KR20150131883A - 금속-공기 전지 - Google Patents

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Abstract

금속-공기 전지를 제공한다. 본 금속-공기 전지는, 내부에 복수 개의 채널이 형성되어 있는 허니컴 형태의 몸체; 및 금속을 포함한 음극, 상기 음극과 이격 배치되며 산소를 활물질로 사용하는 양극 및 상기 음극과 상기 양극 사이에 배치되는 음극 전해질을 포함하는 복수 개의 전지셀;을 포함하고, 상기 채널과 몸체 사이에 상기 전지셀이 하나씩 배치되어 있다.

Description

금속-공기 전지{Metal-air battery}
본 개시는 금속-공기 전지에 관한 것이다.
금속-공기 전지는 이온의 흡장/방출이 가능한 음극과 공기 중의 산소를 활물질로서 사용하는 양극을 포함하는 전지이다. 금속-공기 전지의 경우, 양극에서는 외부로부터 유입되는 산소의 환원/산화 반응이 일어나고 음극에서는 금속의 산화/환원 반응이 일어나며 이때 발생하는 화학적 에너지를 전기적 에너지로 추출한다. 예를 들어, 금속-공기 전지는 방전 시에 산소를 흡수하고 충전 시에는 산소를 방출한다. 이와 같이 금속-공기 전지가 대기 중에 존재하는 산소를 이용하기 때문에, 전지의 에너지 밀도를 비약적으로 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 금속-공기 전지는 기존의 리튬 이온 전지의 에너지 밀도보다 수배 이상 높은 에너지 밀도를 가질 수 있다.
또한, 금속-공기 전지는 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 금속-공기 전지에 대한 많은 연구가 이루어지고 있다.
공기의 공급이 용이하고 에너지 밀도가 향상된 허니컴 구조를 갖는 금속-공기 전지를 제공한다.
일 유형에 따르는 금속-공기 전지는, 내부에 복수 개의 채널이 형성되어 있는 허니컴 형태의 몸체; 및 금속을 포함한 음극, 상기 음극과 이격 배치되며 산소를 활물질로 사용하는 양극 및 상기 음극과 상기 양극 사이에 배치되는 음극 전해질을 포함하는 복수 개의 전지셀;을 포함하고, 상기 채널과 몸체 사이에 상기 전지셀이 하나씩 배치되어 있다.
그리고, 상기 복수 개의 채널은 상기 몸체를 관통하며, 상기 몸체의 길이 방향으로 나란하게 배치될 수 있다.
또한, 상기 양극은 채널에 노출될 수 있다.
그리고, 상기 음극은 상기 몸체에 접할 수 있다.
또한, 상기 음극, 상기 양극 및 상기 음극 전해질 중 적어도 하나는 상기 채널의 중심축을 기준으로 대칭될 수 있다.
그리고, 상기 음극은 리튬 금속, 리튬 금속 기반의 합금, 또는 리튬 삽입 화합물 (lithium intercalating compound)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 전지셀은, 상기 음극과 상기 음극 전해질 사이에 배치되며, 상기 음극 방향으로 산소 통과를 억제하는 보호막; 및 상기 전지셀은, 상기 음극과 상기 음극 전해질 사이에 배치되며, 금속 이온의 이동을 용이하게 하는 중간층(interlayer);을 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 전지셀은, 상기 양극상에 배치되며 상기 양극으로의 산소의 공급을 원활하게 하는 기체확산층;을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 몸체는 카본 코팅될 수 있다.
그리고, 상기 채널에서 상기 몸체 방향으로 압력을 가할 수 있는 가압 부재를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 가압 부재는 상기 채널 내에 배치될 수 있다.
그리고, 상기 가압 부재는,ㅍ인가된 전압에 따라 모양이 변할 수 있다.
또한, 상기 가압 부재는, 상기 전압이 인가되면 상기 채널의 중심축에서 상기 몸체 방향으로 팽창하고, 상기 전압이 상기 전압이 인가되지 않는 상태에서 상기 전지셀과 이격 배치될 수 있다.
그리고, 상기 가압 부재는, 인가된 전압에 따라 모양이 변하는 탄성 부재; 및 상기 탄성 부재를 사이에 두고 이격 배치되며 상기 탄성 부재에 상기 전압을 인가하는 전극쌍;을 포함할 수 있다.
또한, 상기 가압 부재는 내부로 유체의 유입에 따라 모양이 변하는 탄성 부재; 및 상기 유체를 상기 탄성 부재의 내부로 제공하는 유체 제어부;를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 탄성 부재는, 준공섬유 형상일 수 있다.
또한, 상기 탄성 부재의 일단은 상기 유체 제어부와 연결되어 있고, 상기 탄성 부재의 타단은 폐쇄될 수 있다.
그리고, 상기 가압 부재는 스프링 형상일 수 있다.
또한, 상기 가압 부재는, 내부는 비어 있는 준공섬유 형상으로서 상기한 전지셀과 접하고, 측면은 개구가 형성될 수 있다.
그리고, 상기 가압 부재의 적어도 일부 영역은 도전성 물질을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 금속-공기 전지는 에너지 밀도를 향상될 수 있다.
그리고, 일 실시예에 따른 금속-공기 전지는 가압 부재에 의해 형상을 유지할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 허니컴 구조를 갖는 금속-공기 전지의 구조를 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 금속-공기 전지에 적용될 수 있는 다른 실시예의 전지셀을 도시한 도면이다.
도 3 은 비교예에 따른 2차원 평면셀 형태의 금속-공기 전지의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 금속-공기 전지의 에너지 밀도를 비교예와 비교한 그래프이다.
도 5a 및 도 5b는 다른 실시예에 따른 금속-공기 전지의 일부를 도시한 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 일 실시예의 금속-공기 전지에 적용될 수 있는 가압 부재의 다른 예를 도시한 도면이다.
도 7 및 도 8은 일 실시예의 금속-공기 전지에 적용될 수 있는 가압 부재의 또 다른 예를 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 허니컴 형상을 갖는 금속-공기 전지에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다
일 실시예에 따른 금속-공기 전지는 금속 1차 전지, 금속 2차 전지에 모두 사용 가능하다. 그리고, 이하에서 사용되는 용어인 "공기(air)"는 대기 공기로 제한되는 것은 아니며, 산소를 포함하는 기체의 조합, 또는 순수 산소 기체를 포함할 수 있다. 이러한 용어 "공기"에 대한 넓은 정의가 모든 용도, 예를 들어 공기 전지, 공기 양극(220) 등에 적용될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 허니컴 구조를 갖는 금속-공기 전지(10)의 구조를 나타내는 도면이다. 도 1을 참조하면, 금속-공기 전지(10)는 복수 개의 채널(110)을 포함하는 허니컴 형상의 몸체(100)와 상기한 채널(110)과 몸체(100) 사이에 하나씩 배치되는 복수 개의 전지셀(200)을 포함할 수 있다.
몸체(100)는 복수 개의 전지셀(200)을 지지하며, 금속-공기 전지(10)의 외형을 형성한다. 몸체(100)는 전지셀(200)의 충전 또는 방전시 전지셀(200)의 부피 변화를 흡수하거나 부피 변화를 적게 할 수 있는 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기한 몸체(100)는 세라믹, 또는 알루미늄 등과 같은 금속 등으로 형성될 수 있다. 도 1에서 몸체(100)는 원기둥 형상으로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않는다. 몸체(100)는 다각 기둥, 타원 기둥 등 다양한 형상일 수 있다. 몸체(100)는 압출 성형 등 다양한 방법으로 성형될 수 있다. 또한, 몸체(100)는 산화를 방지하기 위하여 내산화성의 금속 또는 합금 피막으로 피복될 수 있다. 예를 들어, 몸체(100)의 표면은 카본으로 코팅됨으로써 산소노출을 방지할 수 있다.
몸체(100)의 내부에는 몸체(100)를 관통하는 복수 개의 채널(110)이 형성되어 있다. 상기한 복수 개의 채널(110)은 몸체(100)의 길이 방향으로 서로 나란하게 배치될 수 있다. 채널(110)의 단면은 원형, 타원형, 다각형 등 다양할 수 있다. 채널(110)의 크기는 서로 같을 수도 있고 다를 수도 있다. 그리고, 상기한 채널(110)과 몸체(100) 사이에는 전지셀(200)이 하나씩 배치될 수 있다.
한편, 전지셀(200)은 금속 이온의 흡장 또는 방출이 가능한 음극(210), 음극(210)과 이격 배치되고 산소를 활물질로 사용하는 양극(220) 및 음극(210)과 양극(220) 사이에 배치되며 금속 이온 전도성 매질인 음극 전해질(230)을 포함할 수 있다.
음극(210), 음극 전해질(230) 및 양극(220)은 몸체(100)에서 채널(110)의 중심축 방향으로 순차적으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 음극(210), 음극 전해질(230) 및 양극(220)이 몸체(100)에 순차적으로 코팅되어 형성될 수 있다. 음극(210), 음극 전해질(230) 및 양극(220)은 코팅 이외의 다른 방법으로 형성될 수 있음도 물론이다. 음극(210)은 몸체(100)와 접할 수 있고, 양극(220)은 채널(110)인 외부로 노출될 수 있다. 음극(210)은 몸체(100) 및 음극 전해질(230)에 의해 둘러싸여 있기 때문에 산소 노출을 최소화할 수 있다. 그리하여, 음극(210)의 안정성을 증대시킬 수 있다. 또한, 양극(220)은 외부에 노출되어 있기 때문에 공기 공급이 원활할 수 있다.
뿐만 아니라, 음극(210), 음극 전해질(230) 및 양극(220)은 채널(110)의 중심축을 기준으로 대칭되게 배치될 수 있다. 그리하여, 양극(220)은 고르게 산소에 노출되고, 전지셀(200) 전체 영역에서 고르게 충전 또는 방전이 이루어질 수 있다.
음극(210)은 금속을 포함하며, 금속 이온을 흡장 또는 방출하는 역할을 한다. 예를 들어 리튬(Li), 나트륨(Na), 아연(Zn), 칼륨(K), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 철(Fe), 알루미늄(Al) 또는 이들의 합금을 사용할 수 있다. 특히, 음극(210)이 리튬을 흡장 또는 방출하고자 할 때, 음극(210)은 리튬 금속, 리튬 금속 기반의 합금 또는 Li을 흡장, 방출할 수 있는 물질을 포함하지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 리튬 금속 기반의 합금은 예를 들어 알루미늄, 주석, 마그네슘, 인듐, 칼슘, 게르마늄, 안티몬, 비스무스, 납 등과 리튬의 합금 등일 수 있다. 상기한 음극(210)은 금속-공기 전지(10)의 용량을 결정할 수 있다. 음극(210)은 채널(110)내 몸체(100)에 코팅되어 형성될 수 있으나, 제조 방법은 제한되지 않는다.
음극 전해질(230)은 금속 이온을 양극(220)으로 전달한다. 이를 위해, 음극 전해질(230)은 금속염을 용매에 용해하여 형성된 전해질을 포함할 수 있다. 전해질은 통상적으로 고분자계 전해질, 무기계 전해질 또는 이들을 혼합한 복합 전해질을 포함하는 고체상일 수 있으며, 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 재료라도 사용될 수 있다. 상기한 음극 전해질(230)은 음극(210)상에 코팅되어 형성될 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않고 음극 전해질(230)을 별도로 형성한 후 부착될 수도 있다.
양극(220)은 금속 이온의 전도를 위한 전해질, 산소의 산화/환원을 위한 촉매, 도전성 재료 및 바인더를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상술한 전해질, 촉매, 도전성 재료 및 바인더를 혼합한 후 용매를 첨가하여 양극 슬러리를 제조하고, 음극 전해질(230) 위에 도포하여 건조함으로써 양극(220)을 형성할 수 있다.
여기서, 전해질은 앞서 설명한 리튬염 또는 금속염을 포함할 수 있다. 도전성 재료로는 예를 들어 다공성을 갖는 탄소계 재료, 도전성 금속 재료, 또는 도전성 유기 재료 등을 사용하거나 이들을 혼합하여 사용할 수 있다. 예컨대, 탄소계 재료로서는 카본 블랙, 그래파이트, 그래핀, 활성탄, 탄소섬유, 탄소나노튜브 등을 사용할 수 있다. 도전성 금속 재료는 예를 들어 금속 분말의 형으로 사용할 수 있다. 촉매로는, 예를 들어, 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag) 등을 사용할 수 있으며, 또는 망간(Mn), 니켈(Ni), 코발트(Co) 등의 산화물을 사용할 수도 있다. 또한, 바인더로는, 예를 들어, 폴리테트라플루오로 에틸렌(PTFE), 폴리프로필렌, 폴리불화비닐리덴(PVDF), 폴리에틸렌, 스티렌-부타디엔 고무 등을 사용할 수 있다. 상기한 양극(220)은 음극 전해질(230)상에 도포되어 형성될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 금속-공기 전지(10)에 적용될 수 있는 다른 실시예의 전지셀(200a)을 도시한 도면이다. 도 2의 전지셀(200a)은 음극(210), 양극(220) 및 음극 전해질(230) 이외에도 음극(210) 방향으로 산소 통과를 억제하는 보호막(240), 금속 이온의 이동을 용이하게 하는 중간층(interlayer)(250)을 더 포함할 수 있다. 또한, 전지셀(200)은 양극(220)상에 배치되며 양극(220)으로의 산소의 공급을 원활하게 보조하는 기체확산층(260)을 더 포함할 수도 있다. 도 2에 도시된 음극(210), 음극 전해질(230) 및 양극(220)은 도 1에 도시된 음극(210), 음극 전해질(230) 및 양극(220) 에 대응되기 때문에 구체적인 설명은 생략한다. 전지셀(200)은 보호막(240), 중간층(250) 및 기체확산층(260)을 모두 포함할 필요는 없으며, 그 중 적어도 하나를 포함할 수도 있고, 보호막(240), 중간층(250) 및 기체확산층(260)을 모두를 포함하지 않을 수도 있다.
보호막(240)은 음극(210)과 음극 전해질(230) 사이에 배치되며, 음극(210) 방향으로 산소 통과를 억제할 수 있다. 상기한 보호막(240)은 금속 이온 전도성 고체 전해질막일 수 있다. 예를 들어, 음극(210)이 리튬을 포함하는 경우, 상기한 금속 이온 전도성 고체 전해질막은 리튬 이온 전도성 고체 전해질일 수 있다. 상기 리튬 이온 전도성 고체 전해질막은 수계 전해질 내에 포함된 물이 음극(210)에 포함된 리튬과 직접적으로 반응하지 못하도록 보호하는 역할을 수행할 수 있다. 이와 같은 리튬 이온 전도성 고체 전해질막으로서는 리튬 이온 전도성 글래스, 리튬 이온 전도성 결정(세라믹 또는 글래스-세라믹) 또는 이들의 혼합물을 함유하는 무기 물질을 예시할 수 있다. 화학적 안정성을 고려할 때, 상기 리튬 이온 전도성 고체 전해질막은 산화물을 예로 들 수 있다.
상기 리튬 이온 전도성 결정으로서는 예를 들어, Li1+x+y(Al, Ga)x(Ti, Ge)2-xSiyP3-yO12 (단, O≤x≤1, O≤y≤1이며, 예를 들어 0≤x≤0.4, 0＜y≤0.6이고, 또는 0.1≤x≤0.3, 0.1＜y≤0.4임)를 들 수 있다. 상기 리튬 이온 전도성 글래스-세라믹을 예시하면, 리튬-알루미늄-게르마늄-인산염(LAGP), 리튬-알루미늄-티타늄-인산염(LATP), 리튬-알루미늄-티타늄-실리콘-인산염(LATSP) 등을 예로 들 수 있다. 상기와 같은 리튬 이온 전도성 고체 전해질막은 글래스-세라믹 성분 외에 고분자 고체 전해질 성분을 더 포함할 수 있다. 이와 같은 고분자고체 전해질은 리튬염이 도핑된 폴리 에틸렌옥사이드로서, 상기 리튬염으로서는 LiN(SO2CF2CF3)2, LiBF4, LiPF6, LiSbF6, LiAsF6, LiClO4, LiCF3SO3, LiN(SO2CF3)2, LiN(SO2C2F5)2, LiC(SO2CF3)3, LiN(SO3CF3)2, LiC4F9SO3, LiAlCl4 등을 예시할 수 있다.
중간층(250)은 음극(210)과 보호막(240) 사이에 배치되어 금속 이온의 이동을 용이하게 한다. 상기한 중간층(250)은 비수계 용매 및 리튬염을 포함하는 액체 전해질, 무기 고체 전해질막, 고분자 고체 전해질막, 겔형 고분자 전해질막 등에서 선택된 하나 이상을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 중간층(250)은 비수계 용매 및 리튬염을 포함하는 액체 전해질, Cu3N, Li3N, LiPON와 같은 무기 고체 전해질막, 고분자 전해질막 또는 그 조합물을 사용할 수 있다.
보호막(240)과 중간층(250)은 별도의 층으로 형성될 수 있고, 하나의 층인 분리막으로 형성될 수 있다. 분리막으로는 폴리프로필렌 소재의 부직포나 폴리페닐렌 설파이드 소재의 부직포 등의 고분자 부직포, 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌 등의 올레핀계 수지의 다공성 필름 등을 사용할 수 있다. 이러한 분리막과 음극 전해질(230)이 각각 별개의 층으로 형성될 수도 있지만, 음극 전해질(230)은 다공성 분리막의 기공들 내에 전해질을 함침시켜 하나의 층으로 형성될 수도 있다. 예를 들어, 폴리에틸렌옥사이드(Polyethylene oxide; PEO)와 LiTFSI을 혼합하여 형성된 전해질을 다공성 분리막의 기공들 내에 함침시켜 음극 전해질(230)을 형성할 수 있다.
기체확산층(260)은 양극(220)상에 배치되어 외부에 노출될 수 있다. 기체확산층(260)은 대기 중의 산소를 흡수하여 양극(220)에 제공하는 역할을 한다. 이를 위해 기체확산층(260)은 외부의 산소를 원활하게 확산시킬 수 있도록 다공성 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 탄소 섬유를 사용한 카본 페이퍼(carbon paper), 카본 직물(carbon cloth), 카본 펠트(carbon felt), 또는 스펀지상의 발포 금속이나 금속 섬유 매트를 사용하여 기체확산층(260)을 형성할 수 있다.
일 실시에에 따른 금속-공기 전지(10)는 하나의 몸체(100)에 복수 개의 전지셀(200)이 포함되기 때문에 금속-공기 전지(10)의 에너지 밀도(Wh/kg)가 크게 향상될 수 있다. 도 3 은 비교예에 따른 2차원 평면셀 형태의 금속-공기 전지(10)의 개략적인 구조를 보이는 단면도이고, 도 4는 허니컴 구조의 금속-공기 전지(10)의 에너지 밀도를 비교예와 비교한 그래프이다. 일 실시예에 따른 금속-공기 전지(10)의 반응 면적과 비교예에 따른 금속-공기 전지(10)의 반응 면적은 동일하다.
도 3을 참조하면, 비교예에 따른 2차원 평면셀 형태의 전지셀(300)은 예를 들어, 음극(310), 양극(320), 음극 전해질(330), 산소를 차단하면서 금속 이온에 대해 전도성을 갖는 분리막(370), 및 기체확산층(370)의 상부 표면만을 제외하고 금속-공기 전지(300)의 나머지 부분을 둘러싸는 외장재(380)를 포함할 수 있다. 실시예의 금속-공기 전지의 전지셀은 비교예의 전지셀 성분과 동일하다. 2차원 평면셀 형태의 금속-공기 전지(300)의 경우, 다수의 셀들을 수직으로 적층하면 아래 쪽에 있는 셀들로의 산소 공급이 원활하지 않을 수 있다. 반면, 본 실시예에 따른 금속-공기 전지(10)의 경우에는 각 전지셀(200)의 양극(220)이 채널(110)로 노출되어 있어 산소 공급이 원활할 수 있다는 것을 예상할 수 있다. 도 4의 그래프를 참조하면, 허니컴 구조를 갖는 금속-공기 전지(10)의 에너지 밀도가 비교예에 따른 전지셀(300)를 포함하는 금속-공기 전지의 에너지 밀도에 비해 향상된 것을 알 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 다른 실시예에 따른 금속-공기 전지의 일부를 도시한 도면이다. 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 금속-공기 전지(10)는 채널(110)내에 배치되며, 채널(110)에서 몸체(100) 방향으로 압력을 가할 수 있는 가압 부재(400)를 더 포함할 수 있다. 가압 부재(400)는 채널(110)마다 하나씩 배치될 수도 있고, 일부 채널(110)에 배치될 수도 있다. 금속-공기 전지(10)가 충전 또는 방전을 수행하는 동안, 전지셀(200)의 부피 변화로 인해 전지셀(200)과 몸체(100)간의 분리가 발생할 수 있다. 그리하여, 전지셀(200)을 몸체(100)에 고정시키는 수단이 필요할 수 있다. 가압 부재(400)는 채널(110)에서 몸체(100) 방향으로 전지셀(200)을 가압함으로써 전지셀(200)이 몸체(100)에 고정되게 할 수 있다.
가압 부재(400)는 인가된 전압에 따라 모양이 변할 수 있다. 예를 들어, 전압이 인가되지 않는 상태에서 가압 부재(400)는 전지셀(200)과 이격 배치되어 있다. 그리하여, 전지셀(200)의 양극(220)은 공기에 노출될 수 있다. 가압 부재(400)에 전압이 인가되면 가압 부재(400)는 채널(110)의 중심축에서 몸체(100) 방향으로 모양이 커져서 전지셀(200)을 몸체(100)에 고정시킬 수 있다. 전지셀(200)이 충전 또는 방전을 수행하지 않는 동안 가압 부재(400)는 전지셀(200)을 가압할 수 있다.
상기한 가압 부재(400)는 인가된 전압에 따라 모양이 변하는 탄성 부재(410) 및 탄성 부재(410)를 사이에 두고 이격 배치되며 상기 탄성 부재(410)에 상기 전압을 인가하는 전극쌍(420)을 포함할 수 있다. 탄성 부재(410)는 탄성력이 큰 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 탄성 부재(410)는 실리콘, 폴리실록사인(polysiloxanes), 폴리우레탄(polyurethanes), 폴리실리콘-폴리우레탄, 고무, 에틸렌-비닐 아세테이트 코폴리머(ethylene-vinyl acetate copolymer), 페놀릭 나이트릴 고무(phnolic nitrile rubber), 스티렌 부타디엔 고무(syrene butadiene rubber), 폴리에테르-블럭-아미드(polyrther-block-amides), 및 폴리올레핀(polyolefins) 뿐만 아니라 다양한 겔(gels)과 기타 유사한 물질 등을 포함할 수 있다.
전극쌍(420)은 탄성 부재(410)를 가운데 두고 탄성 부재(410)의 상단 및 하단에 하나씩 배치될 수 있다. 상기한 전극쌍(420)은 박막 형상일 수 있다. 탄성 부재(410)와 전극쌍(420)이 샌드위치 구조를 갖는 경우, 도 5a에 도시된 바와 같이, 전압의 인가에 따라 탄성 부재(410)는 몸체(100)의 측방향으로 팽창하여 전지셀(200)을 몸체(100)에 부착시킬 수 있다. 그리고, 전압이 인가되지 않은 상태에서는, 도 5b에 도시된 바와 같이, 탄성 부재(410)는 몸체(100)의 측방향으로 수축하여 전지셀(200)과 이격 배치될 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 일 실시예의 금속-공기 전지에 적용될 수 있는 가압 부재(500)의 다른 예를 도시한 도면이다. 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 가압 부재(500)는 유체의 압력에 의해 모양이 변하는 탄성 부재(510) 및 유체를 상기한 탄성 부재(510)에 제공하는 유체 제어부(520)를 포함할 수 있다. 상기한 탄성 부재(510)는 내부에 유체가 유입될 수 있는 공간이 있고, 일단은 유체 제어부(520)에 연결되며 타단은 폐쇄된 준공섬유 형상일 수 있다. 그리하여 유체 제어부(520)가 탄성 부재(510)내의 공간에 유체를 제공하면, 도 6a에 도시된 바와 같이, 탄성 부재(510)는 팽창하여 전지셀(200)을 가압할 수 있다. 그리고, 유체 제어부(520)가 탄성 부재(510)내에 있는 유체를 흡수하면, 도 6b에 도시된 바와 같이, 탄성 부재(510)는 축소되어 원래의 형태으로 복원된다.
도 7 및 도 8은 일 실시예의 금속-공기 전지(10)에 적용될 수 있는 가압 부재(600, 700)의 또 다른 예를 도시한 도면이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 가압 부재(600)는 스프링 형상일 수도 있다. 스프링 형상의 가압 부재(600)는 전지셀(200)을 가압함과 동시에 양극(220)을 외부에 노출시킬 수 있다. 또한, 상기한 스프링 형상의 가압 부재(600)는 전지셀(200)의 충전 또는 방전시 전지셀(200)의 부피 변화를 흡수하여 금속-공기 전지의 외형을 유지할 수도 있다. 또한, 상기한 가압 부재(400)는 전도성 물질을 포함하여 집전체 역할을 할 수도 있다.
또는, 도 8에 도시된 바와 같이, 가압 부재(700)는 탄성력이 있는 준공섬유 형상일 수 있으며, 가압 부재(700)의 측면은 망상 또는 메시 모양 등으로 개구(710)가 형성되어 양극을 외부에 노출시킬 수 있다. 그리하여 상기한 가압 부재(700)은 양극을 외부에 노출시키면서 전지셀을 가압할 수 있다. 또한, 도 8의 가압 부재(700)는 전도성 있는 물질을 포함하여 집전체 역할을 할 수 도 있다.
앞서 기술한 가압 부재(400 내지 700)는 실시예에 불과하며, 전지셀(200)을 가압할 수 있으면 다른 형상도 가능함은 물론이다. 또한, 가압 부재(400 내지 700)의 적어도 일부 영역은 전도성 물질을 포함할 수 있어 집전체 역할을 할 수도 있다.
지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 허니컴 구조를 갖는 금속-공기 전지 및 그 제조 방법에 대한 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.
10: 금속-공기 전지 100: 몸체
110: 채널 210: 음극
220: 양극 230: 음극 전해질
240: 보호막 250: 중간층
260: 기체확산층
400, 500, 600, 700: 가압 부재
410, 510: 탄성 부재 420: 전극쌍
520: 유체 제어부

Claims (20)

  1. 내부에 복수 개의 채널이 형성되어 있는 허니컴 형태의 몸체; 및
    금속을 포함한 음극, 상기 음극과 이격 배치되며 산소를 활물질로 사용하는 양극 및 상기 음극과 상기 양극 사이에 배치되는 음극 전해질을 포함하는 복수 개의 전지셀;을 포함하고,
    상기 채널과 몸체 사이에 상기 전지셀이 하나씩 배치되어 있는 금속-공기 전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 복수 개의 채널은 상기 몸체를 관통하며, 상기 몸체의 길이 방향으로 나란하게 배치되는 금속-공기 전지.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 양극은 채널에 노출되는 금속-공기 전지.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 음극은 상기 몸체에 접하는 금속-공기 전지.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 음극, 상기 양극 및 상기 음극 전해질 중 적어도 하나는
    상기 채널의 중심축을 기준으로 대칭되는 금속-공기 전지.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 음극은 리튬 금속, 리튬 금속 기반의 합금, 또는 리튬 삽입 화합물 (lithium intercalating compound)을 포함하는 금속-공기 전지.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 전지셀은,
    상기 음극과 상기 음극 전해질 사이에 배치되며, 상기 음극 방향으로 산소 통과를 억제하는 보호막;
    상기 음극과 상기 음극 전해질 사이에 배치되며, 금속 이온의 이동을 용이하게 하는 중간층(interlayer);을 중 적어도 하나를 더 포함하는 금속-공기 전지.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 전지셀은,
    상기 양극상에 배치되며 상기 양극으로의 산소의 공급을 원활하게 하는 기체확산층;을 더 포함하는 금속-공기 전지.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 몸체의 외표면은 카본 코팅된 금속-공기 전지.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 채널에서 상기 몸체 방향으로 압력을 가할 수 있는 가압 부재;를 더 포함하는 금속-공기 전지.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 가압 부재는 상기 채널 내에 배치되는 금속-공기 전지.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 가압 부재는,
    인가된 전압에 따라 모양이 변하는 금속-공기 전지.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 가압 부재는,
    상기 전압이 인가되면 상기 채널의 중심축에서 상기 몸체 방향으로 팽창하고,
    상기 전압이 상기 전압이 인가되지 않는 상태에서 상기 전지셀과 이격 배치되는 금속-공기 전지.
  14. 제 10항에 있어서,
    상기 가압 부재는,
    인가된 전압에 따라 모양이 변하는 탄성 부재; 및
    상기 탄성 부재를 사이에 두고 이격 배치되며 상기 탄성 부재에 상기 전압을 인가하는 전극쌍;을 포함하는 금속-공기 전지.
  15. 제 10항에 있어서,
    상기 가압 부재는
    내부로 유체의 유입에 따라 모양이 변하는 탄성 부재; 및
    상기 유체를 상기 탄성 부재의 내부로 제공하는 유체 제어부;를 포함하는 금속-공기 전지.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 탄성 부재는,
    준공섬유 형상인 금속-공기 전지.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 탄성 부재의 일단은 상기 유체 제어부와 연결되어 있고, 상기 탄성 부재의 타단은 폐쇄된 금속-공기 전지.
  18. 제 10항에 있어서,
    상기 가압 부재는 스프링 형상인 금속-공기 전지.
  19. 제 10항에 있어서,
    상기 가압 부재는,
    내부는 비어 있는 준공섬유 형상으로서 상기한 전지셀과 접하고, 측면은 개구가 형성된 금속-공기 전지.
  20. 제 10항에 있어서,
    상기 가압 부재의 적어도 일부 영역은 도전성 물질을 포함하는 금속-공기 전지.
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