KR101083961B1 - 공기 전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 전해액 부족에 기인하는 내부 저항의 증가를 억제할 수 있고, 또한 고율 방전 가능한 공기 전지 시스템을 제공하는 것을 주 목적으로 한다. 본 발명은, 도전성 재료를 함유하는 공기극층 및 상기 공기극층의 집전을 행하는 공기극 집전체를 갖는 공기극과, 금속 이온을 흡장·방출하는 부극 활물질을 함유하는 부극층 및 상기 부극층의 집전을 행하는 부극 집전체를 갖는 부극과, 상기 공기극층 및 상기 부극층 사이에 설치된 세퍼레이터를 갖고, 방전 또는 충방전에 수반하는 전극의 체적 변화가 생겼을 때에 상기 공기극층 및 상기 부극층이 항상 전해액으로 채워져 있는 공기 전지 셀과, 상기 전해액에 산소 가스를 버블링에 의해 공급하는 산소 가스 공급 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 공기 전지 시스템을 제공함으로써 상기 과제를 해결한다.
공기극층, 부극층, 집전, 내부 저항, 전해액

Description

공기 전지 시스템 {AIR CELL SYSTEM}
본 발명은, 전해액 부족에 기인하는 내부 저항의 증가를 억제할 수 있고, 또한 고율 방전 가능한 공기 전지 시스템에 관한 것이다.
공기 전지는, 공기(산소)를 정극 활물질로서 사용한 비수 전지(非水電池)로서, 에너지 밀도가 높고, 소형화, 경량화가 용이하다는 등의 이점을 갖는다. 이러한 공기 전지에 있어서, 예를 들어 부극 활물질로서 금속 Li을 사용한 경우에는 주로 하기의 반응 (1) 내지 (4)가 발생한다.
[화학식 1]
Figure 112009060520927-pct00001
종래부터 공기 전지의 이점을 최대한 살리기 위해, 다양한 연구가 행하여지고 있다. 예를 들어 특허 문헌1에 있어서는, 비수 전해질로서 특정한 상온 용융염을 사용한 비수 전해질 공기 전지가 개시되어 있다. 이것은, 특정한 상온 용융염 을 사용함으로써 용매가 휘발하는 것을 방지하여 고온에서의 방전 용량 및 고습 보관 후의 방전 용량을 향상시키는 것이었다. 특허 문헌2에 있어서는, 특정한 세공 용량(細孔容量)을 갖는 탄소질물을 사용한 정극을 구비한 비수 전해질 전지가 개시되어 있다. 이것은, 탄소질물의 세공 용량 등에 착안하여 전지의 고용량화를 도모하는 것이었다. 이와 같이, 종래의 연구에 있어서는 구성 부재의 기능성을 향상시키는 시도가 주류였다.
그러나, 공기 전지에는 방전 또는 충방전에 수반하여 전극(공기극 및 부극)의 체적이 크게 변화되어 전해액이 부족한 상황이 발생한다는 문제가 있다. 상기한 반응을 사용하여 구체적으로 설명하면 방전 시에 부극에서는 Li가 Li 이온으로서 용출되고[반응 (1)], 공기극에서는 리튬 산화물이 석출된다[반응 (2)]. 이때, 리튬 산화물(Li2O2)의 밀도가 Li의 밀도보다도 크기 때문에 전극 전체적으로 체적비 35％나 수축이 발생한다. 그 결과, 방전 말기에 전해액량이 부족하여 공기극 등의 일부가 전해액에 침지되지 않는 상태로 되어 내부 저항이 증가된다는 문제가 있었다. 또한, 금속 Li 이외의 재료로서, 그라파이트 등의 탄소 재료를 부극 활물질에 사용한 경우는 부극에서의 체적 변화가 적으나, 공기극에서 Li2O2가 생성되어 공기극 중의 전해액이 외부로 압출되면, 전지 내의 공극 등으로 전해액이 이동되어버려 충전 시 Li2O2가 용해된 후에 전해액이 공기극으로 복귀되기 어려워져 결과적으로 전해액량이 부족하여 역시 내부 저항의 증가로 연결된다는 문제가 있었다. 그로 인해, 전해액 부족에 기인하는 내부 저항의 증가를 억제할 수 있는 공기 전지가 요 구되고 있었다.
한편, 전지 케이스의 내부에, 산소 등의 기체를 봉입한 밀폐형의 공기 전지 등이 알려져 있다. 예를 들어 특허 문헌3에 있어서는, 공기 전지의 외장체의 내부에 가압된 산소를 포함하는 기체가 봉입된 밀폐계의 산소 리튬 2차 전지가 개시되어 있다. 이것은, 산소 리튬 2차 전지를 밀폐형으로 함으로써 공기 중의 수분이 전지 내부에 진입하는 것을 억제하여 전지의 저장 특성이나 총방전의 사이클 수명을 향상시킨 것이었다. 그러나 이와 같은 산소 리튬 2차 전지에는 이하와 같은 문제가 있었다.
즉, 상기한 반응 (2)에 나타낸 바와 같이, 방전 시에 공기극은 산소를 필요로 하여 전해액에 용존하는 산소의 농도는 반응에 따라 감소하나, 상기와 같은 산소 리튬 2차 전지에 있어서는 용존 산소의 농도를 높게 유지하는 것이 곤란하다는 문제가 있어, 고율 방전을 행하는 것이 어려웠다. 상기와 같은 산소 리튬 2차 전지에 있어서는, 가압된 산소가 봉입되어 있기 때문에, 압력을 일절 가하고 있지 않은 경우와 비교하면 확실히 산소는 전해액에 용해되기 쉽게 되어 있기는 하나, 이러한 압력을 사용한 방법으로는 단시간에 충분한 양의 산소를 용존시키는 것이 곤란한 경우가 있었다.
또, 다른 문제점으로서, 상기한 반응 (4)와 같이 충전 시에 공기극은 산소를 생성하지만, 전지 케이스의 내부에 가압된 산소가 봉입되어 있으면, 전지 케이스의 내부의 산소의 분압이 높은 상태이므로 상기한 반응 (4)가 발생되기 어렵게 되어 고율 충전을 행하는 것이 곤란하다고 하는 문제가 있었다.
또한, 특허 문헌4에 있어서는 산소 농축기로 산소를 농축하여 음극으로 고순도의 산소를 공급하는 수단을 구비한 금속/산소 전지가 개시되어 있다. 이것은, 출력 전류에 따라 농축 산소를 공급함으로써 고출력화를 도모한 것이었다. 또한, 특허 문헌5에 있어서는, 이산화탄소를 용해한 비수 전해액을 함유하는 비수 전해질 공기 전지가 개시되어 있다(청구항3). 이것은, 비수 전해액에 이산화탄소를 용해 시킴으로써 부극의 직접 산화를 억제하여 사이클성의 향상을 도모한 것이었다.
특허 문헌1 : 일본 특허 출원 공개 제2004-119278호 공보
특허 문헌2 : 일본 특허 제3515492호
특허 문헌3 : 일본 특허 제3764623호
특허 문헌4 : 일본 특허 출원 공표 제2002-516474호 공보
특허 문헌5 : 일본 특허 출원 공개 제2003-7357호 공보
본 발명은, 상기 실정을 감안하여 이루어진 것으로, 전해액 부족에 기인하는 내부 저항의 증가를 억제할 수 있으며, 또한 고율 방전 가능한 공기 전지 시스템을 제공하는 것을 주 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 있어서는 도전성 재료를 함유하는 공기극층 및 상기 공기극층의 집전을 행하는 공기극 집전체를 갖는 공기극과, 금속 이온을 흡장·방출하는 부극 활물질을 함유하는 부극층 및 상기 부극층의 집전을 행하는 부극 집전체를 갖는 부극과, 상기 공기극층 및 상기 부극층 사이에 설치된 세퍼레이터를 갖고, 방전 또는 충방전에 수반하는 전극의 체적 변화가 생겼을 때, 상기 공기극층 및 상기 부극층이 항상 전해액으로 채워져 있는 공기 전지 셀과, 상기 전해액에 산소 가스를 버블링에 의해 공급하는 산소 가스 공급 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 공기 전지 시스템을 제공한다.
본 발명에 따르면, 전해액에 산소 가스를 버블링에 의해 직접 공급하는 점에서, 방전 반응에 수반하여 전해액 중의 용존 산소의 농도가 감소되는 경우에도, 전해액 중의 용존 산소의 농도를 급속하게 증가시킬 수 있어 고율 방전을 행할 수 있다. 또한, 공기극층 및 부극층이 항상 전해액으로 채워져 있기 때문에 전해액 부족에 기인하는 내부 저항의 증가를 억제할 수 있다.
상기 발명에 있어서는, 상기 공기 전지 셀이 상기 전해액을 순환시킴으로써 상기 공기극층 및 상기 부극층을 항상 상기 전해액으로 채우는 공기 전지 셀인 것이 바람직하다. 전해액을 순환시킴으로써 종래의 공기 전지 셀을 사용할 경우에 존재한, 전해액과 대기의 기액 계면을 발생시키지 않고 충방전을 행할 수 있어, 방전 또는 충방전에 수반하는 전극의 체적 변화가 생긴 경우에도 공기극층 및 부극층을 항상 전해액으로 채울 수 있기 때문이다.
상기 발명에 있어서는, 상기 산소 가스 공급 수단이 상기 전해액을 순환시키는 순환 영역에 배치되어 있는 것이 바람직하다. 산소 가스 공급 수단을 공기 전지 셀의 외부에 배치함으로써, 공기 전지 셀의 소형화를 도모할 수 있기 때문이다.
상기 발명에 있어서는, 방전 또는 충방전에 수반하는 전극의 체적 변화에 따라 상기 전해액의 액면의 높이가 변화될 경우에 상기 전해액의 액면의 최하면의 위치가 상기 공기극층 및 상기 부극층의 최상면의 위치보다도 높은 것이 바람직하다. 전해액의 양을 상기한 위치가 되도록 설정함으로써 전해액이 부족한 것을 방지할 수 있기 때문이다.
상기 발명에 있어서는, 상기 공기 전지 셀 내의 전해액에 불활성 가스를 버블링에 의해 공급하는 불활성 가스 공급 수단을 더 갖는 것이 바람직하다. 충전 반응에 수반하여 전해액 중의 용존 산소의 농도가 증가되는 경우에도 전해액 중의 용존 산소의 농도를 저하시킬 수 있어 고율 충전을 행할 수 있기 때문이다.
또한, 본 발명에 있어서는, 도전성 재료를 함유하는 공기극층 및 상기 공기극층의 집전을 행하는 공기극 집전체를 갖는 공기극과, 금속 이온을 흡장·방출하는 부극 활물질을 함유하는 부극층 및 상기 부극층의 집전을 행하는 부극 집전체를 갖는 부극과, 상기 공기극층 및 상기 부극층 사이에 설치된 세퍼레이터를 갖고, 방전 또는 충방전에 수반하는 전극의 체적 변화가 생겼을 때에 상기 공기극층 및 상기 부극층이 항상 전해액으로 채워져 있는 공기 전지 셀을 사용하고, 방전 시에 상기 전해액에 산소 가스를 버블링에 의해 공급하는 것을 특징으로 하는 공기 전지 셀의 제어 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 전해액에 산소 가스를 버블링에 의해 직접 공급하기 때문에 전해액 중의 용존 산소의 농도를 급속하게 증가시킬 수 있어 고율 방전을 행할 수 있다.
상기 발명에 있어서는, 충전 시에 상기 전해액에 불활성 가스를 버블링에 의해 공급하는 것이 바람직하다. 충전 반응에 수반하여 전해액 중의 용존 산소의 농도가 증가할 경우에도 전해액 중의 용존 산소의 농도를 저하시킬 수 있어 고율 충전을 행할 수 있기 때문이다.
본 발명에 있어서는, 전해액 부족에 기인하는 내부 저항의 증가를 억제할 수 있으며, 또한 고율 방전 가능한 공기 전지 시스템을 제공할 수 있다고 하는 효과를 발휘한다.
도 1은 본 발명의 공기 전지 시스템을 설명하는 설명도이다.
도 2는 본 발명의 공기 전지 시스템을 설명하는 설명도이다.
도 3은 본 발명의 공기 전지 시스템을 설명하는 설명도이다.
도 4는 전해액을 순환시키는 방법을 설명하는 설명도이다.
도 5는 전해액의 액면과, 공기극층 등의 최상면과의 위치 관계를 설명하는 설명도이다.
도 6은 본 발명의 공기 전지 시스템을 설명하는 설명도이다.
도 7은 본 발명의 공기 전지 시스템을 설명하는 설명도이다.
<부호의 설명>
1 : 전지 케이스
1a : 하부 절연 케이스
1b : 상부 절연 케이스
2 : 부극 집전체
2' : 부극 리드
3 : 부극층
4 : 공기극층
5 : 공기극 메쉬
6 : 공기극 집전체
6' : 공기극 리드
7 : 세퍼레이터
8 : 미세 다공막
9 : 전해액
이하, 본 발명의 공기 전지 시스템, 및 공기 전지 셀의 제어 방법에 대하여 상세하게 설명한다.
A. 공기 전지 시스템
우선, 본 발명의 공기 전지 시스템에 대하여 설명한다. 본 발명의 공기 전지 시스템은 도전성 재료를 함유하는 공기극층 및 상기 공기극층의 집전을 행하는 공기극 집전체를 갖는 공기극과, 금속 이온을 흡장·방출하는 부극 활물질을 함유하는 부극층 및 상기 부극층의 집전을 행하는 부극 집전체를 갖는 부극과, 상기 공기극층 및 상기 부극층 사이에 설치된 세퍼레이터를 갖고, 방전 또는 충방전에 수반하는 전극의 체적 변화가 생겼을 때에, 상기 공기극층 및 상기 부극층이 항상 전해액으로 채워져 있는 공기 전지 셀과, 상기 전해액에 산소 가스를 버블링에 의해 공급하는 산소 가스 공급 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에 따르면, 전해액에 산소 가스를 버블링에 의해 직접 공급하는 점에 서 방전 반응에 수반하여 전해액 중의 용존 산소의 농도가 감소되는 경우에도 전해액 중의 용존 산소의 농도를 급속하게 증가시킬 수 있어 고율 방전을 행할 수 있다. 상술한 바와 같이, 전지 케이스 내에 가압된 산소를 봉입하는 것은 알려져 있었으나, 이러한 압력을 사용한 방법으로는 단시간에 충분한 양의 산소를 용존시키는 것이 곤란한 경우가 있었다. 이에 대해, 본 발명에 있어서는, 버블링에 의해 적극적으로 산소를 용존시킬 수 있어 고율 방전이 가능해지는 것이다.
또한, 본 발명에 의하면, 공기극층 및 부극층이 항상 전해액으로 채워져 있기 때문에, 전해액 부족에 기인하는 내부 저항의 증가를 억제할 수 있다. 또한 종래, 공기극층 및 부극층이 일시적으로 전해액으로 채워지는 경우가 있는 것은 알려져 있기는 하지만(예를 들어 특허 문헌1의 명세서 제70 단락), 공기극층 및 부극층을 항상 전해액으로 채우는 것에 대해서는 전혀 알려져 있지 않다. 본 발명에 있어서는, 공기극층 및 부극층을 항상 전해액으로 채움으로써, 전해액 부족에 기인하는 내부 저항의 증가를 억제하여, 보다 고성능의 공기 전지 시스템을 얻을 수 있는 것이다.
또한, 상술한 바와 같이, 본 발명에 있어서는 공기극층 및 부극층이 항상 전해액으로 채워져 있다. 그로 인해, 방전 반응에 사용되는 산소는, 실질적으로 모두 전해액에 용존된 용존 산소라고 할 수 있다. 따라서, 이러한 공기 전지 셀을 사용한 공기 전지 시스템에 있어서는, 용존 산소의 농도의 저하가 방전 효율의 저하를 야기시키는 큰 요인이 된다고 생각된다. 본 발명에 있어서는, 이러한 용존 산소의 농도의 저하를, 산소를 직접 버블링한다고 하는 수단에 의해 방지하여 고율 방전 가능한 공기 전지 시스템으로 할 수 있는 것이다.
예를 들어, 본 발명의 공기 전지 시스템이 2차 전지 시스템인 경우에는 통상 방전 시에는 산소 가스를 공급하고, 충전 시에는 산소 가스를 공급하지 않거나 또는 후술하는 불활성 가스를 공급한다. 이와 같이 산소 가스 등의 공급을 컨트롤 함으로써 최적의 방전/충전을 행할 수 있다.
다음에, 본 발명의 공기 전지 시스템에 대하여 도면을 사용하여 설명한다. 도 1의 (a)는 본 발명의 공기 전지 시스템의 일례를 도시하는 개략 단면도이다. 도 1의 (b)는 도 1의 (a)에 도시되는 공기 전지 셀의 외관을 도시하는 사시도이다. 도 1의 (a)에 도시되는 공기 전지 시스템은 공기 전지 셀(10)과, 산소 가스 공급 수단(20)을 갖는 것이다. 공기 전지 셀(10)은 하부 절연 케이스(1a)의 내측 저면에 형성된 부극 집전체(2)와, 부극 집전체(2)에 접속된 부극 리드(2')와, 부극 집전체(2) 위에 형성되어 금속 Li으로 이루어지는 부극층(3)과, 카본을 함유하는 공기극층(4)과, 공기극층(4)의 집전을 행하는 공기극 메쉬(5) 및 공기극 집전체(6)와, 공기극 집전체(6)에 접속된 공기극 리드(6')와, 부극층(3) 및 공기극층(4) 사이에 설치된 세퍼레이터(7)와, 미세 다공막(8)을 갖는 상부 절연 케이스(1b)와, 부극층(3) 및 공기극층(4)을 침지시키는 전해액(9)을 갖는다. 또한, 산소 가스 공급 수단(20)은 산소 가스 저장부(11), 전자기 밸브(12a), 가압 펌프(13), 전자기 밸브(12b) 및 고정용 나사(14)를 갖고, 공기 전지 셀(10) 내부의 전해액을 산소 가스(15)로 버블링하는 것이다.
또한, 본 발명의 공기 전지 시스템은, 도 1의 (c)에 도시된 바와 같이 산소 가스 공급 수단(20)이 부극층(3)측으로부터 버블링을 행하는 것이어도 좋다. 또한, 도 1에 도시된 공기 전지 셀(10)은 개방형이지만, 후술하는 바와 같이 본 발명에 사용되는 공기 전지 셀은 개방형이어도 좋고, 밀폐형이어도 좋다. 또한, 본 발명의 공기 전지는, 도 2에 도시된 바와 같이 상부 절연 케이스(1b)의 선단에 공기극 집전체(6)가 설치되어 있어도 된다.
도 3은 도 1의 (a)에 도시된 공기 전지 셀을 간략화한 개략 단면도이다. 또한, 편의상 공기극 집전체 및 부극 집전체 등은 생략되어 있다. 도 3에 있어서, 공기 전지 셀은 충분히 많은 전해액(9)을 갖기 때문에[도 3의 (a)], 예를 들어 방전 시에 부극층(3)의 금속 Li이 용출되고 전극의 체적이 감소되어 그 결과 전해액(9)의 액면이 하강되었다고 해도 그 최하면의 위치를 공기극층(4)의 최상면의 위치보다도 높게 유지할 수 있다[도 3의 (b)]. 이에 의해, 공기극층(4)을 항상 전해액(9)으로 채울 수 있어, 전해액 부족에 기인하는 내부 저항의 증가를 억제할 수 있다. 또한, 방전 시는 전해액 중에 용존된 산소가 반응에 사용되지만, 본 발명에 있어서는 산소 가스 공급 수단(20)에 의해 산소 가스(15)를 충분히 공급할 수 있기 때문에 고율 방전을 도모할 수 있다.
본 발명에 있어서, 「방전 또는 충방전에 수반하는 전극의 체적 변화」란, 방전 또는 충방전에 수반하여 금속 이온이 공기극층과 부극층 사이를 이동할 때에, 그 생성물의 밀도 등의 차이에 따라 생기는 전극(공기극 및 부극)의 체적 변화를 의미한다. 또한, 본 발명에 사용되는 공기 전지 셀이 1차 전지인 경우는 「방전」에 수반하는 전극의 체적 변화를 고려하고, 2차 전지인 경우는 「충방전」에 수반 하는 전극의 체적 변화를 고려한다. 예를 들어 부극 활물질로서 금속 Li을 사용한 경우에는 방전 시에 부극층에 있어서는 금속 Li이 용출되는 반응이 발생하고[상기 반응 (1)], 공기극층에 있어서는 리튬 산화물(Li2O2)이 생성되는 반응이 발생한다[상기 반응 (2)]. 이때, 리튬 산화물(Li2O2)의 밀도가 금속 Li의 밀도보다도 크기 때문에 전극(공기극층 및 부극층)의 체적은 감소된다. 이와 같은 전극의 체적 변화가 생겼을 때 본 발명에 사용되는 공기 전지 셀에 있어서는 공기극층 및 부극층이 항상 전해액으로 채워져 있다.
이하, 본 발명의 공기 전지 시스템에 대해, 공기 전지 시스템의 재료와, 공기 전지 시스템의 구성으로 나누어 설명한다.
1. 공기 전지 시스템의 재료
우선, 본 발명의 공기 전지 시스템의 재료에 대하여 설명한다. 본 발명의 공기 전지 시스템은, 적어도 공기 전지 셀 및 산소 가스 공급 수단을 갖는다. 또한, 필요에 따라 불활성 가스 공급 수단을 갖고 있어도 된다. 이하, 본 발명의 공기 전지 시스템의 재료에 대해, (1) 공기 전지 셀, (2) 산소 가스 공급 수단, 및 (3) 불활성 가스 공급 수단으로 나누어 설명한다.
(1) 공기 전지 셀
우선, 본 발명에 사용되는 공기 전지 셀에 대하여 설명한다. 본 발명에 사용되는 공기 전지 셀은 통상 공기극, 부극, 세퍼레이터, 전해액 및 전지 케이스를 갖는 것이다.
(i) 공기극
본 발명에 사용되는 공기극은, 도전성 재료를 함유하는 공기극층 및 상기 공기극층의 집전을 행하는 공기극 집전체를 갖는다. 본 발명에 있어서는, 전해액에 용존된 산소가 공기극 내에서 금속 이온과 반응하여 도전성 재료의 표면에 금속 산화물이 생성된다. 그로 인해, 상기 공기극층은 산소 및 금속 이온의 캐리어인 전해액이 충분히 이동할 수 있을 정도의 공극을 갖고 있다.
상기 도전성 재료로서는 도전성을 갖는 것이면 특별히 한정되는 것은 아니나, 예를 들어 탄소 재료 등을 들 수 있다. 또한, 상기 탄소 재료는 다공질 구조를 갖는 것이어도 좋고, 다공질 구조를 갖지 않는 것이어도 좋으나, 본 발명에 있어서는, 다공질 구조를 갖는 것이 바람직하다. 피표면적이 커서, 많은 반응장을 제공할 수 있기 때문이다. 상기 다공질 구조를 갖는 탄소 재료로서는, 구체적으로는 메소포러스 카본 등을 들 수 있다. 한편, 다공질 구조를 갖지 않는 탄소재료로서는 구체적으로는 그라파이트, 아세틸렌 블랙, 카본 나노튜브 및 카본 파이버 등을 들 수 있다. 또한, 상기 도전성 재료는 촉매를 담지한 것이어도 좋다. 상기 촉매로서는, 예를 들어 코발트 프탈로시아닌 및 이산화망간 등을 들 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 공기극층은 적어도 도전성 재료를 함유하고 있으면 좋으나, 또한 도전성 재료를 고정화하는 결착제를 함유하는 것이 바람직하다. 상기 결착제로서는, 예를 들어 폴리불화비닐리덴(PVdF), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 등을 들 수 있다. 상기 공기극층에 포함되는 결착제의 함유량으로서는, 특별히 한정되는 것은 아니나, 예를 들어 30중량％ 이하, 그 중에서도 1중량％ 내 지 10중량％의 범위 내인 것이 바람직하다.
상기 공기극 집전체의 재료로서는, 도전성을 갖는 것이면 특별히 한정되는 것은 아니나, 예를 들어 스테인리스, 니켈, 알루미늄, 철, 티탄 등을 들 수 있다. 상기 공기극 집전체의 형상으로서는 예를 들어 박 형상, 판 형상 및 메쉬(그리드) 형상 등을 들 수 있다. 그 중에서도, 본 발명에 있어서는 상기 공기극 집전체의 형상이 메쉬 형상인 것이 바람직하다. 집전 효율이 우수하기 때문이다. 이 경우, 통상적으로 공기극층의 내부에 메쉬 형상의 공기극 집전체가 배치된다. 또한, 상기 공기 전지 셀은 메쉬 형상의 공기극 집전체에 의해 집전된 전하를 집전하는 별도의 공기극 집전체(예를 들어 박 형상의 집전체)를 가져도 좋다. 또한, 본 발명에 있어서는, 후술하는 전지 케이스가 공기극 집전체의 기능을 겸비하고 있어도 된다.
(ⅱ) 부극
본 발명에 사용되는 부극은, 금속 이온을 흡장·방출하는 부극 활물질을 함유하는 부극층 및 상기 부극층의 집전을 행하는 부극 집전체를 갖는다.
상기 부극 활물질로서는, 금속 이온을 흡장·방출할 수 있는 것이면 특별히 한정되는 것은 아니다. 상기 금속 이온으로서는, 공기극과 부극을 이동하여 기전력을 발생시키는 것이면 특별히 한정되는 것은 아니나, 구체적으로는 리튬 이온, 나트륨 이온, 알루미늄 이온, 마그네슘 이온, 세슘 이온 등을 들 수 있고, 그 중에서도 리튬 이온이 바람직하다.
리튬 이온을 흡장·방출할 수 있는 부극 활물질로서는, 일반적인 리튬 이온 전지에 사용되는 부극 활물질과 마찬가지의 것을 사용할 수 있다. 구체적으로는, 금속 리튬, 리튬 합금, 금속 산화물, 금속 황화물, 금속 질화물 및 그라파이트 등의 탄소 재료 등을 들 수 있고, 그 중에서도 금속 리튬 및 탄소 재료, 특히 금속 리튬이 바람직하다. 금속 리튬은 상기 반응 (1)에서 설명한 바와 같이, 방전 시에 리튬 이온으로서 용출되어 체적 변화가 크기 때문이다.
본 발명에 있어서, 상기 부극층은, 적어도 부극 활물질을 함유하고 있으면 좋지만, 필요에 따라 부극 활물질을 고정화하는 결착제를 함유하고 있어도 좋다. 결착제의 종류, 사용량 등에 대해서는 상술한 「(i) 공기극」에 기재한 내용과 마찬가지이므로, 여기서의 설명은 생략한다.
상기 부극 집전체로서는, 도전성을 갖는 것이면 특별히 한정되는 것은 아니나, 예를 들어 구리, 스테인리스, 니켈 등을 들 수 있다. 상기 부극 집전체의 형상으로서는, 예를 들어 박 형상, 판 형상 및 메쉬(그리드) 형상 등을 들 수 있다. 본 발명에 있어서는, 후술하는 전지 케이스가 부극 집전체의 기능을 겸비하고 있어도 된다.
(ⅲ) 세퍼레이터
본 발명에 사용되는 세퍼레이터는, 상기 공기극층 및 상기 부극층 사이에 설치되는 것이 있다. 상기 세퍼레이터로서는 공기극층과 부극층을 분리하여 전해액을 보유 지지하는 기능을 갖는 것이면 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 다공막; 수지 부직포, 유리 섬유 부직포 등의 부직포; 및 리튬 폴리머 전지에 사용되고 있는 폴리머 재료 등을 들 수 있다.
(ⅳ) 전해액
본 발명에 사용되는 전해액은 통상 전해질을 유기 용매에 용해하여 이루어지는 것이다. 상기 전해질로서는, 예를 들어 LiPF6, LiBF4, LiClO4 및 LiAsF6 등의 무기 리튬염; 및 LiCF3SO3, LiN(CF3SO2)2, LiC(CF3SO2)3 등의 유기 리튬염 등을 들 수 있다.
상기 유기 용매로서는, 상기 전해질을 용해할 수 있는 것이면 특별히 한정되는 것은 아니나, 산소 용해성이 높은 용매인 것이 바람직하다. 공기극층은 항상 전해액으로 채워져 있어, 용매에 용존된 산소가 반응에 사용되기 때문이다. 상기 유기 용매로서는, 구체적으로는 에틸렌카보네이트(EC), 프로필렌카보네이트(PC), 디메틸카보네이트(DMC), 디에틸카보네이트(DEC), 에틸메틸카보네이트(EMC), 부틸렌 카보네이트, γ-부티로락톤, 설포란, 아세토니트릴, 1,2-디메톡시메탄, 1,3-디메톡시프로판, 디에틸에테르, 테트라히드로푸란 및 2-메틸테트라히드로푸란 등을 들 수 있다. 그 중에서도 본 발명에 있어서는, EC 또는 PC와, DEC 또는 EMC를 조합시킨 혼합 용매가 바람직하다. 또한, 본 발명에 있어서는, 상기 전해액으로서, 예를 들어 이온성 액체 등의 저휘발성 액체를 사용할 수도 있다. 저휘발성 액체를 사용함으로써, 휘발에 의한 전해액 감소를 억제할 수 있어 보다 장기간 사용할 수 있기 때문이다.
(v) 전지 케이스
본 발명에 사용되는 전지 케이스가 형상으로서는, 상술한 공기극, 부극, 세 퍼레이터, 전해액을 수납할 수 있으면 특별히 한정되는 것은 아니지만, 구체적으로는 코인형, 평판형, 원통형 등을 제시할 수 있다.
(2) 산소 가스 공급 수단
다음에, 본 발명에 사용되는 산소 가스 공급 수단에 대하여 설명한다. 본 발명에 사용되는 산소 가스 공급 수단은 전해액에 산소 가스를 버블링에 의해 공급하는 수단이다. 상기 산소 가스 공급 수단은, 통상 산소 가스를 저장하는 가스 저장부와, 전해액 중에서 산소 가스를 방출하는 가스 방출부를 갖는다. 또한, 필요에 따라 가압 펌프, 전자기 밸브 및 볼 밸브 등을 갖고 있어도 된다.
전해액 중에서 산소 가스를 방출하는 가스 방출부는, 통상 튜브 형상을 갖는다. 튜브 형상의 가스 방출부의 내경으로서는, 사용되는 공기 전지 셀의 크기 등에 따라 다른 것이지만, 예를 들어 1㎜ 내지 13㎜의 범위 내, 그 중에서도 1㎜ 내지 7㎜의 범위 내인 것이 바람직하다. 또한, 상기 가스 방출부의 재료로서는, 전해액에 대한 내성 등을 갖는 것이면 특별히 한정되는 것은 아니고, 수지, 고무 및 금속 등의 일반적인 재료를 사용할 수 있다.
이와 같이, 가스 방출부가 튜브 형상이면, 그 선단으로부터 산소 가스가 방출되어 용이하게 버블링을 행할 수 있다. 그 중에서도 본 발명에 있어서는 방출되는 산소 가스의 거품은 미세한 것이 바람직하다. 전해액과의 접촉 면적이 증가되어 용존 산소의 농도를 효율적으로 증가시킬 수 있기 때문이다. 이러한 관점에서, 본 발명에 있어서는 산소 가스가 방출되는 가스 방출부가 거품 미세화 수단을 갖고 있는 것이 바람직하다.
상기 거품 미세화 수단으로서는, 원하는 크기의 산소 가스의 거품을 얻을 수 있으면 특별히 한정되는 것은 아니나, 예를 들어 연결 구멍을 갖는 다공질 재료, 및 슬릿 형상의 개구부를 갖는 부재 등을 들 수 있다. 연결 구멍을 갖는 다공질 재료로서는, 소위 버블러 등이 해당하고, 기체가 다공질 부위를 통과함으로써 미세한 거품이 얻어진다. 마찬가지로, 슬릿 형상의 개구부를 갖는 부재를 사용한 경우에 있어서도 기체가 슬릿을 통과함으로써 미세한 거품이 얻어진다.
또한, 상술한 바와 같이 생성되는 산소 가스의 거품은 미세한 것이 바람직하다. 산소 가스의 거품의 직경으로서는, 특별히 한정되는 것은 아니나, 예를 들어 8㎜ 이하, 그 중에서도 1㎜ 이하인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 산소 가스 공급 수단에 의해 공급되는 가스는, 적어도 산소 가스를 함유하는 것이면 특별히 한정되는 것은 아니나, 산소 가스뿐이어도 좋고, 산소 가스와 그 밖의 가스의 혼합 가스이어도 좋다. 방전 반응을 촉진한다고 하는 관점에서는 산소 가스만을 사용하는 것이 바람직하고, 방전 반응의 반응성을 제어한다고 하는 관점 또는 산소 농도가 너무 높아지는 것을 방지한다는 관점에서는 혼합 가스를 사용하는 것이 바람직하다.
산소 가스와 함께 사용하는 그 밖의 가스로서는, 예를 들어 질소 가스, 아르곤 가스, 헬륨 가스 등을 들 수 있다. 금속 리튬과의 반응성이라는 관점에서는, 아르곤 가스 및 헬륨 가스가 바람직하고, 아르곤 가스가 보다 바람직하다. 한편, 비용 저감이라는 관점에서는 질소 가스가 바람직하다. 또한, 혼합 가스에 있어서의 산소의 비율로서는, 특별히 한정되는 것은 아니나, 예를 들어 50체적％ 이상, 그 중에서도 80체적％ 이상인 것이 바람직하다. 또한, 산소 가스 공급 수단에 의해 공급되는 가스는 대기이어도 좋다. 이 경우, 수분의 흡수를 방지하기 위하여 탈수제를 사용하거나, 이산화탄소 등을 침투시키지 않는 산소 부화막(酸素富化膜) 등을 사용하거나 하는 것이 바람직하다.
(3) 불활성 가스 공급 수단
다음에, 본 발명에 사용되는 불활성 가스 공급 수단에 관하여 설명한다. 본 발명의 공기 전지 시스템은, 전해액에 불활성 가스를 버블링에 의해 공급하는 불활성 가스 공급 수단을 갖고 있는 것이 바람직하다. 상기한 반응 (4)와 같이 충전 시에 공기극은 산소를 생성하나, 용존 산소의 농도를 저하시킴으로써 반응 (4)가 원활하게 진행되기 때문이다. 그 결과, 고율 충전을 행할 수 있다.
상기 불활성 가스 공급 수단은, 통상 불활성 가스를 저장하는 가스 저장부와, 전해액 중에서 불활성 가스를 방출하는 가스 방출부를 갖는다. 또한, 필요에 따라 가압 펌프, 전자기 밸브 및 볼 밸브 등을 갖고 있어도 된다. 또한, 불활성 가스가 방출되는 가스 방출부는 거품 미세화 수단을 갖고 있는 것이 바람직하다. 이들 내용 등에 대해서는 상기 「(2) 산소 가스 공급 수단」에 기재한 내용과 마찬가지이므로 여기서의 설명은 생략한다.
본 발명에 사용되는 불활성 가스로서는, 공기극, 부극 및 전해액 등에 대하여 실질적으로 악영향을 주지 않는 것이면 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 질소 가스, 아르곤 가스, 헬륨 가스 등을 들 수 있다. 금속 리튬과의 반응성이라는 관점에서는 아르곤 가스 및 헬륨 가스가 바람직하고, 아르곤 가스가 보다 바람직하다. 한편, 비용 저감이라는 관점에서는, 질소 가스가 바람직하다. 또한, 본 발명에 있어서는 상기 불활성 가스를 1종류만 사용해도 좋고, 2종류 이상을 조합하여 사용해도 좋다.
2. 공기 전지 시스템의 구성
다음에, 본 발명의 공기 전지 시스템의 구성에 관하여 설명한다. 본 발명의 공기 전지 시스템은, 적어도 공기 전지 셀 및 산소 가스 공급 수단을 갖는 것이다. 여기서, 본 발명의 공기 전지 시스템의 구성 요소의 1개인 공기 전지 셀은, 방전 또는 충방전에 수반하는 전극의 체적 변화가 생겼을 때에 공기극층 및 부극층이 항상 전해액으로 채워져 있는 것으로, 후술하는 다양한 구성 형태가 존재한다. 따라서, 이 공기 전지 셀의 구성 형태를 따라 본 발명의 공기 전지 시스템의 구성을 설명한다.
(1) 전해액을 순환시키는 구성
본 발명에 사용되는 공기 전지 셀의 구성으로서, 전해액을 순환시키는 구성을 들 수 있다. 즉, 본 발명이 사용되는 공기 전지 셀은 전해액을 순환시킴으로써 공기극층 및 부극층을 항상 전해액으로 채우는 공기 전지 셀인 것이 바람직하다. 전해액을 순환시킴으로써 종래의 공기 전지 셀을 사용할 경우에 존재한, 전해액과 대기의 기액 계면을 발생시키지 않고 충방전을 행할 수 있어, 방전 또는 충방전에 수반하는 전극의 체적 변화가 생긴 경우에도 공기극층 및 부극층을 항상 전해액으로 채울 수 있다. 또한, 휘발에 의한 전해액의 감소를 방지할 수 있다는 이점도 갖는다. 또한 충전 시에 산소 가스를 공급하지 않고 전해액을 순환시킴으로써 충 전 반응에 따라 발생하는 산소를 공기극층으로부터 효율적으로 제거하는 것도 가능하다.
전해액을 순환시키는 구성으로서는, 구체적으로는 도 4에 도시된 바와 같이 모터 등의 전해액 이동 수단(21)을 사용하여 전해액(9)을, 부극층(3), 세퍼레이터(7) 및 공기극층(4)의 순서대로 순환시키는 구성을 들 수 있다. 방전 시에는 산소 가스 공급 수단(20)을 사용하여 산소 가스(22)를 공기극층(4)에 공급하고, 과잉의 산소는 배기 수단(23)에 의해 제거한다. 산소 가스 공급 수단(20)이 전해액(9)에 용존하는 산소 농도를 적절하게 상승시킬 수 있는 것이면, 배기 수단(23)은 특별히 필요없다. 또한, 충전 시에는 도 4에 도시된 전해액의 흐름과 반대 방향으로 전해액을 순환시켜도 좋다. 또한, 도 4에 있어서는 편의상 공기극 집전체 및 부극 집전체는 생략되어 있으나, 적절한 방법으로 집전을 행하면 좋다.
즉, 본 발명에 있어서는, 상기 공기 전지 셀이 상기 전해액을 순환시키는 전해액 이동 수단을 더 갖고 있는 것이 바람직하다. 또한, 상기 공기 전지 셀은 과잉의 공기를 제거하는 배기 수단을 갖고 있는 것이 바람직하다.
(2) 전해액을 많이 사용하는 구성
본 발명에 사용되는 공기 전지 셀이 구성으로서, 전해액을 많이 사용하는 구성을 들 수 있다. 상기 도 3에서 설명한 바와 같이 충분히 많은 전해액(9)을 사용함으로써 공기극층(4)이 전해액 부족이 되는 것을 방지할 수 있어, 방전 또는 충방전에 수반하는 체적 변화가 생겼을 때에 공기극층 및 부극층이 항상 전해액으로 채울 수 있다.
즉, 본 발명에 있어서는 방전 또는 충방전에 수반하는 전극의 체적 변화에 따라 상기 전해액의 액면의 높이가 변화될 경우에 상기 전해액의 액면의 최하면의 위치가 상기 공기극층 및 상기 부극층의 최상면의 위치보다도 높은 것이 바람직하다. 전해액의 양을, 상기한 위치로 되도록 설정함으로써 전해액이 부족한 것을 방지할 수 있기 때문이다. 또한, 예를 들어 부극층에 금속 Li을 사용한 경우는 방전에 의해 리튬이 용출되는 반응이 일어나, 전극 전체의 체적이 감소된다. 따라서, 통상은 방전 종료 시의 전해액의 액면이 최하면의 위치에 상당한다.
「공기극층 및 부극층의 최상면」은 공기 전지 셀의 구성에 의해 공기극층의 최상면을 의미하는 경우와, 부극층의 최상면을 의미하는 경우와, 공기극층 및 부극층의 최상면을 의미하는 경우가 있다. 각각의 경우에 대하여 도 5를 사용하여 설명한다. 또한, 편의상 공기극 집전체 및 부극 집전체는 생략되어 있다.
도 5의 (a)는 전해액의 액면의 최하면의 위치가 공기극층의 최상면보다도 높은 형태를 도시하는 개략 단면도이다. 도 5의 (a)에 있어서는 전지 케이스(1)의 내측 저면으로부터 부극층(3), 세퍼레이터(7) 및 공기극층(4)이 순서대로 형성되며, 전해액(9)의 최하면의 위치가 공기극층(4)의 최상면보다도 높은 위치로 되어 있다. 또한, 도 5의 (a)에 있어서 산소 가스 공급 수단(20)은 산소 가스가 공기극층(4)의 표면을 수평 이동하도록 배치되어 있다.
도 5의 (b)는 전해액의 액면의 최하면의 위치가 부극층의 최상면보다도 높은 형태를 도시하는 개략 단면도이다. 도 5의 (b)에 있어서는 전지 케이스(1)의 내측 저면으로부터 공기극층(4), 세퍼레이터(7) 및 부극층(3)이 순서대로 형성되고, 전 해액(9)의 최하면의 위치가 부극층(3)의 최상면보다도 높은 위치로 되어 있다. 또한, 도 5의 (b)에 있어서 산소 가스 공급 수단(20)은 산소 가스가 공기극층(4)의 표면으로 방출되도록 연직 상향에 배치되어 있다. 또한, 이 공기 전지 셀은 공기극층이 부극층보다도 하부로 되는 구조를 갖기 때문에 필요에 따라 배기 수단(23)을 설치해도 좋다.
도 5의 (c)는 전해액의 액면이 최하면의 위치가 공기극층 및 부극층의 최상면보다도 높은 형태를 도시하는 개략 단면도이다. 도 5의 (c)에 있어서는 세퍼레이터(7)와, 세퍼레이터(7)의 한쪽 표면에 배치된 부극층(3)과, 세퍼레이터(7)의 다른 쪽 표면에 배치된 공기극층(4)이 배치되고, 전해액(9)의 최하면의 위치가 부극층(3) 및 공기극층(4)의 최상면보다도 높은 위치로 되어 있다. 또한, 도 5의 (c)에 있어서 산소 가스 공급 수단(20)은 산소 가스가 공기극층(4)의 표면으로 방출되도록 연직 상향으로 배치되어 있다.
또한, 도 5에 도시된 공기 전지 시스템에 있어서, 공기 전지 셀은 모두 개방형이지만, 본 발명의 공기 전지 시스템은 산소 가스 공급 수단을 갖기 때문에 공기 전지 셀은 밀폐형이어도 좋다. 수분의 침입을 방지할 수 있다고 하는 관점에서는, 본 발명에 사용되는 공기 전지 셀은 밀폐형의 공기 전지 셀인 것이 바람직하다. 또한, 밀폐형의 공기 전지 셀을 사용하는 경우에는 기밀 설계를 적절하게 행하거나, 전지 케이스 내의 압력을 내리는 배기 수단을 공기 전지 셀에 설치하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서는, 상기 전해액의 최하면의 위치가, 상기 공기극층 및 상 기 부극층의 최상면의 위치보다도 높은 것이 바람직하다. 상기 전해액의 최하면의 위치와, 상기 공기극층 및 상기 부극층의 최상면의 위치의 높이의 차로서는 사용되는 전지 케이스의 용적 등에 따라 다른 것이지만, 예를 들어 1㎜ 내지 30㎜의 범위 내, 그 중에서도 3㎜ 내지 10㎜의 범위 내인 것이 바람직하다. 상기 높이의 차가 지나치게 작으면 용매 등의 휘발에 의해 전해액 부족이 발생되기 쉬워지고, 상기 높이의 차가 지나치게 크면 산소의 공급이 지연되어버려, 고율 방전 특성이 나빠질 우려가 있기 때문이다. 또한, 전해액의 초기 투입량은 방전 또는 충방전에 수반하는 전극의 체적 변화를 미리 측정 또는 계산해 두어 최적의 투입량을 결정하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 사용되는 전극체(공기극, 부극 및 세퍼레이터)의 형상으로서는 특별히 한정되는 것은 아니나, 구체적으로는 평판형, 원통형, 권회형 등을 제시할 수 있다.
(3) 산소 가스 공급 수단의 배치
다음에, 본 발명에 있어서의 산소 가스 공급 수단의 배치에 대하여 설명한다. 본 발명에 있어서는, 전해액에 산소 가스를 버블링에 의해 공급한다. 이에 의해, 방전 반응에 수반하여 전해액 중의 용존 산소의 농도가 감소되는 경우에도 전해액 중의 용존 산소의 농도를 급속하게 증가시킬 수 있어, 고율 방전을 행할 수 있다.
산소 가스 공급 수단의 가스 방출부가 배치되는 위치로서는, 전해액의 용존 산소 농도를 증가시킬 수 있는 위치이면 특별히 한정되는 것은 아니고, 임의의 장 소를 선택할 수 있다. 그 중에서도 본 발명에 있어서는 상기 가스 방출부가 공기극층 근방에 배치되는 것이 바람직하다. 방전 반응에 따라 공기극층에서 많은 산소가 소비되기 때문이다. 본 발명에 있어서, 산소 가스 공급 수단의 가스 방출부와 공기극층의 거리로서는 산소 가스의 유량 등에 따라 다른 것이나, 예를 들어 1㎜ 내지 10㎜의 범위 내, 그 중에서도 2㎜ 내지 5㎜의 범위 내인 것이 바람직하다.
또한, 상기 「(2) 전해액을 많이 사용하는 구성」에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 사용되는 공기 전지 셀은, 방전 또는 충방전에 수반하는 전극의 체적 변화에 따라 전해액의 액면의 높이가 변화되는 경우가 있다. 이러한 경우에 있어서는, 액면이 최하면의 위치에 있어서도 적절하게 버블링을 행할 수 있도록 가스 방출부를 배치하는 것이 바람직하다.
또한, 산소 가스 공급 수단의 가스 방출부의 방향으로서는 전해액의 용존 산소 농도를 증가시킬 수 있는 방향이면 특별히 한정되는 것은 아니고, 임의의 방향을 선택할 수 있다. 그 중에서도, 본 발명에 있어서는, 산소 가스의 거품이 장시간 전해액에 머물도록 가스 방출부의 방향을 선택하는 것이 바람직하다. 가스 방출부의 방향의 구체예로서는, 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 산소 가스가 연직 하향으로 방출되도록 가스 방출부가 배치될 경우, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이 산소 가스가 수평 방향으로 방출되도록 가스 방출부가 배치될 경우, 및 도 5의 (b) 및 도 5의 (c)에 도시된 바와 같이 산소 가스가 연직 상향 방향으로 방출되도록 가스 방출부가 배치될 경우 등을 들 수 있다.
본 발명에 있어서는, 공기 전지 셀 내에서 전해액에 산소 가스를 공급해도 좋고, 공기 전지 셀 외부에서 전해액에 산소 가스를 공급해도 좋다. 상술한 바와 같이, 공기 전지 셀이 전해액을 순환시킴으로써 공기극층 및 부극층을 항상 상기 전해액으로 채우는 공기 전지 셀인 경우에는 산소 가스 공급 수단이 전해액을 순환시키는 순환 영역에 배치되어 있어도 된다. 산소 가스 공급 수단을 공기 전지 셀 외부에 배치함으로써 공기 전지 셀의 소형화를 도모할 수 있다. 「순환 영역」이란, 공기 전지 셀 외부의 영역이며, 또한 전해액을 순환시키기 위하여 사용되는 영역을 말한다.
이러한 순환 영역에서 산소를 공급하는 공기 전지 시스템으로서는, 구체적으로는 도 6에 도시된 바와 같이 모터 등의 전해액 이동 수단(21)을 사용하여, 전해액(9)을 부극층(3), 세퍼레이터(7) 및 공기극층(4)의 순서대로 순환시키는 공기 전지 시스템이며, 전해액 이동 수단(21)의 하류측에 버블 발생 장치(17), 전자기 밸브(12) 및 산소 가스 저장부(11)를 갖는 산소 가스 공급 수단(20)을 구비한 공기 전지 시스템 등을 들 수 있다. 또한, 도 6에 도시된 공기 전지 시스템은 공기 전지 셀 외부에서 전해액에 산소 가스를 공급하는 것이지만, 상술한 도 4에 도시된 바와 같이 공기 전지 셀 내에서 전해액에 산소 가스를 공급해도 좋다.
또한, 본 발명에 사용되는 산소 가스 공급 수단은 상술한 불활성 가스 공급 수단의 기능을 겸비한 것이어도 좋다. 구체적으로는, 도 7에 도시된 바와 같이 산소 가스 공급 수단(20)이 산소 가스 저장부(11) 및 불활성 가스 저장부(16)를 갖고, 전자기 밸브(12)의 절환에 의해 산소 가스 또는 불활성 가스를 사용하는 것이 가능한 공기 전지 시스템 등을 들 수 있다. 또한, 도 7에 도시된 공기 전지 시스 템은 밀폐형의 공기 전지 셀(10)을 사용한 것이며, 전지 케이스(1) 내의 압력을 내리는 배기 수단(23)을 갖고 있다.
또한, 본 발명에 사용되는 산소 가스 공급 수단은, 가스 방출부를 1개 갖는 것이어도 좋고, 2개 이상 갖는 것이어도 좋다. 또한, 본 발명에 있어서는 산소 가스 공급 수단 및 불활성 가스 공급 수단이 별개로 설치되어 있어도 좋다.
(4) 불활성 가스 공급 수단의 배치
다음에, 본 발명에 있어서의 불활성 가스 공급 수단의 배치에 대하여 설명한다. 본 발명에 있어서는, 전해액에 불활성 가스를 버블링에 의해 공급함으로써, 충전 반응에 수반하여 전해액 중의 용존 산소의 농도가 증가되는 경우에도 전해액 중의 용존 산소의 농도를 저하시킬 수 있어 고율 충전을 행할 수 있다.
불활성 가스 공급 수단의 가스 방출부가 배치되는 위치로서는, 전해액의 용존 산소 농도를 저하시킬 수 있는 위치이면 특별히 한정되는 것은 아니고, 임의의 장소를 선택할 수 있다. 그 중에서도 본 발명에 있어서는 상기 가스 방출부가, 공기극층 근방에 배치되는 것이 바람직하다. 충전 반응에 의해, 공기극층에서 많은 산소가 생성되기 때문이다. 또한, 불활성 가스 공급 수단의 가스 방출부와 공기극층의 거리, 불활성 가스 공급 수단의 가스 방출부의 방향, 및 순환 영역 등에 대해서는, 상기 「(3) 산소 가스 공급 수단의 배치」에 기재한 내용과 마찬가지이므로 여기서의 설명은 생략한다.
B. 공기 전지 셀의 제어 방법
우선, 본 발명의 공기 전지 셀의 제어 방법에 대하여 설명한다. 본 발명의 공기 전지 셀의 제어 방법은 도전성 재료를 함유하는 공기극층 및 상기 공기극층의 집전을 행하는 공기극 집전체를 갖는 공기극과, 금속 이온을 흡장·방출하는 부극 활 물질을 함유하는 부극층 및 상기 부극층의 집전을 행하는 부극 집전체를 갖는 부극과, 상기 공기극층 및 상기 부극층의 사이에 설치된 세퍼레이터를 갖고, 방전 또는 충방전에 수반하는 전극의 체적 변화가 생겼을 때에 상기 공기극층 및 상기 부극층이 항상 전해액으로 채워져 있는 공기 전지 셀을 사용하고, 방전 시에 상기 전해액에 산소 가스를 버블링에 의해 공급하는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에 의하면, 전해액에 산소 가스를 버블링에 의해 직접 공급하기 때문에 전해액 중의 용존 산소의 농도를 급속하게 증가시킬 수 있어 고율 방전을 행할 수 있다.
본 발명에 사용되는 공기 전지 셀이 2차 전지인 경우에는, 충전 시에 산소 가스의 공급을 정지하는 것이 바람직하다. 전해액 중의 용존 산소의 농도가 상승되는 것을 방지할 수 있어 충전 반응이 원활하게 진행되기 때문이다. 또한, 공기 전지 셀이 전해액을 순환시킴으로써 공기극층 및 부극층을 항상 상기 전해액으로 채우는 공기 전지 셀인 경우에는 산소 가스를 공급하지 않고 전해액을 순환시킴으로써 충전 반응에 따라 발생하는 산소를 공기극층으로부터 효율적으로 제거할 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서는, 충전 시에, 상기 전해액에 불활성 가스를 버블링에 의해 공급하는 것이 바람직하다. 충전 반응에 수반하여 전해액 중의 용존 산소의 농도가 증가되는 경우에도 전해액 중의 용존 산소의 농도를 저하시킬 수 있어, 고율 충전을 행할 수 있기 때문이다.
본 발명에 사용되는 공기 전지 셀, 및 산소 가스 및 불활성 가스를 전해액에 공급하는 방법 등에 대해서는 상기 「A. 공기 전지 시스템」에 기재된 내용과 마찬가지이므로, 여기서의 설명은 생략한다.
또한, 본 발명은 상기 실시 형태에 한정되는 것이 아니다. 상기 실시 형태는, 예시이며, 본 발명의 특허 청구 범위에 기재된 기술적 사상과 실질적으로 동일한 구성을 갖고, 마찬가지의 작용 효과를 발휘하는 것은 어떠한 것이든 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.
이하에 실시예를 기재하고 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다.
[제1 실시예]
본 실시예에 대해서, 도 1의 (a)를 참고로 하여 설명한다. 또한, 이하의 셀의 조립은 아르곤 박스 내에서 행하였다. 우선, 하부 절연 케이스(1a)의 내측에 부극 집전체(2)를 배치하고, 부극 집전체(2)를 부극 리드(2')와 접합했다. 부극 리드(2')는 하부 절연 케이스(1a) 내를 관통하여 외부로 나와 있다. 다음에, 부극 집전체(2) 위에 부극층(3)을 배치하고, 그 후 하부 절연 케이스(1a)의 중단에 공기극 집전체(6)를 배치하고, 이 공기극 집전체(6)를 공기극 리드(6')와 접합했다. 공기극 리드(6')는 하부 절연 케이스(1a) 내를 관통하여 외부로 나와 있다. 다음에, 하부 절연 케이스(1a)의 중단 위에 세퍼레이터(7)를 배치하고, 그 위에 공기극 메쉬(5) 및 공기극층(4)을 배치하였다.
하부 절연 케이스(1a)의 내측은 나사 홈이 형성되어 있어, 상부 절연 케이 스(1b)의 외측의 나사 홈과 합치하여 접속할 수 있다. 상부 절연 케이스(1b)는 가스킷을 통하여, 세퍼레이터(7) 및 공기극 메쉬(5)를 하부 절연 케이스(1a)와의 사이에 끼움으로써 고정할 수 있다. 이때, 세퍼레이터(7)보다도 공기극 메쉬(5)는 직경이 크기 때문에, 세퍼레이터(7)의 외측에서 공기극 메쉬(5)와 공기극 집전체(6)가 접촉하게 되어 있다. 다음에, 하부 절연 케이스(1a)와 상부 절연 케이스(1b) 사이에 전해액(9)을 주입했다. 전해액(9)은, 셀을 수평하게 배치한 경우에 공기극층(4)이 완전하게 침지될 때까지 주입했다. 다음에, 부극 리드(2')는 마이너스 단자에, 공기극 리드(6')는 플러스 단자에 접속했다.
다음에, 기체 주입용 호스[산소 가스 공급 수단(20)]는 상부 절연 케이스(1b)를 관통하도록 배치하여, 고정용 나사(14)로 고정했다. 또한, 산소 가스 공급 수단(20)은 산소 가스 저장부(11), 전자기 밸브(12a), 가압 펌프(13), 전자기 밸브(12b)를 갖는 것이었다. 또한, 이 공기 전지 시스템은 방전 개시 시에 전자기 밸브(12a, 12b)가 개방되어, 가압 펌프(13)가 작동하여, 산소 가스 저장부(11)로부터 가스가 보내진다. 방전이 종료되면 전자기 밸브(12a, 12b)는 폐쇄되어, 가압 펌프(13)의 작동도 멈추도록 설정된 것이었다.
[제2 실시예]
본 실시예에 대해서, 도 2를 참고로 하여 설명한다. 또한, 이하의 셀의 조립은 아르곤 박스 내에서 행했다. 우선, 직경 80㎜이고 테프론(등록 상표)제인 하부 절연 케이스(1a)의 내측에 니켈 메쉬(두께 150㎛, 직경 40㎜)를 부극 집전체(2)로서 배치하고, 부극 집전체(2)를 부극 리드(2')(니켈제)와 접합했다. 부극 리 드(2')는 하부 절연 케이스(1a) 내를 관통하여 외부로 나와 있다. 다음에, 부극 집전체(2) 위에 부극층(3)을 배치했다. 부극층(3)은 금속 리튬박이며, 두께 250㎛의 시트를 펀칭하여 직경 20㎜로 가공한 것을 사용했다. 이 부극층(3)은 부극 집전체(2)인 메쉬에 압착시켰다. 그 후, 하부 절연 케이스(1a)의 중단 위에 세퍼레이터(7)(폴리에틸렌제, 두께 25㎛, 직경 60㎜)를 배치하고, 그 위에 공기극 메쉬(5)(니켈제, 두께 150㎛, 직경 60㎜) 및 공기극층(4)을 배치했다. 공기극층(4)은 케첸 블랙 80중량부와 이산화망간 10중량부를 마노(瑪瑙) 유발로 혼련한 후에 폴리테트라플루오로에탄(PTFE)을 10중량부 첨가하고, 재차 혼련한 것을 사용했다. 공기극층(4)은 직경 16㎜로 가공한 후, 공기극 메쉬(5)의 중앙부에 눌러 압착했다.
하부 절연 케이스(1a)의 내측은 나사 홈이 형성되어 있어, 상부 절연 케이스(1b)[테프론(등록 상표)제, 외경 60㎜]의 외측의 나사 홈과 합치하여 접속할 수 있다. 상부 절연 케이스(1b)의 선단에는 공기극 집전체(6)로서 니켈제의 집전체(두께 2㎜)가 설치되어 있으며, 또한 공기극 리드(6')에 접속되어 있다. 상부 절연 케이스(1b)는 세퍼레이터(7) 및 공기극 메쉬(5)를 하부 절연 케이스(1a)와의 사이에 끼움으로써 고정할 수 있다. 그때, 공기극 집전체(6)와 공기극 메쉬(5)가 접촉하게 되어 있다. 다음에, 하부 절연 케이스(1a)와 상부 절연 케이스(1b) 사이에 전해액(9)[용매로서 에틸렌카보네이트 30체적부와 에틸메틸카보네이트 70체적부의 혼합 용매를 사용하고, 전해질염으로서 LiPF6을 1몰 체적으로 용매에 혼합한 것)을 주입하였다. 전해액(9)은, 셀을 수평하게 배치한 경우에 공기극층(4) 위 5㎜의 높 이까지 주입하여 완전하게 침지시켰다. 다음에, 부극 리드(2')는 마이너스 단자에, 공기극 리드(6')는 플러스 단자에 접속했다.
다음에, 기체 주입용 호스[산소 가스 공급 수단(20), 외경 6.4㎜의 테프론(등록 상표)제 튜브]는 상부 절연 케이스(1b)를 관통하도록 배치하여 고정용 나사(14)로 고정하였다. 또한, 산소 가스 공급 수단(20)은, 산소 가스 저장부(11), 전자기 밸브(12a), 가압 펌프(13), 전자기 밸브(12b)를 갖는 것이었다. 또한, 이 공기 전지 시스템은 방전 개시 시에 전자기 밸브(12a, 12b)가 개방되고, 가압 펌프(13)가 작동하여 산소 가스 저장부(11)로부터 가스가 보내진다. 방전이 종료되면 전자기 밸브(12a, 12b)는 폐쇄되어 가압 펌프(13)의 작동도 멈추도록 설정된 것이었다.

Claims (7)

  1. 도전성 재료를 함유하는 공기극층 및 상기 공기극층의 집전을 행하는 공기극 집전체를 갖는 공기극과, 금속 이온을 흡장·방출하는 부극 활물질을 함유하는 부극층 및 상기 부극층의 집전을 행하는 부극 집전체를 갖는 부극과, 상기 공기극층 및 상기 부극층 사이에 설치된 세퍼레이터를 갖고, 방전 또는 충방전에 수반하는 전극의 체적 변화가 생겼을 때 상기 공기극층 및 상기 부극층이 항상 비수 전해액으로 채워져 있는 공기 전지 셀과,
    상기 비수 전해액에 산소 가스를 버블링에 의해 공급하는 산소 가스 공급 수단을 갖는 것을 특징으로 하는, 공기 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 공기 전지 셀이, 상기 비수 전해액을 순환시킴으로써 상기 공기극층 및 상기 부극층을 항상 상기 비수 전해액으로 채우는 공기 전지 셀인 것을 특징으로 하는, 공기 전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 산소 가스 공급 수단이 상기 비수 전해액을 순환시키는 순환 영역에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 공기 전지 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 방전 또는 충방전에 수반하는 전극의 체적 변화에 따라 상기 비수 전해액의 액면의 높이가 변화되는 경우에, 상기 비수 전해액의 액면의 최하면의 위치가, 상기 공기극층 및 상기 부극층의 최상면의 위치보다도 높은 것을 특징으로 하는, 공기 전지 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 비수 전해액에 불활성 가스를 버블링에 의해 공급하는 불활성 가스 공급 수단을 더 갖는 것을 특징으로 하는, 공기 전지 시스템.
  6. 도전성 재료를 함유하는 공기극층 및 상기 공기극층의 집전을 행하는 공기극 집전체를 갖는 공기극과, 금속 이온을 흡장·방출하는 부극 활물질을 함유하는 부극층 및 상기 부극층의 집전을 행하는 부극 집전체를 갖는 부극과, 상기 공기극층 및 상기 부극층 사이에 설치된 세퍼레이터를 갖고, 방전 또는 충방전에 수반하는 전극의 체적 변화가 생겼을 때 상기 공기극층 및 상기 부극층이 항상 비수 전해액으로 채워져 있는 공기 전지 셀을 사용하고,
    방전 시에, 상기 비수 전해액에 산소 가스를 버블링에 의해 공급하는 것을 특징으로 하는, 공기 전지 셀의 제어 방법.
  7. 제6항에 있어서, 충전 시에 상기 비수 전해액에 불활성 가스를 버블링에 의해 공급하는 것을 특징으로 하는, 공기 전지 셀의 제어 방법.
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