KR20210087223A - 양극 독립형 해수 전지 - Google Patents

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KR20210087223A
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김영진
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한국전력공사
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Abstract

본 발명은 양극 독립형 해수 전지에 관한 것으로서 보다 상세하게는, 양극이 음극과 독립적으로 설치될 수 있는 양극 독립형 해수 전지에 관한 것으로, 해수 전지에 있어서, 해수공간에 마련되는 음극(200); 상기 해수공간에서 상기 음극(200)과 소정 거리 이격되면서 상기 음극(200)과 전기적으로 연결되는 양극(100); 를 포함하는 양극 독립형 해수 전지를 포함하여, 양극 음극주변에 부착될 필요가 없고 자유로운 설치가 가능하므로 양극의 크기에 제약을 받지 않기 때문에 고전류에서 높은 전압을 유지하여 더 높은 성능을 발휘하는 강점이 발휘된다.

Description

양극 독립형 해수 전지{A seawater battery in use with independant cathod type}
본 발명은 양극 독립형 해수 전지에 관한 것으로서 보다 상세하게는, 양극이 음극과 독립적으로 설치될 수 있는 양극 독립형 해수 전지에 관한 것이다.
해수전지는 지구상에서 가장 풍부한 자원인 해수를 에너지원으로 이용해 전기 에너지를 저장하고, 생산하는 친환경 에너지 저장장치이다.
최근 들어, 해수전지는 현재 가장 많이 쓰이는 리튬이온전지보다 생산 가격이 절반 이상 저렴하며, 해수를 이용하여 열 제어가 자체적으로 가능해 폭발의 위험이 적다.
이에 따라, 해수전지는 물과 소금만 있으면 작동해 가정과 산업체의 에너지 저장장치(ESS)로 활용 가능하며, 특히 대형 선박 및 잠수함, 원자력 발전소의 비상 전원 장치로도 적용될 수 있다.
일반적으로, 해수전지는 고체전해질이 포함된 음극, 탄소계 집전체 및 티타늄 전극을 이용한 양극이 결합되어 있다.
도 1은 음극 내부를 나타낸 도면이고, 도 2는 음극 외부를 나타낸 도면이며, 도 3은 음극에 양극이 결합된 상태를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하여 음극(10)의 내부 구조를 살펴보면, 음극(10)은 음극 단자(11)에 음극 집전체(12)가 연결되어 있다.
또한, 음극 집전체(12)는 라미네이트 필름(13) 상에 고체전해질(NACICON)(12a)이 알루미늄 프레임(12b)에 의해 접착된다. 여기서, 음극 집전체(12)는 단순히 삽입되거나 음극 단자(11)에 스폿 용접되고, 고체전해질(12a)은 알루미늄 프레임(12b) 내에 삽입되어 라미네이터 및 실런트에 의해 접착된다.
그리고, 음극 단자(11)는 음극 내부와 외부를 연결하는 전자이동통로로서, 전자전도를 위해 금속성 소재(예, SUS 재질)를 이용한다.
도 2를 참조하면, 음극(10)은 라미네이트 필름(13)의 테두리와 알루미늄 프레임(12b)을 따라 실런트(sealant)(14, 15)를 도포한 후 열처리를 통해 봉합된다. 이 경우, 고체전해질(12a)은 이온교환을 위해 양극에 대해 노출된다. 이때, 실런트(14, 15)는 음극 테두리 보호를 위해 사용된다.
도 3을 참조하면, 음극(10)과 양극(20)은 서로 밀착하여 해수전지를 완성한다. 양극(20)은 티타늄 전극인 양극 단자(21)와 탄소섬유로 이루어진 탄소계 집전체(22)로 구성되어 있다.
이와 같이, 해수전지는 해수에 침지되어 충/방전시 고체전해질(12a)을 통해 이온교환이 이루어지고, 음극(10)과 양극(20)을 통해 전자 교환이 이루어진다.
일반적으로, 해수전지의 수명은 해수에 침지되는 특성으로 인해 실링에 문제가 없다면 상용배터리(예, 리튬이온, 납축전지 등)에 비해 월등히 길다.
다시 말해, 해수전지는 음극과 고체전해질이 부착된 음극부에, 양극이 부착되어 완성된다.
특히, 양극은 해수와 접촉하여 전기화학 반응이 발생하는 집전체 역할을 할 뿐 물질이 저장되거나 소비되지 않는 특징이 있다.
양극의 면적이 음극보다 커야하며, 전체 셀 크기는 양극에 의해 결정된다.
이 때, 방전시 고전류에서 높은 전압을 유지하거나, 충전시 고전류에서 낮은 전압을 유지하기 위해서는 양극의 크기가 지금보다 더 커져야 할 필요성이 있다.
그러나, 종래의 기술에는 양극과 음극이 일체형으로 이루어지기 때문에 양극 크기의 제약이 따랐던 문제가 있었다.
대한민국 등록특허공보 제10-1460637호 (2014.11.05. 등록)
위와 같은 종래 기술의 문제점을 극복하기 위한 본 발명은 양극이 음극으로 부터 전기적으로 연결되되 독립적으로 설치 가능하도록 하는 양극 독립형 해수 전지를 제공하는 것에 그 목적이 있다.
위와 같은 문제점을 극복하기 위한 본 발명은 해수 전지에 있어서, 해수공간에 마련되는 음극(200); 상기 해수공간에서 상기 음극(200)과 소정 거리 이격되면서 상기 음극(200)과 전기적으로 연결되는 양극(100); 를 포함하는 양극 독립형 해수 전지를 포함한다.
또한, 상기 양극(100)에는 양극 집전체(101); 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양극 독립형 해수 전지를 포함한다.
또한, 상기 양극(100) 및 상기 음극(200)는 서로 대향되는 것을 특징으로 하는 양극 독립형 해수 전지를 포함한다.
또한, 상기 양극(100)는 금속성의 부이 몸체, 선박 하부, 구조물 몸체 중 적어도 어느 하나에 설치되는 것을 특징으로 하는 양극 독립형 해수 전지를 포함한다.
또한, 상기 양극(100)과 상기 음극(200)의 사이즈는 동일한 것을 특징으로 하는 양극 독립형 해수 전지를 포함한다.
또한, 상기 양극이 금속성의 부이 몸체, 선박 하부, 구조물 몸체 중 적어도 어느 하나에 설치되는 경우에는, 동일 소재, 동일 면적이라면 동일한 전류에서 동일한 셀 전압을 나타내는 것을 특징으로 한다.
위와 같은 본 발명에 따르면 양극 음극주변에 부착될 필요가 없고 자유로운 설치가 가능하므로 양극의 크기에 제약을 받지 않기 때문에 고전류에서 높은 전압을 유지하여 더 높은 성능을 발휘하는 강점이 있다.
둘째, 양극의 부착 위치가 해수전지 케이스 내에 자유롭기 때문에 공간 활용성이 극대화되는 이점이 발휘된다.
셋째, 양극이 독립적 설치가 가능하므로, 오염물질 등 양극의 물리적 성능 저하시 양극만의 교체가 가능하므로 유지 보수가 매우 용이해지는 강점이 있다.
넷째, 양극의 설치가 자유롭기 때문에 금속성의 부이 몸체, 선박 하부, 구조물 몸체 등을 해수전지 양극으로 활용 가능해지는 이점이 있다.
도 1은 음극 내부를 나타낸 도면,
도 2는 음극 외부를 나타낸 도면,
도 3은 음극에 양극이 결합된 상태를 나타낸 도면,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 해수 전지를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 해수 전지의 분리사시도
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 해수 전지의 설치도
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 해수 전지의 설치도
도 8은 본 발명의 실시예 들에 따른 해수 전지의 성능비교 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.
제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 해수 전지를 나타낸 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 해수 전지는 음극(anode)와 양극(cathode)을 포함할 수 있다.
구체적으로, 해수 전지는 유기 전해질에 함침되는 음극 해수에 함침되는 양극, 음극 및 양극 사이에 위치하여 서로 분리시키는 고체전해질을 포함할 수 있다. 이 때, 고체전해질은 나시콘(nasicon)일 수 있다.
음극은 음극 집전체 및 음극 집전체 상에 위치하는 활물질층을 포함할 수 있다. 여기서, 활물질층은 하드카본(hard carbon, HC)을 적용하는 경우에 대해 설명하기로 한다.
양극은 카본 펠트, 카본 페이퍼, 카본 파이버, 금속 박막 또는 이들의 조합일 수 있는 양극 집전체 및 양극 집전체 상에 마련된 P2-타입 층상(layered) Na0.5Co0.5Mn0.5O2 물질로 이루어진 촉매층을 포함할 수 있다. 여기서, 양극 집전체는 카본 펠트를 적용하는 경우에 대해 설명하기로 한다.
해수 전지에서 촉매층을 구성하는 촉매로 P2-타입 층상(layered) Na0.5Co0.5Mn0.5O2 물질을 사용함으로써 인터칼레이션(intercalation)-디인터칼레이션(deintercalation)이 일어날 때에도 가용 에너지를 얻을 수 있어, 에너지 용량을 늘릴 수 있는 효과를 갖는다.
즉, 이러한 물질로 이루어진 촉매를 사용함으로써 OER(oxygen evolution reaction)/ORR(oxygen reduction reaction) 반응을 모두 향상시켜서 전압 갭을 줄일 수 있게 됨에 따라, 충전 대비 방전양을 늘릴 수 있게 되었고, 인터칼레이션-디인터칼레이션을 이용하여 나트륨 이온을 통해 충전이 가능하게하여 에너지 용량을 늘릴 수 있다.
기존에는 양극의 촉매층을 구성하는 촉매로 백금(Pt)과 같은 귀금속이 사용되었는데, 백금(Pt)과 같은 귀금속 기반의 전기 촉매의 표면에서 OER/ORR 반응만이 일어날 뿐, 백금(Pt) 이온의 인터칼레이션-디인터칼레이션 반응이 일어나지 않았기 때문에, 충전 및 방전 시 에너지를 얻을 수 없어 가용성이 낮고 고비용이 발생하여 해수 전지의 대규모 사용이 저해될 수 있다.
예를 들어, 하프-셀 및 풀-셀 해수 전지는 세라믹 NASICON 고체 전해질에 의해 구획된 양극액으로서의 수성 해수와 음극액으로서 비수성 물질(예: 테트라에틸렌 글리콜 디메틸에테르(tetraethylene glycol dimethylether) 중 1M NaCF3SO3)을 사용하고, 양극으로 P2-타입 층상 Na0.5Co0.5Mn0.5O2 물질과 음극으로 나트륨 금속과 하드 카본을 사용하여 제작될 수 있다.
예를 들어, 해수 전지의 음극과 양극에서 각각 일어날 수 있는 전기 화학 반응은 아래 화학식 1 및 2와 같이 정의될 수 있다.
Figure pat00001
Figure pat00002
다음으로 본 발명의 구체적인 구성을 첨부된 도면을 참조하여 상술한다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 해수 전지는 서로 전기적으로 연결되나 독립적으로 설치되는 양극(100) 및 음극(200)를 포함한다.
보다 상세하게는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 해수 전지는 해수 전지는 해수공간에 마련되는 음극(200)를 포함한다.
다시 말해, 양극(100)은 해수공간에서 음극(200)과 소정 거리 이격되면서 음극(200)과 전기적으로 연결된다.
양극(100)는 해수공간에서 음극(200)과 소정 거리 이격될 수 있는 이유는 양극의 거리가 음극과 떨어져 있더라도 충방전이 가능하기 때문이다.
충전시에는 음극부 주변 해수에서 소듐이온을 이용하여 충전되고, 양극부 주변 수산화 이온과 반응하여 산소를 생성하므로 음극과 양극이 같은 해수공간에 있으면 된다.
반대로 방전시에는 음극에서 음극부 주변으로 소듐이온을 방출하고, 양극부에서 주변의 해수의 산소와 반응하므로 방전역시 같은 해수공간에서 작동되면 되는 것이다.
양극(100)에는 음극(200)과의 사이에 마련되는 양극 집전체(101)를 더 포함하는 것이 바람직할 수 있다.
이 때, 양극(100) 및 음극(200)는 서로 대향되는 것이 바람직할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 해수 전지의 설치도이다.
다시 말해, 해수 전지의 양극을 음극과 소정거리(d) 이격시킨 경우이다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 해수 전지는 해수내에서 작동되며 양극은 꼭 음극주변에 부착될 필요는 없다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 해수 전지의 설치도이다.
도 8은 본 발명의 실시예 들에 따른 해수 전지의 성능비교 그래프이다.
양극이 음극에서 이격된 거리에 따른 성능편차가 일체형과 비교하여 크지 않은 것을 보여준다.
따라서, 양극의 설치 위치를 음극과 동일한 해수공간에서는 자유롭게 할 수 있게 되는 것이다.
다시 말해서, 양극(100)는 금속성의 부이 몸체, 선박 하부, 구조물 몸체 중 적어도 어느 하나에 설치되는 것이 바람직할 수 있다.
부언하면 기존의 음극과 양극 일체형, 그리고 본 발명의 바람직한 실시 예의 분리형, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 양극을 벽면(300)에 부착한 경우 모두 동일한 성능을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 물론 이 경우 양극 면적은 모두 동일한 것을 가정한다.
따라서, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 독립적 양극의 면적을 증대시킬 때, 성능은 더욱 향상될 것임은 자명하다.
한편, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 양극(100)과 음극(200)의 사이즈는 동일한 것이 가능하다.
이와 같이 해수전지는 양극(100)의 위치와 상관없이 동일 소재, 동일 면적을 가질 경우 동일한 전류에서 동일한 전압을 나타낸다.
100 : 양극
101 : 양극 집전체
102 : 양극 프레임부
200 : 음극
300 : 벽면

Claims (6)

  1. 해수 전지에 있어서,
    해수공간에 마련되는 음극(200);
    상기 해수공간에서 상기 음극(200)과 소정 거리 이격되면서 상기 음극(200)과 전기적으로 연결되는 양극(100);를 포함하는,
    양극 독립형 해수 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 양극(100)에는 양극 집전체(101);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    양극 독립형 해수 전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 양극(100) 및 상기 음극(200)는 서로 대향되는 것을 특징으로 하는,
    양극 독립형 해수 전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 양극(100)는 금속성의 부이 몸체, 선박 하부, 구조물 몸체 중 적어도 어느 하나에 설치되는 것을 특징으로 하는,
    양극 독립형 해수 전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 양극(100)과 상기 음극(200)의 사이즈는 동일한 것을 특징으로 하는,
    양극 독립형 해수 전지.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 양극이 금속성의 부이 몸체, 선박 하부, 구조물 몸체 중 적어도 어느 하나에 설치되는 경우에는, 동일 소재, 동일 면적이라면 동일한 전류에서 동일한 셀 전압을 나타내는 것을 특징으로 하는,
    양극 독립형 해수 전지.
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