KR102347747B1 - Flow through type Lithium-air battery and method for manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 도관 형태의 유로를 갖는 전극을 구성하여, 공기가 유로를 따라 전극에 전달되어 리튬과 반응하도록 한 새로운 구조의 관로형 리튬공기 배터리 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 다각형 단면의 공기유로를 갖는 도관 형태의 전극을 구성하여, 효과적으로 공기가 전극에 전달되어 리튬과 용이하게 반응할 수 있도록 유도할 수 있고, 부피와 중량을 줄여서 컴팩트한 구조를 구현할 수 있도록 한 관로형 리튬공기 배터리 및 그 제조 방법을 제공하고자 한 것이다.The present invention relates to a conduit-type lithium-air battery having a novel structure in which an electrode having a conduit-type flow path is configured so that air is transferred to the electrode along the flow path to react with lithium, and a method for manufacturing the same.
That is, the present invention constitutes a conduit-shaped electrode having an air flow path with a polygonal cross section, so that air can be effectively transferred to the electrode to easily react with lithium, and a compact structure can be realized by reducing the volume and weight It is intended to provide a tube-type lithium-air battery and a method for manufacturing the same.

Description

관로형 리튬공기 배터리 및 그 제조 방법{Flow through type Lithium-air battery and method for manufacturing the same}Flow through type Lithium-air battery and method for manufacturing the same

본 발명은 관로형 리튬공기 배터리 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 도관 형태의 유로를 갖는 전극을 구성하여, 공기가 유로를 따라 전극에 전달되어 리튬과 반응하도록 한 새로운 구조의 관로형 리튬공기 배터리 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a conduit-type lithium-air battery and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a conduit-type electrode having a conduit-type flow path so that air is transferred to the electrode along the flow path to react with lithium. It relates to a lithium-air battery and a method for manufacturing the same.

일반적으로 리튬공기 배터리는 리튬 이온의 흡장/방출이 가능한 음극, 공기 중의 산소를 활물질로 이용하는 양극, 상기 음극과 양극 사이에 개재된 전해질을 포함하여 구성되고, 리튬 이온 및 리튬 산화물의 산화/환원 과정 등에 의하여 충전 및 방전이 이루어진다.In general, a lithium-air battery is composed of a negative electrode capable of intercalating/releasing lithium ions, a positive electrode using oxygen in the air as an active material, and an electrolyte interposed between the negative electrode and the positive electrode, and oxidation/reduction process of lithium ions and lithium oxide Charging and discharging are performed by such a method.

이러한 리튬이온 배터리는 단거리 이동에 쓰이는 전기자동차(EV: Electric Vehicle)나 플러그인 하이브리드 자동차(PHEV: Plug-in Hybrid Electric Vehicle)의 에너지 저장 요구를 만족시킬 수 있으나, 장거리 이동에 쓰이는 차량에서는 에너지 저장량이 부족하여 에너지 저장 요구를 만족시키기 어려우며, 이에 더 많은 에너지를 저장할 수 있는 에너지 저장장치가 요구되고 있다.Such a lithium-ion battery can satisfy the energy storage requirements of electric vehicles (EVs) or plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs) used for short-distance movement, but energy storage is limited in vehicles used for long-distance movement. It is difficult to satisfy the demand for energy storage due to the lack of it, and thus, an energy storage device capable of storing more energy is required.

현재까지 알려진 에너지 저장장치 중에 리튬공기 배터리는 비교적 높은 이론 용량을 가지고 있으며, 리튬이온 배터리에 비해 높은 에너지 밀도를 나타내므로 소형화 및 경량화 등에 있어서 유리한 장점을 가진다.Among the energy storage devices known so far, a lithium-air battery has a relatively high theoretical capacity, and exhibits a higher energy density than a lithium-ion battery, so it has advantageous advantages in miniaturization and weight reduction.

상기 리튬공기 배터리는 양극에서 생성된 리튬산화물이 양극에 축적되었다가, 충전시 음극과 양극에서의 역반응이 진행되어 음극에서 리튬금속이 재생되므로, 배터리의 반복 충/방전이 가능하며, 이러한 리튬공기 배터리의 성능을 극대화하기 위해 일정한 산소의 공급이 무엇보다 중요한 요소로 작용한다.In the lithium-air battery, the lithium oxide generated at the positive electrode is accumulated in the positive electrode, and when charging, the reverse reaction between the negative electrode and the positive electrode proceeds to regenerate lithium metal in the negative electrode, so that the battery can be repeatedly charged/discharged. In order to maximize the performance of the battery, a constant supply of oxygen is the most important factor.

종래의 리튬공기 배터리는 첨부한 도 1에서 보듯이 단위 셀을 수십~수백개 적층하여 구성되므로, 적층을 위한 부품 수급 및 조립 공정기술의 확보가 필요하고, 적층 조립 공정이 복잡한 단점이 있다.The conventional lithium-air battery is configured by stacking tens to hundreds of unit cells as shown in FIG. 1 , so it is necessary to supply and supply parts for stacking and secure assembly process technology, and the stacking assembly process is complicated.

또한, 종래의 리튬공기 배터리의 단위 셀 구성을 보면 첨부한 도 2에서 보듯이, 전해질 막(10)을 중심으로 일측에는 공기 양극(12, 공기극)이 형성되고, 타측에는 리튬금속 음극(14)이 형성되며, 공기 양극(12) 및 리튬금속 음극(14)에는 공기유로를 갖는 집전체(16)가 적층되며, 최외곽에는 적층된 구성요소들을 고정 및 지지하기 위한 엔드 플레이트가 적층된 구조를 갖는다.In addition, when looking at the unit cell configuration of a conventional lithium-air battery, as shown in the accompanying FIG. 2 , an air anode 12 (a cathode) is formed on one side around the electrolyte membrane 10, and a lithium metal anode 14 is formed on the other side. is formed, and the current collector 16 having an air flow path is stacked on the air positive electrode 12 and the lithium metal negative electrode 14, and an end plate for fixing and supporting the stacked components is stacked on the outermost side. have

이러한 종래의 리튬공기 배터리는 위와 같은 단위 셀을 일방향으로 수십~수백개 적층하여 제작됨에 따라, 전체 리튬공기 배터리의 부피 및 중량이 크게 증대될 수 밖에 없고, 실제 차량에 탑재될 때 탑재공간을 많이 차지하게 되는 단점이 있다.As these conventional lithium-air batteries are manufactured by stacking tens to hundreds of unit cells in one direction, the volume and weight of the entire lithium-air battery inevitably increases significantly, and requires a lot of mounting space when mounted in an actual vehicle. There are downsides to having.

또한, 종래의 리튬공기 배터리는 공기 양극으로 공기가 우선 공급되어야 하는데, 공기가 흐르는 유로 폭이 비좁아서 공기 전달 분배가 원활하지 못한 단점이 있다.
In addition, in the conventional lithium-air battery, air must first be supplied to the air positive electrode, but the air passage width is narrow, so air delivery and distribution are not smooth.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 다각형 단면의 공기유로를 갖는 도관 형태의 전극을 구성하여, 효과적으로 공기가 전극에 전달되어 리튬과 용이하게 반응할 수 있도록 유도할 수 있고, 부피와 중량을 줄여서 컴팩트한 구조를 구현할 수 있도록 한 관로형 리튬공기 배터리 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
The present invention was devised in consideration of the above points, and by configuring a conduit-shaped electrode having an air flow path with a polygonal cross-section, air can be effectively transferred to the electrode to easily react with lithium, and the volume An object of the present invention is to provide a tube-type lithium-air battery and a method for manufacturing the same, which can realize a compact structure by reducing the weight and size.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 구현예는: 다각형 단면 구조를 갖는 도관 형태의 리튬금속 음극의 표면에 전해질막을 코팅하고, 이 전해질막의 표면에 공기 양극을 코팅하여, 공기 양극의 내부에 다각형의 공기유로가 형성되도록 한 것을 특징으로 하는 관로형 리튬공기 배터리를 제공한다.In order to achieve the above object, one embodiment of the present invention is: Coating an electrolyte membrane on the surface of a lithium metal negative electrode in the form of a conduit having a polygonal cross-sectional structure, and coating an air positive electrode on the surface of the electrolyte membrane, inside the air positive electrode It provides a conduit-type lithium-air battery, characterized in that a polygonal air flow path is formed.

바람직하게는, 상기 리튬금속 음극은 원형, 삼각형, 사각형, 육각형 단면 형상 중 선택된 어느 하나의 단면 형상으로 구비된 것임을 특징으로 한다.Preferably, the lithium metal negative electrode is characterized in that it is provided in any one cross-sectional shape selected from a circular, triangular, square, and hexagonal cross-sectional shape.

특히, 상기 삼각형 단면 형상의 리튬금속 음극은 톱니 형태의 제1판체와, 제1판체의 상부 및 하부에 부착되는 직선 형태의 제2판체로 구성된 것임을 특징으로 한다.In particular, the lithium metal negative electrode having a triangular cross-sectional shape is characterized in that it is composed of a sawtooth-shaped first plate body and a linear second plate body attached to the upper and lower portions of the first plate body.

바람직하게는, 상기 도관 형태의 리튬금속 음극과, 전해질막과, 공기유로를 형성하는 공기 양극이 일방향으로 반복 형성된 일층 구조물이 수회 이상 적층 구성되는 것을 특징으로 한다.Preferably, it is characterized in that the one-layer structure in which the conduit-shaped lithium metal negative electrode, the electrolyte membrane, and the air positive electrode forming the air flow path are repeatedly formed in one direction are laminated several times or more.

더욱 바람직하게는, 상기 도관 형태의 리튬금속 음극과, 전해질막과, 공기유로를 형성하는 공기 양극이 일방향으로 반복 형성된 일층 구조물이 동심원 배열을 갖도록 수회 이상 와인딩되는 것을 특징으로 한다.More preferably, it is characterized in that the one-layer structure in which the conduit-shaped lithium metal negative electrode, the electrolyte membrane, and the air positive electrode forming the air passage are repeatedly formed in one direction is wound several times or more so as to have a concentric arrangement.

또한, 상기 공기 양극의 일끝단부에 (+) 집전 단자가 직접 연결되고, 상기 리튬금속 음극의 일끝단부에 (-) 집전 단자가 직접 연결되는 것을 특징으로 한다.In addition, a (+) current collecting terminal is directly connected to one end of the air positive electrode, and a (-) current collecting terminal is directly connected to one end of the lithium metal negative electrode.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 구현예는: 소정의 단면 형상을 갖는 리튬금속 음극을 위한 리튬금속 담체를 제작하는 단계; 상기 리튬 금속 담체에 일정 두께의 전해질막을 코팅하는 단계; 상기 전해질막 코팅 후 잉여분의 전해질 코팅액을 제거하는 단계; 상기 전해질막의 표면에 공기 양극 슬러리를 코팅하는 단계; 및 상기 공기 양극 슬러리 코팅 후 잉여분의 공기 양극 슬러리를 제거하는 단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 관로형 리튬공기 배터리 제조 방법을 제공한다.Another embodiment of the present invention in order to achieve the above object: manufacturing a lithium metal carrier for a lithium metal negative electrode having a predetermined cross-sectional shape; coating an electrolyte membrane having a predetermined thickness on the lithium metal carrier; removing the surplus electrolyte coating solution after coating the electrolyte membrane; coating the air anode slurry on the surface of the electrolyte membrane; and removing the excess air anode slurry after coating the air anode slurry; It provides a method for manufacturing a tube-type lithium-air battery, characterized in that consisting of.

바람직하게는, 상기 전해질 코팅액과 상기 공기 양극 슬러리를 제거하는 단계는 공기 통로를 확보하기 위한 단계로서, 공기 또는 질소 가스를 불어내어 제거하는 에어 나이핑(air knifing) 방법이 사용되는 것을 특징으로 한다.Preferably, the step of removing the electrolyte coating solution and the air anode slurry is a step for securing an air passage, and an air knifing method of blowing air or nitrogen gas to remove it is used. .

이러한 본 발명의 제조 방법은 상기 전해질액 및 공기 양극용 슬러리액이 코팅된 리튬금속 음극을 오븐에서 건조시키는 단계와, 오븐에서 취출 후 냉각하는 단계와, 공기 양극의 일끝단부에 (+) 집전 단자를 직접 연결하는 동시에 리튬금속 음극의 일끝단부에 (-) 집전 단자를 직접 연결하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
The manufacturing method of the present invention includes drying the lithium metal negative electrode coated with the electrolyte solution and the slurry liquid for an air positive electrode in an oven, cooling it after taking it out from the oven, and (+) current collecting at one end of the air positive electrode. It characterized in that it further comprises the step of directly connecting the (-) current collecting terminal to one end of the lithium metal negative electrode while directly connecting the terminal.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.Through the above-described problem solving means, the present invention provides the following effects.

첫째, 다각형 단면의 공기유로를 갖는 도관 형태의 전극을 구성하여, 공기가 전극으로 원활하게 흐를 수 있고, 공기 흐름이 원활하여 리튬과의 반응이 용이하게 이루어질 수 있다.First, by configuring a conduit-shaped electrode having an air flow path having a polygonal cross section, air can flow smoothly to the electrode, and the air flow is smooth, so that the reaction with lithium can be easily made.

둘째, 종래의 리튬공기 배터리 대비 부피 및 중량을 크게 줄일 수 있고, 그에 따라 컴팩트한 리튬공기 배터리 구현하여 리튬공기 배터리의 차량 탑재 공간을 절약할 수 있다.Second, it is possible to significantly reduce the volume and weight compared to the conventional lithium-air battery, and accordingly, it is possible to save the vehicle mounting space of the lithium-air battery by implementing a compact lithium-air battery.

셋째, 공기와 리튬 간의 전체 반응면적(Geometric Surface Area)을 기존의 리튬공기 배터리에 비하여 증대시킬 수 있고, 그에 따라 기존 리튬공기 배터리 대비 부피에너지 밀도를 4배 이상 향상시킬 수 있다.
Third, the total reaction area between air and lithium can be increased compared to the conventional lithium-air battery, and thus the volumetric energy density can be improved four times or more compared to the existing lithium-air battery.

도 1은 종래의 리튬공기 배터리에 대한 단위 셀 적층 구조를 나타낸 개략도,
도 2는 종래의 리튬공기 배터리에서 단위 셀 구성만을 도시한 개략도,
도 3은 본 발명에 따른 관로형 리튬공기 배터리의 단위 셀에 대한 기본 단면 구조를 도시한 개념도,
도 4 및 도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 관로형 리튬공기 배터리를 도시한 단면도,
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 관로형 리튬공기 배터리를 와인딩시킨 구조를 나타낸 이미지도,
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 관로형 리튬공기 배터리를 도시한 단면도,
도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 관로형 리튬공기 배터리를 도시한 단면도,
도 9는 본 발명에 따른 관로형 리튬공기 배터리의 집전 단자 연결 구조를 도시한 개략도,
도 10은 본 발명에 따른 관로형 리튬공기 배터리를 제조 방법을 도시한 개략도.1 is a schematic diagram showing a unit cell stack structure for a conventional lithium-air battery;
Figure 2 is a schematic diagram showing only the unit cell configuration in the conventional lithium-air battery,
3 is a conceptual diagram showing a basic cross-sectional structure of a unit cell of a tube-type lithium-air battery according to the present invention;
4 and 5 are cross-sectional views showing a conduit-type lithium-air battery according to a first embodiment of the present invention;
6 is an image diagram showing a structure in which a tube-type lithium-air battery is wound according to the first embodiment of the present invention;
7 is a cross-sectional view showing a conduit-type lithium-air battery according to a second embodiment of the present invention;
8 is a cross-sectional view showing a conduit-type lithium-air battery according to a third embodiment of the present invention;
9 is a schematic diagram showing the current collecting terminal connection structure of the conduit-type lithium-air battery according to the present invention;
10 is a schematic diagram showing a method for manufacturing a tube-type lithium-air battery according to the present invention.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

첨부한 도 3은 본 발명에 따른 관로형 리튬공기 배터리의 단위 셀에 대한 기본 단면 구조를 나타내며, 단위 셀이 원형 단면 구조로 도시되어 있으나, 삼각형, 사각형, 육각형 등 다각형 단면 구조도 동일하게 구성될 수 있다.3 shows the basic cross-sectional structure of the unit cell of the conduit-type lithium-air battery according to the present invention, and the unit cell is shown in a circular cross-sectional structure, but the polygonal cross-sectional structure such as a triangle, a square, a hexagon, etc. may be configured in the same way can

도 3에서 보듯이, 본 발명의 관로형 리튬공기 배터리는 원형 단면 구조를 갖는 도관 형태의 리튬금속 음극(100)와, 이 리튬금속 음극(100)의 표면에 일정 두께로 코팅되는 전해질막(110)과, 이 전해질막(110)의 표면에 일정 두께로 코팅되는 공기 양극(120)으로 구성되고, 공기 양극(120)의 내부에 다각형의 공기유로(130)가 형성된 구조를 갖는다.As shown in FIG. 3 , the tube-type lithium-air battery of the present invention has a conduit-shaped lithium metal negative electrode 100 having a circular cross-sectional structure, and an electrolyte membrane 110 coated on the surface of the lithium metal negative electrode 100 to a predetermined thickness. ) and an air anode 120 coated to a predetermined thickness on the surface of the electrolyte membrane 110 , and has a structure in which a polygonal air flow path 130 is formed inside the air anode 120 .

이에, 본 발명의 관로형 리튬공기 배터리는 전극 단면을 수직으로 관통하는 공기유로(130)와, 이를 둘러싸는 공기 양극(120)과, 공기 양극(120)의 외곽을 둘러싸는 전해질막(110)과, 전해질막(110)의 외곽에 위치하는 리튬금속 음극(100)이 차례로 배열되는 구조를 이루게 되고, 특히 공기유로(130)는 리튬금속 음극(100)의 다각형 단면 형상과 동일한 단면 형상을 이루게 된다.Accordingly, the conduit-type lithium-air battery of the present invention has an air flow path 130 vertically penetrating the electrode cross-section, an air anode 120 surrounding it, and an electrolyte membrane 110 surrounding the periphery of the air anode 120 . And, the lithium metal negative electrode 100 positioned on the outside of the electrolyte membrane 110 is arranged in sequence, and in particular, the air flow path 130 has the same cross-sectional shape as the polygonal cross-sectional shape of the lithium metal negative electrode 100 . do.

이때, 도 3에서 리튬금속 음극(100)의 외곽에 집전체(140, 구리, 니켈 등)가 도시되어 있으나, 후술하는 바와 같이 상기 공기 양극(120) 및 리튬금속 음극(100)의 일끝단에 직접 집전 단자를 연결할 수 있으므로 집전체(140)를 아예 삭제할 수 있다.At this time, although the current collector 140, copper, nickel, etc.) is shown on the outside of the lithium metal negative electrode 100 in FIG. 3 , at one end of the air positive electrode 120 and the lithium metal negative electrode 100 as will be described later. Since the current collecting terminal can be directly connected, the current collector 140 can be completely deleted.

단, 상기 공기 양극의 도전 특성에 따라 집전체를 적절하게 추가할 수도 있다.However, a current collector may be appropriately added according to the conductive characteristics of the air positive electrode.

이와 같이, 본 발명의 관로형 리튬공기 배터리는 리튬금속 음극(100)을 원형, 삼각형, 사각형, 육각형 단면 형상 중 선택된 어느 하나의 단면 형상으로 제작하여, 리튬금속 음극(100) 외에 전해질막(110) 및 공기유로(130)와 내접하는 공기 양극(120) 등을 포함하는 기본적인 단위 셀 구조를 원형, 삼각형, 사각형, 육각형 단면 형상 중 선택된 어느 하나의 단면 형상으로 제작될 수 있다.As described above, in the conduit-type lithium-air battery of the present invention, the lithium metal negative electrode 100 is manufactured in any one cross-sectional shape selected from circular, triangular, square, and hexagonal cross-sectional shapes, and the electrolyte membrane 110 in addition to the lithium metal negative electrode 100 is ) and a basic unit cell structure including an air anode 120 inscribed with the air passage 130 may be manufactured in any one cross-sectional shape selected from a circular, triangular, rectangular, and hexagonal cross-sectional shape.

여기서, 본 발명의 관로형 리튬공기 배터리에 대한 구체적인 실시예를 살펴보면 다음과 같다.Here, a detailed embodiment of the conduit-type lithium-air battery of the present invention will be described as follows.

첨부한 도 4 및 도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 관로형 리튬공기 배터리의 기본 반복구조를 나타낸 것으로서, 도면부호 100은 삼각 단면 구조로 제작된 리튬금속 음극을 지시한다.4 and 5 show the basic repeating structure of the conduit type lithium-air battery according to the first embodiment of the present invention, and reference numeral 100 denotes a lithium metal anode manufactured with a triangular cross-sectional structure.

본 발명의 제1실시예에 따른 리튬금속 음극(100)은 삼각형 단면 구조로 제작되는 바, 도 4 및 도 5에서 보듯이 지그재그의 물결 형태 즉, 톱니 형태를 갖는 제1판체(101)과, 제1판체(101)의 상부 및 하부에 부착되는 직선 형태의 제2판체(102)로 구성된다.The lithium metal negative electrode 100 according to the first embodiment of the present invention is manufactured in a triangular cross-sectional structure, and as shown in FIGS. 4 and 5, a first plate body 101 having a zigzag wave shape, that is, a sawtooth shape, It is composed of a second plate body (102) in a straight shape attached to the upper and lower portions of the first plate body (101).

이러한 본 발명의 제1실시예에 따른 리튬금속 음극(100)을 제조하기 위하여, 도 4에서 보듯이 제1판체(101)와 제2판체(102)를 포함하는 각 단위 구조물을 좌우로 길게 반복 형성한 후, 상하로 반복 적층함으로써, 다수의 셀을 포함하는 관로형 리튬금속 음극 구조체를 제작할 수 있다.In order to manufacture the lithium metal negative electrode 100 according to the first embodiment of the present invention, each unit structure including the first plate body 101 and the second plate body 102 is long repeated left and right as shown in FIG. 4 . After forming, by repeatedly stacking up and down, a tube-type lithium metal negative electrode structure including a plurality of cells can be manufactured.

예를 들면, 첨부한 도 6에서 보듯이 제1실시예에 따른 리튬금속 음극을 제조하기 위하여, 삼각형 단면의 음극 구조물 즉, 제1판체(101)와 제2판체(102)를 포함하는 각 단위 구조물이 동심원 배열을 갖도록 연속적으로 와인딩한 원통형의 리튬금속 담체가 완성될 수 있다.For example, as shown in FIG. 6 , in order to manufacture a lithium metal anode according to the first embodiment, a triangular cross-section anode structure, that is, each unit including the first plate body 101 and the second plate body 102 . A cylindrical lithium metal carrier continuously wound so that the structure has a concentric arrangement can be completed.

이렇게 구비된 원통형의 리튬금속 담체에 걸쳐 일정 두께의 전해질막(110)을 코팅하고, 전해질막 코팅 후 공기 또는 질소 등의 가스로 과잉 코팅량의 전해질 코팅액 즉, 잉여분의 전해질 코팅액을 불어내어 제거하는 에어 나이핑(air knifing)을 실시함으로써, 공기통로를 적절히 확보할 수 있다.The electrolyte membrane 110 of a certain thickness is coated over the cylindrical lithium metal carrier provided in this way, and after coating the electrolyte membrane, an excess amount of the electrolyte coating solution, that is, the surplus electrolyte coating solution, is blown out with a gas such as air or nitrogen to remove it. By performing air knifing, the air passage can be properly secured.

상기 전해질 코팅 방법과 동일한 방법을 이용하여, 상기 전해질막(110)의 표면에 일정 두께의 공기 양극(120) 슬러리를 코팅하고, 코팅 후 상기 에어 나이핑(air knifing)을 통하여 잉여분의 양극 슬러리를 불어내며 제거하여 공기통로를 확보함으로써, 공기 양극(120)의 내부에 삼각형 단면의 관로형 공기통로(130)가 형성되는 상태가 된다.Using the same method as the electrolyte coating method, the air anode 120 slurry of a certain thickness is coated on the surface of the electrolyte membrane 110, and after coating, the excess cathode slurry is applied through the air knifing. By blowing and removing to secure an air passage, the air anode 120 is in a state in which a conduit-type air passage 130 of a triangular cross section is formed.

이러한 본 발명의 제1실시예에 따른 관로형 리튬공기 배터리를 셀 단위 구성으로 설명하였지만, 도 5에서 보듯이 각 단위 셀들을 좌우로 길게 반복 형성하고, 상하로 반복 적층함으로써, 다수의 셀을 포함하는 관로형 리튬공기 배터리로 제작될 수 있다.Although the conduit-type lithium-air battery according to the first embodiment of the present invention has been described as a cell unit configuration, as shown in FIG. 5 , each unit cell is repeatedly formed left and right and repeatedly stacked up and down to include a plurality of cells. It can be manufactured as a tube-type lithium-air battery.

좀 더 상세하게는, 본 발명의 제1실시예에 따른 관로형 리튬공기 배터리는 셀 단위 구성 즉, 상기 도관 형태의 리튬금속 음극(100)과, 전해질막(110)과, 공기유로(130)와 내접하는 공기 양극(120)이 일방향으로 반복 형성된 일층 구조물을 수회 이상 적층하여 제작된다.In more detail, the conduit type lithium-air battery according to the first embodiment of the present invention has a cell unit configuration, that is, the conduit-shaped lithium metal negative electrode 100 , an electrolyte membrane 110 , and an air flow path 130 . and the air anode 120 inscribed therein is manufactured by stacking a single-layer structure repeatedly formed in one direction several times or more.

첨부한 도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 관로형 리튬공기 배터리를 도시한 단면도이고, 도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 관로형 리튬공기 배터리를 도시한 단면도이다.7 is a cross-sectional view showing a tube-type lithium-air battery according to a second embodiment of the present invention, Figure 8 is a cross-sectional view showing a tube-type lithium-air battery according to a third embodiment of the present invention.

본 발명의 제2실시예에 따른 관로형 리튬공기 배터리는 상기한 제1실시예의 관로형 리튬공기 배터리를 제조하는 방법과 동일하게 제작되며 단지 단위 셀이 육각형 단면 구조를 이루는 점에 특징이 있다.The tube-type lithium-air battery according to the second embodiment of the present invention is manufactured in the same manner as the method for manufacturing the tube-type lithium-air battery of the first embodiment, and only the unit cells have a hexagonal cross-sectional structure.

이때, 본 발명의 제2실시예에 따른 관로형 리튬공기 배터리는 육각 단면 구조를 갖는 리튬금속 담체를 적용하는 것을 전제로 한다.In this case, the tube-type lithium-air battery according to the second embodiment of the present invention is premised on the application of a lithium metal carrier having a hexagonal cross-sectional structure.

이에, 본 발명의 제2실시예에 따른 관로형 리튬공기 배터리는 상기 리튬금속 음극(100)의 표면에 일정 두께의 전해질막(110)을 코팅하고, 이 전해질막(110)의 표면에 일정 두께의 공기 양극(120) 슬러리를 코팅하여 제작되고, 공기 양극(120)의 내부에 육각형 단면의 관로형 공기통로(130)가 형성되는 상태가 된다.Accordingly, in the tube-type lithium-air battery according to the second embodiment of the present invention, the electrolyte membrane 110 of a predetermined thickness is coated on the surface of the lithium metal negative electrode 100 , and the surface of the electrolyte membrane 110 has a predetermined thickness. It is manufactured by coating the slurry of the air anode 120 of the air anode 120, and is in a state in which a conduit-type air passage 130 having a hexagonal cross section is formed inside the air anode 120.

본 발명의 제3실시예에 따른 관로형 리튬공기 배터리는 상기한 제1실시예의 관로형 리튬공기 배터리를 제조하는 방법과 동일하게 제작되며 단지 단위 셀이 사각형 단면 구조를 이루는 점에 특징이 있다.The tube-type lithium-air battery according to the third embodiment of the present invention is manufactured in the same manner as the method for manufacturing the tube-type lithium-air battery of the first embodiment, and only the unit cells have a rectangular cross-sectional structure.

이때, 본 발명의 제3실시예에 따른 관로형 리튬공기 배터리는 사각 단면 구조를 갖는 리튬금속 담체를 적용하는 것을 전제로 한다.At this time, the tube-type lithium-air battery according to the third embodiment of the present invention is premised on the application of a lithium metal carrier having a rectangular cross-sectional structure.

이에, 본 발명의 제3실시예에 따른 관로형 리튬공기 배터리도 리튬금속 음극(100)의 표면에 일정 두께의 전해질막(110)을 코팅하고, 이 전해질막(110)의 표면에 일정 두께의 공기 양극(120) 슬러리를 코팅하여 제작되고, 공기 양극(120)의 내부에 사각형 단면의 관로형 공기통로(130)가 형성되는 상태가 된다.Accordingly, in the pipe-type lithium-air battery according to the third embodiment of the present invention, the electrolyte membrane 110 of a certain thickness is coated on the surface of the lithium metal negative electrode 100 , and the surface of the electrolyte membrane 110 has a certain thickness. The air anode 120 is manufactured by coating the slurry, and the air anode 120 is in a state in which the conduit-type air passage 130 of a rectangular cross section is formed.

이와 같이, 본 발명의 각 실시예에 따른 리튬공기 배터리는 공기통로(130)의 크기 및 길이를 증대시켜서 공기와 리튬 간의 전체 반응면적(Geometric Surface Area)을 기존의 리튬공기 배터리에 비하여 증대시킬 수 있고, 그에 따라 기존 리튬공기 배터리 대비 부피에너지 밀도를 4배 이상 향상시킬 수 있다.In this way, the lithium-air battery according to each embodiment of the present invention can increase the size and length of the air passage 130 to increase the total geometric surface area between air and lithium compared to the conventional lithium-air battery. As a result, the volumetric energy density can be improved 4 times or more compared to the existing lithium-air battery.

한편, 상기한 각 실시예에 따른 리튬공기 배터리의 구성 중 최외곽에 배치되는 리튬금속 음극(100)의 외곽에 집전체(140, 구리, 니켈 등)를 추가로 적층 부착할 수 있으나, 본 발명의 각 실시예에 따른 리튬공기 배터리는 각 단위셀들이 와인딩에 의하여 내부에 존재하며 보호되는 상태가 되므로, 별도의 집전체를 부착하지 않고, 공기 양극(120) 및 리튬금속 음극(100)의 일끝단에 직접 집전 단자를 연결할 수 있다.On the other hand, a current collector 140, copper, nickel, etc., may be additionally laminated and attached to the outside of the lithium metal negative electrode 100 disposed at the outermost part of the configuration of the lithium-air battery according to each of the above embodiments, but the present invention Lithium-air battery according to each embodiment of each unit cell exists inside and is protected by winding, so without attaching a separate current collector, one of the air positive electrode 120 and the lithium metal negative electrode 100 The current collecting terminal can be connected directly to the end.

즉, 첨부한 도 9를 참조하면 상기 공기 양극(120)의 일끝단부에 (+) 집전 단자를 직접 연결하고, 상기 리튬금속 음극(100)의 일끝단부에 (-) 집전 단자를 직접 연결하여, 별도의 집전체를 삭제하여 비용 및 부피 절감을 도모할 수 있다.That is, referring to the accompanying FIG. 9 , a (+) current collecting terminal is directly connected to one end of the air positive electrode 120 , and a (−) current collecting terminal is directly connected to one end of the lithium metal negative electrode 100 . Accordingly, it is possible to reduce the cost and volume by eliminating a separate current collector.

한편, 본 발명의 각 실시예에 따른 리튬공기 배터리는 첨부한 도 10에 도시된 바와 같이, 리튬금속 음극을 담체로 하여 고분자 전해질액이 충진된 챔버에 딥핑하여 전해질막을 코팅하는 과정과, 전해질막이 코팅된 리튬금속 음극을 공기 양극용 슬러리액이 저장된 챔버에 딥핑하여 리튬금속 양극을 코팅하는 과정과, 전해질액 및 공기 양극용 슬러리액이 코팅된 리튬금속 음극을 오븐에 넣어 건조시키는 과정과, 이후 냉각 과정을 통하여 제작될 수 있고, 또한 상기 전해질막 코팅 및 리튬금속 양극 코팅시 공기유로를 확보하기 위하여 전해질막을 위한 전해질액 및 리튬금속 양극용 슬러리액의 잉여분을 에어 나이핑(air knifing)을 통하여 제거하는 과정이 더 진행된다.On the other hand, in the lithium-air battery according to each embodiment of the present invention, the process of coating the electrolyte membrane by dipping into a chamber filled with a polymer electrolyte solution using a lithium metal negative electrode as a carrier, as shown in the accompanying FIG. The process of coating the lithium metal anode by dipping the coated lithium metal anode into the chamber in which the slurry solution for the air cathode is stored, the process of drying the lithium metal cathode coated with the electrolyte solution and the slurry solution for the air cathode in an oven, and then It can be manufactured through a cooling process, and in order to secure an air flow path when coating the electrolyte membrane and coating the lithium metal positive electrode, the surplus of the electrolyte solution for the electrolyte membrane and the slurry solution for the lithium metal positive electrode is air knifed. The removal process proceeds further.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따르면 다각형 단면의 공기유로를 갖는 도관 형태의 리튬공기 배터리를 제공하여, 공기가 전극으로 원활하게 흐를 수 있고, 공기 흐름이 원활하여 리튬과의 반응이 용이하게 이루어질 수 있고, 특히 종래의 리튬공기 배터리 대비 부피 및 중량을 크게 줄일 수 있고, 그에 따라 컴팩트한 리튬공기 배터리 구현하여 리튬공기 배터리의 차량 탑재 공간을 절약할 수 있다.
As described above, according to the present invention, a lithium-air battery in the form of a conduit having an air flow path having a polygonal cross-section is provided, so that air can flow smoothly to the electrode, and the reaction with lithium is facilitated because the air flow is smooth. In particular, the volume and weight of the lithium-air battery can be significantly reduced compared to the conventional lithium-air battery, and thus a compact lithium-air battery can be implemented, thereby saving the vehicle mounting space of the lithium-air battery.

100 : 리튬금속 음극
101 : 제1판체
102 : 제2판체
110 : 전해질막
120 : 공기 양극
130 : 공기유로
140 : 집전체100: lithium metal negative electrode
101: first plate body
102: second plate body
110: electrolyte membrane
120: air anode
130: air flow path
140: current collector

Claims (10)

다각형 단면 구조를 갖는 도관 형태의 리튬금속 음극의 표면에 전해질막을 코팅하고, 이 전해질막의 표면에 공기 양극을 코팅하여, 공기 양극의 내부에 다각형의 공기유로가 형성되도록 한 것으로서,
상기 리튬금속 음극은 삼각형 단면 구조를 갖도록 톱니 형태의 제1판체와, 제1판체의 상부 및 하부에 부착되는 직선 형태의 제2판체로 구성되고,
상기 도관 형태의 리튬금속 음극과, 전해질막과, 공기유로를 형성하는 공기 양극이 일방향으로 반복 형성된 일층 구조물이 수회 이상 적층 구성되는 것을 특징으로 하는 관로형 리튬공기 배터리.
An electrolyte membrane is coated on the surface of a lithium metal anode in the form of a conduit having a polygonal cross-sectional structure, and an air anode is coated on the surface of the electrolyte membrane to form a polygonal air flow path inside the air anode,
The lithium metal negative electrode is composed of a first plate body having a sawtooth shape to have a triangular cross-sectional structure, and a second plate body having a straight shape attached to the upper and lower portions of the first plate body,
A conduit-type lithium-air battery, characterized in that the one-layer structure in which the conduit-shaped lithium metal negative electrode, the electrolyte membrane, and the air positive electrode forming an air flow path are repeatedly formed in one direction are stacked several times or more.
 삭제delete 삭제delete 삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 도관 형태의 리튬금속 음극과, 전해질막과, 공기유로를 형성하는 공기 양극이 일방향으로 반복 형성된 일층 구조물이 동심원 배열을 갖도록 적층 구성되는 것을 특징으로 하는 관로형 리튬공기 배터리.
The method according to claim 1,
A tube-type lithium-air battery, characterized in that the one-layer structure in which the conduit-shaped lithium metal negative electrode, the electrolyte membrane, and the air positive electrode forming the air passage are repeatedly formed in one direction are stacked so as to have a concentric arrangement.
 청구항 1에 있어서,
상기 공기 양극의 일끝단부에 (+) 집전 단자가 직접 연결되고, 상기 리튬금속 음극의 일끝단부에 (-) 집전 단자가 직접 연결되는 것을 특징으로 하는 관로형 리튬공기 배터리.
The method according to claim 1,
A pipe-type lithium-air battery, characterized in that a (+) current collecting terminal is directly connected to one end of the air positive electrode, and a (-) current collecting terminal is directly connected to one end of the lithium metal negative electrode.
 다각형 단면 구조를 갖는 도관 형태의 리튬금속 음극의 표면에 전해질막을 코팅하고, 이 전해질막의 표면에 공기 양극을 코팅하여, 공기 양극의 내부에 다각형의 공기유로가 형성되도록 한 것으로서,
상기 리튬금속 음극은 삼각형 단면 구조를 갖도록 톱니 형태의 제1판체과, 제1판체의 상부 및 하부에 부착되는 직선 형태의 제2판체로 구성되고,
상기 도관 형태의 리튬금속 음극과, 전해질막과, 공기유로를 형성하는 공기 양극이 일방향으로 반복 형성된 일층 구조물이 수회 이상 적층 구성되는 것을 특징으로 하는 관로형 리튬공기 배터리를 제조하는 방법에 있어서,
소정의 단면 형상을 갖는 리튬금속 음극을 위한 리튬금속 담체를 제작하는 단계;
상기 리튬 금속 담체에 일정 두께의 전해질막을 코팅하는 단계;
상기 전해질막 코팅 후 잉여분의 전해질 코팅액을 제거하는 단계;
상기 전해질막의 표면에 공기 양극 슬러리를 코팅하는 단계; 및
상기 공기 양극 슬러리 코팅 후 잉여분의 공기 양극 슬러리를 제거하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 관로형 리튬공기 배터리 제조 방법.
An electrolyte membrane is coated on the surface of a lithium metal anode in the form of a conduit having a polygonal cross-sectional structure, and an air anode is coated on the surface of the electrolyte membrane to form a polygonal air flow path inside the air anode,
The lithium metal negative electrode is composed of a first plate body in a sawtooth shape to have a triangular cross-sectional structure, and a second plate body in a straight shape attached to the upper and lower portions of the first plate body,
In the method of manufacturing a conduit-type lithium-air battery, characterized in that the one-layer structure in which the conduit-shaped lithium metal negative electrode, the electrolyte membrane, and the air positive electrode forming the air flow path are repeatedly formed in one direction are laminated several times or more,
manufacturing a lithium metal carrier for a lithium metal negative electrode having a predetermined cross-sectional shape;
coating an electrolyte membrane having a predetermined thickness on the lithium metal carrier;
removing the surplus electrolyte coating solution after coating the electrolyte membrane;
coating the air anode slurry on the surface of the electrolyte membrane; and
removing the excess air anode slurry after coating the air anode slurry;
A method for manufacturing a tube-type lithium-air battery comprising a.
 삭제delete 청구항 7에 있어서,
상기 전해질 코팅액과 상기 공기 양극 슬러리를 제거하는 단계는 공기 통로를 확보하기 위한 단계로서, 공기 또는 질소 가스를 불어내어 제거하는 에어 나이핑(air knifing) 방법이 사용되는 것을 특징으로 하는 관로형 리튬공기 배터리 제조 방법.
8. The method of claim 7,
The step of removing the electrolyte coating solution and the air cathode slurry is a step for securing an air passage, and an air knifing method of blowing air or nitrogen gas to remove it is used. How to make a battery.
 청구항 7에 있어서,
상기 전해질 코팅액 및 공기 양극용 슬러리액이 코팅된 리튬금속 음극을 오븐에서 건조시키는 단계와, 오븐에서 취출 후 냉각하는 단계와, 공기 양극의 일끝단부에 (+) 집전 단자를 직접 연결하는 동시에 리튬금속 음극의 일끝단부에 (-) 집전 단자를 직접 연결하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 관로형 리튬공기 배터리 제조 방법.8. The method of claim 7,
Drying the lithium metal anode coated with the electrolyte coating solution and the slurry solution for the air positive electrode in an oven, cooling it after taking it out of the oven, and directly connecting the (+) current collecting terminal to one end of the air positive electrode while simultaneously connecting lithium A method of manufacturing a conduit-type lithium-air battery, characterized in that it further comprises the step of directly connecting a (-) current collecting terminal to one end of the metal negative electrode.
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