A Study on the Improvement of Desalination Capacity and Stability of Ion Reactive Battery Desalination (IBD)

Abstract

Electrochemical desalination technologies such as capacitive deionization (CDI) and battery desalination (BD) has considered as a next-generation desalination technology due to its mild operating conditions, portable features and low energy consumption. Among various BD systems, cation reactive battery desalination (CBD) is receiving great attention as a high efficiency system due to its continuity unlike other BD systems. Although CBD has high efficiency compared to other electrochemical desalination technologies, it still needs to improve its low stability and desalination capacity. A major reason for the low stability of CBD is known to be the reactivity of the electrode with OH- in water. This dissertation provides three approaches to overcome the low stability and desalination capacity of CBD: modifying electrode surface, applying new battery material, and introducing a new system. First, Nafion, cation exchange resin, was coated on the electrode surface to enhance the low stability and desalination capacity of CBD. Nafion, allowing the selective passage of cations, serves to prevent contact between OH- and the electrodes. As a result, it was possible to effectively suppress the side reaction between OH- and the electrode. The system maintained 94% retention capacity after 100 cycles. Moreover, the overall desalination performance was enhanced, achieving high desalination capacity (approx. 72 mg g-1). Second, sodium cobalt hexacyanoferrate (NaCoHCF) electrodes having two oxidation/reduction reaction regions were applied to CBD in order to increase desalination capacity. The specific capacity of the NaCoHCF electrode using two redox active sites was 88 mAh g-1 (active material: 110 mAh g-1), which was confirmed to have a specific capacity 1.5 times higher than that of NaNiHCF electrode using one redox active site. Consequently, this system achieve a high desalination capacity of 123 mg g-1 with 88% ion removal in 500 mM NaCl solution. Despite these efforts, CBD has a fundamental limitation in securing very high stability due to its reactivity of cation reactive battery electrodes with water. Third, anion reactive battery desalination (ABD) using anion reactive battery electrodes was introduced to overcome the stability limitation of CBD. In this study, proposed ABD consists of two Ag/AgCl electrodes, and a cation exchange membrane; the Ag/AgCl electrodes have advantages of high stability and specific capacity in water. As a consequence, the system showed high stability with a retention capacity reduction of less than 1% even after 100 cycles, and achieved a very high desalination capacity of 85 mg g-1. The results of this study are expected to contribute to the expansion and development of a new field of electrochemical desalination research based on battery electrodes.

축전식 탈염기술(CDI) 및 배터리 탈염기술(BD)와 같은 에너지 저장장치를 기반으로 하는 전기화학적 담수화 기술은 온화한 작동 조건, 휴대형 기능 및 낮은 에너지 소비의 장점을 가지고 있어 차세대 담수화 기술로 여겨진다. 다양한 BD 시스템들 중 양이온 반응성 전극 기반 배터리 탈염기술 (CBD)는 다른 BD 시스템들과 다르게 시스템의 연속성을 갖고 있어 고효율 시스템으로 큰 주목을 받고 있다. 그러나 CBD는 안정성과 탈염용량이 낮아 해수와 같은 고농도 염수에 적용하기 어려운 한계가 존재한다. CBD의 낮은 안정성의 주된 원인은 전극과 물 속에 존재하는 OH-의 반응성 때문으로 알려져 있다. 이 논문은 CBD의 낮은 안정성과 담수화 용량을 극복하기 위한 세 가지 접근 방식, 즉 전극 표면 개질, 새로운 배터리 재료 적용 및 새로운 시스템 소개를 제안한다. 먼저 CBD의 낮은 안정성과 담수화 능력을 향상시키기 위해 전극 표면에 양이온 교환 수지인 Nafion을 코팅하였다. 양이온의 선택적 통과를 허용하는 나피온은 OH-와 전극 사이의 접촉을 방지하는 역할을 한다. 그 결과, OH-와 전극 사이의 부반응을 효과적으로 억제할 수 있었다. 시스템은 100회 주기 후에도 94%의 보유 용량을 유지하였고, 전반적인 담수화 성능이 향상되어 높은 담수화 용량 (약 72 mg g-1)을 달성하였다. 둘째, 두 개의 산화/환원 반응 영역을 갖는 sodium cobalt hexacyanoferrate(NaCoHCF) 전극을 CBD에 적용하여 담수화 용량을 증가시켰다. 2 개의 산화/환원 반응 영역을 사용한 NaCoHCF 전극의 비용량은 88 mAh g-1(활물질: 110 mAh g-1)로, 1 개의 산화/환원 영역을 사용한 기존 NaNiHCF 전극보다 1.5 배 높은 비용량을 갖는 것으로 확인하였다. 결과적으로, 이 시스템은 500mM NaCl 용액에서 88% 이온 제거와 함께 123mg g-1의 높은 담수화 용량을 달성하였다. 이러한 노력에도 불구하고 CBD는 양이온 반응성 배터리 전극과 물의 반응성으로 인해 매우 높은 안정성을 확보하는데 근본적인 한계가 존재한다. 셋째, CBD의 안정성 한계를 극복하기 위해 음이온 반응성 배터리 전극을 활용한 ABD(음이온 반응성 배터리 담수화 시스템)을 제안한다. ABD는 두 개의 Ag/AgCl 전극과 양이온 교환막으로 구성된다. Ag/AgCl 전극은 물에서 높은 안정성과 비용량의 장점이 있다. 그 결과, 시스템은 100 사이클 후에도 1% 미만의 용량 감소율을 갖으며 높은 안정성을 보였고, 85 mg g-1의 매우 높은 담수화 용량을 달성하였다. 본 연구에서는 배터리 기반의 전기화학적 담수화 기술인 CBD의 전극 표면을 개질하고 새로운 배터리 전극 재료를 도입하여, CBD 시스템의 전반적인 성능을 개선하고 발전시켰다. 또한, 음이온 반응성 배터리 담수화 시스템 (ABD)이라는 새로운 시스템을 제안해 높은 안정성 및 담수 성능을 확보하였다. 이 연구 결과들은 배터리 전극을 기반으로 하는 전기화학적 담수화 연구의 새로운 영역을 확장하고 발전하는데 기여할 것으로 예상한다.