KR100897367B1 - Metal/Air Battery with electrolyte isolated from the cell compartment - Google Patents
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Abstract
본 발명은 보존기간이 길고 제작 공정 및 조립이 편한 구성 재료로서 구성된 금속 공기 전지에 관한 것이다. The present invention relates to a metal-air battery constructed as a constituent material with a long shelf life and easy fabrication process and assembly.
유연하여 부피를 조절할 수 있는 전지 어셈블리(205)와 전해액 통(205)과 이들을 담고 있는 단단한 상자로써 구성된 일회용 금속 공기 전지이다. It is a disposable metal air battery composed of a flexible and volume-adjustable battery assembly 205 and an electrolyte container 205 and a rigid box containing them.
본 발명의 목적은 기존 금속 공기 전지의 단점인 보존기간을 길게 하고 신속하고 저렴한 생산 수단들을 제공하는데 있으며, 본 발명은 접착이나 용접이 용이한 공기 양극의 제법을 제시하였으며, 전지의 부피 팽창에 의한 파괴, 장기 보관시 내부 방전에 의한 손실을 제거하는 방법을 제시하였다.It is an object of the present invention to provide a means of prolonging the shelf life and providing rapid and inexpensive production means, which are disadvantages of existing metal air batteries, and the present invention has proposed a method of manufacturing an air anode, which is easily adhered or welded, A method of eliminating breakage and loss due to internal discharge during long term storage has been proposed.
공기 양극, 금속 공기 전지, 아연, 자가 방전 Air Anode, Metal Air Cell, Zinc, Self Discharge
Description
도 1은 공기 양극들의 구조들이다.1 is a structure of air anodes.
도 2는 공기 양극의 결함의 양상들이다.2 are aspects of a defect in the air anode.
도 3은 공기 양극의 단면을 설명하는 개념도이다.3 is a conceptual diagram illustrating a cross section of the air anode.
도 4는 공기 양극의 성형 공정도이다.4 is a molding process diagram of an air anode.
도 5는 금속 공기 전지 제조 공정도이다.5 is a process chart of manufacturing a metal air cell.
도 6은 공기 양극의 고무 접착부위의 현미경 사진이다.6 is a micrograph of a rubber adhesive portion of an air anode.
도 7은 전극 어셈블리(204)성형품의 구조이다.7 is a structure of a molded article of the
도 8은 전지의 내부 구조도이다.8 is an internal structural diagram of a battery.
도 9는 전지 어셈블리(205)의 성형을 보여주는 도면이다.9 illustrates molding of the
도 10은 전지의 부품도이다.10 is a component diagram of a battery.
도 11은 전지의 활성화를 위한 기계적 메카니즘을 설명하는 도면이다.11 is a diagram illustrating a mechanical mechanism for activation of a cell.
도 12는 전지의 사용전과 후의 어셈블리의 모습들과 외부 케이스이다.12 are views of the assembly and outer case of the battery before and after use.
<도면의 주요부분에 대한 설명 ><Description of main parts of drawing>
1: 공기 (혹은 산소) 양극 2 : 다공성 테플론 막1: air (or oxygen) anode 2: porous Teflon membrane
3: 니켈 폼 4 : 셀룰로오스 부직포3: nickel foam 4: cellulose nonwoven fabric
5: 탄소혼합물 소결층 6 : 관통형 크랙5: sintered layer of carbon mixture 6: through crack
7: 금속 염 8: 전해액7: metal salt 8: electrolyte
9: 고무 10 :탄소혼합물 성형층9: rubber 10: carbon mixture molding layer
101: 조립화된 탄소 혼합물 통 102 : 조립화된 탄소 혼합물101: granulated carbon mixture barrel 102: granulated carbon mixture
103: 진동 체 104 : 이동 필름103: vibrating sieve 104: moving film
105: 진동 베드 106 : 회전 브러시105: vibration bed 106: rotary brush
107: 1차 롤러 108 : 2차 롤러107: primary roller 108: secondary roller
109: 3차 롤러 110 : 4차 롤러109: third roller 110: fourth roller
111: 5차 롤러 112 : 성형된 탄소 쉬트111: fifth roller 112: molded carbon sheet
113: 바닥용기 114 : 배수구113: bottom container 114: drain
201: 금속 음극 202: 스펀지 201: metal cathode 202: sponge
203: 전극 단자 204: 전극 어셈블리203: electrode terminal 204: electrode assembly
205: 전지 어셈블리 206: 전해액 통205: battery assembly 206: electrolyte container
207: 전해액 통과 전지 어셈블리와의 연결 통로 207: connection passage with electrolyte passing battery assembly
208: 통로를 차단하는 얇은 막208: thin film blocking the passage
209: 통로를 개방할 수 있는 단추 210: 얇은 외부 막209: button to open the passage 210: thin outer membrane
211: 전해액 공급 통로 212: 송곳211: electrolyte supply passage 212: awl
213: 전해액 주입 전의 전지 어셈블리213: battery assembly before electrolyte injection
214: 전해액 주입 후의 전지 어셈블리214: battery assembly after electrolyte injection
215: 전지 외부 상자 216: 공기구멍215: battery outer box 216: air hole
금속 공기 전지 혹은 금속 연료 전지는 아연, 알루미늄, 마그네슘과 같은 금속을 소모성 음극으로 사용하고 산소를 흡입하여 양극의 역할을 하는 산소 전극으로 구성되어 있는 공기 혹은 과산화수소나, 기타 산화제를 사용하여 전기를 발생하는 장치들이다. 이 전지들은 안전하면서도 높은 에너지밀도를 갖는 전지로서 알려져 있으며 군용이나 아웃도어용 전지로서 각광을 받고 있다. 하지만 주요한 단점들은 이 전지들의 필수적인 구성요소인 산소 전극 혹은 공기 양극(이하 '공기 양극'이라 한다)의 까다로운 어셈블링 특성과 완성된 전지의 짧은 보존기간이다. 공기 양극은 소수성 접착제와 활성탄소 분말의 소결체인데, 일반 고분자나 플라스틱, 금속에 접착이 용이하지 않고, 납땜이나 용접이 되지 않는다는 단점으로 인해 기계적인 결합이나 금속 프레임을 사용하여 물리는 방법을 사용하여 왔다. 이는 전지의 특성을 떨어뜨리고 생산가를 높이는 단점이 있으며 용량이 큰 전지의 경우 더 심하여 상업화에 곤란을 겪게 한다.Metal air cells or metal fuel cells use electricity such as zinc, aluminum and magnesium as consumable cathodes and inhale oxygen to generate electricity using air or hydrogen peroxide or other oxidants composed of oxygen electrodes that act as anodes. Devices. These batteries are known as safe, high energy density batteries and are in the spotlight as military or outdoor batteries. The major drawbacks, however, are the difficult assembly characteristics of the oxygen electrodes or air anodes (hereinafter referred to as 'air anodes'), which are essential components of these cells, and the short shelf life of the finished cells. The air anode is a sintered body of hydrophobic adhesive and activated carbon powder, and it has been used for mechanical bonding or metal frame biting due to its disadvantage that it is not easily adhered to general polymers, plastics and metals and is not soldered or welded. . This has the disadvantage of degrading the characteristics of the battery and increasing the production cost, and in the case of a large capacity battery is more difficult to commercialize.
또한 공기 양극 금속 공기 전지는 보존기간이 1~2년 정도 되는 짧은 기간으로 인하여 사용자나 판매자가 모두 취급하기에 불리한 단점을 가지고 있다. 그래서 전해액이나 물을 별도로 주입하여 주는 전지가 소개되어 있지만 이 역시 사용하기에는 많은 불편함이 있다. 특히 강알칼리로 구성된 전해액을 주입하는 것은 더 위험하고 물을 주입할 때에도 전지 안에서 형성되는 전해액의 누설이 일어날 수 있다. 또한 금속 공기 전지는 방전이 일어나면 내부의 금속 음극이 산화되어 부피가 팽창하게 되어 있으므로 공간을 많이 확보해야 하며 전해액을 별도로 보관한다면 그 부피는 추가로 더 증가한다는 단점이 있다.In addition, the air cathode metal air battery has a disadvantage in that both the user and the seller are disadvantageous due to a short period of about one to two years. So, the battery is introduced to inject the electrolyte or water separately, but this also has a lot of inconvenience to use. In particular, injecting an electrolyte consisting of strong alkalis is more dangerous and leakage of the electrolyte formed in the battery may occur even when water is injected. In addition, the metal air battery has a disadvantage in that the volume of the metal cathode is oxidized and the volume expands when the discharge occurs, and thus the volume increases further if the electrolyte is stored separately.
본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 본 발명의 목적은 사용자의 편리성과 안전성을 제공하는 데에 있다. 구체적으로는 이러한 특성을 갖도록 하기 위하여 기술적으로 다음 문제들을 해결하고 있다.The present invention has been invented to solve the problems of the prior art, the object of the present invention is to provide a user convenience and safety. Specifically, the following problems are technically solved to have these characteristics.
1. 전지의 공기양극을 접착 및 용접이 용이한 특성을 갖는 재질로 만든다. 또한 작업이 편리하고 경제적인 방법을 개발한다.1. The air cathode of the battery is made of a material that is easy to bond and weld. It also develops a convenient and economical way of working.
2. 자가 방전을 줄이기 위해 전해액은 별도로 격리 보관되도록 하여 사용하고자 할 때 주입되도록 하되, 사용자가 자신의 최소한의 조작으로 손쉽게 주입되도록 한다. 2. In order to reduce self-discharge, electrolyte should be stored separately and injected when you want to use it.
3. 전지의 부피를 줄이기 위해 내부의 구조는 부드러운 재질을 사용한 접혀지는 구조를 갖게 한다.3. To reduce the volume of the battery, the internal structure has a folded structure using a soft material.
4. 전지의 보호를 위해 단단한 케이스에 넣는다. 전지의 팽창에 따른 파괴가 일어나지 않을 부피를 갖도록 한다.4. Place the battery in a hard case to protect it. Make sure that it has a volume that will not cause destruction as the battery expands.
5. 전지의 어셈블링이 쉽고 간편하게 하여 생산성을 높인다. 그러기 위해서 전지를 한꺼번에 성형할 수 있는 구조와 재질을 선택한다.5. Assemble the battery easily and simply to increase productivity. To do this, choose a structure and material that can mold the battery at once.
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로써, 본 발명은 새로운 공기 양극 재료와 전지의 구조 및 각 부품들의 재질을 제시한다.As a technical idea for achieving the object of the present invention, the present invention proposes a new air cathode material and the structure of the battery and the material of each component.
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본 발명에 따른 전해액을 격리 보관한 금속 공기 전지는,
금속 폼과 치밀한 탄소혼합물 소결층이 열 접착되어, 상기 금속 폼 표면에 용접 및 고분자 접착이 용이하도록 가공된 공기 양극과, 상기 공기 양극과 쌍을 이루어 평행하게 구비되는 금속 음극과, 상기 공기 양극 및 상기 금속 음극을 서로 마주보는 형태로 고정시켜 하나의 셀을 형성하도록 하며, 상기 공기 양극 및 상기 금속 음극 사이의 영역에 전해액을 담을 수 있는 형태로 구비되되, 유연하고 신축성이 있는 소재로 구비되는 전지 어셈블리와, 상기 전지 어셈블리의 측면에 격리된 형태로 구비되며, 유연하고 신축성이 있는 소재로 구비되는 전해액 통과, 상기 전해액 통에서 상기 전지 어셈블리로 연결되며, 스위칭 조작에 의해 개방되는 형태로 구비되는 통로 및 상기 공기 양극, 상기 전지 어셈블리, 상기 전해액 통 및 상기 통로를 모두 담을 수 있는 단단한 전지 외부 상자를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 전지 어셈블리는 실리코운 고무, EPDM, 우레탄 고무, 폴리우레탄, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, PVDF(polyvinylidenefluoride) 및 PTFE (poly tetrafluoroethylene)중 선택된 어느 하나와 같이 유연하고 신축성이 있는 소재로 구비되는 것을 특징으로 하고, 상기 전지 어셈블리에 의해 형성되는 각 셀들 사이에는 탄력이 있는 고무 스펀지가 삽입되는 것을 특징으로 하고, 상기 전해액 통은 실리코운 고무, EPDM, 우레탄 고무, 폴리우레탄, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, PVDF(polyvinylidenefluoride) 및 PTFE (poly tetrafluoroethylene)중 선택된 어느 하나와 같이 유연하고 신축성이 있는 소재로 구비되는 것을 특징으로 하고, 상기 통로의 상기 전해액 통 측 내부에 차단막이 포함되도록 하여, 최초 사용하기 전에는 상기 전지 어셈블리가 건조된 상태에서 내부방전 없이 장기간 보관될 수 있도록 한 것을 특징으로 하고, 상기 통로는 상기 차단막을 파열시킬 수 있도록 구비되는 외부의 송곳을 포함하고, 상기 송곳을 누를 수 있도록 구비되는 통로 개방 단추를 더 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 통로는 상기 전지 어셈블리의 각 셀에 전해액을 공급할 수 있도록 구비되는 보조 통로를 더 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 전지 외부 상자는 상기 전지 어셈블리 및 상기 전해액 통이 완전히 밀착시킬 수 있는 형태로 구비되는 것을 특징으로 하고, 상기 전지 외부 상자는 상부에 통로 개방 단추를 누를 수 있도록 구비되는 외부 막을 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 전지 외부 상자는 그 측면에 공기를 흡입할 수 있는 작은 구멍들을 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 전지 어셈블리를 구성하고 있는 상기 공기 양극은 인접한 셀의 상기 금속 음극과 용접된 형태로 연결되는 것을 특징으로 하고, 상기 전지 어셈블리는 상기 공기 양극 및 상기 금속 음극을 교대로 평면 상에 배열한 상태에서 전지 기능을 위해 노출시켜야 할 부분을 제외한 영역에 상기 유연하고 신축성이 있는 소재를 필름 형태로 코팅하여 일체형으로 성형되는 것을 특징으로 하고, 상기 전지 어셈블리는 상기 공기 양극 및 상기 금속 음극이 한 쌍을 이루도록 하는 경계를 지그재그 형으로 접을 수 있도록하는 오목한 형상을 더 포함하여 성형되는 것을 특징으로 하고, 상기 전지 어셈블리는 상기 오목한 부분들을 접어서 사출기에 넣고, 상기 유연하고 신축성이 있는 소재들로 측면 및 상부를 밀봉하여 여러 개의 셀이 모인 용기가 되도록 성형되는 것을 특징으로 하고, 상기 용기의 상부에 뚜껑이 구비되고, 상기 뚜껑은 상기 통로와 연결되도록 구비된 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명에 따른 용접 및 고분자의 접착이 용이한 공기 양극의 제조방법은, 활성탄 분말과 이산화 망간 분말과 테플론 분말과 물을 혼합하는 혼합공정과, 상기 혼합공정을 통하여 형성된 분말을 이동 필름 상에 뿌린 후, 상기 이동 필름을 한 쌍의 1차 롤러들 사이를 통과시켜 제 1 탄소 쉬트를 성형하는 공정과, 상기 탄소 쉬트 상에 니켈 폼을 뿌린 후, 이를 한 쌍의 2차 롤러들 사이를 통과시키고, 그 다음 한 쌍의 3차 롤러들 사이를 통과시켜 제 2 탄소 쉬트를 성형하는 공정과, 상기 제 2 탄소 쉬트의 상기 이동 필름을 떼어내고, 공기 양극을 위한 제 3 탄소 쉬트를 형성하는 공정과, 상기 제 3 탄소 쉬트를 상기 3차 롤러들에 재통과시켜서 표면이 균질한 제 4 탄소 쉬트를 만든 후, 4차 및 5차의 롤러를 사용하여 상기 제 4 탄소 쉬트의 아랫면에 부직포를 부착한 성형된 탄소 쉬트를 형성하는 공정과, 상기 성형된 탄소 쉬트를 건조하는 공정 및 건조 공정을 마친 상기 성형된 탄소 쉬트(112)를 열압성형하는 일련의 공정들을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 혼합 공정은 상기 활성탄 분말에 대한 상기 테플론 분말의 무게 비율이 0.7 내지 2.0, 물의 비율은 4 내지 10, 이산화망간이 0.3 내지 0.5 범위를 갖도록 하여 수행하는 것을 특징으로 하고, 상기 이동 필름은 고분자 플라스틱 필름 혹은 스텐레스 철망을 이용하는 것을 특징으로 하고, 상기 이동 필름 상에 상기 혼합공정을 통하여 형성된 분말을 뿌리는 공정은 진동체를 이용하여 뿌려서 고루 퍼지게 함과 동시에 상기 이동 필름 아래에 맞닿아 있는 진동 베드와 회전하는 브러쉬에 의해 균일하게 퍼지도록 하는 것을 특징으로 하고, 상기 건조 공정은 상기 성형된 탄소 쉬트를 20 내지 60℃의 온도에서 3일 이상 방치하여 대기 중에서 건조하는 것을 특징으로 하고, 상기 열압성형 공정은 상기 성형된 탄소 쉬트를 100 내지 500 kg/sq cm의 압력과 280 내지 360℃의 온도에서 성형하는 것을 특징으로 하고, 상기 혼합 공정은 리본 믹서에서 0.5 내지 5 mm 굵기를 갖는 분말이 형성되도록 하는 것을 특징으로 하고, 상기 부직포는 친수성 셀룰로오스 계열의 것을 사용하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 실시 예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
[공기 양극의 기존 기술과 종류]Metal-air battery which isolate | separated and stored the electrolyte solution which concerns on this invention,
A metal anode and a dense carbon mixture sintered layer are thermally bonded to each other, and an air anode machined to facilitate welding and polymer bonding to the metal foam surface, a metal cathode provided in parallel with the air anode, and the air anode and The metal cathode is fixed to face each other to form one cell, and is provided in a form capable of containing an electrolyte in a region between the air anode and the metal cathode, and is provided with a flexible and flexible material. Passages are provided in the form of an assembly, the side of the battery assembly is isolated, the electrolyte passing through the flexible and stretchable material, connected to the battery assembly from the electrolyte container, and is opened by a switching operation And all of the air cathode, the battery assembly, the electrolyte container, and the passage. It characterized in that the outer box comprises a rigid cell.
Here, the battery assembly is characterized in that it is provided with a flexible and flexible material, such as any one selected from silicon rubber, EPDM, urethane rubber, polyurethane, polyethylene, polypropylene, polyvinylidenefluoride (PVDF) and poly tetrafluoroethylene (PTFE). The elastic rubber sponge is inserted between the cells formed by the battery assembly, and the electrolyte container is silicon rubber, EPDM, urethane rubber, polyurethane, polyethylene, polypropylene, PVDF ( It is characterized in that it is made of a flexible and flexible material, such as any one selected from polyvinylidenefluoride (polyvinylidenefluoride) and PTFE (poly tetrafluoroethylene), so that the barrier membrane is included in the electrolyte container side of the passage, the battery assembly before the first use Can be stored for a long time without internal discharge. The passage may include an outer auger provided to rupture the barrier film, and the passage may further include a passage opening button provided to press the auger. And an auxiliary passage provided to supply electrolyte to each cell of the battery assembly, wherein the battery outer box is provided in a form in which the battery assembly and the electrolyte container are completely in contact with each other. The battery outer box is characterized in that it comprises an outer membrane provided to press the passage opening button on the top, the battery outer box is characterized in that it comprises a small hole that can suck air in its side, The air cathodes constituting the battery assembly are formed of adjacent cells. And the air electrode and the metal anode are alternately arranged on a plane, and the battery assembly is connected to the metal cathode. And it is characterized in that the elastic material is coated in the form of a film and integrally formed, wherein the battery assembly further has a concave shape to fold in a zigzag boundary between the pair of the air cathode and the metal cathode. It characterized in that it is molded, wherein the battery assembly is folded into the injection molding machine, and the side and the upper portion is sealed by the flexible and flexible materials are molded to be a container in which a plurality of cells gathered The lid is provided on the top of the container, the lid Is characterized in that it is provided to be connected to the passage.
In addition, according to the present invention, a method of manufacturing an air cathode, which is easy to weld and bond to a polymer, includes a mixing step of mixing activated carbon powder, manganese dioxide powder, Teflon powder, and water, and a powder formed through the mixing process onto a moving film. After sprinkling on, the transfer film is passed between a pair of primary rollers to form a first carbon sheet, and after spraying nickel foam on the carbon sheet, it is separated between a pair of secondary rollers. Passing through and then passing between a pair of tertiary rollers to form a second carbon sheet, removing the transfer film of the second carbon sheet, and forming a third carbon sheet for the air anode. And passing the third carbon sheet through the tertiary rollers to make a fourth carbon sheet with a homogeneous surface, and then, using the fourth and fifth rollers, nonwoven the lower surface of the fourth carbon sheet. A step of forming a molded carbon sheets and, attaching to the molded
Here, the mixing process is carried out so that the weight ratio of the Teflon powder to the activated carbon powder is 0.7 to 2.0, the ratio of water is 4 to 10, manganese dioxide 0.3 to 0.5 range, the transfer film is a polymer Characterized by using a plastic film or stainless steel wire mesh, the process of spraying the powder formed through the mixing process on the moving film is sprayed using a vibrating body to spread evenly and at the same time abut the bottom of the moving film And uniformly spread by a rotating brush, and the drying process is characterized in that the molded carbon sheet is left to dry for 3 days or more at a temperature of 20 to 60 ° C. and dried in air. The process is carried out to form the molded carbon sheet at a pressure of 100 to 500 kg / sq cm and from 280 to It characterized in that the molding at a temperature of 360 ℃, the mixing process is characterized in that to form a powder having a thickness of 0.5 to 5 mm in a ribbon mixer, the nonwoven fabric is characterized in that using a hydrophilic cellulose-based .
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
[Existing Technology and Types of Air Anodes]
전지의 어셈블리에 결정적으로 중요한 역할을 하는 공기 양극의 성상에 대하여 검토하여 본다.Examine the properties of air cathodes that play a crucial role in battery assembly.
US 4,129,633 "Process and apparatus for manufacture of an electrode" Royce E. Biddick 의 경우, 탄소와 소수성 고분자 입자들을 섞은 후 뜨거운 유동화 베드에서 접착력이 있는 상태를 갖게 하고 니켈 스크린에 뿌리고 롤링을 하여 접착이 되도록 한 방법이다. 이는 전극의 균질도가 떨어진다는 단점이 있다. US 4,129,633 "Process and apparatus for manufacture of an electrode" In the case of Royce E. Biddick, a mixture of carbon and hydrophobic polymer particles is made to be adhesive in a hot fluidized bed, sprinkled on a nickel screen and rolled to bond. to be. This has the disadvantage of inferior homogeneity of the electrode.
US 4,339,325 "One pass process for forming electrode baking sheet" Frank Solomon 의 경우, 공기 양극에 접착하여 누수를 차단할 다공성 소수성 테플론 막을 형성하는 공정을 기술하고 있다.US 4,339,325 "One pass process for forming electrode baking sheet" Frank Solomon describes a process for forming a porous hydrophobic Teflon membrane that adheres to an air anode to block leakage.
US 4,615,954 "Fast response, high rate, gas diffusion electrode and method of making same" Frank Solomon 의 경우, 알코올 용매를 사용하여 공기 양극의 구성 원료들을 분산시키고 여과하는 과정을 제시하였고 높은 전기 전도도륵 갖도록 하기 위해 테플론/탄소의 비율을 2/3에서 1/4 범위에 두어야 한다고 보고하였다. 유기용매를 사용하여야 한다는 것과 내부 조직이 치밀하지 않아 누설이 있다는 단점이 있다.US 4,615,954 "Fast response, high rate, gas diffusion electrode and method of making same" For Frank Solomon, we proposed the process of dispersing and filtering the constituents of the air cathode using alcohol solvents and having a high electrical conductivity. It is reported that the ratio of / carbon should be in the
US 4,877,694 "Gas diffusion electrode" Frank Solomon의 경우, 소수성 접착제와 촉매처리된 친수성 탄소 입자들을 혼합하여 니켈 메쉬에 뿌리고 열압성형하는 방법이며, 다량의 유기용매들 즉 아세톤, 이소프로판올 등이 사용되며 진공 건조나 고온 건조과정 및 여과 과정이 필요하여 복잡하기 때문에 양산성이 떨어지는 공정이다. 여기서도 탄소의 함량을 60~80% 로 할 것을 권장하고 있다.US 4,877,694 "Gas diffusion electrode" Frank Solomon is a method of mixing hydrophobic adhesives and catalyzed hydrophilic carbon particles, spraying them on nickel meshes and thermoforming them. A large amount of organic solvents such as acetone, isopropanol, etc. Due to the high temperature drying process and the filtration process, it is a complicated process. It is also recommended that the carbon content be 60 to 80%.
US 4,885,217 "Air cathodes and materials thereof" William H. Hoge 와 US 4,906,535 "Electrochemical cathode and materials thereof" William H. Hoge 의 경우, 탄소 입자들을 부직포에 포함시킨 형태 혹은 탄소 섬유로 짠 부직포를 사용하였고, 다음 니켈 망에 포갠 다음 롤러를 사용하여 고온에서 라미네이팅을 하였 다. 그 위에 다공성 소수성(테플론) 막을 접착하여 만드는 방법을 기술하였다.In the case of US 4,885,217 "Air cathodes and materials" William H. Hoge and US 4,906,535 "Electrochemical cathodes and materials" Laminated at a high temperature using a roller and then nested in the net. A method of making a porous hydrophobic (teflon) membrane by adhering thereon has been described.
US 4,927,514 "Platinum black air cathode, method of operating same, and layered gas diffusion electrode of improved inter-layer bonding" Frank Solomon 의 경우, 소수성 피막층과 활성 탄소혼합물 소결층의 접착력을 향상하기 위한 소수성 고분자로 된 중간층을 사용한 다층전극을 제안하였으며, 물을 용매로 사용하여 그 안에 분산시킨 탄소입자들을 건조하고 열압성형을 하였다.US 4,927,514 "Platinum black air cathode, method of operating same, and layered gas diffusion electrode of improved inter-layer bonding" For Frank Solomon, an intermediate layer of hydrophobic polymer is used to improve the adhesion between the hydrophobic coating layer and the sintered layer of activated carbon mixture. A multi-layer electrode was used, and carbon particles dispersed therein were dried and thermoformed using water as a solvent.
US 5,312,701 "Process for preparing a single pass gas diffusion electrode" Eric E. Khasin et al. 의 경우, 소수성 피막층과 활성 탄소혼합물 소결층, 도전성 금속 메쉬를 압착하고 열을 가하여 소수성 고분자 입자들을 소결하도록 한 방법이다. 탄소 및 소수성 고분자를 이소프로필 알코올에 분산한 다음 필터 페이퍼와 도전성 금속(니켈) 메쉬 위에 부어서 여과하였고, 그 후 진흙과 같은 상태로 된 탄소 성형체를 걸러내어 만들어 건조 후 열압성형을 하였다. 유기 용매가 많이 사용되고 분산 및 여과와 같은 복잡한 과정을 거치는 방법이다.US 5,312,701 "Process for preparing a single pass gas diffusion electrode" Eric E. Khasin et al. In this case, the hydrophobic coating layer, the activated carbon mixture sintered layer, and the conductive metal mesh are pressed and heated to sinter the hydrophobic polymer particles. The carbon and hydrophobic polymers were dispersed in isopropyl alcohol, poured over filter paper and conductive metal (nickel) mesh, filtered, and then filtered to form a mud-like carbon molded product, followed by thermoforming. Organic solvents are widely used and undergo complex processes such as dispersion and filtration.
US 6,368,751 "Electrochemical electrode for fuel cell" Wayne Yao et. al. 의 경우, 다공성의 니켈폼에 탄소 혼합물 분산액 슬러리를 코팅하여, 니켈 폼의 빈 공간에 채운 후 고온 롤링을 하여 성형하고 그 다음 다공성 소수성 피막층을 접착하여 만드는 방법이다. 다량의 물이 사용되고 탄소층의 결함이 많은 단점이 있 다.US 6,368,751 "Electrochemical electrode for fuel cell" Wayne Yao et. al. In this case, the carbon mixture dispersion slurry is coated on the porous nickel foam, filled into the empty space of the nickel foam, and then formed by hot rolling, followed by bonding the porous hydrophobic coating layer. A large amount of water is used and there are many disadvantages of the carbon layer.
공기 양극의 성상에 따라 전지의 어셈블링 방법은 많이 달라지므로 본 발명에서는 목적에 맞게 공기 양극을 개발하였다. 현재까지 개발된 공기 양극에 대하여 종합적으로 검토하여 보면, 그 성상에 따라 도 1에 보이는 바와 같이 세가지를 들 수 있는 데, AC-1과 AC-2형은 이미 개발되어 사용되고 있는 형태이다. AC-1과 AC-2형은 모두 본 발명에 직접 사용하기에는 아래와 같은 문제점들이 있다.Since the assembling method of the battery varies greatly depending on the properties of the air cathode, the present invention has developed an air cathode according to the purpose. A comprehensive review of the air anodes developed so far includes three types as shown in FIG. 1, but AC-1 and AC-2 types are already developed and used. Both AC-1 and AC-2 types have the following problems to be used directly in the present invention.
첫째, 공기 양극의 접착이 용이하지 않다. AC-1형은 겉에 다공성 테플론(TEFLON) 막(2) 즉 PTFE(polytetrafloroethylene) 막이 있는데, 접착이 매우 어렵다. 그래서 표면처리를 하여 접착이 가능한 특성을 부여하거나 특별한 접착제로 접착을 하게 되는 데, 과정이 난해하고 불편하여 비용의 증가가 클 뿐 아니라, 전지의 케이스와 접착하는 것도 어렵고 화학적으로나 기계적으로도 약하여 내구성에 문제가 있다. AC-2형의 경우에도, 테플론 막을 사용하지는 않지만 탄소와 테플론 입자들이 섞인 표면층의 접착이 어렵다. 따라서 AC-1 이나 AC-2형 같은 전극들을 사용할 때에는 기계적인 물림(crimping)에 의하여 전극을 고정하고 그 간극은 접착 물질을 주입하여 밀폐하게 된다. 이러한 방법의 단점은 금속 프레임으로 인한 전체 전지의 무게와 가격이 증가하게 되는 불리함을 안고 있다는 점이다.First, the adhesion of the air anode is not easy. The AC-1 type has a porous TEFLON membrane (2), that is, a PTFE (polytetrafloroethylene) membrane, which is very difficult to adhere. Therefore, the surface treatment gives adhesive properties or adhesion with a special adhesive. The process is difficult and inconvenient, which increases the cost, and it is difficult to bond with the case of the battery. There is a problem. Even in the case of the AC-2 type, the Teflon membrane is not used, but adhesion of the surface layer mixed with carbon and Teflon particles is difficult. Therefore, when using electrodes such as AC-1 or AC-2, the electrodes are fixed by mechanical crimping and the gap is sealed by injecting an adhesive material. The disadvantage of this method is the disadvantage of increasing the weight and price of the entire battery due to the metal frame.
둘째, 납땜 (soldering)이나 용접이 되지 않는다. 이것은 여러 개의 전지들을 연결한 높은 전압의 전지를 만들 때 큰 단점이라고 할 수 있다. 단추 형의 전지들이 일반적으로 상용화 되어 있지만 이것들은 금속 캔 용기끼리 구부려서 강하게 눌러준 상태로 유지되게 되어 있다. 하지만 용량이 큰 유연한 구조를 가진 전지에서는 셀끼리 연결할 때 전극 단자(203)를 붙일 방도가 너무 빈약하다. 그것을 해결하기 위해 특허 PCT WO 2005/078852, PCT WO 2005/114601 에는 프레임을 사용하여 그 전극 단자(203)끼리 접착을 하게 되어 있어서 해결이 가능하지만 과정이 복잡하여 불량확률이 높고, 무게가 증가하고 경제성이 낮아지게 된다. AC-1 형은 부도체인 테플론 막(2)이 있어서 아예 용접이나 납땜이 되지 않으므로 접착할 부위의 테플론 막(2)을 제거하고 접착해야 되지만 그렇게 하더라도 용이하지 않으며, AC-2 형은 표면에 분포한 테플론 입자들이 접착을 방해하여 붙일 수가 없다. Second, no soldering or welding. This is a big disadvantage when making high voltage batteries that connect several batteries. Button-type batteries are generally commercially available, but they are designed to bend and hold down metal canisters. However, in a battery having a flexible structure having a large capacity, the method of attaching the
셋째, 공기 양극들의 파괴가 문제가 된다. 현재까지 개발된 기존 기술들은 대부분 탄소혼합물 소결층(5)이 치밀하지 않아 다공성 소수성 피막을 별도로 붙여 주어야 했다. 도 2에는 공기양극들의 파괴 양상에 대해 도시하고 있다. 가장 흔한 형태가 A형 파괴인데, AC-1에서 발견되는 현상이다. 크랙이 발생하여 그 틈새로 전해 액(8)이 침투하고 테플론 막과 탄소혼합물 소결층(5) 사이에 고여서 수막을 형성하고, 이 형성된 수막이 외부로부터 산소가 들어오는 것을 방해하여 결과적으로 출력이 많이 감소한다. B형 파괴는 수막을 형성한 후 수분이 증발하여 금속염이 석출해서 볼록 튀어나오는 형태이다. 역시 출력의 감소가 있으며 결국은 테플론 막도 파괴되고 누액이 일어나는 것이다. C형 파괴는 테플론 막이 찢어지거나 손상을 입 을 때 볼 수 있는 것인데 탄소혼합물 소결층(5)에서 전해액(8)을 차단하지 못하면 손상된 부위에서 누액이 일어나게 된다. AC-2는 D형 이나 E형과 같은 파괴를 보이는데, 테플론 막을 사용하지 않는 대신, 내부의 탄소혼합물 소결층(5)이 견고하지 않은 경우 전해액(8)이 침투하여 누액이 일어나게 되거나, 심한 경우는 탄소혼합물 소결층(5) 자체가 부풀어 붕괴된다. 흔히 전기적 특성을 향상시키기 위해 내부에 기공 형성제 (pore former)들을 첨가하여 성형 중 가스가 발생하면서 형성된 작은 통로들을 통해 전해액(8)이 보다 많은 전극표면과 접촉케 하였지만 오히려 파괴 확률을 높이는 결과를 초래하였다. 근래에 개발된 성능이 우수한 탄소 재료들은 치밀한 층을 형성하더라도 충분히 높은 전류밀도를 가지므로 굳이 기공 형성제를 사용하지 않아도 된다. Third, the destruction of air anodes is a problem. Most of the existing technologies developed up to now have a porous hydrophobic coating separately because the carbon mixture sintered
넷째, 전극을 구성하는 활성탄소는 비표면적이 크고 전기 전도도가 높은 물질로서 전극의 특성을 결정하는 중요한 부분이지만, 가공이 무척 어려운 이유는 용매를 매우 많이 흡수하는 스펀지 같은 특성 때문이다. 액체처럼 흐름성을 갖게 하여 기존의 공정 즉 닥터블레이드 공정 (Doctor Blade Process)에 적용하기 위해서는 활성탄소의 20 -100 배에 해당하는 물이나 유기 용매를 사용하여야 한다. 더군다나 NMP 나 알코올류 같은 유기용매를 사용하는 경우에 이를 모두 증발시키기 위한 큰 용량의 건조 장치와 환기장치 등이 필요하고 이에 따른 에너지나 용매 비용이 커진다. 또한 일부 잔존하는 유기용매는 고온 소성 혹은 열압성형(hot pressing)시 유독성을 갖는 기체로 휘발하여 환경에 해로울 수 있다. 그리고 건조 시 다량의 용매 휘발로 인한 내부 결함은 궁극적으로 방지하기 어려우며, 이는 공기 양극의 수명을 떨어뜨리는 효과를 초래한다. Fourth, the activated carbon constituting the electrode is a material having a large specific surface area and a high electrical conductivity, which is an important part in determining the characteristics of the electrode. However, the processing is very difficult because of the sponge-like property of absorbing a lot of solvent. In order to make it flow like liquid and apply to existing process, Doctor Blade Process, water or organic solvent equivalent to 20-100 times of activated carbon should be used. Furthermore, in case of using organic solvents such as NMP or alcohols, a large capacity drying device and a ventilation device are required to evaporate all of them, and the energy or solvent cost is high accordingly. In addition, some of the remaining organic solvent may be harmful to the environment by volatilizing to a toxic gas at high temperature firing or hot pressing (hot pressing). In addition, internal defects caused by the volatilization of a large amount of solvent during drying are ultimately difficult to prevent, which leads to an effect on the life of the air anode.
본 발명에서 목적하는 새로운 형태의 공기 양극 AC-3은 도 3에 도시된 것과 같은 구조를 가져야 하며, 보다 세부적으로 말하자면, 위의 문제점들을 극복하기 위한 것으로서 갖추어야 할 조건은 다음과 같다. The new type of air cathode AC-3, which is the object of the present invention, should have a structure as shown in FIG. 3, and more specifically, to overcome the above problems, the following conditions are required.
1) 용접 및 접착이 용이할 것.1) Easy welding and bonding.
공기 양극의 공기 접촉면에 소수성처리가 되지 않은, 즉 테플론 코팅이 되지 않는 니켈 메쉬나 니켈 폼(3)(foam)이 열접착된 형태가 바람직하다. 그 중에서도 폼 형태가 보다 더 목적에 적합한데 그 이유는 폼의 망상조직이 접착을 용이하게 하고 내부에 침투한 납땜이나 접착제가 침투한 견고한 조직을 만들기 때문이다. 테플론 같은 소수성 입자들이 있으면 납땜이나 접착제가 붙지를 않기 때문에 절반은 테플론이 함유된 탄소혼합물 소결층(5)에 묻고 나머지는 노출되어 접착 및 납땜이 용이하게 하는 것이다.It is preferable to form a non-hydrophobic treatment of the air contact surface of the air anode, that is, a non-teflon coated nickel mesh or a nickel foam (3) thermally bonded. Among them, the foam form is more suitable for the purpose because the reticulated tissue of the foam facilitates the adhesion and creates a solid tissue penetrated by solder or adhesive penetrated inside. If there are hydrophobic particles such as Teflon, no solder or adhesive is attached, half of them are buried in the
도 3에는 본 발명에서 목적하는 공기 양극의 구조를 도시하고 있는데, 망상조직을 갖고 있는 금속 혹은 니켈 폼이 탄소층 위에 접착된 형태로서 노출된 니켈 폼에 고무 및 플라스틱 수지(9)가 침투하여 접착이 되고, 납땜(11)도 같은 방식으로 접착이 되는 것을 보여준다. Figure 3 shows the structure of the air anode desired in the present invention, a metal or nickel foam having a network structure as a bonded form on the carbon layer rubber and plastic resin (9) infiltrated and exposed to the exposed nickel foam This shows that the
상기 니켈 폼은 니켈 외에도 스테인리스 강, 혹은 구리나 구리합금으로 된 것을 사용하거나, 여기에 니켈이나 은으로써 도금한 것도 적합하다. The nickel foam is preferably made of stainless steel, copper or copper alloy in addition to nickel, or plated with nickel or silver.
2) 탄소혼합물 소결층(5)이 견고하여 물 혹은 전해 액(8)의 침투가 없을 것.2) The sintered layer of carbon mixture (5) is firm and there is no penetration of water or electrolyte (8).
전해액(8)이 접촉하는 면은 적셔지게 되어 있으나, 탄소혼합물 소결층(5) 내부를 관통하지 않게 하는 것이 중요하다. 흔히 AC-1 형은 탄소혼합물 소결층(5) 내부가 치밀하지 않아 장시간 사용할 때 전해액(8)이 관통하는 경우가 많다. 공기 양극에서 발생하는 크랙이나 잔금(craze)가 형성되지 않는 구조를 가져야 한다.The surface where the
3) 조립이 용이하도록 친수성 격리막 (hydrophilic separator)이 전해액(8)과 접촉할 탄소면에 붙어 있을 것.3) A hydrophilic separator should be attached to the carbon surface to be in contact with the electrolyte (8) to facilitate assembly.
여기서는 격리막으로서 셀룰로오스 부직포(4)를 사용하였다. 양극과 음극이 서로 맞닿아 방전이 일어나지 않도록 이러한 격리막이 있어야 하는데 별도로 취급하면 조립 공정의 자동화가 어려우며 비용도 크게 상승한다. 뿐만 아니라 건조시에도 이러한 격리막이 있으면 크랙이 발생할 확률이 줄어든다. 아마도 건조 조절 필름 역할을 하는 것으로 볼 수 있다. 따라서 공기 양극 제조 중에 이러한 막을 붙이는 작업을 하는 것이 매우 바람직하다.Here, the
[금속 공기 전지 어셈블리의 기존 기술][Old Technology of Metal Air Cell Assembly]
전형적인 금속 공기 전지는 버튼 셀 형 전지로서 이미 수많은 특허들이 있다. US 7,001,689 Zinc/air cell, Keith Burkle 은 근래에 등록된 특허 중 하나로서 금속 캔의 구부림(crimping)에 의해 공기 전극을 단단하게 물리는 방법을 기술하고 있다. 이러한 버튼 셀 형태로는 용량을 키우는 데 한계가 있고 또한 전해 액(8)을 격리 보관하여 보존기간을 늘이는 기능을 갖게 할 수 없다.A typical metal air battery is a button cell type battery and there are already numerous patents. US 7,001,689 Zinc / air cell, Keith Burkle, is one of the recently registered patents describing a method of firmly biting an air electrode by crimping a metal can. In the form of such a button cell, there is a limit to increase the capacity and it is not possible to have the function of extending the storage period by isolating and storing the electrolyte (8).
대용량의 금속 공기 전지의 방전 후 부피 팽창에 의한 전지 구조물 파괴나 연료 전극의 교환의 불편함을 일부 해소하기 위해서 유연한 구조물을 사용하려는 시도들이 보고되었다. WO 2005/078852 "Collapsible metal air battery, Dong-Soo Baik et al. 과 WO 2005/114601 "Flash lamp for rescue at sea" Dong-Soo Baik 은 고무 구조물에 붙은 금속 프레임을 사용하여 공기 전극을 물려서 만든 전지들을 보고하였다. WO 2003/061057 "Rechargeable metal air electrochemical cell incorporating collapsible cathode assembly" Tsepin Tsai et al. 은 전지의 방전시 일어나는 부피 팽창을 보상하기 위해 내부 공간을 줄일 수 있는 유연한 양극 어셈블리를 보고하였다.Attempts have been made to use flexible structures to partially eliminate the inconvenience of cell structure destruction or fuel electrode exchange due to volume expansion after discharge of large volume metal air cells. WO 2005/078852 "Collapsible metal air battery, Dong-Soo Baik et al. And WO 2005/114601" Flash lamp for rescue at sea "Dong-Soo Baik is a battery made by biting air electrodes using a metal frame attached to a rubber structure WO 2003/061057 “Rechargeable metal air electrochemical cell incorporating collapsible cathode assembly” Tsepin Tsai et al. Reported a flexible anode assembly capable of reducing the internal space to compensate for volume expansion during discharge of the cell.
US 6,844,096 "Easy refuelling metal-gas cell battery with soft pocket" De- Qian Yang et al. 은 아연 연료 전지의 구조를 유연한 플라스틱으로 만들어서 연료 전극을 삽입 및 제거할 때 편리하도록 하였다.US 6,844,096 "Easy refueling metal-gas cell battery with soft pocket" De-Qian Yang et al. The structure of the silver zinc fuel cell is made of flexible plastic, making it convenient for inserting and removing fuel electrodes.
일부 보고에서는, 전지의 보존기간을 연장하기 위해 물을 주입하는 형태도 상용화되어 있다고 하고 있으나, 물을 주입하여야 한다는 것 자체는 사용자로서는 큰 불편이라 할 수 있다. 대체적으로 비상용 혹은 아웃도어용으로 사용되는 금속 공기 전지는 전해액(8)을 격리 보관하는 것이 좋으나, 긴급한 상황에서나 혹은 군에서 사용할 때 시간적인 여유가 없을 경우가 많아서 내부에 전해액(8)을 격리하여 보관케하고 매우 간단한 조작으로 전해액(8)이 자동 주입되면서 전지가 활성화되도록 하는 것이 바람직한 모델이다. 또한 내부에 전해액(8)을 별도 보관할 때 추가적 인 부피가 요구되면 그 만큼 사용 범위가 제한되므로 이것도 해결되어야 할 과제이다.In some reports, water injection is also commercialized to prolong the shelf life of the battery, but the need for water injection is a great inconvenience for the user. In general, the metal-air battery used for emergency or outdoor use is recommended to keep the electrolyte (8) in isolation. However, in case of emergency or when used in the military, there is often a case where the electrolyte (8) is isolated. It is a preferred model to allow the battery to be activated while being stored and automatically injected into the
본 발명에서는 이러한 문제들을 해결하기 위해 다음과 같은 몇가지 해결 수단들을 제시한다.In order to solve these problems, the present invention provides several solutions as follows.
첫째, 부피의 팽창 및 수축을 대응하기 위해 유연한 전지 어셈블리와 전해액 통(206)을 선택한다.First, the flexible cell assembly and
둘째, 고정된 크기의 단단한 용기(215) 안에 넣고, 그 안에서 전지 어셈블리(205)와 전해액 통(206)의 부피 교환이 일어나게 하여 용기의 크기를 최소화한다.Second, it is placed in a
셋째, 활성화 전에는 전해액(8)이 전해액 통(206)에서 전지 어셈블리로 들어가지 못하도록 그 통로(211)를 차단하는 막이 있어야 한다.Third, prior to activation there must be a membrane blocking the
넷째, 외부에서 간단한 조작으로 차단 막을 터뜨려 전해액(8)이 전지 어셈블리로 주입되도록 한다.Fourth, the blocking film is blown from the outside by simple operation so that the
다섯째, 전지 어셈블리로 전해액(8)이 주입되도록, 전지 어셈블리는 팽창하여 내부 공간을 확보하려는 경향을 가짐으로써 남은 공간을 차지하고 있는 전해액 통(206)을 압박하여야 한다.Fifth, the battery assembly must pressurize the
추가적으로 다음 수단들을 찾음으로써 난해한 어셈블리 공정을 개선하여 경제성과 생산성을 높인다.In addition, the following measures are taken to improve the difficult assembly process, increasing economics and productivity.
즉 여섯째, 유연한 전지를 만들기 위해 유연한 플라스틱 혹은 고무 재질을 사용한다.Sixth, flexible plastic or rubber materials are used to make flexible batteries.
일곱째, 전지 어셈블리(205)를 평면상에서 전극의 연결과 절연층의 사출 및 접착, 그리고 공기 양극에 대한 용접이 가능한 구조와 방법을 사용한다.Seventh, the
여덟째, 원하는 다중셀을 만들기 위해 각 셀을 쉽게 접을 수 있고 추가적인 사출 작업이 용이하게 고안되어야 한다.Eighth, each cell can be easily folded and additional injection work must be designed to produce the desired multicell.
[실시예]EXAMPLE
그럼 공기 양극(1)의 제조방법에 대하여 설명한다.Then, the manufacturing method of the
도 5에 공기 양극(1)의 제조 방법에 대해 도시되어 있다. 공기 양극(1)의 탄소혼합물 소결층(5)을 먼저 만들고 그 다음 니켈 폼(3)/메쉬를 그 위에 붙이는 것인데 다음과 같은 조성과 조건을 갖고 있다.5 shows a method for manufacturing the
<표 1> 공기 양극의 탄소혼합물 소결층(5)의 조성Table 1 Composition of the carbon mixture sintered
탄소혼합물 소결층(5)를 형성하기 위해서는 도4와 도5와 같은 과정을 통하여 제조되며, 이하 상세히 설명한다.In order to form the carbon mixture sintered
[공기 양극 제조 공정 중 탄소혼합물 소결층(5)의 제작][Production of Carbon
탄소혼합물 소결층(5)을 만들기 위해서는 먼저 크랙이 없는 탄소혼합물 성형층(10)을 만들어야 한다. 소결 전에 만들어진 결함들은 소결후에도 치유가 되지 않기 때문이다.In order to make the carbon mixture sintered
본 발명에서 사용된 탄소 분체는 일본의 케쳔블랙 인터네셔널 (Ketjenblack International Co.)의 600 JD 였다. 탄소 분체에 여러 가지 촉매 물질들 특히 백금, 로듐, 은, 코발트 등의 금속을 분산 흡착시키는 다양한 기술들에 대해서는 이미 많이 알려져 있으므로 그 부분은 기술하지 않는다. 본 발명에서는 물을 용매로서 사용하였으며 위 탄소 분체를 사용할 때는 탄소 중량의 20배 이상의 용매를 사용하길 권하고 있다. 그렇지만 그렇게 많은 양의 용매를 사용한다면, 탄소 혼합물 성형층(10)의 건조 과정에서의 재료의 균열 형성과, 성형장치의 부식, 건조 비용의 증대로 인한 경제성 저하 등이 따르므로, 물의 사용량을 줄이기 위한 제법을 고안하였다. 적은 양의 용매를 사용할 때는 압출 후 롤링을 하여 얇은 판으로 만들지만, 활성탄소는 압출이 불가능하기 때문에 적합한 방법이 될 수 없다. 압출이 불가능한 이유는 일단 압력을 가하면, 용매가 신속하게 활성 탄소로부터 빠져나가게 되고, 스펀지 같은 탄소들은 단단하게 뭉쳐서 극히 높은 점도의 물질로 변해버리기 때문이다. 이러한 시행착오 후 압출을 하지 않고 한 쌍의 롤러들 사이에서 압연을 하는 과정에서 성형을 하는 방법을 개발하였으며 이 과정에서는 용매가 종래보다 현저히 적은 양으로도 가능하다는 것이 확인되었다.The carbon powder used in the present invention was 600 JD of Ketjenblack International Co., Japan. Various techniques for dispersing and adsorbing various catalytic materials on carbon powders, particularly metals such as platinum, rhodium, silver, and cobalt, are already well known and are not described. In the present invention, water was used as a solvent, and when using the above carbon powder, it is recommended to use a solvent at least 20 times the weight of carbon. However, if such a large amount of solvent is used, it is possible to reduce the amount of water used since the formation of cracks in the material during the drying of the carbon
먼저, 다음과 같은 배합을 하여 탄소 혼합물 성형층(10)을 만드는 실험들 하여 적절한 배합 조건들 찾도록 하였다.First, experiments for forming the carbon
<탄소혼합물 성형층(10)을 만들기 위하여 시도한 배합 조건>Mixing Conditions Attempted to Make Carbon Mixture Molded
활성 탄소 : 1kg 기준Activated carbon: 1 kg basis
물 : 3 - 50 kgWater: 3-50 kg
이산화망간 : 0.1 - 1kgManganese Dioxide: 0.1-1kg
테플론 : 0.6 -3 kgTeflon: 0.6 -3 kg
첨가제 : 0.1 kg 이하, Carboxymethyl cellulose, 전분Additive: Less than 0.1 kg, Carboxymethyl cellulose, Starch
실험을 하여 평가하는 내용들은 표 2에 나타난 바와 같으며, 목적은 크랙이 발생하지 않으면서도 전극의 특성이 양호한 조건을 찾는 것이다. 평균 직경 1 미크론 정도 되는 PTFE 분말을 암모늄계의 분산제를 사용하여 분산시킨, 60% 고형분을 갖는 분산액을 사용하였다. 표 2에는 고형분의 무게만을 계산하여 기입하였다. 다른 보고에서는 유사종의 불소 함유 고분자를 사용하기도 하지만, 본 발명에서는 불소 함유 고분자들이 갖고 있는 소수성을 이용하는 취지에서 여러 변종의 불소 고분자들의 사용을 배제하지 않으며 편의상 대표적인 물질인 테플론 혹은 PTFE를 대표로 언급한다.The contents of the experiment are evaluated as shown in Table 2, and the purpose is to find a good condition of the electrode without cracking. A dispersion having 60% solids was used in which a PTFE powder having an average diameter of about 1 micron was dispersed using an ammonium-based dispersant. In Table 2, only the weight of the solid content is calculated and entered. Although other reports use similar fluorine-containing polymers, the present invention does not exclude the use of various fluorine polymers for the purpose of utilizing the hydrophobicity of fluorine-containing polymers. do.
<표 2>TABLE 2
(1)성형:1차 롤러에서 빠져나온 성형쉬트의 연속성을 평가, B:나쁨, -:좋음. (1) Molding: Evaluation of the continuity of the molding sheet which came out of the primary roller. B: Poor,-: Good.
(2)건조:60%상대습도, 온도25℃에서 10일간 건조, Z:잔금, P:관통형 크랙. (2) Drying: 60% relative humidity, drying at a temperature of 25 ° C. for 10 days, Z: residue, P: penetrating crack.
(3)시험:정전류 20mA/cm2에서 100시간 유지, 12%NaCl, MgAZ91 anode. (3) Test: 100 hours at a constant current of 20 mA / cm 2 , 12% NaCl, MgAZ91 anode.
(4)전압:셀전압, 위정전류 조건에서. (4) Voltage: Under cell voltage and constant current conditions.
먼저, 도 4와 도 5에서 설명하고 있는 일차 성형 후 이동 필름(104)에 붙어 나오는 탄소혼합물 성형층(10)는 연속적인 필름 형태를 갖고 있는 경우도 있지만 일부는 성형과정에서 끊어지거나 뭉쳐서 균질한 필름이 되는지를 판별하였다. 그 다음 "건조시 크랙"은 건조된 샘플을 현미경으로 관찰하여 크랙의 존재를 확인하고 셀에서 테스트할 때 누수의 현상이 있는지를 관찰하였다. 누수가 있는 경우나 아예 관통이 된 상태이면 도2에서 도시된 것처럼 "P", 표면의 흠인 경우 "Z"라고 표현하였다. 시험은 측정용 셀에 공기 양극(1)을 붙인 다음 마그네슘 음극을 넣고 소금물 12% 용액에서 정전류 시험, 즉 전류 밀도 20 mA/cm2에서 48시간 유지하여 평균 전압과 전극의 누수, 혹은 파괴를 관찰하였다. 파괴 양상은 도2에 도시되어 있다. 실험에 사용된 셀은 전극면적 15 cm2 을 갖는 것으로서 양극(1)과 음극간의 간격은 10 mm 였다. 표 2에서 나타난 결과로서, 탄소와 테플론의 비율이 중요한데, 기존의 공기 양극(1)의 배합비와는 다르게, 보다 많은 양의 테플론 즉 소수성 접착제(바인더)의 양이 사용됨을 알 수 있다. 장시간의 테스트 결과 테플론의 양이 적으면 탄소혼합물 소결층(5)이 물을 흡수하면서 붕괴가 일어나게 될 가능성이 높아지기 때문이다. 기존의 결과들은 탄소의 함량이 월등히 높아서 60-80%에 달하고 그 이하에서는 특성이 현저히 낮아짐을 보고하고 있으나 본 발명에서 사용한 활성탄소 케쳔블랙은 그 특성상 적은 양을 사용하더라도 특성의 변화가 매우 적다고 보여진다. 케쳔블랙의 탄소내 공간의 비율이 78% 이므로 22% 밖에 되지 않는 아세틸렌 블랙에 비해 입자들 간의 연결성이 좋으므로 적은 양을 사용하더라도 높은 전기 전도도와 활성을 유지하는 것으로 보인다. 예를 들어 케쳔블랙 600JD를 폴리카보네이트에 10% 넣어서 성형한 경우 부피 저항(volume resistivity)는 3.9 Ω·m 이지만 아세틸렌 블랙을 사용한 경우는 108 Ω·m 정도로 큰 차이가 있다. 따라서 기존의 탄소 원료를 사용하는 것에 비해 많은 양의 테플론을 사용하더라도 특성의 저하가 없다. 형성된 탄소층을 검사한 결과, 테플론/탄소의 비율에 있어서 0.7-2.0의 시료들이 파괴를 일으키지 않고 높은 특성을 보였다. 0.7보다 낮은 시료들은 장시간 테스트 후 탄소층의 붕괴를 보였으며, 결과적으로 누수를 일으겼으며, 2.0 이상의 경우에서는 전극 특성이 감소하였다. 또한 물의 사용량에 있어서도 그 적당량은 탄소중량에 비하여 4-10 배 범위임을 알 수 있었는데 4 이하의 양을 사용하면 1차 롤링시 균질하게 성형되지 않고 구멍이나 균열이 많이 발생하며, 10 을 초과하는 과량을 사용하면, 성형된 탄소층이 치밀하지 못하고 일부 헐거운 성형부분이나 균열이 존재하며, 건조시에도 크랙이 많이 발생하는 것으로 나타났다. First, although the carbon
[공기양극 제조 공정 중 성형][Forming during air cathode manufacturing process]
도 4와 도 5에서 설명하고 있는 공기 양극 중 성형부분에 대해 보다 상세히 설명한다. 앞에서 언급한 혼합 성분들을 분말 혼합기에서 1- 20 시간동안 혼합하면, 입자들이 서로 뭉쳐서 작은 알갱이가 되는데 이것을 혼합 및 조립화(組立化) 과정(mixing and granulation)이라고 한다. 혼합 및 조립화는 리본 혼합기를 사용하였다. 이 과정을 통해 만들어진 알갱이들은 크기가 0.5-5 mm 정도 되며 이 조립들은 분체 이송 장치를 통해 이동하여 진동체위에 뿌려진다. 이 진동체(103)는 스텐레스 철망으로 만들어진 것인데 진행방향으로 진동하는 것이다. 통상 AC 전원을 사용하기 때문에 50 혹은 60 Hz 의 진동수를 갖는 것으로서 20 mm 이하의 진동 폭이면 목적을 달성할 수 있었다. 이 진동체(103)를 통과하지 못한 굵은 탄소 조립들은 위로 넘쳐서 별도의 진행 경로를 통해 리본 믹서로 재투입되도록 하였다. 고르게 퍼져서 떨어지는 탄소 조립들은 이동 필름(104)위에 뿌려진다. 플라스틱, 즉 두 께 0.5 -1.0 mm 정도 되는 PET(polyethylene terephthalate), PP(polypropylene), 폴리에스터 필름이나 50 메쉬 이상의 스테인리스 철망으로 만들어진 것이다. 이 이동 필름(104)은 롤러들 사이를 통과하게 되어 있고 상기 조립들을 이동시켜서 롤러들 사이에서 성형되도록 하는 역할을 하므로 기계적 강도가 높은 재질이어야 한다. 플라스틱 재질을 압연시 같이 늘어나는 경향이 있어 별도로 감은 다음 다시 이동시키는 방법을 사용하여야하고, 스텐레스 철망은 개구율이 낮은 촘촘히 짠 직물형태가 적합하였다. 상기 이동 필름(104) 위에 뿌려진 조립들은 한 번 더 진동 베드(105)에서 고르게 펴지게 된다. 이 진동 베드(105)는 상하로 진동하는 것으로서 수 mm의 진동폭에 상용 주파수 진동을 한다. 그 다음 회전 브러시(106)들을 통과하면서 조립들은 더 고른 높이를 갖게 된다. 이 브러시(106)들은 플라스틱 섬유가 원통에 박혀 있는 것으로서 필름(104)의 진행 방향에 따라 회전하여 높이를 고르게 한다. 또 일부 베드(105)의 양 단 모서리에 쌓이는 분체들을 지속적으로 쓸어 내는 역할을 한다. 수직으로 맞물려 있는 두 개의 1차 롤러(107)들 사이로 들어가게 되고 그 롤러들에 의해 압착되는 순간 퍼지면서 단단하고 치밀한 성형체가 되어 빠져나온다. 성형이 되도록 하기 위해서는 탄소혼합물 성형층(10)이 소성변형을 할 수 있도록 조성과 수분량이 적절해야 한다. 물이 너무 적으면 성형된 탄소 쉬트는 부서지며, 너무 많아도 성형체가 자주 끊어지고 불균질하게 된다. 표2에서는 1차 롤러(107)를 통과하여 이동 필름(104)위에 성형된 탄소혼합물 성형층(10)이 균일하고 연속성이 있게 성형이 되었는지를 판단한다. 표 2의 결과로서는 수분량이 탄소에 비해 4 -10 배의 범위로 첨가되어야 적절한 것으로 나타났다. The molded part of the air anode described in FIGS. 4 and 5 will be described in more detail. When the above-mentioned mixed components are mixed in a powder mixer for 1 to 20 hours, the particles aggregate together to form small grains, which is called mixing and granulation. Mixing and granulation used a ribbon mixer. The granules produced by this process are about 0.5-5 mm in size and these assemblies are transported through a powder conveying device and sprayed onto the vibrating sieve. The vibrating
이동 필름(104)을 사용하지 않고 니켈 폼(3)이나 기타 얇은 분리막이나 부직포(4)를 사용하면, 롤러 사이에 형성되는 강한 스트레스를 견디지 못하고 니켈 폼(3)이나 직물이 찢어질 뿐 아니라, 탄소혼합물 성형층(10)이 균질하게 성형되지 않는다. 1차 롤러(107)에서는 탄소혼합물 성형층(10)의 수분의 상당량이 롤링 중에 빠져 나오며 과다하여 넘친 탄소 성형 분말들과 함께 바닥용기(113)에 떨어지고 배수구(114)를 통해 재회수되어 리본 믹서로 투입된다.The use of nickel foam (3) or other thin separators or nonwovens (4) without the use of transfer film (104) does not only withstand the strong stresses formed between the rollers, but also tears the nickel foam (3) or fabric, The carbon
상기 이동 필름(104) 위에 균일하게 입혀진 탄소혼합물 성형층(10)은 약 두께 1- 2mm 의 균질한 판이 되며 그 다음 2차 롤러(108)들 사이로 들어가게 된다. 2차 롤러(108)들에 들어갈 때는 금속니켈 폼(3)이 상부에서 들어가게 된다. 그러면 2차 롤러(108)들에서는 니켈 폼(3)과 이동 필름(104)으로써 샌드위치가 된 탄소혼합물 성형층(10)이 2차로 압연된다. 2차 롤러(108)에서는 이미 비교적 단단해진 탄소혼합물 성형층(10)에 기계적으로 접착이 된다. 이 때 니켈폼이 얇은 두께로 납작해지면서 일부는 탄소혼합물 성형층(10)에 침입한 상태가 된다. 그 2차 롤러(108)들을 빠져나온 다음 3차 롤러(109) 안으로 들어가게 된다. 3차 롤러(109)를 통과하면서 탄소 필름 아랫면에 붙어있는 이동 필름(104)을 분리해서 별도의 얼레에 감는다. 이동 필름(104)은 다시 이동 필름(104) 얼레에 의해 감기면서 분말 베드로 들어가게 된다. 이 때 이동 필름(104)의 장력을 유지하기 위한 추가적인 장력 롤이 사용된다. 3차 롤러(109)를 빠져나온 쉬트는 니켈 폼(3)에 탄소필름이 붙어서 이동하여 4차 롤러(110)들 사이로 들어가게 되며 4차 롤러(110)에서는 카본 쉬트의 표 면을 더 평활하게 다듬고 두께 치수를 더 정밀하게 조절한다. 그 다음 셀룰로오스 직물 혹은 부직포(4) 필름을 탄소혼합물 성형층(10) 아래에 넣어 제 5차 롤러(111)에서 같이 압연하여 성형한다. 그러면 위에는 니켈 폼(3)이 가운데는 탄소혼합물 성형층(10)이, 그 아래에는 셀룰로오스 직물 즉 친수성 격리막이 붙은 판상의 성형체가 만들어진다. 각 롤러들을 통과할 때마다 수분은 추가로 제거되어 바닥용기(113)에 떨어져 배출구를 통해 재회수된다. 이 과정을 통해 제거되는 수분은 함유량의 30% 이상에 해당하여 별도의 건조의 과정에서 요구되는 에너지도 일부 절감할 수 있게 된다. The carbon
[공기 양극의 건조 및 고온 성형][Drying and Hot Forming of Air Anode]
이 판상의 탄소 성형체(10)은 건조 과정으로 들어가게 된다. 대부분의 파괴가 건조 과정에서 일어나므로 크랙이 발생하지 않을 조건에서 천천히 건조해야 한다. 성형된 탄소 혼합물 쉬트(112)를 감아서 혹은 절단하여 습도 및 온도가 조절되는 건조실에 넣고 보관하면 수분이 서서히 빠져 나가면서 균질하고 치밀한 탄소 성형체가 된다. 건조는 3일 이상, 상대 습도 40 -70%, 온도 20 ~50℃ 에서 보관하는 것이다. 본 실험에서는 10일간 보관하여 건조하였다. 만일 셀룰로오스 부직포(4)를 붙이지 않으면, 크랙이 존재할 확률은 현저히 높아진다. 건조 과정이 조절이 되지 않기 때문이다. 오븐 안에서의 신속한 건조는 어떤 경우든 잔금이나 크랙이 발생을 근본적으로 방지하기 어렵다. 따라서 "건조속도 조절층"의 역할을 하는 것으로서 매우 유리하다.This plate-shaped carbon molded
건조된 탄소혼합물 성형층(10)은 절단한 후 열압 프레스에 넣고 성형하거나 가열된 롤러로써 압연을 한다. 본 발명에서는 열압 프레스를 사용하였지만, 동일한 조건이라면 뜨거운 롤러들을 사용하여도 무방하다. 열압프레스에서 고온 성형하는 조건은 280 ~ 380℃온도에서 100 ~ 500 kg/cm2 의 압력으로 성형하는 것이다. 만일 시료의 온도가 균일하게 이 온도범위에 도달해 있다면 성형시간은 1초 정도로 아주 짧아도 무방하다.The dried carbon
성형된 공기 양극(1)은 도 3에 도시된 것처럼, 한 쪽 면에는 셀룰로오스 직물(4)이, 다른 한 쪽 면에는 니켈 폼(3)이 붙어있는 형태가 된다. 이 방법으로 만들어진 공기 양극(1)은 AC-1의 경우와 같이 별도의 테플론 막(2)이나, 혹은 AC-2의 경우처럼 두 개의 금속 망을 사용할 필요가 없다. 니켈 폼(3)은 성형 전에는 두께 1.6 -2.0 mm 이며 50 ~ 200 ppi 의 기공도를 갖고 있다. 성형이 되면 니켈 폼(3)의 두께는 0.4 mm 이하로 감소하며 니켈 폼(3)의 일부는 탄소 층에 침입하고 일부는 노출되어 있으며 노출된 일부는 테플론 입자들이 코팅되어 있지 않으므로 접착이나 납땜/용접이 용이한 표면이 된다. 또한 고무나 플라스틱과의 인서트 사출이나 접착이 가능하도록 니켈 폼(3)의 구조가 망상으로 되어 있으므로 별도의 금속 프레임이 없어도 접착조립이 이루어진다. 도 6은 공기 양극(1)을 넣고 고무 사출한 제품의 현미경 사진을 보여준다. 셀룰로오스 부직포(4)가 부착되어 있는 면은 친수성을 갖게 되어 전해액(8)에 신속하게 적셔지므로 전지 초기에 출력이 낮은 현상을 다소 해소하며 전극끼리 닿지 못하도록 분리하는 격리막(separator)역할을 한다.As shown in FIG. 3, the molded
[금속 음극][Metal cathode]
본 발명에서의 음극은 두께 0.2mm이하의 얇은 구리판에 소모성 금속(201)을 접착하거나 닿게 만들어 놓은 것이다. 금속 공기 전지에 사용되는 소모성 금속으로서는 마그네슘, 아연, 알루미늄이나 그 합금들이 있다. 형상도 다양하여 판상이나, 다공성 스펀지, 분말, 섬유상, 또는 이들을 압축한 것들이 사용된다. 본 발명에서는 주로 판상을 사용하는 것으로 되어 있지만, 분말을 압축한 것이나 도금한 것, 혹은 금속 폼을 사용하여도 무방하다. 혹은 얇은 구리판(203)을 가지고 전지 어셈블리 성형이 완성된 후에 별도로 분말이나 폼 형태로 삽입하여도 된다. 전지 어셈블리를 만들 때 이 구리판은 도 7에 도시된 것처럼 단자가 된 부분을 인접 셀의 양극(1)의 니켈 폼(3)에 용접을 하게 된다. 일반적으로 아연을 소모성전극으로서 사용하는 경우는 분말이나 이것의 압축된 형태를 사용하여 전지 어셈블리를 완성한 후에 집어넣어도 무방하다. 그 이유는 아연은 용해도가 높고 접촉저항이 매우 낮으며 구리 음극 판(203)에 잘 적셔지기 때문이다. 마그네슘이나 알루미늄인 경우는 그 자체를 사용하거나 또는 음극의 두께가 두꺼운 경우는 구리판 단자와 리벳팅을 하여 음극을 만들었다. In the present invention, the cathode is made to adhere or contact the
[전지 어셈블리 제작][Battery Assembly Fabrication]
상기와 같은 방법으로 만들어진 공기 양극(1) 재료를 가지고 전지 어셈블리(205)를 만드는 공정에 대해 기술하기로 한다. 전지 어셈블리(205)의 복잡한 구조를 볼 때 바로 성형을 시도하는 것은 공정상 난해하며, 높은 불량률을 해결하기 어렵다. 특히 전극들 사이에 연결해 주어야 할 전극 단자들을 납땜한다던가 하는 작업은 입체적인 구조에서는 하기가 어렵다. 또한 공기 양극 중 공기 흡입을 위해 개방되어야 할 부분을 제외해야 하므로 이것들 동시에 한다면 금형이 매우 복잡해지며 불량률 또한 높아지게 된다. 따라서 평면상에서 성형을 할 수 있는 전지 어셈블리(205)를 먼저 완성해야 한다.A process of making the
금속 공기 전지는 단위 전지의 발생 전압이 1.0 -1.6V 범위에 들어 있으므로 사용하기에는 전압이 낮아 여러 개의 전지를 직렬로 연결하여 사용한다. 그러나 여러 개의 전지를 직렬 연결하는 것이 일반적인 금속 공기 전지의 매우 불편한 공정 중의 하나이다. 본 발명의 실시 예에서는 12V 전지를 만들기 위해 10개의 단위 전지를 연결하는 구조를 시도하였다. 물론 필요에 따라서는 더 많이 연결하거나 더 적게 하는 공정도 마찬가지 과정을 통해서이다. 먼저 도 7에 나타난 바와 같이 전극 어셈블리(204)를 평면상에서 완성한다. 공기 양극(1)과 금속 음극(201)을 교대로 배열하고 인접한 셀의 반대 전극끼리 용접 혹은 납땜을 하여 서로 연결한다. 이 작업은 자동화가 가능한 것으로서 10개의 셀을 한꺼번에 성형할 수 있다는 장점이 있다. 용접 혹은 납땜이 끝났으면 그 위에 고무 및 플라스틱 사출 성형을 하여 전극들의 테두리에 절연층을 형성한다.Since metal air cells have a generated voltage of unit cells in the range of 1.0 -1.6V, they are low in voltage to be used, and several batteries are connected in series. However, connecting several cells in series is one of the very inconvenient processes of a typical metal air battery. In an embodiment of the present invention, a structure for connecting 10 unit cells was attempted to make a 12V battery. Of course, if necessary, the process of connecting more or less is the same process. First, as shown in FIG. 7, the
이렇게 하여 만들어진 전극 어셈블리(204)는 도 8과 도 9에 나타난 바와 같이 지그재그로 구부려서 전극을 배열하게 하고, 그 다음 옆과 윗부분은 추가로 사 출하여 성형한다. 구부릴 수 있도록 평면상의 작업상에 이미 곡면들이 형성되어 있도록 하여야 한다. The
그 다음 도 10에 도시된 바와 같이 셀과 셀 사이는 스펀지(202)를 넣어 공기가 들어갈 공간이 확보되면서도 수축과 팽창이 될 수 있도록 하였다. 또한 접혀진 상태에서 보관되다가 활성화 시점에서는 스펀지(202)의 탄력으로 팽창하면서 전해액 통(206)을 압박하여 그 안에 있는 전해액을 신속하게 흘러나오게 하는 역할을 한다. 그렇게 해서 완성된 것을 전지 어셈블리(205)라고 하고 이것을 전해액 통(206)과 연결한다. 이 전해액 통(206)은 전해액을 보관하다가 사용 시에는 전해액을 내보내고 자신은 수축하여 공간을 내어주는 역할을 하여야 한다. 따라서 고무와 같이 신축성이 있고 잘 접히는 재질로 만들어져야한다. 실리코운 고무, EPDM, 우레탄 고무, 그 외 고무 재질과 폴리우레탄, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, PVDF(polyvinylidenefluoride), 테플론 즉 PTFE (poly tetrafluoroethylene) 등과 같은 유연한 재료들이다. 전해액은 통상 소금물이나 알칼리 용액으로서 농도는 10 -50% 범위를 갖고 있으며, 함께 사용되는 고무나 플라스틱은 화학적으로 안정한 재질을 선택하여 사용한다.Next, as shown in FIG. 10, a
[전지의 활성화][Activation of the battery]
본 전지는 전해액을 격리 보관하고 있다가 사용자의 간단한 조작에 의해 전해액이 침투하여 활성화되게 되어 있다. 도 11에 도시된 것처럼, 상기 전지 어셈블 리(205)와 전해액 통(206)사이의 연결통로(211)를 얇은 막(208)으로 차단하고 있다가 외부에서 단추(209)를 누르면 송곳(212)이 전해액을 차단하고 있는 막(208)을 터뜨려서 전지 어셈블리(205)안으로 전해액이 이동하게 된다. 전지의 외부 상자에는 얇은 부분(210)이 있어서 사용자가 손으로 누르면 변형되면서 단추(209)를 누르게 하면 더 편리하고 전해액이 전해액 통(206)에서 전지 어셈블리(205)로 이동하면, 단추의 위치도 이동하게 된다. 이 모든 동작은 상자(215)안에서 일어나므로 전지의 외형은 변화가 없어보인다.The battery is isolated from and stored in the electrolyte, and the electrolyte penetrates and is activated by a simple operation of the user. As shown in FIG. 11, when the
전지의 외부 상자(215)의 크기는 도 12에 나타난 것처럼, 전해액 통(206)이 최소로 된 것과 전지 어셈블리(205)가 최대로 된 크기를 합한 것과 같다. 예를 들어 공기 아연 전지라고 하면, 아연의 비중이 7.14 이고 산화아연의 경우는 5.47 이며 또한 외부로부터 들어온 산소가 반응하여 전체무게가 1.27 배로 증가하였으므로 최소 1.66 배의 부피 팽창이 필요하다. 전지 안에서 형성된 산화아연이 저밀도의 무정형의 함수물인 경우가 많아 실제로 더 많은 부피의 증가가 있을 수 있다. 그리고 만일 공기 중의 이산화탄소가 들어와서 전해액의 알칼리와 반응하여 탄산알칼리로 변하면 무게나 부피의 증가가 추가된다. 또한 마그네슘이나 알루미늄을 음극으로 사용하는 경우는 부피의 팽창이 2-5배까지 일어나므로, 부피의 변화를 대응할 수 있는 본 발명의 구조는 금속 공기 전지에 있어서는 매우 효과적이다.The size of the
공기 양극의 경우, 기존 알려진 공정과는 다르게 성형이 매우 신속하고 편리하며, 용매를 가장 적게 사용하므로 건조시 크랙의 발생이 현저히 적다. 경제성도 탁월하며 공기 양극(1)을 저렴한 가격으로 생산할 수 있는 공정이다. 이렇게 해서 만들어진 공기 양극(1)은 접착이나 납땜/용접이 용이하여, 전지 조립, 즉 생산 속도를 크게 증가시킨다.In the case of air anodes, unlike conventionally known processes, molding is very quick and convenient, and since the use of the least amount of solvents occurs, the generation of cracks is considerably less. It is also an economical process and can produce air cathodes (1) at low prices. The
전지의 보존 기간이 증가된다. 내부에 전해액을 포함하고 있는 기존의 금속 공기 전지들은 자체 방전율이 높지만, 본 발명에서와 같이 전해액을 격리하여 보관하는 형태는 밀폐만 하면 더 이상의 방전이 없으므로 매우 오랜 기간 보관하여도 손실이 없는 전지가 된다.The shelf life of the battery is increased. Existing metal air batteries containing an electrolyte therein have a high self discharge rate, but as in the present invention, the electrolyte is isolated and stored in a form in which the battery is not lost even if stored for a very long time since there is no further discharge as long as it is sealed. do.
전해액이나 물을 별도로 주입할 필요가 없으며, 단 한 번의 조작, 버튼을 누르는 동작 같은 단순한 동작으로 활성화 시킬 수 있기 때문에 사용하기에 편리하다.There is no need to inject the electrolyte or water separately, and it is convenient to use because it can be activated by a simple operation such as a single operation and a button press.
전지의 어셈블리와 전해액을 담은 통은 전해액이 이동함에 따라서 크기를 줄이거나 늘일 수 있기 때문에 전지 공간을 효율적으로 사용하며 결과적으로 부피를 줄이는 효과가 있다.The assembly of the battery and the container containing the electrolyte can be reduced or increased in size as the electrolyte moves, thus efficiently using the battery space and consequently reducing the volume.
전극 단자(203) 연결을 단순화하여 생산성 향상시키게 되는 데, 즉, 여러 개의 셀을 직렬로 연결해야하는 금속 공기 전지의 경우 작업이 어려워서 시간과 비용이 상승하나, 평면상에서 한꺼번에 연결을 한 후 접는 방법이기 때문에 제작 공정이 신속하고 불량의 확률이 현저히 낮다.This improves productivity by simplifying the connection of the
Claims (27)
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