JP6063396B2

JP6063396B2 - 空気金属二次電池ユニット及びこれを含む空気金属二次電池モジュール

Info

Publication number: JP6063396B2
Application number: JP2013551890A
Authority: JP
Inventors: ビュンホンリョウ; ジェキュンコン
Original assignee: イー．エム．ダブリュ．エナジーカンパニーリミテッド
Priority date: 2011-01-28
Filing date: 2012-01-12
Publication date: 2017-01-18
Anticipated expiration: 2032-01-12
Also published as: EP2669992B1; EP2669992A4; US9786970B2; WO2012102500A3; US20130309584A1; KR101231676B1; CN103339791B; CN103339791A; EP2669992A2; KR20120087420A; JP2014507766A; WO2012102500A2

Description

本発明は、空気金属二次電池ユニット及びこれを含む空気金属二次電池モジュールに関する。さらに詳細には、放電及び充電が可能な空気金属二次電池ユニット及び空気金属二次電池ユニットを１つ以上含む空気金属二次電池モジュールに関する。

電気化学電力源は、電気エネルギーが電気化学反応によって生成され得る装置である。この装置は、空気亜鉛電池及び空気アルミニウム電池などのような空気金属電池を含む。空気金属電池は、放電中に金属酸化物に変換される金属よりなる負極を採用し、正極としては、水分子を含む透過性の膜であって、空気中の酸素と接触し、水酸化イオンを発生する空気正極膜を採用する。

このような空気金属電池は、従来の水素燃料電池に比べて多くの利点がある。特に、亜鉛のような燃料が金属やその酸化物として十分に存在し得るため、空気金属電池から提供されたエネルギー供給が可視的に枯渇しないという利点がある。また、従来の水素燃料電池は、再充填が要求されるのに対し、空気金属電池は、電気的に再充電して使用することができ、通常の燃料電池（＜０．８Ｖ）より高い出力電圧（１〜４．５Ｖ）を伝達することができる。

このように放電及び充電が可能な空気金属電池を空気金属二次電池と言い、空気金属二次電池は、放電時に正極としての機能をする空気正極膜が空気または他の供給源に供給された酸素と下記の化学式のように反応する。

前記化学式によって発生した水酸化イオンは、空気金属二次電池の負極ゲルである亜鉛ゲルに移動し、亜鉛ゲルの表面上に水酸化亜鉛が形成される。その後、水酸化亜鉛は、亜鉛酸化物に分解され、水を放出し、アルカリ水溶液になる。このような反応は、次の化学式で示すことができる。

上記のような反応によって、空気金属二次電池は、放電を行い、外部に電気エネルギーを供給するようになる。その後、空気金属二次電池が放電限界に到逹し、外部への電気エネルギー供給が中断されれば、電気的充電を行うことによって、再使用が可能になる。

しかし、上記のように、空気金属二次電池の放電及び充電過程が繰り返されれば、負極ゲル内の水分が減少し、負極ゲル、すなわち電解質と亜鉛金属の混合物が硬化し、空気金属二次電池の再使用が不可能になるという問題点がある。

また、空気金属二次電池の充電時には、酸化亜鉛（ＺｎＯ）に負の電荷を有する電子（２ｅ⁻）が供給されれば、亜鉛イオン（Ｚｎ^２＋）が亜鉛に還元されるとともに、酸素イオン（Ｏ^２−）が亜鉛イオンから分離する。亜鉛イオンから分離した酸素イオンは、空気金属二次電池の負極集電体を通過しながら酸素（Ｏ^２）に還元される。

このように空気金属二次電池の充電時に内部で発生する酸素に起因して、負極ゲル、空気正極膜、負極集電体などを収容する空気金属二次電池のケースが膨張するようになり、ケースが破損されることがあるという問題点もある。

一方、最近になって、親環境エネルギーが注目されていて、１つ以上の空気金属二次電池を連結し、電池モジュールを大容量の電気エネルギーを必要とする自動車バッテリーなどに使用するモジュール化に対する研究開発が続いて行われているが、前述したような問題点を解決しなければ、商用化が不可能であるという不都合がある。

前述した問題点を解決するために、本発明の目的は、負極ゲルに水分を補充するための水溶液を取水する取水部と、充電時に発生するガスを排出するためのガス排出口とを形成した空気金属二次電池ユニット、及び水溶液を１つ以上の空気金属二次電池に供給し、充電時に１つ以上の空気金属二次電池で発生したガスを外部に排出する空気金属二次電池モジュールを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、水溶液を取水する取水部及び充電時に発生するガスを排出するためのガス排出口をそれぞれ形成した１つ以上の金属空気二次電池ユニットと、前記水溶液を貯蔵する水溶液貯蔵部と、１つ以上の前記取水部と前記水溶液貯蔵部を連結する水溶液供給部と、１つ以上の前記ガス排出口と連結され、前記ガス排出口から排出された前記ガスを外部に排出するガス排出部と、を含むことを特徴とする空気金属二次電池モジュールを提供する。

前記１つ以上の金属空気二次電池ユニットそれぞれは、前記取水部及び前記ガス排出口を形成した電池ケースと、前記電池ケース内に収容され、且つ放電時に排出された水分を補充するために前記取水部から前記水溶液を供給される負極ゲルと、前記電池ケース内に収容される空気正極膜と、前記電池ケース内に収容され、且つ前記負極ゲルと前記空気正極膜との間に介在されるガスケットと、前記電池ケースの内壁と前記負極ゲルとの間に介在される負極集電体と、を含むことができる。

前記ガス排出部は、ガス排出管路と、前記ガス排出管路から分岐し、前記１つ以上のガス排出口と連結される１つ以上の分岐管路と、前記ガス排出管路の一端及び他端のうち少なくとも１つに連結される減圧装置と、を含むことができる。

前記減圧装置は、ファン（Ｆａｎ）及び真空ポンプのうちいずれか１つであることができる。

前記１つ以上の空気金属二次電池ユニットは、一定間隔で離隔して配列される。

前記空気金属二次電池モジュールは、前記１つ以上の空気金属二次電池ユニット、前記水溶液貯蔵部、前記水溶液供給部及び前記ガス排出部を収容し、且つ前記ガス排出部の一端及び他端のうち少なくとも１つを外部に露出するようにし、一部分に開閉可能な開閉部を形成したモジュールケースをさらに含むことができる。

前記負極ゲルは、亜鉛ゲルであることができる。

また、本発明の他の態様によれば、水溶液を取水する取水部及び充電時に発生するガスを排出するためのガス排出口を形成した電池ケースと、前記電池ケース内に収容され、且つ放電時に排出された水分を補充するために前記取水部から前記水溶液を供給される負極ゲルと、前記電池ケース内に収容される空気正極膜と、前記電池ケース内に収容され、且つ前記負極ゲルと前記空気正極膜との間に介在されるガスケットと、を含むことを特徴とする金属空気二次電池ユニットを提供する。

前記電池ケースは、前記取水部及び前記ガス排出口を形成し、前記負極ゲル、前記空気正極膜及び前記ガスケットを収容し、且つ前記空気正極膜と接する面の一部分に開口が１つ以上形成された下部ケースと、前記下部ケースを密閉する上部ケースと、を含むことができる。

前記金属空気二次電池ユニットは、前記電池ケース内に収容され、且つ前記上部ケースと前記負極ゲルとの間に介在される負極集電体をさらに含むことができる。

前記上部ケース及び前記空気正極膜は、端子または電線を連結するためのホールを形成することができる。

本発明によれば、１つ以上の金属空気二次電池ユニットの放電及び充電による負極ゲル硬化及びガス発生による電池ケースの膨張を予防することができるので、金属空気二次電池をモジュール化し、自動車バッテリーなど大容量の電気エネルギーを必要とする分野に商用化することができるという効果がある。

図１は、本発明の実施例による空気金属二次電池モジュールを示す構成図である。図２は、本発明の実施例による空気金属二次電池モジュールを示す構成図である。図３は、本発明の実施例による空気金属二次電池モジュールを示す構成図である。図４は、本発明の実施例による空気金属二次電池モジュールを示す構成図である。図５は、本発明の実施例による空気金属二次電池ユニットの分解斜視図である。図６は、本発明の実施例による空気金属二次電池ユニットの下部ケースを示す図である。

後述する本発明に対する詳細な説明は、本発明が実施され得る特定実施例を例示として図示する添付の図面を参照する。これらの実施例は、当業者が本発明を実施することができる程度に十分に詳細に説明される。本発明の多様な実施例は、互いに異なるが、相互排他的な必要はないことが理解されなければならない。例えば、これに記載されている特定形状、構造及び特性は、一実施例に関連して本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、他の実施例で具現されることができる。また、それぞれの開示された実施例内の個別構成要素の位置または配置は、本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、変更されることができることが理解されなければならない。したがって、後述する詳細な説明は、限定的な意味として解すべきものではなく、本発明の範囲は、適切に説明されたら、その請求項が主張するものと均等なすべての範囲とともに添付の請求項だけによって限定される。図面において類似の参照符号は、様々な側面にわたって同一または類似の機能を指称する。

以下、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を容易に実施することができるようにするために、本発明の好ましい実施例に関して添付の図面を参照して詳しく説明する。

図１〜図４は、本発明の実施例による空気金属二次電池モジュールを示す構成図である。
本発明の実施例による空気金属二次電池モジュール１００は、１つ以上の空気金属二次電池ユニット１１０、水溶液貯蔵部１２０、水溶液供給部１３０、ガス排出部１４０を含む。

１つ以上の空気金属二次電池ユニット１１０は、水溶液を取水する取水部及び充電時に発生するガスを排出するためのガス排出口を形成している。これに関する詳しい説明は、図５に対する説明で行う。

本発明において１つ以上の空気金属二次電池ユニット１１０は、一定間隔で離隔して配列されることができる。

水溶液貯蔵部１２０は、１つ以上の空気金属二次電池に供給する水溶液を貯蔵する。ここで、水溶液は、水であることが好ましいが、必ずこれに限定されるものではない。

水溶液供給部１３０は、１つ以上の空気金属二次電池ユニット１１０にそれぞれ形成された取水部と水溶液貯蔵部１２０を連結する。ここで、水溶液供給部１３０は、図２のように、水溶液貯蔵部１２０に水溶液供給管路１３２が連結され、水溶液供給管路１３２から１つ以上の管路が分岐し、１つ以上の取水部とそれぞれ連結される。

ガス排出部１４０は、１つ以上のガス排出口と連結され、ガス排出口から排出されたガスを外部に排出する。ここで、ガスは、酸素のみを含むか、または酸素以外の不純物を含むことができる。

一方、ガス排出部１４０は、ガス排出管路１４２から１つ以上の管路が分岐し、１つ以上のガス排出口とそれぞれ連結され、ガス排出管路１４２の一端及び他端のうち少なくとも１つに減圧装置が連結されることができる。ここで、減圧装置を連結する理由は、１つ以上の空気金属二次電池ユニット１１０の内部及び分岐した１つ以上の管路の内部気圧を減圧するためだからである。

本発明において１つ以上の空気金属二次電池ユニット１１０の内部及び分岐した１つ以上の管路の内部気圧を減圧する理由は、ベルヌーイ原理によって１つ以上のガス排出口からガスを迅速に排出することができるようにするためである。

本発明において減圧装置は、ガス排出管路１４２の一端及び他端のうち少なくとも１つに設置するファン（Ｆａｎ）及びガス排出管路１４２の一端及び他端のうち少なくとも１つと連結される真空ポンプ（図示せず）のうちいずれか１つであることができる。

本発明において空気金属二次電池モジュール１００は、図３及び図４に示されたように、１つ以上の空気金属二次電池ユニット１１０、水溶液貯蔵部１２０、水溶液供給部１３０及びガス排出部１４０を収容し、且つガス排出部１４０の一端及び他端のうち少なくとも１つを外部に露出するようにし、図４に示されたように、一部分に開閉可能な開閉部１５２を形成したモジュールケース１５０をさらに含むことができる。

図５は、本発明の実施例による空気金属二次電池ユニットの分解斜視図である。
本発明の実施例による空気金属二次電池ユニット５００は、下部ケース５１０及び上部ケース５２０を含む電池ケース、負極ゲル（図示せず）、空気正極膜５３０、ガスケット５４０及び負極集電体（図示せず）を含む。

電池ケースは、水溶液を取水する取水部５１２及び充電時に発生するガスを排出するためのガス排出口５１４を形成する。

言い替えれば、下部ケース５１０に一方の空間に取水部５１２が形成され、下部ケース５１０の一端には、ガス排出口５１４が形成され、上部ケース５２０が下部ケース５１０を密閉するものである。ここで、上部ケース５２０には、端子または電線を負極集電体（図示せず）に連結するためのホールを１つ以上形成することができる。

また、電池ケース、すなわち下部ケース５１０及び上部ケース５２０の周縁の下方及び上方に一定の長さを有する棒を挟むことができる固定ホールを形成することによって、図１に示されたように、１つ以上の空気金属二次電池ユニット１１０を一定間隔で離隔して配列することができる。

本発明において下部ケース５１０は、他方の空間に負極ゲル（図示せず）、空気正極膜５３０及びガスケット５４０を収容し、且つ空気正極膜５３０と接する面の一部分に開口５１６が１つ以上形成されることができる。ここで、下部ケース５１０に開口５１６を１つ以上形成する理由は、空気が空気正極膜５３０に流通し得るようにするためである。

負極ゲル（図示せず）は、ゲル状態の金属粉末と電解質を混合したものであって、負極として機能する。ここで、負極ゲル（図示せず）は、亜鉛ゲルを含む負極活物質のうちいずれか１つであることができる。

本発明において負極ゲル（図示せず）は、電池ケース内に収容され、且つ放電時に排出された水分を補充するために取水部５１２から水溶液を供給される。

空気正極膜５３０は、疎水性多孔膜、炭素集電体膜及び親水性分離膜を含むことができ、電池ケース内に収容される。ここで、空気正極膜５３０には、端子または電線を連結するためのホールを１つ以上形成することができる。

ガスケット５４０は、電池ケース内に収容され、且つ負極ゲル（図示せず）と空気正極膜５３０との間に介在され、空気正極膜５３０を下部ケース５１０に密着固定し、負極ゲル（図示せず）の漏液を防止する。

負極集電体（図示せず）は、電池ケース内に収容され、且つ上部ケース５２０と負極ゲル（図示せず）との間に介在され、負極ゲル（図示せず）から電子を伝達されて外部に伝達する。ここで、負極集電体（図示せず）は、導電性網、導電性膜及びリベットなどの導電性構造体のうちいずれか１つであることができる。

上記のように、本発明の実施例による空気金属二次電池モジュール１００及び空気金属二次電池ユニット５００は、放電によって負極ゲルで水分が減少すれば、水溶液を供給するので、負極ゲルの硬化速度を顕著に減少させ、電池ケースに形成されたガス排出口５１４及び空気金属二次電池モジュール１００のガス排出部１４０を通じて充電時に電池ケースの内部で発生するガスに起因して電池ケースが膨張及び破損されることを防止することができる。

以上、本発明が具体的な構成要素などのような特定事項と限定された実施例及び図面によって説明されたが、これは、本発明のさらに全般的な理解を助けるために提供されるものに過ぎず、本発明が前記実施例に限定されるものではなく、本発明の属する分野における通常的な知識を有する者ならこのような記載から多様な修正及び変形を図ることができる。

したがって、本発明の思想は、前記説明された実施例に限って定められるべきものではなく、後述する特許請求範囲だけでなく、この特許請求範囲と均等にまたは等価的に変形されたすべてのものは、本発明の思想の範疇に属すると言える。

Claims

水溶液を取水する取水部及び充電時に発生するガスを排出するためのガス排出口をそれぞれ形成した１つ以上の金属空気二次電池ユニットと、
前記水溶液を貯蔵する水溶液貯蔵部と、
１つ以上の前記取水部と前記水溶液貯蔵部を連結する水溶液供給部と、
１つ以上の前記ガス排出口と連結され、前記ガス排出口から排出された前記ガスを外部に排出するガス排出部と、
を含み、
前記１つ以上の金属空気二次電池ユニットそれぞれは、
前記取水部及び前記ガス排出口を形成した電池ケースと、
前記電池ケース内に収容され、且つ放電時に排出された水分を補充するために前記取水部から前記水溶液を供給される負極ゲルと、
を含み、
放電によって負極ゲルで水分が減少すれば、前記取水部から前記水溶液を供給し、前記負極ゲルの水分を補充して前記負極ゲルの硬化を防止することを特徴とする空気金属二次電池モジュール。
前記１つ以上の金属空気二次電池ユニットそれぞれは、
前記電池ケース内に収容される空気正極膜と、
前記電池ケース内に収容され、且つ前記負極ゲルと前記空気正極膜との間に介在されるガスケットと、
前記電池ケースの内壁と前記負極ゲルとの間に介在される負極集電体と、
をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の空気金属二次電池モジュール。
前記ガス排出部は、
ガス排出管路と、
前記ガス排出管路から分岐し、前記１つ以上のガス排出口と連結される１つ以上の分岐管路と、
前記ガス排出管路の一端及び他端のうち少なくとも１つに連結される減圧装置と、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の空気金属二次電池モジュール。
前記減圧装置は、ファン及び真空ポンプのうちいずれか１つであることを特徴とする請求項３に記載の空気金属二次電池モジュール。
前記金属空気二次電池ユニットは２つ以上であり、
前記２つ以上の金属空気二次電池ユニットは、一定間隔で離隔して配列されることを特徴とする請求項１に記載の空気金属二次電池モジュール。
前記１つ以上の金属空気二次電池ユニット、前記水溶液貯蔵部、前記水溶液供給部及び前記ガス排出部を収容し、且つ前記ガス排出部の一端及び他端のうち少なくとも１つを外部に露出するようにし、一部分に開閉可能な開閉部を形成したモジュールケース、をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の空気金属二次電池モジュール。
前記負極ゲルは、亜鉛ゲルであることを特徴とする請求項１に記載の空気金属二次電池モジュール。
水溶液を取水する取水部及び充電時に発生するガスを排出するためのガス排出口を形成した電池ケースと、
前記電池ケース内に収容され、且つ放電時に排出された水分を補充するために前記取水部から前記水溶液を供給される負極ゲルと、
前記電池ケース内に収容される空気正極膜と、
前記電池ケース内に収容され、且つ前記負極ゲルと前記空気正極膜との間に介在されるガスケットと、
を含み、放電によって負極ゲルで水分が減少すれば、前記取水部から前記水溶液を供給し、前記負極ゲルの水分を補充して前記負極ゲルの硬化を防止することを特徴とする金属空気二次電池ユニット。
前記電池ケースは、
前記取水部及び前記ガス排出口を形成し、前記負極ゲル、前記空気正極膜及び前記ガスケットを収容し、且つ前記空気正極膜と接する面の一部分が開放された下部ケースと、
前記下部ケースを密閉する上部ケースと、
を含むことを特徴とする請求項８に記載の金属空気二次電池ユニット。
前記電池ケース内に収容され、且つ前記上部ケースと前記負極ゲルとの間に介在される負極集電体、をさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の金属空気二次電池ユニット。
前記上部ケース及び前記空気正極膜は、端子または電線を連結するためのホールを形成することを特徴とする請求項９に記載の金属空気二次電池ユニット。