KR102452954B1 - Cathode for metal-air battery and metal-air battery including the same - Google Patents

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Abstract

방전시 생성되는 금속 산화물이 채워질 수 있는 공간을 갖는 금속공기전지용 양극을 구비함으로써 에너지 밀도 및 수명이 향상된 금속공기전지를 개시한다. 개시된 금속공기전지용 양극은 다수의 양극 재료, 상기 양극 재료의 표면에 배치된 전해질막, 및 상기 양극 재료 및 상기 전해질막이 차지하지 않는 공간을 포함하며, 상기 공간의 부피는 금속공기전지의 방전시 생성되는 금속 산화물의 최대 부피와 같거나 클 수 있다.Disclosed is a metal-air battery with improved energy density and lifespan by providing an anode for a metal-air battery having a space that can be filled with metal oxide generated during discharge. The disclosed positive electrode for a metal-air battery includes a plurality of positive electrode materials, an electrolyte membrane disposed on a surface of the positive electrode material, and a space not occupied by the positive electrode material and the electrolyte membrane, wherein the volume of the space is generated when the metal-air battery is discharged It may be equal to or greater than the maximum volume of the metal oxide to be formed.

Description

금속공기전지용 양극 및 이를 포함하는 금속공기전지 {Cathode for metal-air battery and metal-air battery including the same}Anode for metal-air battery and metal-air battery including same {Cathode for metal-air battery and metal-air battery including the same}

개시된 실시예들은 금속공기전지용 양극 및 이를 포함하는 금속공기전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 방전시 생성되는 금속 산화물이 채워질 수 있는 공간을 갖는 양극 및 상기 양극을 구비함으로써 에너지 밀도 및 수명이 향상된 금속공기전지에 관한 것이다.The disclosed embodiments relate to an anode for a metal-air battery and a metal-air battery including the same, and more particularly, to an anode having a space that can be filled with metal oxide generated during discharge, and a metal having improved energy density and lifespan by providing the anode It is about air batteries.

금속공기전지는 이온의 흡장/방출이 가능한 음극과 공기 중의 산소를 활물질로서 사용하는 양극을 포함하는 전지이다. 금속공기전지의 경우, 양극에서는 외부로부터 유입되는 산소의 환원/산화 반응이 일어나고 음극에서는 금속의 산화/환원 반응이 일어나며 이때 발생하는 화학적 에너지를 전기적 에너지로 추출한다. 예를 들어, 금속공기전지는 방전 시에 산소를 흡수하고 충전 시에는 산소를 방출한다. 이와 같이 금속공기전지가 대기 중에 존재하는 산소를 이용하기 때문에, 전지의 에너지 밀도를 비약적으로 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 금속공기전지는 기존의 리튬 이온 전지의 에너지 밀도보다 수배 이상 높은 에너지 밀도를 가질 수 있다.A metal-air battery is a battery including a negative electrode capable of occluding/releasing ions and a positive electrode using oxygen in the air as an active material. In the case of a metal-air battery, the reduction/oxidation reaction of oxygen flowing in from the outside occurs at the anode, and the oxidation/reduction reaction of the metal occurs at the cathode, and the chemical energy generated at this time is extracted as electrical energy. For example, metal-air batteries absorb oxygen when discharging and release oxygen when charging. As described above, since the metal-air battery uses oxygen present in the atmosphere, the energy density of the battery can be dramatically improved. For example, a metal-air battery may have an energy density several times higher than that of a conventional lithium ion battery.

또한, 금속공기전지는 이상 고온에 의한 발화 가능성이 낮기 때문에 뛰어난 안정성을 가지며, 중금속을 사용할 필요가 없이 산소의 흡수/방출만으로 동작하기 때문에 환경 오염을 일으킬 가능성도 낮다. 이러한 다양한 장점으로 인해, 현재 금속공기전지에 대한 많은 연구가 이루어지고 있다.In addition, the metal-air battery has excellent stability because the possibility of ignition due to abnormal high temperature is low, and since it operates only by absorption/release of oxygen without the need to use heavy metal, the possibility of causing environmental pollution is low. Due to these various advantages, a lot of research on metal-air batteries is currently being made.

방전시 생성되는 금속 산화물이 채워질 수 있는 공간을 갖는 양극을 제공한다. 또한, 상기 양극을 구비함으로써 에너지 밀도 및 수명이 향상된 금속공기전지를 제공한다.An anode having a space to be filled with a metal oxide generated during discharge is provided. In addition, there is provided a metal-air battery with improved energy density and lifespan by providing the positive electrode.

일 실시예에 따른 금속공기전지용 양극은, 다수의 양극 재료; 상기 양극 재료의 표면에 배치된 전해질막; 및 상기 양극 재료 및 상기 전해질막이 차지하지 않는 공간;을 포함하며, 상기 공간의 부피는 금속공기전지의 방전시 생성되는 금속 산화물의 최대 부피와 같거나 클 수 있다.A positive electrode for a metal-air battery according to an embodiment includes a plurality of positive electrode materials; an electrolyte membrane disposed on the surface of the cathode material; and a space not occupied by the cathode material and the electrolyte membrane, wherein a volume of the space may be equal to or greater than a maximum volume of a metal oxide generated during discharging of a metal-air battery.

예를 들어, 상기 양극 재료는 탄소계 재료 또는 도전성 유기 재료로 이루어질 수 있다.For example, the anode material may be made of a carbon-based material or a conductive organic material.

예를 들어, 상기 전해질막은 유기계 재료로 이루어질 수 있다.For example, the electrolyte membrane may be made of an organic material.

예를 들어, 상기 공간의 부피는 상기 금속 산화물의 최대 부피의 120%와 같거나 작을 수 있다.For example, the volume of the space may be less than or equal to 120% of the maximum volume of the metal oxide.

각각의 양극 재료는 납작한 평판 형태를 가지며, 평판 형태의 다수의 양극 재료가 나란하게 배열될 수 있다.Each positive electrode material has a flat plate shape, and a plurality of plate-shaped positive electrode materials may be arranged side by side.

각각의 판 형태의 양극 재료는 서로 대향하는 제 1 표면과 제 2 표면, 및 상기 제 1 표면과 제 2 표면 사이에 연장되며 상기 제 1 표면과 제 2 표면보다 작은 면적을 갖는 서로 대향하는 제 3 표면과 제 4 표면을 포함하며, 서로 인접한 2개의 양극 재료의 제 1 표면과 제 2 표면이 서로 마주보도록 상기 다수의 양극 재료가 배열될 수 있다.Each plate-shaped anode material has a first surface and a second surface facing each other, and a third opposing third surface extending between the first surface and the second surface and having an area smaller than the first surface and the second surface. The plurality of positive electrode materials may be arranged such that the first surface and the second surface of the two positive electrode materials adjacent to each other face each other, including a surface and a fourth surface.

상기 전해질막은 각각의 양극 재료의 적어도 제 1 표면과 제 2 표면에 각각 배치될 수 있다.The electrolyte membrane may be respectively disposed on at least a first surface and a second surface of each positive electrode material.

상기 공간의 너비는 서로 인접한 2개의 양극 재료 사이의 서로 마주보는 전해질막 사이의 거리로 정의되며, 예를 들어, 상기 금속 산화물이 생성되지 않았을 때 상기 공간의 너비가 20 nm보다 클 수 있다.The width of the space is defined as a distance between the electrolyte membranes facing each other between two cathode materials adjacent to each other. For example, when the metal oxide is not generated, the width of the space may be greater than 20 nm.

예를 들어, 각각의 양극 재료의 두께는 10 nm 이하이고, 각각의 전해질막의 두께는 10 nm이하일 수 있다.For example, the thickness of each positive electrode material may be 10 nm or less, and the thickness of each electrolyte membrane may be 10 nm or less.

예를 들어, 각각의 양극 재료는 원통 또는 원기둥 형태를 가지며, 상기 전해질막은 각각의 양극 재료의 외주면에 배치될 수 있다.For example, each positive electrode material may have a cylindrical or cylindrical shape, and the electrolyte membrane may be disposed on an outer circumferential surface of each positive electrode material.

예를 들어, 각각의 양극 재료는 탄소나노튜브로 이루어질 수 있다.For example, each anode material may be made of carbon nanotubes.

예를 들어, 상기 각각의 양극 재료의 직경은 150 nm 이하이며, 각각의 전해질막의 두께는 10 nm 이하일 수 있다.For example, the diameter of each positive electrode material may be 150 nm or less, and the thickness of each electrolyte membrane may be 10 nm or less.

예를 들어, 상기 다수의 양극 재료는 109/cm2 보다 큰 밀도로 배열될 수 있다.For example, the plurality of anode materials may be arranged at a density greater than 109/cm 2 .

또한, 일 실시예에 따른 금속공기 전지는, 상술한 구조를 갖는 양극; 상기 다수의 양극 재료에 금속 이온을 공급하는 음극 금속층; 및 상기 다수의 양극 재료에 산소를 공급하는 기체 확산층;을 더 포함할 수 있다.In addition, the metal-air battery according to an embodiment, the positive electrode having the above-described structure; a cathode metal layer for supplying metal ions to the plurality of anode materials; and a gas diffusion layer for supplying oxygen to the plurality of anode materials.

상기 전해질막은 상기 음극 금속층의 상부 표면에 배치된 제 1 전해질 부분 및 상기 제 1 전해질 부분으로부터 각각의 양극 재료의 표면으로 연장된 제 2 전해질 부분을 포함할 수 있다.The electrolyte membrane may include a first electrolyte portion disposed on the upper surface of the negative electrode metal layer and a second electrolyte portion extending from the first electrolyte portion to the surface of each positive electrode material.

각각의 양극 재료의 상기 제 1 단부가 상기 제 1 전해질 부분에 접촉하며 각각의 양극 재료의 상기 제 2 단부가 상기 기체 확산층에 접촉하도록 상기 다수의 양극 재료가 배치될 수 있다.The plurality of positive electrode materials may be disposed such that the first end of each positive electrode material contacts the first electrolyte portion and the second end of each positive electrode material contacts the gas diffusion layer.

상기 금속공기전지는 상기 제 1 전해질 부분과 상기 음극 금속층 사이에 개재된 것으로 금속 이온을 통과시키고 수분 및 산소를 차단하는 제 3 전해질 부분을 더 포함할 수 있다.The metal-air battery may further include a third electrolyte portion interposed between the first electrolyte portion and the negative electrode metal layer to pass metal ions and block moisture and oxygen.

또한, 다른 실시예에 따른 금속공기전지용 양극은, 산소를 활물질로 사용하는 양극층; 상기 양극층을 수직으로 관통하여 형성된 다수의 홀; 상기 다수의 홀의 내벽에 배치된 전해질막; 및 상기 홀 내에서 상기 전해질막에 의해 둘러싸인 공간;을 포함하며, 상기 공간의 부피는 금속공기전지 방전시 생성되는 금속 산화물의 최대 부피와 같거나 클 수 있다.In addition, the positive electrode for a metal-air battery according to another embodiment, the positive electrode layer using oxygen as an active material; a plurality of holes formed vertically penetrating the anode layer; an electrolyte membrane disposed on the inner walls of the plurality of holes; and a space surrounded by the electrolyte membrane in the hole, wherein a volume of the space may be equal to or greater than a maximum volume of a metal oxide generated during discharging of a metal-air battery.

예를 들어, 상기 양극층 내에서 상기 다수의 홀은 109/cm2 보다 큰 밀도로 배열될 수 있다.For example, the plurality of holes in the anode layer may be arranged at a density greater than 109/cm 2 .

상기 공간의 부피는 상기 금속 산화물의 최대 부피의 120%와 같거나 작을 수 있다.The volume of the space may be less than or equal to 120% of the maximum volume of the metal oxide.

상기 금속 산화물이 생성되지 않았을 때 상기 홀 내에서 상기 공간의 단면 면적은 상기 금속 산화물이 생성된 후에 상기 홀의 내벽에 배치된 금속 산화물의 단면 면적보다 클 수 있다.When the metal oxide is not generated, the cross-sectional area of the space in the hole may be greater than the cross-sectional area of the metal oxide disposed on the inner wall of the hole after the metal oxide is generated.

예를 들어, 상기 금속 산화물이 생성되지 않았을 때 상기 홀의 내벽에 배치된 전해질막의 두께는 10 nm 이하일 수 있다.For example, when the metal oxide is not generated, the thickness of the electrolyte membrane disposed on the inner wall of the hole may be 10 nm or less.

예를 들어, 각각의 홀은 다각형 또는 원형의 형태를 가질 수 있다.For example, each hole may have a polygonal or circular shape.

다른 실시예에 따른 금속공기전지는 상술한 구조를 갖는 양극; 상기 양극층의 하부 표면에 대향하여 배치된 음극 금속층; 및 상기 양극층의 상부 표면에 대향하여 배치되며 상기 양극층에 산소를 공급하는 기체확산층;을 더 포함할 수 있다.A metal-air battery according to another embodiment includes a positive electrode having the above-described structure; a cathode metal layer disposed to face a lower surface of the anode layer; and a gas diffusion layer disposed to face the upper surface of the anode layer and supplying oxygen to the anode layer.

상기 전해질막은 상기 음극 금속층의 상부 표면에 배치된 제 1 전해질 부분 및 상기 제 1 전해질 부분으로부터 상기 다수의 홀의 내벽으로 연장된 제 2 전해질 부분을 포함할 수 있다.The electrolyte membrane may include a first electrolyte portion disposed on the upper surface of the negative electrode metal layer and a second electrolyte portion extending from the first electrolyte portion to the inner walls of the plurality of holes.

상기 양극층의 하부 표면이 상기 제 1 전해질 부분에 접촉하며 상기 양극층의 상부 표면이 상기 기체확산층에 접촉하도록 상기 양극층이 배치될 수 있다.The positive electrode layer may be disposed such that a lower surface of the positive electrode layer contacts the first electrolyte portion and an upper surface of the positive electrode layer contacts the gas diffusion layer.

상기 금속공기전지는 상기 제 1 전해질 부분과 상기 음극 금속층 사이에 개재된 것으로 금속 이온을 통과시키고 수분 및 산소를 차단하는 제 3 전해질 부분을 더 포함할 수 있다.The metal-air battery may further include a third electrolyte portion interposed between the first electrolyte portion and the negative electrode metal layer to pass metal ions and block moisture and oxygen.

개시된 금속공기전지의 경우, 방전 동작시 발생하는 금속 산화물에 의해 전해질이 전지의 외부로 용출되지 않기 때문에 안정적인 충방전 가역성을 확보할 수 있다. 따라서 충방전 회수를 증가시켜 금속공기전지의 수명을 증가시킬 수 있다. 또한 과량의 전해질을 사용할 필요가 없기 때문에 금속공기전지의 에너지 밀도가 증가할 수 있다.In the case of the disclosed metal-air battery, since the electrolyte is not eluted to the outside of the battery by the metal oxide generated during the discharging operation, stable charging/discharging reversibility can be secured. Accordingly, it is possible to increase the number of charge/discharge cycles to increase the lifespan of the metal-air battery. In addition, since there is no need to use an excess of electrolyte, the energy density of the metal-air battery can be increased.

도 1은 일 실시예에 따른 금속공기전지의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 금속공기전지의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 금속공기전지의 방전 동작시에 생성된 금속 산화물 및 금속 산화물에 의한 전해질막의 위치 변화를 보이는 단면도이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 금속공기전지의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 금속공기전지의 양극을 개략적으로 보이는 부분 사시도이다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 금속공기전지의 양극을 개략적으로 보이는 부분 사시도이다.
도 7은 도 6에 도시된 금속공기전지의 방전 동작시에 생성된 금속 산화물 및 금속 산화물에 의한 전해질막의 위치 변화를 보이는 단면도이다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 금속공기전지의 양극을 개략적으로 보이는 부분 사시도이다.
도 9는 도 8에 도시된 금속공기전지의 방전 동작시에 생성된 금속 산화물 및 금속 산화물에 의한 전해질막의 위치 변화를 보이는 단면도이다.
도 10은 또 다른 실시예에 따른 금속공기전지의 양극을 개략적으로 보이는 부분 사시도이다.
도 11은 또 다른 실시예에 따른 금속공기전지의 양극을 개략적으로 보이는 부분 사시도이다.
도 12는 또 다른 실시예에 따른 금속공기전지의 양극을 개략적으로 보이는 부분 사시도이다.
도 13은 도 12에 도시된 금속공기전지의 방전 동작시에 생성된 금속 산화물 및 금속 산화물에 의한 전해질막의 위치 변화를 보이는 단면도이다.
도 14는 또 다른 실시예에 따른 금속공기전지의 양극을 개략적으로 보이는 부분 사시도이다.
도 15 내지 도 17은 도 6에 도시된 금속공기전지의 특성을 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 18 내지 도 20은 도 14에 도시된 금속공기전지의 특성을 예시적으로 보이는 그래프이다.1 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a metal-air battery according to an embodiment.
2 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a metal-air battery according to another embodiment.
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a position change of an electrolyte membrane by a metal oxide and a metal oxide generated during a discharging operation of the metal-air battery shown in FIG. 1 .
4 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a metal-air battery according to another embodiment.
5 is a partial perspective view schematically showing a positive electrode of a metal-air battery according to another embodiment.
6 is a partial perspective view schematically showing a positive electrode of a metal-air battery according to another embodiment.
7 is a cross-sectional view illustrating a position change of an electrolyte membrane by a metal oxide and a metal oxide generated during a discharging operation of the metal-air battery shown in FIG. 6 .
8 is a partial perspective view schematically showing a positive electrode of a metal-air battery according to another embodiment.
9 is a cross-sectional view illustrating a position change of an electrolyte membrane by a metal oxide and a metal oxide generated during a discharging operation of the metal-air battery shown in FIG. 8 .
10 is a partial perspective view schematically showing a positive electrode of a metal-air battery according to another embodiment.
11 is a partial perspective view schematically showing a positive electrode of a metal-air battery according to another embodiment.
12 is a partial perspective view schematically showing a positive electrode of a metal-air battery according to another embodiment.
13 is a cross-sectional view illustrating a position change of an electrolyte membrane by a metal oxide and a metal oxide generated during a discharging operation of the metal-air battery shown in FIG. 12 .
14 is a partial perspective view schematically illustrating a positive electrode of a metal-air battery according to another embodiment.
15 to 17 are graphs exemplarily showing characteristics of the metal-air battery shown in FIG. 6 .
18 to 20 are graphs exemplarily showing characteristics of the metal-air battery shown in FIG. 14 .

이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 금속공기전지용 양극 및 이를 포함하는 금속공기전지에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 또한 이하에서 설명하는 층 구조에서, "상부" 또는 "상"이라고 기재된 표현은 접촉하여 바로 위/아래/좌/우에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위/아래/좌/우에 있는 것도 포함할 수 있다.Hereinafter, a positive electrode for a metal-air battery and a metal-air battery including the same will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following drawings, the same reference numerals refer to the same components, and the size of each component in the drawings may be exaggerated for clarity and convenience of description. In addition, the embodiments described below are merely exemplary, and various modifications are possible from these embodiments. Also, in the layer structure described below, the expression "upper" or "upper" may include not only being directly above/below/left/right in contact, but also above/below/left/right in non-contact.

도 1은 일 실시예에 따른 금속공기전지의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 금속공기전지(100)의 양극은 산소를 활물질로 사용하며 서로 이격되어 배치된 다수의 양극 재료(102), 각각의 양극 재료(102)의 표면에 배치된 전해질막(103) 및 공간(105)을 포함할 수 있다. 또한, 금속공기전지(100)는 다수의 양극 재료(102)의 제 1 단부에 대향하여 배치된 음극 금속층(101) 및 다수의 양극 재료(102)의 제 2 단부에 대향하여 배치되며 다수의 양극 재료(102)에 산소를 공급하는 기체 확산층(104)을 더 포함할 수 있다. 다수의 양극 재료(102)는 그의 제 2 단부가 기체 확산층(104)의 표면에 접촉하도록 배치되고 대체적으로 규칙적으로 배열될 수 있다. 여기서 규칙적이라는 표현은, 모든 양극 재료(102)들에 대해 인접한 양극 재료(102)들 사이의 거리가 엄격하게 동일한 것만을 의미하지는 않으며, 제조 공정의 오차를 고려하여 기체 확산층(104)의 표면에서 다수의 양극 재료(102)가 대체로 고르게 분포하는 것을 의미할 수 있다.1 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a metal-air battery according to an embodiment. Referring to FIG. 1 , the positive electrode of the metal-air battery 100 according to an embodiment uses oxygen as an active material and is disposed on the surface of a plurality of positive electrode materials 102 spaced apart from each other, each of the positive electrode materials 102 . It may include an electrolyte membrane 103 and a space 105 . In addition, the metal-air battery 100 is disposed opposite to the second ends of the plurality of positive electrode materials 102 and the negative electrode metal layer 101 disposed opposite to the first end of the plurality of positive electrode materials 102, the plurality of positive electrode materials It may further include a gas diffusion layer 104 that supplies oxygen to the material 102 . The plurality of anode materials 102 may be disposed and generally regularly arranged such that their second ends contact the surface of the gas diffusion layer 104 . Here, the expression “regular” does not mean that the distance between adjacent anode materials 102 for all anode materials 102 is strictly the same, and takes into account the error of the manufacturing process, It may mean that a plurality of positive electrode materials 102 are distributed generally evenly.

음극 금속층(101)은 금속 이온을 흡장/방출하는 역할을 하는 것으로, 예를 들어 리튬(Li), 나트륨(Na), 아연(Zn), 칼륨(K), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 철(Fe), 알루미늄(Al) 또는 이들의 합금을 사용할 수 있다.The anode metal layer 101 serves to occlude/release metal ions, for example, lithium (Li), sodium (Na), zinc (Zn), potassium (K), calcium (Ca), and magnesium (Mg). , iron (Fe), aluminum (Al), or an alloy thereof may be used.

전해질막(103)은 금속 이온을 다수의 양극 재료(102)로 전달하는 역할을 한다. 이를 위해, 전해질막(103)은 금속염을 용매에 용해하여 형성된 전해질을 포함할 수 있다. 전해질은 고분자를 포함하는 유기계 재료로 이루어질 수 있으며 유연한 고체상을 갖도록 제조될 수 있다. 예를 들어, 금속염으로는 LiN(SO2CF2CF3)2, LiN(SO2C2F5)2, LiClO4, LiBF4, LiPF6, LiSbF6, LiAsF6, LiCF3SO3, LiN(SO2CF3)2, LiC(SO2CF3)3, LiN(SO3CF3)2, LiC4F9SO3, LiAlCl4 또는 LiTFSI(Lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide) 등과 같은 리튬염을 사용할 수 있으며, 상술한 리튬염에 AlCl3, MgCl2, NaCl, KCl, NaBr, KBr, CaCl2 등과 같은 다른 금속염을 더 추가할 수도 있다. 용매는 이러한 리튬염 및 금속염을 용해시킬 수 있는 어떠한 유기계 용매 재료라도 사용될 수 있다.The electrolyte membrane 103 serves to transfer metal ions to the plurality of positive electrode materials 102 . To this end, the electrolyte membrane 103 may include an electrolyte formed by dissolving a metal salt in a solvent. The electrolyte may be made of an organic material including a polymer and may be manufactured to have a flexible solid phase. For example, as a metal salt, LiN(SO 2 CF 2 CF 3 ) 2 , LiN(SO 2 C 2 F 5 ) 2 , LiClO 4 , LiBF 4 , LiPF 6 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , LiC(SO 2 CF 3 ) 3 , LiN(SO 3 CF 3 ) 2 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiAlCl 4 or LiTFSI (Lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide) may be used, and other metal salts such as AlCl 3 , MgCl 2 , NaCl, KCl, NaBr, KBr, CaCl 2 and the like may be further added to the above-described lithium salt. As the solvent, any organic solvent material capable of dissolving such lithium salts and metal salts may be used.

또한, 전해질막(103)은 산소의 투과를 방지하면서 금속 이온에 대해 전도성을 갖는 분리막을 더 포함할 수 있다. 분리막은 휘어질 수 있는 고분자계 분리막을 사용할 수 있다. 예를 들어, 분리막으로는 폴리프로필렌 소재의 부직포나 폴리페닐렌 설파이드 소재의 부직포 등의 고분자 부직포, 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌 등의 올레핀계 수지의 다공성 필름 등을 사용할 수 있다. 이러한 분리막과 전해질이 각각 별개의 층으로 형성될 수도 있지만, 전해질막(103)은 다공성 분리막의 기공들 내에 전해질을 함침시켜 하나의 층으로 형성될 수도 있다.In addition, the electrolyte membrane 103 may further include a separator having conductivity with respect to metal ions while preventing the permeation of oxygen. As the separator, a flexible polymer-based separator may be used. For example, as the separator, a polymer nonwoven fabric such as a polypropylene nonwoven fabric or a polyphenylene sulfide nonwoven fabric, or a porous film made of an olefin resin such as polyethylene or polypropylene may be used. Although the separator and the electrolyte may be formed as separate layers, the electrolyte membrane 103 may be formed as a single layer by impregnating the electrolyte in the pores of the porous separator.

양극 재료(102)는 탄소계 재료 또는 다양한 도전성 유기 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 양극 재료(102)는 카본 블랙, 그래파이트, 그래핀, 활성탄, 탄소섬유, 탄소나노튜브 등으로 이루어질 수 있다.The anode material 102 may be made of a carbon-based material or various conductive organic materials. For example, the cathode material 102 may be made of carbon black, graphite, graphene, activated carbon, carbon fiber, carbon nanotube, or the like.

기체 확산층(104)은 대기 중의 산소를 흡수하여 다수의 양극 재료(102)에 제공하는 역할을 한다. 이를 위해 기체 확산층(104)은 외부의 산소를 원활하게 확산시킬 수 있도록 다공성 구조를 가질 수 있다. 예컨대, 기체 확산층(104)은 탄소 섬유를 사용한 카본 페이퍼(carbon paper), 카본 직물(carbon cloth), 카본 펠트(carbon felt), 또는 스펀지상의 발포 금속이나 금속 섬유 매트로 이루어질 수 있다. 또한 기체 확산층(104)은 부직포 등과 같은 비도전성을 갖는 유연한 다공성 재료로 이루어질 수도 있다. 그러나, 양극 재료(102)가 기체 확산층의 역할을 함께 수행할 수 있도록 양극 재료(102)를 다공성을 갖도록 제작할 수도 있다. 이 경우 기체 확산층(104)을 생략할 수 있다.The gas diffusion layer 104 serves to absorb oxygen in the atmosphere and provide it to the plurality of anode materials 102 . To this end, the gas diffusion layer 104 may have a porous structure to smoothly diffuse external oxygen. For example, the gas diffusion layer 104 may be made of carbon paper, carbon cloth, carbon felt, or sponge-like foamed metal or metal fiber mat using carbon fibers. In addition, the gas diffusion layer 104 may be made of a non-conductive flexible porous material such as a non-woven fabric. However, the anode material 102 may be manufactured to have porosity so that the anode material 102 can also serve as a gas diffusion layer. In this case, the gas diffusion layer 104 may be omitted.

다시 도 1을 참조하면, 전해질막(103)은 음극 금속층(101)의 상부 표면에 배치된 제 1 전해질 부분(103a) 및 제 1 전해질 부분(103a)으로부터 각각의 양극 재료(102)의 표면으로 연장된 제 2 전해질 부분(103b)을 포함할 수 있다. 따라서 전해질막(103)은 음극 금속층(101)의 상부 표면으로부터 다수의 양극 재료(102)의 표면까지 분포할 수 있다. 다수의 양극 재료(102)는 음극 금속층(101)에 직접 접촉하지 않고 제 1 단부가 전해질막(103)의 제 1 전해질 부분(103a)에 접촉할 수 있다. 한편, 다수의 양극 재료(102)의 제 2 단부는 기체 확산층(104)에 직접 접촉할 수 있다.Referring back to FIG. 1 , the electrolyte membrane 103 extends from the first electrolyte portion 103a and the first electrolyte portion 103a disposed on the upper surface of the negative electrode metal layer 101 to the surface of each positive electrode material 102 . and an extended second electrolyte portion 103b. Accordingly, the electrolyte membrane 103 may be distributed from the upper surface of the negative electrode metal layer 101 to the surface of the plurality of positive electrode materials 102 . The plurality of positive electrode materials 102 may have a first end contacting the first electrolyte portion 103a of the electrolyte membrane 103 without directly contacting the negative electrode metal layer 101 . On the other hand, the second end of the plurality of anode materials 102 may directly contact the gas diffusion layer 104 .

도 1에는 음극 금속층(101)과 기체 확산층(104)이 평평한 평판의 형태를 가지며 서로 평행하게 배치되어 있고, 음극 금속층(101)과 기체 확산층(104) 사이에서 다수의 양극 재료(102)가 음극 금속(101)층의 상부 표면에 대해 수직하게 배열된 것으로 도시되어 있다. 그러나, 도 1은 음극 금속층(101)과 기체 확산층(104)의 구조를 단지 예시적으로 보일 뿐이다. 음극 금속층(101)과 기체 확산층(104)의 구조는 도 1에 도시된 구성으로 제한되지 않으며 금속공기전지(100)의 용도와 형태에 따라 다양한 방식으로 선택될 수 있다.In FIG. 1 , the cathode metal layer 101 and the gas diffusion layer 104 have a flat plate shape and are disposed parallel to each other, and a plurality of anode materials 102 are formed between the cathode metal layer 101 and the gas diffusion layer 104 . It is shown arranged perpendicular to the top surface of the metal 101 layer. However, FIG. 1 only exemplifies the structures of the cathode metal layer 101 and the gas diffusion layer 104 . The structure of the anode metal layer 101 and the gas diffusion layer 104 is not limited to the configuration shown in FIG. 1 and may be selected in various ways according to the purpose and shape of the metal-air battery 100 .

예를 들어, 도 2는 다른 실시예에 따른 금속공기전지(100a)의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 2를 참조하면, 금속공기전지(100a)는 음극 금속층(101)과 제 1 전해질 부분(103a) 사이에 개재된 제 3 전해질 부분(103c)을 더 포함할 수 있다. 제 3 전해질 부분(103c)은 금속 이온은 통과시키면서 수분 및 산소를 차단하여 음극 금속층(101)을 보호하는 역할을 할 수 있다. 따라서, 제 3 전해질 부분(103c)은 전해질, 분리막 및 보호막의 역할을 동시에 수행할 수 있다. 이러한 제 3 전해질 부분(103c)은 고체 전해질 또는 폴리머 전해질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제 3 전해질 부분(103c)으로서 LTAP(Li1+xTi2-xAlx(PO4)3)을 사용할 수 있다. 음극 금속층(101)과 제 3 전해질 부분(103c)을 함께 보호 음극이라고 부를 수 있다.For example, FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a metal-air battery 100a according to another embodiment. Referring to FIG. 2 , the metal-air battery 100a may further include a third electrolyte portion 103c interposed between the negative electrode metal layer 101 and the first electrolyte portion 103a. The third electrolyte portion 103c may serve to protect the anode metal layer 101 by blocking moisture and oxygen while passing metal ions. Accordingly, the third electrolyte portion 103c may simultaneously serve as an electrolyte, a separator, and a protective film. The third electrolyte portion 103c may be formed of a solid electrolyte or a polymer electrolyte. For example, LTAP (Li1+xTi2-xAlx(PO4)3) may be used as the third electrolyte portion 103c. The negative electrode metal layer 101 and the third electrolyte portion 103c may be collectively referred to as a protective negative electrode.

상술한 구조를 갖는 금속공기전지(100, 100a)는 금속의 산화와 산소의 환원을 이용하여 전기를 생성할 수 있다. 예를 들어, 금속이 리튬(Li)인 경우, 방전시에 리튬(Li)과 산소가 반응하여 리튬 산화물(Li2O2)을 생성하는 반응을 통해 전기를 생성한다. 또한, 방전시와 역으로 충전시에는 리튬 산화물에서 리튬 금속이 환원되고 산소가 발생하게 된다. 리튬 이외에도 다양한 금속을 사용할 수 있으며, 그 반응 원리는 리튬과 동일할 수 있다.The metal-air batteries 100 and 100a having the above-described structure may generate electricity by using metal oxidation and oxygen reduction. For example, when the metal is lithium (Li), electricity is generated through a reaction in which lithium (Li) and oxygen react to generate lithium oxide (Li2O2) during discharge. In addition, during discharging and reverse charging, lithium metal is reduced from lithium oxide and oxygen is generated. In addition to lithium, various metals may be used, and the reaction principle may be the same as that of lithium.

본 실시예의 경우, 금속공기전지(100, 100a)가 충전되면 양극에는 다수의 양극 재료(102)와 전해질막(103)이 차지하지 않는 빈 공간(105)이 존재한다. 바꾸어 말하자면, 인접한 두 양극 재료(102)의 표면에 서로 마주보도록 배치된 제 2 전해질 부분(103b)들 사이에 간격이 존재한다. 한편, 방전 동작시 양극 재료(102)의 표면과 전해질막(103) 사이에 Li2O2와 같은 금속 산화물이 생성될 수 있다. 그러면 전해질막(103)이 양극 재료(102)의 표면으로부터 멀어지는데, 빈 공간(105)은 전해질막(103)이 양극의 외부로 용출되지 않고 내부에 유지되도록 할 수 있다.In the present embodiment, when the metal-air batteries 100 and 100a are charged, a plurality of positive electrode materials 102 and an empty space 105 not occupied by the electrolyte membrane 103 exist in the positive electrode. In other words, a gap exists between the second electrolyte portions 103b disposed to face each other on the surfaces of two adjacent positive electrode materials 102 . Meanwhile, a metal oxide such as Li2O2 may be generated between the surface of the positive electrode material 102 and the electrolyte film 103 during the discharge operation. Then, the electrolyte membrane 103 is moved away from the surface of the positive electrode material 102 , and the empty space 105 can allow the electrolyte membrane 103 to remain inside the positive electrode without being eluted to the outside.

예를 들어, 도 3은 도 1에 도시된 금속공기전지(100)의 방전 동작시에 생성된 금속 산화물 및 금속 산화물에 의한 전해질막(103)의 위치 변화를 보이는 단면도이다. 도 3을 참조하면, 금속공기전지(100)의 방전 동작시 음극 금속층(101)으로부터 전해질막(103)으로 이동한 금속 이온이 기체 확산층(104)으로부터 공급된 산소 및 양극 재료(102)로부터 제공된 전자와 반응하여 금속 산화물(106)이 생성된다. 방전 동작이 계속 진행되면 양극 재료(102)의 표면에서 금속 산화물(106)이 성장하게 된다. 그러면, 양극 재료(102)의 표면과 전해질막(103) 사이에 금속 산화물(106)이 배치되고, 전해질막(103)은 금속 산화물(106)에 의해 양극 재료(102)의 표면으로부터 밀려나게 된다. 본 실시예에 따르면, 공간(105)은 방전이 완료되어 금속 산화물(106)의 부피가 최대가 되더라도 전해질막(103)이 양극 외부로 방출되지 않고 내부에 수용될 수 있는 부피를 가진다.For example, FIG. 3 is a cross-sectional view showing a change in the position of the electrolyte membrane 103 by the metal oxide and the metal oxide generated during the discharging operation of the metal-air battery 100 shown in FIG. 1 . Referring to FIG. 3 , during the discharging operation of the metal-air battery 100 , metal ions that migrated from the anode metal layer 101 to the electrolyte membrane 103 are provided from the oxygen supplied from the gas diffusion layer 104 and the cathode material 102 . A metal oxide 106 is formed by reacting with the electrons. As the discharge operation continues, the metal oxide 106 grows on the surface of the anode material 102 . Then, the metal oxide 106 is disposed between the surface of the positive electrode material 102 and the electrolyte membrane 103 , and the electrolyte membrane 103 is pushed from the surface of the positive electrode material 102 by the metal oxide 106 . . According to the present embodiment, the space 105 has a volume that can be accommodated inside the electrolyte membrane 103 without being discharged to the outside of the anode even when the volume of the metal oxide 106 is maximized after the discharge is completed.

그러나 공간(105)을 지나치게 넓게 형성하면 금속공기전지(100)의 부피가 증가할 수 있다. 따라서, 방전 동작시 생성되는 금속 산화물(106)의 두께를 고려하여 공간(105)의 크기를 적절하게 설계할 수 있다. 예를 들어, 금속 산화물(106)이 생성되지 않았을 때 공간(105)의 부피가 방전이 완료되었을 때 생성되는 금속 산화물(106)의 부피와 같도록 공간(105)이 설계될 수 있고 그 보다 5%, 10% 또는 20% 더 크도록 설계될 수도 있다. 다시 말해, 공간(105)은 금속 산화물(106) 최대 부피의 100~120% 부피를 가질 수 있다.However, if the space 105 is formed too wide, the volume of the metal-air battery 100 may increase. Accordingly, the size of the space 105 may be appropriately designed in consideration of the thickness of the metal oxide 106 generated during the discharge operation. For example, the space 105 may be designed such that the volume of the space 105 when the metal oxide 106 is not generated is equal to the volume of the metal oxide 106 generated when the discharge is completed, and 5 more It may be designed to be %, 10% or 20% greater. In other words, the space 105 may have a volume of 100-120% of the maximum volume of the metal oxide 106 .

한편, 일반적으로 금속 산화물(106)은 절연성을 갖는 유전체이다. 절연성을 갖는 금속 산화물(106)은 금속 산화물(106)이 생성되는 동안 발생한 전기가 양극 재료(102)로 흐르는 것을 방해할 수 있다. 따라서, 양극 재료(102)와 전해질막(103) 사이에 금속 산화물(106)이 지나치게 두껍게 형성되면 금속공기전지(100)의 성능이 저하될 수 있다. 이러한 점을 고려하여, 방전 동작시 양극 재료(102)의 표면에 생성되는 금속 산화물(106)의 두께가 약 10 nm 정도를 넘지 않도록 금속공기전지(100)를 운전할 수 있다. 그러면 공간(105)의 너비를 적어도 약 20 nm 이상으로 선택할 수 있다. 바꾸어 말하자면, 금속공기전지(100)가 완전히 충전되었을 때 인접한 두 양극 재료(102)의 표면에 서로 마주보도록 배치된 제 2 전해질 부분(103b)들 사이의 거리가 약 20 nm 이상일 수 있다. 이상적으로는, 다수의 양극 재료(102)들 사이에 형성된 모든 공간(105)들에 대해 공간(105)의 크기가 균일하게 약 20 nm일 수도 있지만, 제조 공정의 오차를 고려할 때 다수의 공간(105)의 평균적인 크기가 대략적으로 20 nm일 수 있다.On the other hand, in general, the metal oxide 106 is a dielectric having insulating properties. The insulating metal oxide 106 may prevent electricity generated while the metal oxide 106 is generated from flowing to the anode material 102 . Accordingly, when the metal oxide 106 is formed too thickly between the positive electrode material 102 and the electrolyte membrane 103 , the performance of the metal-air battery 100 may be deteriorated. In consideration of this point, the metal-air battery 100 may be operated so that the thickness of the metal oxide 106 generated on the surface of the positive electrode material 102 during the discharging operation does not exceed about 10 nm. The width of the space 105 may then be selected to be at least about 20 nm or more. In other words, when the metal-air battery 100 is fully charged, the distance between the second electrolyte portions 103b disposed to face each other on the surfaces of the two adjacent positive electrode materials 102 may be about 20 nm or more. Ideally, the size of the space 105 may be uniformly about 20 nm for all spaces 105 formed between the plurality of anode materials 102, but considering the error of the manufacturing process, the number of spaces ( 105) may be approximately 20 nm.

도 4는 다른 실시예에 따른 금속공기전지의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 1 및 도 3에서는 전해질막(103)의 제 1 전해질 부분(103a)이 평평하고 제 2 전해질 부분(103b)이 일정한 두께를 갖는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 도 4에 도시된 바와 같이 서로 인접한 2개의 양극 재료(102) 사이에 있는 제 1 전해질 부분(103a)의 상부 표면이 오목한 곡면을 갖고 양극 재료(102)의 아래쪽으로 갈수록 제 2 전해질 부분(103b)의 두께가 두꺼워질 수도 있다.4 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a metal-air battery according to another embodiment. 1 and 3 , the first electrolyte portion 103a of the electrolyte membrane 103 is flat and the second electrolyte portion 103b has a constant thickness. However, as shown in FIG. 4 , the upper surface of the first electrolyte portion 103a between the two positive electrode materials 102 adjacent to each other has a concave curved surface, and the second electrolyte portion ( 103b) may be thickened.

본 실시예에 따른 금속공기전지의 경우, 방전 동작시 발생하는 금속 산화물(106)에 의해 전해질막(103)의 전해질이 양극의 외부로 용출되지 않기 때문에 안정적인 충방전 가역성을 확보할 수 있다. 따라서 충방전 회수를 증가시켜 금속공기전지의 수명을 증가시킬 수 있다. 또한, 양극 재료(102)의 표면을 따라 전해질막(103)이 분포되어 있어서 양극 재료(102)와 전해질막(103)의 접촉 면적이 충분히 크기 때문에 과량의 전해질을 사용할 필요가 없다. 따라서, 금속공기전지의 에너지 밀도가 증가할 수 있다.In the case of the metal-air battery according to the present embodiment, since the electrolyte of the electrolyte membrane 103 is not eluted to the outside of the positive electrode by the metal oxide 106 generated during the discharging operation, stable charging/discharging reversibility can be secured. Accordingly, it is possible to increase the number of charge/discharge cycles to increase the lifespan of the metal-air battery. In addition, since the electrolyte membrane 103 is distributed along the surface of the positive electrode material 102 and the contact area between the positive electrode material 102 and the electrolyte membrane 103 is sufficiently large, there is no need to use an excessive amount of electrolyte. Accordingly, the energy density of the metal-air battery can be increased.

도 5는 또 다른 실시예에 따른 금속공기전지의 양극을 개략적으로 보이는 부분 사시도이다. 도 5를 참조하면, 다수의 양극 재료(102)는 납작한 평판 형태를 가질 수 있다. 그리고, 평판 형태를 갖는 다수의 양극 재료(102)가 나란하게 배열될 수 있다. 예를 들어, 평판 형태를 갖는 각각의 양극 재료(102)는 상대적으로 넓은 면적을 갖는 2개의 서로 대향하는 제 1 측면과 제 2 측면, 및 제 1 측면과 제 2 측면 사이에서 연장되며 제 1 측면과 제 2 측면보다 작은 면적을 갖는 서로 대향하는 제 3 측면과 제 4 측면을 가질 수 있다. 전해질막(103)은 상대적으로 넓은 면적을 갖는 양극 재료(102)의 제 1 측면과 제 2 측면에 각각 배치될 수 있다. 그러나 전해질막(103)은 제 1 측면과 제 2 측면에만 제한되지 않고 제 1 내지 제 4 측면에 모두 배치될 수도 있다. 그리고 인접한 2개의 양극 재료(102)의 제 1 측면과 제 2 측면이 서로 마주보도록 다수의 양극 재료(102)가 배열될 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시된 양극에서, 금속공기전지가 예를 들어 리튬-공기 전지일 때, 약 1,350 mAh/g의 비용량(specific capacity)을 갖기 위하여, 양극 재료(102)의 높이(H)는 약 12.5 um, 양극 재료(102)의 두께(T)는 약 10 nm 또는 그 이하, 전해질막(103)의 두께는 약 10 nm 또는 그 이하, 공간(105)의 너비(D)는 마주보는 전해질막(103)의 두께의 합보다 크도록 약 20 nm이고, 단위 면적당 양극 재료(102)의 개수는 20만개/cm2일 수 있다.5 is a partial perspective view schematically showing a positive electrode of a metal-air battery according to another embodiment. Referring to FIG. 5 , the plurality of positive electrode materials 102 may have a flat plate shape. In addition, a plurality of positive electrode materials 102 having a flat plate shape may be arranged side by side. For example, each positive electrode material 102 having a flat plate shape has two mutually opposing first and second sides having a relatively large area, and extending between the first side and the second side and having the first side and a third side surface and a fourth side surface opposite to each other, each having a smaller area than the second side surface. The electrolyte membrane 103 may be disposed on the first side and the second side of the positive electrode material 102 having a relatively large area, respectively. However, the electrolyte membrane 103 is not limited to only the first side and the second side, and may be disposed on all of the first to fourth side surfaces. And a plurality of positive electrode materials 102 may be arranged such that the first side and the second side of the two adjacent positive electrode materials 102 face each other. For example, in the positive electrode shown in FIG. 5 , when the metal-air battery is, for example, a lithium-air battery, in order to have a specific capacity of about 1,350 mAh/g, the height ( H) is about 12.5 um, the thickness T of the positive electrode material 102 is about 10 nm or less, the thickness of the electrolyte membrane 103 is about 10 nm or less, and the width D of the space 105 is It is about 20 nm to be greater than the sum of the thicknesses of the opposing electrolyte membranes 103 , and the number of positive electrode materials 102 per unit area may be 200,000/cm 2 .

도 6은 또 다른 실시예에 따른 금속공기전지의 양극을 개략적으로 보이는 부분 사시도이다. 도 6을 참조하면, 다수의 양극 재료(102)는 원통 또는 원기둥 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 각각의 양극 재료(102)는 탄소나노튜브(CNT)로 이루어질 수 있다. 이 경우, 전해질막(103)은 각각의 양극 재료(102)의 외주면에 배치될 수 있다.6 is a partial perspective view schematically showing a positive electrode of a metal-air battery according to another embodiment. Referring to FIG. 6 , the plurality of positive electrode materials 102 may have a cylindrical or cylindrical shape. For example, each anode material 102 may be made of carbon nanotubes (CNTs). In this case, the electrolyte membrane 103 may be disposed on the outer peripheral surface of each positive electrode material 102 .

도 6에 도시된 양극을 갖는 금속공기전지의 방전 동작시에 금속 산화물(106)은 각각의 양극 재료(102)의 외주면에 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 7은 도 6에 도시된 금속공기전지의 방전 동작시에 생성된 금속 산화물(106) 및 금속 산화물(106)에 의한 전해질막(103)의 위치 변화를 보이는 단면도이다. 도 7을 참조하면, 방전 동작이 진행되는 동안 탄소나노튜브로 이루어진 양극 재료(102)의 외주면에서 금속 산화물(106)이 성장하게 된다. 그러면 양극 재료(102)와 전해질막(103) 사이에 금속 산화물(106)이 개재되고, 전해질막(103)은 금속 산화물(106)에 의해 양극 재료(102)의 외주면으로부터 수직한 방향으로 밀려나 빈 공간(105)을 채우게 된다.During the discharging operation of the metal-air battery having the positive electrode shown in FIG. 6 , a metal oxide 106 may be formed on the outer peripheral surface of each positive electrode material 102 . For example, FIG. 7 is a cross-sectional view showing a position change of the electrolyte membrane 103 by the metal oxide 106 and the metal oxide 106 generated during the discharging operation of the metal-air battery shown in FIG. 6 . Referring to FIG. 7 , the metal oxide 106 grows on the outer peripheral surface of the anode material 102 made of carbon nanotubes while the discharge operation is in progress. Then, the metal oxide 106 is interposed between the positive electrode material 102 and the electrolyte membrane 103 , and the electrolyte membrane 103 is pushed in a vertical direction from the outer circumferential surface of the positive electrode material 102 by the metal oxide 106 to become empty. The space 105 is filled.

이를 위해, 양극 재료(102)의 외주면에 전해질막(103)이 코팅된 후에 서로 인접한 2개의 양극 재료(102)에 각각 배치된 전해질막(103) 사이에 공간(105)이 형성될 수 있도록 다수의 양극 재료(102)는 서로 충분한 간격을 두고 배치될 수 있다. 예를 들어, 공간(105)의 부피가 완전 방전에 의해 생성되는 금속 산화물(106)의 최대 부피와 같도록 다수의 양극 재료(102) 사이의 간격과 전해질막(103)의 두께가 선택될 수 있다. 앞서 설명했듯이, 공간(105)은 금속 산화물(106) 최대 부피의 100%~120% 부피를 가질 수 있다.To this end, after the electrolyte membrane 103 is coated on the outer circumferential surface of the positive electrode material 102 , a plurality of spaces 105 can be formed between the electrolyte membranes 103 respectively disposed on the two positive electrode materials 102 adjacent to each other. The anode materials 102 of the may be disposed with sufficient spacing from each other. For example, the spacing between the plurality of positive electrode materials 102 and the thickness of the electrolyte membrane 103 may be selected such that the volume of the space 105 is equal to the maximum volume of the metal oxide 106 produced by full discharge. have. As described above, the space 105 may have a volume of 100% to 120% of the maximum volume of the metal oxide 106 .

예컨대, 금속공기전지가 예를 들어 리튬-공기 전지일 때, 약 1,350 mAh/g의 비용량을 갖기 위하여, 각각의 양극 재료(102)의 직경은 약 150 nm 이하이며, 각각의 전해질막(103)의 두께는 약 10 nm 이하이고, 공간(105)의 너비(D)는 약 20 nm보다 클 수 있다. 여기서, 공간(105)의 너비는 금속 산화물(106)이 생성되지 않았을 때 서로 인접한 2개의 양극 재료(102)의 중심을 잇는 방향으로 서로 마주보는 전해질막(103) 사이의 거리로 정의될 수 있다. 그리고, 다수의 양극 재료(102)는 109/cm2보다 큰 밀도(단위 면적당 개수)로 배열될 수 있다. 예를 들어, 다수의 양극 재료(102)는 109/cm2 내지 4×1010개/cm2의 밀도로 배열될 수 있다. 또한, 각각의 양극 재료(102)의 높이는 약 13 um 내지 17 um 정도일 수 있으며, 다수의 양극 재료(102)의 단위 면적당 개수에 따라 조절될 수 있다.For example, when the metal-air battery is, for example, a lithium-air battery, in order to have a specific capacity of about 1,350 mAh/g, the diameter of each positive electrode material 102 is about 150 nm or less, and each electrolyte membrane 103 ) may have a thickness of about 10 nm or less, and a width D of the space 105 may be greater than about 20 nm. Here, the width of the space 105 may be defined as a distance between the electrolyte membranes 103 facing each other in a direction connecting the centers of two adjacent positive electrode materials 102 when the metal oxide 106 is not generated. . In addition, the plurality of positive electrode materials 102 may be arranged at a density (number per unit area) greater than 10 9 /cm 2 . For example, a plurality of positive electrode materials 102 may be arranged at a density of 10 9 /cm 2 to 4×10 10 pieces/cm 2 . In addition, the height of each positive electrode material 102 may be about 13 um to 17 um, and may be adjusted according to the number of a plurality of positive electrode materials 102 per unit area.

도 8은 또 다른 실시예에 따른 금속공기전지의 양극을 개략적으로 보이는 부분 사시도이다. 도 8에 도시된 실시예에서, 금속공기전지는 다수의 양극 재료(102)를 갖지 않고 단지 하나의 양극층(112)을 포함할 수 있다. 대신에 금속공기전지는 양극층(112)을 수직으로 관통하여 형성된 다수의 홀(115)을 포함할 수 있다. 이 경우, 전해질막(103)은 다수의 홀(115)의 내벽을 따라 배치될 수 있다. 도 8에 도시된 양극을 갖는 금속공기전지의 경우에도, 단면 구조는 도 1에 도시된 단면도와 같을 수 있다. 홀(115) 내부의 전해질막(103)이 음극 금속층(101)의 상부 표면까지 연장될 수 있도록 홀(115)은 양극층(112)의 상부 표면과 하부 표면 사이를 완전히 관통할 수 있다.8 is a partial perspective view schematically showing a positive electrode of a metal-air battery according to another embodiment. In the embodiment shown in FIG. 8 , the metal-air battery may include only one positive electrode layer 112 without multiple positive electrode materials 102 . Instead, the metal-air battery may include a plurality of holes 115 formed to vertically penetrate the anode layer 112 . In this case, the electrolyte membrane 103 may be disposed along the inner walls of the plurality of holes 115 . Even in the case of the metal-air battery having the positive electrode shown in FIG. 8 , the cross-sectional structure may be the same as the cross-sectional structure shown in FIG. 1 . The hole 115 may completely penetrate between the upper surface and the lower surface of the anode layer 112 so that the electrolyte membrane 103 inside the hole 115 may extend to the upper surface of the anode metal layer 101 .

도 8에 도시된 양극을 갖는 금속공기전지의 방전 동작시에 금속 산화물(106)은 각각의 홀(115)의 내벽에 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 9는 도 8에 도시된 금속공기전지의 방전 동작시에 생성된 금속 산화물(106) 및 금속 산화물(106)에 의한 전해질막(103)의 위치 변화를 보이는 단면도이다. 도 9를 참조하면, 금속공기전지의 방전 동작이 수행되는 동안 홀(115)의 내벽에서 금속 산화물(106)이 성장하게 된다. 그러면 홀(115)의 내벽과 전해질막(103) 사이에 금속 산화물(106)이 개재되고 전해질막(103)은 금속 산화물(106)에 의해 홀(115)의 중심 방향으로 밀려나 빈 공간(105)을 채우게 된다.In the discharge operation of the metal-air battery having the anode shown in FIG. 8 , the metal oxide 106 may be formed on the inner wall of each hole 115 . For example, FIG. 9 is a cross-sectional view showing a position change of the electrolyte membrane 103 by the metal oxide 106 and the metal oxide 106 generated during the discharging operation of the metal-air battery shown in FIG. 8 . Referring to FIG. 9 , the metal oxide 106 grows on the inner wall of the hole 115 while the metal-air battery is being discharged. Then, the metal oxide 106 is interposed between the inner wall of the hole 115 and the electrolyte membrane 103 , and the electrolyte membrane 103 is pushed toward the center of the hole 115 by the metal oxide 106 to form an empty space 105 . will fill

이를 위해, 전해질막(103)이 둘러싸는 빈 공간(105)이 충분한 면적을 가질 수 있도록 홀(115)의 크기와 전해질막(103)의 두께가 선택될 수 있다. 예를 들어, 홀(115)의 직경 또는 폭은 전해질막(103)의 두께보다 최소 2배 이상 더 클 수 있다. 보다 구체적으로, 홀(115) 내에서 공간(105)의 단면 면적은 금속 산화물(106)이 최대로 생성된 후에 홀(115)의 내벽에 배치된 금속 산화물(106)의 단면 면적과 같거나 클 수 있다. 대략적으로 공간(105)의 부피가 양극층(112)의 전체 부피의 40% 정도이면, 1,350 mAh/g 이하의 비용량을 발현시킬 때 전해질막(103)의 전해질은 양극의 외부로 용출되지 않고 내부에 머물게 되어 충방전 가역성을 확보하게 될 수 있다.To this end, the size of the hole 115 and the thickness of the electrolyte membrane 103 may be selected so that the empty space 105 surrounded by the electrolyte membrane 103 may have a sufficient area. For example, the diameter or width of the hole 115 may be at least two times greater than the thickness of the electrolyte membrane 103 . More specifically, the cross-sectional area of the space 105 within the hole 115 is equal to or greater than the cross-sectional area of the metal oxide 106 disposed on the inner wall of the hole 115 after the metal oxide 106 is maximally generated. can If the volume of the space 105 is approximately 40% of the total volume of the positive electrode layer 112, the electrolyte of the electrolyte membrane 103 does not elute to the outside of the positive electrode when a specific capacity of 1,350 mAh/g or less is expressed. By staying inside, charging/discharging reversibility can be secured.

한편, 도 8에는 홀(115)이 사각형의 단면 형태를 갖는 것으로 예시적으로 도시되어 있으나, 홀(115)의 단면 형태는 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 10은 또 다른 실시예에 따른 금속공기전지의 양극을 개략적으로 보이는 부분 사시도이며, 도 11은 또 다른 실시예에 따른 금속공기전지의 양극을 개략적으로 보이는 부분 사시도이다. 도 10에 도시된 바와 같이 각각의 홀(115)은 육각형의 단면 형태를 가질 수도 있으며, 도 11에 도시된 바와 같이 각각의 홀(115)은 삼각형의 단면 형태를 가질 수도 있다. 각각의 홀(115)은 그 밖에 다른 다각형의 단면 형태를 가질 수도 있다.Meanwhile, although the hole 115 is illustrated as having a rectangular cross-sectional shape in FIG. 8 , the cross-sectional shape of the hole 115 is not limited thereto. For example, FIG. 10 is a partial perspective view schematically showing a positive electrode of a metal-air battery according to another embodiment, and FIG. 11 is a partial perspective view schematically showing a positive electrode of a metal-air battery according to another embodiment. As shown in FIG. 10 , each hole 115 may have a hexagonal cross-sectional shape, and as shown in FIG. 11 , each hole 115 may have a triangular cross-sectional shape. Each hole 115 may have other polygonal cross-sectional shapes.

도 8 내지 도 11에 도시된 양극에서, 금속공기전지가 예를 들어 리튬-공기 전지일 때, 약 1,350 mAh/g의 비용량을 갖기 위하여, 인접한 2개의 홀(115)의 내벽 사이의 양극층(112)의 두께(t)는 약 8 nm, 금속 산화물(106)이 생성되지 않았을 때의 전해질막(103)의 두께는 약 10 nm 또는 그 이하, 양극층(112)의 높이는 약 12.5 um일 수 있다. 그리고, 각각의 홀(115)의 중심으로부터 전해질막(103)의 한 꼭지점까지의 거리는 약 24 nm보다 클 수 있다. 또한, 양극층(112) 내에 형성된 다수의 홀(115)의 밀도(단위 면적당 개수)는 109/cm2보다 클 수 있다. 예를 들어, 다수의 홀(115)은 109/cm2 내지 1010개/cm2의 밀도로 배열될 수 있다.In the positive electrode shown in FIGS. 8 to 11 , when the metal-air battery is, for example, a lithium-air battery, the positive electrode layer between the inner walls of the adjacent two holes 115 to have a specific capacity of about 1,350 mAh/g The thickness t of the 112 is about 8 nm, the thickness of the electrolyte membrane 103 when the metal oxide 106 is not generated is about 10 nm or less, and the height of the anode layer 112 is about 12.5 um. can And, the distance from the center of each hole 115 to one vertex of the electrolyte membrane 103 may be greater than about 24 nm. Also, the density (number per unit area) of the plurality of holes 115 formed in the anode layer 112 may be greater than 10 9 /cm 2 . For example, the plurality of holes 115 may be arranged at a density of 10 9 /cm 2 to 10 10 holes/cm 2 .

도 12는 또 다른 실시예에 따른 금속공기전지의 양극을 개략적으로 보이는 부분 사시도이다. 도 12를 참조하면, 양극층(112)을 관통하여 형성된 다수의 홀(115)은 원형의 단면 형태를 가질 수 있다. 그러면 전해질막(103)은 원형 홀(115)의 내벽을 따라 배치될 수 있다. 또한, 도 13은 도 12에 도시된 금속공기전지의 방전 동작시에 생성된 금속 산화물(106) 및 금속 산화물(106)에 의한 전해질막(103)의 위치 변화를 보이는 단면도이다. 홀(115)이 원형의 단면 형태를 갖는 경우, 전해질막(103)은 원형 고리의 단면 형태를 가지며 홀(115)의 내벽에 생성되는 금속 산화물(106)도 역시 원형 고리의 단면 형태를 가질 수 있다. 금속공기전지의 방전 동작에 의해 금속 산화물(106)이 생성되면 전해질막(103)은 홀(115)의 중심을 향해 밀리게 되며, 금속 산화물(106)이 최대로 생성되었을 때 전해질막(103)이 빈 공간(105)을 부분적으로 또는 완전히 채울 수 있다. 완전히 채우는 경우, 전해질막(103)은 원형의 단면 형태를 갖게 될 수 있다.12 is a partial perspective view schematically showing a positive electrode of a metal-air battery according to another embodiment. Referring to FIG. 12 , the plurality of holes 115 formed through the anode layer 112 may have a circular cross-sectional shape. Then, the electrolyte membrane 103 may be disposed along the inner wall of the circular hole 115 . 13 is a cross-sectional view showing a position change of the electrolyte membrane 103 by the metal oxide 106 and the metal oxide 106 generated during the discharge operation of the metal-air battery shown in FIG. 12 . When the hole 115 has a circular cross-sectional shape, the electrolyte membrane 103 has a circular cross-sectional shape, and the metal oxide 106 generated on the inner wall of the hole 115 may also have a circular cross-sectional shape. have. When the metal oxide 106 is generated by the discharging operation of the metal-air battery, the electrolyte membrane 103 is pushed toward the center of the hole 115 , and when the metal oxide 106 is maximally generated, the electrolyte membrane 103 . This empty space 105 may be partially or completely filled. When completely filled, the electrolyte membrane 103 may have a circular cross-sectional shape.

전해질막(103)이 둘러싸는 빈 공간(105)이 충분한 면적을 가질 수 있도록 원형 홀(115)의 직경과 전해질막(103)의 두께가 선택될 수 있다. 예를 들어, 공간(105)의 단면 면적은 최대로 생성되어 원형 홀(115)의 내벽에 배치된 금속 산화물(106)의 단면 면적과 같거나 클 수 있다.The diameter of the circular hole 115 and the thickness of the electrolyte membrane 103 may be selected so that the empty space 105 surrounded by the electrolyte membrane 103 may have a sufficient area. For example, the cross-sectional area of the space 105 may be the same as or greater than the cross-sectional area of the metal oxide 106 disposed on the inner wall of the circular hole 115 by creating a maximum.

도 14는 또 다른 실시예에 따른 금속공기전지의 양극을 개략적으로 보이는 부분 사시도이다. 도 12의 실시예에서, 다수의 원형 홀(115)은 사각 패턴 형태의 어레이로 배열되어 있다. 그러나 원형 홀(115)들의 배열 패턴은 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 14의 실시예에서 다수의 원형 홀(115)은 육각 패턴 형태의 어레이로 배열될 수 있다. 그 밖에도 홀(115)들이 다양한 패턴의 어레이로 배열될 수 있다.14 is a partial perspective view schematically illustrating a positive electrode of a metal-air battery according to another embodiment. In the embodiment of FIG. 12 , a plurality of circular holes 115 are arranged in an array in the form of a square pattern. However, the arrangement pattern of the circular holes 115 is not limited thereto. For example, in the embodiment of FIG. 14 , the plurality of circular holes 115 may be arranged in a hexagonal pattern-shaped array. In addition, the holes 115 may be arranged in an array of various patterns.

도 12 및 도 14에 도시된 양극에서, 금속공기전지)가 예를 들어 리튬-공기 전지일 때, 약 1,350 mAh/g의 비용량을 갖기 위하여, 인접한 2개의 원형 홀(115) 사이의 양극층(112)의 가장 얇은 부분의 두께는 약 0 nm 내지 4 nm 이고, 금속 산화물(106)이 생성되지 않았을 때의 전해질막(103)의 두께는 약 10 nm, 양극층(112)의 높이는 약 12.5 um일 수 있다. 또한, 공간(105)의 반경은 약 34 nm보다 클 수 있다. 여기서 공간(105)의 반경은 각각의 원형 홀(115)의 중심으로부터 전해질막(103)의 표면까지의 거리로 정의될 수 있다. 그리고 양극층(112) 내에 형성된 다수의 원형 홀(115)의 밀도(단위 면적당 개수)는 약 4×1010/cm2 정도일 수 있다.In the positive electrode shown in FIGS. 12 and 14 , when the metal-air battery) is, for example, a lithium-air battery, the positive electrode layer between two adjacent circular holes 115 to have a specific capacity of about 1,350 mAh/g. The thickness of the thinnest part of 112 is about 0 nm to 4 nm, the thickness of the electrolyte membrane 103 when the metal oxide 106 is not generated is about 10 nm, and the height of the anode layer 112 is about 12.5 can be um. Also, the radius of space 105 may be greater than about 34 nm. Here, the radius of the space 105 may be defined as a distance from the center of each circular hole 115 to the surface of the electrolyte membrane 103 . In addition, the density (number per unit area) of the plurality of circular holes 115 formed in the anode layer 112 may be about 4×10 10 /cm 2 .

도 15 내지 도 17은 도 6에 도시된 금속공기전지의 특성을 예시적으로 보이는 그래프이다. 도 15 내지 도 17의 금속공기전지는 리튬-공기 전지이고 면적 용량(areal capacity)은 1.35 mAh/cm2이며, 양극 재료(102)의 밀도는 2 g/cm3, 전해질막(103)의 밀도는 1 g/cm3인 것으로 가정하였다. 도 15의 그래프는 전해질막(103)의 두께가 10 nm일 때 양극 재료(102)의 직경과 전해질-양극 중량비에 따른 금속공기전지의 비용량을 나타낸다. 도 16의 그래프는 양극 재료(102)의 직경과 전해질-양극 중량비에 따른 전해질막(103)의 두께를 나타낸다. 또한, 도 17의 그래프는 양극 재료(102)의 직경과 전해질-양극 중량비에 따른 양극 재료(102)의 높이를 나타낸다. 도 15~17은 다수의 원통형 또는 원기둥형 양극 재료(102)가 사각 패턴의 어레이로 배열된 결과를 보여준다. 도 15 내지 도 17의 그래프를 참조하면, 전해질막(103)의 두께를 약 20 nm 이상으로 제어하고 원통 또는 원기둥 형태의 양극 재료(102)의 직경이 30 nm이라면 금속공기전지(100)의 최대 비용량은 약 750 mAh/g 이고 전해질막(103)의 무게는 양극 재료(102)의 무게의 약 3배라는 것을 알 수 있다.15 to 17 are graphs exemplarily showing characteristics of the metal-air battery shown in FIG. 6 . The metal-air battery of FIGS. 15 to 17 is a lithium-air battery and has an areal capacity of 1.35 mAh/cm 2 , the density of the positive electrode material 102 is 2 g/cm 3 , and the density of the electrolyte membrane 103 . was assumed to be 1 g/cm 3 . The graph of FIG. 15 shows the specific capacity of the metal-air battery according to the diameter of the cathode material 102 and the electrolyte-anode weight ratio when the thickness of the electrolyte membrane 103 is 10 nm. The graph of FIG. 16 shows the thickness of the electrolyte membrane 103 according to the diameter of the positive electrode material 102 and the electrolyte-positive electrode weight ratio. In addition, the graph of FIG. 17 shows the height of the positive electrode material 102 according to the diameter of the positive electrode material 102 and the electrolyte-positive electrode weight ratio. 15-17 show the result of arranging a plurality of cylindrical or columnar anode materials 102 in an array in a square pattern. 15 to 17, if the thickness of the electrolyte membrane 103 is controlled to be about 20 nm or more and the diameter of the positive electrode material 102 in a cylindrical or cylindrical shape is 30 nm, the maximum of the metal-air battery 100 is It can be seen that the specific capacity is about 750 mAh/g and the weight of the electrolyte membrane 103 is about three times that of the positive electrode material 102 .

또한, 도 18 내지 도 20은 도 14에 도시된 금속공기전지의 특성을 예시적으로 보이는 그래프이다. 도 18 내지 도 20의 금속공기전지는 리튬-공기 전지이고 면적 용량(areal capacity)은 1.35 mAh/cm2이며, 양극층(112)의 밀도는 2 g/cm3, 전해질막(103)의 밀도는 1 g/cm3인 것으로 가정하였다. 도 18의 그래프는 전해질막(103)의 두께가 10 nm일 때 홀(115)의 직경과 전해질-양극 중량비에 따른 금속공기전지의 비용량을 나타낸다. 도 19의 그래프는 홀(115)의 직경과 전해질-양극 중량비에 따른 전해질막(103)의 두께를 나타낸다. 또한, 도 20의 그래프는 홀(115)의 직경과 전해질-양극 중량비에 따른 양극층(112)의 높이를 나타낸다. 도 18 내지 도 20의 그래프에서 빗금으로 표시된 영역은 홀(115) 내의 공간(105)이 부족하여 금속공기전지(100)의 방전 동작시에 전해질막(103)의 전해질이 용출되는 영역을 나타낸다. 도 18 내지 도 20의 그래프를 참조하면, 홀(115)의 직경이 약 200 nm이고 최대 약 750 mAh/g의 비용량을 달성해야 한다면 전해질막(103)의 두께는 약 50 nm이고 전해질막(103)의 무게는 양극층(112)의 무게의 약 3배여야 한다는 것을 알 수 있다.18 to 20 are graphs exemplarily showing characteristics of the metal-air battery shown in FIG. 14 . The metal-air battery of FIGS. 18 to 20 is a lithium-air battery and has an areal capacity (areal capacity) of 1.35 mAh/cm 2 , the density of the positive electrode layer 112 is 2 g/cm 3 , and the density of the electrolyte membrane 103 . was assumed to be 1 g/cm 3 . The graph of FIG. 18 shows the specific capacity of the metal-air battery according to the diameter of the hole 115 and the electrolyte-anode weight ratio when the thickness of the electrolyte membrane 103 is 10 nm. The graph of FIG. 19 shows the diameter of the hole 115 and the thickness of the electrolyte membrane 103 according to the electrolyte-anode weight ratio. In addition, the graph of FIG. 20 shows the diameter of the hole 115 and the height of the anode layer 112 according to the electrolyte-anode weight ratio. In the graphs of FIGS. 18 to 20 , a region indicated by hatching indicates a region in which the electrolyte of the electrolyte membrane 103 is eluted during a discharging operation of the metal-air battery 100 due to insufficient space 105 in the hole 115 . 18 to 20 , if the diameter of the hole 115 is about 200 nm and a specific capacity of up to about 750 mAh/g is to be achieved, the thickness of the electrolyte membrane 103 is about 50 nm and the electrolyte membrane ( It can be seen that the weight of 103 should be about three times the weight of the anode layer 112 .

상술한 금속공기전지용 양극 및 이를 포함하는 금속공기전지는 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 추구하는 권리 범위는 전술한 설명이 아니라 청구항에 나타나 있으며, 문언적인 범위뿐만 아니라 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점을 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above-described positive electrode for a metal-air battery and a metal-air battery including the same have been described with reference to the embodiments shown in the drawings, but these are merely exemplary, and those of ordinary skill in the art may make various modifications and equivalents therefrom. It will be appreciated that embodiments are possible. Therefore, the disclosed embodiments are to be considered in an illustrative rather than a restrictive sense. The scope of rights sought is set forth in the claims rather than the foregoing description, and should be construed to include all differences within the literal scope as well as the equivalents thereof.

100, 100a.....금속공기전지 101.....음극 금속층
102.....양극 재료 103.....전해질막
104.....기체 확산층 105.....공간
106.....금속 산화물 112.....양극층
115.....홀100, 100a.....Metal-air battery 101.....Cathode metal layer
102.....Anode material 103...Electrolyte membrane
104....gas diffusion layer 105...space
106.....Metal oxide 112.....Anode layer
115.....Hall

Claims (28)

서로 이격되어 배치된 다수의 양극 재료;
상기 양극 재료의 표면에 배치된 전해질막; 및
상기 양극 재료 및 상기 전해질막이 차지하지 않는 공간;을 포함하며,
상기 공간의 부피는 금속공기전지의 방전시 생성되는 금속 산화물의 최대 부피와 같거나 크고,
상기 공간의 너비는 서로 인접한 2개의 양극 재료 사이의 서로 마주보는 전해질막 사이의 거리로 정의되며, 상기 금속 산화물이 생성되지 않았을 때 상기 공간의 너비가 20 nm보다 큰, 금속공기전지용 양극.a plurality of positive electrode materials spaced apart from each other;
an electrolyte membrane disposed on the surface of the cathode material; and
and a space not occupied by the cathode material and the electrolyte membrane.
The volume of the space is equal to or greater than the maximum volume of the metal oxide generated when the metal-air battery is discharged,
The width of the space is defined as the distance between the electrolyte membranes facing each other between two adjacent cathode materials, and the width of the space is greater than 20 nm when the metal oxide is not generated. 제 1 항에 있어서,
상기 양극 재료는 탄소계 재료 또는 도전성 유기 재료로 이루어지는 금속공기전지용 양극.The method of claim 1,
The cathode material is a cathode for a metal-air battery made of a carbon-based material or a conductive organic material. 제 1 항에 있어서,
상기 전해질막은 유기계 재료로 이루어지는 금속공기전지용 양극.The method of claim 1,
The electrolyte membrane is an anode for a metal-air battery made of an organic material. 제 1 항에 있어서,
상기 공간의 부피는 상기 금속 산화물의 최대 부피의 120%와 같거나 작은 금속공기전지용 양극.The method of claim 1,
The volume of the space is less than or equal to 120% of the maximum volume of the metal oxide anode for a metal-air battery. 제 1 항에 있어서,
각각의 양극 재료는 납작한 평판 형태를 가지며, 평판 형태의 다수의 양극 재료가 나란하게 배열되어 있는 금속공기전지용 양극.The method of claim 1,
Each positive electrode material has a flat plate shape, and a positive electrode for a metal-air battery in which a plurality of plate-shaped positive electrode materials are arranged side by side. 제 5 항에 있어서,
각각의 판 형태의 양극 재료는 서로 대향하는 제 1 표면과 제 2 표면, 및 상기 제 1 표면과 제 2 표면 사이에 연장되며 상기 제 1 표면과 제 2 표면보다 작은 면적을 갖는 서로 대향하는 제 3 표면과 제 4 표면을 포함하며,
서로 인접한 2개의 양극 재료의 제 1 표면과 제 2 표면이 서로 마주보도록 상기 다수의 양극 재료가 배열되어 있는 금속공기전지용 양극.6. The method of claim 5,
Each plate-shaped anode material has a first surface and a second surface facing each other, and a third opposing third surface extending between the first surface and the second surface and having an area smaller than the first surface and the second surface. a surface and a fourth surface;
A positive electrode for a metal-air battery in which the plurality of positive electrode materials are arranged such that first and second surfaces of two adjacent positive electrode materials face each other. 제 6 항에 있어서,
상기 전해질막은 각각의 양극 재료의 적어도 제 1 표면과 제 2 표면에 각각 배치되어 있는 금속공기전지용 양극.7. The method of claim 6,
wherein the electrolyte membrane is disposed on at least a first surface and a second surface of each positive electrode material, respectively. 삭제delete 제 1 항에 있어서,
각각의 양극 재료의 두께는 10 nm 이하이고, 각각의 전해질막의 두께는 10 nm이하인 금속공기전지용 양극.The method of claim 1,
Each cathode material has a thickness of 10 nm or less, and each electrolyte membrane has a thickness of 10 nm or less. 서로 이격되어 배치된 다수의 양극 재료;
상기 양극 재료의 표면에 배치된 전해질막; 및
상기 양극 재료 및 상기 전해질막이 차지하지 않는 공간;을 포함하며,
상기 공간의 부피는 금속공기전지의 방전시 생성되는 금속 산화물의 최대 부피와 같거나 크고,
각각의 양극 재료는 원통 또는 원기둥 형태를 가지며, 상기 전해질막은 각각의 양극 재료의 외주면에 배치되어 있는 금속공기전지용 양극.a plurality of positive electrode materials spaced apart from each other;
an electrolyte membrane disposed on the surface of the cathode material; and
and a space not occupied by the cathode material and the electrolyte membrane.
The volume of the space is equal to or greater than the maximum volume of the metal oxide generated when the metal-air battery is discharged,
Each positive electrode material has a cylindrical or cylindrical shape, and the electrolyte membrane is a positive electrode for a metal-air battery disposed on an outer peripheral surface of each positive electrode material. 제 10 항에 있어서,
각각의 양극 재료는 탄소나노튜브로 이루어진 금속공기전지용 양극.11. The method of claim 10,
Each anode material is a cathode for a metal-air battery made of carbon nanotubes. 제 10 항에 있어서,
상기 각각의 양극 재료의 직경은 150 nm 이하이며, 각각의 전해질막의 두께는 10 nm 이하인 금속공기전지용 양극.11. The method of claim 10,
Each of the cathode materials has a diameter of 150 nm or less, and the thickness of each electrolyte membrane is 10 nm or less. 제 10 항에 있어서,
상기 다수의 양극 재료는 109/cm2 보다 큰 밀도로 배열되어 있는 금속공기전지용 양극.11. The method of claim 10,
The plurality of positive electrode materials are arranged at a density greater than 10 9 /cm 2 A positive electrode for a metal-air battery. 제 1 항 내지 제 7 항, 제 9 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 양극;
상기 다수의 양극 재료에 금속 이온을 공급하는 음극 금속층; 및
상기 다수의 양극 재료에 산소를 공급하는 기체 확산층;을 더 포함하는 금속공기전지.A positive electrode according to any one of claims 1 to 7, 9 to 13;
a cathode metal layer for supplying metal ions to the plurality of anode materials; and
The metal-air battery further comprising a; gas diffusion layer for supplying oxygen to the plurality of cathode materials. 제 14 항에 있어서,
상기 전해질막은 상기 음극 금속층의 상부 표면에 배치된 제 1 전해질 부분 및 상기 제 1 전해질 부분으로부터 각각의 양극 재료의 표면으로 연장된 제 2 전해질 부분을 포함하는 금속공기전지.15. The method of claim 14,
wherein the electrolyte membrane includes a first electrolyte portion disposed on the upper surface of the negative electrode metal layer and a second electrolyte portion extending from the first electrolyte portion to the surface of each positive electrode material. 제 15 항에 있어서,
각각의 양극 재료의 상기 제 1 단부가 상기 제 1 전해질 부분에 접촉하며 각각의 양극 재료의 상기 제 2 단부가 상기 기체 확산층에 접촉하도록 상기 다수의 양극 재료가 배치되어 있는 금속공기전지.16. The method of claim 15,
wherein the plurality of positive electrode materials are disposed such that the first end of each positive electrode material contacts the first electrolyte portion and the second end of each positive electrode material contacts the gas diffusion layer. 제 15 항에 있어서,
상기 제 1 전해질 부분과 상기 음극 금속층 사이에 개재된 것으로 금속 이온을 통과시키고 수분 및 산소를 차단하는 제 3 전해질 부분을 더 포함하는 금속공기전지.16. The method of claim 15,
The metal-air battery further comprising a third electrolyte portion interposed between the first electrolyte portion and the negative electrode metal layer to pass metal ions and block moisture and oxygen. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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