KR100839443B1 - 플렉시블 아연공기전지 및 그의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 경량의 얇은 고분자 필름을 전지 케이스로 사용함으로써 전지중량을 경감시켜 에너지밀도를 향상시키며, 다양한 휴대기기의 형태에 적용될 수 있도록 전지의 크기와 모양을 손쉽게 변화시킬 수 있도록 한 플렉시블 아연공기전지 및 그의 제조방법에 관한 것이다. 이를 위해 본 발명은 알루미늄 박막에 고분자를 입힌 필름(6)을 지그로 압착하여 전해질 겔이 담길 수 있도록 하부 케이스를 성형하는 단계와; 바닥에 집전을 위한 구리 박막을 깔고 아연 분말(5), 겔화 고분자, KOH 수용액으로 혼합된 전해질 겔을 담는 단계; 상기 전해질 겔 위에 격리막인 폴리프로필렌 고분자 필름(4)을 덮은 후 양극(1)과 부직포(3)를 차례로 적층하는 단계; 상기 하부 케이스로 사용된 고분자 필름(6)과 동일한 재료의 상부필름에 공기가 통할 수 있도록 구멍(9)을 뚫고 그 위를 실링 테이프(7)로 접착하여 공기가 통하지 않도록 하여 상부 케이스를 제조하는 단계; 및 상기 상부 케이스 및 상기 하부 케이스의 면이 맛 닿도록 하여 150℃의 온도에서 열 압착하여 이들을 접착하는 단계를 포함한다.
아연공기전지, 알루미늄 박막, 고분자필름, 지그, 하부케이스, 상부케이스, 전해질 겔, 양극, 부직포, 적층
Description
도 1은 본 발명에 따른 플렉시블 아연공기전지 구조를 도시한 사시도;
도 2는 전지케이스를 제외한 전지 구조를 도시한 사시도;
도 3은 본 발명에 따른 플렉시블 아연공기전지의 양극제조공정도;
도 4는 본 발명에 따른 플렉시블 Zn/Air전지와 종래의 Zn/Air 전지의 성능비교 그래프이다.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※
1 : 이산화망간 양극 2 : PTFE 필름
3 : 부직포 4 : 격리막
5 : 아연분말 6 : 고분자 필름 (파우치)
7 : 공기차단용 스티커 8 : 니켈 망
9 : 공기 유입 홀
본 발명은 경량의 얇은 고분자 필름을 전지 케이스로 사용함으로써 전지중량 을 경감시켜 에너지밀도를 향상시키며, 다양한 휴대기기의 형태에 적용될 수 있도록 전지의 크기와 모양을 손쉽게 변화시킬 수 있도록 한 플렉시블 아연공기전지 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 금속/공기전지는 보청기 등과 같이 장시간 동안의 사용을 필요로 하는 휴대 장치에 많이 이용되어 왔다. 그러나 최근에 들어서는 휴대전화기, PDA, 노트북 PC 등과 같은 최신 휴대전자기기 및 이와 더불어 군수용으로 사용되는 통신기기, 대용량 충전장치에 적용을 하려는 노력이 경주되고 있는 등 점차 그 활용용도가 증대되어 가고 있다. 금속/공기전지가 갖는 고에너지 특성 때문에 향후 사용 빈도가 증가할 것으로 전망된다.
아연/공기전지는 기존의 연축전지, 니켈카드뮴전지, 니켈수소전지, 리튬2차전지 등에 비해 고에너지밀도의 특성이 있으며, 리튬전지에서의 리튬으로 인한 불안정성과 비교하였을 때 안전성 면에서도 뛰어난 특성을 지니고 있다. 한편, 지구상에 가장 많이 존재하는 금속중 하나인 아연을 사용하기 때문에 환경적으로 공해물질을 전혀 배출하지 않는 무공해전지일 뿐 아니라 전지의 제조 단가가 매우 낮은 장점이 있다.
휴대전자기기의 발달과 함께 전지 시장과 그 적용 영역이 급속한 확장 추세에 있으며, 현재 리튬이온전지를 중심으로 한 2차전지가 휴대전화, 노트북, 캠코더 등의 휴대전자기기의 주 전원으로 각광 받으며 사용되고 있다. 그러나, 충전 환경이 주어지지 않는 곳에서의 사용이나, 외부에서 장시간 사용될 필요가 있는 제약된 환경에서도 휴대전자기기의 사용이 가능하기 위해서는 아연/공기전지와 같이 고에 너지밀도를 제공하는 전지를 개발하여 경제적인 가격으로 공급되어질 필요성이 있다.
이와 같이 아연/공기전지는 2차전지의 충전 시간을 절약하여 주고, 보다 경제적으로 휴대 전원을 공급하는 등 기존 2차전지가 가지지 못하는 장점을 제공하여 기존의 2차전지가 필요한 용도 이외의 목적으로 신규 수요를 창출할 수 있는 전지이기 때문에 향후 이 전지의 시장이 꾸준히 성장할 것으로 전망된다.
종래의 아연/공기전지는 스테인레스 금속에 구리 또는 니켈을 코팅한 금속 재질의 케이스를 사용하였다. 이에 따라 전지의 무게에서 케이스의 무게가 차지하는 비중이 매우 크며 따라서 전지의 에너지밀도를 감소시키는 결과를 초래하였다. 또한 케이스를 제조하는 공정이 복잡하고 및 제조 비용이 큰 단점이 있으며, 제조된 전지가 적용되는 기기의 종류가 변경될 경우 이에 대한 빠른 적용(전지 외관의 변화)이 어려운 단점이 있었다.
전지를 구성하는 전극 및 전해질 등의 조성을 변화시키지 않고 금속/공기전지의 에너지밀도를 증가시키기 위한 방법 중의 하나는 전지의 중량을 줄이는 것이다. 보다 경량화 된 전지 케이스를 사용함으로서 전지의 경량화를 이룰 수 있고, 이로 인해 전지의 에너지밀도를 증대시킬 수 있다.
또한, 전지가 채용되는 휴대 기기의 형태에 쉽게 대처하기 위해서, 즉 전지의 크기를 큰 공정의 변화 없이 쉽게 변화시킬 수 있게 하기 위해서는 전지 케이스를 하드 케이스로부터 소프트 케이스로 바꾸어 주어야 한다.
본 발명은 상기와 같은 아연/공기전지의 장점을 더욱 극대화 하고자 하는 것으로서, 그 목적은 아연/공기전지의 외부 케이스를 기존의 금속 켄 대신에 고분자 필름을 사용한 신규 재료로 대체함으로서 기존에 가지고 있던 아연/공기전지의 중량당 에너지밀도를 훨씬 능가하도록 하고자 하는 것이다.
본 발명은 아연/공기전지의 중량당 에너지밀도를 극대화하기 위하여 아연/공기전지 조립용 케이스를 발명하였다. 발명된 아연/공기전지의 전지특성을 평가하기위하여 시험용 전지를 구성하였다. 제조한 시험 전지를 전기화학적 특성 시험 장비를 이용하여 에너지밀도 특성을 규명하였다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 플렉시블 아연공기전지의 제조방법은, 알루미늄 박막에 고분자를 입힌 필름을 지그로 압착하여 전해질 겔이 담길 수 있도록 하부 케이스를 성형하는 단계와; 바닥에 집전을 위한 구리 박막을 깔고 아연 분말, 겔화 고분자, KOH 수용액으로 혼합된 전해질 겔을 담는 단계; 상기 전해질 겔 위에 격리막인 폴리프로필렌 고분자 필름을 덮은 후 양극과 부직포를 차례로 적층하는 단계; 상기 하부 케이스로 사용된 고분자 필름과 동일한 재료의 상부필름에 공기가 통할 수 있도록 다수의 구멍들을 뚫고 그 위를 실링 테이프로 접착하여 공기가 통하지 않도록 하여 상부 케이스를 제조하는 단계; 및 상기 상부 케이스 및 상기 하부 케이스의 면이 맛 닿도록 하여 150℃의 온도와 압력을 가하여 이들을 접착하는 단계를 포함함을 기술적 구성상의 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 양극의 구성 물질은 촉매로서 MnO2를, 도전재로서 Super P 카본블랙을, 촉매의 반응 자리를 제공하고 공기의 유로를 형성해 주는 활성탄, 결합제로서 PTFE 현탁액을 사용하는 것이 바람직한 바, 촉매:도전재:활성탄:결합제의 비율은 0.6～13%:52～64%:5%:30%가 바람직하다.
이렇게 혼합된 양극 물질은 반죽 과정을 거쳐 니켈 망과 붙인 후 300~500μm 두께로 제조되었다.
또한 양극은 PTFE현탁액, 활성탄, 촉매인 MnO2, 도전재의 순서로 증류수에 혼합하여 2시간 동안 2000 rpm으로 교반하여 얻어질 수 있다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명에서는 기존의 아연/공기전지가 금속의 케이스(스테인레스, 구리, 주석, 니켈 등)를 사용하는 것과는 달리 알루미늄 박막에 고분자 필름을 입힌 케이스를 사용한 전지의 구성을 나타낸다.
도 1에 도시한 바와 같이 알루미늄 박막에 고분자를 입힌 필름(6)을 지그로 압착하여 전해질 겔이 담길 수 있도록 바닥케이스로서 성형을 한다. 바닥에 집전을 위한 구리 박막을 깔고 여기에 아연 분말(5), 겔화 고분자, KOH 수용액으로 혼합된 전해질 겔을 담는다. 그 위에 격리막인 폴리프로필렌 고분자 필름(4)을 덮고 이산화망간 양극(1)과 부직포(3)를 차례로 올려놓는다.
그리고 하부 케이스로 사용된 고분자 필름(6)과 동일한 재료의 상부필름에 공기가 통할 수 있도록 구멍(9)을 뚫고 그 위를 실링 테이프(7)로 접착하여 공기가 통하지 않도록 하여 상부 케이스를 만든다.
그런 다음 상기 상부 케이스 및 상기 하부 케이스의 면이 맛 닿도록 하여 150℃의 온도에서 열 압착하여 전지를 완성한다.
한편, 양극(1)의 구성 물질은 촉매로서 MnO2을, 도전재로서 수퍼 피(Super P) 카본블랙을, 촉매의 반응 자리를 제공하고 공기의 유로를 형성해 주는 활성탄, 결합제로서 PTFE 현탁액 등이 사용되었으며, 조성 비율은 촉매/도전재/활성탄/결합제 = 0.6～13%/52～64%/5%/30% 정도이다. 혼합된 양극 물질은 반죽 과정을 거쳐 니켈메쉬(Ni mesh)와 붙인 후 500μm 두께로 제조하였다.
산소의 환원 촉매로서는 MnO2 (<44 ㎛, 92.15 %, ERACHEM)를 사용하였으며, 촉매가 고정될 수 있는 곳의 제공과 산소가 공급될 수 있도록 미세 유로를 제공해 주는 역할을 하는 활성탄으로서 Darco G-60 (중심입도 18㎛, BET 853 m2/g, American Norit)을 사용하였다. 여기에 전극의 전자전도 통로(path)를 원활히 해주기 위한 도전재로서 Super P black(MMM carbon)을 첨가하였으며, 바인더로서는 PTFE 현탁액 (0.05～0.5㎛, 60%, PTFE 30-J, Dupont)을 사용하였다.
양극의 제조는 다음 도 3에서와 같이 PTFE현탁액, 활성탄, 촉매인 MnO2, 도전재의 순서로 증류수에 혼합하여 고속교반기(Carframo BDC 6015, Canada)로 2시간 동안 2000 rpm으로 교반하였다.
혼합된 슬러리는 110 ℃ 오븐에서 건조시킨 후 이소프로필알코올 첨가하여 반죽하였다. 이후 롤프레스(Roll press)를 이용하여 반죽 공정을 거친 후 400 ㎛ 두께의 시트를 제조, 니켈 망에 압착하여 400～450 ㎛의 전극을 제조하였다. 제조된 음극에 첨가된 이소프로필알코올을 제거하기 위해 100 ℃ 오븐에서 24시간 건조 하였다.
음극은 아연분말, 8.5M KOH 수용액 및 ‘Carbopol'이란 상품명을 갖는 Poly (acrylic acid)인 ‘gelling agent'를 혼합하여 제조하였다. Zinc gel의 제조는 표 1의 혼합 비율로 도 1과 같이 8.5M의 KOH 수용액에 gelling agent를 혼합하여 800 rpm으로 3시간 동안 교반하였다. 교반이 끝난 후 여기에 아연분말을 혼합하여 zinc gel을 제조하였다.
도 4는 본 발명에서 제안한 방법으로 제작한 플렉시블 아연/공기전지와 기존의 아연/공기전지의 성능을 비교한 그림이다. 기존의 방식인 금속캔을 사용하여 만든 전지의 에너지밀도가 170Wh/kg 인데 반하여, 플렉시블 타입으로 제작한 전지의 에너지밀도는 230Wh/kg으로서 35%의 성능 상승효과가 있었다. 또한 전지의 형태를 마음대로 할 수 있는 장점과 부드럽게 휠 수 있다는 장점까지 얻을 수 있었다.
이상 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 플렉시블 아연/공기전지 제조방법에 의하면 다음과 같은 효과가 창출된다. 즉, 본 발명은 금속재의 케이스로 전지를 조립하였을 때보다 상대적으로 가벼운 고분자 필름으로 이루어진 케이스를 사 용함으로서 전지의 중량을 경감시켜 에너지밀도를 매우 향상시키는 효과가 있고, 또한 전지의 형태를 마음대로 할 수 있는 장점과 부드럽게 휠 수 있다는 장점까지 얻을 수 있는 매우 유용한 발명이다.
Claims (6)
- 알루미늄 박막에 고분자를 입힌 필름(6)을 지그로 압착하여 전해질 겔이 담길 수 있도록 하부 케이스를 성형하는 단계와;바닥에 집전을 위한 구리 박막을 깔고 아연 분말(5), 겔화 고분자, KOH 수용액으로 혼합된 전해질 겔을 담는 단계;상기 전해질 겔 위에 격리막인 폴리프로필렌 고분자 필름(4)을 덮은 후 양극(1)과 부직포(3)를 차례로 적층하는 단계;상기 하부 케이스로 사용된 고분자 필름(6)과 동일한 재료의 상부필름에 공기가 통할 수 있도록 구멍(9)을 뚫고 그 위를 실링 테이프(7)로 접착하여 공기가 통하지 않도록 하여 상부 케이스를 제조하는 단계; 및상기 상부 케이스 및 상기 하부 케이스의 면이 맛 닿도록 하여 150℃의 온도에서 열 압착하여 이들을 접착하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 플렉시블 아연공기전지의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 양극의 구성 물질은 촉매로서 MnO2를, 도전재로서 Super P 카본블랙을, 촉매의 반응 자리를 제공하고 공기의 유로를 형성해 주는 활성탄, 결합제로서 PTFE 현탁액을 사용함을 특징으로 하는 플렉시블 아연공기전지의 제조방법.
- 제2항에 있어서, 상기 촉매:도전재:활성탄:결합제의 비율은 0.6～13%:52～64%:5%:30%임을 특징으로 하는 플렉시블 아연공기전지의 제조방법.
- 제2항에 있어서, 혼합된 양극 물질은 반죽 과정을 거쳐 니켈 망 (Ni mesh)과 붙인 후 300~500μm 두께로 제조됨을 특징으로 하는 플렉시블 아연공기전지의 제조방법.
- 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 양극은 PTFE현탁액, 활성탄, 촉매인 MnO2, 도전재의 순서로 증류수에 혼합하여 2시간 동안 2000 rpm으로 교반하여 얻어짐을 특징으로 하는 플렉시블 아연공기전지의 제조방법.
- 제1항에 기재된 바와 같은 방법으로 제조됨을 특징으로 하는 플렉시블 아연공기전지.
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