KR102630848B1 - Ion Exchange Battery and Ion Exchange Desalination Battery - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이온 교환 배터리 및 이온 교환 담수 배터리에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 교환 배터리는, 나트륨 함유 용액에 함침되는 캐소드(cathode)를 포함하는 양극부; 유기 전해질에 함침되는 애노드(anode)를 포함하는 음극부; 상기 양극부와 음극부 사이에 위치하는 고체 전해질; 및 충전 또는 방전에 따라, 상기 나트륨 함유 용액에 포함된 나트륨 이온을 방출 또는 흡수하는 양이온 교환수지;를 포함할 수 있다. The present invention relates to ion exchange batteries and ion exchange freshwater batteries. An ion exchange battery according to an embodiment of the present invention includes an anode unit including a cathode impregnated with a sodium-containing solution; A cathode portion including an anode impregnated with an organic electrolyte; A solid electrolyte located between the anode and cathode portions; and a cation exchange resin that releases or absorbs sodium ions contained in the sodium-containing solution depending on charging or discharging.
Description
본 발명은 이온 교환 배터리 및 이온 교환 담수 배터리에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 양이온 교환수지 및 음이온 교환수지를 이용한 이온 교환 배터리 및 이온 교환 담수 배터리에 관한 것이다.The present invention relates to ion exchange batteries and ion exchange freshwater batteries, and more particularly, to ion exchange batteries and ion exchange freshwater batteries using cation exchange resins and anion exchange resins.
이온 교환 수지는 기존 수처리 장비에서 염분 및 이물질 제거 목적으로 사용되고 있다. 해수의 담수 생성 목적으로 사용하기엔 낮은 이온 교환 용량과 포화(saturation) 문제가 있다는 문제점이 있다. Ion exchange resins are used in existing water treatment equipment to remove salts and foreign substances. There are problems with low ion exchange capacity and saturation problems when using it for the purpose of generating fresh water from seawater.
또한, 기존의 담수 배터리의 경우, 음이온 교환막 사용으로 인한 담수 손실이 발생하고, 전극 재생이 어려우며, 산성화 문제점이 발생하였다.Additionally, in the case of existing freshwater batteries, freshwater loss occurs due to the use of an anion exchange membrane, electrode regeneration is difficult, and acidification problems occur.
또한, 기존의 전기투석 장치(Electrodialysis)에서는 음이온 교환막과 양이온 교환막이 번갈아 적층될 수 있다. 이러한 방법으로 적층 시, 농축수부와 담수부가 번갈아 나열될 수 있으며, 이 경우, 탈염과정에서 물분자도 함께 담수부에서 농축수부로 이동할 수 있다.Additionally, in existing electrodialysis devices, anion exchange membranes and cation exchange membranes may be alternately laminated. When stacked in this way, the concentrated water section and the fresh water section can be arranged alternately, and in this case, water molecules can also move from the fresh water section to the concentrated water section during the desalination process.
이와 같은 전기 삼투 유동(Electro-osmosis)과 삼투 두 가지 원인으로 인해 담수부에서 상당한 물 손실이 발생할 수 있다. Significant water loss can occur in freshwater areas due to both electro-osmosis and osmosis.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 이온 교환 배터리 및 이온 교환 담수 배터리를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.The present invention was created to solve the above-described problems, and its purpose is to provide an ion exchange battery and an ion exchange freshwater battery.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The objects of the present invention are not limited to the objects mentioned above, and other objects not mentioned can be clearly understood from the description below.
상기한 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 교환 배터리는, 나트륨 함유 용액에 함침되는 캐소드(cathode)를 포함하는 양극부; 유기 전해질에 함침되는 애노드(anode)를 포함하는 음극부; 상기 양극부와 음극부 사이에 위치하는 고체 전해질; 및 충전 또는 방전에 따라, 상기 나트륨 함유 용액에 포함된 나트륨 이온을 방출 또는 흡수하는 양이온 교환수지;를 포함할 수 있다. In order to achieve the above objectives, an ion exchange battery according to an embodiment of the present invention includes an anode unit including a cathode impregnated with a sodium-containing solution; A cathode portion including an anode impregnated with an organic electrolyte; A solid electrolyte located between the anode and cathode portions; and a cation exchange resin that releases or absorbs sodium ions contained in the sodium-containing solution depending on charging or discharging.
실시예에서, 상기 양이온 교환수지는, 상기 이온 교환 배터리의 충전 시, 상기 나트륨 함유 용액에 상기 나트륨 이온(Na+)을 방출하고, 상기 나트륨 함유 용액에 포함된 물(H2O)로부터 생성된 수소 이온(H+)을 흡수하며, 상기 이온 교환 배터리의 방전 시, 상기 나트륨 함유 용액으로부터 상기 나트륨 이온(Na+)을 흡수하고, 상기 나트륨 함유 용액에 상기 흡수한 수소 이온(H+)을 방출할 수 있다. In an embodiment, the cation exchange resin releases the sodium ions (Na + ) into the sodium-containing solution when charging the ion exchange battery, and generates sodium ions (Na + ) from water (H 2 O) contained in the sodium-containing solution. Absorbs hydrogen ions (H + ), and when discharging the ion exchange battery, absorbs the sodium ions (Na + ) from the sodium-containing solution and releases the absorbed hydrogen ions (H + ) into the sodium-containing solution. can do.
실시예에서, 상기 양극부는, 상기 나트륨 함유 용액을 상기 양이온 교환수지에 통과시키기 위한 배출부 및 상기 양이온 교환수지를 통과한 나트륨 함유 용액을 상기 양극부로 주입시키기 위한 주입부를 포함할 수 있다. In an embodiment, the anode part may include a discharge part for passing the sodium-containing solution through the cation exchange resin and an injection part for injecting the sodium-containing solution that has passed through the cation exchange resin into the anode part.
실시예에서, 이온 교환 담수 배터리는, 염수(saline water)에 함침되는 캐소드(cathode)를 포함하는 양극부; 유기 전해질에 함침되는 애노드(anode)를 포함하는 음극부; 상기 양극부와 음극부 사이에 위치하는 고체 전해질; 및 충전 또는 방전에 따라, 상기 염수에 포함된 염소 이온을 방출 또는 흡수하는 음이온 교환수지;를 포함할 수 있다. In an embodiment, an ion exchange freshwater battery includes an anode portion comprising a cathode that is impregnated in saline water; A cathode portion including an anode impregnated with an organic electrolyte; A solid electrolyte located between the anode and cathode portions; and an anion exchange resin that releases or absorbs chlorine ions contained in the brine according to charging or discharging.
실시예에서, 상기 음이온 교환수지는, 상기 이온 교환 담수 배터리의 충전 시, 상기 염수에 포함된 염소 이온(Cl-)으로부터 생성된 염화수소(HCl)를 흡수하고, 상기 이온 교환 담수 배터리의 방전 시, 상기 염수에 상기 흡1수한 염화수소를 방출할 수 있다. In an embodiment, the anion exchange resin absorbs hydrogen chloride (HCl) generated from chlorine ions (Cl - ) contained in the salt water when charging the ion exchange fresh water battery, and when discharging the ion exchange fresh water battery, The absorbed hydrogen chloride can be released into the brine.
실시예에서, 상기 이온 교환 담수 배터리의 충전 시, 상기 염수에 포함된 나트륨 이온(Na+)은, 상기 양극부로부터 상기 고체 전해질을 통해 상기 음극부로 이동되고, 상기 이온 교환 담수 배터리의 방전 시, 상기 음극부로부터 상기 고체 전해질을 통해 상기 양극부로 이동될 수 있다. In an embodiment, when charging the ion exchange fresh water battery, sodium ions (Na + ) contained in the brine are moved from the anode part to the cathode part through the solid electrolyte, and when discharging the ion exchange fresh water battery, It can be moved from the cathode part to the anode part through the solid electrolyte.
실시예에서, 상기 양극부는, 상기 염수를 상기 음이온 교환수지에 통과시키기 위한 배출부 및 상기 음이온 교환수지를 통과한 염수를 상기 양극부로 주입시키기 위한 주입부를 포함할 수 있다. In an embodiment, the anode part may include a discharge part for passing the brine through the anion exchange resin and an injection part for injecting the brine that has passed through the anion exchange resin into the anode part.
실시예에서, 적층형 이온 교환 배터리는, 유기 전해질에 함침되는 애노드(anode)를 포함하는 음극부; 상기 음극부의 일측에 위치하고, 염수(saline water)를 포함하는 제1 탈염부; 상기 제1 탈염부의 일측에 위치하고, 물(H2O)을 포함하는 제2 탈염부; 상기 제2 탈염부의 일측에 위치하고, 염수에 함침된 제1 캐소드(cathode)를 포함하는 제1 양극부; 충전에 따라 상기 제2 탈염부로부터 전달받은 염화나트륨(NaOH)에 포함된 나트륨 이온(Na+)을 흡수하여 물을 생성하는 양이온 교환수지; 및 상기 충전에 따라 상기 제1 탈염부 및 제1 양극부로부터 전달받은 염화수소(HCl)에 포함된 염소 이온(Cl-)을 흡수하여 물을 생성하는 음이온 교환수지;를 포함할 수 있다. In an embodiment, a stacked ion exchange battery includes a cathode portion including an anode impregnated with an organic electrolyte; a first desalination section located on one side of the cathode section and containing saline water; a second desalting section located on one side of the first desalting section and containing water (H 2 O); a first anode unit located on one side of the second desalination unit and including a first cathode impregnated with salt water; A cation exchange resin that generates water by absorbing sodium ions (Na+) contained in sodium chloride (NaOH) delivered from the second desalting unit upon charging; and an anion exchange resin that generates water by absorbing chlorine ions (Cl-) contained in hydrogen chloride (HCl) received from the first desalting unit and the first anode unit according to the charging.
실시예에서, 상기 적층형 이온 교환 배터리는, 상기 음극부와 제1 탈염부 사이에 위치하는 제1 고체 전해질; 상기 제1 탈염부와 제2 탈염부 사이에 위치하고, 제1 양이온 교환막(Cation Exchange Membrane, CEM) 및 제1 음이온 교환막(Anion Exchange Membrane, AEM); 및 상기 제2 탈염부와 제1 양극부 사이에 위치하는 제2 양이온 교환막;을 더 포함하고, 상기 제1 양이온 교환막과 제1 음이온 교환막은 서로 접해 있을 수 있다. In an embodiment, the stacked ion exchange battery includes: a first solid electrolyte positioned between the cathode portion and the first desalting portion; It is located between the first desalting section and the second desalting section, and includes a first cation exchange membrane (Cation Exchange Membrane, CEM) and a first anion exchange membrane (AEM); and a second cation exchange membrane positioned between the second desalting unit and the first anode unit, wherein the first cation exchange membrane and the first anion exchange membrane may be in contact with each other.
실시예에서, 상기 적층형 이온 교환 배터리는, 상기 음극부의 타측에 위치하고, 염수를 포함하는 제1 농축부; 상기 제1 농축부의 일측에 위치하고, 염수를 포함하는 제2 농축부; 상기 제2 농축부의 일측에 위치하고, 염수에 함침된 제2 캐소드를 포함하는 제2 양극부;를 더 포함하고, 상기 양이온 교환수지는, 방전에 따라, 상기 제2 농축부로부터 전달받은 염수 및 염화수소에 포함된 수소 이온(H+)을 흡수하여 농축 염수(brine)를 생성하고, 상기 음이온 교환수지는, 상기 방전에 따라, 상기 제1 농축부 및 제2 양극부로부터 전달받은 염수 및 염화나트륨(NaOH)에 포함된 수산화 이온(OH-)을 흡수하여 농축 염수를 생성할 수 있다. In an embodiment, the stacked ion exchange battery includes: a first enrichment portion located on the other side of the cathode portion and containing brine; a second enrichment unit located on one side of the first enrichment unit and containing brine; It further includes a second anode unit located on one side of the second enrichment unit and including a second cathode impregnated with brine, wherein the cation exchange resin is configured to react with salt water and hydrogen chloride received from the second enrichment unit according to discharge. Hydrogen ions (H + ) contained in are absorbed to generate concentrated brine, and the anion exchange resin, according to the discharge, receives brine and sodium chloride (NaOH) from the first enrichment unit and the second anode unit. ) can be absorbed to produce concentrated brine.
실시예에서, 상기 적층형 이온 교환 배터리는, 상기 음극부와 제1 농축부 사이에 위치하는 제2 고체 전해질; 상기 제1 농축부와 제2 농축부 사이에 위치하는 제2 음이온 교환막(Anion Exchange Membrane, AEM) 및 제3 양이온 교환막(Cation Exchange Membrane, CEM); 및 상기 제2 탈염부와 제2 양극부 사이에 위치하는 제4 양이온 교환막;을 더 포함하고, 상기 제2 음이온 교환막과 제3 양이온 교환막은 서로 접해 있을 수 있다. In an embodiment, the stacked ion exchange battery includes: a second solid electrolyte positioned between the cathode portion and the first concentrating portion; a second anion exchange membrane (AEM) and a third cation exchange membrane (CEM) located between the first and second enrichment sections; and a fourth cation exchange membrane positioned between the second desalting unit and the second anode unit, wherein the second anion exchange membrane and the third cation exchange membrane may be in contact with each other.
실시예에서, 상기 양이온 교환수지는, 상기 충전에 따라 상기 나트륨 이온을 흡수하고 수소 이온(H+)을 방출하여 상기 물을 생성하는, 상기 음이온 교환 수지는, 상기 충전에 따라 상기 염소 이온을 흡수하고 수산화 이온(OH-)을 방출하여 상기 물을 생성할 수 있다. In an embodiment, the cation exchange resin absorbs the sodium ions and releases hydrogen ions (H + ) to produce the water upon the charge, and the anion exchange resin absorbs the chloride ions upon the charge. And the water can be generated by releasing hydroxide ions (OH - ).
실시예에서, 상기 양이온 교환수지는, 상기 방전에 따라 상기 수소 이온을 흡수하고 나트륨 이온을 방출하여 상기 농축 염수를 생성하고, 상기 음이온 교환수지는, 상기 방전에 따라 상기 수산화 이온을 흡수하고 염소 이온을 방출하여 상기 농축 염수를 생성할 수 있다. In an embodiment, the cation exchange resin absorbs the hydrogen ions and releases sodium ions in response to the discharge to produce the concentrated brine, and the anion exchange resin absorbs the hydroxide ions and releases chlorine ions in response to the discharge. The concentrated brine can be produced by releasing the .
실시예에서, 상기 충전에 따라 상기 양이온 교환수지로부터 생성된 물은 상기 제2 탈염부로 전달되고, 상기 충전에 따라 상기 음이온 교환수지로부터 생성된 물은 상기 제1 탈염부 및 제1 양극부로 전달될 수 있다. In an embodiment, the water generated from the cation exchange resin according to the charging is delivered to the second desalting unit, and the water generated from the anion exchange resin according to the charging is delivered to the first desalting unit and the first anode unit. You can.
실시에에서, 상기 방전에 따라, 상기 양이온 교환수지로부터 생성된 농축 염수는 상기 제2 농축부로 전달되고, 상기 방전에 따라, 상기 음이온 교환수지로부터 생성된 농축 염수는 상기 제1 농축부 및 제2 양극부로 전달될 수 있다. In an embodiment, according to the discharge, the concentrated brine produced from the cation exchange resin is delivered to the second enrichment section, and according to the discharge, the concentrated brine produced from the anion exchange resin is delivered to the first enrichment section and the second enrichment section. It can be transmitted to the anode part.
상기한 목적들을 달성하기 위한 구체적인 사항들은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술될 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.Specific details for achieving the above objectives will become clear by referring to the embodiments described in detail below along with the attached drawings.
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.However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, and may be configured in various different forms. In order to ensure that the disclosure of the present invention is complete, those skilled in the art ( It is provided to fully inform those skilled in the art of the invention of the scope of the invention.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 이온 교환수지를 이차 전지에 결합하여 이차전지 구동이나 담수화 기능을 보다 효율적으로 수행할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, by combining an ion exchange resin with a secondary battery, the secondary battery operation or desalination function can be performed more efficiently.
본 발명의 효과들은 상술된 효과들로 제한되지 않으며, 본 발명의 기술적 특징들에 의하여 기대되는 잠정적인 효과들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to the effects described above, and potential effects expected by the technical features of the present invention can be clearly understood from the description below.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 시 이온 교환 배터리를 도시한 도면이다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 방전 시 이온 교환 배터리를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 양이온 교환 수지를 도시한 도면이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 시 이온 교환 담수 배터리를 도시한 도면이다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 방전 시 이온 교환 담수 배터리를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 음이온 교환 수지를 도시한 도면이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 교환 담수 배터리의 분할 사이클 구동 과정을 도시한 도면이다.
도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 분할 사이클 구동 과정의 탈염 성능 그래프를 도시한 도면이다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 시 적층형 이온 교환 배터리를 도시한 도면이다.
도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 방전 시 적층형 이온 교환 배터리를 도시한 도면이다.1A is a diagram illustrating an ion exchange battery during charging according to an embodiment of the present invention.
FIG. 1B is a diagram illustrating an ion exchange battery during discharging according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a diagram showing a cation exchange resin according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3A is a diagram illustrating an ion exchange freshwater battery during charging according to an embodiment of the present invention.
Figure 3b is a diagram illustrating an ion exchange freshwater battery during discharging according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a diagram showing an anion exchange resin according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5A is a diagram illustrating a split cycle driving process of an ion exchange freshwater battery according to an embodiment of the present invention.
Figure 5b is a diagram showing a desalination performance graph of a split cycle driving process according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6A is a diagram illustrating a stacked ion exchange battery during charging according to an embodiment of the present invention.
Figure 6b is a diagram showing a stacked ion exchange battery during discharging according to an embodiment of the present invention.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고, 여러 가지 실시예들을 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세히 설명하고자 한다. Since the present invention can be subject to various changes and can have various embodiments, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail.
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.The various features of the invention disclosed in the claims may be better understood by consideration of the drawings and detailed description. The apparatus, method, manufacturing method, and various embodiments disclosed in the specification are provided for illustrative purposes. The disclosed structural and functional features are intended to enable those skilled in the art to specifically implement various embodiments, and are not intended to limit the scope of the invention. The disclosed terms and sentences are intended to easily explain various features of the disclosed invention and are not intended to limit the scope of the invention.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of related known technology may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 교환 배터리 및 이온 교환 담수 배터리를 설명한다.Hereinafter, an ion exchange battery and an ion exchange freshwater battery according to an embodiment of the present invention will be described.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 시 이온 교환 배터리(100)를 도시한 도면이다. 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 방전 시 이온 교환 배터리(100)를 도시한 도면이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 양이온 교환수지(140)를 도시한 도면이다.FIG. 1A is a diagram illustrating an ion exchange battery 100 during charging according to an embodiment of the present invention. FIG. 1B is a diagram illustrating the ion exchange battery 100 during discharging according to an embodiment of the present invention. Figure 2 is a diagram showing a cation exchange resin 140 according to an embodiment of the present invention.
도 1a 및 1b와 도 2를 참고하면, 이온 교환 배터리(100)는 양극부(110), 고체 전해질(120), 음극부(130) 및 양이온 교환수지(140)를 포함할 수 있다. Referring to FIGS. 1A and 1B and FIG. 2 , the ion exchange battery 100 may include an anode portion 110, a solid electrolyte 120, a cathode portion 130, and a cation exchange resin 140.
양극부(110)는 나트륨 함유 용액에 함침되는 캐소드(cathode)(115)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 나트륨 함유 용액은 해수(seawater) 및 염수를 포함할 수 있다. The anode unit 110 may include a cathode 115 that is impregnated with a sodium-containing solution. For example, sodium-containing solutions may include seawater and brine.
음극부(130)는 유기 전해질에 함침되는 애노드(anode)(135)를 포함할 수 있다. The cathode portion 130 may include an anode 135 impregnated with an organic electrolyte.
고체 전해질(120)은 양극부(110)와 음극부(130) 사이에 위치할 수 있다. The solid electrolyte 120 may be located between the anode part 110 and the cathode part 130.
양이온 교환수지(140)는 충전 또는 방전에 따라, 나트륨 함유 용액에 포함된 나트륨 이온을 방출 또는 흡수할 수 있다. The cation exchange resin 140 may release or absorb sodium ions contained in a sodium-containing solution depending on charge or discharge.
일 실시예에서, 양이온 교환수지(140)는, 이온 교환 배터리(100)의 충전 시, 나트륨 함유 용액에 나트륨 이온(Na+)을 방출하고, 나트륨 함유 용액에 포함된 물(H2O)로부터 생성된 수소 이온(H+)을 흡수할 수 있다.In one embodiment, the cation exchange resin 140 releases sodium ions (Na + ) into the sodium-containing solution when charging the ion exchange battery 100, and generates sodium ions (Na + ) from water (H O) contained in the sodium-containing solution. Can absorb hydrogen ions (H + ).
예를 들어, 이온 교환 배터리(100)가 충전되는 경우, 양극부(110)의 양극 전해액 내 Na+은 감소하고, H+은 증가할 수 있다. For example, when the ion exchange battery 100 is charged, Na + in the anode electrolyte of the anode part 110 may decrease and H + may increase.
이 경우, Na+이 감소하며, 음극 반응(Na+ + e- → Na)에서 반응물 감소로 인해 충전 셀 전압이 증가하고, H+이 증가하며, 양극 반응(2H2O → O2 + 4H+)에서 생성물 농도 증가로 인한 충전 셀 전압이 증가하고, H+이 많아지고, Na+이 적은 환경이 되는데, 이 때, 양이온 교환수지(140)는 H+를 흡수하고, 가지고 있던 Na+을 방출할 수 있다.In this case, Na + decreases, the charge cell voltage increases due to a decrease in reactants in the cathodic reaction (Na + + e- → Na), H + increases, and the anode reaction (2H 2 O → O 2 + 4H + ), the charging cell voltage increases due to an increase in product concentration, and an environment becomes more H + and less Na + . At this time, the cation exchange resin 140 absorbs H + and releases the Na + it had. can do.
따라서, 양극 전해액은 H+가 적고, Na+는 많은 환경이 되어 양쪽 전극의 충전 셀 전압 증가가 방지될 수 있다. 이에 따라, 더 낮은 전압으로 이온 교환 배터리(100)를 충전할 수 있다.Accordingly, the anode electrolyte becomes an environment containing less H + and more Na + , thereby preventing an increase in the charging cell voltage of both electrodes. Accordingly, the ion exchange battery 100 can be charged at a lower voltage.
일 실시예에서, 양이온 교환수지(140)는, 이온 교환 배터리(100)의 방전 시, 나트륨 함유 용액으로부터 나트륨 이온(Na+)을 흡수하고, 나트륨 함유 용액에 상기 흡수한 수소 이온(H+)을 방출할 수 있다. In one embodiment, the cation exchange resin 140 absorbs sodium ions (Na + ) from the sodium-containing solution when the ion exchange battery 100 is discharged, and the absorbed hydrogen ions (H + ) into the sodium-containing solution. can emit.
예를 들어, 이온 교환 배터리(100)를 완전히 충전하면 양극 전해액은 나트륨 함유 용액 기반의 HCl 용액을 포함할 수 있다. For example, when the ion exchange battery 100 is fully charged, the positive electrode electrolyte may include an HCl solution based on a sodium-containing solution.
이온 교환 배터리(100)를 방전하면 양극 전해액 내 Na+은 많아지고, OH-는 많아질 수 있다.When the ion exchange battery 100 is discharged, Na + and OH - in the positive electrolyte may increase.
이 경우, Na+이 많아지며, 음극 반응(Na → Na+ + e-)에서 생성물 농도 증가로 인한 방전 셀 전압이 감소하고, OH-는 많아 지며, 양극 반응(2H2O + O2 → 4OH-)에서 생성물 증가로 인한 방전 셀 전압이 감소하며, H+은 적지만 Na+이 많은 환경이 되는데, 이 때, 양이온 교환수지(140)는 Na+를 흡수하고, 가지고 있던 H+을 방출할 수 있다.In this case, Na + increases, the discharge cell voltage decreases due to an increase in product concentration in the cathode reaction (Na → Na + + e - ), OH - increases, and the anode reaction (2H 2 O + O 2 → 4OH - ), the discharge cell voltage decreases due to an increase in the product, creating an environment with little H + but lots of Na + . At this time, the cation exchange resin 140 absorbs Na + and releases the H + it has. You can.
따라서 양극 전해액은 H+가 많고, Na+는 적은 환경이 되어 방전 셀 전압 감소를 방지할 수 있다.Therefore, the anode electrolyte becomes an environment with a lot of H + and a little Na + , thereby preventing a decrease in discharge cell voltage.
이에 따라, 더 높은 전압으로 이온 교환 배터리(100)를 방전할 수 있다.Accordingly, the ion exchange battery 100 can be discharged at a higher voltage.
이에 따라, 에너지 효율이 더 높아질 수 있다(에너지 효율=방전 에너지(∫V방전Idt)/충전 에너지(∫V충전Idt)). 또한, 이온 교환 배터리(100)는 담수 배터리로도 활용될 수 있다.Accordingly, energy efficiency can be further increased (energy efficiency = discharge energy (∫V discharge Idt)/charge energy (∫V charge Idt)). Additionally, the ion exchange battery 100 can also be used as a freshwater battery.
일 실시예에서, 양극부(110)는, 나트륨 함유 용액을 양이온 교환수지(140)에 통과시키기 위한 배출부 및 양이온 교환수지(140)를 통과한 나트륨 함유 용액을 양극부(110)로 주입시키기 위한 주입부를 포함할 수 있다. In one embodiment, the anode unit 110 has a discharge unit for passing the sodium-containing solution through the cation exchange resin 140 and a discharge unit for injecting the sodium-containing solution that has passed through the cation exchange resin 140 into the anode unit 110. It may include an injection part for.
양이온 교환수지(Cation Exchange Resin, CER)(140)는 외부 환경에 따라 H+ 또는 Na+를 포집할 수 있다.Cation Exchange Resin (CER) 140 can capture H + or Na + depending on the external environment.
예를 들어, 외부에 H+ 농도가 임계값보다 큰 경우(pH가 특정값보다 작은 경우), 약산성 양이온 교환수지는 H+를 포집하고, 이미 포집하고 있던 Na+는 외부로 방출할 수 있다.For example, when the external H + concentration is greater than the critical value (pH is less than a specific value), the weakly acidic cation exchange resin can collect H + and release the already captured Na + to the outside.
반대로, 외부 H+ 농도가 임계값보다 낮은 경우(pH가 특정값보다 큰 경우), 약산성 양이온 교환수지는 포집한 H+을 내어놓고 외부 Na+을 포집할 수 있다. Conversely, when the external H + concentration is lower than the critical value (pH is greater than a certain value), the weakly acidic cation exchange resin can release the captured H + and collect external Na + .
pH와 마찬가지로 외부의 Na+ 농도 역시 양이온 교환수지의 거동에 영향을 미칠 수 있다. Like pH, external Na + concentration can also affect the behavior of cation exchange resins.
예를 들어, 양이온 교환수지(140)는 하기 <표 1>와 같은 특성을 가질 수 있다. For example, the cation exchange resin 140 may have characteristics as shown in <Table 1> below.
- 재생시 강산 필요- Capable of absorbing neutral salts (NaCl)
- Strong acid required for regeneration
- 염기성염 (NaOH) 흡수 가능
- 약산으로 재생 가능- Neutral salts cannot be absorbed
- Capable of absorbing basic salts (NaOH)
- Can be regenerated with weak acid
본 발명에 따른 이온 교환 배터리(100)는 양이온 교환수지(140)를 이차 전지에 결합하여 이차 전지 구동이나 부가기능을 더 잘 수행할 수 있도록 할 수 있다. 일 실시예에서, 이차 전지는 양극부(110), 고체 전해질(120) 및 음극부(130)를 포함할 수 있다. The ion exchange battery 100 according to the present invention can better perform secondary battery operation or additional functions by combining the cation exchange resin 140 with the secondary battery. In one embodiment, the secondary battery may include an anode portion 110, a solid electrolyte 120, and a cathode portion 130.
일 실시예에서, 둘 중 한쪽 전극이 충/방전 간 해당 전극 쪽 전해액을 산성화 혹은 염기성화시킬 수 있으면 될 수 있다. 예를 들어, 캐소드(115)를 탄소 집전체만 사용하여 충/방전간 물분해 반응을 일으켜 H+/OH- 를 생성할 수 있다. In one embodiment, one of the two electrodes may be capable of acidifying or basicizing the electrolyte on the corresponding electrode during charge/discharge. For example, using only a carbon current collector as the cathode 115, a water decomposition reaction may occur between charge and discharge to generate H + /OH - .
본 발명의 다양한 실시 예들에서 이온 교환 배터리(100)는 도 1a 및 1b에 설명된 구성들이 필수적인 것은 아니어서, 도 1a 및 1b에 설명된 구성들보다 많은 구성들을 가지거나, 또는 그보다 적은 구성들을 가지는 것으로 구현될 수 있다.In various embodiments of the present invention, the ion exchange battery 100 may have more configurations than the configurations illustrated in FIGS. 1A and 1B, or fewer configurations, as the configurations illustrated in FIGS. 1A and 1B are not essential. It can be implemented as
기존의 담수 배터리의 경우, 음이온 교환막 사용으로 인한 담수 손실이 발생하고, 전극 재생이 어려우며, 산성화 문제점이 발생하였다.In the case of existing freshwater batteries, freshwater loss occurs due to the use of an anion exchange membrane, electrode regeneration is difficult, and acidification problems occur.
이에, 본 발명에 따르면, 이온 교환 수지(Ion Exchange Resin)를 이차 전지에 적용한 이온 교환 담수 배터리가 사용될 수 있다. Therefore, according to the present invention, an ion exchange freshwater battery in which an ion exchange resin is applied to a secondary battery can be used.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 시 이온 교환 담수 배터리(300)를 도시한 도면이다. 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 방전 시 이온 교환 담수 배터리(300)를 도시한 도면이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 음이온 교환수지(150)를 도시한 도면이다.FIG. 3A is a diagram illustrating an ion exchange freshwater battery 300 during charging according to an embodiment of the present invention. FIG. 3B is a diagram illustrating an ion exchange freshwater battery 300 during discharging according to an embodiment of the present invention. Figure 4 is a diagram showing an anion exchange resin 150 according to an embodiment of the present invention.
도 3a 및 3b와 도 4를 참고하면, 이온 교환 담수 배터리(300)는 양극부(110), 고체 전해질(120), 음극부(130) 및 음이온 교환수지(150)를 포함할 수 있다. Referring to FIGS. 3A and 3B and FIG. 4 , the ion exchange freshwater battery 300 may include an anode unit 110, a solid electrolyte 120, a cathode unit 130, and an anion exchange resin 150.
양극부(110)는 염수(saline water)에 함침되는 캐소드(cathode)(115)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 염수는 나트륨 이온(Na+)과 염소 이온(Cl-)을 포함할 수 있으며, 해수를 포함할 수 있다. The anode unit 110 may include a cathode 115 that is impregnated with saline water. For example, salt water may contain sodium ions (Na + ) and chloride ions (Cl - ) and may include seawater.
음극부(130)는 유기 전해질에 함침되는 애노드(anode)(135)를 포함할 수 있다. The cathode portion 130 may include an anode 135 impregnated with an organic electrolyte.
고체 전해질(120)은 양극부(110)와 음극부(130) 사이에 위치할 수 있다. The solid electrolyte 120 may be located between the anode part 110 and the cathode part 130.
음이온 교환수지(150)는 충전 또는 방전에 따라, 염수에 포함된 염소 이온을 방출 또는 흡수할 수 있다. The anion exchange resin 150 may release or absorb chlorine ions contained in salt water depending on charging or discharging.
일 실시예에서, 음이온 교환수지(150)는, 이온 교환 담수 배터리(300)의 충전 시, 염수에 포함된 염소 이온(Cl-)으로부터 생성된 염화수소(HCl)를 흡수할 수 있다. In one embodiment, the anion exchange resin 150 may absorb hydrogen chloride (HCl) generated from chlorine ions (Cl − ) contained in salt water when charging the ion exchange fresh water battery 300.
예를 들어, 충전 시 전자는 캐소드(115)에서 애노드(135)로 이동할 수 있다. 이 때, 애노드(135)의 경우, Na+ + e- → Na 반응이 발생하며, 캐소드(115)의 경우 2H2O → O2 + 4H+ 반응이 발생할 수 있다. For example, during charging, electrons may move from the cathode 115 to the anode 135. At this time, in the case of the anode 135, a Na + + e - → Na reaction may occur, and in the case of the cathode 115, a 2H 2 O → O 2 + 4H + reaction may occur.
이로 인해, 양극부(110)의 양극 전해액이 NaCl에서 HCl로 변해가게 되는데, 음이온 교환수지(150)가 HCl을 흡수함에 따라 양극부(110)의 양극 전해액은 담수화가 진행될 수 있다. 즉, 이온 교환 및 탈염 과정에서도 중성의 pH 유지가 가능할 수 있다. As a result, the anode electrolyte of the anode part 110 changes from NaCl to HCl. As the anion exchange resin 150 absorbs HCl, the anode electrolyte of the anode part 110 may be desalinated. That is, it may be possible to maintain neutral pH even during the ion exchange and desalting process.
일 실시예에서, 음이온 교환수지(150)는, 이온 교환 담수 배터리(300)의 방전 시, 염수에 상기 흡수한 염화수소를 방출할 수 있다. In one embodiment, the anion exchange resin 150 may release the absorbed hydrogen chloride into salt water when the ion exchange fresh water battery 300 is discharged.
예를 들어, 충전 시 생성된 담수를 양극부(110)에서 제거하고 양극부(110)에 다시 염수로 채워질 수 있다. For example, fresh water generated during charging may be removed from the anode unit 110 and the anode unit 110 may be filled with salt water again.
방전 시 양극부(110)가 염수 기반의 NaOH 수용액이 되어, 음이온 교환수지(150)가 재생되고 Cl-이 양극부(110)로 배출될 수 있다. 즉, 본 발명에 따르면, 음이온 교환수지(150)의 재생을 위해 화학적 처리를 별도로 할 필요 없다.During discharge, the anode part 110 becomes a brine-based NaOH aqueous solution, so that the anion exchange resin 150 is regenerated and Cl - can be discharged to the anode part 110. That is, according to the present invention, there is no need for separate chemical treatment to regenerate the anion exchange resin 150.
방전을 통해 양극부(110)의 양극 전해액은 농축 염수로 변화할 수 있다. 여기서, 농축 염수는 농축수 또는 이와 동등한 기술적 의미를 갖는 용어로 지칭될 수 있다. 이후, 양극부(110)에서 농축 염수를 비우고 염수를 채워 담수 과정을 다시 시작할 수 있다. Through discharge, the anode electrolyte of the anode unit 110 may change into concentrated brine. Here, concentrated brine may be referred to as concentrated water or a term having an equivalent technical meaning. Thereafter, the anode unit 110 can be emptied of concentrated brine and filled with brine to restart the desalination process.
일 실시예에서, 이온 교환 담수 배터리(300)의 충전 시, 염수에 포함된 나트륨 이온(Na+)은, 양극부(110)로부터 고체 전해질(120)을 통해 음극부(130)로 이동될 수 있다. In one embodiment, when charging the ion exchange freshwater battery 300, sodium ions (Na + ) contained in brine may be moved from the anode unit 110 to the cathode unit 130 through the solid electrolyte 120. there is.
일 실시예에서, 이온 교환 담수 배터리(300)의 방전 시, 음극부(130)로부터 고체 전해질(120)을 통해 양극부(110)로 이동될 수 있다. In one embodiment, when the ion exchange fresh water battery 300 is discharged, it may move from the cathode unit 130 to the anode unit 110 through the solid electrolyte 120.
일 실시예에서, 양극부(110)는, 염수를 음이온 교환수지(150)에 통과시키기 위한 배출부 및 음이온 교환수지(150)를 통과한 염수를 양극부(110)로 주입시키기 위한 주입부를 포함할 수 있다. In one embodiment, the anode unit 110 includes a discharge unit for passing brine through the anion exchange resin 150 and an injection unit for injecting the brine that has passed through the anion exchange resin 150 into the anode unit 110. can do.
예를 들어, 음이온 교환수지(150)는 하기 <표 2>와 같은 특성을 가질 수 있다. For example, the anion exchange resin 150 may have characteristics as shown in <Table 2> below.
- 재생시 강염기 필요- Capable of absorbing neutral salts (NaCl)
- Strong base is required for regeneration
- 산성염 (HCl) 흡수 가능
- 약염기로 재생 가능- Neutral salts cannot be absorbed
- Capable of absorbing acid salts (HCl)
- Can be regenerated with weak base
본 발명의 다양한 실시 예들에서 이온 교환 담수 배터리(300)는 도 3a 및 3b에 설명된 구성들이 필수적인 것은 아니어서, 도 3a 및 3b에 설명된 구성들보다 많은 구성들을 가지거나, 또는 그보다 적은 구성들을 가지는 것으로 구현될 수 있다.In various embodiments of the present invention, the ion exchange freshwater battery 300 may have more configurations than the configurations illustrated in FIGS. 3A and 3B, or fewer configurations, as the configurations illustrated in FIGS. 3A and 3B are not essential. It can be implemented by having.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 교환 담수 배터리(300)의 분할 사이클 구동 과정을 도시한 도면이다. 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 분할 사이클 구동 과정의 탈염 성능 그래프를 도시한 도면이다. FIG. 5A is a diagram illustrating a split cycle driving process of the ion exchange freshwater battery 300 according to an embodiment of the present invention. Figure 5b is a diagram showing a desalination performance graph of a split cycle driving process according to an embodiment of the present invention.
도 5a를 참고하면, 충전 과정(510)에서, 이온 교환 담수 배터리(300)의 양극부(110)의 양극 전해액으로 염수가 주입될 수 있다. 이 경우, 음이온 교환수지(150)는 충전 시 염수로부터 발생된 HCl을 흡수하고, 염수에 포함된 나트륨 이온은 음극부(130)로 이동하여, 양극부(110)의 염수는 담수로 전환될 수 있다.Referring to FIG. 5A , in the charging process 510, salt water may be injected into the anode electrolyte of the anode portion 110 of the ion exchange freshwater battery 300. In this case, the anion exchange resin 150 absorbs HCl generated from the salt water during charging, and the sodium ions contained in the salt water move to the cathode part 130, so that the salt water in the anode part 110 can be converted to fresh water. there is.
담수 분리 과정(520)에서, 충전을 통해 전환된 담수는 양극부(110)에서 외부로 배출될 수 있다. In the fresh water separation process 520, the fresh water converted through charging may be discharged to the outside from the anode unit 110.
방전 과정(530)에서, 양극부(110)의 양극 전해액으로 염수가 다시 주입될 수 있다. 이 경우, 음이온 교환수지(150)는 이전 충전 시 흡수하였던 HCl을 염수로 배출하고, 음극부(130)의 나트륨 이온이 양극부(110)의 염수로 이동하여, 양극부(110)의 염수는 농축 염수로 전환될 수 있다. In the discharging process 530, salt water may be injected again into the anode electrolyte of the anode unit 110. In this case, the anion exchange resin 150 discharges the HCl absorbed during previous charging as brine, and the sodium ions in the cathode part 130 move to the brine in the anode part 110, so that the brine in the anode part 110 becomes Can be converted to concentrated brine.
농축수 분리 과정(540)에서, 방전을 통해 전환된 농축 염수는 양극부(110)에서 외부로 배출될 수 있다. In the concentrated water separation process 540, the concentrated brine converted through discharge may be discharged to the outside from the anode unit 110.
일 실시예에서, 충전 과정(510), 담수 분리 과정(520), 방전 과정(530) 및 농축수 분리 과정(540)이 반복되면서 연속적인 담수 구동이 가능할 수 있다. In one embodiment, continuous fresh water operation may be possible by repeating the charging process 510, the fresh water separation process 520, the discharging process 530, and the concentrated water separation process 540.
일 실시예에서, 생성된 담수와 농축수를 구분하여 저장하였다가 충전 및 방전 시 재사용할 수 있다. In one embodiment, the produced fresh water and concentrated water can be stored separately and reused during charging and discharging.
일 실시예에서, 염소 이온의 분할 탈염 과정은 하기 <표 3>과 같이 나타낼 수 있다. In one embodiment, the division desalting process of chlorine ions can be represented as shown in <Table 3> below.
교환수지negative ion
balance of exchange
예를 들어, 3Ah만큼 충전 시 186mL의 염수를 담수화할 수 있으며, (26.8Ah / 1mol ion), 약 93mL의 음이온 교환수지(140)가 필요할 수 있다.186mL의 담수 생성 시 한번에 3Ah를 충전하는 대신, 여러 번 나누어 충전 시(예시: 1Ah x 3번), 3Ah 충전 시에 비해 3분의 1 수준의 음이온 교환수지(140)와 이차전지 용량만 필요할 수 있다.For example, when charging 3 Ah, 186 mL of salt water can be desalinated (26.8 Ah / 1 mol ion), and approximately 93 mL of anion exchange resin (140) may be required. When generating 186 mL of fresh water, instead of charging 3 Ah at once , when charging multiple times (example: 1Ah x 3 times), only one-third of the anion exchange resin (140) and secondary battery capacity may be required compared to 3Ah charging.
즉, 1Ah의 이차 전지와 31mL의 음이온 교환수지(140)만 있어도 186mL의 담수 생성이 가능할 수 있다. In other words, it is possible to produce 186 mL of fresh water with only a 1 Ah secondary battery and 31 mL of anion exchange resin 140.
도 5b를 참고하면, 염수량이 3.4mL이고, 음이온 교환수지(140)의 양이1.7mL인 경우, 30%, 60%, 90% 충전 시, 용액 조성을 모사하여 음이온 교환수지(140)에 연속적으로 플로우(flow)할 수 있다.Referring to FIG. 5b, when the amount of brine is 3.4 mL and the amount of anion exchange resin 140 is 1.7 mL, when 30%, 60%, and 90% are charged, the solution composition is simulated and continuously applied to the anion exchange resin 140. You can flow with .
1분할 100% 충전 시, Cl-는 49% 탈염에 그쳤지만, 3분할 충전 시 83% 탈염될 수 있다. 음이온 교환수지(140)의 사용량 대비 Cl- 탈염양의 경우, 1분할시 0.588 mol/L이고, 3분할시 0.996 mol/L일 수 있다. 이를 통해 음이온 교환수지(140)의 포화(saturation) 문제를 해결할 수 있다. When charging 100% in 1 division, only 49% of Cl- is desalted, but when charging in 3 divisions, 83% can be desalinated. In the case of Cl- desalination amount compared to the amount of anion exchange resin 140 used, it may be 0.588 mol/L when divided into 1 division, and 0.996 mol/L when divided into 3 divisions. Through this, the saturation problem of the anion exchange resin 140 can be solved.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 시 적층형 이온 교환 배터리(600)를 도시한 도면이다. 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 방전 시 적층형 이온 교환 배터리(600)를 도시한 도면이다.FIG. 6A is a diagram illustrating a stacked ion exchange battery 600 during charging according to an embodiment of the present invention. FIG. 6B is a diagram illustrating a stacked ion exchange battery 600 during discharging according to an embodiment of the present invention.
도 6a 및 6b를 참고하면, 적층형 이온 교환 배터리(600)는 음극부(609), 제1 고체 전해질(608), 제1 탈염부(607), 제1 양이온 교환막(Cation Exchange Membrane, CEM)(606) 및 제1 음이온 교환막(Anion Exchange Membrane, AEM)(605), 제2 탈염부(604), 제2 양이온 교환막(603), 제1 양극부(602), 제2 고체 전해질(610), 제1 농축부(611), 제2 음이온 교환막(612), 제3 양이온 교환막(613), 제2 농축부(614), 제4 양이온 교환막(615) 및 제2 양극부(616)를 포함할 수 있다. Referring to Figures 6a and 6b, the stacked ion exchange battery 600 includes a cathode part 609, a first solid electrolyte 608, a first desalting part 607, and a first cation exchange membrane (Cation Exchange Membrane, CEM) ( 606) and a first anion exchange membrane (AEM) 605, a second desalting unit 604, a second cation exchange membrane 603, a first anode unit 602, a second solid electrolyte 610, It will include a first concentrating unit 611, a second anion exchange membrane 612, a third cation exchange membrane 613, a second concentrating unit 614, a fourth cation exchange membrane 615, and a second anode unit 616. You can.
음극부(609)는 유기 전해질에 함침되는 애노드(anode)를 포함할 수 있다. The cathode portion 609 may include an anode impregnated with an organic electrolyte.
제1 탈염부(607)는 음극부(609)의 일측에 위치하고, 염수(saline water)를 포함할 수 있다. The first desalination unit 607 is located on one side of the cathode unit 609 and may contain saline water.
제1 고체 전해질(608)은 음극부(609)와 제1 탈염부(607) 사이에 위치할 수 있다. The first solid electrolyte 608 may be located between the cathode portion 609 and the first desalting portion 607.
제2 탈염부(604)는 제1 탈염부(607)의 일측에 위치하고, 물(H2O)을 포함할 수 있다. The second desalting unit 604 is located on one side of the first desalting unit 607 and may contain water (H 2 O).
제1 양이온 교환막(Cation Exchange Membrane, CEM)(606) 및 제1 음이온 교환막(Anion Exchange Membrane, AEM)(605)은 제1 탈염부(607)와 제2 탈염부(604) 사이에 위치할 수 있다. The first cation exchange membrane (CEM) 606 and the first anion exchange membrane (AEM) 605 may be located between the first desalting section 607 and the second desalting section 604. there is.
일 실시예에서, 제1 양이온 교환막(606)과 제1 음이온 교환막(605)은 서로 접해 있을 수 있다. In one embodiment, the first cation exchange membrane 606 and the first anion exchange membrane 605 may be in contact with each other.
제1 양극부(602)는 제2 탈염부(604)의 일측에 위치하고, 염수에 함침된 제1 캐소드(cathode)(601)를 포함할 수 있다. The first anode unit 602 is located on one side of the second desalination unit 604 and may include a first cathode 601 impregnated with salt water.
제2 양이온 교환막(603)은 제2 탈염부(604)와 제1 양극부(602) 사이에 위치할 수 있다. The second cation exchange membrane 603 may be located between the second desalting unit 604 and the first anode unit 602.
양이온 교환수지(620)는 적층형 이온 교환 배터리(600)의 충전에 따라 제2 탈염부(604)로부터 전달받은 염화나트륨(NaOH)에 포함된 나트륨 이온(Na+)을 흡수하여 물을 생성할 수 있다. The cation exchange resin 620 may generate water by absorbing sodium ions (Na+) contained in sodium chloride (NaOH) delivered from the second desalination unit 604 as the stacked ion exchange battery 600 is charged.
음이온 교환수지(630)는 적층형 이온 교환 배터리(600)의 충전에 따라 제1 탈염부(607) 및 제1 양극부(602)로부터 전달받은 염화수소(HCl)에 포함된 염소 이온(Cl-)을 흡수하여 물을 생성할 수 있다.The anion exchange resin 630 exchanges chlorine ions (Cl-) contained in hydrogen chloride (HCl) received from the first desalination unit 607 and the first anode unit 602 as the stacked ion exchange battery 600 is charged. It can be absorbed to produce water.
제1 농축부(611)는 음극부(609)의 타측에 위치하고, 염수를 포함할 수 있다. The first concentrating part 611 is located on the other side of the cathode part 609 and may contain brine.
제2 고체 전해질(610)은 음극부(609)와 제1 농축부(611) 사이에 위치할 수 있다. The second solid electrolyte 610 may be located between the cathode portion 609 and the first concentrating portion 611.
제2 농축부(614)는 제1 농축부(611)의 일측에 위치하고, 염수를 포함할 수 있다.The second enrichment unit 614 is located on one side of the first enrichment unit 611 and may contain brine.
제2 음이온 교환막(612) 및 제3 양이온 교환막(613)은 제1 농축부(611)와 제2 농축부(614) 사이에 위치할 수 있다. The second anion exchange membrane 612 and the third cation exchange membrane 613 may be located between the first enrichment section 611 and the second enrichment section 614.
제2 양극부(616)는 제2 농축부(614)의 일측에 위치하고, 염수에 함침된 제2 캐소드(617)를 포함할 수 있다. The second anode part 616 is located on one side of the second enrichment part 614 and may include a second cathode 617 impregnated with salt water.
제4 양이온 교환막(615)은 제2 탈염부(614)와 제2 양극부(616) 사이에 위치할 수 있다. The fourth cation exchange membrane 615 may be located between the second desalting unit 614 and the second anode unit 616.
양이온 교환수지(620)는, 적층형 이온 교환 배터리(600)의 방전에 따라, 제2 농축부(614)로부터 전달받은 염수 및 염화수소에 포함된 수소 이온(H+)을 흡수하여 농축 염수(brine)를 생성할 수 있다. The cation exchange resin 620 absorbs hydrogen ions (H+) contained in the brine and hydrogen chloride delivered from the second concentrator 614 according to the discharge of the stacked ion exchange battery 600 to produce concentrated brine (brine). can be created.
음이온 교환수지(630)는, 적층형 이온 교환 배터리(600)의 방전에 따라, 제1 농축부(611) 및 제2 양극부(614)로부터 전달받은 염수 및 염화나트륨(NaOH)에 포함된 수산화 이온(OH-)을 흡수하여 농축 염수를 생성할 수 있다. The anion exchange resin 630 contains hydroxide ions ( OH - ) can be absorbed to produce concentrated brine.
양이온 교환수지(620)는, 적층형 이온 교환 배터리(600)의 충전에 따라 나트륨 이온을 흡수하고 수소 이온(H+)을 방출하여 물을 생성할 수 있다. 충전에 따라 양이온 교환수지(620)로부터 생성된 물은 제2 탈염부(604)로 전달될 수 있다.The cation exchange resin 620 can generate water by absorbing sodium ions and releasing hydrogen ions (H + ) as the stacked ion exchange battery 600 is charged. Water generated from the cation exchange resin 620 according to charging may be delivered to the second desalting unit 604.
음이온 교환수지(630)는, 적층형 이온 교환 배터리(600)의 충전에 따라 염소 이온을 흡수하고 수산화 이온(OH-)을 방출하여 물을 생성할 수 있다. 충전에 따라 음이온 교환수지(630)로부터 생성된 물은 제1 탈염부(607) 및 제1 양극부(602)로 전달될 수 있다. The anion exchange resin 630 can generate water by absorbing chlorine ions and releasing hydroxide ions (OH - ) as the stacked ion exchange battery 600 is charged. Water generated from the anion exchange resin 630 according to charging may be delivered to the first desalting unit 607 and the first anode unit 602.
양이온 교환수지(620)는, 적층형 이온 교환 배터리(600)의 방전에 따라 수소 이온을 흡수하고 나트륨 이온을 방출하여 농축 염수를 생성할 수 있다. 방전에 따라, 양이온 교환수지(620)로부터 생성된 농축 염수는 제2 농축부(614)로 전달될 수 있다. The cation exchange resin 620 can generate concentrated brine by absorbing hydrogen ions and releasing sodium ions as the stacked ion exchange battery 600 is discharged. Depending on the discharge, the concentrated brine generated from the cation exchange resin 620 may be delivered to the second concentrator 614.
음이온 교환수지(630)는, 적층형 이온 교환 배터리(600)의 방전에 따라 수산화 이온을 흡수하고 염소 이온을 방출하여 농축 염수를 생성할 수 있다. 방전에 따라, 음이온 교환수지(630)로부터 생성된 농축 염수는 제1 농축부(611) 및 제2 양극부(616)로 전달될 수 있다. The anion exchange resin 630 can generate concentrated brine by absorbing hydroxide ions and releasing chlorine ions as the stacked ion exchange battery 600 is discharged. According to discharge, the concentrated brine generated from the anion exchange resin 630 may be delivered to the first concentrating unit 611 and the second anode unit 616.
즉, 충전간 흡수했던 이온을 방출하며 양이온 교환수지(620)와 음이온 교환수지(630)가 재생될 수 있다. That is, the ions absorbed during charging are released, and the cation exchange resin 620 and anion exchange resin 630 can be regenerated.
본 발명에 따른, 적층형 이온 교환 배터리(600)의 경우, 농축수부와 담수부가 맞닿지 않으므로, 전기 삼투 유동(Electro-osmosis) 혹은 삼투에 의한 물 손실이 발생하지 않을 수 있다. In the case of the stacked ion exchange battery 600 according to the present invention, since the concentrated water portion and the fresh water portion do not contact each other, water loss due to electro-osmosis or osmosis may not occur.
또한, 본 발명에 따른, 적층형 이온 교환 배터리(600)의 경우, 1 쌍(pair)의 멤브레인만 사용하여도, 3군데에서 담수생산이 가능할 수 있다. 예를 들어, 기존 전기투석법(Electrodiaysis)의 2 페어 멤브레인(pair membrane) 적층을 통해 16Ah 용량을 사용하여 2L의 해수를 탈염하는 경우, 전기 삼투 유동에 의한 손실이 86.4mL만큼 발생할 수 있다.Additionally, in the case of the stacked ion exchange battery 600 according to the present invention, fresh water can be produced in three locations even if only one pair of membranes is used. For example, when desalinating 2L of seawater using a capacity of 16Ah through 2-pair membrane stacking of the existing electrodialysis method, loss due to electroosmotic flow may occur as much as 86.4mL.
하지만 본 발명에 따른 적층형 이온 교환 배터리(600)를 이용하여 16Ah 용량을 사용하여 2L의 해수를 탈염하는 경우, OER 반응으로 인한 손실 뿐이며, 그 양은 5.4mL이다. However, when desalinating 2L of seawater using the stacked ion exchange battery 600 according to the present invention with a capacity of 16Ah, the only loss is due to the OER reaction, and the amount is 5.4mL.
본 발명의 다양한 실시 예들에서 적층형 이온 교환 배터리(600)는 도 6a 및 6b에 설명된 구성들이 필수적인 것은 아니어서, 도 6a 및 6b에 설명된 구성들보다 많은 구성들을 가지거나, 또는 그보다 적은 구성들을 가지는 것으로 구현될 수 있다.In various embodiments of the present invention, the stacked ion exchange battery 600 may have more configurations than the configurations illustrated in FIGS. 6A and 6B, or fewer configurations, as the configurations illustrated in FIGS. 6A and 6B are not essential. It can be implemented by having.
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.The above description is merely an illustrative explanation of the technical idea of the present invention, and those skilled in the art will be able to make various changes and modifications without departing from the essential characteristics of the present invention.
본 명세서에 개시된 다양한 실시예들은 순서에 관계없이 수행될 수 있으며, 동시에 또는 별도로 수행될 수 있다. Various embodiments disclosed herein can be performed in any order, simultaneously or separately.
일 실시예에서, 본 명세서에서 설명되는 각 도면에서 적어도 하나의 단계가 생략되거나 추가될 수 있고, 역순으로 수행될 수도 있으며, 동시에 수행될 수도 있다. In one embodiment, at least one step may be omitted or added to each drawing described in this specification, may be performed in reverse order, or may be performed simultaneously.
본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예들에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.The embodiments disclosed in this specification are not intended to limit the technical idea of the present invention, but are for illustrative purposes, and the scope of the present invention is not limited by these embodiments.
본 발명의 보호범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.The scope of protection of the present invention should be interpreted in accordance with the claims, and all technical ideas within the equivalent scope should be understood to be included in the scope of rights of the present invention.
100: 이온 교환 배터리
110: 양극부
115: 캐소드
120: 고체 전해질
130: 음극부
135: 애노드
140: 양이온 교환수지
150: 음이온 교환수지
300: 이온 교환 담수 배터리
510: 충전 과정
520: 담수 분리 과정
530: 방전 과정
540: 농축수 분리 과정
600: 적층형 이온 교환 배터리
601: 제1 캐소드
602: 제1 양극부
603: 제2 양이온 교환막
604: 제2 탈염부
605: 제1 음이온 교환막
606: 제1 양이온 교환막
607: 제1 탈염부
608: 제1 고체 전해질
609: 음극부
610: 제2 고체 전해질
611: 제1 농축부
612: 제2 음이온 교환막
613: 제3 양이온 교환막
614: 제2 농축부
615: 제4 양이온 교환막
616: 제2 양극부
617: 제2 캐소드
620: 양이온 교환수지
630: 음이온 교환수지100: Ion exchange battery
110: anode part
115: cathode
120: solid electrolyte
130: cathode part
135: anode
140: Cation exchange resin
150: Anion exchange resin
300: Ion exchange freshwater battery
510: Charging process
520: Freshwater separation process
530: Discharge process
540: Concentrated water separation process
600: Stacked ion exchange battery
601: first cathode
602: first anode part
603: Second cation exchange membrane
604: Second desalination section
605: first anion exchange membrane
606: First cation exchange membrane
607: First desalination section
608: first solid electrolyte
609: cathode part
610: second solid electrolyte
611: First enrichment section
612: Second anion exchange membrane
613: Third cation exchange membrane
614: Second enrichment unit
615: Fourth cation exchange membrane
616: second anode part
617: second cathode
620: Cation exchange resin
630: Anion exchange resin
Claims (15)
상기 음극부의 일측에 위치하고, 염수(saline water)를 포함하는 제1 탈염부;
상기 제1 탈염부의 일측에 위치하고, 물(H2O)을 포함하는 제2 탈염부;
상기 제2 탈염부의 일측에 위치하고, 염수에 함침된 제1 캐소드(cathode)를 포함하는 제1 양극부;
충전에 따라 상기 제2 탈염부로부터 전달받은 염화나트륨(NaOH)에 포함된 나트륨 이온(Na+)을 흡수하여 물을 생성하는 양이온 교환수지; 및
상기 충전에 따라 상기 제1 탈염부 및 제1 양극부로부터 전달받은 염화수소(HCl)에 포함된 염소 이온(Cl-)을 흡수하여 물을 생성하는 음이온 교환수지;
를 포함하고,
상기 충전에 따라 상기 양이온 교환수지로부터 생성된 물은 상기 제2 탈염부로 전달되고,
상기 충전에 따라 상기 음이온 교환수지로부터 생성된 물은 상기 제1 탈염부 및 제1 양극부로 전달되는 것인,
적층형 이온 교환 배터리.
A cathode portion including an anode impregnated with an organic electrolyte;
a first desalination section located on one side of the cathode section and containing saline water;
a second desalting section located on one side of the first desalting section and containing water (H 2 O);
a first anode unit located on one side of the second desalination unit and including a first cathode impregnated with salt water;
A cation exchange resin that generates water by absorbing sodium ions (Na + ) contained in sodium chloride (NaOH) delivered from the second desalting unit upon charging; and
An anion exchange resin that generates water by absorbing chlorine ions (Cl - ) contained in hydrogen chloride (HCl) received from the first desalting unit and the first anode unit according to the charging;
Including,
The water generated from the cation exchange resin according to the charging is delivered to the second desalting unit,
The water generated from the anion exchange resin according to the charging is delivered to the first desalting unit and the first anode unit,
Stacked ion exchange battery.
상기 음극부와 제1 탈염부 사이에 위치하는 제1 고체 전해질;
상기 제1 탈염부와 제2 탈염부 사이에 위치하고, 제1 양이온 교환막(Cation Exchange Membrane, CEM) 및 제1 음이온 교환막(Anion Exchange Membrane, AEM); 및
상기 제2 탈염부와 제1 양극부 사이에 위치하는 제2 양이온 교환막;
을 더 포함하고,
상기 제1 양이온 교환막과 제1 음이온 교환막은 서로 접해 있는,
적층형 이온 교환 배터리.
According to clause 8,
A first solid electrolyte located between the cathode portion and the first desalting portion;
It is located between the first desalting section and the second desalting section and includes a first cation exchange membrane (Cation Exchange Membrane, CEM) and a first anion exchange membrane (AEM); and
a second cation exchange membrane located between the second desalting unit and the first anode unit;
It further includes,
The first cation exchange membrane and the first anion exchange membrane are in contact with each other,
Stacked ion exchange battery.
상기 음극부의 타측에 위치하고, 염수를 포함하는 제1 농축부;
상기 제1 농축부의 일측에 위치하고, 염수를 포함하는 제2 농축부;
상기 제2 농축부의 일측에 위치하고, 염수에 함침된 제2 캐소드를 포함하는 제2 양극부;
를 더 포함하고,
상기 양이온 교환수지는, 방전에 따라, 상기 제2 농축부로부터 전달받은 염수 및 염화수소에 포함된 수소 이온(H+)을 흡수하여 농축 염수(brine)를 생성하고,
상기 음이온 교환수지는, 상기 방전에 따라, 상기 제1 농축부 및 제2 양극부로부터 전달받은 염수 및 염화나트륨(NaOH)에 포함된 수산화 이온(OH-)을 흡수하여 농축 염수를 생성하는,
적층형 이온 교환 배터리.
According to clause 8,
a first enrichment portion located on the other side of the cathode portion and containing brine;
a second enrichment unit located on one side of the first enrichment unit and containing brine;
a second anode unit located on one side of the second enrichment unit and including a second cathode impregnated with salt water;
It further includes,
According to discharge, the cation exchange resin absorbs hydrogen ions (H + ) contained in the brine and hydrogen chloride delivered from the second enrichment unit to generate concentrated brine,
The anion exchange resin absorbs hydroxide ions (OH - ) contained in the brine and sodium chloride (NaOH) delivered from the first concentrating unit and the second anode unit according to the discharge to generate concentrated brine.
Stacked ion exchange battery.
상기 음극부와 제1 농축부 사이에 위치하는 제2 고체 전해질;
상기 제1 농축부와 제2 농축부 사이에 위치하는 제2 음이온 교환막(Anion Exchange Membrane, AEM) 및 제3 양이온 교환막(Cation Exchange Membrane, CEM); 및
상기 제2 탈염부와 제2 양극부 사이에 위치하는 제4 양이온 교환막;
을 더 포함하고,
상기 제2 음이온 교환막과 제3 양이온 교환막은 서로 접해 있는,
적층형 이온 교환 배터리.
According to clause 10,
a second solid electrolyte located between the cathode portion and the first concentrating portion;
a second anion exchange membrane (AEM) and a third cation exchange membrane (CEM) located between the first and second enrichment sections; and
a fourth cation exchange membrane located between the second desalination unit and the second anode unit;
It further includes,
The second anion exchange membrane and the third cation exchange membrane are in contact with each other,
Stacked ion exchange battery.
상기 양이온 교환수지는, 상기 충전에 따라 상기 나트륨 이온을 흡수하고 수소 이온(H+)을 방출하여 상기 물을 생성하고,
상기 음이온 교환 수지는, 상기 충전에 따라 상기 염소 이온을 흡수하고 수산화 이온(OH-)을 방출하여 상기 물을 생성하는,
적층형 이온 교환 배터리.
According to clause 8,
The cation exchange resin absorbs the sodium ions and releases hydrogen ions (H + ) according to the charge to generate the water,
The anion exchange resin absorbs the chlorine ions and releases hydroxide ions (OH - ) according to the charge to generate the water.
Stacked ion exchange battery.
상기 양이온 교환수지는, 상기 방전에 따라 상기 수소 이온을 흡수하고 나트륨 이온을 방출하여 상기 농축 염수를 생성하고,
상기 음이온 교환수지는, 상기 방전에 따라 상기 수산화 이온을 흡수하고 염소 이온을 방출하여 상기 농축 염수를 생성하는,
적층형 이온 교환 배터리.
According to clause 10,
The cation exchange resin absorbs the hydrogen ions and releases sodium ions according to the discharge to generate the concentrated brine,
The anion exchange resin absorbs the hydroxide ions and releases chlorine ions according to the discharge to generate the concentrated brine.
Stacked ion exchange battery.
상기 방전에 따라, 상기 양이온 교환수지로부터 생성된 농축 염수는 상기 제2 농축부로 전달되고,
상기 방전에 따라, 상기 음이온 교환수지로부터 생성된 농축 염수는 상기 제1 농축부 및 제2 양극부로 전달되는,
적층형 이온 교환 배터리. According to clause 10,
According to the discharge, the concentrated brine produced from the cation exchange resin is delivered to the second concentrator,
According to the discharge, the concentrated brine generated from the anion exchange resin is delivered to the first enrichment unit and the second anode unit,
Stacked ion exchange battery.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210110931A KR102630848B1 (en) | 2021-08-23 | 2021-08-23 | Ion Exchange Battery and Ion Exchange Desalination Battery |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210110931A KR102630848B1 (en) | 2021-08-23 | 2021-08-23 | Ion Exchange Battery and Ion Exchange Desalination Battery |
Publications (2)
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|---|---|
| KR20230028986A KR20230028986A (en) | 2023-03-03 |
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