KR20200031206A - 담수 생산 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 담수 생산 이차 전지에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는 유기 전해질에 함침되는 애노드(anode)를 포함하는 음극부; 상기 음극부의 일측에 결합하며, 해수, 염수 또는 농축 폐수가 주입되는 담수 생성부; 상기 담수 생성부의 일측에 결합하며, 물(water)에 함침되는 제1 캐소드(cathode)를 포함하는 제1 양극부; 및 상기 음극부의 타측에 결합하며, 물에 함침되는 제2 캐소드를 포함하는 제2 양극부를 포함할 수 있다.

Description

담수 생산 이차전지{SECONDARY BATTERY FOR MANUFACTURING DESALINATED WATER}
본 발명은 담수 생산 이차 전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 충방전(charge-discharge) 과정에서 담수를 생산할 수 있는 이차 전지에 관한 것이다.
일반적으로, 이차 전지는 양극과 음극에 전기 화학 반응이 가능한 물질을 사용함으로써, 화학 에너지와 전기 에너지 간의 전환을 통해 충전과 방전이 가능한 전지를 의미한다. 이러한 전지 중 대표적인 예로는 양극 및 음극에서 리튬 이온이 인터칼레이션-디인터칼레이션될 때의 화학 전위의 변화에 의하여 전기 에너지를 생성하는 리튬 이차 전지가 있다. 다만, 리튬은 지구상에 한정된 양만이 존재하며 일반적으로 어려운 공정을 통해 수득되고 있다. 이에 전지의 제조를 위해 고비용과 고에너지가 사용되는 문제가 있어, 리튬을 대체할 수 있는 차세대 이자 전지가 필요한 실정이다.
이차 전지와 별도로 수질 오염이나 가뭄으로 인한 음용수 부족을 해결하기 위한 담수화 기술도 다양하게 연구되고 있다. 담수화 기술은 증발법, 역삼투법, 전기투석법, 및 정삼투법 등이 사용되고 있으며, 담수화에 필요한 에너지의 사용을 최소화하기 위한 연구가 진행되고 있다.
종래의 경우, 상술한 이차 전지와 담수화 장치가 각각 별도로 개발되어 개별적으로 설치되어 있어, 이들을 하나의 장치로 통합시켜 운영하기 위한 기술의 개발이 요구되고 있다.
[특허문헌 1] 한국등록특허 제10-1702929호
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 충방전(charge-discharge) 과정에서 담수를 생산할 수 있는 이차 전지를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 충방전 과정에서 자원을 생산할 수 있는 이차 전지를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 충방전 과정에서 각 양극부에서 생성된 생성물에 의한 pH를 중화할 수 있는 이차 전지를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 충방전 과정에서 각 양극부에서 고체 화합물을 생산할 수 있는 이차 전지를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 충방전 과정에서 해수 살균 및 염소 중화 처리를 수행할 수 있는 이차 전지를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 담수 생성이 가능한 이차 전지는 유기 전해질에 함침되는 애노드(anode)를 포함하는 음극부; 상기 음극부의 일측에 결합하며, 해수, 염수 또는 농축폐수가 주입되는 담수 생성부; 상기 담수 생성부의 일측에 결합하며, 물(water)에 함침되는 제1 캐소드(cathode)를 포함하는 제1 양극부; 및 상기 음극부의 타측에 결합하며, 물에 함침되는 제2 캐소드를 포함하는 제2 양극부를 포함할 수 있다.
실시예에서, 상기 음극부는, 유기 용매로 채워지며, 상기 유기 용매에 함침된 애노드를 포함할 수 있다.
실시예에서, 담수 생성이 가능한 이차 전지는 상기 음극부 및 상기 담수 생성부 사이에는 상기 담수 생성부로부터 상기 음극부로 나트륨 이온이 통과할 수 있는 고체 전해질을 더 포함할 수 있다.
실시예에서, 담수 생성이 가능한 이차 전지는 상기 제1 양극부 및 상기 담수 생성부 사이에는, 상기 담수 생성부로부터 상기 제1 양극부로 염소 이온이 통과할 수 있는 음이온 교환막을 더 포함할 수 있다.
실시예에서, 담수 생성이 가능한 이차 전지는 상기 음극부 및 상기 제2 양극부 사이에는, 상기 음극부로부터 상기 제2 양극부로 나트륨 이온이 통과할 수 있는 고체 전해질을 더 포함할 수 있다.
실시예에서, 상기 제1 캐소드, 제2 캐소드 및 애노드는 전기적으로 연결될 수 있다.
실시예에서, 담수 생성이 가능한 이차 전지는 상기 제1 양극부, 상기 담수 생성부 및 상기 제2 양극부의 생성물을 외부로 배출할 수 있는 밸브를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
실시예에서, 상기 제어부는 소정 주기로 충전 반응이 상기 제1 양극부와 음극부 사이에서 일어난 뒤 상기 제1 양극부의 밸브를 개방할 수 있다.
실시예에서, 상기 제어부는 상기 제1 양극부의 생성물이 소정 농도 이상이 되면 상기 제1 양극부의 밸브를 개방하여 상기 제1 양극부의 생성물을 외부로 방출시킬 수 있다.
실시예에서, 상기 담수 생산이 가능한 이차 전지는 양단이 각각 상기 제1 양극부와 상기 제2 양극부에 연결된 전달관;을 더 포함할 수 있다.
실시예에서, 상기 담수 생산이 가능한 이차 전지는 상기 제1 양극부의 생성물이 소정 농도 이상이 되면 상기 전달관의 밸브를 개방하여 상기 제1 양극부의 생성물이 상기 제2 양극부로 전달되도록 제어하는 제어부;를 더 포함할 수 있다.
실시예에서, 상기 제1 캐소드는, 염소 이온과 반응하여 고체 화합물을 생성하는 금속으로 구성되는 집전체를 포함할 수 있다.
실시예에서, 상기 금속은, 은 금속, 아연 금속 및 구리 금속 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
실시예에서, 상기 담수 생산이 가능한 이차 전지는 공기 중의 이산화탄소와 상기 제2 양극부의 물이 접촉할 수 있도록 하기 위한 환기구;를 더 포함할 수 있다.
실시예에서, 상기 제2 양극부는, 해수에 함침되는 제2 캐소드를 포함할 수 있다.
실시예에서, 이차 전지는, 유기 전해질에 함침되는 애노드(anode)를 포함하는 음극부; 상기 음극부의 일측에 결합하며, 해수, 염수 또는 농축 폐수에 함침되는 제1 캐소드(cathode)를 포함하는 제1 양극부; 상기 음극부의 타측에 결합하며, 제2 캐소드를 포함하는 제2 양극부; 및 양단이 상기 제1 양극부와 상기 제2 양극부에 각각 연결되고, 염소계 살균 물질에 의해 살균된 상기 해수, 염수 또는 농축 폐수를 상기 제2 양극부로 전달하는 살균 탱크; 를 포함하고, 상기 염소계 살균 물질은, 충전 시 상기 제1 양극부에서 상기 해수, 염수 또는 농축 폐수로부터 생성될 수 있다.
상기한 목적들을 달성하기 위한 구체적인 사항들은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술될 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
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.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 해수와 같은 풍부하고 획득이 용이한 지원을 이용함으로써, 보다 낮은 비용으로 이차 전지를 제조할 수 있다.
또한, 이차 전지의 충방전 과정에서 해수를 담수로 변환하여 제공함으로써, 별도의 담수화 시설 없이 보다 적은 에너지로 음용수 부족을 해결할 수 있다.
또한, 해수 대신 염수 또는 염분 농축폐수를 저농도 염수로 변환하여 제공함으로써, 농축 폐수의 처리 시설로 이용할 수 있다.
또한, 이차 전지의 충방전 과정에서 HCl, NaOH, Na 금속 및 고체 화합물과 같은 자원을 생산함으로써, 자원 부족을 해결할 수 있다.
또한, 해수를 이용하여 전기의 충방전뿐만 아니라 담수 또한 생산함으로써, 전력과 더불어 물 부족 문제를 동시에 해결할 수 있다.
본 발명의 효과들은 상술된 효과들로 제한되지 않으며, 본 발명의 기술적 특징들에 의하여 기대되는 잠정적인 효과들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 충방전 및 자원 생성을 위한 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 충방전 및 자원 생성 과정을 설명하기 위한 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 pH 중화 과정을 생성하기 위한 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 충방전 과정의 전압 성능 그래프를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 자원 생성 성능 그래프를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 고체 화합물 생성 과정을 설명하기 위한 구성을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 해수 살균 및 염소 중화를 설명하기 위한 구성을 도시한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고, 여러 가지 실시예들을 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세히 설명하고자 한다.
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.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 충방전(charge-discharge) 과정에서 담수 및 자원을 생산할 수 있는 이차 전지를 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(100)의 충방전 및 자원 생성을 위한 구성을 도시한 도면이다.
도 1을 참고하면, 이차 전지(100)는 제1 양극부(110), 담수 생성부(120), 음극부(130), 및 제2 양극부(140)를 포함할 수 있다.
제1 양극부(110)는 물(water)에 함침되는 제1 캐소드(cathode)와 물이 담기는 수조를 포함한다. 여기서, 제1 캐소드는 이차 전지(100)의 충전 시 제1 양극부(110)에서 이용되는 캐소드를 의미할 수 있다. 제1 캐소드는 카본 펠트, 카본 페이퍼, 카본 파이버, 금속 박막 또는 이들의 조합일 수 있는 양극 집전체 및 양극 집전체 상에 마련된 촉매층을 포함할 수 있다.
담수 생성부(120)에는 해수가 담겨있으며, 이차 전지(100)의 충전 시 해수 내의 이온 상태로 존재하는 Cl- 이온은 음이온 교환막(AEM, Anion Exchange Membrane)(115)을 통과하여 제1 양극부(110)로 전달되고, 해수 내의 Na+ 이온은 제1 고체 전해질(125)을 통과하여 음극부(130)로 전달됨으로써, 담수가 생성된다.
담수 생성부(120)와 제1 양극부(110) 사이에는, 담수 생성부(120)와 제1 양극부(110)를 분리하면서, 이차 전지(100)의 충전 시, Cl- 이온을 통과시키는 음이온 교환막(115)이 위치할 수 있다.
음극부(130)는 유기 전해질(예: TEGDME의 1M NaCF3SO3)에 함침되는 애노드(anode)를 포함할 수 있다. 애노드는 음극 집전체 및 음극 집전체 상에 위치하는 활물질층을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 활물질층으로써 나트륨 금속이 사용되었다. 일 실시예에서는 활물질층으로써 하드 카본(hard carbon, HC), 유기물계 재료, 또는 합금계 재료를 사용함으로써, Na 금속을 사용한 경우보다 충전 전력의 소모가 감소될 수 있다.
담수 생성부(120)와 음극부(130) 사이에는, 담수 생성부(120)와 음극부(130)를 분리하면서, 이차 전지(100)의 충전 시, Na+ 이온을 통과시키는 제1 고체 전해질(예: 나시콘(NASICON))(120)이 위치할 수 있다.
제2 양극부(140)는 물에 함침되는 제2 캐소드와 물이 담기는 수조를 포함한다. 여기서, 제2 캐소드는 이차 전지(100)의 방전 시 제2 양극부(140)에서 이용되는 캐소드를 의미할 수 있다. 제2 캐소드는 카본 펠트, 카본 페이퍼, 카본 파이버, 금속 박막 또는 이들의 조합일 수 있는 양극 집전체 및 양극 집전체 상에 마련된 촉매층을 포함할 수 있다.
음극부(130)와 제2 양극부(140) 사이에는, 음극부(130)와 제2 양극부(140)를 분리하면서, 이차 전지(100)의 방전 시, Na+ 이온을 통과시키는 제2 고체 전해질(예: NASICON)(135)이 위치할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(100)의 충방전 및 자원 생성 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 2의 (a)를 참고하면, 이차 전지(100)의 충전 시, 제1 양극부(110)의 제1 캐소드에서 물(H2O)이 O2와 H+ 이온으로 분리되는 반응이 일어나면서, 전자가 생성된다. 제1 양극부(110)의 제1 캐소드와 음극부(130)의 애노드는 도선으로 연결되어 있기 때문에, 생성된 전자는 제1 양극부(110)의 제1 캐소드로부터 음극부(130)의 애노드로 전달되면서 이차 전지(100)가 충전된다. 즉, 충전 시에는 제1 캐소드에서 애노드로 전자가 이동하게 된다.
여기서, 제1 캐소드에서 생성된 H+ 이온은 담수 생성부(120)로부터 음이온 교환막(115)을 통해 제1 양극부(110)로 전달된 Cl- 이온과 결합하게 되어, 제1 양극부(110)에서 HCl이 생성된다. 일 실시예에서, HCl은 액체 상태로 존재할 수 있다. 또한, 제1 캐소드로부터 애노드로 이동된 전자는 담수 생성부(120)로부터 제1 고체 전해질(125)을 통해 전달된 Na+ 이온과 결합하게 되어, 음극부(130)의 애노드에서 Na 금속이 생성된다.
본 발명의 일 실시예에서, 이차 전지(100)의 충전 개시 후 충전이 완료되어 담수 생성부(120)의 Na+ 이온이 일정량 이상 음극부(130)로 이동되는 시간이 1주기(cycle)로 설정될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 이차 전지(100)가 10회 충전된 후, 해수의 이온 농도는 하기 <표 1>와 같이 확인될 수 있다.
샘플 이온 농도(mg/L)
Na+ Mg2+ K+ Ca2+ Cl- SO4 2- 전체
초기 해수 10,166 1,229 395 450 19,916 2,754 34,910
10회 충전 후 해수 9,072 1,171 369 429 18,176 2,681 31,898
상기 <표 1>을 참고하면, 이차 전지(100)가 10회 충전된 후, 해수의 Na+ 이온의 농도는 10,166mg/L(또는 ppm)에서 9,072mg/L로 감소되고 Cl- 이온의 농도는 19,916mg/L에서 18,176mg/L로 감소되는 바, 이차 전지(100)의 충전에 따라 해수의 담수화가 진행됨을 확인할 수 있다.
도 2의 (b)를 참고하면, 이차 전지(100)의 방전 시, 음극부(130)의 애노드로 이동한 전자가 제2 양극부(140)로 전달된다. 이후, 전달된 전자가 제2 양극부(140)의 캐소드에서 물(H2O) 및 O2와 결합되어 OH- 이온이 발생되면서 이차 전지(100)가 방전된다.
여기서, 상기 생성된 OH- 이온이 음극부(130)로부터 제2 고체 전해질(135)을 통해 전달된 Na+ 이온과 결합함으로써, 제2 양극부(140)에서 NaOH가 생성된다. 일 실시예에서, NaOH는 액체 상태로 존재할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 이차 전지(100)의 충방전 후, 제1 양극부(110)의 산 생성물(acid product)과 제2 양극부(140)의 알칼리 생성물(alkali product)의 이온 농도는 하기 <표 2>와 같이 확인될 수 있다.
샘플 이온 농도(mg/L)
Na+ Mg2+ K+ Ca2+ Cl- SO4 2-
물 0.0161 0.0055 - 0.0466 0.0222 -
산 생성물 26.99 0.37 1.46 0.25 310.08 1.38
알칼리 생성물 156.26 0.81 2.51 1.65 1.13 3.24
상기 <표 2>를 참고하면, 이차 전지(100)의 충전 전 제1 양극부(110)의 물의 Cl- 이온의 농도는 0.0222mg/L(또는 ppm)였으나, 충전 후 제1 양극부(110)의 물은 HCl에 의해 산 생성물로 변화되었으며, 상기 산 생성물의 Cl- 이온의 농도는 310.08mg/L로 증가되었다. 또한, 이차 전지(100)의 방전 전 제2 양극부(140)의 물의 Na+ 이온의 농도는 0.0161mg/L였으나, 방전 후 제2 양극부(140)의 물은 NaOH에 의해 알칼리 생성물로 변화되었으며, 상기 알칼리 생성물의 Na+ 이온의 농도는 156.26mg/L로 증가되었다.
상기 <표 2>에서의 물은 양이온 및 음이온이 화학적 또는 물리적으로 제거된 상태의 DI(deionized) 물을 포함할 수 있다.
도 2에는 도시되지 않았지만, 본 발명의 일 실시예에서, 제1 양극부(110)는 물이 공급되는 유입관, HCl이 외부로 배출되는 배출관, 및 배출관에 장착된 개폐밸브를 더 포함하고, 또한 HCl의 농도를 측정하는 센서를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 센서는 제1 양극부(110)에서의 HCl 농도를 측정하여, HCl 농도 정보를 이차 전지(100)에 포함된 제어부에게 전송할 수 있다. 이후, 제어부는 HCl 농도 정보에 기반하여, 제1 양극부(110)에서의 HCl이 소정 농도 이상 되는 경우, 개폐밸브를 개방하여 배출관을 통해 HCl을 배출하도록 제어할 수 있다.
담수 생성부(120)는 해수가 유입되는 유입관과 생성된 담수가 외부로 배출되는 배출관, 및 배출관에 장착된 개폐밸브를 더 포함하고, 또한 담수의 Na+ 이온 및 Cl- 이온의 농도를 측정하는 센서를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 센서는 담수 생성부(120)에서의 Na+ 이온 및 Cl- 이온의 농도를 측정하여, Na+/Cl- 이온 농도 정보를 이차 전지(100)에 포함된 제어부에게 전송할 수 있다. 이후, 제어부는 Na+/Cl- 이온 농도 정보에 기반하여, 담수 생성부(120)에서의 Na+ 이온 및 Cl- 이온의 농도가 소정 농도 이상 되는 경우, 개폐밸브를 개방하여 배출관을 통해 담수를 배출하도록 제어할 수 있다.
제2 양극부(140)는 물이 공급되는 유입관, NaOH가 외부로 배출되는 배출관, 및 배출관에 장착된 개폐밸브를 더 포함하고, 또한 NaOH의 농도를 측정하는 센서를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 센서는 제2 양극부(140)에서의 NaOH 농도를 측정하여, NaOH 농도 정보를 이차 전지(100)에 포함된 제어부에게 전송할 수 있다. 이후, 제어부는 NaOH 농도 정보에 기반하여, 제2 양극부(140)에서의 NaOH가 소정 농도 이상 되는 경우, 개폐밸브를 개방하여 배출관을 통해 NaOH를 배출하도록 제어할 수 있다.
순도 높은 HCl과 NaOH를 만들기 위하여, 제1 양극부(110)와 제2 양극부(140)에 물이 공급되어야 하며, 이차 전지(100)의 충방전 과정을 통하여 담수 생성부(120)에서 담수가 수회 생성되는 과정을 거치는 동안에, 제1 양극부(110)와 제2 양극부(140)에서 생성되는 HCl 및 NaOH은 농축된다. 예컨대, HCl의 물에 대한 용해도를 고려하면 20M의 염산 용액이 될 때까지 HCl를 농축시키고, 20M의 염산이 되면 외부로 배출시킬 수 있다. 다른 예를 들어, NaOH의 물에 대한 용해도를 고려하여 20M의 수산화나트륨 용액이 될 때까지 NaOH를 농축시키고, 20M의 수산화나트륨이 되면 외부로 배출시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(100)의 pH 중화 과정을 생성하기 위한 구성을 도시한 도면이다.
도 3을 참고하면, 이차 전지(100)는 제1 양극부(110), 담수 생성부(120), 음극부(130), 및 제2 양극부(140)를 포함할 수 있다.
제1 양극부(110)는 물 또는 해수에 함침되는 제1 캐소드와 물 또는 해수가 담기는 수조를 포함한다. 일 실시예에서, 충전 시, 제1 양극부(110)의 제1 캐소드에서 물(H2O)이 O2와 H+ 이온으로 분리되는 반응이 일어나면서, 전자가 생성될 수 있다. 여기서, 제1 양극부(110)에서는 H+ 이온이 담수 생성부(120)로부터 음이온 교환막(115)을 통해 제1 양극부(110)로 전달된 Cl- 이온과 결합하여 HCl이 생성될 수 있다.
일 실시예에서, 이차 전지(100)는 양단이 각각 제1 양극부(110)와 제2 양극부(140)에 연결된 전달관(300)을 포함할 수 있다. 전달관(300)은 전달관(300)에 장착된 개폐밸브와 HCl의 농도를 측정하는 센서를 포함할 수 있다. 이 경우, 센서는 제1 양극부(110)에서의 HCl 농도를 측정하여, HCl 농도 정보를 이차 전지(100)에 포함된 제어부에게 전송할 수 있다. 이후, 제어부는 HCl 농도 정보에 기반하여, 제1 양극부(110)에서의 HCl이 소정 농도 이상 되는 경우, 개폐밸브를 개방하여 전달관(300)을 통해 HCl을 제2 양극부(140)로 전달하도록 제어할 수 있다.
HCl은 제1 양극부(110)로부터 전달관(300)을 통해 제2 양극부(140)로 전달되고, 제2 양극부(140)에서 방전 과정을 통해 생성된 NaOH와 반응하여, 하기 <화학식 1>과 같은 pH 중화 반응이 발생할 수 있다. 즉, 이차 전지(100)의 충방전 과정을 통해 생성된 수소 이온(H+)과 수산화 이온(OH-)은 pH 중화 반응을 통해 제거될 수 있다.
Figure pat00001
이 경우, 제2 양극부(140)는 중화 반응을 통해 생성된 중화 수용액(neutralized water)을 외부로 배출하는 배출관, 및 배출관에 장착된 개폐밸브를 더 포함하고, 또한 중화 수용액의 pH를 측정하는 센서를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 센서는 중화 수용액의 pH를 측정하여, pH 정보를 이차 전지(100)에 포함된 제어부에게 전송할 수 있다. 이후, 제어부는 중화 수용액의 pH 정보에 기반하여, 제2 양극부(140)에서의 중화 수용액의 pH가 임계값 이상 되는 경우, 개폐밸브를 개방하여 배출관을 통해 중화 수용액을 배출하도록 제어할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(100)의 충방전 과정의 전압 성능 그래프를 도시한 도면이다.
도 4의 (a) 내지 (c)를 참고하면, 이차 전지(100)가 충전되는 경우(적색 라인), 이차 전지(100)의 용량(capacity)이 증가함에 따라 전압이 증가하고, 매 회마다 전압이 유사하게 증가하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 이차 전지(100)가 방전되는 경우(청색 라인), 용량이 증가함에 따라 전압이 감소하고, 매 회마다 전압이 유사하게 감소함을 확인할 수 있다. 즉, 이차 전지(100)의 충방전 시 설계한 전압이 획득될 수 있다.
도 4의 (d)를 참고하면, 이차 전지(100)가 충전되는 경우와(적색 도트) 방전되는 경우(청색 도트), 매 회마다 이차 전지(100)의 용량이 일정하게 유지됨을 확인할 수 있다. 또한, 이차 전지(100)의 충전 시 충전 캐소드의 산화와 애노드의 환원 반응에 사용된 전하의 양과 방전 시 방전 캐소드의 환원과 애노드의 산화 반응에 사용된 전하의 비(ratio)를 나타내는 쿨롱 효율이 일정하게 유지됨을 확인할 수 있다(보라색 도트).
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(100)의 자원 생성 성능 그래프를 도시한 도면이다.
도 5의 (a)를 참고하면, 이차 전지(100)가 매 회 충전될 때마다 제1 양극부(110)에서 생성되는 HCl의 양이 증가되기 때문에, 제1 양극부(110)에서의 pH가 감소하는 것을 확인할 수 있다.
도 5의 (b)를 참고하면, 이차 전지(100)의 충전 시 Cl- 이온이 담수 생성부(120)로부터 음이온 교환막(115)을 통해 제1 양극부(110)로 전달되는 바, 제1 양극부(110)에서의 Cl- 이온에 대한 피크를 확인할 수 있다.
도 5의 (c)를 참고하면, 이차 전지(100)가 매 회 방전될 때마다 제2 양극부(140)에서 생성되는 NaOH의 양이 증가되기 때문에, 제2 양극부(140)에서의 pH가 증가하는 것을 확인할 수 있다.
도 5의 (d)를 참고하면, 이차 전지(100)의 방전 시 Na+ 이온이 음극부(130)로부터 제2 고체 전해질(135)을 통해 제2 양극부(140)로 전달되는 바, 제2 양극부(140)에서의 Na+ 이온에 대한 피크를 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(100)의 고체 화합물 생성 과정을 설명하기 위한 구성을 도시한 도면이다.
도 6을 참고하면, 제1 양극부(110)는 물 또는 용액에 함침되는 제1 캐소드와 물이 담기는 수조를 포함한다. 여기서, 제1 캐소드는 이차 전지(100)의 충전 시 제1 양극부(110)에서 이용되는 캐소드를 의미할 수 있다. 제1 캐소드는 염소 이온과 반응하여 고체 화합물을 생성하는 금속으로 구성될 수 있는 양극 집전체 및 상기 양극 집전체 상에 마련된 촉매층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 양극 집전체는 은 금속(Ag), 아연 금속(Zn) 및 구리 금속(Cu) 중 적어도 하나로 구성되거나 이들의 조합으로 구성될 수 있다.
이 경우, 충전 시, 음극부(130)의 해수 속의 염소 이온이 음이온 교환막(115)을 통해 제1 양극부(110)로 전달되면서, 제1 양극부(110)에서는 아래와 같은 <화학식 2> 내지 <화학식 4> 중 적어도 하나의 반응이 발생할 수 있다.
Figure pat00002
Figure pat00003
Figure pat00004
즉, 충전 시, 제1 양극부(110)에서는 AgCl, ZnCl2 및 CuCl2 중 적어도 하나의 고체 화합물이 생성될 수 있다. 일 실시예에서, 제1 양극부(110)는 생성된 고체 화합물을 외부로 배출하는 배출부를 포함하고, 상기 배출부는 충전 시 또는 충전 완료 후 선택적으로 개폐되어 고체 화합물을 배출하는 배출관을 포함할 수 있다.
담수 생성부(120)에는 해수가 담겨있으며, 이차 전지(100)의 충전 시 해수 내의 이온 상태로 존재하는 Cl- 이온은 음이온 교환막(115)을 통과하여 제1 양극부(110)로 전달되고, 해수 내의 Na+ 이온은 제1 고체 전해질(125)을 통과하여 음극부(130)로 전달됨으로써, 담수가 생성된다. 이 경우, 담수 생성부(120)는 생성된 담수를 외부로 배출하는 배출부를 포함하고, 상기 배출부는 충전시 또는 충전 완료 후 선택적으로 개폐되어 담수를 배출하는 배출관을 포함할 수 있다.
음극부(130)는 유기 전해질(예: TEGDME의 1M NaCF3SO3)에 함침되는 애노드를 포함할 수 있다. 애노드는 음극 집전체 및 음극 집전체 상에 위치하는 활물질층을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 활물질층으로써 나트륨 금속이 사용되었다.
충전 시, 담수 생성부(120)의 해수에 포함된 Na+ 이온이 제1 고체 전해질(125)을 통과하여 음극부(130)로 전달되면서, 음극부(130)에서는 하기 <화학식 5>와 같은 반응이 발생할 수 있다.
Figure pat00005
방전 시, 음극부(130)의 Na+ 이온은 제2 고체 전해질(135)을 통과하여 제2 양극부(140)로 전달될 수 있다.
제2 양극부(140)는 물 또는 해수에 함침되는 제2 캐소드와 물 또는 해수가 담기는 수조를 포함한다. 여기서, 제2 캐소드는 이차 전지(100)의 방전 시 제2 양극부(140)에서 이용되는 캐소드를 의미할 수 있다. 방전 시, 제2 양극부(140)에서는 물과 산소가 반응하여 하기 <화학식 6>과 같은 반응이 발생할 수 있다.
Figure pat00006
이 경우, 방전 시, 제2 양극부(140)에서는 제2 양극부(140)의 제2 캐소드가 함침되는 수용액에 포함된 양이온의 종류에 따라 다양한 종류의 고체 화합물이 생성될 수 있다.
예를 들어, 제2 양극부(140)에서는 아래와 같은 <화학식 7> 내지 <화학식 9> 중 적어도 하나의 화학 반응이 발생할 수 있다.
Figure pat00007
Figure pat00008
Figure pat00009
즉, 방전 시, 제2 양극부(140)에서는, Ca2CO3, Na2CO3 및 MgCO3 중 적어도 하나의 고체 화합물이 생성될 수 있다. 일 실시예에서, 마그네슘 이온(Mg2+) 및 칼슘 이온(Ca2+)은 해수에 포함된 양이온일 수 있다. 다른 실시예에서, 나트륨 이온(Na+)은 음극부(130)으로부터 제2 고체 전해질(135)을 통해 제2 양극부(140)로 전달된 양이온일 수 있다.
일 실시예에서, CO2는 공기 중에 포함된 이산화탄소를 의미할 수 있으며, 이 경우, 제2 양극부(140)는 공기 중의 이산화탄소와 제2 양극부(140)의 수용액이 접촉할 수 있도록 하기 위한 환기구를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 제2 양극부(140)는 생성된 고체 화합물을 외부로 배출하는 배출부를 포함하고, 상기 배출부는 충전 시 또는 충전 완료 후 선택적으로 개폐되어 고체 화합물을 배출하는 배출관을 포함할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(700)의 해수 살균 및 염소 중화를 설명하기 위한 구성을 도시한 도면이다.
도 7을 참고하면, 이차 전지(700)은 제1 양극부(710), 음극부(720) 및 제2 양극부(730)를 포함할 수 있다.
제1 양극부(710)는 해수에 함침되는 제1 캐소드와 해수가 담기는 수조를 포함한다. 여기서, 제1 캐소드는 이차 전지(700)의 충전 시 제1 양극부(710)에서 이용되는 캐소드를 의미할 수 있다. 제1 캐소드는 카본 펠트, 카본 페이퍼, 카본 파이버, 금속 박막 또는 이들의 조합일 수 있는 양극 집전체 및 양극 집전체 상에 마련된 촉매층을 포함할 수 있다.
제1 양극부(710)와 음극부(720) 사이에는, 제1 양극부(710)와 음극부(720)를 분리하면서, 이차 전지(700)의 충전 시, Na+ 이온을 통과시키는 제1 고체 전해질(예: 나시콘(NASICON))(715)이 위치할 수 있다.
음극부(720)는 유기 전해질(예: TEGDME의 1M NaCF3SO3)에 함침되는 애노드를 포함할 수 있다. 애노드는 음극 집전체 및 음극 집전체 상에 위치하는 활물질층을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 활물질층으로써 나트륨 금속이 사용될 수 있다.
충전 시, 제1 양극부(710)에서는 염소계 살균 물질이 생성되는 하기 <화학식 10> 내지 <화학식 12> 중 적어도 하나의 반응이 발생할 수 있다.
Figure pat00010
Figure pat00011
Figure pat00012
이 경우, 염소계 살균 물질은 ClO-, HOCl 및 Cl2를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 제1 양극부(710)는 해수가 공급되는 유입관, 염소계 살균 물질과 함께 해수가 살균 탱크(740)로 배출되는 배출관, 및 배출관에 장착된 개폐밸브를 더 포함하고, 또한 염소계 살균 물질의 농도를 측정하는 센서를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 센서는 제1 양극부(710)에서의 염소계 살균 물질의 농도를 측정하여, 염소계 살균 물질의 농도 정보를 이차 전지(700)에 포함된 제어부에게 전송할 수 있다. 이후, 제어부는 염소계 살균 물질의 농도 정보에 기반하여, 제1 양극부(710)에서의 염소계 살균 물질이 소정 농도 이상 되는 경우, 개폐밸브를 개방하여 배출관을 통해 염소계 살균 물질과 함께 해수를 살균 탱크(740)로 배출하도록 제어할 수 있다.
해수는 함께 일정 시간동안 살균 탱크(740)안에 보관되어, 염소계 살균 물질에 의해 살균될 수 있다. 이후, 살균된 해수는 살균 탱크(740)로부터 제2 양극부(730)로 전달될 수 있다. 이 경우, 살균된 해수는 염소계 살균 물질을 포함할 수 있다.
제2 양극부(730)는 살균된 해수에 함침되는 제2 캐소드와 살균된 해수가 담기는 수조를 포함한다. 여기서, 제2 캐소드는 이차 전지(700)의 방전 시 제2 양극부(730)에서 이용되는 캐소드를 의미할 수 있다. 제2 캐소드는 카본 펠트, 카본 페이퍼, 카본 파이버, 금속 박막 또는 이들의 조합일 수 있는 양극 집전체 및 양극 집전체 상에 마련된 촉매층을 포함할 수 있다.
음극부(720)와 제2 양극부(730) 사이에는, 음극부(720)와 제2 양극부(730)를 분리하면서, 이차 전지(700)의 방전 시, Na+ 이온을 통과시키는 제2 고체 전해질(예: NASICON)(725)이 위치할 수 있다.
방전 시, 제2 양극부(730)에서는 염소계 살균 물질에 기반하여 염소 중화 및 pH 중화를 위한 하기 <화학식 13> 및 <화학식 14> 중 적어도 하나의 반응이 발생할 수 있다.
Figure pat00013
Figure pat00014
이 경우, <화학식 14>를 통해 수소 이온이 제거되기 때문에, 제2 양극부(730)의 살균된 해수는 pH 중화 처리될 수 있다. 또한, <화학식 13> 및 <화학식 14>를 통해 염소계 살균 물질인 Cl2와 HOCl이 제거되기 때문에, 제2 양극부(730)의 살균된 해수는 염소 중화 처리될 수 있다. 즉, 제2 양극부(730)의 살균된 해수가 염소 중화 처리 및 pH 중화 처리되어 중화 수용액(neutralized water)이 생성될 수 있다.
일 실시예에서, 제2 양극부(730)는 중화 수용액을 외부로 배출하는 배출관, 및 배출관에 장착된 개폐밸브를 더 포함하고, 또한 중화 수용액의 pH 및 염소 농도 중 적어도 하나를 측정하는 센서를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 센서는 중화 수용액의 pH 및 염소 농도 중 적어도 하나를 측정하여, pH 및 염소 농도 중 적어도 하나에 대한 정보를 이차 전지(100)에 포함된 제어부에게 전송할 수 있다. 이후, 제어부는 pH 및 염소 농도 중 적어도 하나에 대한 정보에 기반하여, 제2 양극부(140)에서의 중화 수용액의 pH 및 염소 농도 중 적어도 하나가 임계값 이상 되는 경우, 개폐밸브를 개방하여 배출관을 통해 중화 수용액을 배출하도록 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 다양한 실시예에서, 해수 대신 염수 또는 염분 농축폐수가 사용될 수 있다. 이 경우, 염수 및 염분 농축폐수를 저농도 염수로 변환하여 제공함으로써, 농축 폐수의 처리 시설로 이용할 수 있다.
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.
따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예들에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 보호범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
100: 이차 전지
110: 제1 양극부
115: 음이온 교환막
120: 담수 생성부
125: 제1 고체 전해질
130: 음극부
135: 제2 고체 전해질
140: 제2 양극부
300: 전달관
700: 이차 전지
710: 제1 양극부
715: 제1 고체 전해질
720: 음극부
725: 제2 고체 전해질
730: 제2 양극부
740: 살균 탱크

Claims (16)

  1. 유기 전해질에 함침되는 애노드(anode)를 포함하는 음극부;
    상기 음극부의 일측에 결합하며, 해수, 염수 또는 농축 폐수가 주입되는 담수 생성부;
    상기 담수 생성부의 일측에 결합하며, 물(water)에 함침되는 제1 캐소드(cathode)를 포함하는 제1 양극부; 및
    상기 음극부의 타측에 결합하며, 물에 함침되는 제2 캐소드를 포함하는 제2 양극부를 포함하는,
    담수 생산이 가능한 이차 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 음극부는, 유기 용매로 채워지며, 상기 유기 용매에 함침된 애노드를 포함하는,
    담수 생산이 가능한 이차 전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 음극부 및 상기 담수 생성부 사이에는 상기 담수 생성부로부터 상기 음극부로 나트륨 이온이 통과할 수 있는 고체 전해질을 더 포함하는,
    담수 생산이 가능한 이차 전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 양극부 및 상기 담수 생성부 사이에는, 상기 담수 생성부로부터 상기 제1 양극부로 염소 이온이 통과할 수 있는 음이온 교환막을 더 포함하는,
    담수 생산이 가능한 이차 전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 음극부 및 상기 제2 양극부 사이에는, 상기 음극부로부터 상기 제2 양극부로 나트륨 이온이 통과할 수 있는 고체 전해질을 더 포함하는,
    담수 생산이 가능한 이차 전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 캐소드, 제2 캐소드 및 애노드는 전기적으로 연결된,
    담수 생산이 가능한 이차 전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 양극부, 상기 담수 생성부 및 상기 제2 양극부의 생성물을 외부로 배출할 수 있는 밸브를 제어하는 제어부를 더 포함하는,
    담수 생산이 가능한 이차 전지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는 소정 주기로 충전 반응이 상기 제1 양극부와 음극부 사이에서 일어난 뒤 상기 제1 양극부의 밸브를 개방하는,
    담수 생산이 가능한 이차 전지.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제1 양극부의 생성물이 소정 농도 이상이 되면 상기 제1 양극부의 밸브를 개방하여 상기 제1 양극부의 생성물을 외부로 방출시키는,
    담수 생산이 가능한 이차 전지.
  10. 제1항에 있어서,
    양단이 각각 상기 제1 양극부와 상기 제2 양극부에 연결된 전달관;
    을 더 포함하는,
    담수 생산이 가능한 이차 전지.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 양극부의 생성물이 소정 농도 이상이 되면 상기 전달관의 밸브를 개방하여 상기 제1 양극부의 생성물이 상기 제2 양극부로 전달되도록 제어하는 제어부;
    를 더 포함하는,
    담수 생산이 가능한 이차 전지.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 캐소드는, 염소 이온과 반응하여 고체 화합물을 생성하는 금속으로 구성되는 집전체를 포함하는,
    담수 생산이 가능한 이차 전지.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 금속은, 은 금속, 아연 금속 및 구리 금속 중 적어도 하나를 포함하는,
    담수 생산이 가능한 이차 전지.
  14. 제1항에 있어서,
    공기 중의 이산화탄소와 상기 제2 양극부의 물이 접촉할 수 있도록 하기 위한 환기구;
    를 더 포함하는,
    담수 생산이 가능한 이차 전지.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제2 양극부는, 해수에 함침되는 제2 캐소드를 포함하는,
    담수 생산이 가능한 이차 전지.
  16. 유기 전해질에 함침되는 애노드(anode)를 포함하는 음극부;
    상기 음극부의 일측에 결합하며, 해수, 염수 또는 농축 폐수에 함침되는 제1 캐소드(cathode)를 포함하는 제1 양극부;
    상기 음극부의 타측에 결합하며, 제2 캐소드를 포함하는 제2 양극부; 및
    양단이 상기 제1 양극부와 상기 제2 양극부에 각각 연결되고, 염소계 살균 물질에 의해 살균된 상기 해수, 염수 또는 농축 폐수를 상기 제2 양극부로 전달하는 살균 탱크;
    를 포함하고,
    상기 염소계 살균 물질은, 충전 시 상기 제1 양극부에서 상기 해수, 염수 또는 농축 폐수로부터 생성되는,
    이차 전지.
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