KR102090866B1

KR102090866B1 - Mg-공기 전지

Info

Publication number: KR102090866B1
Application number: KR1020180031700A
Authority: KR
Inventors: 박상준
Original assignee: 주식회사 매니진
Priority date: 2018-03-19
Filing date: 2018-03-19
Publication date: 2020-04-17
Also published as: KR20190109959A

Abstract

Mg-공기 전지에 대해 기술된다. 공기 전지:는Mg 전극과 공기 전극, 그리고 이들 사이에 마련되는 세퍼레이터를 구비하는 발전부; 상기 발전부를 수용하는 발전실과, 세퍼레이터로 공급되는 전해액을 저장하는 저장실을 구비하는 하우징; 상기 발전실과 저장실 사이의 전해액 공급 경로를 폐쇄하는 격리막; 상기 하우징 내에서 마련되는 것으로 외부 조작에 의해 상기 격리막에 전해액 통과공을 형성하여, 상기 저장실의 전해액을 상기 발전실의 세퍼레이터로 유동시켜 상기 발전부에서의 발전 시작을 결정하는 트리거부;를 포함한다.

Description

Mg-공기 전지 {Mg-Air Cell}

본 발명은 공기극(Air Electrode)를 이용한 Mg-공기 전지에 관한 것이다.

Mg-공기 전지는 마그네슘 전극의 산화 및 공기 전극에서의 환원에 따라 기전력을 발생하는 것으로서 경제적인 면에서뿐 아니라 안전성이 매우 높아 활용 가치가 매우 높다. 예를 들어, Mg-공기 전지는 로보트, 사물인터넷(IoT, Internet of Things) 장치, 모바일 기기뿐 아니라 비상 전원 등에 사용되기에 적합하다.

이러한 Mg-공기 전지는 부동막에 의한 반응의 저하 등에 따른 초기 기전력 저하 등의 문제가 있고, 특히 한번 산화가 시작되면, 즉 기전력의 발생이 시작되면 이를 멈출 수 없는 기전력 발생 제어의 한계가 있다.

이러한 Mg-공기 전지는 높은 경제성, 안전성을 가지고 있음에도 위와 같은 단점을 극복하는 연구가 필요하다.

본 발명은 기전력 발생을 제어할 수 있는 Mg-공기 전지를 제공한다.

본 발명은 휴대 및 사용이 간편한 Mg-공기 전지를 제공한다.

본 발명에 따른 Mg-공기 전지:는

Mg 전극과 공기 전극, 그리고 이들 사이에 마련되는 세퍼레이터를 구비하는 발전부;

상기 발전부를 수용하는 발전실과, 세퍼레이터로 공급되는 전해액을 저장하는 저장실을 구비하는 하우징;

상기 발전실과 저장실 사이의 전해액 공급 경로를 폐쇄하는 격리막;

상기 하우징 내에서 마련되는 것으로 외부 조작에 의해 상기 격리막에 전해액 통과공을 형성하여, 상기 저장실의 전해액을 상기 발전실의 세퍼레이터로 유동시켜 상기 발전부에서의 발전 시작을 결정하는 트리거부;를 구비한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 트리거부:는 상기 격리막에 대면하게 설치되는 돌기 및 이 돌기를 작동하는 버튼;을 구비할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 하우징에서 발전부가 마련되는 발전실과 전해액이 저장되는 저장실을 격리하는 격벽이 마련되고, 상기 저장실은 멤브레인에 의한 상기 격리막에 의해 그 폐쇄되어 있고, 상기 격리막에 대면하여 상기 버튼이 마련되어 있을 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 저장실와 발전실은 상기 하우징 내에서 상기 격벽에 의해 구회되어 있고, 상기 격벽 위로 상기 저장실의 전해액이 공급되며, 상기 저장실의 위에는 상기 격벽과 저장실 주위의 구조물에 밀봉 고정되는 격리막이 마련되어 있을 수 있다.

본 발명의 구체적인 실시예에 따르면,

상기 발전실에는 상기 Mg 전극, 세퍼레이터, 공기 전극가 적층된 샌드위치 구조의 발전부가 마련되고, 상기 발전실의 상부에 상기 공기 전극이 마련되어 상기 전해액이 상기 공기 전극을 통해 상기 세퍼레이터로 공급되는 구조를 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 전해액은 NaCl, 염화제2철 또는 염산 중의 어느 하나를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 공기 전극은 CMD-H(Carboxymethylcellulose Hydrogel)에 의해 분산 처리된 MW-CNT(Multi-walled Carbon Nano Tube) 현탁액을 이용해 필름으로 형성될 수 있다.

본 발명에 따르면, Mg 공기전극의 작동, 즉 기전력 발생 시점을 제어할 수 있다. 이러한 본 발명의 공기 전지는 소형화가 가능하고 또한 휴대가 가능하여, 다양한 전자 제품의 주전원 또는 보조 전원으로 사용될 수 있다.

도1은 본 발명에 따른 Mg-공기 전지의 구조를 설명하는 도면이다.
도2는 본 발명에서 적용하는 CNT-공기 전극의 SEM 사진이다.
도3은 본 발명에 따른 Mg-공기 전지의 일 실시 예의 개략적 외관을 보인다.
도4는 도3에 도시된 본 발명에 따른 Mg-공기 전지의 개략적 내부 구조를 보이는 분해 사시도이다.
도5는 도3에 도시된 본 발명에 따른 Mg-공기 전지의 개략적 내부 구조를 보이면 평면도이다.
도6은 도3에 도시된 본 발명에 따른 Mg-공기 전지의 개략적 내부 구조를 보이면 단면도이다.
도7는 본 발명에 따른 Mg-공기 전지에서 트리거 버튼의 동작에 따른 격리막의 천공을 보이는 개략적 단면도이다.
도8은 본 발명에 따른 Mg-공기 전지에서 트리거 버튼의 동작에 따른 천공된 격리막을 통해 전해액 이동을 보이는 개략적 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 Mg-공기 전지의 한 실시 예를 설명한다.

도1은 본 발명에 따른 Mg-공기 전지의 단위 구조 및 기전력 발생 메커니즘을 설명하는 도면이다.

도1을 참조하면, 발전 유니트(11)는 전해액이 포함되어 있는 분리층 또는 세퍼레이터(11b)의 양측에 Mg 또는 Mg 합금으로 된 Mg 전극(11a) 및 MW CNT로 된 CNT 전극(11c)이 마련되어 있다. 도면에서 참조번호 11d는 부하(負荷)를 상징적으로 표현한다. Mg 전극(1)에서는 Mg가 산화에 의해 Mg²⁺로 이온화되면서 전자(4e^-)가 발생하고 Mg²⁺는 세퍼레이터(11b)에 함침되어 있는 전해액에 잔류하게 된다. 그리고 CNT 전극(3)에서는 공기 중에서 공급된 산소(O₂)가 전자를 받아서 환원에 의한 수산기(4OH^-)가 발생한다. 전체적으로는 Mg, O₂, H₂O가 반응하여 2Mg(OH)₂를 부산물로 생성한다.

물에 반응하는 Mg-공기 전지에서는 끄집어 내는 파워나 부동막에 의한 반응의 저하 등의 개량의 여지가 있었다. 여기서, 전해액으로는 염산, 염화 제2철, 과염소산 등이 이용되며, 세퍼레이터(11b) 기재는 부직포, 유리섬유, 다공성 필름, 고분자막 등 이다. 본 발명의 특징부의 하나인 CNT 전극은 CMC-H(Carboxymethylcellulose Hydrogel, Acid type)를 분산제로 이용한 MW-CNT 현탁액으로 제조한다. 구체적으로 MSCNT를 나노벨(Nanobell) 분산기술을 이용하여 물에 분산시키는데, CMC와 MSCNT의 혼합재료에 폴리올을 혼합시킨 후 이를 가열 처리함으로써 CNT 필름 재조에 필요한 에스테르 결합에 의한 가교재료(flexible cross-link material)를 형성하게 된다. 본 발명에서 공기 전극으로서 CNT 를 적용하나, 기존의 탄소 섬유 전극 등 기존 재료를 적용할 수 있다.

도2는 상기와 같이 제조된 CNT 전극의 SEM 사진이다. 이렇게 제조된 CNT 전극는 이온 투과성이 뛰어 나고 내부식성이 강하다. 또한, MW-CNT에 의한 비표면적 증가로 높은 전기적 도전성 또는 전도성(Electrical conductivity)을 나타내게 된다. 실험에 따르면, 단순히 CNT로만 된 전극을 이용하는 것에 비해 CNT + CMCA(Carboxymethylcellulose-Acid type) 복합재료를 사용했을 때 약 8배의 전류 밀도 증가가 나타남을 확인하였다.

본 발명의 다른 실험에 따르면, 본 발명에 따른 CNT 전극은 동일한 표면적을 가지는 흑연 전극의 Mg 전지보다 거의 다섯 배 이상의 훨씬 높은 전류 밀도를 얻을 수 있음도 확인하였다. 예를 들어 20x50 mm 크기의 Mg 합금을 이용하고, 또 전해액으로서 염화 제2철 용액을 이용했을 경우 1000mA/g 이상의 전기 용량을 계측하였다. Mg의 이론 치로는 약 2Ah/g으로서 전압은 실험으로부터 2V에서 1.5V로 운용할 수 있음을 확인하였는데, 이에 따르면 효율 50%로 환산해도 1.5Wh/g 이며 효율을 66.7%로 하면 2Wh/g가 된다. 이와 같이 저비용으로 유연한 구성을 가지는 본 발명에 따른 Mg-공기 전지는 다양한 분야에 적용이 가능하다.

도3은 상기와 같은 구조의 발전 구조를 가지는 Mg-공기 전지(10)의 한 실시예를 보인다.

도3을 참조하면, 얕은 사각 접시형 바닥 부재(12a)와 바닥 부재(12a)를 덮는 커버부재(12b)를 가지는 육면체 상의 하우징(12)의 일 측면에 전극 터미널(13a, 13b)이 마련되고 그 상면 일측에 상기 하우징(12) 안에 내장되는 발전 유니트(11)에서의 발전을 기동하는 트리거 버튼(14)이 위치한다. 이 트리거 버튼(14)은 후술하는 격리막(16, 도4)에 발전실로 전해질 공급을 위한 경로를 형성하는 천공돌기(14a, 도4)를 동작시키는 것이다. 이 트리거 버튼(14)은 하우징(10)의 내부와 외부를 간의 기밀을 유지하여 전해액이 누설되지 않으면서도 상하 움직임이 가능하도록 커버 부재(12b)에 대해 일정한 거리의 움직이 가능하도록 설치될 수 있는데, 예를 들어 트리거 버튼(14)은 커버 부재(11a)의 상면에 탄력적으로 그 가장자리가 고정된 고무 재질의 버튼일 수 있으며, 이러한 트리거 버튼(14)은 현존하는 기술에 의해 다양한 설계 변경이 가능할 것이다.

도4는 본 발명에 따른 Mg-공기 전지(10)에서 커버 부재(12b)를 분리한 상태의 사시도이며, 도5는 그 평면도이다.

도4와 도5를 참조하면, 바닥 부재(11)에는 발전실(Ra)과 전해액 저장실(Rb)이 마련되어 있고 이들의 사이에 격벽(15a)이 마련되어 있고, 저장실(Rb)의 둘레에는 상기 격벽(15)을 포함하여 격리막(16)의 가장자리가 고정되는 상면을 가지는 벽체(15b) 이 마련되어 있다. 상기 전해액이 수용되는 저장실(Rb)은 상기 격리막(16)에 의해 폐쇄된다. 상기 저장실(Rb)을 폐쇄하는 격리막(16)은 알루미늄이나 플라스틱 멤브레인등이 적용될 수 있으며, 열압착이나 기타 고정부품에 의해 고정될 수 있다. 따라서 발전 시작, 즉 전지 사용 전에는 전해액은 저장실(R5b)에 갇혀 있게 된다.

상기 격리막(16)에 전해액 통과 경로를 형성하는 수단은 하우징(10) 내에 다양한 형태로 마련될 수 있는데, 본 실시 예에서와 같이 상부 커버(12b)의 작동 버튼(14)의 내면에 마련될 수 있다.

도4에 도시된 바와 같이 상기 트리거 버튼(14)의 내면에는 상기 격리막(16)에 가까이 대면하는 다수의 콘형 천공돌기(14a)가 마련되어 있다. 따라서, 상기 트리거 버튼(14)이 눌리면 천공돌기(14a)는 격리막(16)에 관통공16a)을 형성하여 저장실(Rb)에 수용된 전해액이 관통공(16a)을 통해 발전실(Ra)로 이용하여 공기 전극(11c, 도1)을 통과하여 세퍼레이터(11b, 도1)에 흡수되게 된다. 세퍼레이터(11b)에 전해액이 공급되면 도1의 설명에서와 같이 전해액과 Mg 전극간의 화학적 반응이 진행되면서 전력을 생산하게 된다.

상기 격리막(16)의 초기 상태는 상기 격벽(15a)과 벽체(15b의 상단에 완전 밀봉 고정되어 있으므로 전해액이 저장실(Rb)에 갇혀 있게 된다. 이것은 초기 상태에서 상기 발전 유니트(10)에는 전해액이 존재하지 않으며, 따라서 이 발전 유니트(10)는 발전을 행하지 못한다. 사용자에 의해 상기 트리거 버튼(14)가 작동하여 격리막(16)에 형성된 관통공(16a)을 통해서 전해액이 발전실(Ra)로 흘러 들어 가게 된다. 이때에 전지(10)의 몸을 옆으로 세워 저장실이 위로 가게 한 상태에서 흔들어 줌으로써 보다 신속하게 전해액이 발전실(Ra)로 흘러 들어 갈 수 있을 것이다. 이와 같은 과정을 통해 전해액이 발전실로 유입되면 강한 모세관 현상을 띠는 세퍼레이터(11b)에 대부분 흡수되게 된다. 이렇게 상기 전해액이 세퍼레이터(11b)에 함침되면, 전해액을 통한 전기 화학적 반응에 의해 발전부(10)로부터의 발전이 시작된다.

도5은 트리거 버튼(14)의 작동에 의해 격리막(16)에 관통공(16a)이 형성되는 동작을 보이며, 도6은 격리막(16)에 관통공(16a)의 형성후 전해액이 발전실(Ra)로 이용하여 세퍼레리터(11b)로 흡수되는 상태를 설명한다.

이러한 본 발명에 따른 Mg-공기 전지는 장시간 보관에도 성능열화가 없어서장기 보관이 가능하다는 장점을 가진다. 이러한 Mg-공기 전지는 고에너지 밀도와 긴 운전시간을 가지는 점, 정기적 충전이 필요치 않다는 점, 환경적 요인의 영향을 덜받아서 광범위한 가동 조건을 가진다는 점, 경량으로 운반하기 쉽고, 따라서 휴대용으로 구현이 용이하고, 재생 가능한 재료를 가지는 장점을 가진다.

이러한 Mg-공기 전지는 평시 전해액이 발전부의 세퍼레이터에 공급되지 않은 상태이므로 Mg-공기 전지는 발전을 시작하지 않는다. 이러한 초기 상태는 Mg-공기 전지의 장기 보존을 가능하게 한다.

이러한 본 발명은 산화가 시작되면 산화의 제어가 어렵고 따라서 부하 존재에 무관하게 소모되는 Mg-공기 전지의 전력을 허비를 방지한다. 또한, 이러한 본 발명은 소형화가 가능하므로 소형전자기기 특히 포터블 전자 기기를 위한 휴대용 보조 전지로 매우 유용하다.

이러한 본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

10: Mg-공기 전지
11: 발전부
11a: (Mg)금속 전극
11b: 세퍼레이터
11c: (MW-CNT) 공기 전극
13a, 13b: 전원 터미널
16: 트리거 버튼
16a: 돌기
Ra: 발전실
Rb: (전해액) 저장실

Claims

Mg 전극과 공기 전극, 그리고 이들 사이에 마련되는 세퍼레이터를 구비하는 발전부;
상기 발전부를 수용하는 발전실과, 세퍼레이터로 공급되는 전해액을 저장하는 저장실을 구비하는 하우징;
상기 발전실과 저장실 사이의 전해액 공급 경로를 폐쇄하는 격리막;
상기 하우징 내에서 마련되는 것으로 외부 조작에 의해 상기 격리막에 전해액 통과공을 형성하여, 상기 저장실의 전해액을 상기 발전실의 세퍼레이터로 유동시켜 상기 발전부에서의 발전 시작을 결정하는 트리거부;를 포함하는 Mg-공기 전지.
제1항에 있어서,
트리거부:는 상기 격리막에 대면하게 설치되는 돌기 및 이 돌기를 작동하는 버튼;을 구비하는 Mg-공기 전지..
제2항에 있어서,
상기 하우징에 발전실과 저장실을 격리하는 격벽이 마련되고, 상기 저장실은 멤브레인에 의한 상기 격리막에 의해 그 폐쇄되어 있고, 상기 격리막에 대면하여 상기 버튼이 마련되어 있는, Mg-공기 전지.
제1항에 있어서,
상기 공기 전극은 CMD-H(Carboxymethylcellulose Hydrogel)에 의해 분산 처리된 MW-CNT(Multi-walled Carbon Nano Tube) 현탁액을 이용한 필름으로 형성된 것을 특징으로 하는 Mg-공기 전지.
제1항, 제2항 또는 제4항 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 하우징에 상기 발전실과 저장실을 격리하는 격벽이 마련되고, 상기 격벽 위로 상기 저장실의 전해액이 공급되며, 상기 저장실의 위에는 상기 격벽과 저장실 주위의 구조물에 밀봉 고정되는 격리막이 마련되어 있는, Mg-공기 전지.
제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 전해액은 NaCl, 염화제2철 또는 염산 중의 어느 하나를 포함하는 Mg-공기 전지.