KR101673614B1 - 초음파를 이용한 리튬공기 배터리에서의 충방전 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 양극재, 음극재, 전해액 및 분리막을 포함하는 리튬공기 배터리에 있어서, 상기 양극재에서 형성되는 리튬산화물을 초음파를 처리하여 방전촉매로부터 충전촉매로 이동시키는 것을 특징으로 하는 리튬공기 배터리의 충방전 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 충방전 방법을 이용할 경우 충방전 촉매간의 물리적 이격에 따른 과전압 발생을 최소화할 수 있으므로 배터리의 수명을 연장할 수 있을 뿐만 아니라 자동차의 연비 개선에도 효과적이다.

Description

초음파를 이용한 리튬공기 배터리에서의 충방전 방법{A method of charging and discharing lithium air battery using the ultrasound}

본 발명은 리튬공기 배터리에서 충방전을 용이하게 하기 위한 방법에 관한 것이다.

리튬공기 배터리는 높은 에너지 밀도로 인해 휴대용 가전제품뿐만 아니라 연료전지차, 하이브리드차, 전기차 등 자동차의 전력 저장원으로서 활용이 가능하다. 리튬공기 배터리는 산소와 리튬의 산화/환원 반응을 이용하고 비수 전해액을 사용하는 배터리로서, 양극재, 음극재, 전해액 및 분리막 등으로 구성되며(도 1 참조), 양극과 음극에서 일어나는 주요 반응은 하기 (1) ~ (3)과 같다.

양극 반응식 O₂ + 2e^- ↔ Li₂O₂ (1)

음극 반응식 2Li ↔ 2Li⁺ + 2e^- (2)

전체 반응식 2Li + O₂ ↔ Li₂O₂ (3)

리튬공기 배터리에서는 충전전압이 약 4.5V이고, 방전전압이 약 2.5V로서 충방전 전압 사이의 차이로 인하여 충전과 방전 사이의 에너지 손실이 크다. 이러한 전압 차이는 촉매에 의해 개선될 수 있는 것으로 기대되고 있으며, 예를 들어 방전촉매(또는 산소 환원 촉매)로서 금을 적용하고 충전촉매(또는 산소 생성반응 촉매)로서 백금을 적용할 경우 효과가 있는 것으로 보고되고 있다.

상기 반응에서 볼 수 있는 바와 같이, 리튬공기 배터리에서는 양극 산화반응에 의하여 Li₂O₂ 또는 Li₂O와 같은 리튬 산화물이 방전촉매 표면에 형성이 되는데, 방전 촉매는 물리적으로 충전 촉매와 떨어져 있어 저항이 발생하고 이로 인하여 과전압이 발생하는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 방전 촉매에서 발생한 리튬 산화물이 물리적으로 떨어진 충전 촉매로 쉽게 이동할 수 있도록 하여 저항 및 과전압 발생을 최소화할 수 있는 기술을 제공하기 위한 것이다.

상기 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 양극재, 음극재, 전해액 및 분리막을 포함하는 리튬공기 배터리에 있어서, 상기 양극재에서 형성되는 리튬산화물을 초음파를 처리하여 방전촉매로부터 충전촉매로 효과적으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 리튬공기 배터리의 충방전 방법을 제공한다.

상기 방법을 이용할 경우 초음파 진동에 의해 리튬 산화물이 방전촉매로부터 충전촉매로 효과적으로 이동될 수 있기 때문에 충전시 발생되는 저항 및 과전압을 감소시킬 수 있다.

도 1은 리튬공기 배터리의 작동원리를 간단히 나타낸 다이어그램이다.
도2는 본 발명에 따른 초음파를 이용한 리튬공기 배터리에서의 충방전 방법을 구현하는 장치의 구성도이다.
도 3은 종래 기술에 있어서 방전시 생성되는 리튬산화물의 이동이 원활하지 않아 접촉 저항이 발생하는 모습을 나타내는 모식도이다.
도 4는 본 발명에 따른 초음파를 이용한 리튬공기 배터리에서의 충방전 방법에 의하여 리튬산화물의 이동이 효과적으로 일어나 접촉 저항이 감소되는 모습을 나타내는 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일 예에 따라 양극재에 복수의 통로를 가지고 있는 충방전 장치를 나타내는 모식도이다.
도 6은 본 발명의 일 예에 따른 리튬공기 배터리 초음파 장비를 나타내는 작동도이다.

이하에서는 본 발명에 관하여 더욱 상세하게 설명한다.

본 발명의 리튬공기 배터리는 양극재, 음극재, 전해액 및 분리막을 포함하여 구성되며, 상기 양극재에서 형성되는 리튬산화물을 초음파를 처리하여 방전촉매로부터 충전촉매로 이동시키는 것이 특징이다.

본 발명에서 상기 초음파의 주파수는 20kHz ~ 2 MHz인 것을 사용하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 20kHz ~ 500 kHz이다.

본 발명에 있어서, 상기 양극재는 다공성 탄소재, 바인더 및 촉매의 혼합물로 구성되고, 상기 음극은 리튬금속으로 구성되며, 상기 전해액은 비수용액인 것을 특징이다. 전해액이 비수용액일 경우 리튬산화물이 전해액에 용해되지 않으므로 물리적으로 분리되어 있는 방전 촉매와 충전 촉매 사이에는 이러한 리튬 산화물을 효과적으로 전달시킬 수 있는 방법이 필요하다. 리튬 산화물의 전달이 원활하지 않을 경우 충전시에 저항이 커지고 과전압이 발생할 가능성이 높다. (도 3 참조)

본 발명은 이러한 요구에 대하여 초음파 처리를 통해 충전 및 방전 촉매를 진동시킬 경우 리튬 산화물의 이동이 효과적으로 일어날 수 있다는 개념에서 개발되었다. (도 4 참조) 본 발명에 있어서 초음파 발생기는 양극재에 연결되어 양극에서의 충방전 반응이 효과적으로 발생하도록 하는 역할을 한다. (도 2 참조)

리튬산화물의 이동이 원활할 경우 충전 및 방전 반응이 효과적으로 일어날 수 있기 때문에 적용 차량의 주행 거리, 출력 및 내구성을 증대시켜 내연 기관에 의한 유해가슬 발생을 원천적으로 차단하여 쾌적한 운전 조건을 제공할 수 있으며, 아울러 차량의 연비를 개선할 수 있는 장점도 있다.

초음파는 사람이 인지하지 못하는 약 20 kHz 이상의 주파수를 가진 음파를 말한다. 또한 수정과 같은 물질의 결정에 교류 전류를 통전시키면 결정이 압축과 팽창을 반복하여 기계적 진동이 일어나 초음파를 발생시키는 효과가 발생하고 이를 역압전 효과(Reverse Piezoelectric Effect)라고 한다. 초음파 생성기는 이러한 역압전 효과를 가진 소재를 초음파 발생 부품(압전재)로 사용하는 장치다.

초음파를 사용할 경우 상기 충전 촉매 및 방전 촉매 간의 리튬 산화물의 효과적인 이동뿐만 아니라, 리튬 산화물에 의해 양극재의 기공이 막히는 문제를 개선할 수 있으며, 아울러 리튬 산화물 뿐만 아니라 외부에서 유입되는 이물질의 파쇄 및 이격도 가능하여 이로 인한 부반응을 최소화할 수 있는 장점도 있다. 초음파 이외의 기계적 진동도 본 배터리에 사용될 수 있으나 분리막이 손상될 수 있고 구조가 복잡하여 장치가 커지는 문제가 있으므로 바람직하지는 않다.

이러한 초음파 기기의 전원은 배터리와 연결되어 차량의 주행 중에는 항시 충전 가능한 별도 전원(세컨더리 배터리 개념)을 구비하고 이 때의 작동도는 도 6과 같다. 도 6과 같이 컴퓨터와 연결 구동되는 스위치는 전원을 온/오프하면 컴퓨터와 연동 작동되도록 연결된다. 즉, 초음파의 세기, 생성시기 등을 컴퓨터에서 결정하는데, 이는 배터리의 전압 전류를 측정하는 전압/전류계가 그 값을 전압/전류치가 특정 수치에 도달했을 때 컴퓨터가 초음파 기기를 제어하도록 연결된다.

본 발명에서, 초음파 발생 시기 제어는 배터리의 용량 상태와 차량 주행 상태에 따라 달리 할 수 있다. 대표적으로 주행 진전, 주행 중 특정 시기에 초음파 발생기가 작동되도록 할 수 있다. 주행 직전에는 차량 시동시 초음파를 발생시켜 양극재 기공 내 석출된 석출물들을 이동시키는 것이 좋다. 주행 중에는 배터리가 방전 상태에 있을 경우 리튬 산화물이 석출되므로 기본적으로 별도의 저용량 배터리를 장착하여 주행 중 배터리 방전시에는 초음파를 항상 발생시키는 것이 주행 거리 증가에 도움이 된다. 그러나 이 경우 전력 낭비의 소지가 있기 때문에 주행 중에는 배터리 방전시 항상 초음파를 발생시키기 보다는 리튬공 기 배터리의 전압 및 전류 상태를 모니터링하여 리튬산화물이 규정치 이상 석출될 때, 즉 배터리 전압 및 전류가 특정 수치 이하로 떨어질 때 초음파를 발생시키는 것이 보다 효율적이다. 또한 경사로와 같은 많은 용량의 배터리 전원이 필요할 때에는 평상시 출력보다 출력이 부족할 수 있으므로 컴퓨터가 판단하여 초음파를 작동하여 정상적 출력을 얻도록 하는 것을 예로 추가할 수 있다.

본 발명에 따른 초음파를 이용한 리튬공기 배터리의 충방전 방법에 있어서, 방전시 양극재에서 발생하는 리튬산화물로 인해 양극재의 기공막힘 현상이 발생하는데 이는 초음파에 의해 어느정도 해결이 되나, 기공막힘 현상을 보다 효과적으로 해결하기 위해서는 기존 양극재 기공 이외에 임의로 만들어진 복수의 공기 통로를 갖도록 하는 것이 바람직하다. (도 5 참조). 이는 석출물에 의한 성능 감소를 사전에 예방하는 역할을 한다. 이러한 통로만으로는 기공막힘 현상 해결 및 과전압 방지 효과가 충분하지 않기 때문에 초음파에 의하여 보다 큰 효과를 발휘한다.

이 때 상기 복수의 공기 통로는 그 지름이 일정한 경우도 효과가 있으나, 그 지름이 일정하지 않고 서로 상이한 경우에 더욱 효과가 좋다. 이러한 이유는 일정한 지름의 통로를 적용할 경우 배터리 출력에 따라 석출물의 발생 시간, 크기가 달라 흡입된 공기의 차이가 현격하게 달라지므로 반응도 차이를 보이고 결과적으로 효과가 반감될 수 있는데, 기공 크기를 서로 상이하게 할 경우 배터리 출력 차이에 의한 공기 흡입의 편차가 발생해도 성능 부조화를 보상할 수 있기 때문이다.

본 발명에 따른 리튬공기 배터리에 있어서 초음파를 이용할 경우 충방전 촉매간의 물리적 이격에 따른 과전압 발생을 최소화할 수 있으므로 배터리의 수명을 연장할 수 있을 뿐만 아니라 자동차의 연비 개선에도 효과적이다.

Claims (5)

1. 양극재, 음극재, 비수용액인 전해액 및 분리막을 포함하는 리튬공기 배터리에 있어서,
   상기 양극재를 초음파 처리하여 상기 양극재에서 형성되는 리튬산화물을 방전촉매로부터 충전촉매로 이동시키는 것을 특징으로 하는 리튬공기 배터리의 충방전 방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 초음파의 주파수는 20kHz ~ 2 MHz인 것을 특징으로 하는 리튬공기 배터리의 충방전 방법.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 양극재는 다공성 탄소재, 바인더 및 촉매의 혼합물로 구성되고, 상기 음극은 리튬금속으로 구성되는 것을 특징으로 하는 리튬공기 배터리의 충방전 방법.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 양극재는 복수개의 공기 통로를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 리튬공기 배터리의 충방전 방법.
   
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 공기 통로는 그 지름이 일정하지 않고 서로 상이한 것을 특징으로 하는 리튬공기 배터리의 충방전 방법.

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