KR101296431B1 - 배터리와 배터리 작동 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고체 전해질(6)을 사이에 두고 배치되는 캐소드(6)와 애노드(10)를 포함하는 배터리에 관한 것이다. 상기 배터리는 캐소드 측에 프로세스 가스 공급부를 포함한다. 상기 배터리는, 캐소드 표면(13)에 전기 전도성 지지체(12)가 배치되고, 상기 지지체는 재차 애노드와 연결된 하나 이상의 챔버(14)를 포함하며, 상기 챔버는 한편으로 다공성의 산화성 물질(16)뿐 아니라, 배터리의 작동 온도에서 기상인 산화환원 쌍을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리와 배터리 작동 방법{BATTERY AND METHOD FOR OPERATING A BATTERY}
본 발명은 특허 청구항 제1항의 전제부에 따른 배터리 및 청구항 제12항에 따라 배터리를 작동하기 위한 방법에 관한 것이다.
예컨대 리튬 이온을 기반으로 하는 재충전 가능한 배터리는 모바일 세계에서 그 중요성이 꾸준히 증가하였다. 여기서 중요한 사항은 특히 저장할 수 있는 에너지 밀도를 지속적으로 높이는 것에 있다. 지속적으로 상승하는 에너지 밀도에 의해 내부 단락의 위험과 그 결과 발생하는 자발적인 에너지 방전도 더욱 증가한다. 최악의 경우, 배터리의 자발적인 에너지 방전이 주변에 상당한 피해를 끼칠 수 있는 화재를 초래할 수 있다.
본 발명의 목적은 가능한 한 높은 에너지 밀도를 가지면서도 높은 프로세스 안전성을 보유한 배터리를 제공하는 것에 있다.
상기 목적은 특허 청구항 제1항에 따른 배터리 및 청구항 제12항의 특징들을 갖는 배터리 작동 방법에 의해 달성된다.
특허 청구항 제1항은 배터리의 방전 프로세스에서 캐소드인 제1 전극과, 방전 프로세스에서 애노드를 나타내는 제2 전극을 구비한 배터리를 포함하고, 상기 두 전극 사이에는 고체 전해질이 배치되며, 이때 캐소드 측에서의 프로세스 가스 공급이 이루어진다. 본 발명은, 제2 전극의 표면에, 제2 전극과 관련하여 개방되고 주변 환경과 관련하여 폐쇄된 저장부가 배치되며, 상기 저장부는 한편으로 다공성이면서, 다시 말하면 가스 투과성이면서 산화성인 물질뿐 아니라, 배터리의 작동 온도에서 기상의 산화환원 쌍을 포함하는 것을 특징으로 한다. 본원에서 주변 환경과 관련하여 폐쇄된다는 개념은 대개 대기의 공기 형태인 프로세스 가스 공급의 반대 개념을 의미한다. 그에 따라 제2 전극은 특히 자유 대기(free atmosphere)로부터 폐쇄된다.
애노드는 일반적으로 산화 반응이 개시되는 전극을 의미한다. 전자는 화학 반응으로부터 흡수되어 전기 커넥터를 통해 방출된다. 전기 화학 반응은 항상 전극과 이온 전도성 고체 전해질 또는 전해질 용액 사이의 상 경계(phase boundary)에서 개시된다. 그러므로 전해 시에 애노드는 양극 전극이다. (전해는 전기 에너지를 소모한다.)
전기 에너지를 생성하는, 본원에 기재된 배터리 같은 전기 화학 소자의 경우, 애노드에서는 산화 과정이 개시되는데, 다시 말하면 전해질에서 나오는 음이온(음전하 이온)이 방전되고 중성 원자가 양이온이 된다. 그런 다음 애노드와 캐소드가 전기 회로에 연결되면, 이와 같은 외부 연결부를 통해 전자가 캐소드 쪽으로 흐르고, 그런 다음 상기 외부 전기 회로에서 애노드는 음극으로서 작용한다(이런 효과는 하기에 기재된 것처럼 배터리에서, 또는 연료 전지에서도 발생한다).
(이런 경우에 존재하는 것과 같은) 재충전 가능한 배터리의 경우, 배터리가 충전 또는 방전되는지의 각각의 여부에 따라, 동일한 전극이 교호적으로 애노드로서, 또는 캐소드로서 기능할 수 있다. 그러나 각각의 전극은 자체 전위의 부호를 유지하며, 그럼으로써 양극 전극은 배터리의 방전 시에 캐소드로서 기능하지만, 배터리의 충전 시에는 애노드로서 기능하기도 한다. 음극 전극은 방전 시에 애노드로서, 그리고 충전 시에는 캐소드로서 기능한다.
따라서 공기 측의 전극은 양극 전극이고, 산화성 물질 측에 위치하는 전극은 음극 전극이다.
이하에서는, 별도로 반대 사항이 언급되지 않는 점에 한해서, 배터리의 방전 상태가 설명되고, 제1 전극 개념은 캐소드 개념과 동일시되며, 제2 전극 개념은 애노드 개념과 동일시된다.
산화성 물질을 포함하는 저장부는 본 발명의 바람직한 구현예에 따라 챔버 내에 배치되고, 상기 챔버는 지지체에 의해 형성되며, 상기 지지체는 재차 애노드에 장착된다. 산화성 물질은 바람직하게는 다공성 형태로 존재한다. 상기 물질은 배터리의 방전 시에 산소 흡수를 통해 자체의 부피를 증가시키고 그에 따라 산소 이온 전도성 고체 구조(예: 전해질)로부터 분리될 수도 있기 때문에, 산소는 바람직하게는 기상의 산화환원 쌍의 확산을 통해 산화성 물질로 공급된다. 이 경우 산화환원 쌍은 애노드에서 전해질로부터 산소 흡수를 통해 재생된다. 이 경우 산화성 물질은 바람직하게는 애노드 내 물질보다 더욱 비금속에 가까운 것으로 선택됨으로써 상기 애노드 내 물질이 산화로부터 보호되며, 이는 애노드의 전도성의 손실과 애노드의 기계적 파괴를 야기할 수도 있다.
배터리의 출력은 캐소드 측에서의 프로세스 가스 공급에 의존하며, 상기 프로세스 가스 공급의 중단 시에, 특히 프로세스 가스로서의 공기에 의해 캐소드 측의 가스 공급부 내에 질소 쿠션이 형성되고, 이 질소 쿠션은 또한 예컨대 전해질의 파괴 시에 긴 확산 경로를 통해 추가의 산화로부터 산화성 물질을 보호하기 때문에, 각각의 방전 반응도 즉시 억제된다. 그에 따라 본 발명에 따른 배터리는 에너지 밀도가 매우 높은 경우에도 두 반응물이 저장되어 존재하는 종래의 재충전 가능 배터리보다 훨씬 더 높은 안전성을 나타낸다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따라, 애노드 물질은 전기 및 이온 전도성을 동시에 포함하며, 두 전도성 유형은 단상 또는 다상으로 존재할 수 있다. 여기서 전기 전도성 물질은 일반적으로 금속처럼 전자 흐름을 통한 전기 전도를 나타내는 물질을 의미한다. 그에 반해 전해질 전도성 물질은 순수 이온 수송을 통한 전도를 나타낸다.
그 외에도 애노드 물질을 금속-세라믹 복합 물질의 형태로, 특히 이른바 서밋(Cermet)의 형태로 구성하는 점이 바람직한 것으로 확인되었다. 금속-세라믹 복합 물질을 이용하는 것을 통해 전해질 전도성 물질, 예컨대 도핑된 금속 산화물과 함께 전기 전도성 금속이 형성될 수 있다. 그리고 단상 시스템은, 두 전도성 유형에 대해 부피 전체가 이용되고 이는 저항을 강하시킨다는 장점을 갖는다.
또한, 마찬가지로 바람직한 것으로서 확인된 점에 따르면, 애노드의 전기 전도성 물질은 지지체의 저장부 내지 챔버 내의 산화성 물질보다 더욱 높은 전기 음성도(electronegativity)를 포함한다(또는 산화성 물질보다 산소 부분압이 더욱 높을 때 비로소 산화될 수 있다). 지지체의 챔버 내 산화성 물질은 프로세스 가스를 화학적으로 저장하는 역할을 하며 기상으로 이송되는 산화환원 쌍에 의해서는 산화되게 된다. 이런 프로세스는, 애노드의 전도성 물질이 산화환원반응에 불필요하게 포함되지 않도록 하기 위해, 상기 환원성 물질이 애노드의 전도성 물질보다 더욱 낮은 전기 음성도를 가질 때 화학적으로 더욱 수월하게 구성된다. 또한, 이와 관련하여, 바람직하게는 챔버의 산화될 물질은 금속이다.
본 발명의 추가의 구현예에 따라, 애노드의 전자 전도성 물질은 니켈, 망간, 몰리브덴, 텅스텐 또는 철과 같은 금속을 함유한다. 여기서 재차 바람직하게는, 이미 언급한 것처럼, 애노드 금속 내지 산화성 물질의 쌍 형성의 선택 시에 애노드 금속이 산화될 물질보다 더욱 높은 전기 음성도를 나타낸다는 점에 유의해야 한다.
또한, 이와 관련하여, 바람직하게는 챔버 내 산화성 물질은 금속이다. 여기서 리튬, 망간, 철 또는 티타늄과 같은 금속 내지 이들 금속의 합금이 바람직한 것으로 입증되었다.
특히 바람직하게는 600℃와 800℃ 사이인 배터리의 작동 온도에서, 산화환원 쌍은 바람직한 구현예에 따라 수소와 수증기로 구성된다. 여기서 추가적인 과정으로 (기상의) 물과 챔버 내 산화성 물질 사이에 반응이 이루어진다. 여기서 산화성 물질은 물에 의해 산화되며, 대개는 금속 산화물과 수소가 생성된다.
본 발명의 일 구현예에 따라 배터리 내에서 양극 측에는 프로세스 가스 분배기가 배치되며, 상기 프로세스 가스 분배기는 바람직하게는 프로세스 가스, 대개 공기를 캐소드에 균일하게 분배한다.
본 발명의 또 다른 바람직한 구현예에 따라, 지지체는 U자형 횡단면을 포함하며, 상기 횡단면에는 경우에 따라 관통된 웨브들이 횡단되며, 그럼으로써 한편으로 애노드 쪽을 향해 연속되는 중공부들이 생성되고, 이들 중공부는 산화환원 쌍의 가스 수송을 가능하게 하며, 다른 한편으로 인접 셀의 캐소드 쪽으로 흐름을 전달하도록 하기 위해 애노드에 전자 접촉한다. (또한, 기공으로서도 형성될 수 있는) 중공부들 내로는, 산화성 물질, 다시 말해 바람직하게는 리튬, 망간, 철 또는 티타늄과 같은 금속 중 하나가 바람직하게는 고비표면적 형태(high surface area form)로 삽입될 수 있다.
이 경우 챔버는 재차 바람직한 구현예에 따라, 산화환원 쌍의 흐름이 가능한 한 방해받지 않으면서 산화성 물질을 포함하는 챔버 내로 도달할 수 있도록 하기 위해, 애노드 쪽을 향해 개방된다.
본 발명은 또한 배터리를 작동하기 위한 방법을 제안하며, 이 경우 음전기 가스가 제1 전극(방전 프로세스에서는 캐소드)에서 안내되고, 가스는 캐소드와 인접 전해질 층 사이의 경계면에서 (더욱 정확하게 말하면, 가스와 이온 전도체와 전자 전도체 사이의 3상 경계에서) 음이온으로 변환되고, 그런 다음 상기 형태로 전해질 층을 통과하여 애노드(제2 전극) 쪽으로 이동된다. 전해질과 애노드 사이의 경계면에서 (또는 가스와 이온 전도체와 전자 전도체 사이의 3상 경계에서) 음이온은 기상의 산화환원 쌍의 환원 파트너와 함께 산화 파트너로 변환된다. 방출되는 전자는 전기 전류 흐름의 형태로 방전된다. 기상의 산화 반응 생성물은 중공부 내로 확산되며, 상기 중공부 내에서 상기 반응 생성물은 그 내부에 포함된 산화성 물질과 반응한다.
기재된 방법을 통해서는, 기상의 생성물을 통해 프로세스 가스가 자체의 최종적인 산화 파트너 쪽으로 방전될 수 있으므로 비교적 거대 부피로 형성되는 고체 산화성 물질의 저장부가 제공되기 때문에, 비교적 높은 에너지 밀도를 갖는 배터리가 형성된다. 애노드 자체는 반응으로부터 대폭 배제된 상태로 유지되며, 이 경우 소모되지 않는다. 또한, 기재한 방법은 높은 프로세스 안전성을 나타내는데, 그 이유는 프로세스 가스 흐름이 중단될 때 배터리의 신속한 자발적인 방전이 발생할 수 없기 때문이다.
본 발명의 추가의 구현예에 따라, 프로세스 가스는 애노드 표면에서 반응 파트너인 수소와 반응하여 물을 생성하는 산소이다. 여기서 배터리의 프로세스 온도에서 기상의 수증기로 존재하는 물은 산화성 물질 쪽으로, 다시 말해 바람직하게는 금속 쪽으로 안내되고, 금속은 재차 배터리의 프로세스 온도에서 금속 산화물로 산화되고 이런 반응에서 분자 형태의 수소가 생성되며, 수소는 다시 애노드 쪽으로 이동하고 애노드에서는 이온 형태로 존재하는 프로세스 가스인 산소와 다시 반응하여 물을 생성한다.
그러나 본 발명에 따른 방법의 경우, 기본적으로 예컨대 하기 화학 공식에 따라 반응하는 금속 기반의 또 다른 산화환원 쌍도 바람직하다.
Figure 112012054693868-pct00001
또한, 배터리를 작동하기 위한 방법은 바람직하게는 재충전 가능한 배터리와 관련되며, 이 경우 배터리의 충전 프로세스를 위해 애노드 및 캐소드의 분극이 야기되고 산화환원 프로세스가 반대되는 방향으로 진행되며, 산화된 물질은 다시 환원된다.
본 발명의 추가의 바람직한 구현예들은 하기의 도들에 따라 더욱 상세하게 설명된다.
도 1은 고체 전해질을 포함하는 재충전 가능한 배터리의 개략도이다.
도 2는 산화성 물질 저장부와 고체 전해질을 포함하는 배터리의 개략도이다.
도 1에는 산화 이온 수송부를 포함하는 재충전 가능한 배터리(1), 이른바 재충전 가능한 산화물 이온 배터리(ROB)가 개략도로 도시되어 있으며, 본원에 기재된 배터리도 상기 ROB의 원리를 기초로 한다.
상기 배터리는 방전 프로세스에서 캐소드를 형성하는 전극을 포함하며, 캐소드에는 이른바 프로세스 가스를 나타내는 연속적인 공기 흐름이 공급된다. 또한, 배터리는 추가의 전극, 즉 배터리의 방전 프로세스에서 고체 전해질에 의해 캐소드로부터 분리되는 애노드를 포함하며, 애노드와 캐소드 사이에서는 산소(O2 -)의 이온 수송이 이루어진다.
상기 산소 이온 흐름은 방전 프로세스에서 캐소드(프로세스 가스 전극)로부터 (산화환원 쌍을 통해 산화성 금속에 연결된) 애노드 쪽으로 이루어지고, 충전 프로세스에서는 그 반대 방향으로 이루어지지만, 전극들의 극성은 그대로 유지된다. 상기 배터리의 작동 온도는 500℃와 800℃ 사이이며, 특히 약 600℃이다. 상기 온도는 특히 고체 전해질 내에서의 이온 수송을 위해 바람직하다.
상기 유형의 배터리의 구현예는 도 2에서 더욱 상세하게 설명된다. 도 2에는 가스 분배기(4)를 포함하는 배터리(2)가 도시되어 있으며, 상기 가스 분배기는 가스 채널들(5)을 사이에 두고 배치된 가이드 리브들(7)을 포함한다. 프로세스 가스는 가스 채널들(5)을 통과하여 캐소드(6)(제1 전극)로 안내된다. 캐소드(6)에서 프로세스 가스, 예컨대 공기의 산소는 O2 - 이온으로 환원되고, 고체 전해질(8)을 통과하여 이온 전도를 통해 애노드(10)(제2 전극) 쪽으로 안내된다. 고체 전해질은 바람직하게는 예컨대 산화 지르코늄 또는 산화 세륨과 같은 금속 산화물로 구성되고, 이 금속 산화물은 재차 예컨대 스칸듐 같은 금속으로 도핑된다. 도핑 물질은 이온화된 가스, 예컨대 O2 -를 수송하기 위해 고체 전해물 내에 산소 공공(oxygen vacancy)을 생성하는 역할을 한다.
애노드(10)에서 표면에는 바람직하게는 기상인 환원제가 위치하며, 상기 환원제는 특히 하기 방정식에 따라 이온 산소(O2 -)와 반응하여 H2O를 생성하는 분자 수소(H2)로서 존재할 수 있다.
Figure 112012054693868-pct00002
(방정식 1).
이 경우 방출되는 전자는 (예컨대 특수강으로 이루어진) 전자 전도성 지지체(12)를 통해, 그리고 쌍극 플레이트(13)를 통해 인접 셀로 배출된다. 이처럼 애노드에서의 셀 방전 시 과량의 전자는 캐소드에서의 부족량의 전자와 쌍을 이루어, 배터리의 외부 회로에서 전기 전류 흐름을 달성한다.
가스 분배기(4)는 가이드 리브들(7) 사이에 배치되는 자체의 가스 채널들(5)과 함께 약 1㎜ 크기의 총 높이를 갖는다. 가스 분배기(4) 상에 적층되는 캐소드는 약 100㎛ 크기의 두께를 갖는다. 캐소드는 예컨대 페로브스카이트(perovskite), 예컨대 LaSrMnO4로 구성될 수 있다. 캐소드(6) 상에는 재차 통상적으로 30㎛와 50㎛ 사이, 바람직하게는 40㎛의 층 두께를 포함하는 전해질(8)이 적층된다. 상기 전해질은 바람직하게는 이미 기재한 것처럼 금속 도핑된 금속 산화물로 구성될 수 있다. 전해질(8) 상에는 40㎛와 60㎛ 사이, 바람직하게는 50㎛의 층 두께를 갖는 애노드(10)가 적층된다. 애노드는 바람직하게는 금속-세라믹 복합 물질, 이른바 서밋으로 형성된다. 이 경우 애노드(10)는 전자 전도성을 보장하는 금속 상(metallic phase)을 포함한다. 애노드의 금속 상을 위한 바람직한 금속은 리튬, 망간, 철, 티타늄 또는 니켈이다. 그 외에도 애노드는 경우에 따라 금속 산화물 형태의 전해질 전도 상(electrolytic conducting phase)을 포함하며, 상기 전해질 전도 상은 예컨대 산화 지르코늄의 형태로 형성될 수 있다.
마찬가지로 고체 전해질을 통해 산소(O2 -)와 같은 이온화된 가스를 수송하는 종래 기술에 따른 통상적인 고체 배터리에서는 음전하 산소의 반응이 이루어지면서 애노드의 물질의 산화물이 생성되며, 이때 상기 애노드의 물질이 산화된다. 그럼으로써 애노드 물질이 소모된다(산화된다). 전도성 애노드 물질이 소모될 때 배터리는 방전된다. 그러나 본원의 배터리 내에서 애노드 표면에는 산소 이온을 위한 반응 파트너가 제공되며, 이 반응 파트너는 수소의 형태로 존재한다. 이미 언급했듯이, 산소는 수소와 반응하면서 전자를 방출하며, 이 경우 애노드 표면에서는 H2와 H2O의 평형이 존재한다. 여기서는 연료 전지의 작동 온도에서 기상의 형태로 존재하는 산화환원 쌍이 관련된다.
그런 다음 애노드(10)의 표면(13)에는 경우에 따라 관통된 웨브들(20)을 포함하는 지지체(12)가 장착되며, 상기 웨브들은 재차 챔버들(16)을 서로 분리한다(도 2의 확대 단면도도 참조). 상기 챔버들(16)은 바람직하게는 원소 금속의 형태인 산화성 물질로 채워진다. 바람직하게는 리튬, 망간, 철 또는 티타늄의 그룹으로 구성되는 상기 원소 금속은 분말로서 또는 다공성 압축물(compact)로서 존재한다. 기상의 상으로 산소를 위한 담체 물질로서 이용되는 산화환원 쌍 H2/H2O는 챔버(14)(중공부)를 통과하여 산화성 물질(16)의 다공성에 의해 상기 산화성 물질 내로 확산되면서(화살표 18 참조), 하기 방정식에 따라 산화성 물질(16)과 반응한다.
Figure 112012054693868-pct00003
(방정식 2)
위의 식에서 Me는 금속을 나타낸다. 금속(Me)은 바람직하게는 상기 반응에서 전자 전도 상(electronically conducting phase)을 형성하는 애노드(10)의 금속보다 더욱 낮은 전기 음성도를 포함해야 한다. 이런 경우일 때 이온화된 산소의 성향은 H2와 반응하고 그 결과 생성되는 H2O는 재차 애노드 금속과 반응하는 것보다 더욱 많이 산화성 금속(16)과 반응하며, 그럼으로써 애노드 물질이 산화로부터 보호된다.
상기 반응 시 발생하는 분자 수소(H2)는 다시 애노드(10)로 이동하여, 상기 애노드(10)에서 발생하는 이온화된 산소(O2 -)와 다시 반응한다.
본원에 기재된 산화환원 쌍 H2/H2O는 바람직한 산화환원 쌍이기는 하지만, 상기 산화환원 쌍은 약 600℃의 배터리 작동 온도에서 함유된 구성 성분들이 기상의 형태로, 상황에 따라서는 액상의 형태로도 충분한 농도로 존재하는 또 다른 산화환원 쌍으로 교체될 수도 있다. 조건은 산화된 성분이 H2O와 유사하게 챔버 내에 존재하는 산화성 물질(16)(예: MnFe)과의 반응, 즉 산화 반응을 하는 것에 있다.
그러나 가장 바람직한 프로세스 가스는 공기이거나 공기 중에 함유된 대기중 산소이기 때문에, 산화환원 쌍은 하기 반응 방정식에 따라 생성되어야 한다.
Figure 112012054693868-pct00004
(방정식 3)
상기 식에서, X는 또 다른 적합한 화학 원소일 수 있다. 상기 화학 반응 방정식은 하기 특성을 충족해야만 한다.
1.
Figure 112012054693868-pct00005
(방정식 4)
다시 말하면, 반응(산화환원 쌍 X:XO2의 반응) 시에 방출되는 깁스(Gibbs) 자유 엔탈피는 금속과 방정식 2에 따라 금속(Me)의 산화를 통해 생성되는 금속 산화물 사이의 반응의 깁스 자유 엔탈피에 상응해야 한다.
2. 부분압(px) 및 부분압(pXnOm)은, 약 0.04 A/㎠ 영역의 전류 밀도를 달성하도록 하기 위해 충분히 높아야만 한다. 따라서 산화환원 쌍 H2/H2O의 경우, 기체 역학적인 이유에서, 더욱 낮은 압력을 갖는 음극 전극의 전위에서 평형 상태로 존재하는 구성 성분들은 10-8bar 이상을 달성해야만 한다. 그 결과, 예컨대 망간 전극의 경우 600℃(1.25V) 조건에서 적어도 "pH2O = 10-8 bar 이고 pH2 = 10-5bar" 가 도출된다. 그에 상응하게 바람직하게는 부분압은 다음과 같이 선택된다.
pH2 = 1bar 이고 pH2O = 10-3bar
산화환원 쌍 H2/H2O의 대체되는 실시예로서 예컨대 금속 증기 및 그 휘발성 산화물(예: CO/CO2), 수산화물 또는 수소화물이 제공된다.
상기 유형의 배터리 구성의 장점은 높은 전류 밀도가 달성될 수 있다는 점에 있다. 또한, 반응 과정은 유입하는 프로세스 가스에 따라 결정된다. 프로세스 가스 흐름이 중단되는 즉시, 배터리는 전류를 더 이상 생성할 수 없으며, 연소에까지 이르는 통제되지 않은 열 발생이 수반되는 통제되지 않은 방전도 초래하지 않을 수 있다.
배터리(2)의 구성은 특히 스택 구성에도 적합하며, 이는 도 2에서 지지체(12)의 상부에 다시 추가의 가스 분배기(4')가 배치되고 이 가스 분배기는 추가의 셀의 하부 부분을 나타내는 점으로써 지시되어 있다. 셀의 기본 면적은 예컨대 150㎜ x 150㎜일 수 있다.
배터리(2) 전체는 열적 절연되고 캡슐화되어 배치되는데, 그 이유는 작동 온도가 대략 600℃이기 때문이다. 열 교환기를 통해 프로세스 가스 내에서 프로세스 가스 유입 측으로 함께 안내되는 열의 회수 시에, 그리고 배터리(2) 전체의 양호한 절연 조건에서 부피 대 표면적 비율이 충분히 큰 경우에, 작동 온도의 유지는 배터리 내 내부 저항체를 통해 불가피하게 발생하는 출력 손실에 의해서만 확보될 수 있다. 경우에 따라 무부하 작동 모드에서는 완만한 냉각을 방지할 수 있도록 하기 위해 더욱 낮은 전류가 유지되어야만 한다.
상기 유형의 기재된 배터리는 특히 연속 작동 모드의 정상 상태 에너지 어큐뮬레이터(steady-state energy accumulator)로서 적합하다. 상기 배터리는, 예컨대 풍력 터빈이나 또 다른 재생 에너지원이 에너지를 생산하고 그 에너지가 그리드(grid)에서 소요되지 않을 때 발생하는 과량의 그리드 에너지를 흡수하는 역할도 한다. 따라서 과량의 에너지는 재생 에너지원으로부터 상기 유형의 배터리로 공급될 수 있다.
● 상기 유형의 배터리(2)로 에너지를 공급하기 위해, 다시 말하면 배터리(2)를 충전하기 위해, 제1 전극과 제2 전극 사이의 흐름 방향이 반전되고, 제1 전극은 애노드가 되며, 제2 전극은 캐소드가 된다. 그럼으로써 전자는 지지체(12)의 영역, 또는 이 경우 산화된 물질의 영역에서 MemOn(방정식 2 참조)으로 유도되며, MemOn은 Me로 환원된다. 따라서 제2 전극(10)을 경유하여 전해질(8)을 통해서 제1 전극(6)의 방향으로 이온 산소(O2 -)의 이송이 이루어지고 제1 전극에서는 산소 이온이 다시 자체의 음전하를 방출하며 전극(이제는 애노드)으로부터 출발하여 산소 가스로서 가스 분배기(4)의 방향으로 이동하는 점에 한해서, 반응 프로세스 전체의 방향은 반전된다.

Claims (17)

  1. 고체 전해질(8)을 사이에 두고 배치되는 제1 전극(6)과 제2 전극(10)을 포함하고, 제1 전극에 프로세스 가스 공급부를 포함하는 배터리에 있어서,
    제2 전극의 표면에는 제2 전극과 관련하여 개방되고 주변 환경과 관련하여 폐쇄되는 저장부가 배치되며, 상기 저장부는 한편으로 가스 투과성이면서 산화성인 물질(16)뿐 아니라 배터리의 작동 온도에서 기상의 산화환원 쌍을 포함하며, 산화환원 쌍은 수소와 물을 기반으로 구성되며, 물과 산화성 물질 사이에서 반응이 개시되는 것을 특징으로 하는, 배터리.
  2. 고체 전해질(8)을 사이에 두고 배치되는 제1 전극(6)과 제2 전극(10)을 포함하고, 제1 전극에 프로세스 가스 공급부를 포함하는 배터리에 있어서,
    제2 전극의 표면에는 제2 전극과 관련하여 개방되고 주변 환경과 관련하여 폐쇄되는 저장부가 배치되며, 상기 저장부는 한편으로 가스 투과성이면서 산화성인 물질(16)뿐 아니라 배터리의 작동 온도에서 기상의 산화환원 쌍을 포함하며, 산화환원 쌍은 CO와 CO2를 기반으로 구성되며, 물과 산화성 물질 사이에서 반응이 개시되는 것을 특징으로 하는, 배터리.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제2 전극에는 저장부를 둘러싸는 전기 전도성 지지체(12)가 배치되는 것을 특징으로 하는, 배터리.
  4. 제3항에 있어서, 상기 지지체(12)는 하나 이상의 챔버(14)를 형성하고, 상기 챔버 내에는 산화성 물질의 저장부가 내장되는 것을 특징으로 하는, 배터리.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제2 전극(10)의 하나 이상의 전기 전도성 물질 성분은 지지체의 챔버 내 산화성 물질보다 더욱 높은 전기 음성도를 포함하는 것을 특징으로 하는, 배터리.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 산화성 물질(16)은 금속인 것을 특징으로 하는, 배터리.
  7. 제6항에 있어서, 상기 산화성 물질(16)은 리튬, 망간, 철 또는 티타늄을 기반으로, 또는 상기 금속들로 이루어진 합금을 기반으로 구성되는 것을 특징으로 하는, 배터리.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제2 전극(10)의 물질은 니켈, 망간, 몰리브덴, 텅스텐 또는 철과 같은 물질들을 함유하는 것을 특징으로 하는, 배터리.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 프로세스 가스 공급은 제1 전극에 배치되는 프로세스 가스 분배기(4)에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는, 배터리.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 프로세스 가스는 공기인 것을 특징으로 하는, 배터리.
  11. 제3항에 있어서, 상기 지지체(12)는 U자형 횡단면을 포함하고, 이 횡단면에는 하나 이상의 웨브(20)가 횡단되며, 상기 웨브들은 2개 이상의 챔버(14)를 서로 분리하는 것을 특징으로 하는, 배터리.
  12. 배터리(2)를 작동하기 위한 방법이며, 제1 전극(6)으로 가스가 안내되고, 상기 가스는 환원되며, 환원된 가스는 이온 형태로 제1 전극(6)에 배치된 전해질 층(8)을 통과하여 제2 전극(10) 쪽으로 안내되며, 상기 제2 전극의 표면(13)에서는 상기 환원된 가스가 반응 파트너에 의해 배터리(2)의 작동 온도에서 기상인 반응 생성물로 변환되며, 이때 전자가 방출되고, 상기 전자는 전기 전류 흐름의 형태로 방전되고, 상기 기상의 반응 생성물은 챔버(14) 내로 안내되며, 상기 챔버 내에서는 상기 반응 생성물은 챔버 내에 포함된 산화성 물질(16)과 반응하는, 배터리 작동 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 가스는 산소인 것을 특징으로 하는, 배터리 작동 방법.
  14. 제12항에 있어서, 상기 반응 파트너는 수소인 것을 특징으로 하는, 배터리 작동 방법.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서, 산소와 수소는 서로 반응하여 물을 생성하는 것을 특징으로 하는, 배터리 작동 방법.
  16. 제13항 또는 제14항에 있어서, 수소와 물은 산화환원 쌍을 형성하고, 물은 산화성 물질에 의해 수소로 환원되며, 이 경우 산화성 물질이 산화되고 수소가 재차 제2 전극에서 산소와 산화되어 물이 생성되는 것을 특징으로 하는, 배터리 작동 방법.
  17. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 배터리(2)의 충전 프로세스를 위해, 제1 전극과 제2 전극 사이의 흐름 방향이 바뀌며, 그럼으로써 산화환원 프로세스는 반대 방향으로 진행되고 산화된 물질(16)은 다시 환원되는 것을 특징으로 하는, 배터리 작동 방법.
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