Owing to the demand for low-cost batteries with safety, hybrid metal-air and carbon dioxide batteries have received considerable attention as new energy storage system (ESS). In this dissertation, nanostructured and N and P dual-doped hard carbon was fabricated by simply carbonizing abundant biomass, pine pollen. The oxygen elecrtrocatalytic performance of pine pollen carbon (PPC) for a cathode is confirmed by a seawater half-cell test, which exhibit the lowest overpotential among Pt/C (20 wt%) and commercial hard carbon (HC) electrodes. The sodium-storage performance of PPC is tested using a coin-type Na half-cell, which exhibit a higher reversible capacity than that of the HC electrode. To reduce the manufacturing cost, this battery, comprising both PPC electrodes at the anode and cathode, are fabricated and show an EE of 74%. Next, hybrid Na-CO$_2$ batteries which utilize the high driving force of Na was designed to achieve high energy density and produce C$_2$ chemicals. This system produced CO, formate, and C$_2$ chemicals with 97.0%, 70.4%, and 37.6% FE, generating a high power density (25.0 mW cm$^{-2}$). Furthermore, an anode-less hybrid Na-CO$_2$ battery that harvests unlimited Na ions from seawater instead of difficult-to-handle Na metal anode was constructed, producing CO with an 85.0% FE.
저비용의 안전한 전지 수요로 인해 해수를 기반으로 한 하이브리드 금속-공기 및 이산화탄소 전지가 새로운 에너지 저장 시스템(ESS)으로 많은 관심을 받고 있다. 본 학위 논문에서는 풍부한 바이오 매스인 송화 가루를 단순히 탄화시켜 나노 구조 및 N과 P 이중 도핑된 하드 카본을 제작하였다. 양극 용 송화가루탄소 (PPC)의 전기화학 촉매 성능은 Pt/C (20 wt %) 및 상용 하드 카본 (HC) 전극 중 가장 낮은 과전압을 나타내었다. 음극 활물질으로써 PPC의 소듐 저장 성능은 코인형 소듐반쪽 전지에서 HC 전극보다 높은 가역 용량을 나타내었다. 제조 비용을 줄이기 위해 양극과 음극에 PPC 전극을 모두 포함하는 하이브리드 금속-공기 전지를 제작하여 에너지 효율 74 %, 쿨롱 효율98 %를 보여주었다. 다음으로는 Na의 높은 구동력을 활용하여 높은 에너지 밀도를 달성하고 C$_2$ 화합물을 생산하는 하이브리드 Na-CO$_2$ 전지를 설계하였다. 이 시스템은 97.0%, 70.4%, 37.6%의 FE 효율으로 CO, 포메이트 및 C$_2$ 화합물을 생성하며 높은 파워 밀도 (25.0 mW cm$^{-2}$)를 발생시켰다. 더불어, 공정상 다루기 어려운 Na 금속 음극 대신 해수로부터 무제한 Na 이온을 회수하는 음극 없는 하이브리드 Na-CO$_2$ 전지를 구축하여 CO를 85.0%의 효율성으로 생성했습니다.
