KR101275812B1 - 전기화학전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전기화학전지에 관한 것으로, 하우징과, 하우징의 내부 공간을 제1 전극 챔버 및 제2 전극 챔버로 구획하는 고체 전해질관과, 제1 전극 챔버에 수용된 제1 전극 물질과, 제2 전극 챔버에 수용된 제2 전극 물질, 및 제2 전극 챔버 내에 구비되어 상기 제2 전극 챔버의 내부에서 움직이는 전자의 이동을 안내하며 두께가 일정하지 않은 전자 채널부를 포함하는 전기화학전지를 제공한다.
Description
본 발명은 전기화학전지에 관한 것이다.
주택용 발전, 태양광 발전, 풍력 발전 등을 통해 생산된 전력의 저장 및 전기 자동차에 전력을 공급하기 위한 장치로서 나트륨을 기반으로 하는 전기화학전지에 대한 연구 개발 지속되고 있다.
나트륨을 기반으로 하는 전기화학전지는 수 kW에서 수 MW에 이르는 전력을 저장할 수 있는 대용량 전지로서 고에너지 밀도를 구비할 수 있으며, 수명이 길어서 다양한 분야에 활용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예들은, 전자의 이동이 원활한 전기화학전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 하우징; 상기 하우징의 내부 공간을 제1 전극 챔버 및 제2 전극 챔버로 구획하는 고체 전해질관; 상기 제1 전극 챔버에 수용된 제1 전극 물질; 상기 제2 전극 챔버에 수용된 제2 전극 물질; 및 상기 제2 전극 챔버 내에 구비되어 상기 제2 전극 챔버의 내부에서 움직이는 전자의 이동을 안내하며, 두께가 일정하지 않은 전자 채널부;를 포함하는 전기화학전지를 제공한다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 상기 전자 채널부는, 상기 전자 채널부의 중심부의 두께가 상기 전자 채널부의 단부의 두께보다 두껍게 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 전자 채널부의 두께는, 상기 중심부에서 상기 단부를 향해 점차 감소할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 전자 채널부는, 상기 전자 채널부의 중심부의 두께가 상기 전자 채널부의 단부의 두께보다 얇게 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 전자 채널부의 두께는, 상기 중심부에서 상기 단부를 향해 점차 증가할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 전자 채널부는, 상기 전자 채널부의 중심부에서 상기 전자 채널부의 단부를 향해 점차 감소하였다가 다시 증가할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 전자 채널부의 가장 두꺼운 부분의 두께는 가장 얇은 부분의 두께의 2배 보다 작게 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 전자 채널부는 상기 전자 채널부의 중심부를 지나는 축에 대하여 대칭을 이루는 형상일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 전자 채널부는 탄소계 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 전자 채널부는 금속성 소재를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 전자 채널부는, 상기 전자 채널부의 중심부에서부터 단부를 향해 두께가 일정하지 않은 탄소계 펠트; 및 상기 탄소계 펠트의 외측면에 구비되는 금속층;을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 전자 채널부는, 상기 전자 채널부의 중심부에서부터 단부를 향해 두께가 일정하지 않은 탄소계 펠트; 및 상기 탄소계 펠트의 단부와 결합된 금속부재;를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 전자 채널부의 횡단면은 열십자 또는 일자의 형상을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 하우징; 상기 하우징의 내부 공간을 제1 전극 챔버 및 상기 제1 전극 챔버의 내측에 배치되는 제2 전극 챔버로 구획하는 고체 전해질관; 상기 제1 전극 챔버에 수용된 음극 물질; 상기 제2 전극 챔버에 수용된 양극 물질; 상기 제2 전극 챔버의 중심에 구비된 양극 집전체; 및 중심부가 상기 양극 집전체에 의해 지지되고, 상기 중심부로부터 단부를 향해 두께가 일정하지 않으며, 상기 제2 전극 챔버의 내부에서 상기 양극 집전체로부터 상기 고체 전해질관 측 방향으로 또는 상기 고체 전해질관 측에서부터 상기 양극 집전체의 방향으로 움직이는 전자의 이동을 안내하는 전자 채널부;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 상기 전자 채널부는, 상기 중심부의 두께가 상기 단부의 두께보다 두껍게 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 전자 채널부는, 상기 중심부의 두께가 상기 단부의 두께보다 얇게 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 전자 채널부는, 상기 중심부로부터 상기 단부를 향해 두께가 감소하였다가 증가하는 패턴을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 전자 채널부는, 상기 전자 채널부의 가장 두꺼운 부분의 두께가 가장 얇은 부분의 두께의 2배 보다 작게 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 전자 채널부는 탄소계 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 전자 채널부는, 심부에서부터 단부를 향해 두께가 일정하지 않은 탄소계 펠트; 및 기 탄소계 펠트의 외측면에 코팅된 금속층;을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 전지 채널부는, 중심부에서부터 단부를 향해 두께가 일정하지 않은 탄소계 펠트; 및 상기 탄소계 펠트의 단부에 결합된 금속부재;를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 전자 채널부는 상기 중심부를 기준으로 대칭적으로 배치된 복수의 단부를 구비할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 전자 채널부는 상기 중심부를 기준으로 서로 반대 방향에 배치된 2개의 단부를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 전자 채널부는 상기 중심부를 기준으로 상호 수직을 이루도록 배치된 4개의 단부를 포함할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 일실시예에 따르면, 전자 채널부의 두께를 일정하게 하지 않음으로써 전자 채널부의 전체적 면적을 더욱 증가시킬 수 있다. 따라서 양극 챔버 내에서 이동하는 전자의 이동을 보다 원활하게 할 수 있어, 전체적으로 전기화학전지의 충전 및 방전 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전기화학전지를 개략적으로 나타낸 종단면도로서, 도 2의 Ⅰ-Ⅰ선을 따라 취한 단면도이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 취한 횡단면도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기화학전지를 개략적으로 나타낸 횡단면도이다.
도 5는 도 2 내지 도 4에 도시된 전자 채널부를 발췌하여 나타낸 단면도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기화학전지를 개략적으로 나타낸 횡단면도이다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 또 다른 실시에에 따른 전기화학전지에서 전자 채널부를 발췌하여 나타낸 횡단면도이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기화학전지를 개략적으로 나타낸 횡단면도이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 취한 횡단면도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기화학전지를 개략적으로 나타낸 횡단면도이다.
도 5는 도 2 내지 도 4에 도시된 전자 채널부를 발췌하여 나타낸 단면도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기화학전지를 개략적으로 나타낸 횡단면도이다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 또 다른 실시에에 따른 전기화학전지에서 전자 채널부를 발췌하여 나타낸 횡단면도이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기화학전지를 개략적으로 나타낸 횡단면도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학전지의 종단면도이고, 도 2는 횡단면도이다. 즉, 도 1은 도 2의 Ⅰ-Ⅰ선을 따라 취한 단면이고, 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 취한 단면이다.
도 1을 참조하면, 전기화학전지(1)는 하우징(10), 하우징(10)의 내부를 2개의 전극 챔버로 구획하는 고체 전해질관(30)을 포함한다. 고체 전해질관(30)에 의하여 구획된 제1 전극 챔버는 음극 챔버(40)로서 기능하고, 제2 전극 챔버는 양극 챔버(20)로서 기능한다.
하우징(10)은 횡단면이 사각형이면서 종 방향으로 긴 대략 육면체의 형상이다. 하우징(10)은 종 방향으로 연장된 측벽(12)과 측벽(12)에 대하여 수직으로 절곡된 하부벽(13)을 포함한다. 하우징(10)의 상부벽(14)은 일부가 개방된 상태로, 양극 챔버(20)로부터 연장된 집전체(52)를 외부로 노출시킨다. 하우징(10)의 단면은 사각형 이외에도 다각형이나 원형과 같이 다양한 형상일 수 있으며, 그 크기도 다양하게 형성될 수 있다. 하우징(10)은 니켈이나 연강(mild steel)과 같은 금속 소재로 형성될 수 있다. 하우징(10)은 음극의 집전체로서 기능한다.
고체 전해질관(30)은 하우징(10)의 내부에 수용되며, 하우징(10)을 제1 전극 챔버와 제1 전극 챔버의 내측에 구비되는 제2 전극 챔버의 두 공간으로 구획한다. 고체 전해질관(30)은 종 방향으로 긴 관(tube)의 형상으로 상부가 개방되어 있으며, 하부면은 하우징(10)의 아래쪽 내측면에 대하여 소정의 간격 이격되어 배치된다. 제1 전극 챔버는 고체 전해질관(30)의 외측, 즉 하우징(10)과 고체 전해질관(30) 사이에 형성되며, 음극 챔버(40)로 이용될 수 있다. 제2 전극 챔버는 고체 전해질관(30)의 내측에 구비되며, 양극 챔버(20)로 이용될 수 있다.
음극 챔버(40)는 음극(anode) 물질(41)을 포함한다. 음극 물질(41)로는 나트륨과 같은 알칼리 금속이 사용될 수 있다. 나트륨은 용융된 상태로서 액상으로 존재한다. 음극 물질(41)은 나트륨 이외에도 알칼리 금속에 속하는 리튬, 칼륨, 또는 이들 금속과 나트륨을 혼합한 혼합물이 사용될 수 있다.
양극 챔버(20)는 양극(cathode) 물질(21)과 액체 전해질(25)을 포함한다. 양극 물질(21)은 전기 전도성 및 다공성을 구비하여 액체 전해질(25)을 머금은 상태일 수 있다. 양극 물질(21)은 니켈, 코발트, 아연, 크롬, 철 등을 포함하는 전이 금속으로 형성될 수 있다. 충전 상태에서 양극 물질(21)은 TCl2를 형성한다. 여기서 Cl은 전해질의 염화기(chloride of the electrolyte)이고, T는 전이 금속을 나타낸다.
액체 전해질(25)로는 사염화알루민산 나트륨(NaAlCl4)을 사용할 수 있다. NaAlCl4는 실질적으로 같은 몰(equimolar)의 염화나트륨(NaCl)과 염화알루미늄(AlCl3)의 혼합물로 구성될 수 있다. 액체 전해질(25)은 전지의 동작 온도에서 용융된 상태로 존재한다.
양극 집전체(52)는 양극 챔버(20) 내부에서 종 방향을 따라 연장되며, 양극 집전체(52)의 일단은 전기화학전지(1)의 외부로 노출된다. 양극 집전체(52)는 니켈과 같은 금속성 재질을 포함할 수 있다. 양극 집전체(52)는 2개의 폴의 형상으로서, 2개의 폴 사이에 전자 채널부(60)가 고정될 수 있다. 미설명 부호 53은 폴과 일체로 결합되어 양극 집전체(52)를 외부로 노출시키는 디스크부다.
전자 채널부(60)는 양극 챔버(20)의 내부에 구비되어 양극 챔버(20) 내부에서 전자의 이동을 원활하게 한다. 전자 채널부(60)는 충전 또는 방전시 발생하는 전자가 고체 전해질관(30)측에서 양극 집전체(52)를 향하는 방향으로, 또는 양극 집전체(52)에서 고체 전해질관(30)측을 향하는 방향으로의 이동을 원활하게 해준다.
전자 채널부(60)는 탄소계 물질을 포함할 수 있다. 예컨대, 전자 채널부(60)는 탄소 펠트로 형성될 수 있다. 탄소 펠트는 다공성으로 액체 전해질(25)을 머금을 수 있다. 전자 채널부(60)의 형상과 소재 및 기능에 관하여는 도 2 내지 도 9를 참조하여 해당 부분에서 자세하게 후술한다.
고체 전해질관(30)은 나트륨 이온 전도성을 갖는다. 고체 전해질관(30)로는 나트륨 이온에 대하여 빠른 전도율을 갖는 β-알루미나, β"-알루미나 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있다. 또는, 제올라이트, 장석 또는 나트륨-이온 전도 유리도 사용될 수도 있다.
절연링(51)은 고체 전해질관(30)의 상부와 하우징(10)의 상부를 연결하면서, 음극 챔버(40)를 밀봉한다. 절연링(51)은 고체 전해질관(30)과 하우징(10) 사이에 배치되며, 글래스 프릿과 같은 접착제를 통해 고체 전해질관(30)에 용접된다. 절연링(51)으로는 α-알루미나가 사용될 수 있다.
윅(45)은 복수개로서, 고체 전해질관(30)의 외측면에 배치될 수 있다. 윅(45)은 고체 전해질관(30)의 외측면과 하우징(10)의 내측면 사이에서 이들과 접촉하여, 고체 전해질관(30)를 지지해준다.
윅(45)은 고체 전해질관(30)과의 사이에 좁은 틈을 갖도록 이격되어 모세관 현상을 유도한다. 따라서, 음극 챔버(40)가 음극 물질(41)인 나트륨으로 가득 채워지지 않더라도, 나트륨은 고체 전해질관(30)의 외측면과 직접 접촉하여 충전 및 방전에 따른 반응에 참여할 수 있다.
상술한 바와 같은 구성을 갖는 전기화학전지(1)는 충전 및 방전이 가능한 2차전지로서, 이하에서 충전 및 방전시의 반응을 간략히 살펴보면 다음과 같다. 충전 및 방전에 참여하는 음극 물질(41)은 나트륨이고, 양극 물질(21)은 니켈이며, 액체 전해질(25)은 사염화알루민산 나트륨이고, 고체 전해질관(30)은 β-알루미나인 경우를 가정하여 설명한다.
전기화학전지(1)의 방전시, 음극 챔버(40)에서는 이하와 같은 반응 (1)이 일어난다.
Na →Na+ + e-………………… 반응 (1)
반응 (1)에 의해 생성된 나트륨 이온은 고체 전해질관(30)을 통과하여 양극 챔버(20)로 이동하여 이하의 반응 (2)에 참여한다. 한편, 반응 (1)에 의해 생성된 전자는 하우징(10)을 통해 외부 회로를 이동한다.
한편, 전위의 작용하에서 외부 회로로부터 양극 챔버(20)의 양극 집전체(52)로 전자가 이동한다. 양극 챔버(20)에서는 이하와 같은 반응(2) 및 (3)이 일어난다.
Na+ + Cl- → NaCl………………… 반응 (2)
NiCl2 + 2e- → Ni + 2Cl- ………………… 반응 (3)
반응(2) 및 (3)이 진행됨에 따라, 양극 집전체(52)와 고체 전해질관(30) 사이에는 니켈 채널이 형성된다. 외부 회로로부터 양극 집전체(52)로 이동한 전자는 니켈 채널을 통해 고체 전해질관(30) 측으로 이동한다. 이 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 채널부(60)은 전자의 이동 경로를 단축시켜 줄 수 있다.
전기화학전지(1)의 충전은 방전시의 반응과 역반응을 이룬다. 양극 챔버(20)에서의 반응은 다음의 반응 (4) 및 (5)와 같다.
NaCl → Na+ + Cl- ………………… 반응 (4)
Ni + 2Cl- → NiCl2 + 2e- ……………… 반응 (5)
반응 (4)를 참조하면, 양극 챔버(20) 내의 염화 나트륨은 인가되는 전위에 의하여 분해되어 나트륨 이온과 염화 이온을 형성한다. 반응 (5)를 참조하면, 염화 이온은 양극 챔버(20)에서 니켈과 반응하여 염화 니켈을 형성하고, 이와 동시에 생성된 전자는 외부의 회로로 공급된다. 한편, 반응 (4)에 의하여 생성된 나트륨 이온은 인가되는 전위의 작용하에서 고체 전해질관(30)을 통해 음극 챔버(40)로 이동한다.
음극 챔버(40)에서 나트륨 이온은 외부 회로로부터 이동한 전자와 결합한다.(반응 6)
Na+ + e- → Na ………………… 반응 (6)
상술한 충전 및 방전의 과정을 간략하게 나타내면 다음의 반응식 (7)과 같다.
도 2를 참조하면, 전자 채널부(60)는 일정한 두께로 형성되지 않고, 전자 채널부(60)의 중심부로부터 단부를 향하여 두께가 가변적으로 형성된다. 전자 채널부(60)의 중심부에서 단부로 갈수록 두께가 점차 증가하는 형상이다. 한편, 전자 채널부(60)의 단부의 두께가 상대적으로 두껍게 형성되어 있으므로, 단부와 고체 전해질관(30) 사이의 거리는 전자 채널부(60)의 중심부와 고체 전해질관(30) 사이의 거리에 비하여 상대적으로 짧다. 한편은 전자 채널부(60)는 중심부 부근에서 양극 집전체(52)에 의하여 지지될 수 있다.
전기화학전지(1)의 방전시에 양극 챔버(20)에서의 반응은 고체 전해질관(30)과 인접한 영역에서부터 시작되어 양극 챔버(20)의 중심 영역으로 확산되는 양상을 보인다. 이 때, 외부 회로로부터 양극 집전체(52)로 이동한 전자는 반응에 참여하기 위하여 비교적 전자 이동도가 높은 탄소계 물질을 포함하는 전자 채널부(60)의 내부를 이동하게 된다. 내부를 이동한 전자는 전자 채널부(60)의 단부에 도달하게 되고, 단부와 고체 전해질관(30) 사이의 경로가 짧기 때문에 고체 전해질관(30)과 인접한 영역에서부터 시작되는 반응 (3)에 빨리 참여할 수 있게 된다. 즉, 전자 채널부(60)는 전자의 안정적인 이동을 가능하게 하고 전자의 이동 경로를 단축시켜주는 역할을 한다.
한편, 전기화학전지(10)의 충전시에 양극 챔버(20)에서의 반응은 양극 챔버(20)의 중심 영역에서부터 시작되어 고체 전해질관(30)과 인접한 영역으로 확산되는 양상을 보인다.
충전시에 양극 챔버(20)에서 일어나는 반응에 의하여 생성된 전자는 전자 채널부(20)를 통해 양극 집전체(52)로 이동한 후, 양극 집전체(52)와 연결된 외부 회로로 이동한다. 이 때, 전자 채널부(20)는 단부로 갈수록 넓어지는 형상으로 단면적이 증가된 상태이다. 따라서, 양극 집전체(52)와 비교적 원거리에 일어난 반응 (5)에 의하여 생성된 전자까지 전자 채널부(60)를 통해 손실 없이 양극 집전체 (52)로 이동할 수 있어, 전체적으로 전기화학전지(10)의 충전 효율을 향상시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전자 채널부(60)를 구비한 전기화학전지의 횡단면도로서, 도 2의 실시예와 전자 채널부(60)의 횡단면의 형상에서 차이가 있다.
도 3을 참조하면, 전자 채널부(60)는 일정한 두께로 형성되지 않고, 전자 채널부(60)의 중심부에서 단부로 갈수록 두께가 점차 감소하는 형상이다.
전자 채널부(60)의 중심부의 두께가 단부에 비하여 상대적으로 두껍게 형성되어 있으므로, 전자 채널부(60)의 중심부 부근의 영역과 고체 전해질관(30) 사이의 거리는 전자 채널부(60)의 단부와 고체 전해질관(30) 사이의 거리에 비하여 상대적으로 짧다.
전기화학전지(1)의 방전시, 양극 챔버(20)에서의 반응은 고체 전해질관(30)과 인접한 영역에서부터 시작되어 양극 챔버(20)의 중심 영역으로 확산되는 양상을 보인다. 이 경우, 외부 회로로부터 양극 집전체(52)로 이동한 전자는 반응에 참여하기 위하여 전자 채널부(60)의 내부를 이동한다. 본 실시예에 따른 전자 채널부(60)의 경우, 중심부의 두께가 상대적으로 두껍게 형성되어 있으므로, 전자 채널부(60)의 중심부 부근과 고체 전해질관(30) 사이의 경로가 짧다. 다른 경로에 비하여 전자는 이 경로를 통해 반응에 빨리 참여할 수 있다.
한편, 전기화학전지(10)의 충전시에도 앞서 도 2를 참조하여 설명한 바와 같은 반응이 일어난다. 전자 채널부(60)의 면적이 두께가 일정한 전자 채널부의 경우에 비하여 크게 증가하므로 전자는 손실 없이 양극 집전체(52)를 통해 외부 회로로 이동할 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전자 채널부를 구비한 전기화학전지의 횡단면도이다.
도 4를 참조하면, 전자 채널부(60)의 중심부와 단부의 두께가 두껍게 형성된다. 즉, 전자 채널부(60)의 중심부와 단부의 두께가 상대적으로 두껍게 형성되므로 방전시 고체 전해질관(30)과의 이격 거리가 짧은 구간이 복수개 형성되어 방전 효율을 향상시킬 수 있다. 한편, 본 실시예에 따른 전자 채널부(60)의 면적은 그 형상에 의하여 더욱 증가된 상태이므로 충전시 양극 챔버(20)로 생성되는 전자를 손실없이 양극 집전체(52)로 이동시킬 수 있다.
도 5는 도 2 내지 도 4의 실시예에 따른 전자 채널부를 발췌하여 도시한 횡단면이다.
도 5a를 참조하면, 전자 채널부(60) 중 가장 두꺼운 두께(W2)는 가장 얇은 두께(W1)의 2배보다 작게 형성할 수 있다. 즉, W1< W2 < 2W1의 관계를 갖도록 형성할 수 있다. 도 2 내지 도 4를 참조하면, 고체 전해질관(30)의 횡단면은 4개의 일단을 구비한 크로버 형상으로, 각 일단의 두께 및 양극 물질(21) 및 액체 전해질(25)의 부피를 고려하여 전자 채널부(60)의 두께(W1, W2)를 조절할 수 있다. 특히, 가장 두꺼운 부분의 두께(W2)는 크로버 형상의 고체 전해질관(30)의 일 단의 두께를 고려하여 결정할 수 있다.
도 5b를 참조하면, 전자 채널부(60)의 가장 두꺼운 두께(W3)는 중심부이고, 가장 얇은 두께(W4)는 단부이다. 본 실시예의 경우에도 가장 두꺼운 두께(W3) 가 가장 얇은 두께(W4)의 두께의 2배보다 작게 형성할 수 있다.
도 5c를 참조하면, 전자 채널부(60)의 가장 두꺼운 두께는 중심부의 두께(W5) 및/또는 단부의 두께(W7)일 수 있다. W5와 W7은 가장 얇은 두께(W6)의 2배보다 작게 형성될 수 있다. 이 때, 가장 얇은 두께(W6)는 W5와 W7의 두께를 갖는 부분 사이에 위치한다면 그 위치를 한정할 것은 아니다.
본 실시예들에 따른 전자 채널부(60)는 중심부를 지나는 축에 대하여 대칭일 수 있다. 예컨대, x축과 나란한 축에 대하여 상하 대칭을 이루거나, y축과 나란한 축에 대하여 좌우 대칭을 이룰 수 있다. 또는 상하 및 좌우 대칭을 이루는 형상일 수 있다. 대칭을 이루는 형상을 통해 전기화학전지(1)의 충전 및 방전시 일어나는 반응이 대칭적으로 균일하게 일어나도록 할 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전자 채널부를 구비한 전기화학전지의 횡단면이다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 전자 채널부(60)는 십자형의 횡단면을 포함할 수 있다. 도 2 내지 도 5를 참조하여 설명한 전자 채널부(60)가 약 180도가 되도록 배치된 2개의 단부를 구비하는데 반하여, 본 실시예에 따른 전자 채널부(60)는 약 90도를 이루도록 배치되는 4개의 단부를 구비한다. 사방으로 뻗어나가는 십자형의 형상을 통해 4개의 일단을 갖는 크로바 형의 고체 전해질관(30)의 각각의 일단에서 균일한 반응이 일어나도록 할 수 있다. 이 때, 전자 채널부(60)는 중심부에서 단부를 향해 두께가 점차 증가하거나, 혹은 두께가 점차 감소하는 형상을 수 있다. 각각의 형상에 따른 전자의 이동은 앞서 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한 바와 같다.
본 발명의 또 다른 실시예로서 도시되지는 않았지만, 전자 채널부(60)는 십자형의 횡단면을 구비하면서 중심부에서 단부를 향해 두께가 점차 감소하였다가 다시 증가하는 형상일 수 있음은 물론이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기화학전지에서 전자 채널부를 발췌하여 도시한 횡단면이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 전자 채널부(60)의 단부는 금속성 소재(62)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 중심부에서부터 단부를 향해 두께가 점차 증가하거나 점차 감소하는 카본 펠트(61)에 은(Ag)과 같은 금속성 소재를 결합하여 전자 채널부(60)를 형성할 수 있다. 은(Ag)은 탄소(C)보다 전기 전도율이 높은 물질로서 전자의 이동을 보다 원활하게 할 수 있다. 은 이외에도 구리, 금, 알루미늄, 마그네슘, 아연, 철과 같은 소재를 사용할 수 있다. 한편, 카본 펠트외에 그래파이트 펠트도 사용될 수 있음은 물론이다.
전자 채널부(60)의 단부에 결합하는 금속성 소재(63)는 카본 펠트의 두께 변화와 무관하게 일정한 두께를 갖도록 형성될 수 있다(도 7 참조). 또는, 카본 펠트의 두께 변화를 따라서 점차 증가하거나 점차 감소하는 두께를 구비하도록 형성될 수 있다(도 8 참조).
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기화학전지에서 전자 채널부를 발췌하여 도시한 횡단면이다.
도 9를 참조하면, 전자 채널부(60)는 카본 펠트와 카본 펠트 주위에 코팅된 금속층(63)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 중심부에서 단부를 향하여 두께가 점차 증가하거나 감소하는 카본 펠트를 둘러싸도록 금속을 코팅하여 금속층(63)을 형성할 수 있다. 금속층(63)은 은, 구리, 금, 알루미늄, 마그네슘, 아연, 철 등과 같이 전기 전도율이 높은 물질을 포함할 수 있다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기화학전지의 횡단면을 도시한 것이다.
도 10을 참조하면, 본 실시예에 따른 전기화학전지(1)도 앞서 도 1 내지 도 2를 참조하여 설명한 전기화학전지(1)와 마찬가지로 하우징(10), 하우징(10)의 내부를 음극 챔버(40)와 양극 챔버(20)로 구획하는 고체 전해질관(30), 음극 물질(41), 양극 물질(21) 및 액체 전해질(25) 등을 포함한다. 다만, 고체 전해질관(30)이 종 방향을 따라 길면서 단면이 원형인 것에서 차이를 보인다. 고체 전해질관(30)의 단면이 원형인 경우에도, 앞서 도 2 내지 도 9를 참조하여 설명한 전자 채널부(60)들이 위치할 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예로서 고체 전해질관(30)의 횡단면은 크로바 형상 또는 원형뿐만 아니라 다각형, 타원형 등의 다양한 형상을 포함할 수 있다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어 졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위에는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
1: 전기화학전지 10: 하우징
12: 측벽 13: 하부벽
14: 상부벽 20: 양극 챔버(제2 전극 챔버)
21: 양극 물질 25: 액체 전해질
30: 고체 전해질관 40: 음극 챔버(제1 전극 챔버)
41: 음극 물질 45: 윅
51: 절연링 52: 폴
60: 전자 채널부 61: 카본 펠트
62: 금속성 소재 63: 금속층
12: 측벽 13: 하부벽
14: 상부벽 20: 양극 챔버(제2 전극 챔버)
21: 양극 물질 25: 액체 전해질
30: 고체 전해질관 40: 음극 챔버(제1 전극 챔버)
41: 음극 물질 45: 윅
51: 절연링 52: 폴
60: 전자 채널부 61: 카본 펠트
62: 금속성 소재 63: 금속층
Claims (24)
- 하우징;
상기 하우징의 내부 공간을 제1 전극 챔버 및 제2 전극 챔버로 구획하는 고체 전해질관;
상기 제1 전극 챔버에 수용된 제1 전극 물질;
상기 제2 전극 챔버에 수용된 제2 전극 물질; 및
상기 제2 전극 챔버 내에 구비되어 상기 제2 전극 챔버의 내부에서 움직이는 전자의 이동을 안내하며, 두께가 일정하지 않은 전자 채널부;를 포함하고,
상기 전자 채널부의 중심부의 두께는 상기 전자 채널부의 단부의 두께보다 두껍게 형성되며, 상기 전자 채널부의 두께는 상기 중심부에서 상기 단부를 향해 점차 감소하는 전기화학전지.
- 삭제
- 삭제
- 하우징;
상기 하우징의 내부 공간을 제1 전극 챔버 및 제2 전극 챔버로 구획하는 고체 전해질관;
상기 제1 전극 챔버에 수용된 제1 전극 물질;
상기 제2 전극 챔버에 수용된 제2 전극 물질; 및
상기 제2 전극 챔버 내에 구비되어 상기 제2 전극 챔버의 내부에서 움직이는 전자의 이동을 안내하며, 두께가 일정하지 않은 전자 채널부;를 포함하며,
상기 전자 채널부는, 상기 전자 채널부의 중심부의 두께가 상기 전자 채널부의 단부의 두께보다 얇게 형성된 전기화학전지. - 제4항에 있어서,
상기 전자 채널부의 두께는,
상기 중심부에서 상기 단부를 향해 점차 증가하는 전기화학전지. - 제1항에 있어서,
상기 전자 채널부의 두께는,
상기 전자 채널부의 중심부에서 상기 전자 채널부의 단부를 향해 점차 감소하였다가 다시 증가하는 전기화학전지. - 제1항 또는 제4항에 있어서,
상기 전자 채널부의 가장 두꺼운 부분의 두께는 가장 얇은 부분의 두께의 2배 보다 작게 형성된 전기화학전지. - 제1항 또는 제4항에 있어서,
상기 전자 채널부는 상기 전자 채널부의 중심부를 지나는 축에 대하여 대칭을 이루는 형상인 전기화학전지. - 제1항 또는 제4항에 있어서,
상기 전자 채널부는 탄소계 물질을 포함하는 전기화학전지. - 제9항에 있어서,
상기 전자 채널부는 금속성 소재를 더 포함하는 전기화학전지. - 제10항에 있어서,
상기 전자 채널부는,
상기 전자 채널부의 중심부에서부터 단부를 향해 두께가 일정하지 않은 탄소계 펠트; 및
상기 탄소계 펠트의 외측면에 구비되는 금속층;을 포함하는 전기화학전지. - 제10항에 있어서,
상기 전자 채널부는,
상기 전자 채널부의 중심부에서부터 단부를 향해 두께가 일정하지 않은 탄소계 펠트; 및
상기 탄소계 펠트의 단부와 결합된 금속부재;를 포함하는 전기화학전지. - 제1항 또는 제4항에 있어서,
상기 전자 채널부의 횡단면은 열십자 또는 일자의 형상인 전기화학전지. - 하우징;
상기 하우징의 내부 공간을 제1 전극 챔버 및 상기 제1 전극 챔버의 내측에 배치되는 제2 전극 챔버로 구획하는 고체 전해질관;
상기 제1 전극 챔버에 수용된 음극 물질;
상기 제2 전극 챔버에 수용된 양극 물질;
상기 제2 전극 챔버의 중심에 구비된 양극 집전체; 및
중심부가 상기 양극 집전체에 의해 지지되고, 상기 중심부로부터 단부를 향해 두께가 일정하지 않으며, 상기 제2 전극 챔버의 내부에서 상기 양극 집전체로부터 상기 고체 전해질관 측 방향으로 또는 상기 고체 전해질관 측에서부터 상기 양극 집전체의 방향으로 움직이는 전자의 이동을 안내하는 전자 채널부;를 포함하며,
상기 전자 채널부의 두께는 상기 중심부로부터 상기 단부를 향해 점차 감소하는 전기화학전지.
- 삭제
- 하우징;
상기 하우징의 내부 공간을 제1 전극 챔버 및 상기 제1 전극 챔버의 내측에 배치되는 제2 전극 챔버로 구획하는 고체 전해질관;
상기 제1 전극 챔버에 수용된 음극 물질;
상기 제2 전극 챔버에 수용된 양극 물질;
상기 제2 전극 챔버의 중심에 구비된 양극 집전체; 및
중심부가 상기 양극 집전체에 의해 지지되고, 상기 중심부로부터 단부를 향해 두께가 일정하지 않으며, 상기 제2 전극 챔버의 내부에서 상기 양극 집전체로부터 상기 고체 전해질관 측 방향으로 또는 상기 고체 전해질관 측에서부터 상기 양극 집전체의 방향으로 움직이는 전자의 이동을 안내하는 전자 채널부;를 포함하며,
상기 전자 채널부는, 상기 중심부의 두께가 상기 단부의 두께보다 얇게 형성된 전기화학전지. - 제14항에 있어서,
상기 전자 채널부는,
상기 중심부로부터 상기 단부를 향해 두께가 감소하였다가 증가하는 패턴을 포함하는 전기화학전지. - 제14항 또는 제16항에 있어서,
상기 전자 채널부는,
상기 전자 채널부의 가장 두꺼운 부분의 두께가 가장 얇은 부분의 두께의 2배 보다 작게 형성된 전기화학전지. - 제14항 또는 제16항에 있어서,
상기 전자 채널부는 탄소계 물질을 포함하는 전기화학전지. - 제19항에 있어서,
상기 전자 채널부는,
중심부에서부터 단부를 향해 두께가 일정하지 않은 탄소계 펠트; 및
상기 탄소계 펠트의 외측면에 코팅된 금속층;을 포함하는 전기화학전지. - 제19항에 있어서,
상기 전지 채널부는,
중심부에서부터 단부를 향해 두께가 일정하지 않은 탄소계 펠트; 및
상기 탄소계 펠트의 단부에 결합된 금속부재;를 포함하는 전기화학전지. - 제14항 또는 제16항에 있어서,
상기 전자 채널부는 상기 중심부를 기준으로 대칭적으로 배치된 복수의 단부를 구비하는 전기화학전지. - 제22항에 있어서,
상기 전자 채널부는 상기 중심부를 기준으로 서로 반대 방향에 배치된 2개의 단부를 포함하는 전기화학전지. - 제22항에 있어서,
상기 전자 채널부는 상기 중심부를 기준으로 상호 수직을 이루도록 배치된 4개의 단부를 포함하는 전기화학전지.
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