KR101575769B1 - 가역성 향상 구조를 가진 아연 공기 전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가역성 향상 구조를 가진 아연 공기 전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 아연금속을 분말이나 구슬 형태로 구성하지 않고 전해액 내에 이온 형태로 존재하도록 구성함에 따라 산화아연의 생성을 방지하여 전지의 가역성을 향상시킴으로써 충방전 사이클 수명을 증대시켜 2차 전지 형태로 사용할 수 있도록 하는 가역성 향상 구조를 가진 아연 공기 전지에 관한 것이다.
이러한 본 발명은, 음극집전체와 공기양극이 분리막에 의해 분리되고 상기 분리막과 음극집전체의 사이에 전해액이 주입되며 상기 전해액에 아연금속이 혼입되어 상기 공기양극을 통해 공급되는 공기 중의 산소가 상기 전해액 내부에서 상기 아연금속과 반응하여 전기를 발생시키는 아연 공기 전지에 있어서, 상기 아연금속은, 상기 산소와의 반응시 산화아연(ZnO)이 생성되지 않도록 상기 전해액 내부에 아연이온(Zn^{2 +}) 형태로 존재하는 것을 특징으로 하는 가역성 향상 구조를 가진 아연 공기 전지를 기술적 요지로 한다.

Description

가역성 향상 구조를 가진 아연 공기 전지{Zinc-Air cell with structure for improvement of reversibility}

본 발명은 가역성 향상 구조를 가진 아연 공기 전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 아연금속을 분말이나 구슬 형태로 구성하지 않고 전해액 내에 이온 형태로 존재하도록 구성함에 따라 산화아연의 생성을 방지하여 전지의 가역성을 향상시킴으로써 충방전 사이클 수명을 증대시켜 2차 전지 형태로 사용할 수 있도록 하는 가역성 향상 구조를 가진 아연 공기 전지에 관한 것이다.

아연 공기 전지는 공기를 양극 반응 물질로 사용하고 아연금속을 연료물질인 음극 활물질로 사용하는 것으로, 아연금속이 전해액 내에서 공기양극을 통해 공급되는 공기 중 산소의 작용으로 산화 반응하면서 전자를 생성하여 음극집전체에 집전함으로써 전기를 생산하는 것이다.

그러나 종래의 아연 공기 전지는 아연금속을 분말 또는 구슬 형태로 구성함에 따라, 방전시 아연금속의 산화에 의해 전해액으로 용출되는 아연이온의 농도가 전해액 내에서의 포화농도를 초과하게 되면 도 1에 도시된 바와 같이 산화아연(ZnO)의 형태로 아연금속의 표면에 석출되게 된다.

즉, 도 1의 (a)와 같이 아연금속 분말의 표면에 산화아연이 석출되는데, 집전체 부근의 아연금속 분말에는 도 2의 (b)와 같이 산화아연이 바늘 모양 형태로 석출되고, 분리막 부근의 아연금속 분말에는 도 2의 (c)와 같이 산화아연이 꽃 모양 형태로 석출된다.

상기와 같이 아연 공기 전지에서 아연금속의 표면에 산화아연이 석출되면 아연금속의 전기전도성이 낮아짐에 따라 충전시 높은 전기저항으로 작용함으로써 과전압 증가로 가역성이 급격하게 저하되는 현상이 발생할 수밖에 없다.

즉, 아연 공기 전지는 상기와 같이 산화아연의 석출로 인한 가역성의 급격한 저하로 충전이 불가능함에 따라 방전 후에는 아연금속을 보충하고 산화아연을 배출하는 기계적인 충전 없이는 1차 전지 형태로 밖에 사용할 수 없으므로 사용 범위가 극히 제한되는 한계가 있다.

국내 특허등록공보 제10-1176995호, 2012.08.27.자 공고. 국내 특허등록공보 제10-1198029호, 2012.10.31.자 공고.

본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위해 발명된 것으로서, 산화반응에 의해 생성되는 산화아연으로 인한 전지의 가역성 저하를 해소하여 아연 공기 전지를 2차 전지 형태로 사용할 수 있는 가역성 향상 구조를 가진 아연 공기 전지를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 가역성 향상 구조를 가진 아연 공기 전지는, 음극집전체와 공기양극이 분리막에 의해 분리되고 상기 분리막과 음극집전체의 사이에 전해액이 주입되며 상기 전해액에 아연금속이 혼입되어 상기 공기양극을 통해 공급되는 공기 중의 산소가 상기 전해액 내부에서 상기 아연금속과 반응하여 전기를 발생시키는 아연 공기 전지에 있어서, 상기 아연금속은, 상기 산소와의 반응시 산화아연(ZnO)이 생성되지 않도록 상기 전해액 내부에 아연이온(Zn^{2 +}) 형태로 존재하는 것을 특징으로 한다.

상기 아연이온(Zn²⁺)은, 상기 전해액의 용량에 따른 상기 산화아연(ZnO)의 포화농도에 대응되는 기준용량을 초과하지 않도록 존재하는 것으로, 상기 기준용량은 아래의 수학식 1에 의해 산출되는 것을 특징으로 한다.

(수학식 1)

아연이온의 기준용량(g) = 전해액의 용량에 따른 산화아연의 포화농도(mole) × 아연의 원자량(g/mole) × 전해액의 용량(L)

상기 아연이온은, 산화아연(ZnO)을 상기 전해액 내에 화학적으로 용해시켜 상기 전해액 내에 존재하게 되거나, 아연금속을 상기 음극집전체에 전기 도금하여 방전시 산화되면서 상기 전해액 내에 존재하게 되는 것을 특징으로 한다.

상기 아연 공기 전지는, 원통형, 단추형, 튜브형 중 하나의 형태로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기한 구성에 의한 본 발명은,

먼저, 산화아연의 생성을 방지하여 산화아연의 석출에 따른 저항성분 및 과전압 증가 현상을 해소하여 아연 공기 전지의 가역성을 향상시킴에 따라 기계적인 충전이 아닌 전기적인 충전이 가능하여 2차 전지 형태로 사용할 수 있는 효과가 있다.

또한, 아연 공기 전지를 2차 전지 형태로 사용 가능함에 따라 종래의 아연 공기 전지가 가지는 1차 전지로서의 한계를 극복하여 사용 범위를 확대할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 아연 공기 전지를 방전한 후 아연금속 분말의 표면에 산화아연이 석출된 상태를 보여주는 SEM 사진.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가역성 향상 구조를 가진 아연 공기 전지를 1시간 충전하고 방전한 실험 결과를 도시한 그래프.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가역성 향상 구조를 가진 아연 공기 전지를 4시간 충전하고 방전한 실험 결과를 도시한 그래프.

본 발명은 종래의 아연 공기 전지에서 충전시 발생하는 저항성분 및 과전압 증가 현상을 방지하여 기계적인 충전이 아닌 전기적인 충전을 통해 2차 전지 형태로 사용 가능한 가역성 향상 구조를 가진 아연 공기 전지에 관한 것이다.

즉, 상기 저항성분 및 과전압 증가 현상의 원인으로 작용하는 산화아연(ZnO)이 아연금속의 표면에 석출되지 않도록 산화아연의 생성을 방지함으로써 충방전 사이클 수명을 결정하는 가역성을 보장하여 2차 전지 형태로 사용할 수 있도록 한 것이 특징이다.

이러한 특징은 음극집전체와 공기양극이 분리막에 의해 분리되고 상기 분리막과 음극집전체의 사이에 전해액이 주입되며 상기 전해액에 아연금속이 혼입되어 상기 공기양극을 통해 공급되는 공기 중의 산소가 상기 전해액 내부에서 상기 아연금속과 반응하여 전기를 발생시키는 기본적인 구조에다가 상기 아연금속이 구슬이나 분말 형태로 구성되지 않고 아연이온(Zn^{2 +}) 형태로 전해액 내에 존재하는 가역성 향상 구조를 더한 기술적 구성에 의해 달성된다.

단 아연이온은 산화아연이 아연금속의 표면에 석출되지 않도록 전해액의 용량에 따른 산화아연(ZnO)의 포화농도에 대응되는 기준용량을 초과하지 않는 용량으로 구성되어야 한다. 이때 산화아연의 기준용량은 아래의 수학식 1에 의해 산출할 수 있다.

(수학식 1)

아연이온의 기준용량(g) = 전해액의 용량에 따른 산화아연의 포화농도(mole) × 아연의 원자량(g/mole) × 전해액의 용량(L)

따라서 방전시 산화아연이 생성되지 않아 가역성이 향상됨으로써 충전시 저항성분 및 과전압 증가 현상이 발생하지 않아 전기적인 충전이 가능하게 되어 아연 공기 전지를 2차 전지 형태로 사용할 수 있게 된다.

이때 아연이온은 산화아연(ZnO)을 전해액 내에 화학적으로 용해시켜 전해액 내에 존재하게 할 수도 있고, 아연금속을 음극집전체에 전기 도금하여 방전시 산화되면서 전해액 내에 존재하게 할 수도 있다.

한편 아연 공기 전지는 원통형 케이스의 내부에 음극집전체를 설치하고 상기 음극집전체 상부에 아연이온이 존재하는 전해액을 채우며 케이스의 상단에 원판형 분리막과 공기양극을 설치한 원통형으로 구성될 수 있다.

그리고 아연 공기 전지는 단추형 케이스의 내부에 음극집전체를 설치하고 상기 음극집전체 상부에 아연이온이 존재하는 전해액을 채우며 케이스의 상단에 원판형 분리막과 공기양극을 설치한 단추형으로도 구성될 수 있다.

또한 아연 공기 전지는 음극집전체와 분리막과 공기양극을 내측에서 외측으로 차례대로 감싸 튜브 형태로 형성하고 상기 음극집전체의 내부에 아연이온이 존재하는 전해액을 채운 튜브형으로도 구성될 수 있다.

이하 발명의 바람직한 실시예에 따른 가역성 향상 구조를 가진 아연 공기 전지에 대한 충전 및 방전 실험에 따른 결과를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

1. 실험 대상이 되는 아연 공기 전지의 구조

가. 공기양극은 금속 재질의 양극집전체와, 산소화원촉매인 산화코발트(CoO)가 담지된 카본과, 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE) 재질의 시트로 구성하였다.

나. 음극집전체는 2㎠의 단면적을 가지는 니켈 포일(Ni foil)로 구성하였다.

다. 전해액은 10㎖의 6M 수산화칼륨(KOH) 수용액으로 구성하였다.

라. 아연금속은 음극집전체의 표면에 전기적으로 도금하여 방전시 전해액 내에 아연이온 형태로 존재하도록 구성하였다.

이때 상기 아연이온은 상기 수산화칼륨 수용액에 대한 산화아연의 포화농도를 초과하지 않으면서 이론적으로 100% 효율이라는 가정 하에서 0.2A의 전류 또는 0.1A/㎠의 전류로 충전할 때 1시간 충전 가능한 용량으로 구성하였다.

즉, 아연이온은 상기의 수학식 1에 의해 계산된 용량(0.26156g)보다 적은 용량이면서 이론적으로 100% 효율이라는 가정 하에 1시간 충전 가능한 용량이 되도록 아래의 수학식 2 내지 4에 의해 계산된 용량인 0.2439g으로 구성하였다.

(수학식 2)

전류 × 시간 = 전하량

즉, 0.2 A × 3600 sec = 720 C

(수학식 3)

(전하량 / 1몰의 전자가 갖는 전하량) / 전자 수 = 몰

즉, 720 C / 96485 C / 2 = 0.003731 mole

(수학식 4)

몰 × 아연이온의 원자량 = 용량

즉, 0.003731 mole × 65.39 g/mole = 0.2439g

마. 분리막은 폴리프로필렌(PP) 재질의 고분자막으로 구성하였다.

2. 실험 조건

가. 상기한 구조의 아연 공기 전지를 10mA/㎠의 전류(이론적으로 10시간 충전 가능한 전류)로 1시간 충전하고 30분 동안 개회로를 유지한 후 10mA/㎠의 전류로 0.5V까지 방전하고 다시 30분 동안 개회로를 유지하는 충방전 과정을 수차례 반복하였다.

나. 상기한 구조의 아연 공기 전지를 10mA/㎠의 전류로 4시간 충전하고 30분 동안 개회로를 유지한 후 10mA/㎠의 전류로 0.5V까지 방전하고 다시 30분 동안 개회로를 유지하는 충방전 과정을 수차례 반복하였다.

3. 실험 결과

가. 상기 실험 조건 '가'에 대한 결과는 도 2에 도시된 그래프와 같다. 즉, 1시간 충전하고 방전하는 과정을 수차례 반복한 결과이다.

도 2에 따르면 아연 공기 전지의 충전 후 방전시 종래의 아연 공기 전지와 같은 Voltage 영역에서 방전이 이루어지는 것으로 보아 충전시에 아연 이온의 10%가 환원되었다가 방전되는 것임을 확인할 수 있었다.

나. 상기 실험 조건 '나'에 대한 결과는 도 3에 도시된 그래프와 같다. 즉, 4시간 충전하고 방전하는 과정을 수차례 반복한 결과이다.

도 3에 따르면 아연 공기 전지의 충전 후 방전시 종래의 아연 공기 전지와 같은 Voltage 영역에서 방전이 이루어지는 것으로 보아 충전시에 아연 이온의 40%가 환원되었다가 방전되는 것임을 확인할 수 있었다.

도시하지 않았지만 실제로 충전 이후에 상기 아연 공기 전지를 분해하여 관찰하면 환원된 아연금속을 육안으로 확인할 수 있었다.

이상과 같이 본 발명에 따른 가역성 향상 구조를 가진 아연 공기 전지는, 아연금속을 분말이나 구슬 형태가 아닌 이온 형태로 전해액 내에 존재하면서 산화아연의 포화농도에 미치지 않는 용량으로 구성함에 따라 산화아연의 석출을 방지하여 충전 가능하도록 전지의 가역성을 향상시킴으로써 충방전 사이크를 보장하여 2차 전지 형태로 사용할 수 있게 된다.

상기한 실시예는 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야에 대한 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양하게 변형된 다른 실시예가 가능하다.

따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위에는 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 상기의 실시예뿐만 아니라 다양하게 변형된 다른 실시예가 포함되어야 한다.

Claims (4)

1. 음극집전체와 공기양극이 분리막에 의해 분리되고 상기 분리막과 음극집전체의 사이에 전해액이 주입되며 상기 전해액에 아연금속이 혼입되어 상기 공기양극을 통해 공급되는 공기 중의 산소가 상기 전해액 내부에서 상기 아연금속과 반응하여 전기를 발생시키는 아연 공기 전지에 있어서,
   상기 아연금속은 상기 산소와의 반응시 산화아연(ZnO)이 생성되지 않도록 구슬이나 분말 형태로 구성되지 않고 상기 전해액 내부에 아연이온(Zn²⁺) 형태로 존재하고,
   상기 아연이온(Zn²⁺)은 상기 전해액의 용량에 따른 상기 산화아연(ZnO)의 포화농도에 대응되는 기준용량을 초과하지 않도록 존재하는 것으로, 상기 기준용량은 아래의 수학식 1에 의해 산출되며,
   (수학식 1)
   아연이온의 기준용량(g) = 전해액의 용량에 따른 산화아연의 포화농도(mole) × 아연의 원자량(g/mole) × 전해액의 용량(L)
   상기 아연이온은 아연금속을 상기 음극집전체에 전기 도금하여 방전시 산화되면서 상기 전해액 내에 존재하는 것을 특징으로 하는 가역성 향상 구조를 가진 아연 공기 전지.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 아연 공기 전지는,
   원통형, 단추형, 튜브형 중 하나의 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 가역성 향상 구조를 가진 아연 공기 전지.

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