KR20220164140A - 충방전시 탈염이 가능한 배터리 탈염 시스템 - Google Patents
충방전시 탈염이 가능한 배터리 탈염 시스템 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20220164140A KR20220164140A KR1020210072488A KR20210072488A KR20220164140A KR 20220164140 A KR20220164140 A KR 20220164140A KR 1020210072488 A KR1020210072488 A KR 1020210072488A KR 20210072488 A KR20210072488 A KR 20210072488A KR 20220164140 A KR20220164140 A KR 20220164140A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- desalination
- electrode
- discharging
- during charging
- battery
- Prior art date
Links
- 238000010612 desalination reaction Methods 0.000 title claims abstract description 52
- 238000007599 discharging Methods 0.000 title claims abstract description 22
- NWUYHJFMYQTDRP-UHFFFAOYSA-N 1,2-bis(ethenyl)benzene;1-ethenyl-2-ethylbenzene;styrene Chemical compound C=CC1=CC=CC=C1.CCC1=CC=CC=C1C=C.C=CC1=CC=CC=C1C=C NWUYHJFMYQTDRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 43
- 239000003456 ion exchange resin Substances 0.000 claims abstract description 38
- 229920003303 ion-exchange polymer Polymers 0.000 claims abstract description 38
- 239000003011 anion exchange membrane Substances 0.000 claims abstract description 36
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims description 19
- 238000005115 demineralization Methods 0.000 claims description 15
- 230000002328 demineralizing effect Effects 0.000 claims description 15
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 12
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 claims description 10
- 229920000557 Nafion® Polymers 0.000 claims description 7
- 239000003014 ion exchange membrane Substances 0.000 claims description 6
- 229910002548 FeFe Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910001030 Iron–nickel alloy Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910021312 NaFePO4 Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 22
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 19
- 238000000034 method Methods 0.000 description 13
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 238000007086 side reaction Methods 0.000 description 7
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000003729 cation exchange resin Substances 0.000 description 6
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 6
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 6
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 6
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 6
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 description 5
- 230000008859 change Effects 0.000 description 5
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 5
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 5
- 239000013535 sea water Substances 0.000 description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 4
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 4
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 description 4
- 238000001223 reverse osmosis Methods 0.000 description 4
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 4
- 238000002484 cyclic voltammetry Methods 0.000 description 3
- 238000011033 desalting Methods 0.000 description 3
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 2
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 2
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 2
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 2
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- 239000013505 freshwater Substances 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 2
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 2
- 238000001308 synthesis method Methods 0.000 description 2
- BHPQYMZQTOCNFJ-UHFFFAOYSA-N Calcium cation Chemical compound [Ca+2] BHPQYMZQTOCNFJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 description 1
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N Potassium Chemical compound [K] ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003957 anion exchange resin Substances 0.000 description 1
- 239000012267 brine Substances 0.000 description 1
- 229910001424 calcium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229940023913 cation exchange resins Drugs 0.000 description 1
- 238000003795 desorption Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 238000000909 electrodialysis Methods 0.000 description 1
- 238000003912 environmental pollution Methods 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 238000009830 intercalation Methods 0.000 description 1
- 230000002687 intercalation Effects 0.000 description 1
- DCYOBGZUOMKFPA-UHFFFAOYSA-N iron(2+);iron(3+);octadecacyanide Chemical compound [Fe+2].[Fe+2].[Fe+2].[Fe+3].[Fe+3].[Fe+3].[Fe+3].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-] DCYOBGZUOMKFPA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 1
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 229940058401 polytetrafluoroethylene Drugs 0.000 description 1
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 1
- 239000011591 potassium Substances 0.000 description 1
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229960003351 prussian blue Drugs 0.000 description 1
- 239000013225 prussian blue Substances 0.000 description 1
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 1
- 238000006479 redox reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 1
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 1
- 229910001415 sodium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- HPALAKNZSZLMCH-UHFFFAOYSA-M sodium;chloride;hydrate Chemical compound O.[Na+].[Cl-] HPALAKNZSZLMCH-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
- C02F1/4604—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods for desalination of seawater or brackish water
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
- C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
- C02F1/46104—Devices therefor; Their operating or servicing
- C02F1/46109—Electrodes
- C02F2001/46133—Electrodes characterised by the material
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F2201/00—Apparatus for treatment of water, waste water or sewage
- C02F2201/46—Apparatus for electrochemical processes
- C02F2201/461—Electrolysis apparatus
- C02F2201/46105—Details relating to the electrolytic devices
- C02F2201/46115—Electrolytic cell with membranes or diaphragms
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Hydrology & Water Resources (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Water Supply & Treatment (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Water Treatment By Electricity Or Magnetism (AREA)
Abstract
본 발명은 충방전시 탈염이 가능한 배터리 탈염시스템에 관한 것으로, 양극, 음극, 상기 양극과 상기 음극 사이에 상기 양극 및 상기 음극과 이격되어 위치하는 음이온교환막, 및 상기 양극, 상기 음극, 또는 이들의 조합의 표면에 위치하는 이온교환수지층을 포함하고, 충전 시 음이온교환막과 음극 사이에 탈염이 이루어지며, 방전 시 양극과 음이온교환막 사이에 탈염이 이루어지는 충방전시 탈염이 가능한 배터리 탈염시스템을 제공한다.
Description
본 발명은 충방전시 탈염이 가능한 배터리 탈염시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전극의 표면에 이온교환수지를 코팅하여 배터리 탈염시스템의 안정성 및 성능을 향상시키는 전기화학적 탈염시스템에 관한 것이다.
세계 산업의 발달과 인구증가로 인해 담수의 수요는 점점 더 증가하고 있으며, 이에 따른 수자원 확보는 미래 사회에 있어서 매우 중요한 이슈이다. 그러나 급격한 기후변화와 환경오염으로 인해 많은 지역들이 수자원 확보에 어려움을 겪고 있다. 이를 위해 바닷물과 같은 염수의 이온을 제거하여 담수로 만드는 기술이 필요하다.
일반적인 해수 담수화 기술은 역삼투막법, 이온교환막에 의한 전기투석법, 해수를 증기로 변화시켜서 담수화하는 증발법(다단 플래시증발법, 다중효용증발법, 증기 압축법), 그 외에 냉동법, 태양열 이용법 등이 있다. 그 중 역삼투막법이 가장 효율적인 기술로 여겨지고 있으며, 가장 많이 사용되고 있다. 다만, 역삼투막법은 생화학적으로 분해되지 않는 이온교환막을 사용함에 따라, 운전 중 파울링 현상이 발생하여 주기적인 막 교체가 요구되는 한계가 있다. 또한, 역삼투막법은 생화학적으로 잘 분해가 되지 않는 이온교환막을 사용하기 때문에 환경적인 문제도 가지고 있다.
이에 대한 해결 방법으로 환경문제를 야기시키지 않으면서 효율적으로 이온을 제거할 수 있는 기술 개발이 요구되고 있다.
최근 배터리를 활용한 탈염시스템이 에너지 효율적이고 친환경적 기술로 각광받고 있으나, 배터리를 활용한 탈염시스템의 경우 반복 사용시 전극의 성능이 저하되는 문제점 (안정성 문제)이 있다. 이러한 이유로 전극의 안정성을 효과적으로 개선할 수 있는 배터리 전극의 기술개발이 요구된다.
상기 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 전극 표면에 이온교환수지층이 위치하는 배터리 탈염 시스템을 제공하여, 전극의 안정성과 배터리 담수화 시스템 전체의 성능을 향상시키고자 한다.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 구현 예인 충방전시 탈염이 가능한 배터리 탈염시스템은, 양극, 음극, 상기 양극과 상기 음극 사이에 상기 양극 및 상기 음극과 이격되어 위치하는 음이온교환막, 및 상기 양극, 상기 음극, 또는 이들의 조합의 표면에 위치하는 이온교환수지층을 포함하고, 충전 시 음이온교환막과 음극 사이에 탈염이 이루어지며, 방전 시 양극과 음이온교환막 사이에 탈염이 이루어지는 충방전시 탈염이 가능한 배터리 탈염시스템에 관한 것이다.
또한, 상기 이온교환수지층은, 나피온(Nafion)을 포함한 이온교환 수지 및 이온교환막 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 일 구현예와 같이 전극 표면에 이온교환수지층을 포함하는 경우, 전극의 부반응을 억제하여 안정성과 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 이온교환수지층은, 상기 양극, 상기 음극, 또는 이들의 조합의 일면 또는 양면의 표면에 위치할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 이온교환수지층은 상기 양극, 상기 음극, 또는 이들의 조합의 일면의 표면에 위치할 수 있고, 이때 상기 일면은 유체와 접하는 면일 수 있다.
또한, 상기 양극 및 음극은 다양한 양이온과 가역적으로 반응할 수 있다.
충전시 양이온이 양극과 음이온교환막 사이의 영역으로 탈리될 수 있고, 방전시 양이온이 음이온교환막과 상기 음극 사이의 영역으로 탈리될 수 있다.
상기 양극은 NaxNiFe(CN)6, Na0.44MnO2, NaxCuFe(CN)6, NaFePO4, NaMnO2 중 어느 하나일 수 있으며, 상기 음극은 NaxFeFe(CN)6, Na0.44[Mn1-xTix]O2, NaTi2(PO4)3, Na2FeP2O7 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명에 따른 충방전시 탈염이 가능한 배터리 탈염 시스템은 배터리 전극에 코팅된 이온교환수지층으로 인해 선택적으로 특정 이온만 전극에 접근할 수 있도록 하여 전극의 부반응을 억제할 수 있다. 전극의 부반응은 전극의 결정 구조를 파괴하여 전극 성능 및 안정성을 저하시키므로, 이러한 현상을 억제할 수 있다.
또한, 이온교환수지층은 이온 탈착/삽입 시 부피 변화를 최소화하여 물리적 안정성을 높일 수 있다. 즉, 이온교환수지층을 통해 전극의 부반응 억제 및 부피 변화를 줄여 전극의 안정성 및 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 이온교환수지층이 표면에 위치하는 전극을 SEM 사진으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 탈염시스템의 구성을 그림으로 나타낸 것이다.
도 3은 실시예와 비교예의 정전류기(Galvanostatic)를 반복 실험한 결과, 상대적 용량 변화(a)와 쿨롱 효율(b)을 그래프로 나타낸 것이다.
도 4는 100 싸이클 운전 후 실시예와 비교예의 전극 및 스페이서(Spacer) 상태를 사진으로 나타낸 것이다.
도 5는 실시예와 비교예에 따른 각 전극의 CV(cyclic voltammetry)곡선을 나타낸 것이다.
도 6은 실시예와 비교예에 따른 각 전극의 충방전 곡선을 나타낸 것이다.
도 7은 실시예와 비교예에 따른 배터리 탈염시스템에서 전극의 전기화학적 탈염 성능을 평가 비교하여 그래프로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 탈염시스템의 구성을 그림으로 나타낸 것이다.
도 3은 실시예와 비교예의 정전류기(Galvanostatic)를 반복 실험한 결과, 상대적 용량 변화(a)와 쿨롱 효율(b)을 그래프로 나타낸 것이다.
도 4는 100 싸이클 운전 후 실시예와 비교예의 전극 및 스페이서(Spacer) 상태를 사진으로 나타낸 것이다.
도 5는 실시예와 비교예에 따른 각 전극의 CV(cyclic voltammetry)곡선을 나타낸 것이다.
도 6은 실시예와 비교예에 따른 각 전극의 충방전 곡선을 나타낸 것이다.
도 7은 실시예와 비교예에 따른 배터리 탈염시스템에서 전극의 전기화학적 탈염 성능을 평가 비교하여 그래프로 나타낸 것이다.
이하 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 우선, 도면들 중, 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의하여야 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용 오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
본 발명의 일 구현예인 충방전시 탈염이 가능한 배터리 탈염시스템은, 양극, 음극, 상기 양극과 상기 음극 사이에 상기 양극 및 상기 음극과 이격되어 위치하는 음이온교환막, 및 상기 양극, 상기 음극, 또는 이들의 조합의 표면에 위치하는 이온교환수지층을 포함하고, 충전 시 음이온교환막과 음극 사이에 탈염이 이루어지며, 방전 시 양극과 음이온교환막 사이에 탈염이 이루어질 수 있다.
구체적으로, 상기 양극, 상기 음극, 또는 이들의 조합의 표면에 위치하는 이온교환수지층은 나피온(Nafion)을 포함한 이온교환 수지 및 이온교환막 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 다만, 이에 한정하는 것은 아니며, 이온교환수지로 사용할 수 있는 것은 모두 사용 가능하다.
보다 구체적으로, 상기 이온교환수지층은 전극의 표면에 이온교환수지 코팅을 통해 형성되어 전극 표면에 위치할 수 있다. 또한, 양이온을 제거하는 전극을 사용하는 경우에는 양이온교환수지를 코팅하여 이온교환수지층을 형성할 수 있고, 음이온을 제거하는 전극을 사용하는 경우에는 음이온교환수지를 코팅하여 이온교환수지층을 형성할 수 있다.
또한, 상기 양극, 상기 음극, 또는 이들의 조합의 표면에 위치하는 이온교환수지층은, 상기 양극, 상기 음극, 또는 이들의 조합의 일면 또는 양면의 표면에 위치할 수 있다.
보다 구체적으로는, 상기 이온교환수지층은 상기 양극, 상기 음극, 또는 이들의 조합의 일면의 표면에 위치할 수 있고, 이때 상기 일면은 유체와 접하는 면을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 구현예와 같이 상기 양극, 상기 음극, 또는 이들의 조합의 표면에 이온교환수지층이 위치하는 경우, 선택적으로 특정 이온만 전극에 접근할 수 있도록 하기 때문에 전극의 부반응을 억제할 수 있다. 전극의 부반응은 전극의 결정구조를 파괴하여 전극 성능 및 안정성을 저하시키는 바, 본 발명의 일 구현예와 같이 전극 표면에 이온교환수지층이 위치하는 경우 전극의 성능 및 안정성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 양극과 상기 음이온교환막 사이 및 상기 음이온교환막과 상기 음극 사이의 영역은 유체가 흐를 수 있는 데, 상기 유체로는 탈염이 가능한 이온을 포함하는 물질로, 해수, 염수 또는 처리수 등을 예로 들 수 있다.
먼저, 충전시 탈염이 이루어지는 과정을 설명한다.
충전을 위해 전원을 공급하게 되면 전자는 상기 양극에서 상기 음극으로 이동하게 되어 상기 양극은 산화반응이 일어나 양이온이 생성되며, 결합력이 약한 양이온은 상기 양극과 상기 음이온교환막 사이의 영역으로 탈리된다.
전자를 받은 상기 음극은 환원반응 일어나 음이온이 생성되며, 상기 음이온교환막과 상기 음극 사이의 유체에 존재하는 양이온은 상기 음극으로 삽입되게 된다.
또한, 상기 양극과 상기 음이온교환막 사이 및 상기 음이온교환막과 상기 음극 사이의 영역 간의 중성도를 맞추기 위하여 상기 음이온교환막과 상기 음극 사이의 유체에 존재하던 음이온은 상기 음이온교환막을 통과하여 상기 양극과 상기 음이온교환막 사이의 영역으로 이동하게 된다.
따라서, 충전시에는 상기 음이온교환막과 상기 음극 사이를 흐르는 유체에 대하여 탈염이 이루어질 수 있다.
다음으로 방전시 탈염이 이루어지는 과정을 설명한다.
방전시 전자는 상기 음극에서 상기 양극으로 이동하게 되어 상기 양극은 환원반응이 일어나서 음이온이 생성되며, 상기 양극과 상기 음이온교환막 사이의 상기 유체에 존재하던 양이온은 상기 양극으로 삽입된다.
상기 음극은 산화반응이 일어나 양이온이 생성되며, 결합력이 약한 상기 양이온은 상기 음이온교환막과 상기 음극 사이의 영역으로 탈리된다.
상기 양극과 상기 음이온교환막 사이 및 상기 음이온교환막과 상기 음극 사이의 영역 간의 중성도를 맞추기 위하여 상기 양극과 상기 음이온교환막 사이의 유체에 존재하는 음이온은 상기 음이온교환막을 통과하여 상기 음이온교환막과 상기 음극 사이의 영역으로 이동하게 된다.
따라서, 방전시에는 상기 양극과 상기 음이온교환막 사이를 흐르는 유체에 대한 탈염을 진행할 수 있다.
따라서, 상기 양극과 상기 음극 사이에 상기 음이온교환막을 두어 이온의 흐름을 제어함으로써 상기 양극과 상기 음극을 충전하는 과정뿐만 아니라 방전하는 과정에서도 탈염을 진행할 수 있어 에너지 효율을 극대화할 수 있다.
상기 양극 및 음극은 양이온과 가역적으로 반응할 수 있는 전극인 것을 특징으로 한다.
충전시에는 상기 양극에서 산화반응이 일어나고 상기 음극에서 환원반응이 일어나며, 방전시에는 반대로 상기 양극에서 환원반응이 일어나며 상기 음극에서 산화반응이 일어난다. 따라서, 상기 양극 및 음극은 가역적으로 반응할 수 있다.
본 발명의 구현예에 따르면, 상기 양극 및 음극을 구성하는 물질은 내부 격자 구조가 큰 공간을 가질 수 있으며, 다양한 양이온들이 삽입 또는 탈리 될 수 있다.
상기 양극 및 음극과 가역적으로 반응할 수 있어 탈염이 가능한 양이온으로, 나트륨, 칼륨, 마그네슘, 칼슘이온 등이 포함하는 물질일 수 있다.
따라서, 상기 양극 및 음극은 해수, 염수 또는 처리수와 같이 이온 농도가 높고 다양한 이온이 용해되어 있는 유체에 대하여 탈염을 진행할 수 있다.
상기 양극은 반응전위가 높으며, 상기 음극은 반응전위가 낮은 것을 특징으로 한다.
상기 양극은 반응전위가 높은 것으로, 상대적으로 반응성이 낮으며 산화되기 어려운 것을 특징으로 하며, 상기 음극은 반응전위가 낮은 것으로, 상대적으로 반응성이 높으며 산화되기 쉬운 것을 특징으로 한다.
상기 양극은 NaxNiFe(CN)6, Na0.44MnO2, NaxCuFe(CN)6, NaFePO4, NaMnO2 등 중에서 어느 하나인 것이 바람직하며, 상기 음극은 NaxFeFe(CN)6, Na0.44[Mn1-xTix]O2, NaTi2(PO4)3, Na2FeP2O7 중 어느 하나인 것이 바람직하다.
이하에서는, 구체적인 실시예 및 실험예를 참조하여, 본 발명의 충방전시 탈염이 가능한 배터리 탈염시스템을 설명하기로 한다.
실시예
NaNiHCF 입자 합성 방법
양극으로 NaxNiFe(CN)6(약칭 NaNiHCF) 전극을 음극으로 NaxFeFe(CN)6(약칭 NaFeHCF) 전극을 제조하였는데, 상기 양극 및 음극은 sodium citrate를 chelating agent로 이용한 수용액 상에서의 침전법으로 제조되었다.
NaxNiFe(CN)6(약칭 NaNiHCF)는 0.05 M의 NiCl2·6H2O와 0.35 M의 Na-Citrate를 섞은 용액 100mL와 0.05 M의 Na4Fe(CN)6 용액 100mL를 섞어 준 뒤, 이를 24시간 동안 상온에서 교반하여 합성하였다. 상기 방법으로 상기 NaNiHCF가 형성된 용액을 20시간 동안 숙성시킨 뒤, 가라앉은 입자를 여과기를 이용하여 추출하고 이를 증류수, 에탄올로 여러 번 씻어 주었다. 이후, 여과기를 통해 걸러진 입자는 남아 있는 용매를 제거하기 위해 70℃ 오븐에서 24시간동안 건조하였다.
NaNiHCF 입자 합성 방법
NaxFeFe(CN)6(약칭 NaFeHCF)는 0.05 M의 FeCl2·4H2O와 0.25 M의 Na-Citrate를 섞은 용액 100mL와 0.05 M의 Na4Fe(CN)6 용액 100mL를 천천히 섞은 뒤, 이를 3시간 동안 상온에서 교반시켰다. 상기 방법으로 NaFeHCF가 형성된 용액을 상온조건에서 20시간 동안 숙성시킨 뒤, 이를 여과기를 통해 증류수와 에탄올로 여러 번 씻어 준다. 이후, 여과기를 통해 걸러진 입자는 남아 있는 용매를 제거하기 위해 70℃ 오븐에서 24시간동안 건조하였다.
전극 제조 방법
합성된 NaFeHCF 또는 NaNiHCF 입자를 카본 블랙(carbon black, Super P, Timcal graphite and carbon, Swizz)과 poly-tetrafluoroethylene (PTFE, Sigma-Aldrich, USA)를 함께 7: 1: 1 의 질량비로 에탄올 용매를 이용하여 섞어 주었다. 형성된 슬러리에 대해 roll press machine을 이용하여 두께가 250-300 μm 정도인 시트 형태의 전극을 제조하였다. 제조된 프러시안 블루 전극에 남아 있는 용매를 제거하기 위해서 진공오븐에 60℃ 조건에서 12시간 동안 말려 전극을 제조하였다.
전극 코팅 방법
상기 제조된 양극과 음극에 대표적인 양이온교환수지 중 하나인 나피온(Nafion)을 코팅하여, 전극의 표면에 이온교환수지층을 형성하였다.
이는 도 1을 통해 확인할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 이온교환수지층이 표면에 위치하는 전극을 SEM 사진으로 나타낸 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 양극(NaNiHCF)과 음극(NaFeHCF) 전극에 양이온교환수지(나피온(Nafion))를 코팅한 결과, 약 5㎛의 이온교환수지층이 전극 상에 균일하게 코팅된 것을 확인할 수 있다.
배터리 탈염 시스템 구성
나피온(Nafion)이 코팅된 NaFeHCF 전극은 음극으로 이용하고, 나피온(Nafion)이 코팅된 NaNiHCF 전극은 양극으로 이용하였으며, 양극과 음극 사이에 이격되도록 음이온교환막으로 구성되어 있다. 또한, 음이온교환막과 전극 사이에는 mesh spacer를 두고, 전극 주위에는 silicon Gasket을 이용하여 배터리 탈염시스템을 구성하였다.
이는 도 2를 통해 확인할 수 있다.
도 2는 실시예에 따른 전극을 이용한 배터리 탈염시스템의 구성을 그림으로 나타낸 것이다.
비교예
실시예와 비교하여, 표면에 이온교환수지층을 포함하지 않는 전극을 이용하여 배터리 탈염시스템을 구성한 것 외에는 모든 조건을 동일하게 하여 준비하였다.
실험예 1 - 안정성 평가 실험
상기 실시예와 비교예를 이용하여 2전극 full cell에서 100싸이클 반복 운전을 실시하여 안정성을 평가하였다. 그 결과는 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같다.
먼저, 도 3은 실시예와 비교예의 정전류기(Galvanostatic)를 반복 실험한 결과, 상대적 용량 변화(a)와 쿨롱 효율(b)을 그래프로 나타낸 것이다.
상기 정전류기 실험 조건은 500 mM NaCl, 전류밀도: 0.1 A g-1 로 하였다.
그 결과, 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 100싸이클 운전 후 실시예가 비교예보다 안정성이 약 3%정도 증가한 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 3의(b)에 도시된 바와 같이, 실시예처럼 양이온교환 수지가 코팅된 전극을 이용하여 100 싸이클의 탈염을 실시한 결과 100 싸이클 동안 100%의 쿨롱 효율이 유지된 것을 확인할 수 있으나, 비교예의 경우 100싸이클 후 쿨롱 효율이 93%에 지나는 것을 알 수 있다.
도 4는 100 싸이클 운전 후 실시예와 비교예의 전극 및 스페이서(Spacer) 상태를 사진으로 나타낸 것이다.
구체적으로, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 비교예의 경우 100 싸이클의 탈염을 실시한 후 일반 전극에서 전극 활물질이 녹아 나온 것을 확인할 수 있다. 한편, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 양이온교환수지를 코팅한 실시예의 경우 비교예에 비해 전극 활물질이 적게 나온 것을 육안으로도 확연하게 확인할 수 있다.
실험예 2 - 전기화학적 탈염 성능 평가 실험
상기 실시예와 비교예를 이용하여 2전극 full cell에서 100싸이클 반복 운전을 실시하여 안정성을 평가하였다. 그 결과는 도 5 및 도 6에 도시한 바와 같다.
도 5는 실시예와 비교예에 따른 각 전극의 CV(cyclic voltammetry)곡선을 나타낸 것이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 실시예와 비교예에 따른 각 전극의 CV 결과는 비슷한 것을 알 수 있다. 이는 실시예와 같이 양이온교환수지가 전극의 표면에 코팅되어 이온교환수지층이 위치하더라도 전극의 산화 환원 반응이 제대로 작동하는 것을 의미한다.
도 6은 실시예와 비교예에 따른 각 전극의 충방전 곡선을 나타낸 것이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 실시예에 따라 표면에 이온교환수지층이 위치하는 전극의 충방전 곡선은 비교예에 따른 전극의 충방전 곡선과 거의 일치하는 것을 알 수 있다. 이는 이온교환수지가 낮은 전류 밀도에서 나트륨 이온의 확산에 큰 영향을 미치지 않는 것을 알 수 있다.
도 7은 실시예와 비교예에 따른 배터리 탈염시스템에서 전극의 전기화학적 탈염 성능을 평가 비교하여 그래프로 나타낸 것이다.
도 7의 (a)에 도시된 바와 같이, 실시예의 경우 전극에서의 부반응을 억제하여 비교예의 전하효율이 83%인데 반해, 실시예의 전하효율은 89%로 약 3% 향상된 것을 확인할 수 있다. 구체적으로, 전하효율은 인가된 전하 대비 직접 탈염에 기여한 전하의 비율을 나타내는 지표로서, 전하효율이 높을수록 시스템의 에너지 효율이 증가함을 의미한다.
도 7의 (b)에 도시된 바와 같이, 비교예에 비해 실시예의 경우 전극 단위 무게당 제거할 수 있는 이온의 양(SAC)이 약 20% 향상된 것을 알 수 있다.
또한, 도 7의 (c)에 도시된 바와 같이, 실시예의 경우 비교예에 비해 한 개의 이온을 제거하는데 필요한 에너지인 SEC가 약 15% 감소하여 에너지 효율적인 것을 알 수 있다.
이에, 실시예와 같이 표면에 이온교환수지층이 위치하는 전극을 이용할 경우, 배터리 탈염시스템의 안정성을 향상시키고, 그에 따라 에너지 효율도 같이 증가한 효과가 있는 것을 확인할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 명백할 것이다.
Claims (9)
- 양극;
음극;
상기 양극과 상기 음극 사이에 상기 양극 및 상기 음극과 이격되어 위치하는 음이온교환막; 및
상기 양극, 상기 음극, 또는 이들의 조합의 표면에 위치하는 이온교환수지층을 포함하고,
충전 시 음이온교환막과 음극 사이에 탈염이 이루어지며,
방전 시 양극과 음이온교환막 사이에 탈염이 이루어지는 충방전시 탈염이 가능한 배터리 탈염 시스템.
- 제1항에서,
상기 이온교환수지층은,
나피온(Nafion)을 포함한 이온교환 수지 및 이온교환막을 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 충방전시 탈염이 가능한 탈염 시스템.
- 제1항에서,
상기 이온교환수지층은,
상기 양극, 상기 음극, 또는 이들의 조합의 일면 또는 양면의 표면에 위치하는 것을 특징으로 하는 충방전시 탈염이 가능한 배터리 탈염 시스템.
- 제1항에서,
상기 양극, 상기 음극, 또는 이들의 조합의 표면에 위치하는 이온교환수지층은,
상기 양극, 상기 음극, 또는 이들의 조합의 일면의 표면에 위치하고,
상기 일면은 유체와 접하는 면인 것을 특징으로 하는 충방전시 탈염이 가능한 배터리 탈염 시스템.
- 제1항에서,
상기 양극 및 음극은 다양한 양이온과 가역적으로 반응할 수 있는 전극인 충방전시 탈염이 가능한 배터리 탈염 시스템.
- 제1항에서,
충전시 양이온이 양극과 음이온교환막 사이의 영역으로 탈리되는 것을 특징으로 하는 충방전시 탈염이 가능한 배터리 탈염 시스템.
- 제1항에서,
방전시 양이온이 음이온교환막과 상기 음극 사이의 영역으로 탈리되는 것을 특징으로 하는 충방전시 탈염이 가능한 배터리 탈염 시스템.
- 제1항에서,
상기 양극은 NaxNiFe(CN)6, Na0.44MnO2, NaxCuFe(CN)6, NaFePO4, NaMnO2 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 충방전시 탈염이 가능한 배터리 탈염 시스템.
- 제1항에서,
상기 음극은 NaxFeFe(CN)6, Na0.44[Mn1-xTix]O2, NaTi2(PO4)3, Na2FeP2O7 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 충방전시 탈염이 가능한 배터리 탈염 시스템.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210072488A KR20220164140A (ko) | 2021-06-04 | 2021-06-04 | 충방전시 탈염이 가능한 배터리 탈염 시스템 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210072488A KR20220164140A (ko) | 2021-06-04 | 2021-06-04 | 충방전시 탈염이 가능한 배터리 탈염 시스템 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20220164140A true KR20220164140A (ko) | 2022-12-13 |
Family
ID=84438960
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020210072488A KR20220164140A (ko) | 2021-06-04 | 2021-06-04 | 충방전시 탈염이 가능한 배터리 탈염 시스템 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20220164140A (ko) |
-
2021
- 2021-06-04 KR KR1020210072488A patent/KR20220164140A/ko not_active Application Discontinuation
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Tang et al. | Various cell architectures of capacitive deionization: Recent advances and future trends | |
| Srimuk et al. | Charge-transfer materials for electrochemical water desalination, ion separation and the recovery of elements | |
| Du et al. | A novel electroactive λ-MnO 2/PPy/PSS core–shell nanorod coated electrode for selective recovery of lithium ions at low concentration | |
| Metzger et al. | Techno-economic analysis of capacitive and intercalative water deionization | |
| US20110042205A1 (en) | Capacitive deionization device | |
| Volfkovich | Capacitive deionization of water (a review) | |
| US10807888B2 (en) | Carbon electrodes based capacitive deionization for the desalination of water | |
| KR102070243B1 (ko) | 해수 담수화 시스템 | |
| KR101004707B1 (ko) | 이온제거용 축전식 전극 및 그를 이용한 전해셀 | |
| US20110162965A1 (en) | Deionization device | |
| Tran et al. | A review of recent advances in electrode materials and applications for flow-electrode desalination systems | |
| EP3571165B1 (en) | Bismuth-based chloride-storage electrodes | |
| Lee et al. | Enhancement in desalination performance of battery electrodes via improved mass transport using a multichannel flow system | |
| Ahn et al. | Nafion-coated Prussian blue electrodes to enhance the stability and efficiency of battery desalination system | |
| Shi et al. | Metal-ion depletion impacts the stability and performance of battery electrode deionization over multiple cycles | |
| KR20210086554A (ko) | 전기화학적 정수 디바이스 | |
| Vafakhah et al. | An energy efficient bi-functional electrode for continuous cation-selective capacitive deionization | |
| Shen et al. | Chinese dumpling-like NaTi 2 (PO 4) 3/MXene@ reduced graphene oxide for capacitive deionization with high capacity and good cycling stability | |
| KR20220164140A (ko) | 충방전시 탈염이 가능한 배터리 탈염 시스템 | |
| KR101872121B1 (ko) | 충방전시 탈염이 가능한 배터리 탈염시스템 | |
| KR20150007070A (ko) | 축전식 전기탈염용 단위셀 및 이의 제조방법 | |
| Akinyemi et al. | Enhanced Desalination Performance Using Phosphate Buffer-Mediated Redox Reactions of Manganese Oxide Electrodes in a Multichannel System | |
| KR102519762B1 (ko) | 연속적인 축전식 탈염 장치 | |
| CN116043255B (zh) | 提锂电极制备方法及提锂装置 | |
| Pothanamkandathil | Comparing Intercalation Electrodes for Energy Efficient Brackish Water Desalination |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E90F | Notification of reason for final refusal | ||
| E601 | Decision to refuse application |