KR101858158B1 - 제거가능한 공기 전극을 가진 배터리 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 내부에 공기 전극(22); 음극(3); 및 전해질(4)을 포함하는 케이스(11)를 포함하는 재충전가능한 배터리(1)에 관한 것이며, 공기 전극(22)은 케이스로부터 추출될 수 있다. 재충전가능한 배터리는 또한 공기 전극 배터리용 캐소드 격실(2)에 관한 것이다. 상기 격실은 공기 전극을 포함하며 케이싱의 일부가 되지 않고 배터리의 케이싱 속에 삽입될 수 있다. 상기 격실은 제거가능하게 이동가능하다.
Description
본 발명은 공기 전극을 포함하는 배터리 및 더욱 구체적으로 케이스 및 케이스 내부에 공기 전극, 액체 전해질 및 음극을 포함하는 배터리의 기술 분야에 관한 것이다. 이 음극은 금속 전극일 수 있다.
금속-공기 배터리는 공기 전극을 포함하는 배터리에 관한 것이며, 공기 전극과 결합된 예를 들어, 아연, 철 또는 리튬을 기초로 한 금속 음극을 사용한다. 방전 동안, 다음 반응이 일어난다:
M → Mn+ + n·e- 음극(금속 전극)
O2 + 2·H2O + 4·e- → 4·OH- 양극(공기 전극)
따라서, 산소는 공기 전극에서 환원되고 음극의 금속은 산화된다. 주로, 수성 알칼리 전극이 사용된다.
이런 금속-공기 배터리는 여러 응용분야를 갖는데, 예를 들어, 아연-공기 배터리는 인공 청력기기에 사용하도록 판매된다.
고 에너지 밀도 및 수백 Wh/kg에 도달할 수 있는 것으로 알려진 금속-공기 형태의 전기화학적 발전기를 생산할 수 있도록 공기 전극의 발달과 최적화를 위한 여러 연구가 수십 년 동안 실행되었다.
공기 전극은 또한 알칼리 연료 전지에 사용된다.
공기 전극은 전기화학 반응을 위한 산화제로서, 언제 어디서나 무제한 양으로 이용가능한 대기 공기를 사용하는 것이 가능하다.
공기 전극은 일반적으로 알칼리 용액인 액체 전해질과 접촉하는 다공성 고체 구조이다. 공기 전극과 액체 전해질 사이의 계면은 소위 "삼중 접촉" 계면으로 불리며, 여기에 전극의 활성 고체 재료, 기체 산화제(공기) 및 액체 전해질이 동시에 존재한다.
아연-공기 배터리용 다른 형태의 공기 전극의 설명은 예를 들어 "A review on air cathodes for fuel zinc-air cells": Journal of Power Sources, 195 (2010), pages 1271 to 1291이란 제목의 V. Neburchilov 등의 문헌 논문에 개시된다.
금속-공기 배터리가 전기 충전될 때, 전류의 방향은 역전되고 다음 반응이 일어난다:
Mn+ + n·e- → M 음극(금속 전극)
4·OH- → O2 + 2·H2O + 4·e- 양극(공기 전극)
따라서, 산소는 양극에서 생산되고 금속은 환원에 의해 음극 상에 재퇴적된다.
비록 이런 배터리는 방전 단계에서 큰 문제 없이 작동하지만, 충전 단계에서는 안정하지 않다; 충전 단계 동안 금속-공기 배터리의 약점은 역반응(즉, 산화하에서)에 사용될 것으로 설계되지 않은 공기 전극이다.
사실, 공기 전극은 다공성 구조를 가지며 부피 전극 형태로 작동하며 전기화학 반응은, 기체(공기로부터의 산소), 액체(전해질) 및 고체(전극의 활성 재료 및 선택적으로 촉매) 사이의 계면에서, 전극의 부피 내에서 일어난다: 이것은 삼중 접촉이다. 이런 다공성 구조는 중요한데 이는 필요한 큰 반응 면적을 제공하며, 따라서, 기체 산소의 밀도는 액체에 비해 낮기 때문에, 높은 전류 밀도를 제공한다. 예를 들어, 공기 중 산소의 몰 밀도는 약 0.03mol/L와 동일한 반면 물은 55mol/L의 밀도를 가진다.
따라서, 일반적으로, 공기 전극은 Cabot에 의해 판매된 Vulcan® XC72와 같은 고 표면적을 가진 탄소 과립으로 제조된다. 탄소의 표면적은 또한 공기 전극 속으로의 포함 전에, CO2와 같은 기체와 반응에 의해 더 증가될 수 있다. 그런 후에 탄소 과립은, 듀폰에서 판매된 불화 에틸렌 프로필렌 코폴리머(FEP)와 같은 소수성 불화 폴리머를 사용하여, 공기 전극을 형성하도록 덩어리가 된다. 문헌 WO 2000/036677은 금속-공기 배터리용 이런 전극을 기술한다.
이런 큰 반응 표면적은 충전 단계 동안 양극에서 역 산화 반응에 필요하지 않은데, 이는 활성 재료의 농도가 훨씬 높기 때문이다. 반대로, 공기 전극의 다공성 구조는 깨지기 쉽다는 단점을 가진다: 공기 전극의 다공성 구조는 액체 전해질의 산소로의 산화에 사용될 때 기체 산소의 배출에 의해 기계적으로 파괴되었다는 것이 본 발명자에 의해 발견되었다. 사실, 기체 산소의 생산에 의해 공기 전극 내에 생성된 수압은 공기 전극을 구성하는 탄소 과립 사이의 결합의 파괴를 일으키는데 충분한다.
본 발명자는 또한 산화마그네슘 또는 산화코발트와 같은 산소 환원 반응의 에너지 수율을 개선하기 위해 공기 전극에 첨가되는 촉매는 산소 환원에 필요한 전위에서 안정하지 않다는 것을 알았다. 게다가, 부식은 산소의 존재하에서 탄소의 산화에 의해 일어나며 높은 전위에서 가속된다.
이를 극복하기 위해서, 일부 저자는 두 개의 전기적으로 결합된 층으로 구성된 이중기능성 전극에서 산소 배출 촉매와 결합된 더욱 저항성인 산소 환원 촉매를 사용한다(예를 들어, 특허 US 5,306,579 참조). 불행히도, 이런 이중기능성 전극은 짧은 수명과 제한된 사이클 수를 갖는데 이는 이런 전극의 구조는 장기간 동안 생산된 기체의 배출을 견딜 수 없고 촉매가 안정하지 않고 탄소는 충전 동안 가해진 전위에서 부식되기 때문이다.
충전 단계 동안 공기 전극의 이런 품질 저하는 수명을 현저하게 감소시키며 전기 재충전가능 금속-공기 저장 전지의 상업적 개발을 막는 주요 이유 중 하나이다.
그 결과, 공기 전극의 수명은 방전 및 충전 모드에서 교대로 사용된 배터리/전지용 금속 전극의 수명보다 더 짧다. 이제, 금속 전극이 여전히 사용가능할 때 배터리/전지를 버리는 것은 낭비일 것이다.
일반적으로, 공기 전극에서 충전 동안 기체의 배출과 관련된 문제는 공기 전극을 포함하는 임의의 배터리에 대해 발견된다.
따라서, 본 발명의 목적 중 하나는 상기한 종래 기술의 적어도 하나의 단점을 극복하는 것이다.
이를 위해서, 본 발명은 공기 전극을 포함하며 배터리 케이스 속으로 추출가능한 삽입에 적합한, 공기 전극을 가진 배터리를 위한 캐소드 격실을 제공한다. 공기 전극은 판 형태이며 캐소드 격실은 방수이다. 캐소드 격실은 또한 공기 전극을 배터리의 양극 말단에 연결하기 위한 전기 연결 및 공기 입구와 공기 출구를 가지며, 공기 전극에 의해 적어도 부분적으로 형성된 적어도 하나의 평면을 구비한 중공 카트리지를 포함한다.
따라서, 공기 전극은 추출가능한 캐소드 격실 내에 포함된다. 따라서, 공기 전극의 수명이 종료될 때 간단한 방식으로 음극, 특히 금속-공기 배터리의 금속 전극을 지속적으로 사용하는 것이 가능하다. 사실, 공기 전극을 교체하기 위해 배터리/전지 어셈블리를 해체할 필요가 없다.
캐소드 격실의 다른 선택적이며 비-제한적인 특징은 다음과 같다.
변형으로서, 캐소드 격실은 또한 특히 음극이 금속으로 제조될 때, 음극의 압축을 제한하기 위해, 이의 표면상에 카트리지의 공기 전극에 의해 적어도 부분적으로 형성된, 림을 포함한다.
캐소드 격실은 또한 중공 카트리지의 다른 면을 적어도 부분적으로 형성하는 판 형태로 추가 공기 전극을 포함하며, 다른 면은 공기 전극에 의해 적어도 부분적으로 형성된 면에 반대가 된다.
캐소드 격실은 유리하게는 카트리지 내부에 배열된 벌집형 기계적 강화재를 포함하여, 공기 전극을 받친다.
캐소드 격실은 하부와 상부를 가질 수 있고, 하부는 공기 전극(들)을 포함하며 상부는 하부의 구획 아래에 적어도 하나의 구획을 가진다.
본 발명은 또한 케이스 및 케이스 내부에:
- 공기 전극;
- 음극; 및
- 전해질;
을 포함하는 재충전가능한 배터리를 제안하며,
공기 전극은 상기한 대로 케이스로부터 추출될 수 있고 격실 속에 삽입될 수 있다.
따라서, 공기 전극이 수명이 종료될 때 공기 전극을 대체하는 것이 쉽다.
배터리의 다른 선택적 및 비-제한적인 특징은 다음과 같다.
음극이 금속 전극인 경우에, 전해질은 액체 전해질이며; 캐소드 격실은 케이스 내에서 이동가능하다. 배터리는 공기 전극과 금속 전극 사이에 전기 절연 격리판 및 유연한 요소를 포함한다. 격리판, 캐소드 격실 및 금속 전극은 유연한 요소가 캐소드 격실에 작용하여 유연한 요소가 공기 전극에 의해 적어도 부분적으로 형성된 이의 면을 통해 금속 전극을 압축하도록 배열된다. 이런 유연한 요소는 배터리 케이스 또는 케이스의 한 벽에 기대어 배열된 압축 시스템일 수 있다.
유리하게는, 배터리는 상기한 대로 제 2 추출가능한 이동가능한 캐소드 격실 속에 포함된 제 2 공기 전극 및 제 2 공기 전극과 금속 전극 사이에 제 2 전기 절연 격리판을 포함한다. 두 캐소드 격실 및 금속 전극은 금속 전극이 공기 전극에 의해 적어도 부분적으로 형성된 이의 면을 통해 두 캐소드 격실 사이에서 압축되도록 배열된다.
배터리는 또한 배터리를 충전용 제 2 양극을 포함할 수 있다. 이런 경우에, 제 2 양극은 유리하게는 캐소드 격실과 음극 사이에 배열된다. 그런 후에 배터리는 제 2 양극과 접촉하게 놓인 적어도 하나의 스페이서를 포함하여 충전 동안 제 2 양극 상에 생산된 산소 거품의 제거를 촉진한다. 변형으로서, 두 스페이서가 양극의 각 측면 상에 배열될 수 있다. 따라서, 스페이서는 각각 음극, 공기 전극 쪽으로 향하는 제 2 양극의 면에 기대어 제공될 수 있다. 이런 경우에, 배터리는 또한 스페이서와 각각 음극, 공기 전극 사이에 배열된 적어도 하나의 기계적 보호재를 포함한다.
본 발명의 내용 중에 포함되어 있다.
다른 목적, 특징 및 이점은 예시적으로 비 제한적으로 제공된 도면을 참조하여, 다음 설명의 관점에서 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 배터리에 사용된 캐소드 격실을 도식적으로 나타낸다.
도 2는 공기 전극 및 벌집형 기계적 보강재를 포함하는 도 1의 캐소드 격실을 단면으로 도식적으로 나타낸다.
도 3은 두 공기 전극과 벌집형 기계적 보강재를 포함하는 도 1의 캐소드 격실을 단면으로 도식적으로 나타낸다.
도 4는 공기 전극, 벌집형 기계적 보강재 및 림을 가진 카트리지를 포함하는 도 1의 캐소드 격실을 단면으로 도식적으로 나타낸다.
도 5는 케이스, 금속 전극, 도 2로부터의 두 전극 격실 및 두 격리판을 포함하는 본 발명에 따른 배터리의 한 실시태양을 도식적으로 도시한다.
도 6은 케이스, 금속 전극, 도 4로부터의 두 전극 격실 및 두 격리판을 포함하는 본 발명에 따른 배터리의 한 실시태양을 도식적으로 도시한다.
도 7은 케이스, 두 금속 전극, 도 2로부터의 두 전극 격실, 도 3으로부터의 캐소드 격실 및 네 격리판을 포함하는 본 발명에 따른 배터리의 한 실시태양을 도식적으로 도시한다.
도 8은 케이스, 두 금속 전극, 도 2로부터의 두 전극 격실, 도 3으로부터의 캐소드 격실, 네 격리판 및 압축 시스템을 포함하는 본 발명에 따른 배터리의 한 실시태양을 도식적으로 도시한다.
도 9는 케이스, 금속 전극, 도 2로부터의 두 전극 격실, 두 제 2 양극 및 네 격리판을 포함하는 본 발명에 따른 배터리의 한 실시태양을 도식적으로 도시한다.
도 10은 케이스, 금속 전극, 도 2로부터의 두 전극 격실, 두 제 2 양극, 네 기계적 보호재 및 네 스페이서를 포함하는 본 발명에 따른 배터리의 한 실시태양을 도식적으로 도시한다.
도 11은 캐소드 격실이 상부 및 하부를 제공하며, 상부의 단면은 하부로부터의 거리가 증가함에 따라 감소하는 본 발명에 따른 배터리를 도식적으로 도시한다.
도 12는 캐소드 격실이 상부 및 하부를 가지며, 이의 모두는 직사각형이며, 상부의 단면은 하부의 단면보다 작게 되어, 이들 사이의 계면에 숄더를 형성하는 본 발명에 따른 배터리를 도식적으로 도시한다.
도 1은 본 발명에 따른 배터리에 사용된 캐소드 격실을 도식적으로 나타낸다.
도 2는 공기 전극 및 벌집형 기계적 보강재를 포함하는 도 1의 캐소드 격실을 단면으로 도식적으로 나타낸다.
도 3은 두 공기 전극과 벌집형 기계적 보강재를 포함하는 도 1의 캐소드 격실을 단면으로 도식적으로 나타낸다.
도 4는 공기 전극, 벌집형 기계적 보강재 및 림을 가진 카트리지를 포함하는 도 1의 캐소드 격실을 단면으로 도식적으로 나타낸다.
도 5는 케이스, 금속 전극, 도 2로부터의 두 전극 격실 및 두 격리판을 포함하는 본 발명에 따른 배터리의 한 실시태양을 도식적으로 도시한다.
도 6은 케이스, 금속 전극, 도 4로부터의 두 전극 격실 및 두 격리판을 포함하는 본 발명에 따른 배터리의 한 실시태양을 도식적으로 도시한다.
도 7은 케이스, 두 금속 전극, 도 2로부터의 두 전극 격실, 도 3으로부터의 캐소드 격실 및 네 격리판을 포함하는 본 발명에 따른 배터리의 한 실시태양을 도식적으로 도시한다.
도 8은 케이스, 두 금속 전극, 도 2로부터의 두 전극 격실, 도 3으로부터의 캐소드 격실, 네 격리판 및 압축 시스템을 포함하는 본 발명에 따른 배터리의 한 실시태양을 도식적으로 도시한다.
도 9는 케이스, 금속 전극, 도 2로부터의 두 전극 격실, 두 제 2 양극 및 네 격리판을 포함하는 본 발명에 따른 배터리의 한 실시태양을 도식적으로 도시한다.
도 10은 케이스, 금속 전극, 도 2로부터의 두 전극 격실, 두 제 2 양극, 네 기계적 보호재 및 네 스페이서를 포함하는 본 발명에 따른 배터리의 한 실시태양을 도식적으로 도시한다.
도 11은 캐소드 격실이 상부 및 하부를 제공하며, 상부의 단면은 하부로부터의 거리가 증가함에 따라 감소하는 본 발명에 따른 배터리를 도식적으로 도시한다.
도 12는 캐소드 격실이 상부 및 하부를 가지며, 이의 모두는 직사각형이며, 상부의 단면은 하부의 단면보다 작게 되어, 이들 사이의 계면에 숄더를 형성하는 본 발명에 따른 배터리를 도식적으로 도시한다.
본 발명에 따른 공기 전극을 가진 배터리는 이하에서 도 1 내지 12를 참조하여 기술된다. 일반적으로, 용어 "배터리"는 에너지를 화학적 형태로 저장하여 이를 전기 형태로 회복시키는 것을 가능하게 하는 임의의 전기 소자를 의미하는데 사용된다. 따라서, 이 용어는 용어 "전지", "연료 전지", "재생 연료 전지" 및 "저장 전지"를 동일하게 포함한다.
이런 배터리(1)는 케이스(11) 및 케이스 내에, 추출가능한 공기 전극(22), 음극(3) 및 전해질(4)을 포함한다.
따라서 공기 전극(22)은, 예를 들어, 탄소의 덩어리화된 과립의 구조가 너무 손상된다는 사실 때문에, 수명이 종료되거나 품질이 저하될 때, 활주에 의해 케이스(11)로부터 제거되어 대체될 수 있다. 공기 전극(22)은 또한 이하에서 더욱 상세하게 설명될 것과 같이 특히 음극(3)의 압축을 허용하도록 케이스(11) 내부에서 이동가능할 수 있다.
공기 전극(22)은 바람직하게는 전자를 전도하는 다공성 재료로 제조된다. 이런 다공성 재료는, 예를 들어, 카본 블랙, 코발트 또는 망간 산화물-기반 촉매, HFP(hexafluoropropylene) 또는 PTFE(polytetrafluoroethylene)와 같은 소수성 접합제 및 니켈 격자 형태의 수집기와 같은 전류 수집기의 화합물이다. 음이온-도전성 폴리머는, 특히 전해질이 수성일 때, 특허 WO 2010/128242 A1에 기술된 대로 전극에 첨가될 수 있다. 이런 폴리머는 공기에 함유된 CO2에 의한 수성 전해질의 탄화를 예방하는 기능을 가진다. 소수성 접합제는 이의 전자 삼출이 탄소 과립 사이의 접촉에 의해 보장되는 분말로부터 기계적으로 통합된 다공성 구조를 생산하며, 전해질이 액체일 때 전해질이 전극을 통과하는 것을 예방하는데 충분히 소수성이 되는 이중 기능을 가진다.
음극(3)은 금속-공기 배터리의 경우와 같이 금속 전극일 수 있다. 금속 전극의 재료는 바람직하게는 아연, 철 또는 리튬이다. 이 경우에, 전해질은 액체 전해질이다.
배터리(1)는 또한 카트리지(21) 및 공기 전극(22)을 배터리(1)의 양극 말단에 연결하기 위한 전기 연결(23)을 포함하는 캐소드 격실(2)을 포함할 수 있다(도 1 내지 4 참조). 캐소드 격실(2)은 배터리의 케이스(11) 속으로 추출가능한 삽입에 적합하다. 캐소드 격실(2)은, 특히 캐소드 격실(2)이 이하에서 설명될 것과 같이 음극(3)을 압축하려 할 때, 배터리(1)의 액체 전해질(4)에 대해 방수인 것이 바람직하다.
따라서 카트리지(21)는 공기가 순환할 수 있는 공동을 가진다. 카트리지(21)는 또한 카트리지(21) 내의 공기의 순환을 위한 공기 입구(24) 및 공기 출구(25)를 가지며 공기 전극(22)과 접촉한다. 카트리지(21)에 공급하는데 사용된 공기는 처리되지 않거나 습윤된, 건조된, 탈탄화된(CO2의 제거) 또는 산소로 풍부해지도록 처리될 수 있다.
공기 전극(22)은 카트리지(21)의 면들의 하나를 적어도 부분적으로 형성하는 판의 형태로 밀봉 방식으로 캐소드 격실(2) 속에 포함된다. 카트리지(21)는 적어도 하나의 평면이 적어도 부분적으로 공기 전극(22)에 의해 형성된 원통 형태를 가질 수 있다. 이런 경우에 카트리지(21)는 실린더의 변심 거리에 직각으로, 활주에 의해 추출가능할 수 있다.
따라서, 추출가능한 공기 전극(22)의 교체는 캐소드 격실(2)을 간단히 제거함으로써 쉽게 실행될 수 있다.
변형으로서, 추가 공기 전극(27)이 캐소드 격실(2)에 제공될 수 있다. 이런 추가 제 2 공기 전극(27)은 제 1 공기 전극(22)에 의해 적어도 부분적으로 형성된 면에 카세트(21)의 제 2 면을 적어도 부분적으로 형성한다(도 3 참조). 이런 경우에, 카트리지(21)는 바람직하게는 두 평면을 구비한 원통 형태를 가진다.
캐소드 격실(2)은 또한 카트리지(21) 내부에 벌집형 기계적 보강재(26)를 포함하여 이를 강화한다. 이런 기계적 보강재(26)는 공기 전극(22)을 떠받친다.
이런 기계적 보강재(26)는 음극(3)이 판 형태의 금속 전극이며 캐소드 격실(2)이 공기 전극(22)에 의해 적어도 부분적으로 형성된 면을 통해, 예를 들어 케이스(11)의 벽에 기대어 금속 전극(3)을 압축하여, 금속 전극(3)이 압축될 때 공기 전극(22)의 변형을 예방하도록 캐소드 격실(2)과 금속 전극(3)이 배열될 때 특히 유리하다.
이런 실시태양에서, 배터리(1)는 공기 전극(22)을 금속 전극(3)과 전기 절연하고 그 사이에 배열된 격리판(5)을 포함한다. 격리판(5)은 전기 절연성이며 이온 전도성인, 예를 들어, 중합전해질, 즉, 하전 그룹을 포함하는 폴리머인 재료로 제조된 요소이다. 변형으로서, 격리판은 액체 전해질에 삼투성인 전기 절연 재료, 예를 들어, 펠트로 제조될 수 있다. 격리판(5)이 공기 전극(22) 및/또는 음극(3)에 부착되도록 설비가 제공될 수 있다. 게다가, 배터리(1)는 캐소드 격실(2)에 작용하여 격리판(5)을 통해 이를 음극 전극(3)에 대해 고정하기 위한 유연한 요소를 포함한다.
금속 전극(3)을 압축하는 것은 다음 이유 때문에 유리하다. 금속-공기 배터리의 충전 단계 동안, 금속 이온은 음극에서 금속으로 환원되어 이 음극에 전위가 공급될 때 증착된다. 이제, 특정 조건하에서, 금속은 금속 전극의 표면에 약하게 부착된 폼 형태로 증착된다. 이 약하게 부착된 폼은 전극으로부터 분리될 수 있어서, 활성 재료의 손실 및 배터리의 용량의 감소를 일으킨다. 본 발명자들은 충전 단계 동안 금속 전극을 압축하면 이 약하게 부착된 폼의 형성을 제한하였다는 것을 알았다. 게다가, 이런 압축은 금속 전극 상의 금속의 증착의 일정하고, 균일하고 밀집된 분포를 보장함으로써 반복된 충전 및 방전 사이클 동안 금속 전극이 변형되는 것을 예방한다.
유연한 요소는 배터리의 케이스(11)에 의해 형성될 수 있다. 케이스(11) 내부에 놓인 요소는 힘에 의해 삽입된다. 유연한 요소는 압축 시스템(6)의 형태로 생산될 수 있다. 이런 압축 시스템(6)은 배터리(1)의 케이스(11) 및 다른 요소, 예를 들어, 캐소드 격실(2) 또는 금속 전극(3)의 한 벽에 기대어 배열된다. 압축 시스템(6)은 캐소드 격실(2)과 금속 전극(3)이 적소에 있고 이들의 삽입 후 금속 전극(3)의 압축을 보장하는 것을 가능하게 한다. 압축 시스템(6)은 유연한 재료, 예를 들어, 유연한 폼으로 생산된다. 유연한 폼의 한 예는 예를 들어 폴리클로로프렌 폼(또한 Neoprene®으로도 불림), 바람직하게는 후친슨 컴퍼니에 의해 상품명 Bulatex®, 특히 Bulatex C166으로 판매된 네오프렌 폼일 수 있다. 이런 폼의 다른 예는 플라스티폼 컴퍼니에 의해 판매된 제품 Sylomer® G, 폴리우레탄 폼일 수 있다. 폼은 바람직하게는 밀폐-다공성 폼이며 액체 전해질로부터 분리된다. 따라서 폼은 유연하고, 방수 파우치에 놓이며 액체 전해질과 접촉시 안정하다. 예를 들어, 열-밀봉 압출 폴리에틸렌 파우치.
압축 시스템(6)이 추출 가능하도록 설비가 제공될 수 있어서, 들어간 후 캐소드 격실(들)(2)을 더욱 쉽게 제거하는 것이 가능하다.
배터리(1)는 상기한 대로 두 캐소드 격실(2)을 포함할 수 있다. 음극(3)으로서 금속 전극을 포함하는 배터리(1)의 경우에, 판 형태의 금속 전극(3)은 캐소드 격실(2)의 공기 전극(22)에 의해 적어도 부분적으로 형성된 면들 사이에 압축될 수 있다. 격리판(5)은 금속 전극(3)을 공기 전극(22)과 전기적으로 절연한다.
또 다른 변형으로서, 캐소드 격실(2)은 상기한 대로 두 공기 전극(22, 27)을 포함할 수 있고, 배터리(1)는 캐소드 격실(2)의 각 면 상에 배열된 판 형태의 두 음극(3)을 포함할 수 있고 선택적으로, 금속 전극의 경우, 각각은 공기 전극(22, 27)에 의해 적어도 부분적으로 형성된 면에 기댄다. 후자의 경우, 캐소드 격실(2)은 상기한 것과 동일한 방식으로 금속 전극(3)의 모두를 동시에 압축할 수 있다.
캐소드 격실(2)의 카트리지(21)는, 유리하게는 음극(3)이 금속 전극일 때, 공기 전극(22)에 의해 적어도 부분적으로 형성된 면 상에 림(28)을 포함할 수 있어서, 금속 전극(3)의 압축을 제한한다.
금속 전극(3)이 케이스(11)의 캐소드 격실(2)과 벽 사이에 압축되는 경우에, 캐소드 격실(2)은 림(28)이 금속 전극(3)과 접촉할 때까지 케이스(11)의 벽의 방향으로 금속 전극(3)을 압축한다.
금속 전극(3)이 두 캐소드 격실(2) 사이에 압축되는 경우에, 두 격실(2)의 단일 하나는 림(28)을 가지며 또는 격실(2)의 모두는 림(28)을 가진다. 제 1 경우에, 케이스의 림(28)과 벽에 대해 기술한 것과 같이, 림(28)은 림이 없이 다른 캐소드 격실(2)의 카트리지(21)의 면과 접촉하게 될 것이다. 제 2 경우에, 림(28)은 카트리지(21)의 면에 제공되어 서로 대면하며, 이런 방식으로 두 캐소드 격실(2)은 두 림(28)이 서로 접촉할 때까지 금속 전극(3)을 압축한다.
캐소드 격실(2)이 카트리지(21)의 반대면을 적어도 부분적으로 형성하는 두 공기 전극(22)을 포함하는 경우에, 캐소드 격실은 면의 하나 상에만 림(28)을 포함할 수 있거나 면의 각각에 림(28)을 포함할 수 있다. 림(들)은 상기한 것과 동일한 방식으로 작동한다.
캐소드 격실(2)은 하부(2INF) 및 상부(2SUP)를 포함할 수 있고, 하부(2INF)는 공기 전극(들)(22)을 포함한다. 상부(2SUP)는 하부(2INF)의 섹션 아래에 공기 전극의 평면에 직각인 적어도 하나의 섹션을 가진다. 따라서 캐소드 격실(2)의 상부(2SUP)에서, 더욱 넓은 공간이 배터리(11)의 케이스(11)에 제공되어 액체 전해질(4)을 수집한다. 이것은 동시에 배터리(1)에 대한 더욱 밀집된 형식을 가능하게 한다. 동일하게, 캐소드 격실(2)의 상부(2SUP) 및 하부(2INF)의 단면의 차이에 의해 생성된 추가 부피는 전해질(4)이 너무 높게 상승하여 충전 단계 동안 넘치는 것을 피하게 할 수 있는데 이는 기체 산소의 배출이 배터리 내부에 거품을 생산하여, 전해질의 높이를 상승시키기 때문이다.
예를 들어, 하부(2INF)는 직사각형 형태를 가지며 상부(2SUP)는 사다리꼴 형태를 가져서, 다시 말하면, 상부의 가장자리가 비스듬히 절단되어, 상부(2SUP)의 단면이 하부(2INF)로부터의 거리가 증가함에 따라 감소한다. 상부(2SUP)의 단면은 일정하게 유지될 수 있다(도 11 참조).
다른 실시예에서, 하부(2INF) 및 상부(2SUP)는 두 부분(2INF, 2SUP) 사이의 계면에 솔더를 형성하는 직사각형 모양을 가진다(도 12 참조).
배터리(1)는 또한 배터리(1)를 충전하기 위한 제 2 양극(7)을 포함할 수 있다(도 9 참조). 이런 제 2 양극(7)은 바람직하게는 음극(3)과 공기 전극(2) 사이에 배열된다. 예를 들어, 액체 전해질에 삼투성인 펠트 형태의 격리판(5)은 공기 전극(22)과 제 2 양극(7) 및/또는 음극(3)과 제 2 양극(7) 사이에 사용될 수 있다.
제 2 양극(7)은 또한 제 2 양극(7)에 대한 캐소드 격실(2)의 삽입 위치에 대해 주의할 필요가 없기 때문에 공기 전극(22)의 삽입 또는 제거를 촉진하도록 캐소드 격실(2)의 카트리지(21)에 부착될 수 있다.
제 2 양극(7)은 배터리(1)의 충전 단계 동안 공기 전극(22)에 대한 보호를 제공한다. 사실, 배터리(1)의 충전 단계 동안, 공기 전극(22)은 양극 말단 및 이에 연결된 제 2 양극(7)으로부터 분리된다. 따라서, 충전 단계 동안, 공기 전극(22)은 사용되지 않고, 제 2 양극(7)이 공기 전극을 대체한다. 공기 전극(22) 및 제 2 양극(7)은 충전 시작과 동시에 사용되며 충전 전압이 소정의 값보다 클 때는 제 2 양극 전극(7)만이 사용된다는 것이 결정될 수 있다. 제 2 양극(7)의 사용과 관련된 추가 세부사항은 예를 들어 문헌 WO 2012/156639에 제공된다.
스페이서(8)는 제 2 양극(7)을 배터리의 다른 요소로부터 일정거리를 유지하도록 제 2 양극(7)과 접촉하게 놓일 수 있어서 충전 동안 제 2 양극(7) 상에 생산된 산소 거품의 제거를 촉진한다. 예를 들어, 스페이서(8)는 제 2 양극(7)과 음극(3) 및/또는 제 2 양극(7)과 공기 전극(22) 사이에 배열된다. 이런 스페이서(8)는 전해질이 액체일 때 전해질에 삼투성이다. 이런 스페이서(8)는, 예를 들어, 플라스틱 그리드일 수 있다. 금속 전극에 대한 압축 압력은 스페이서(8)를 통해 발휘될 수 있다. 변형으로서, 양극(7)의 한 면상에 배열된 두 스페이서(8)에 대해 장비가 제공될 수 있다.
이런 경우에, 액체 전해질에 삼투성인 기계적 보호대(9)가 스페이서(8)와 금속 전극(3) 또는 공기 전극(22) 사이에 제공되어 스페이서의 금속 전극(3) 또는 공기 전극(22)을 보호할 수 있다.
일반적으로, 가능한 캐소드 격실(2)의 숫자 및 금속 전극(3)의 숫자는 필요조건에 따라 적합하게 된다. 가해진 유일한 제한은 각 공기 전극(2)이 이들 사이의 격리판(5)에 의해 금속 전극(3)과 결합되는 것이다. 예시적 실시태양은 아래에 기술되며 함께 결합될 수 있다. 비록 이런 예시적 예는 금속-공기 배터리를 의미하나, 다음 단락은 공기 전극을 포함하는 다른 형태의 배터리에 대해 쉽게 적응될 수 있다.
제 1 실시태양(도 5)에서, 배터리(1)는 두 캐소드 격실(2)을 포함하며, 각각은 카세트(21) 및 기계적 보강재(26)의 면의 일부를 형성하는 단일 공기 전극(22)을 가진다. 배터리(1)는 또한 금속 전극(3)을 포함한다. 이런 금속 전극(3)은 두 캐소드 격실(2) 사이에 배열되어 그 사이에서 압축된다.
제 2 실시태양(도 6)에서, 배터리(1)는 캐소드 격실(2)의 각각이 림(28)을 포함하는 것을 제외하고 제 1 실시태양과 동일하다. 이런 림(28)은 서로 대면하도록 배열된다.
제 3 실시태양(도 7)에서, 배터리(1)는 두 캐소드 격실(2)을 포함하며, 각각은 각각은 카세트(21) 및 기계적 보강재(26)의 면의 일부를 형성하는 단일 공기 전극(22)을 가진다. 배터리(1)는 카세트(21)의 두 반대면의 적어도 일부를 형성하는 두 공기 전극(22)을 가진 캐소드 격실(2)을 포함한다. 배터리(1)는 또한 두 금속 전극(3)과 네 격리판(5)을 포함한다. 캐소드 격실(2), 금속 전극(3) 및 격리판(5)은 다음 순서로 배열된다: 케이스의 제 1 벽에 기대어 단일 공기 전극을 가진 제 1 캐소드 격실, 제 1 격리판, 제 1 금속 전극, 제 2 격리판, 두 공기 전극을 가진 캐소드 격실, 제 3 격리판, 제 2 금속 전극, 제 4 격리판 및 마지막으로 제 1 벽과 반대인 케이스의 제 2 벽에 기대어 단일 공기 전극을 가진 제 2 캐소드 격실.
제 4 실시태양(도 8)에서, 배터리(1)는 제 2 캐소드 격실(2)과 케이스(11)의 제 2 벽 사이에, 제 2 캐소드 격실(2) 이후에 배열된 압축 시스템(6)을 포함하는 것을 제외하고 제 3 실시태양과 동일하다.
제 5 실시태양(도 9)에서, 배터리(1)는 두 제 2 양극(7)을 포함하는 것을 제외하고 제 1 실시태양과 동일하다. 배터리의 요소는 케이스 내부에 배열되어 이들은 다음 순서로 배열된다: 공기 전극을 가진 제 1 캐소드 격실(2), 제 1 격리판(5), 첫 번째 제 2 양극(7), 제 2 격리판(5), 금속 전극(3), 제 3 격리판(5), 두 번째 제 2 양극(7), 제 4 격리판(5) 및 공기 전극을 가진 제 2 캐소드 격실(2).
제 6 실시태양(도 10)에서, 배터리(1)는 격리판이 스페이서(8)와 금속 보호재(9)를 포함하는 어셈블리에 의해 대체되었다는 사실을 제외하고 제 5 실시태양과 유사하며, 스페이서(8)는 제 2 양극(7)에 기대어 배열되고 금속 보호재(9)는 금속 전극(3) 또는 공기 전극(22)에 기대어 배열된다.
Claims (13)
- 공기 전극을 포함하며 배터리 케이스 속으로 추출가능한 방식으로 삽입되기에 적합한, 공기 전극 배터리를 위한 캐소드 격실(2)로서, 공기 전극은 판 형태이며 캐소드 격실(2)은 방수이고 공기 전극을 배터리의 양극 말단에 연결하기 위한 전기 연결(23) 및 공기 입구(24)와 공기 출구(25)를 가지며, 공기 전극(22)에 의해 적어도 부분적으로 형성된 적어도 하나의 평면을 가진 중공 카트리지(21)를 포함하고, 캐소드 격실은 하부(2INF)와 상부(2SUP)를 가지며, 하부(2INF)는 공기 전극(들)(22, 27)을 포함하며 상부(2SUP)는 하부의 단면보다 작은 공기 전극의 평면에 직각인 적어도 하나의 단면을 가지는 캐소드 격실(2).
- 제 1 항에 있어서,
캐소드 격실의 표면상에 카트리지(21)의 공기 전극(22)에 의해 적어도 부분적으로 형성된, 림(28)을 포함하는 캐소드 격실(2). - 제 1 항에 있어서,
중공 카트리지(21)의 다른 면을 적어도 부분적으로 형성하는 판 형태로 추가 공기 전극(27)을 더 포함하며, 상기 다른 면은 공기 전극(22)에 의해 적어도 부분적으로 형성된 면에 반대가 되는 캐소드 격실(2). - 제 1 항에 있어서,
카트리지(21) 내부의 공간을 채우며 공기 전극(22)과 접촉하는 벌집형 기계적 강화재(26)를 더 포함하는 캐소드 격실(2). - 케이스(11) 및 케이스 내부에:
- 공기 전극(22);
- 음극(3); 및
- 전해질을 포함하며,
공기 전극(22)은 케이스로부터 추출가능하며 캐소드 격실(2) 속에 포함되고, 공기 전극은 판 형태이며 캐소드 격실(2)은 방수이고 공기 전극을 배터리의 양극 말단에 연결하기 위한 전기 연결(23) 및 공기 입구(24)와 공기 출구(25)를 가지며, 공기 전극(22)에 의해 적어도 부분적으로 형성된 적어도 하나의 평면을 가진 중공 카트리지(21)를 포함하고,
음극은 금속 전극이며, 전해질은 액체 전해질이며, 또한 공기 전극(22)과 금속 전극(3) 사이에 전기 절연 격리판(5) 및 유연한 요소를 포함하며,
캐소드 격실(2)은 캐소드 격실의 표면상에 카트리지(21)의 공기 전극(22)에 의해 적어도 부분적으로 형성된, 림(28)을 포함하고 케이스(11) 내에서 이동가능하며,
격리판(5), 캐소드 격실(2) 및 금속 전극(3)은 유연한 요소가 캐소드 격실(2)에 작용하여 유연한 요소가 공기 전극(22)에 의해 적어도 부분적으로 형성된 이의 면을 통해 금속 전극(3)을 압축하도록 배열되는 배터리(1). - 제 5 항에 있어서,
유연한 요소는 케이스(11)에 의해 형성되거나 케이스의 벽에 기대어 배열된 압축 시스템(6)인 배터리(1). - 제 5 항에 있어서,
제 2 이동가능한 캐소드 격실(2) 속에 포함되며 추출가능한 제 2 공기 전극(22) 및 제 2 공기 전극(22)과 금속 전극(2) 사이에 제 2 격리판(5)을 포함하며,
두 캐소드 격실(2), 금속 전극(3), 격리판(5) 및 유연한 요소는 금속 전극(3)이 공기 전극(22)에 의해 적어도 부분적으로 형성된 이의 면을 통해 두 캐소드 격실(2) 사이에서 압축되도록 배열되는 배터리(1). - 제 5 항에 있어서,
배터리를 충전하기 위한 제 2 양극(7)을 포함하는 배터리(1). - 제 8 항에 있어서,
제 2 양극(7)은 캐소드 격실(2)과 음극(3) 사이에 배열되며, 배터리(1)는 또한 제 2 양극(7)과 접촉하게 놓인 적어도 하나의 스페이서(8)를 포함하여 충전 동안 제 2 양극(7) 상에 생산된 산소 거품의 제거를 촉진하는 배터리(1). - 제 9 항에 있어서,
양극(7)의 각 면 상에 놓인 두 스페이서(8)를 포함하는 배터리(1). - 제 9 항에 있어서,
적어도 하나의 스페이서(8)는 각각 음극(3), 공기 전극(22) 쪽으로 향하는 제 2 양극의 면에 기대어 제공될 수 있고,
스페이서(8)와 각각 음극(3), 공기 전극(22) 사이에 배열된 적어도 하나의 기계적 보호재(9)를 포함하는 배터리(1). - 삭제
- 삭제
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