KR101747506B1 - 2차 배터리 시스템 및 2차 배터리 시스템의 충방전 방법 - Google Patents

2차 배터리 시스템 및 2차 배터리 시스템의 충방전 방법 Download PDF

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Abstract

충전시간을 단축시킬 수 있는 본 발명의 일 측면에 따른 2차 배터리 시스템은, 리튬 또는 마그네슘을 포함하는 금속물질로 구성된 음극; 다공성 탄소물질로 구성된 양극; 및 상기 음극과 상기 양극의 사이에 배치되고, 상기 음극의 금속물질로부터 생성된 금속이온을 상기 양극으로 전달하는 전해질을 포함하는 2차 배터리와, 상기 금속이온과 산소의 결합으로 생성된 금속산화물의 환원시 발생되는 산소를 외부에서 주입되는 수소와 결합시키는 충전부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

2차 배터리 시스템 및 2차 배터리 시스템의 충방전 방법{Secondary Battery System and Method for Charging/Discharging Secondary Battery System}
본 발명은 2차 배터리에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 2차 배터리의 충방전에 관한 것이다.
전기 자동차에 이용되고 있는 리튬 이온 방식의 배터리는 단거리의 이동에 사용되는 플로그 인 하이브리드 차량(Plug-in HEV)의 에너지 저장용도로는 적합하지만, 용량 대비 배터리의 무게가 무거울 뿐만 아니라 충전시간이 오려 걸려 장거리의 이동에 사용되는 전기 자동차의 에너지 저장용도로는 적합하지 않다.
예컨대, 리튬 이온 방식의 배터리를 한번 충전하여 480Km를 주행하고자 하는 경우 리튬 이온 방식의 배터리는 85 내지 95Kw의 성능이어야 하므로, 배터리의 무게가 570kg 내지 860Kg에 달하게 되어 1t정도 무게의 전기 자동차를 기준으로 할 때 배터리의 무게가 전기 자동차 무게의 70%이상을 차지하게 되어 전기 자동차의 연비가 나빠질 수 밖에 없다.
이러한 리튬 이온 방식의 배터리의 한계를 극복하기 위해 높은 에너지 밀도를 갖는 리튬 에어 배터리가 제안된 바 있다. 리튬 에어 배터리는 높은 에너지 밀도로 인해 전기 자동차, 연료 전지 자동차, 및 하이브리드 자동차뿐만 아니라 휴대용 가전제품 등에도 활용이 가능하다.
일반적인 리튬 에어 배터리의 구조가 도 1에 도시되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 일반적인 리튬 에어 배터리(100)는 리튬 이온을 포함하는 음극(110), 공기중의 산소를 활물질로 하여 산소의 산화 환원 반응이 일어나는 양극(120), 및 음극과 양극 사이에 배치되는 전해질(130)로 구성된다.
이러한 리튬 에어 배터리(100)는 방전시 음극(110)에서 리튬으로부터 분리된 전자가 부하로 이동함에 의해 전력을 공급하게 되고, 충전시 리튬 산화물의 환원반응이 일어나 리튬 산화물로부터 리튬이온과 전자가 분리되어 다시 음극(110)으로 이동하게 된다.
하지만, 상술한 바와 같은 종래의 리튬 에어 배터리의 경우 기존의 리튬 이온 방식의 배터리와 같이 충전시간이 오래 걸린다는 단점이 있어 대중화에 한계가 있다는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 충전시간을 단축시킬 수 있는 2차 배터리 시스템 및 2차 배터리 시스템의 충방전 방법을 제공하는 것을 그 기술적 과제로 한다.
또한, 본 발명은 전기공급이 원활하지 않은 상황에서도 충전이 가능한 2차 배터리 시스템 및 2차 배터리 시스템의 충방전 방법을 제공하는 것을 다른 기술적 과제로 한다.
또한, 본 발명은 친환경성 및 안정성을 향상시킬 수 있는 2차 배터리 시스템 및 2차 배터리 시스템의 충방전 방법 을 제공하는 것을 다른 기술적 과제로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 2차 배터리 시스템은, 리튬 또는 마그네슘을 포함하는 금속물질로 구성된 음극; 다공성 탄소물질로 구성된 양극; 및 상기 음극과 상기 양극의 사이에 배치되고, 상기 음극의 금속물질로부터 생성된 금속이온을 상기 양극으로 전달하는 전해질을 포함하는 2차 배터리와, 상기 금속이온과 산소의 결합으로 생성된 금속산화물의 환원시 발생되는 산소를 외부에서 주입되는 수소와 결합시키는 충전부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 2차 배터리 시스템의 충방전 방법은, 2차 배터리의 음극에서 리튬 또는 마그네슘을 포함하는 금속물질로부터 금속이온 생성시 전기를 발생시키고, 상기 금속이온이 전해질을 따라 양극으로 이동하여 공기중의 산소와 결합하여 금속산화물을 생성하는 단계; 및 상기 양극에 수소를 주입하여 상기 금속산화물의 산소와 결합시키고, 상기 양극에서 금속산화물로부터 분리된 금속이온이 상기 전해질을 따라 상기 음극으로 이동하면서 전기를 충전하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 2차 배터리의 충전 시 2차 배터리에 수소를 주입하여, 2차 배터리의 양극에 존재하는 산소와 수소의 결합을 용이하게 함으로써 2차 배터리의 충전시간을 단축시킬 수 있다는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면 수소 주입을 통해 2차 배터리를 충전시킬 수 있어 전기 공급이 원활하지 않은 상황에서도 2차 배터리를 충전시킬 수 있다는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 마그네슘(Mg)를 이용하여 2차 배터리의 음극을 구성함으로써 2차 배터리의 친환경성 및 안정성을 향상시킬 수 있다는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 2차 배터리의 투과막에 방수물질을 도포함으로써 2차 배터리의 충전 시 발생되는 수분이 2차 배터리의 전해질과 결합하는 것을 차단하여 2차 배터리의 열화로 인한 폭발위험을 미연에 방지할 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 종래기술에 따른 리튬 에어 배터리의 구성을 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 2차 배터리 시스템의 구성을 보여주는 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 투과막의 구성을 보여주는 도면이다.
본 명세서에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 정의하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다.
"포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
"적어도 하나"의 용어는 하나 이상의 관련 항목으로부터 제시 가능한 모든 조합을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, "제1 항목, 제2 항목 및 제 3항목 중에서 적어도 하나"의 의미는 제1 항목, 제2 항목 또는 제3 항목 각각 뿐만 아니라 제1 항목, 제2 항목 및 제3 항목 중에서 2개 이상으로부터 제시될 수 있는 모든 항목의 조합을 의미한다.
이하, 첨부되는 도면을 참고하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 2차 배터리 시스템의 구성을 보여주는 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 2차 배터리 시스템(200)은 음극(212), 양극(214), 전해질(216), 및 투과막(218)을 포함하는 2차 배터리(210)와 충전부(220)를 포함한다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 2차 배터리 시스템(200)은 도 2에 도시된 바와 같이 수소 공급부(230) 및 압력센서(240)를 추가로 포함할 수 있다.
2차 배터리(210)에 포함된 음극(212)은 금속물질로 구성된다. 일 실시예에 있어서, 금속물질은 도 2에 도시된 바와 같이 리튬(Lithum)일 수 있다.
변형된 실시예에 있어서, 음극(212)의 금속물질은 마그네슘(Mg)일 수 있다. 음극(212)을 마그네슘으로 구성하는 경우, 마그네슘이 리튬에 비해 친환경적이고 안정성이 높은 물질이므로, 2차 배터리(210)의 친환경성 및 안정성을 향상시킬 수 있게 된다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 음극(212)을 구성하는 금속물질이 리튬인 것으로 가정하여 설명하기로 한다.
음극(212)을 구성하는 금속물질인 리튬은, 2차 배터리(210)의 방전 동작시, 1개의 전자를 잃고 양전하 상태로 천이한 후, 전해질(216)을 통해 양극(214)으로 이동하게 된다. 이때, 리튬에서 분리된 1개의 전자는 전선(245)을 따라 이동하여 전기장치(250)로 공급되어 2.96V 내지 3,45V의 작동 전압을 생성하게 된다.
또한, 2차 배터리(210)의 충전 동작 시, 전선(245)을 통해 양극(214)으로부터 이동되는 1개의 전자와 양극(214)으로부터 전해질(216)을 통해 이동되는 리튬 양이온이 재결합하게 된다.
2차 배터리(210)의 충전 및 방전시 음극(212)에서 일어나는 반응을 화학식으로 표시하면 아래와 같다.
Li <--> Li++e- (1)
다음으로, 양극(214)은 다공성 탄소물질(215)로 구성된다. 2차 배터리(210)의 방전시, 양극(214)에서는 전해질(216)을 통해 음극(212)으로부터 이동되는 리튬이온과 공기중에서 투과막(218)을 통해 유입되는 산소가 결합하는 산화반응이 일어나 리튬산화물(Li2O2)이 생성된다.
한편, 2차 배터리(210)의 충전시, 양극(214)에서는 2차 배터리(210)의 방전시 생성된 리튬 산화물(Li2O2)의 환원반응을 통해 리튬 산화물(Li2O2)이 리튬이온, 산소, 및 전자로 분리된다. 분리된 리튬이온은 전해질(216)을 통해 음극(212)으로 이동하고, 전자는 전선(245)을 통해 음극(212)으로 이동하게 된다.
2차 배터리(210)의 충전 및 방전시 양극(214)에서 일어나는 반응을 화학식으로 표시하면 아래와 같다.
2(Li++e-)+O2 <-->Li2O2
전해질(216)은, 2차 배터리(210)의 방전시 리튬 이온을 음극(212)에서 양극(214)으로 이동시키고, 2차 배터리(210)의 충전시 리튬 이온을 양극(214)에서 음극(212)으로 이동시킨다.
일 실시예에 있어서, 전해질(216)은 유기계(Aprotic) 타입, 수계(Aqueous) 타입, 하이브리드(Hybrid) 타입, 및 고체(Solod) 타입 중 어느 하나의 타입으로 구현될 수 있다.
유기계 타입의 전해질은, 음극(212)과 반응성이 거의 없는 물질을 이용하여 구현되는 것으로서, 구조가 간단하고 에너지 밀도가 높아 한번의 충전으로 장시간 사용이 가능하다는 장점이 있다. 하지만, 유기계 타입의 전해질은 2차 배터리(210)의 방전시 생성되는 리튬 산화물(Li2O2)가 양극(214)의 기공을 막아 성능이 저하될 수 있다는 단점이 있다.
수계 타입의 전해질은, 유기계 타입의 전해질 보다 높은 작동전압을 생성하게 된다는 장점이 있다. 하지만, 수계 타입의 전해질은 음극(212)과 반응성이 높아 반드시 음극(212)을 보호하기 위한 보호막이 추가로 구비되어야 하므로 구조가 복잡해진다는 단점이 있다.
하이브리드 타입의 전해질은, 음극(212)쪽에는 리튬물질과 반응성이 거의 없는 유기계 타입의 전해질이 배치되고 양극(214)쪽에는 수계 타입의 전해질이 배치된 구조를 갖는다.
고체 타입 전해질은, 전해질을 액체 대신에 리튬 이온에 대한 전도성을 가지고 있는 고체 물질(예컨대, 유리질 전해질이나 세라믹 전해질)로 구성된다.
투과막(218)은, 2차 배터리(210)의 방전시 양극(214)에 공기중의 산소를 주입함으로써 양극(214)에서 산화반응이 일어나게 하고, 2차 배터리(210)의 충전시 양극(214)의 리튬 산화물의 환원반응을 통해 발생되는 산소를 충전부(220)로 이동시킨다.
일 실시예에 있어서, 투과막(218)에는, 도 3에 도시된 바와 같이, 충전부(220)에서 산소와 수소의 결합에 의해 생성되는 수분이 양극(214)을 통해 전해질(216)로 침투하는 것을 방지하기 위한 방수물질(219)이 도포되어 있다.
상술한 실시예에 있어서는, 투과막(218)에 방수물질(219)이 도포되는 것으로 설명하였지만, 변형된 실시예에 있어서는 투과막(218)을 수분의 침투를 방지할 수 있는 소수성 필름을 이용하여 형성할 수도 있을 것이다. 소수성 필름은 FEP(Fluorinated ethylene propylene), HFP(HexaFluoroPropylene), PTFE(Poltetrafluoroethylene:Teflon), PE(Polyethylene), PP(PolyPropylene), PVDF(Polyvinylidene fluoride), PS(Polystyrene), PVC(Polyvinyl chloride), PVA(Polyvinyl acetate) 중 어느 하나 또는 이들로 이루어진 공중합체의 고분자 필름을 포함할 수 있다. 이러한 실시예에 따르는 경우 투과막(218)에 별도의 방수물질을 도포할 필요가 없게 된다.
이와 같이, 본 발명은 투과막(218)에 방수물질(219)을 도포하거나 투과막(218)을 소수성 필름으로 형성함으로써, 2차 배터리(210)의 충전 시 충전부(230)에서 발생되는 수분이 전해질(216)과 결합하는 것을 미연에 차단하여 2차 배터리(210)의 열화로 인한 폭발위험을 방지할 수 있게 된다.
다시 도 2를 참조하면, 충전부(220)에서는 2차 배터리(210)의 충전시 양극(214)에서 리튬 산화물의 환원반응으로 생성된 산소와 수소 공급부(230)에서 공급되는 수소가 결합하여 수분(H2O)이 생성된다.
충전부(220)에서 일어나는 화학반응을 화학식으로 표현하면 아래와 같다.
2(H)+O2 <-->H2O
즉, 본 발명은 2차 배터리(210)의 충전시 외부에서 충전부(220)에 수소를 주입하는 이유는, 산소와 결합력이 높은 수소를 충전부(220) 내로 주입함으로써 리튬 산화물의 환원반응을 가속시킬 수 있어 2차 배터리(210)의 충전속도를 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 전기의 공급이 원활하지 않은 환경에서도 2차 배터리(210)를 충전시킬 수 있기 때문이다.
이를 위해, 충전부(220)은 투과막(218)을 통해 산소가 유입될 수 있도록 하기 위해 투과막(218)과 접촉하도록 배치되고, 투과막(218)과 접촉하는 충전부(220)의 일 면 중 적어도 일부는 개방상태가 되도록 구현된다.
또한, 충전부(220)에는 수소와 산소의 결합을 통해 생성된 수분(H2O)을 외부로 배출하기 위한 수분 배출부(미도시)와 수소 공급부(230)로부터 수소를 공급받기 위한 수소 주입부(미도시)가 형성된다.
다음으로, 수소 공급부(230)는 2차 배터리(210)의 충전이 요구되는 경우 충전부(220)로 수소를 공급한다. 일 실시예에 있어서, 수소 공급부(230)는 2차 배터리(210)의 SOC(State of Charge)가 임계치 이하인 경우 2차 배터리(210)의 충전이 요구되는 것으로 판단하여 충전부(220)로 수소를 공급할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 수소 공급부(230)는, 투과막(218)으로부터 충전부(240)로 산소가 보다 원활하게 유입되도록 하기 위해 충전부(240) 내부의 압력이 2차 배터리(210) 내부의 압력보다 낮아지도록 충전부(240)으로 공급하는 수소의 양 또는 수소주입 속도를 조절할 수 있다.
구체적으로, 수소 공급부(230)는 충전부(240) 내부의 압력이 미리 정해진 기준값을 초과하면 충전부(240)로 유입되는 수소의 양을 증가시켜 충전부(240) 내부의 압력이 기준값이 될 때까지 충전부(240) 내부의 압력을 감소시킬 수 있다.
일 예로, 2차 배터리(210)가 전기 자동차에 포함되는 경우, 상술한 바와 같은 수소 공급부(230)는 수소 저장 탱크 형태로 전기 자동차 내부에 함께 포함될 수 있다. 이러한 경우, 수소 공급부(230)는 저장된 수소의 양이 고갈되는 경우 외부로부터 수소를 제공받아 수소를 충전할 수 있는 형태로 구성될 수 있다.
다른 예로, 2차 배터리(210)가 전기 자동차에 포함되는 경우, 상술한 바와 같은 수소 공급부(230)는 전기 자동차의 외부에 별도로 구성될 수 있다. 이러한 경우, 수소 공급부(230)는 수소 주입을 위한 호스 등을 통해 충전부(220)에 수소를 주입하게 된다.
압력센서(240)는 2차 배터리(210)의 충전시 충전부(220) 내부의 압력을 센싱하고, 센싱된 결과를 수소 공급부(230)로 공급한다.
본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 상술한 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
200: 2차 배터리 시스템 210: 2차 배터리
212: 음극 214: 양극
216: 전해질 218: 투과막
219: 방수물질 220: 충전부
230: 수소 공급부 240: 압력센서

Claims (11)

  1. 리튬(Lithum) 또는 마그네슘(Mg)을 포함하는 금속물질로 구성된 음극;
    다공성 탄소물질로 구성된 양극; 및
    상기 음극과 상기 양극의 사이에 배치되고, 상기 음극의 금속물질로부터 생성된 금속이온을 상기 양극으로 전달하는 전해질을 포함하는 2차 배터리와,
    상기 금속이온과 산소의 결합으로 생성된 금속산화물의 환원시 발생되는 산소를 외부에서 주입되는 수소와 결합시키는 충전부를 포함하고,
    상기 2차 배터리는 양극과 상기 충전부 사이에 배치되고, 상기 금속산화물에서 발생되는 산소를 상기 충전부로 배출하거나 공기중의 산소를 상기 양극으로 주입하는 투과막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 2차 배터리 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 투과막에는, 상기 산소와 수소의 결합에 의해 생성되는 수분의 침투를 방지하기 위한 방수 물질이 도포되어 있는 것을 특징으로 하는 2차 배터리 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 투과막과 접촉하는 상기 충전부의 일 면 중 적어도 일부는 개방되어 있는 것을 특징으로 하는 2차 배터리 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 충전부에 상기 수소를 주입하는 수소 공급부를 더 포함하고,
    상기 충전부에는 상기 수소가 주입되는 수소 주입부 및 상기 산소와 수소의 결합에 의해 생성된 수분이 배출되는 수분 배출부가 형성되어 있으며,
    상기 충전부의 내부 압력은 상기 2차 배터리의 내부 압력보다 낮은 상태로 유지되는 것을 특징으로 하는 2차 배터리 시스템.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 충전부의 압력을 측정하는 압력센서를 더 포함하고,
    상기 압력센서에 의해 측정된 압력이 기준값보다 크면 상기 충전부의 압력이 상기 기준값이될 때까지 상기 충전부로 주입되는 수소의 양을 증가시키는 것을 특징으로 하는 2차 배터리 시스템.
  8. 2차 배터리의 음극에서 리튬 또는 마그네슘을 포함하는 금속물질로부터 금속이온 생성시 전기를 발생시키고, 상기 금속이온이 전해질을 따라 양극으로 이동하여 공기중의 산소와 결합하여 금속산화물을 생성하는 단계; 및
    상기 양극에 수소를 주입하여 상기 금속산화물의 산소와 결합시키고, 상기 양극에서 금속산화물로부터 분리된 금속이온이 상기 전해질을 따라 상기 음극으로 이동하면서 전기를 충전하는 단계를 포함하고,
    상기 금속산화물의 산소와 상기 수소가 결합되는 충전부 및 상기 양극 사이에 배치된 투과막을 통해 상기 금속산화물의 산소가 상기 충전부로 배출되고, 상기 투과막을 통해 공기중의 산소가 상기 양극으로 주입되는 것을 특징으로 하는 2차 배터리 시스템의 충방전 방법.
  9. 삭제
  10. 제8항에 있어서,
    상기 전기를 충전하는 단계는,
    상기 충전부의 온도와 압력에 따라 수소의 주입속도 또는 주입되는 수소의 양을 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 2차 배터리 시스템의 충방전 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 전기를 충전하는 단계에서, 상기 충전부의 내부 압력이 상기 2차 배터리의 내부 압력보다 낮은 상태로 유지되는 것을 특징으로 하는 2차 배터리 시스템의 충방전 방법.
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