이상 선택된 원소를 포함하며, 알칼리금속은 리튬, 소듐 및 칼륨에서 하나 또는 둘 이상 선택된 원소을 포함하며, 알칼리토금속은 베릴륨, 마그네슘, 칼슘, 스트론튬 및 바륨에서 하나 또는 둘 이상 선택된 원소를 포함하며, 전이금속은 망간, 크롬, 니켈, 철, 구리, 코발트, 바나듐, 타이타늄, 이트륨, 지르코늄, 은, 팔라듐, 금 및 백금에서 하나 또는 둘 이상 선택된 원소를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 탄소체에 전이금속, 알칼리금속, 알칼리토금속, 붕소족, 산소족 및 질소족에서 하나 이상 선택된 원소가 도핑됨으로써, 탄소체의 밴드갭 에너지 감도에 따른 전도도를 향상시킬 수 있으며, 탄소체 표면의 불안정한 관능기의 제거가 가능하며, 추가적인 활성 표면적을 제공할 수 있다. 이에 의해, 유동성 전극물질의 내부 저항을 감소시키며, 이온 흡착속도를 향상시키고, 전극물질의 수명을 향상시킬 수 있으며, 보다 균일한 전기장을 형성시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유동성 전극에 있어, 전극 활물질로 함유되는 탄소체는 전도성 입자와 결합된 복합체일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유동성 전극에 있어, 탄소체와 전도성 입자는 물리적, 화학적 또는 열적으로 결합된 것일 수 있다. 물리적 결합은 전도성 입자와 탄소체에 인가된 물리적 충격에 의해 탄소체에 전도성 입자가 부착 및 결합된 것일 수 있으며, 화학적 결합은 탄소체 표면에서 전도성 입자가 핵생성 및 성장함(중합을 포함함)에 따라, 탄소체에 전도성 입자가 결합된 것일 수 있으며, 탄소체와 자발적으로 결합하는 작용기 및 전도성 입자와 자발적으로 결합하는 작용기를 모두 갖는 링커에 의해 탄소체에 전도성 입자가 고정된 것일 수 있으며, 열적 결합은 전도성 입자가 탄소체 표면에 열융착하여 고정된 것일 수 있다.
탄소체에 결합되는 전도성 입자는 아세틸렌 블랙 및 케첸블랙을 포함하는 카본 블랙 입자, 산화루테늄 입자, 산화바나듐 입자, 산화몰리브덴 입자, 산화텅스텐 입자, 산화코발트 입자, 산화니켈입자, 산화이리듐 입자, 산화백금입자, 산화망간입자, 산화티타늄입자, 질화티타늄 입자, 질화망간입자, 질화백금입자, 질화이리듐입자, 질화니켈입자, 질화코발트 입자, 질화텅스텐입자, 질화몰리브덴입자, 질화바나듐 입자, 질화류테늄입자, 티타늄 입자, 탄탈륨 입자, 니켈 입자, 구리 입자, 알루미늄 입자, 루테늄 입자, 바나듐 입자, 몰리브덴 입자, 바나듐 입자, 텅스텐 입자, 코발트 입자, 이리듐 입자, 백금 입자 및 망간 입자에서 하나 또는 둘 이상 선택된 입자일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유동성 전극에 있어, 탄소체는 그래핀(graphene)을 더 함유할 수 있다. 즉, 탄소체는 탄소 입자, 탄소 섬유 및 그래핀에서 둘 이상 선택된 물질을 함유할 수 있다. 이때, 그래핀은 단층 그래핀, 다층 그래핀 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
그래핀은 극히 우수한 전기전도도를 가질 뿐만 아니라, 탄소 섬유와 마찬가지로, 형태상 매우 큰 이방성을 갖는다. 본 발명에 있어, 전극 물질이 전극 활물질과 액상 매질이 혼합되어, 액상 매질에 의해 흐름성을 가짐에 따라, 전극의 작동 중, 외부에서 인가하는 물리력 또는 동작 상태, 환경에 따라 전극 물질의 흐름이 발생할 수 있다. 이러한 경우, 본 발명의 일 실시예에에 따라, 유동성 전극 물질이 매우 큰 이방성의 물리적 형상을 갖는 탄소 섬유 및/또는 그래핀을 함유하는 경우, 흐름이 발생하지 않는 정적 상태뿐만 아니라, 흐름이 발생하는 경우에 매우 효과적으로 유동성 전극 물질의 내부 저항을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유동성 전극에 있어, 정적 상태 및 유동 상태에서의 유동성 전극 물질 내부 저항 감소 측면에서, 탄소체는 탄소 입자와 함께 적어도 탄소 섬유 및 그래핀에서 선택된 적어도 하나 이상의 이방성 전도체를 더 함유하는 것이 바람직하며, 이러한 경우, 탄소체는 탄소 입자 100 중량부를 기준으로 이방성 전도체 10 내지 100 중량부를 함유할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유동성 전극에 있어, 탄소체는 탄소 입자, 탄소 섬유 및 그래핀에서 둘 이상 선택된 물질이 결합한 복합체일 수 있다.
상세하게, 탄소체는 유동성 전극 물질의 내부 저항 감소 및 균일한 전기장 분포 측면에서, 다수개의 탄소 입자가 탄소 섬유에 결합된 복합체, 다수개의 탄소 입자가 그래핀의 표면 또는 다층 그래핀의 층간에 위치 및 결합된 복합체 또는 이들의 혼합물을 함유할 수 있다.
탄소 입자와 탄소 섬유 또는 탄소 입자와 그래핀 간의 결합은 흡착(정전기적 또는 물리적 흡착), 이온 또는 공유 결합을 포함하는 화학적 결합 또는 전도성 고분자 바인더에 의한 결합을 포함할 수 있다.
이하, 상술한 유동성 전극이 구비되는 전극 구조체에 대해 상술한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 구조체의 단면을 도시한 단면도로, 도 4의 일 실시예에 도시한 바와 같이, 전극 구조체는 상술한 유동성 전극을 단위 전극으로 하여, 제1 단위 전극(110) 및 제2 단위 전극(120)을 포함하며, 제1 단위 전극(110) 및 제2 단위 전극(120)이 각 단위 전극의 전극 분리막이 서로 대향되도록 이격 배치된다. 이때, 제1 단위 전극(110) 및 제2 단위전극은 서로 상보적으로 음극(제1 단위 전극)-양극(제2 단위 전극) 또는 양극(제1 단위 전극)-음극(제2 단위 전극)일 수 있다. 이하에서는 설명의 명료함을 위해, 제1 단위 전극(110)을 양극으로, 제2 단위 전극을 음극으로 하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 구조체를 상술하나, 제1 단위 전극(110)이 음극이며, 제2 단위 전극이 양극인 경우에도 유사한 작용을 함은 물론이다.
또한, 도 4의 단면에 도시하지 않았으나, 제1 단위 전극과 제2 단위 전극이 이격 적층된 적층 방향을 상하 방향으로 하고, 상하 방향에 수직인 방향을 측면 방향으로 하여, 전극 구조체의 적어도 서로 대향하는 두 측면 방향은 전도성 또는 비 전도성 측벽에 의해 밀폐될 수 있다. 상세하게, 제1 단위 전극 및 제2 단위 전극 각각에 있어, 집전체와 전극 분리막 사이의 서로 대향하는 두 측면 방향이 측벽에 의해 밀폐될 수 있으며; 제1 단위 전극과 제2 단위 전극 사이의 서로 대향하는 두 측면 방향이 측벽에 의해 밀폐될 수 있으며; 집전체와 전극 분리막 사이의 서로 대향하는 두 측면 방향 및 제1 단위 전극과 제2 단위 전극 사이의 서로 대향하는 두 측면 방향이 측벽에 의해 밀폐될 수 있다. 이러한 측벽은 유동성 물질이 전극 또는 구조체 밖으로 원치 않게 배출되는 것을 방지하기 위함이며, 유동성 물질의 흐름 방향을 가이드(guide)하기 위한 것임에 따라, 측벽의 위치 및/또는 측벽의 구조는 전극 또는 전극 구조체의 용도, 디멘젼(dimension), 사용 조건등에 따라 적절히 가변될 수 있음은 물론이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극 구조체에 있어, 제1 단위 전극 및 제2 단위 전극 사이에는 음이온 및 양이온을 함유하는 용해액(200)이 위치할 수 있다. 상세하게, 제1 단위 전극의 전극 분리막과 제2 단위 전극의 전극 분리막 사이의 공간은 용해액(200)에 의해 채워질 수 있다. 이때, 용해액(200)은 용해액의 액(이하, 전해 용매로 칭함) 내에서 음이온을 띠는 이온성 물질 및 양이온을 띠는 이온성 물질을 모두 함유하는 액을 의미한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극 구조체는 해수 담수화 장치 또는 전기 에너지 저장 장치에 구비되어, 해수 담수화 또는 전기 에너지 저장(전력 생산)에 사용될 수 있다.
도 5에 도시한 일 예와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 구조체는 해수 담수화용일 수 있다. 상세하게, 용해액은 해수일 수 있으며, 유동성 전극물질(20)의 액상 매질(22) 또한 해수일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 전극 구조체가 해수 담수화용인 경우, 전극 구조체는 제1 단위 전극(110)의 집전체 및 상기 제2 단위 전극(120)의 집전체와 연결되어 전압을 인가하는 전원공급부(300)를 더 포함할 수 있다. 전원공급부는 제1 단위 전극의 집전체에 양의 전압을, 제2 단위 전극의 집전체에 음(ground를 포함함)의 전압을 인가하여, 제1 단위 전극과 제2 단위 전극간 전기장을 형성할 수 있다.
이러한 전기장에 의해, 제1 단위 전극과 제2 단위 전극 사이에 위치하는 해수에 함유된 양이온이 제2 단위전극의 전극 분리막을 통해 제2 단위 전극의 유동성 전극물질로 이동하는 양이온 흐름이 발생하고, 해수에 함유된 음이온이 제1 단위전극의 전극 분리막을 통해 제1 단위 전극의 유동성 전극물질로 이동하는 음이온 흐름이 발생할 수 있다.
제1 단위 전극의 유동성 전극물질에 함유되는 탄소체는 유입되는 양이온을 흡착 제거하고, 제2 단위전극의 유동성 전극물질에 함유되는 탄소체는 유입되는 음이온을 흡착 제거하여, 용해액으로 투입되는 해수를 담수화시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극 구조체에 있어, 도 5의 화살표로 도시한 바와 같이, 제1 단위 전극의 유동성 전극 물질, 제2 단위 전극의 유동성 전극 물질 및/또는 용해액(해수)은 전극 구조체로 연속적으로 공급 및 배출되거나, 불연속적으로 공급 및 배출될 수 있다.
연속적 공급 및 배출은 제1 단위 전극의 유동성 전극 물질, 제2 단위 전극의 유동성 전극 물질 및 용해액(해수)에서 적어도 하나 이상 선택되는 유동물질이 전극 구조체로 연속적으로 공급 및 배출됨을 의미한다. 둘 이상의 유동 물질이 연속적으로 공급 및 배출되는 경우, 둘 이상의 유동 물질 각각의 공급 및 배출 속도는 서로 같거나 상이할 수 있다. 해수 담수화 측면에서, 연속적인 해수의 투입에 의해, 양이온 및 음이온이 제거된 담수가 연속적으로 배출될 수 있음은 물론이다.
불연속적 공급 및 배출은 제1 단위 전극의 유동성 전극 물질, 제2 단위 전극의 유동성 전극 물질 및 용해액(해수)에서 적어도 하나 이상 선택되는 유동물질이 정적 상태(static condition)로 전지 구조체에 일정 시간 머무른 후, 외부로부터 유동물질의 공급과 함께 전지 구조체에 정적 상태로 머무른 유동 물질이 배출됨을 의미한다. 둘 이상의 유동 물질이 불연속적 공급 및 배출되는 경우, 둘 이상의 유동 물질 각각이 전지 구조체에 머무르는 시간(즉, 정적 상태 유지 시간)은 서로 같거나 상이할 수 있다. 해수 담수화 측면에서, 불연속적인 해수의 투입에 의해, 양이온 및 음이온이 제거된 담수가 불연속적으로 배출될 수 있음은 물론이다.
도 5에 도시한 일 예와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 구조체는 전기 에너지 저장용일 수 있다.
상세하게, 용해액(200)은 산화 환원 반응에 의해, 양 및 음의 레독스 페어(redox pair)를 형성할 수 있는 양이온 및 음이온을 함유할 수 있다.
상세하게, 용해액(200)에 함유된 양이온은 V3+/V2+, Np4+/Np3+, Sn4+/Sn2+, Sr2+/Sr, Ba2+/Ba, Ce3+/Ce, Zn2+/Zn, As5+/As3+, U4+/U3+, Sb5+/Sb3+, S4+/S2+, Ti4+/Ti2+, In3+/In2+, Ni4+/Ni2+, Cr3+/Cr2+, In2+/In+, Ti3+/Ti2+, Eu3+/Eu2+, Pb2+/Pb, Tl+/Tl, Ti4+/Ti3+, Na+/Na, Li+/Li, K+/K, Mg+/Mg, Mg2 +/Mg, Ca+/Ca, Ca2 +/Ca, Sr+/Sr 및 Be2 +/Be에서 하나 또는 둘 이상 선택된 레독스 페어를 형성할 수 있는 양이온을 포함할 수 있다.
상세하게, 용해액에 함유된 음이온은 F/F-, O/O2 -, Cl/Cl-, Br/Br-, I5 +/I-, Cl/Cl- 및 I/I-에서 하나 또는 둘 이상 선택된 레독스 페어를 형성할 수 있는 음이온을 포함할 수 있다.
용해액의 전해 용매는 상술한 양이온 및 음이온이 안정적으로 이온상을 유지할 수 있는 물질이면 사용가능하며, 일 예로, 수계 용매 또는 비수계 용매일 수 있다. 비수예 용매는 카보네이트계, 에스테르계, 에테르계, 케톤계, 유기황(organosulfur)계, 유기인(organophosphorous)계, 비양성자성 용매 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질을 함유할 수 있다. 실질적인 일 예로, 수계 용매 및 Na+/Na의 레독스 페어와 Cl/Cl-의 레독스 페어를 함유하는 경우, 용해액은 해수일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극 구조체는 제1 단위 전극(110)의 집전체 및 상기 제2 단위 전극(120)의 집전체와 연결되어 전압을 인가하는 전원공급부(300)를 더 포함하고, 각각 레독스 페어를 형성하는 양이온 및 음이온을 함유하는 용해액(200)이 투입될 수 있다.
전원공급부(300)에 의해 제1 단위 전극과 제2 단위 전극간 형성되는 전기장에 의해, 제1 단위 전극과 제2 단위 전극 사이에 위치하는 용해액에 함유된 양이온(일 예로, Na+/Na레독스 페어의 양이온인 Na+이 제2 단위전극의 전극 분리막을 통해 제2 단위 전극의 유동성 전극물질에 흡착되어 분리 저장되며, 용해액에 함유된 음이온(일 예로, Cl/Cl-레독스 페어의 음이온인 Cl-이 제1 단위전극의 전극 분리막을 통해 제1 단위 전극의 유동성 전극물질에 흡착되어 분리 저장될 수 있다.
이에 따라, 용해액에 함유된 각 레독스 페어의 음이온과 양이온이 제1 단위 전극 및 제2 단위 전극에 분리 저장됨으로써, 레독스 페어들의 산화 환원 반응에 의해 전기 에너지를 생성할 수 있는 유동성 전극물질, 즉, 충전 상태의 전극 물질을 제조할 수 있다.
도 4를 기반으로 상술한 일 예와 도 5를 기반으로 상술한 일 예는 서로 결합될 수 있다.
즉, 용해액으로, Na+/Na의 레독스 페어를 형성하는 양이온인 Na+와 Cl/Cl-의 레독스 페어를 형성하는 음이온인 Cl-를 함유하는 해수를 사용하고, 전원 공급부를 통해 제1 단위전극과 제2 단위전극에 전위차를 형성하는 경우, Na+로 이온 충전된 전극 물질을 생성하고, Cl-로 이온 충전된 전극 물질을 생성하며, 해수를 담수화시킬 수 있다.
전극 구조체로부터 배출되는 충전된 제1 단위 전극의 유동성 전극 물질, 충전된 제2 단위 전극의 유동성 전극 물질 및 담수는 각각 전극 구조체와 연결된 보관조에 보관될 수 있음은 물론이다.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (16)

  1. 집전체; 상기 집전체에 이격 배치되는 전극 분리막; 상기 집전체와 전극 분리막 사이에 위치하는 유동성 전극물질을 포함하며,
    상기 유동성 전극물질은 탄소 입자, 탄소 섬유 또는 이들의 혼합물을 포함하는 탄소체를 전극 활물질로 함유하는 유동성 전극.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 탄소체는 이온 교환수지로 표면 코팅된 코어-쉘 구조인 유동성 전극.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 탄소체는 표면에 음 또는 양의 전하를 갖는 유기 리간드가 결합된 표면개질된 전극 활물질인 유동성 전극.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 탄소체는 붕소족, 산소족 및 질소족에서 하나 이상 선택된 원소로 도핑된 입자인 유동성 전극.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 탄소체는 전도성 입자와 결합된 복합체인 유동성 전극.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 탄소체는 그래핀(graphene)을 더 포함하는 유동성 전극.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 탄소체는 탄소 입자, 탄소 섬유 및 그래핀에서 둘 이상 선택된 물질이 결합한 복합체인 유동성 전극.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 전극 분리막은 이온 교환막인 유동성 전극.
  9. 제 2항에 있어서,
    상기 전극 분리막은 미세공 절연막인 유동성 전극.
  10. 제 1항 내지 제 9항에서 선택된 어느 한 항에 따른 유동성 전극을 단위 전극으로 하여,
    제 1단위 전극 및 제2 단위 전극을 포함하며, 제1 단위 전극 및 제2 단위 전극이 전극 분리막을 통해 서로 대향되도록 이격 배치된 전극 구조체.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 제1 단위 전극의 전극 분리막과 상기 제2 단위 전극의 전극 분리막 사이에 음이온 및 양이온을 함유하는 용해액이 위치하는 전극 구조체.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 전극 구조체는 해수 담수화용인 전극 구조체.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 용해액은 해수인 전극 구조체.
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 전극 구조체는 전기 에너지 저장용인 전극 구조체.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 전극 구조체는 상기 제1 단위 전극의 집전체 및 상기 제2 단위 전극의 집전체와 연결되어 전압을 인가하는 전원공급부를 더 포함하며,
    상기 용해액에 함유된 음이온이 상기 제1 단위 전극의 유동성 전극물질에 흡착 또는 결합되고, 상기 용해액에 함유된 양이온이 상기 제2 단위 전극의 유동성 전극물질에 흡착 또는 결합되어, 제1 단위 전극 및 제2 단위 전극의 유동성 전극 물질에 전기적 에너지를 저장하는 전극 구조체.
  16. 제 14항에 있어서,
    상기 용해액은 V3+/V2+, Np4+/Np3+, Sn4+/Sn2+, Sr2+/Sr, Ba2+/Ba, Ce3+/Ce, Zn2+/Zn, As5+/As3+, U4+/U3+, Sb5+/Sb3+, S4+/S2+, Ti4+/Ti2+, In3+/In2+, Ni4+/Ni2+, Cr3+/Cr2+, In2+/In+, Ti3+/Ti2+, Eu3+/Eu2+, Pb2+/Pb, Tl+/Tl, Ti4+/Ti3+, Na+/Na, Li+/Li, K+/K, Mg+/Mg, Mg2+/Mg, Ca+/Ca, Ca2+/Ca, Sr+/Sr 및 Be2+/Be에서 하나 또는 둘 이상 선택된 레독스 페어를 형성할 수 있는 양이온; 및 F/F-, O/O2 -, Cl/Cl-, Br/Br-, I5 +/I-, Cl/Cl- 및 I/I-에서 하나 또는 둘 이상 선택된 레독스 페어를 형성할 수 있는 음이온;을 함유하는 전극 구조체.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104140144A (zh) * 2014-08-03 2014-11-12 大连理工大学 一种氧化石墨烯液晶乳液的制备方法及应用
WO2016140521A1 (ko) * 2015-03-04 2016-09-09 한국에너지기술연구원 격자형 흐름전극구조체
KR101690543B1 (ko) * 2015-07-29 2016-12-28 창원대학교 산학협력단 고분자 코팅된 유동상 카본 전극의 제조방법, 그에 따른 유동상 카본 전극
US10522849B2 (en) 2015-03-04 2019-12-31 Korea Institute Of Energy Research Electrochemical cell comprising channel-type flowable electrode units
CN115477374A (zh) * 2022-07-21 2022-12-16 贵州大学 一种MoO2@NHCS空心结构材料的制备及应用方法

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104140144A (zh) * 2014-08-03 2014-11-12 大连理工大学 一种氧化石墨烯液晶乳液的制备方法及应用
CN104140144B (zh) * 2014-08-03 2015-10-28 大连理工大学 一种流动脱盐用氧化石墨烯液晶乳液的制备方法
WO2016140521A1 (ko) * 2015-03-04 2016-09-09 한국에너지기술연구원 격자형 흐름전극구조체
US10522849B2 (en) 2015-03-04 2019-12-31 Korea Institute Of Energy Research Electrochemical cell comprising channel-type flowable electrode units
KR101690543B1 (ko) * 2015-07-29 2016-12-28 창원대학교 산학협력단 고분자 코팅된 유동상 카본 전극의 제조방법, 그에 따른 유동상 카본 전극
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