JP6110500B2 - リチウム空気電池システム - Google Patents
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Description
本発明は、リチウム空気電池システムに関し、充放電が容易であって、性能及び信頼度が向上され、経済的な効果を有するリチウム空気電池システムに関する。
近年、化石燃料の消費に伴う二酸化炭素排出量の増加及び原油価格の急激な変動などにより、自動車のエネルギー源を、ガソリン及び軽油から電気エネルギーへ転換するための技術開発が注目されている。現在、電気自動車の実用化が進んでおり、長距離走行のために、蓄電池であるリチウムイオン電池の大容量化及び高エネルギー密度化が要求されている。しかし、現在のリチウムイオン電池は、電池容量に制約があるため、長距離走行が困難であるという欠点がある。したがって、理論的にリチウムイオン電池より大容量で、且つ高エネルギー密度を有するリチウム空気電池が注目されている。
リチウム空気電池は、空気中の酸素を活物質として用いる正極を有する電池であって、正極で酸素の酸化還元反応を起こすことで充放電できる電池である。
通常、リチウム空気電池は、リチウムイオンの吸着及び放出が可能な負極（ａｎｏｄｅ）と、空気中の酸素を正極活物質として用い、酸素の酸化還元触媒を含む正極（ｃａｔｈｏｄｅ）と、前記正極と負極との間に備えられるリチウムイオン伝導性媒体と、からなる。
リチウム空気電池は、理論的にエネルギー密度が３０００Ｗｈ／ｋｇ以上であって、これはリチウムイオン電池の約１０倍のエネルギー密度である。また、リチウム空気電池は、環境にやさしく、リチウムイオン電池より改善された安全性を提供することができる。
しかし、リチウム空気電池は、電解質部の電解質溶媒が蒸発するという問題点がある。電解質溶媒は、リチウム空気電池の内部で蒸発される。これにより、リチウム空気電池の内部の電解質のイオン伝導度が低下して、リチウム空気電池の性能が低下するだけでなく、急に作動が停止するなど、安定的ではないという問題点が生じる。したがって、リチウム空気電池の安定性を確保することができるリチウム空気電池システムが要求されている状況である。
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであって、本発明の目的は、リチウム空気電池の内部で蒸発された電解質溶媒を回収することができるリチウム空気電池の電解質溶媒回収装置を含むことで、リチウム空気電池の安定性が向上されたリチウム空気電池システムを提供することにある。
本発明のリチウム空気電池システムは、リチウム空気電池と、前記リチウム空気電池で蒸発された電解質溶媒蒸気と空気との混合気体が流入される気体流入管、内部に空間部が形成されており、前記気体流入管に連結されて内部空間部に前記電解質溶媒蒸気と空気との混合気体が流入される反応部、前記反応部の内部に備えられ、前記電解質溶媒蒸気と空気との混合気体から電解質溶媒を分離する電解質溶媒濾過部、前記反応部の空間部と連通し、前記反応部の下部に形成された回収部、前記回収部に回収された電解質溶媒を前記リチウム空気電池に移送する電解質溶媒移送管、及び逆止弁を含むリチウム空気電池の電解質溶媒回収装置と、を含む。
また、前記リチウム空気電池システムは、一端部が前記反応部に連結され、前記電解質溶媒濾過部を通過した気体が排出される気体排出管をさらに含む。
また、前記電解質溶媒濾過部は、ふるい状に備えられる第１濾過手段と、パッド状に備えられる第２濾過手段と、を含む。
また、前記電解質溶媒濾過部は、前記反応部の内部に備えられ、前記第１濾過手段及び第２濾過手段を固定する板状の固定壁をさらに含む。
また、前記電解質溶媒濾過部は、前記反応部の高さ方向に複数個の固定壁が平行に備えられており、前記固定壁は互いに離隔するように備えられる。
また、前記電解質溶媒濾過部は、前記固定壁の一部は前記反応部の上側に固定され、残りは前記反応部の下側に固定されており、前記反応部の上側に固定された固定壁と前記反応部の下側に固定された固定壁とが交互に配置される。
また、前記電解質溶媒濾過部は、前記固定壁の間に前記第１濾過手段及び第２濾過手段が固定されており、前記第１濾過手段と第２濾過手段とが交互に配置される。
また、前記電解質溶媒は、有機系電解質溶媒または水系電解質溶媒であることができる。
本発明のリチウム空気電池システムは、リチウム空気電池の内部で蒸発された電解質溶媒を回収してリチウム空気電池に注入することで、リチウム空気電池が安定的に且つ持続的に作動できるようにするとともに、簡単な装置だけで電解質溶媒の回収が可能であって、リチウム空気電池の電解質溶媒回収装置が簡素化され、経済的な効果を奏することができる。
以下、本発明の技術的思想を添付図面を用いてより具体的に説明する。しかし、添付図面は、本発明の技術的思想をより具体的に説明するために図示した一実施例に過ぎず、本発明の技術的思想が添付図面の形態に限定されるものではない。
図１は本発明の一実施例によるリチウム空気電池システム１０００を示したブロック図である。図示されたように、本発明の一実施例によるリチウム空気電池システム１０００は、大きく、リチウム空気電池１００と、リチウム空気電池の電解質溶媒回収装置２００と、を含む。
まず、リチウム空気電池１００は、図２のように、内部に空気が流入されると、多孔質空気極１６０で空気中の酸素を活物質として用いて酸素の酸化還元反応を起こすことで充放電される電池であって、ハウジング１１０と、リチウム金属１４０と、電解質部１５０と、多孔質空気極１６０と、空気収容部１１２と、空気流入管１２０と、空気排出管１３０と、を含む。
ハウジング１１０の内部には収容部１１１が形成されており、ハウジング１１０の収容部１１１に、リチウム金属１４０、電解質部１５０、及び多孔質空気極１６０が収容される。また、ハウジング１１０の内部には、多孔質空気極１６０の上側に空気収容部１１２が形成されており、空気収容部１１２には空気流入管１２０及び空気排出管１３０が連結される。
この際、リチウム金属１４０は収容部１１１の下側に備えられ、多孔質空気極１６０はリチウム金属１４０の上側に離隔して備えられており、リチウム金属１４０と多孔質空気極１６０との間に電解質部１５０が備えられて、リチウム金属１４０と多孔質空気極１６０との間でリチウムイオンを伝達する役割をする。電解質部１５０は、リチウム金属１４０の上側に密着され、有機電解質を含有するセパレータと、セパレータの上側に密着される固体電解質と、固体電解質と多孔質空気極１６０との間に満たされる水溶性電解質と、を含むことができる。
また、多孔質空気極１６０は、気体拡散層（Ｇａｓ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ；ＧＤＬ）及び触媒層からなることができる。多孔質空気極１６０は、ハウジング１１０の空気収容部１１２の開放された下側を蜜閉するように結合されるが、この際、上側に気体拡散層が位置し、下側に触媒層が位置するように結合されることができる。これにより、空気収容部１１２に収容される空気が気体拡散層を介して拡散され、触媒層でリチウムイオンと空気中の酸素との酸化還元反応が起こるように多孔質空気極１６０が構成されることができる。
すなわち、リチウム空気電池１００は、空気流入管１２０に流入された空気がリチウム金属１４０と酸化還元反応することで充放電され、リチウム金属１４０が負極（アノード、ａｎｏｄｅ）となり、多孔質空気極１６０が正極（カソード、ｃａｔｈｏｄｅ）となって、リチウム金属１４０と多孔質空気極１６０との間に電解質部１５０が備えられてリチウム空気電池１００が構成される。
ここで、リチウム空気電池１００は、充放電過程で電解質溶媒が蒸発し、蒸発された電解質溶媒は空気収容部１１２から空気排出管１３０に沿って外部に排出される。このように電解質溶媒が持続的に蒸発される場合、リチウム空気電池の性能が低下して、作動が中止される原因となり得る。この際、蒸発される電解質溶媒は、有機系電解質溶媒または水系電解質溶媒であることができる。
図３は充電及び放電が行われた後の本発明の一実施例によるリチウム空気電池１００の多孔質空気極１６０を示したものである。図示されたように、リチウム空気電池１００は、充電及び放電が行われた後、多孔質空気極１６０から電解質溶媒が浸出される。すなわち、多孔質空気極１６０の上側に浸出された電解質溶媒が、空気収容部１１２で蒸発されて空気排出管１３０を介して外部に排出される。したがって、本発明の一実施例によるリチウム空気電池システム１０００は、蒸発された電解質溶媒を回収してリチウム空気電池１００にさらに注入することができるリチウム空気電池の電解質溶媒回収装置２００を含む。
図４は本発明の一実施例によるリチウム空気電池システム１０００におけるリチウム空気電池の電解質溶媒回収装置２００を示した概略図である。
本発明の一実施例によるリチウム空気電池の電解質溶媒回収装置２００は、反応部２１０と、回収部２２０と、電解質溶媒濾過部２３０と、気体流入管２４０と、電解質溶媒移送管２６０と、を含む。
反応部２１０は、内部に空間部２１１を備えており、空間部２１１は密閉空間を形成する。反応部２１０は、リチウム空気電池１００の内部の電解質部１５０で蒸発された電解質溶媒蒸気と空気とが混合された気体が流入され、電解質溶媒と空気とが分離される空間であって、流入された気体の反応が行われるように十分な空間を有し、空間部２１１は密閉されていることが好ましい。この際、反応部２１０の内部に流入される空気と電解質溶媒蒸気とが混合された気体を混合気体と称する。
回収部２２０は、反応部２１０で空気から分離されて回収された電解質溶媒が貯蔵される空間であって、反応部２１０の下部に備えられる。この際、反応部２１０の空間部２１１と連通するように備えられる。本発明の一実施例によるリチウム空気電池の電解質溶媒回収装置２００は、回収部２２０が反応部２１０の下部に備えられるため、特別な装置がなくても、回収された電解質溶媒が重力により回収部２２０に貯蔵されることができる。これにより、回収された電解質溶媒がリチウム空気電池１００に容易に伝達される効果がある。この際、リチウム空気電池１００の位置は、リチウム空気電池の電解質溶媒回収装置２００より低い位置に備えられることが好ましい。
また、本発明の一実施例によるリチウム空気電池の電解質溶媒回収装置２００は、回収部２２０が下側に傾斜するように形成されて、回収された電解質溶媒が回収部２２０の下部に密集されるようにする。これにより、回収された電解質溶媒の量が少ない場合にも、リチウム空気電池１００に容易に伝達される効果がある。
電解質溶媒濾過部２３０は、反応部２１０の内部に備えられており、リチウム空気電池１００から流入された混合気体を分離する。すなわち、混合気体から電解質溶媒蒸気を分離して電解質溶媒液体となるようにする。そして、電解質溶媒濾過部２３０で分離された電解質溶媒は、空間部２１１と連通して反応部２１０の下部に形成された回収部２２０に集まる。
気体流入管２４０は、一端部がリチウム空気電池１００の空気排出管１３０に連結され、他端部が反応部２１０の一側に連結される。この際、気体流入管２４０は反応部２１０の上部の一側に連結され、重力により回収される電解質溶媒の流れをさらに円滑にすることができる。
電解質溶媒移送管２６０は、一端部が回収部２２０に連結され、他端部がリチウム空気電池１００に連結される。電解質溶媒移送管２６０は、反応部２１０で分離された電解質溶媒をさらにリチウム空気電池１００に注入するためのものである。電解質溶媒移送管２６０上には逆止弁２６１が備えられて、リチウム空気電池１００に注入された電解質溶媒が逆流することを防止することができる。この際、回収部２２０は、リチウム空気電池１００の収容部１１１及び電解質溶媒移送管２６０に連結されて、リチウム空気電池１００の収容部１１１で蒸発されて不足になった電解質溶媒を補うことができる。
これにより、本発明の一実施例によるリチウム空気電池システム１０００は、リチウム空気電池１００の内部で蒸発された電解質溶媒を含む混合気体を、電解質溶媒濾過部で空気と電解質溶媒とに分離し、分離された電解質溶媒がさらにリチウム空気電池の内部に注入されるようにすることで、リチウム空気電池１００の安定性を向上させることができる。
また、本発明の一実施例によるリチウム空気電池システム１０００は、一端部が前記反応部２１０に連結され、電解質溶媒濾過部２３０を通過した気体が排出される気体排出管２５０をさらに含む。
この際、気体排出管２５０は、反応部２１０の上部の他側に連結され、且つ気体流入管２４０の反対側に形成される。これにより、混合気体が反応部２１０の内部に流入されて空気と電解質溶媒とに分離されると、分離された電解質溶媒は回収部２２０に集まり、空気は気体排出管２５０を介して排出されることができる。
また、電解質溶媒濾過部２３０は、ふるい状に備えられる第１濾過手段２３１と、パッド状に備えられる第２濾過手段２３２と、を含む。
ここで、第１濾過手段２３１がふるい状に形成され、格子の空間を混合気体が通過しながら、電解質溶媒蒸気の凝縮された粒子が濾過される。この際、複数個の第１濾過手段２３１が、反応部２１０の内部にふるい状に備えられ、それぞれの第１濾過手段２３１をなす格子の間隔が互いに異なるように形成されることができる。また、電解質溶媒濾過部２３０は、リチウム空気電池１００から混合気体が流入される入口側に備えられた第１濾過手段２３１ａと、その下側に備えられた第１濾過手段２３１ｂと、気体が排出される出口側に備えられた第１濾過手段２３１ｄと、その上側に備えられた第１濾過手段２３１ｃと、を含んで、総４個の第１濾過手段２３１ａ、２３１ｂ、２３１ｃ、２３１ｄが備えられることができる。この際、入口側に備えられた第１濾過手段２３１ａの格子が最も大きく形成され、出口側に備えられた第１濾過手段２３１ｄの格子が最も小さく形成されて、入口側から出口側に行くに従って、第１濾過手段２３１ａ、２３１ｂ、２３１ｃ、２３１ｄをなす格子が密に形成されることが好ましい。すなわち、混合気体の流れが進行するに従って、第１濾過手段２３１ａ、２３１ｂ、２３１ｃ、２３１ｄをなす格子の間隔が細くなる。すなわち、混合気体が通過する第１濾過手段２３１ａ、２３１ｂ、２３１ｃ、２３１ｄの格子の間隔が、混合気体が流入される入口側から出口側に行くに従って細くなるため、入口側の第１濾過手段２３１ａでは最も大きい電解質溶媒蒸気の凝縮粒子が濾過され、出口側の第１濾過手段２３１ｄでは最も小さい電解質溶媒蒸気の凝縮粒子が濾過される。これにより、混合気体が入口側から出口側に移動しながら、サイズが最も大きい電解質溶媒蒸気の凝縮粒子から、最も小さい電解質溶媒蒸気の凝縮粒子まで、段階的に電解質溶媒が濾過されて分離されるため、より効果的に電解質溶媒を回収することができる。
また、第２濾過手段２３２はパッド状に形成され、反応部２１０の内部に複数個が備えられる。第２濾過手段２３２は、気体の流れに介入して電解質溶媒蒸気を凝縮するために、大きい比表面積を有する多孔性アルミニウムやステンレスで構成されることが好ましく、腐食の影響を最小化するためにセラミックス材料で構成されることができる。
上記のように、電解質溶媒濾過部がふるい状に形成される第１濾過手段及びパッド状に形成される第２濾過手段を含むことで、混合気体から電解質溶媒蒸気を効果的に回収することができる。
また、本発明の一実施例による電解質溶媒濾過部２３０は、反応部２１０の内部に備えられた複数個の固定壁２３３をさらに含むことができる。すなわち、第１濾過手段２３１及び第２濾過手段２３２が反応部２１０の内部に備えられるためには、固定手段が必要である。したがって、電解質溶媒濾過部２３０は、板状に形成された固定壁２３３により強固に固定されることができる。
また、電解質溶媒濾過部２３０は、反応部２１０の高さ方向に複数個の固定壁２３３が平行に備えられており、前記固定壁２３３は互いに離隔するように備えられることができる。すなわち、反応部２１０の空間部２１１の内部に、反応部２１０の高さ方向に複数個の固定壁２３３が平行に固定されており、固定壁２３３の間に第１濾過手段２３１及び第２濾過手段２３２が固定されることができる。
また、本発明の一実施例による電解質溶媒濾過部２３０は、固定壁２３３の一部が反応部２１０の下側に固定され、残りが反応部２１０の上側に固定されており、反応部２１０の下側に固定された固定壁２３３と反応部２１０の上側に固定された固定壁２３３とが交互に配置されることができる。すなわち、板状の固定壁２３３が反応部２１０の内部を区画するように形成され、混合気体が第１濾過手段２３１及び第２濾過手段２３２を段階的に通過して電解質溶媒が回収されるようにすることができる。
また、電解質溶媒濾過部２３０は、第１濾過手段２３１と第２濾過手段２３２とが固定壁２３３の間に備えられ、交互に固定されることができる。すなわち、電解質溶媒濾過部２３０は、リチウム空気電池１００から流入された気体が第１濾過手段２３１及び第２濾過手段２３２を交互に通過するように形成されることができる。
したがって、本発明の一実施例によるリチウム空気電池の電解質溶媒回収装置２００は、リチウム空気電池１００から流入された混合気体中に存在する電解質溶媒蒸気を凝縮して、さらに効果的に回収することができる。
図５は本発明の一実施例によるリチウム空気電池システム１０００の空気及び電解質溶媒の流れを図示した概略図であり、混合気体、空気、及び電解質溶媒の流れをそれぞれ異なる矢印で図示した。
図示されたように、本発明の一実施例によるリチウム空気電池システム１０００は、リチウム空気電池１００の収容部１１１に備えられた電解質部１５０で蒸発された電解質溶媒蒸気が、多孔質空気極１６０の上側に形成された空気収容部１１２に蒸発され、空気と電解質溶媒蒸気とが混合された混合気体が、空気排出管１３０に沿って排出されて、リチウム空気電池の電解質溶媒回収装置２００の気体流入管２４０を介して反応部２１０に流入される。そして、反応部２１０に流入された混合気体は電解質溶媒濾過部２３０を通過する。電解質溶媒濾過部２３０を通過した後には混合気体が電解質溶媒と空気とに分離されて、電解質溶媒は反応部２１０の下部に位置した回収部２２０に移送され、空気は気体排出管２５０を介して外部に排出される。
したがって、本発明の一実施例によるリチウム空気電池システム１０００は、リチウム空気電池１００の内部で蒸発された電解質溶媒を含む混合気体を、電解質溶媒濾過部２３０で空気と電解質溶媒とに段階的に分離することで、より効果的に電解質溶媒を分離することができ、電解質溶媒移送管２６０を介してリチウム空気電池１００の内部に電解質溶媒がさらに注入されるため、リチウム空気電池１００の安定性を向上させることができる。
本発明は上記の実施例に限定されず、適用範囲が多様であることは勿論であり、特許請求の範囲で請求する本発明の要旨を外れることなく、本発明が属する分野で通常の知識を有する者であれば誰でも多様な変形実施が可能である。
１０００ リチウム空気電池システム
１００ リチウム空気電池
１１０ ハウジング
１１１ 収容部
１１２ 空気収容部
１２０ 空気流入管
１３０ 空気排出管
１４０ リチウム金属
１５０ 電解質部
１６０ 多孔質空気極
２００ リチウム空気電池の電解質溶媒回収装置
２１０ 反応部
２１１ 空間部
２２０ 回収部
２３０ 電解質溶媒濾過部
２３１ 第１濾過手段
２３２ 第２濾過手段
２３３ 固定壁
２４０ 気体流入管
２５０ 気体排出管
２６０ 電解質溶媒移送管
２６１ 逆止弁
１００ リチウム空気電池
１１０ ハウジング
１１１ 収容部
１１２ 空気収容部
１２０ 空気流入管
１３０ 空気排出管
１４０ リチウム金属
１５０ 電解質部
１６０ 多孔質空気極
２００ リチウム空気電池の電解質溶媒回収装置
２１０ 反応部
２１１ 空間部
２２０ 回収部
２３０ 電解質溶媒濾過部
２３１ 第１濾過手段
２３２ 第２濾過手段
２３３ 固定壁
２４０ 気体流入管
２５０ 気体排出管
２６０ 電解質溶媒移送管
２６１ 逆止弁
Claims (5)
- リチウム空気電池、
前記リチウム空気電池で蒸発された電解質溶媒蒸気と空気との混合気体が流入される気体流入管、
内部に空間部が形成されており、前記気体流入管に連結されて内部空間部に前記電解質溶媒蒸気と空気との混合気体が流入される反応部、
前記反応部の内部に備えられ、前記混合気体から電解質溶媒を分離する電解質溶媒濾過部、
前記反応部の空間部と連通し、前記反応部の下部に形成された回収部、及び
前記回収部に回収された電解質溶媒を前記リチウム空気電池に移送する電解質溶媒移送管を含むリチウム空気電池の電解質溶媒回収装置、を含み、
前記電解質溶媒濾過部は、
ふるい状に備えられる第１濾過手段と、パッド状に備えられる第２濾過手段と、前記反応部の内部に備えられ、前記第１濾過手段及び第２濾過手段を固定する板状の固定壁と、を含み、
前記反応部の高さ方向に複数個の固定壁が平行に備えられており、前記固定壁は互いに離隔するように備えられる、リチウム空気電池システム。 - 一端部が前記反応部に連結され、前記電解質溶媒濾過部を通過した気体が排出される気体排出管をさらに含む、請求項１に記載のリチウム空気電池システム。
- 前記電解質溶媒濾過部は、前記固定壁の一部は前記反応部の上側に固定され、残りは前記反応部の下側に固定されており、前記反応部の上側に固定された固定壁と前記反応部の下側に固定された固定壁とが交互に配置される、請求項１に記載のリチウム空気電池システム。
- 前記電解質溶媒濾過部は、前記固定壁の間に前記第１濾過手段及び第２濾過手段が固定されており、前記第１濾過手段と第２濾過手段とが交互に配置される、請求項１に記載のリチウム空気電池システム。
- 前記電解質溶媒は、有機系電解質溶媒または水系電解質溶媒である、請求項１に記載のリチウム空気電池システム。
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