KR102171532B1 - Eutectic liquid metal-air batteries comprising liquid metal electrode and method of preparation thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 액체금속음극을 포함하는 공융액체금속 공기전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 공융액체금속 공기전지는, 음극집전체가 삽입되고, 상온에서 액상인 공융액체금속(eutectic liquid metal) 음극활물질을 포함하는 액체금속음극, 겔(Gel) 전해질이 코팅되고 탄성을 가지는 고분자 섬유를 포함하며, 상기 액체금속음극을 감싸는 탄성 전해질층, 및 탄성 전해질층과 적어도 일부가 접하고, 표면의 적어도 일부에 금속촉매가 형성된 탄소섬유를 포함하는 탄소섬유양극을 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a eutectic liquid metal air battery including a liquid metal cathode and a method for manufacturing the same, wherein the eutectic liquid metal air battery is inserted into a cathode current collector and is a liquid at room temperature. A liquid metal cathode comprising a liquid metal cathode, comprising a polymer fiber coated with a gel electrolyte and having elasticity, the elastic electrolyte layer surrounding the liquid metal cathode, and at least part of the elastic electrolyte layer contacting, and at least part of the surface It is characterized in that it comprises a carbon fiber anode including a carbon fiber on which the catalyst is formed.

Description

액체금속음극을 포함하는 공융액체금속 공기전지 및 이의 제조방법 {EUTECTIC LIQUID METAL-AIR BATTERIES COMPRISING LIQUID METAL ELECTRODE AND METHOD OF PREPARATION THEREOF}Eutectic liquid metal air battery including liquid metal cathode and its manufacturing method {EUTECTIC LIQUID METAL-AIR BATTERIES COMPRISING LIQUID METAL ELECTRODE AND METHOD OF PREPARATION THEREOF}

본 발명은 액체금속음극을 포함하는 공융액체금속 공기전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 갈륨/인듐 공융액체금속을 음극으로 이용하고 신축성 소재가 담지된 탄성 전해질층을 포함하는 공융액체금속 공기전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a eutectic liquid metal air battery including a liquid metal cathode and a method of manufacturing the same. In more detail, it relates to a eutectic liquid metal air battery using a gallium/indium eutectic liquid metal as a cathode and including an elastic electrolyte layer on which a stretchable material is supported, and a method of manufacturing the same.

최근 전자기기는 우수한 신축성을 가지는 소재를 이용하여, 웨어러블(wearable)기기, 소프트 로보틱스, 인체부착형 등의 형태로 발전하고 있다. 신축성이 우수한 소재는 의류의 형태로 제조될 수 있고, 인체피부, 장기등과 같이 곡면을 가지는 대상물에 잘 부착될 수 있다.Recently, electronic devices have been developed in the form of wearable devices, soft robotics, and human body attachment types, using materials having excellent elasticity. Materials having excellent elasticity can be manufactured in the form of clothing, and can be well attached to objects having a curved surface, such as human skin and organs.

특히, 유연하고 신축성이 있는 섬유형태의 전력장치에 대한 수요가 증가하고 있다. 웨어러블 전자기기 시장에서의 요구조건을 충족시키기 위하여, 섬유상 태양전지/배터리, 마이크로 케이블구조의 전력섬유와 같은 웨어러블 전력기기들의 제품이 많은 관심을 받고 있다. 또한, 전지 형태의 경우에도 섬유의 표면에 코팅된 전극(Device on textile)과 같이 유연성 특성만이 가능한 형태보다 섬유의 내부에 삽입된 전극(Device into textile)의 형태가 안전성과 내구성이 더 우수하여 많은 관심을 받고 있다. 그러나 현재 상용화되어 있는 고체금속전극을 포함하는 전지들은 재료가 지니고 있는 고유의 한계 때문에 유연성과 신축성에 대해 매우 제한적이다.In particular, the demand for flexible and elastic fiber-type power devices is increasing. In order to meet the requirements in the wearable electronic device market, products of wearable power devices such as fibrous solar cells/batteries and power fibers having a micro-cable structure are attracting much attention. In addition, even in the case of the battery type, the shape of the device into textile is superior to the shape that only has flexibility characteristics, such as the device on textile. It is receiving a lot of attention. However, batteries including solid metal electrodes that are currently commercially available have very limited flexibility and elasticity due to inherent limitations of materials.

상기의 문제점들을 극복하기 위하여, 대부분의 금속전극들은 얇은 와이어/시트 형태이거나, 스프링 모양의 구조를 갖는다. 그럼에도 불구하고, 고체금속의 특성상 유연성과 신축성이 모두 실용화 가능한 수준에 도달하지 못하고 있는 실정이다. 그 외에, 신축성 있는 한 쌍의 기재를 사이에 두고 단위 전지셀을 배치하는 방법도 제시되었으나, 단위 전지셀을 아일랜드형으로 간격을 두어 배치하기 때문에 에너지 밀도가 낮아지는 문제가 있었다. In order to overcome the above problems, most of the metal electrodes are in the form of a thin wire/sheet or have a spring-shaped structure. Nevertheless, due to the characteristics of solid metals, both flexibility and elasticity have not reached the level of practical use. In addition, a method of arranging the unit battery cells with a pair of elastic substrates therebetween has been proposed, but there is a problem in that the energy density is lowered because the unit battery cells are arranged at intervals in an island shape.

이에 대한 대안으로, 기재 표면에 전극층을 코팅하고 여러 개의 기재들을 옷감의 직물구조를 가지도록 제조함으로써, 유연성과 신축성을 확보하고 마찰에 의해 전기를 생산하는 방법이 제시되었다. 그러나, 마찰력에 의해 생성되는 전기는 낮은 전류값을 가지고, 마찰강도에 따른 전압값의 변화로 일정한 전력을 생산하기 어렵다는 단점이 있었다.As an alternative to this, a method of securing flexibility and elasticity and generating electricity by friction by coating an electrode layer on the surface of a substrate and manufacturing a plurality of substrates to have a fabric structure has been proposed. However, electricity generated by frictional force has a low current value, and it is difficult to produce constant power due to a change in voltage value according to frictional strength.

따라서, 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 상온에서 액상으로 존재할 수 있는 공융액체금속 혼합물을 음극활물질로 이용하여, 신축성이 우수한 겔 전해질이 코팅된 탄성 전해질층의 내부에 상기 음극활물질을 주입하고, 외부에 금속촉매가 형성된 탄소섬유양극이 코팅된 공융액체금속 공기전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.Therefore, in order to solve various problems including the above problems, the present invention uses a eutectic liquid metal mixture that may exist in a liquid state at room temperature as a negative electrode active material, and the elastic electrolyte layer coated with a gel electrolyte having excellent elasticity An object of the present invention is to provide a eutectic liquid metal air battery in which the anode active material is injected into the interior and coated with a carbon fiber anode on which a metal catalyst is formed.

또한, 본 발명은 갈륨/인듐 공융혼합물을 음극활물질로 포함함에 따라, 발생전류의 조절이 가능하고 굽힙 변형 및 신축성을 우수하게 하여, 공융액체금속 공기전기의 기계적, 전기적 특성을 향상시키는 것을 목적으로 한다.In addition, the present invention is to improve the mechanical and electrical properties of the eutectic liquid metal pneumatic by including the gallium / indium eutectic mixture as a negative electrode active material, it is possible to control the generated current and to improve the bending deformation and elasticity. do.

그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.However, these problems are exemplary, and the scope of the present invention is not limited thereby.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 음극집전체가 삽입되고, 상온에서 액상인 공융액체금속(eutectic liquid metal) 음극활물질을 포함하는 액체금속음극; 겔(Gel) 전해질이 코팅되고 탄성을 가지는 고분자 섬유를 포함하며, 상기 액체금속음극을 감싸는 탄성 전해질층; 및 탄성 전해질층과 적어도 일부가 접하고, 표면의 적어도 일부에 금속촉매가 형성된 탄소섬유를 포함하는 탄소섬유양극을 포함하는, 공융액체금속 공기전지가 제공된다.According to one aspect of the present invention for solving the above problem, a negative electrode current collector is inserted, the liquid metal cathode including a eutectic liquid metal negative electrode active material liquid at room temperature; An elastic electrolyte layer coated with a gel electrolyte and comprising polymer fibers having elasticity, and surrounding the liquid metal cathode; And there is provided a eutectic liquid metal air battery comprising a carbon fiber anode including carbon fibers in which at least a portion of the elastic electrolyte layer and the metal catalyst are formed in contact with the elastic electrolyte layer.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 공융액체금속 음극활물질은 갈륨(Ga) 및 인듐(In)을 포함할 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the eutectic liquid metal anode active material may include gallium (Ga) and indium (In).

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 공융액체금속 음극활물질은 갈륨 74.8 중량부 내지 92.8 중량부, 인듐 7.2 중량부 내지 25.2 중량부를 포함할 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the eutectic liquid metal anode active material may include 74.8 parts by weight to 92.8 parts by weight of gallium and 7.2 parts by weight to 25.2 parts by weight of indium.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 고분자 섬유는 나일론(Nylon)을 포함할 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the polymer fiber may include nylon.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속촉매는 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 및 은(Ag) 중 적어도 어느 하나일 수 있다.Further, according to an embodiment of the present invention, the metal catalyst may be at least one of platinum (Pt), palladium (Pd), and silver (Ag).

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 공융액체금속 음극활물질의 주입량에 따라 전류밀도가 제어될 수 있다.Further, according to an embodiment of the present invention, the current density may be controlled according to the injection amount of the eutectic liquid metal anode active material.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 공융액체금속 공기전지는 전류밀도가 1000μW/cm-2 내지 1200μW/cm-2 의 범위를 가질 수 있다.Further, according to an embodiment of the present invention, the eutectic liquid metal air battery may have a current density ranging from 1000 μW/cm -2 to 1200 μW/cm -2 .

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 공융액체금속 공기전지는 초기 길이 대비 90 % 내지 110 %까지 신축할 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the eutectic liquid metal air battery may expand and contract up to 90% to 110% of the initial length.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 탄성 전해질층은 원통형 구조를 가질 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the elastic electrolyte layer may have a cylindrical structure.

그리고, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 일 관점에 따르면, (a) 상온에서 액상인 공융액체금속(eutectic liquid metal) 음극활물질을 준비하는 단계; (b) 겔(Gel) 전해질 전구체를 포함하는 용액에 탄성을 가지는 고분자 섬유를 담지시키고, 상기 겔 전해질 전구체를 중합시키는 단계; (c) 상기 고분자 섬유를 롤링(Rolling)하여 탄성 전해질층을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 탄성 전해질층과 적어도 일부가 접하도록 탄소섬유양극을 형성하고, 상기 탄성 전해질층의 내부에 상기 공융액체금속 음극활물질 및 음극집전체를 배치하여 액체금속음극을 형성하는 단계를 포함하는, 공융액체금속 공기전지의 제조방법이 제공된다.And, according to another aspect of the present invention for solving the above problems, (a) preparing a eutectic liquid metal negative electrode active material liquid at room temperature; (b) supporting a polymer fiber having elasticity in a solution containing a gel electrolyte precursor and polymerizing the gel electrolyte precursor; (c) forming an elastic electrolyte layer by rolling the polymer fiber; And (d) forming a carbon fiber anode such that at least a portion of the elastic electrolyte layer is in contact, and forming a liquid metal anode by disposing the eutectic liquid metal anode active material and a cathode current collector inside the elastic electrolyte layer. A method of manufacturing a eutectic liquid metal air battery is provided.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 공융액체금속 음극활물질은 갈륨(Ga) 및 인듐(In)을 포함할 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the eutectic liquid metal anode active material may include gallium (Ga) and indium (In).

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 탄소섬유양극은 표면의 적어도 일부에 금속촉매가 형성된 탄소섬유를 포함하며, 상기 금속촉매는 상기 탄소섬유에 전기화학증착법으로 형성될 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the carbon fiber anode includes carbon fibers in which a metal catalyst is formed on at least a part of a surface, and the metal catalyst may be formed on the carbon fiber by an electrochemical deposition method.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상온에서 액상으로 존재할 수 있는 공융액체금속 혼합물을 음극활물질로 이용하고, 신축성이 우수한 겔 전해질이 코팅된 탄성 전해질층의 내부에 상기 음극활물질을 주입하고, 외부에 금속촉매가 형성된 탄소섬유양극이 코팅된 공융액체금속 공기전지를 제공할 수 있다.According to an embodiment of the present invention made as described above, a eutectic liquid metal mixture, which may exist in a liquid state at room temperature, is used as a negative electrode active material, and the negative electrode active material is placed inside an elastic electrolyte layer coated with a gel electrolyte having excellent elasticity. Injecting, it is possible to provide a eutectic liquid metal air battery coated with a carbon fiber anode on which a metal catalyst is formed.

또한, 본 발명은 갈륨/인듐 공융혼합물을 음극활물질로 포함하여 발생전류의 조절이 가능하고 굽힙 변형 및 신축성에 대한 특성이 우수하여 공융액체금속 공기전기의 기계적, 전기적 특성을 향상시키는 효과가 있다.In addition, the present invention includes a gallium/indium eutectic mixture as a negative electrode active material, so that the generated current can be controlled, and the properties for bending deformation and elasticity are excellent, thereby improving the mechanical and electrical properties of the eutectic liquid metal pneumatic material.

물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.Of course, the scope of the present invention is not limited by these effects.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공융액체금속 공기전지의 구조를 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공융액체금속 공기전지의 제조방법을 나타내는 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 갈륨-인듐 금속의 상평형도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 백금촉매가 증착된 탄소섬유를 나타내는 주사전자현미경(Scanning electron microscope, SEM) 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 케이블 형태의 EGILM 공기전지의 제조방법을 나타내는 개략도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 케이블 형태의 EGILM 공기전지의 구조를 나타내는 개략도이다.
도 7은 본 발명의 일 실험예에 따른 갈륨/인듐 공용혼합물의 알칼리 수용액에 대한 부식저항도 실험 결과를 나타내는 사진이다.
도 8은 본 발명의 일 실험예에 따른 갈륨/인듐 공융혼합물의 유연성 평가 결과를 나타내는 사진이다.
도 9는 본 발명의 일 실험예에 따른 수계 겔 전해질의 중합개시제의 함량에 따른 인장특성 평가 결과를 나타내는 사진이다.
도 10은 본 발명의 일 실험예에 따른 개방형 EGILM 공기전지의 작동메커니즘 실험을 나타내는 개략도이다.
도 11은 본 발명의 일 실험예에 따른 개방형 EGILM 공기전지의 방전 후 반응부산물 분석 결과를 나타내는 X-선 회절(X-ray diffraction, XRD) 분석 그래프, 에너지 분광검출기(Energy dispersive spectrometer, EDS) 분석 그래프 및 주사전자현미경(Scanning electron microscope, SEM)사진이다.
도 12는 본 발명의 일 실험예에 따른 EGILM 공기전지의 방전특성을 측정한 실험의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일 실험예에 따른 탄소섬유의 백금촉매 증착여부에 따른 EGILM 공기전지의 방전특성을 나타내는 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일 실험예에 따른 EGILM 공기전지의 수명특성 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
1 is a schematic diagram showing the structure of a eutectic liquid metal air battery according to an embodiment of the present invention.
2 is a flow chart showing a method of manufacturing a eutectic liquid metal air battery according to an embodiment of the present invention.
3 is a phase equilibrium diagram of a gallium-indium metal according to an embodiment of the present invention.
4 is a scanning electron microscope (SEM) photograph showing a carbon fiber deposited with a platinum catalyst according to an embodiment of the present invention.
5 is a schematic diagram showing a method of manufacturing an EGILM air battery in the form of a cable according to an embodiment of the present invention.
6 is a schematic diagram showing the structure of a cable-type EGILM air battery according to an embodiment of the present invention.
7 is a photograph showing the test results of corrosion resistance of a common gallium/indium mixture for an aqueous alkali solution according to an experimental example of the present invention.
8 is a photograph showing a result of evaluating the flexibility of a gallium/indium eutectic mixture according to an experimental example of the present invention.
9 is a photograph showing the tensile property evaluation result according to the content of the polymerization initiator in the aqueous gel electrolyte according to an experimental example of the present invention.
10 is a schematic diagram showing an experiment of an operation mechanism of an open EGILM air battery according to an experimental example of the present invention.
11 is an X-ray diffraction (XRD) analysis graph, energy dispersive spectrometer (EDS) analysis showing the reaction byproduct analysis result after discharge of an open EGILM air battery according to an experimental example of the present invention This is a graph and a scanning electron microscope (SEM) picture.
12 is a graph showing the results of an experiment measuring discharge characteristics of an EGILM air battery according to an experimental example of the present invention.
13 is a graph showing discharge characteristics of an EGILM air battery according to whether carbon fiber is deposited with a platinum catalyst according to an experimental example of the present invention.
14 is a graph showing the results of a life characteristic experiment of an EGILM air battery according to an experimental example of the present invention.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭하며, 길이 및 면적, 두께 등과 그 형태는 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다.DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The detailed description of the present invention to be described later refers to the accompanying drawings, which illustrate specific embodiments in which the present invention may be practiced. These embodiments are described in detail sufficient to enable a person skilled in the art to practice the present invention. It should be understood that the various embodiments of the present invention are different from each other but need not be mutually exclusive. For example, specific shapes, structures, and characteristics described herein may be implemented in other embodiments without departing from the spirit and scope of the present invention in relation to one embodiment. In addition, it is to be understood that the location or arrangement of individual components within each disclosed embodiment may be changed without departing from the spirit and scope of the present invention. Accordingly, the detailed description to be described below is not intended to be taken in a limiting sense, and the scope of the present invention, if properly described, is limited only by the appended claims, along with all scopes equivalent to those claimed by the claims. In the drawings, similar reference numerals refer to the same or similar functions over several aspects, and the length, area, thickness, and the like may be exaggerated and expressed for convenience.

본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설명된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.In the present specification, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate that the described features, numbers, steps, actions, components, parts, or combinations thereof exist, but one or more other features or numbers, It is to be understood that the presence or addition of steps, actions, components, parts, or combinations thereof, does not preclude the possibility of preliminary exclusion.

이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings in order to enable those of ordinary skill in the art to easily implement the present invention.

본 발명은 상온에서 액상으로 존재하는 공융액체금속을 음극활물질로 포함하고, 탄성을 가지는 고분자 섬유를 이용한 전해질층을 포함하여 신축성을 가지고 기계적 전기적 안정성이 우수한 공융액체금속 공기전지에 관한 것이다. The present invention relates to a eutectic liquid metal air battery having elasticity and excellent mechanical and electrical stability, including an electrolyte layer using a polymer fiber having elasticity and comprising a eutectic liquid metal present in a liquid state at room temperature as a negative electrode active material.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공융액체금속 공기전지(10)의 구성을 나타내는 개략도이다. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a eutectic liquid metal air battery 10 according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 공융액체금속 공기전지(10)는, 액체금속음극(100), 탄성 전해질층(200) 및 탄소섬유양극(300)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, the eutectic liquid metal air battery 10 of the present invention may include a liquid metal cathode 100, an elastic electrolyte layer 200, and a carbon fiber anode 300.

액체금속음극(100)은 음극집전체(110)가 삽입되고, 상온에서 액상인 금속을 적어도 하나 포함하는 공융액체금속 음극활물질(120)을 포함할 수 있다.The liquid metal cathode 100 may include a eutectic liquid metal anode active material 120 into which the anode current collector 110 is inserted and includes at least one metal that is liquid at room temperature.

종래의 금속공기전지는 고체상의 금속을 음극으로 사용하기 때문에 공기전지의 유연성과 신축성이 제한된다. 이를 해결하기 위해, 금속와이어를 사용하거나 스프링 형상의 금속을 제작하였지만, 그럼에도 불구하고 유연성과 신축성에 대한 한계치가 낮다는 단점이 있다. 또한 기존의 금속 기반 전지들은 금속 음극에서 수지상(Dendrite)이 형성되는 문제가 있다. Since the conventional metal-air battery uses a solid metal as a negative electrode, the flexibility and elasticity of the air battery are limited. In order to solve this problem, a metal wire or a spring-shaped metal was manufactured, but there is a disadvantage in that the limit values for flexibility and elasticity are low nonetheless. In addition, conventional metal-based batteries have a problem in that dendrite is formed at the metal anode.

이에 따라, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해, 액체금속음극(100)은 상온에서 액상인 공융액체금속(eutectic liquid metal) 음극활물질(120)을 포함하는 것을 특징으로 한다. 상온에서 액상인 공융액체금속 음극활물질(120)은 공융액체금속 공기전지(10)의 유연성과 신축성을 향상시킬 수 있고, 전기화학적 환경에서 수지상(Dendrite)의 형성을 억제할 수 있다. 특히, 외력에 의한 변형이 생길 때 액체의 흐름으로 전해질과의 비접촉면적을 제거하여 전지의 성능을 효과적으로 유지할 수 있다.Accordingly, in order to solve the above problems, the present invention is characterized in that the liquid metal cathode 100 includes a eutectic liquid metal anode active material 120 that is liquid at room temperature. The eutectic liquid metal anode active material 120, which is liquid at room temperature, can improve the flexibility and elasticity of the eutectic liquid metal air battery 10, and can suppress the formation of dendrite in an electrochemical environment. In particular, when a deformation caused by an external force occurs, the non-contact area with the electrolyte can be removed by the flow of liquid, thereby effectively maintaining the performance of the battery.

일 실시예에 따르면, 공융액체금속 음극활물질(120)은 갈륨(Ga) 및 인듐(In)을 포함할 수 있다. 갈륨(Ga)은 액체금속 공기전지에 사용되는 알칼리 전해질의 수산화기(-OH)와 반응성이 좋다. 이에 인듐을 첨가할 경우, 인듐이온(In3+)과 갈륨의 치환반응을 통해, 갈륨이 알칼리 전해질로부터 부식되는 것을 억제하는 효과가 있다. 갈륨/인듐의 공융액체금속을 음극활물질(120)로 사용하여 음극의 반응성과 안정성을 향상시킬 수 있다. According to an embodiment, the eutectic liquid metal anode active material 120 may include gallium (Ga) and indium (In). Gallium (Ga) has good reactivity with the hydroxyl group (-OH) of alkaline electrolytes used in liquid metal air batteries. Thus, when indium is added, there is an effect of suppressing corrosion of gallium from the alkaline electrolyte through a substitution reaction between indium ions (In 3+ ) and gallium. By using a eutectic liquid metal of gallium/indium as the negative electrode active material 120, reactivity and stability of the negative electrode may be improved.

갈륨/인듐 화합물은 특정 함량으로 혼합될 경우 상온에서 액상으로 존재할 수 있다. 액상의 갈륨/인듐 화합물은 두 금속을 융해시켜 함량을 조절하면서 혼합시킴으로써 간단하게 제조할 수 있다. 액상의 갈륨/인듐 공융액체금속 음극활물질(120)은 전술한 바와 같이 갈륨에 의한 높은 반응성과 인듐에 의한 안정성을 가짐과 동시에, 상온에서 액상이기 때문에 공융액체금속 공기전지(10)에 유연성과 신축성을 부여할 수 있다. 이때, 일 예로 공융액체금속 음극활물질(120)은 갈륨 74.8 중량부 내지 92.8 중량부, 인듐 7.2 중량부 내지 25.2 중량부를 포함할 수 있고, 바람직하게는 90 중량부의 갈륨, 10 중량부의 인듐을 포함할 수 있다.When the gallium/indium compound is mixed in a specific amount, it may exist in a liquid state at room temperature. The liquid gallium/indium compound can be prepared simply by melting the two metals and mixing them while adjusting the content. As described above, the liquid gallium/indium eutectic liquid metal anode active material 120 has high reactivity by gallium and stability by indium, and is liquid at room temperature, so the eutectic liquid metal air battery 10 has flexibility and elasticity. Can be given. At this time, as an example, the eutectic liquid metal anode active material 120 may contain 74.8 parts by weight of gallium to 92.8 parts by weight of indium and 7.2 parts by weight of indium to 25.2 parts by weight, preferably 90 parts by weight of gallium, and 10 parts by weight of indium. I can.

또한, 액체금속음극(100)은 음극집전체(110)를 포함할 수 있다. 음극집전체(110)는 공융액체금속 음극활물질(120)에 삽입되며, 바람직하게는 음극활물질(120)의 중앙부에 삽입될 수 있다. 음극집전체(110)를 통해 외부의 탄소섬유양극(300)과 전기적으로 연결되어 전지의 역할을 할 수 있다. 음극집전체(110)는 니켈(Ni) 등을 포함할 수 있다.In addition, the liquid metal cathode 100 may include an anode current collector 110. The negative electrode current collector 110 is inserted into the eutectic liquid metal negative electrode active material 120, and preferably may be inserted into the center of the negative electrode active material 120. It is electrically connected to the external carbon fiber anode 300 through the anode current collector 110 to serve as a battery. The negative electrode current collector 110 may include nickel (Ni) or the like.

탄성 전해질층(200)은 공융액체금속 공기전지(10)의 액체금속음극(100)과 탄소섬유양극(300) 사이에 배치되어 전지의 방전시 형성되는 이온을 전달할 수 있다. 탄성 전해질층(200)은 탄성을 가지는 고분자 섬유(210)와 고분자 섬유(210)에 코팅되는 겔(Gel) 전해질(220)을 포함할 수 있다.The elastic electrolyte layer 200 is disposed between the liquid metal cathode 100 and the carbon fiber anode 300 of the eutectic liquid metal air battery 10 to transmit ions formed during discharge of the battery. The elastic electrolyte layer 200 may include a polymer fiber 210 having elasticity and a gel electrolyte 220 coated on the polymer fiber 210.

겔 전해질(220)은, 일 예로 수계 겔 전해질을 포함하여 공융액체금속 공기전지(10)의 유연성과 신축성을 부여할 수 있다. 또한, 탄력성을 가지는 고분자 섬유(210)에 코팅되기 때문에, 고분자 섬유(210)에 의한 유연성을 극대화 할 수 있다. 이때, 일 실시예에 따르면, 고분자 섬유(210)는 나일론(Nylon)을 포함할 수 있고, 전해질(220)은 폴리아크릴아마이드(Polyacrylamide, PAA)를 포함할 수 있다.The gel electrolyte 220 may include, for example, an aqueous gel electrolyte to impart flexibility and elasticity of the eutectic liquid metal air battery 10. In addition, since it is coated on the polymer fiber 210 having elasticity, flexibility due to the polymer fiber 210 can be maximized. At this time, according to an embodiment, the polymer fiber 210 may include nylon, and the electrolyte 220 may include polyacrylamide (PAA).

탄성 전해질층(200)은 액체금속음극(100)을 감싸는 구조를 가질 수 있다. 바람직하게는, 원통형의 구조일 수 있다. 고분자 섬유(210)가 롤링(Rolling)되어 형성되기 때문에, 중앙부가 빈 원통형의 구조를 가질 수 있다. 이러한 형태의 탄성 전해질층(200)은 내부 및 외부에 형성되는 액체금속음극(100)과 탄소섬유양극(300)의 접촉면적을 효율적으로 증가시킬 수 있으며, 섬유형 구조를 가지는 공융액체금속 공기전지(10)를 제조할 수 있도록 한다. 물론, 액체금속음극(100)을 감사고 탄소섬규양극(300)의 접촉면적을 늘릴 수 있는 목적의 범위 내에서 원통형 구조 외에 다른 구조도 채용할 수 있다.The elastic electrolyte layer 200 may have a structure surrounding the liquid metal cathode 100. Preferably, it may have a cylindrical structure. Since the polymer fiber 210 is formed by rolling, the central portion may have a hollow cylindrical structure. The elastic electrolyte layer 200 of this type can efficiently increase the contact area between the liquid metal cathode 100 and the carbon fiber anode 300 formed inside and outside, and the eutectic liquid metal air battery having a fibrous structure. (10) to be able to manufacture. Of course, within the scope of the purpose of increasing the contact area of the liquid metal cathode 100 and increasing the contact area of the carbon island-gyu anode 300, other structures other than the cylindrical structure may be employed.

탄성 전해질층(200)의 내부에 액체금속음극(100)을 배치시킬 수 있는데, 탄성 전해질층(200) 내부에 액체금속음극(100)이 주입되거나, 액체금속음극(100)을 탄성 전해질층(200)이 감싸는 방법을 이용할 수 있다.The liquid metal cathode 100 may be disposed inside the elastic electrolyte layer 200, and the liquid metal cathode 100 is injected into the elastic electrolyte layer 200, or the liquid metal cathode 100 is formed in the elastic electrolyte layer ( 200) can use this wrapping method.

탄소섬유양극(300)은 표면의 적어도 일부에 금속촉매(320)가 형성된 탄소섬유(310)를 포함할 수 있다. 탄소섬유(310)는 액체금속음극(100) 및 탄성 전해질층(200)과 함께 유연성 및 신축성을 가진다. 그리고, 표면의 적어도 일부에 금속촉매(320)를 형성하여, 공기전지의 전기화학적 성능을 향상시킬 수 있다. 금속촉매(320)는 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 은(Ag) 등을 이용할 수 있으나, 탄소섬유양극(300)의 반응성을 향상시키는 목적의 내에서 다양한 재질을 이용할 수 있다.The carbon fiber anode 300 may include a carbon fiber 310 having a metal catalyst 320 formed on at least a portion of the surface. The carbon fiber 310 has flexibility and elasticity together with the liquid metal cathode 100 and the elastic electrolyte layer 200. In addition, by forming the metal catalyst 320 on at least a portion of the surface, it is possible to improve the electrochemical performance of the air battery. The metal catalyst 320 may be made of platinum (Pt), palladium (Pd), silver (Ag), or the like, but various materials may be used within the purpose of improving the reactivity of the carbon fiber anode 300.

탄소섬유양극(300)의 적어도 일부는 탄성전해질층(200)에 접할 수 있다. 도 1에는 탄소섬유양극(300)이 탄성 전해질층(200)을 감싸면서 탄소섬유양극(300)의 내부에 탄성 전해질층(200)이 배치된 형태가 도시되어 있다.At least a part of the carbon fiber anode 300 may come into contact with the elastic electrolyte layer 200. FIG. 1 shows a form in which the elastic electrolyte layer 200 is disposed inside the carbon fiber anode 300 while the carbon fiber anode 300 surrounds the elastic electrolyte layer 200.

일 실시예에 따르면, 공융액체금속 공기전지(10)는 탄성 전해질층(200)의 내부에 액체금속음극(100)이 주입되고, 외부에 탄소섬유양극(300)이 코팅될 수 있다. 원통형의 구조를 가지는 탄성 전해질층(200)은 중앙부의 내부에는 빈 공간이 형성되어, 음극물질을 수용할 수 있다. 이에 공융액체금속 음극활물질(120)을 포함하는 액체금속음극(100)을 주입하여 전지의 음극을 형성한다. 그리고, 원통형 구조의 외부에 탄소섬유양극(300)을 코팅하여 전지의 양극을 형성한다. 탄성 전해질층(200)이 원통형 구조를 가지기 때문에 공융액체금속 공기전지(10)는 섬유형의 구조로 제조될 수 있으며, 길이 방향 신축이나 굽힘변형에 대한 유연성을 가질 수 있다.According to an embodiment, in the eutectic liquid metal air battery 10, the liquid metal cathode 100 is injected into the elastic electrolyte layer 200, and the carbon fiber anode 300 may be coated on the outside. In the elastic electrolyte layer 200 having a cylindrical structure, an empty space is formed inside the central portion to accommodate a negative electrode material. Accordingly, a liquid metal cathode 100 including the eutectic liquid metal anode active material 120 is injected to form a negative electrode of the battery. Then, a positive electrode of the battery is formed by coating the carbon fiber positive electrode 300 on the outside of the cylindrical structure. Since the elastic electrolyte layer 200 has a cylindrical structure, the eutectic liquid metal air battery 10 may be manufactured in a fibrous structure, and may have flexibility against stretching or bending deformation in the longitudinal direction.

한편, 공융액체금속 음극활물질(120)의 주입량에 따라 공융액체금속 공기전지(10)의 전류밀도를 조절할 수 있다. 공융액체금속 공기전지(10)가 사용되는 전력장치의 종류에 따라, 전류밀도를 달리하여 제조할 필요가 있다. 이에, 본 발명의 공융액체금속 공기전지(10)는 음극에 포함되는 공융액체금속 음극활물질(120)의 주입량을 제어하여 전지의 성능을 조절할 수 있다. 일 예로, 공융액체금속 공기전지(10)는 전류밀도가 1000μW/cm-2 내지 1200μW/cm-2 의 범위를 가질 수 있다.Meanwhile, the current density of the eutectic liquid metal air battery 10 may be adjusted according to the injection amount of the eutectic liquid metal anode active material 120. The eutectic liquid metal air battery 10 needs to be manufactured by varying the current density according to the type of power device used. Accordingly, the eutectic liquid metal-air battery 10 of the present invention can control the performance of the battery by controlling the injection amount of the eutectic liquid metal anode active material 120 included in the negative electrode. As an example, the eutectic liquid metal air battery 10 may have a current density in the range of 1000 μW/cm -2 to 1200 μW/cm -2 .

또한, 공융액체금속 공기전지(10)의 방전시, 방전된 공융액체금속 음극활물질(120)을 탄성 전해질층(100)의 내부에서 제거하고, 방전되지 않은 공융액체금속 음극활물질(120)을 주입할 수 있다. 공융액체금속 공기전지(10)를 전력장치로 사용하여 완전히 방전될 경우, 공융액체금속 음극활물질(120)의 갈륨(Ga)이 모두 소진된다. 이때, 갈륨이온(Ga3+)을 갈륨(Ga)으로 전환시키는 충전단계를 수행하지 않고, 공융액체금속 음극활물질(120)을 교체함으로써 간편하게 전지를 재생시킬 수 있다. 공융액체금속 공기전지(10)의 적어도 일부 표면에 공융액체금속 음극활물질(120)를 제거하고, 주입할 수 있는 통로인 주입공을 더 형성할 수도 있다.In addition, when the eutectic liquid metal air battery 10 is discharged, the discharged eutectic liquid metal anode active material 120 is removed from the inside of the elastic electrolyte layer 100, and the eutectic liquid metal anode active material 120 is not discharged. can do. When completely discharged using the eutectic liquid metal air battery 10 as a power device, all gallium (Ga) of the eutectic liquid metal anode active material 120 is exhausted. At this time, the battery can be easily regenerated by replacing the eutectic liquid metal anode active material 120 without performing a charging step of converting gallium ions (Ga 3+ ) into gallium (Ga). The eutectic liquid metal anode active material 120 may be removed on at least a portion of the surface of the eutectic liquid metal air battery 10 and an injection hole, which is a passage through which the eutectic liquid metal anode active material 120 can be removed, may be further formed.

그리고, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 공융액체금속 공기전지(10)는 초기 길이 대비 90 % 내지 110 %까지 신축할 수 있다. 공융액체금속 공기전지(10)의 신축은 일 방향으로 신장, 축소되는 것뿐만 아니라, 굽힘(bending), 휨 등과 같이 여러 방향으로 이루어지는 것까지 포함하는 의미로 이해될 수 있다. 전술한 바와 같이, 액상의 공융액체금속 음극활물질(120), 고분자 섬유를 포함하는 탄성 전해질층(200) 및 탄소섬유양극(300)을 포함하는 공융액체금속 공기전지(10)는 우수한 유연성과 신축성을 가진다. 종래의 금속 음극을 이용하여 와이어나 스프링 형태로 제조한 경우보다 전지 재료 자체의 특성에 의해 유연성 및 신축성이 뛰어나다. 또한, 액상의 액체금속음극(100)을 포함하기 때문에 금속 음극 전지에서 발생하는 수지상(Dendrite) 형성의 문제점을 해결할 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the eutectic liquid metal air battery 10 may expand and contract up to 90% to 110% of the initial length. The expansion and contraction of the eutectic liquid metal air battery 10 may be understood to include not only extending and contracting in one direction, but also extending and contracting in various directions such as bending and bending. As described above, the eutectic liquid metal air battery 10 including the liquid eutectic liquid metal anode active material 120, the elastic electrolyte layer 200 including polymer fibers, and the carbon fiber anode 300 has excellent flexibility and elasticity. Have. Flexibility and elasticity are superior due to the characteristics of the battery material itself than the case of manufacturing a wire or a spring using a conventional metal negative electrode. In addition, since the liquid metal cathode 100 is included, it is possible to solve the problem of dendrite formation occurring in the metal anode battery.

이하에서는, 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 공융액체금속 공기전지(10)의 제조방법에 대하여 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing the eutectic liquid metal air battery 10 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 2.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공융액체금속 공기전지(10)의 제조방법을 나타내는 순서도이다.2 is a flow chart showing a method of manufacturing a eutectic liquid metal air battery 10 according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 본 발명의 공융액체금속 공기전지(10)의 제조방법은, (a) 상온에서 액상인 공융액체금속(eutectic liquid metal) 음극활물질을(120)을 준비하는 단계(S100), (b) 겔(Gel) 전해질 전구체를 포함하는 용액에 탄성을 가지는 고분자 섬유(210)를 담지시키고, 겔 전해질 전구체를 중합시키는 단계(S200), (c) 고분자 섬유를 롤링(Rolling)하여 탄성 전해질층(200)을 형성하는 단계(S300) 및 (d) 탄성 전해질층(200)과 적어도 일부가 접하도록 탄소섬유양극(300)을 형성하고, 탄성 전해질층(200)의 내부에 공융액체금속 음극활물질(120) 및 음극집전체(110)를 배치하여 액체금속음극(100)을 형성하는 단계(S400)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 2, the method of manufacturing the eutectic liquid metal air battery 10 of the present invention includes the steps of: (a) preparing a eutectic liquid metal negative electrode active material 120 that is liquid at room temperature (S100). , (b) supporting a polymer fiber 210 having elasticity in a solution containing a gel electrolyte precursor, and polymerizing the gel electrolyte precursor (S200), (c) rolling the polymer fiber to elasticity Steps of forming the electrolyte layer 200 (S300) and (d) forming a carbon fiber anode 300 so that at least a part of the elastic electrolyte layer 200 is in contact, and a eutectic liquid metal inside the elastic electrolyte layer 200 A step (S400) of forming the liquid metal cathode 100 by disposing the anode active material 120 and the anode current collector 110 may be included.

먼저, (a) 상온에서 액상인 공융액체금속(eutectic liquid metal) 음극활물질(120)을 준비(S100)한다. 전술한 바와 같이, 상온에서 액상인 두 종류의 금속을 용융시키고 혼합시킴으로써, 간편한 방법으로 공융액체금속 음극활물질(120)을 준비할 수 있다. 이때, 일 예로, 공융액체금속 음극활물질(120)은 갈륨(Ga) 및 인듐(In)을 포함할 수 있으며, 적절한 함량범위를 조절하여 상온에서 액상인 공융액체금속 음극활물질(120)을 준비할 수 있다. 바람직하게는 공융액체금속 음극활물질(120)은 갈륨 74.8 중량부 내지 92.8 중량부, 인듐 7.2 중량부 내지 25.2 중량부를 포함할 수 있고, 바람직하게는 90 중량부의 갈륨, 10 중량부의 인듐을 포함할 수 있다.First, (a) a eutectic liquid metal negative electrode active material 120 that is liquid at room temperature is prepared (S100). As described above, the eutectic liquid metal anode active material 120 can be prepared by a simple method by melting and mixing two kinds of metals that are liquid at room temperature. At this time, as an example, the eutectic liquid metal anode active material 120 may contain gallium (Ga) and indium (In), and the eutectic liquid metal anode active material 120 in a liquid state at room temperature may be prepared by adjusting an appropriate content range. I can. Preferably, the eutectic liquid metal anode active material 120 may contain 74.8 parts by weight of gallium to 92.8 parts by weight of indium, 7.2 parts by weight to 25.2 parts by weight of indium, and preferably 90 parts by weight of gallium and 10 parts by weight of indium. have.

다음으로, (b) 겔(Gel) 전해질 전구체를 포함하는 용액에 탄성을 가지는 고분자 섬유(210)를 담지시키고, 겔 전해질 전구체를 중합(S200)시킨다. 겔 전해질 전구체가 완전 경화되어 겔 전해질(220)을 형성하기 전에 고분자 섬유(210)를 담지시켜, 고분자 섬유(210)에 겔 전해질(220)을 코팅시킬 수 있다. 겔 전해질 전구체를 포함하는 용액에 먼저 가교제를 첨가하고, 상기 전구체의 중합반응이 진행되기 전에 고분자 섬유(210)를 담지시킨다. 이후, 일정시간동안 겔 전해질 전구체를 중합시켜 고분자 섬유(210)에 겔 전해질(220)을 코팅시킨다. Next, (b) a polymer fiber 210 having elasticity is supported in a solution containing a gel electrolyte precursor, and the gel electrolyte precursor is polymerized (S200). Before the gel electrolyte precursor is completely cured to form the gel electrolyte 220, the polymer fibers 210 may be supported, so that the gel electrolyte 220 may be coated on the polymer fibers 210. A crosslinking agent is first added to the solution containing the gel electrolyte precursor, and the polymer fibers 210 are supported before the polymerization reaction of the precursor proceeds. Thereafter, the gel electrolyte precursor is polymerized for a predetermined period of time to coat the gel electrolyte 220 on the polymer fiber 210.

이때, 겔 전해질(220)의 제조시 첨가되는 가교제의 함량에 따라 탄성 전해질층(200)의 특성을 제어할 수 있다. 가교제의 함량이 증가할수록 겔 전해질(220)에서 고분자 사슬의 길이가 짧아지기 때문에, 이온전도도가 증가할 수 있다. 다만, 과량으로 첨가할 경우 탄성회복력이 저하될 수 있기 때문에 필요한 함량만을 첨가할 필요가 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 첨가되는 가교제의 양은 3.0 mL 내지 4.0 mL, 바람직하게는 3.5 mL일 수 있다.At this time, the properties of the elastic electrolyte layer 200 may be controlled according to the content of the crosslinking agent added during the manufacture of the gel electrolyte 220. As the content of the crosslinking agent increases, the length of the polymer chain in the gel electrolyte 220 decreases, so the ionic conductivity may increase. However, it is necessary to add only the necessary amount because the elastic recovery power may be lowered if it is added in an excessive amount. According to an embodiment of the present invention, the amount of the added crosslinking agent may be 3.0 mL to 4.0 mL, preferably 3.5 mL.

그리고, (c) 겔 전해질(220)이 코팅된 고분자 섬유(210)를 롤링(Rolling)하여 탄성 전해질층(200)을 형성(S300)한다. 전술한 바와 같이, 본 발명의 공융액체금속 공기전지(10)는 원통형 구조의 탄성 전해질층(200)을 포함하여 섬유형의 구조를 가질 수 있다. 탄성 전해질층(200)은 내부에 빈 공간을 형성하여 음극물질을 수용할 수 있다.Then, (c) the polymer fiber 210 coated with the gel electrolyte 220 is rolled to form the elastic electrolyte layer 200 (S300). As described above, the eutectic liquid metal air battery 10 of the present invention may have a fibrous structure including the elastic electrolyte layer 200 having a cylindrical structure. The elastic electrolyte layer 200 may form an empty space therein to accommodate a negative electrode material.

마지막으로, (d) 탄성 전해질층(200)의 외부에 탄소섬유양극(300)을 코팅하고, 탄성 전해질층(200)의 내부에 음극집전체(110)가 삽입된 공융액체금속 음극활물질(120)을 주입하여 액체금속음극(100)을 형성(S400)한다. 탄성 전해질층(200)을 기준으로 내부에 액체금속음극(100)이, 외부에 탄소섬유양극(300)이 형성되며, 원통형 구조에 의해 접촉표면적이 크게 될 수 있다. Finally, (d) a eutectic liquid metal anode active material 120 in which the carbon fiber anode 300 is coated on the outside of the elastic electrolyte layer 200, and the anode current collector 110 is inserted into the elastic electrolyte layer 200. ) Is injected to form the liquid metal cathode 100 (S400). Based on the elastic electrolyte layer 200, a liquid metal cathode 100 is formed inside and a carbon fiber anode 300 is formed outside, and a contact surface area may be increased by a cylindrical structure.

한편, 탄소섬유양극(300)은 표면의 적어도 일부에 금속촉매(320)가 형성된 탄소섬유(310)를 포함할 수 있다. 금속촉매(320)는 탄소섬유(310)에 전기화학증착법으로 형성될 수 있다. 탄소섬유양극(300)은 탄소섬유(310)를 포함하여 유연성과 신축성이 우수하기 때문에, 원통형 구조를 가지는 탄성 전해질층(200)의 외부에 용이하게 형성될 수 있다. 이때, 일 예로 탄소섬유양극(300)을 랩핑(Wrapping)하여 탄성 전해질층(200)의 외부에 코팅할 수도 있다. 금속촉매(320)를 증착하여 제조되는 탄소섬유양극(300)은 공융액체금속 공기전지(10)의 전기화학적 성능을 향상시킬 수 있다. Meanwhile, the carbon fiber anode 300 may include a carbon fiber 310 having a metal catalyst 320 formed on at least a portion of the surface. The metal catalyst 320 may be formed on the carbon fiber 310 by an electrochemical deposition method. Since the carbon fiber anode 300 is excellent in flexibility and elasticity including the carbon fiber 310, it can be easily formed outside the elastic electrolyte layer 200 having a cylindrical structure. In this case, as an example, the carbon fiber anode 300 may be wrapped to coat the outside of the elastic electrolyte layer 200. The carbon fiber anode 300 manufactured by depositing the metal catalyst 320 may improve the electrochemical performance of the eutectic liquid metal air battery 10.

이하에서는, 본 발명의 이해를 돕기 위한 실시예 및 실험예들을 설명한다. 다만, 하기의 실시예 및 실험예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 실시예 및 실험예들만으로 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, examples and experimental examples for aiding understanding of the present invention will be described. However, the following Examples and Experimental Examples are only intended to aid understanding of the present invention, and the present invention is not limited to the following Examples and Experimental Examples.

실시예 1: 갈륨/인듐 공융액체금속 공기전지의 제조Example 1: Preparation of gallium/indium eutectic liquid metal air battery

도 3 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 갈륨/인듐 공융액체금속전극을 포함하는 공기전지에 대하여 설명한다. An air battery including a gallium/indium eutectic liquid metal electrode according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 3 to 6.

1) 갈륨/인듐 공융액체금속 음극활물질(EGILM)의 제조1) Preparation of gallium/indium eutectic liquid metal anode active material (EGILM)

먼저, 갈륨/인듐 공융액체금속 공기전지를 형성하기 위해 갈륨/인듐 공융액체금속 음극활물질을 준비한다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 갈륨-인듐 금속의 상평형도이다. 특정 함량 범위에서 갈륨-인듐 혼합물은 상온에서 액체상태로 존재할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 갈륨 74.8 내지 92.8 중량부, 인듐 7.2 내지 25.2 중량부를 포함하는 혼합물은 액체상태로 존재할 수 있다. 상기의 조성 범위 내의 갈륨/인듐 공융액체금속 음극활물질을 제조한다.First, a gallium/indium eutectic liquid metal anode active material is prepared to form a gallium/indium eutectic liquid metal air battery. 3 is a phase equilibrium diagram of a gallium-indium metal according to an embodiment of the present invention. In a specific content range, the gallium-indium mixture may exist in a liquid state at room temperature. As shown in FIG. 3, a mixture containing 74.8 to 92.8 parts by weight of gallium and 7.2 to 25.2 parts by weight of indium may be present in a liquid state. A gallium/indium eutectic liquid metal anode active material within the above composition range is prepared.

먼저, 순수한 인듐과 갈륨을 각각 160 ℃ 및 40 ℃까지 30분간 가열한 후, 두 액체상의 금속을 혼합하여 160 ℃에서 30분간 교반하여 갈륨/인듐 공융액체금속 음극활물질(이하, "EGILM")을 준비한다. 이때, EGILM에서 갈륨은 90 중량부, 인듐은 10 중량부 포함하도록 혼합한다. First, pure indium and gallium are heated to 160° C. and 40° C. for 30 minutes, respectively, and then the two liquid metals are mixed and stirred at 160° C. for 30 minutes to prepare a gallium/indium eutectic liquid metal anode active material (hereinafter “EGILM”). Prepare. At this time, in EGILM, gallium is mixed to contain 90 parts by weight and indium is 10 parts by weight.

2) 폴리아크릴아마이드를 포함하는 수계 겔 전해질의 제조2) Preparation of an aqueous gel electrolyte containing polyacrylamide

공융액체금속 공기전지의 겔 전해질로 사용되는 폴리아크릴아마이드 기반의 수계 겔 전해질을 제조한다.To prepare a polyacrylamide-based aqueous gel electrolyte used as a gel electrolyte for a eutectic liquid metal air battery.

먼저, 0.2 mol, 99 %의 KOH 분말을 17.8 mL의 증류수에 녹여 알칼리 수용액을 준비한다. 그리고, 25.95 mmol, 99 %의 아크릴산(Acrylic acid)와 1.82 mmol, 99.5 %의 N,N'-메틸렌비스아크릴아마이드(N,N'-methylenebisacrylamide)를 혼합하여 겔 가교제 용액을 준비한다. 그리고, 상기 알칼리 수용액과 겔 가교제 용액을 혼합하고 침전물을 여과하여 중합전구체 용액을 제조한다. 그 다음 상기 중합전구체 용액에 중합개시제로써 0.7 mol L-1의 농도를 가지는 K2S2O8 용액 3.5 mL(104.2 mmol L-1)을 첨가하고 강하게 교반시킨다. 수초 후, 최종 용액을 약 1 mm 두께로 페트리 디쉬에 붓고, 상온에서 10분간 중합반응을 수행하여 폴리아크릴아마이드 수계 겔 전해질을 제조한다. First, 0.2 mol, 99% KOH powder is dissolved in 17.8 mL of distilled water to prepare an alkaline aqueous solution. Then, 25.95 mmol, 99% of acrylic acid and 1.82 mmol, 99.5% of N,N'-methylenebisacrylamide were mixed to prepare a gel crosslinking agent solution. Then, the aqueous alkali solution and the gel crosslinking agent solution are mixed, and the precipitate is filtered to prepare a polymerization precursor solution. Then, 3.5 mL (104.2 mmol L -1 ) of a K 2 S 2 O 8 solution having a concentration of 0.7 mol L -1 as a polymerization initiator was added to the polymerization precursor solution and stirred vigorously. After a few seconds, the final solution was poured into a Petri dish to a thickness of about 1 mm, and polymerization was performed at room temperature for 10 minutes to prepare an aqueous polyacrylamide gel electrolyte.

3) 백금촉매 나노입자가 증착된 탄소섬유의 제조3) Preparation of carbon fiber deposited with platinum catalyst nanoparticles

탄소섬유양극을 제조하기 위해, 백금촉매 나노입자가 증착된 탄소섬유를 준비한다.In order to manufacture a carbon fiber anode, a carbon fiber on which platinum catalyst nanoparticles are deposited is prepared.

탄소섬유를 작동전극으로, 백금기판을 상대전극, 포화칼로멜 전극을 기준전극으로 증착 시스템을 준비하고, 상온에서 전기화학증착법을 수행한다. 백금 촉매는 0.5 mol L-1의 H2SO4와 1.0 mol L-1의 H2PtCl2, 10-6 mol L-1의 폴리에틸렌글리콘로 구성된 수계 전해질 환경에서, -3 mA cm-1의 전류밀도로, ton/toff가 1s/5s인 펄스를 통해 2시간동안 증착되었다. A deposition system was prepared using carbon fiber as a working electrode, a platinum substrate as a counter electrode, and a saturated calomel electrode as a reference electrode, and electrochemical deposition was performed at room temperature. The platinum catalyst is in an aqueous electrolyte environment consisting of 0.5 mol L -1 of H 2 SO 4 and 1.0 mol L -1 of H 2 PtCl 2 and 10 -6 mol L -1 of polyethylene glycol, in an aqueous electrolyte environment of -3 mA cm -1 . As a current density, it was deposited for 2 hours through a pulse with t on /t off of 1s/5s.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 백금촉매가 증착된 탄소섬유를 나타내는 주사전자현미경(Scanning electron microscope, SEM) 사진이다. 도 4를 참조하면, 기존의 탄소섬유[도 4의 (a)에 도시]는 매끄러운 표면을 가지는 반면, 백금촉매가 증착된 탄소섬유[도 4의 (b)에 도시]는 비교적 거친 표면을 가진다. 즉, 탄소섬유의 표면상에 백금촉매가 잘 증착된 것을 알 수 있다.4 is a scanning electron microscope (SEM) photograph showing a carbon fiber deposited with a platinum catalyst according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 4, the conventional carbon fiber (shown in FIG. 4(a)) has a smooth surface, whereas the carbon fiber (shown in FIG. 4(b)) deposited with a platinum catalyst has a relatively rough surface. . That is, it can be seen that the platinum catalyst is well deposited on the surface of the carbon fiber.

4) 케이블 형태의 EGILM(eutectic Ga/In liquid metal) 공기전지의 제조4) Manufacture of cable type EGILM (eutectic Ga/In liquid metal) air battery

상기 1) 내지 3)에서 준비된 갈륨/인듐 공융액체금속 음극활물질, 수계 겔 전해질 및 백금촉매가 증착된 탄소섬유를 이용하여, 케이블 형태의 EGILM 공기전지를 제조한다. 본 실시예에 있어서, 케이블 형태의 EGILM 공기전지의 제조방법을 나타내는 개략도를 도 5에 도시하였다.Using the gallium/indium eutectic liquid metal anode active material prepared in 1) to 3) above, an aqueous gel electrolyte, and carbon fiber deposited with a platinum catalyst, an EGILM air battery in the form of a cable is manufactured. In this embodiment, a schematic diagram showing a method of manufacturing a cable-type EGILM air battery is shown in FIG. 5.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 케이블 형태의 EGILM 공기전지의 제조방법을 나타내는 개략도이다.5 is a schematic diagram showing a method of manufacturing an EGILM air battery in the form of a cable according to an embodiment of the present invention.

이때 수계 겔 전해질에 고분자 섬유로 나일론(Nylon) 섬유를 담지시켜 탄성 전해질층을 제조한다. 15 cm x 3.8 cm 크기의 나일론 섬유를, 상기 2)에서 준비된 수계 겔 전해질의 중합반응이 끝나기 전의 용액에 담지시킨다. 10 분 후 겔 전해질의 중합반응이 끝나면, 나일론 섬유가 삽입된 겔 전해질을 둥글게 감아 속이 빈 원통형의 구조를 가지는 탄성 전해질층을 준비한다. At this time, an elastic electrolyte layer is prepared by supporting nylon fibers with polymer fibers on an aqueous gel electrolyte. A nylon fiber having a size of 15 cm x 3.8 cm is supported in the solution before the polymerization reaction of the aqueous gel electrolyte prepared in 2) is completed. After 10 minutes, when the polymerization reaction of the gel electrolyte is completed, the gel electrolyte in which nylon fibers are inserted is wound round to prepare an elastic electrolyte layer having a hollow cylindrical structure.

그 다음, 상기 3)에서 준비된 백금촉매가 코팅된 탄소섬유(8.3 mg의 백금 및 444 mg의 탄소섬유) 55 cm를 원통형 구조의 탄성 전해질층 외부에 감싸 탄소섬유양극을 형성한다. 마지막으로, 1.32 mL의 EGILM을 원통형 구조의 탄성 전해질층 내부의 빈 공간에 주입하고, 음극 집전체로 니켈판을 EGILM에 접촉되게 삽입하여 액체금속음극을 형성한다. 마지막으로, 양 끝을 실로 묶어 길이 12 cm, 직경 8 mm 크기의 케이블형태를 가지는 EGILM 공기전지를 제조한다. 상기의 방법으로 제조된 EGILM 공기전지를 이하 '실시예 1'이라 지칭한다.Then, 55 cm of carbon fiber (8.3 mg of platinum and 444 mg of carbon fiber) coated with the platinum catalyst prepared in 3) is wrapped around the outside of the elastic electrolyte layer having a cylindrical structure to form a carbon fiber anode. Finally, 1.32 mL of EGILM is injected into the empty space inside the cylindrical elastic electrolyte layer, and a nickel plate is inserted into contact with the EGILM as a negative electrode current collector to form a liquid metal cathode. Finally, an EGILM air battery having a cable size of 12 cm in length and 8 mm in diameter is manufactured by tying both ends with a thread. The EGILM air battery manufactured by the above method is hereinafter referred to as'Example 1'.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 케이블 형태의 EGILM 공기전지의 구조를 나타내는 개략도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, EGILM 액체금속음극과 폴리아크릴아마이드 기반의 나일론 섬유가 침지된 탄성 전해질층 및 백금촉매가 증착된 탄소섬유양극을 포함하는 실시예 1은 음극의 재충전이 용이하고, 우수한 연화성, 유연성 특성을 가진다.6 is a schematic diagram showing the structure of a cable-type EGILM air battery according to an embodiment of the present invention. As shown in Figure 6, Example 1 including an EGILM liquid metal cathode, an elastic electrolyte layer immersed in polyacrylamide-based nylon fiber, and a carbon fiber anode on which a platinum catalyst is deposited, is easy to recharge the cathode, and excellent It has softness and flexibility properties.

이하에서는, 도 7 내지 14를 참조하여, 상기 제조된 실시예 1의 EGILM 음극활물질, 수계 겔 전해질의 특성과 케이블형태의 EGILM 공기전지(실시예 1)의 전기적 특성 평가에 대하여 설명한다.Hereinafter, with reference to FIGS. 7 to 14, the characteristics of the EGILM negative electrode active material and aqueous gel electrolyte of Example 1 and the electrical characteristics of the cable-type EGILM air battery (Example 1) will be described.

실험예1. 갈륨/인듐 공융액체금속 음극활물질의 알칼리 수용액에 대한 저항성 평가Experimental Example 1. Evaluation of resistance of gallium/indium eutectic liquid metal anode active material to aqueous alkali solution

상기 실시예 1에서 준비된 EGILM이 본 발명의 공기전지의 전극으로 활용될 가능성을 확인하기 위해, 알칼리 수용액에 대한 부식저항도 실험을 수행하였다. 상기 실시예 1에서 준비된 EGILM과 갈륨, 인듐, 알루미늄 및 아연 금속의 37.5 중량부의 KOH 수용액에 대한 부식저항도 실험을 수행한다. In order to confirm the possibility that the EGILM prepared in Example 1 could be used as an electrode of the air battery of the present invention, a corrosion resistance test for an aqueous alkali solution was performed. Corrosion resistance tests were performed for the EGILM prepared in Example 1 and 37.5 parts by weight of KOH aqueous solution of gallium, indium, aluminum and zinc metals.

도 7은 본 발명의 일 실험예에 따른 갈륨/인듐 공용액체금속 음극활물질의 알칼리 수용액에 대한 부식저항도 실험 결과를 나타내는 사진이다. 7 is a photograph showing a result of an experiment on corrosion resistance of a gallium/indium co-liquid metal anode active material to an alkaline aqueous solution according to an experimental example of the present invention.

도 7을 참조하면, 알루미늄 금속의 경우, KOH 수용액에 대한 반응성이 가장 활발하여, 부식속도가 가장 빠른 것을 알 수 있다. 그리고, 아연과 갈륨의 경우, 알루미늄에 비해 느린 반응속도를 보이고, 인듐의 경우 부식반응이 거의 일어나지 않았다. 이는 인듐이 알칼리 용액에 대해 가장 우수한 화학적 안정성을 가지는 것을 의미한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 EGILM도 갈륨에 비해 낮은 부식반응 속도를 보인다. 격렬한 부식반응은 음극활물질의 손실과 전지 성능저하의 원인이 되는데, 본 발명에 따른 공융액체금속 공기전지는 음극활물질로 인듐을 포함하는 EGILM을 사용하여 갈륨의 부식을 효과적으로 억제할 수 있다.Referring to FIG. 7, it can be seen that in the case of aluminum metal, the reactivity with the KOH aqueous solution is most active, and the corrosion rate is the fastest. In the case of zinc and gallium, the reaction rate was slower than that of aluminum, and in the case of indium, a corrosion reaction hardly occurred. This means that indium has the best chemical stability for alkaline solutions. EGILM according to an embodiment of the present invention also exhibits a lower corrosion reaction rate compared to gallium. The violent corrosion reaction causes loss of the negative electrode active material and deterioration of battery performance.The eutectic liquid metal air battery according to the present invention can effectively suppress the corrosion of gallium by using EGILM containing indium as the negative electrode active material.

실험예2. 갈륨/인듐 공융액체금속 음극활물질의 유연성 평가Experimental Example 2. Flexibility evaluation of gallium/indium eutectic liquid metal anode active material

상기 실시예 1에서 준비된 EGILM의 유연성을 평가하기 위한 실험을 수행한다. EGILM을 다양한 종류의 기판 위에 코팅하여, 금속성, 유동성, 전도성 등의 평가를 수행한다.An experiment to evaluate the flexibility of the EGILM prepared in Example 1 was performed. EGILM is coated on various types of substrates to evaluate metallicity, fluidity, and conductivity.

도 8은 본 발명의 일 실험예에 따른 갈륨/인듐 공융액체금속 음극활물질의 유연성 평가 결과를 나타내는 사진이다.8 is a photograph showing a result of evaluating the flexibility of a gallium/indium eutectic liquid metal anode active material according to an experimental example of the present invention.

먼저 도 8의 (a)를 참조하면, 종이 기판상에 형성된 EGILM을 접었다 폈을 때의 전기전도도 변화를 알 수 있다. 종이 기판을 변형시켰을 때에 EGILM의 전기전도도가 일정하게 유지되는 것을 알 수 있다. First, referring to (a) of FIG. 8, it can be seen the change in electrical conductivity when the EGILM formed on a paper substrate is folded and unfolded. It can be seen that the electrical conductivity of the EGILM is kept constant when the paper substrate is deformed.

그리고, 도 8의 (b)를 참조하면, 고무 기판상에 형성된 EGILM을 늘렸다가 회복시켰을때의 전기전도도 변화를 알 수 있다. 고무 기판의 변형에도 EGILM은 일정한 수준의 전기전도도를 유지하며, 초기의 상태로 회복했을 때 복원력이 뛰어난 것을 알 수 있다. 이는 본 발명의 EGILM은 유연성 및 신축성과 복원력이 우수함을 의미한다.And, referring to (b) of FIG. 8, it can be seen the change in electrical conductivity when the EGILM formed on the rubber substrate is increased and then recovered. It can be seen that EGILM maintains a certain level of electrical conductivity even when the rubber substrate is deformed, and has excellent resilience when restored to its initial state. This means that the EGILM of the present invention has excellent flexibility, elasticity and resilience.

실험예 3: 폴리아크릴아마이드 수계 겔 전해질의 인장특성 평가Experimental Example 3: Evaluation of tensile properties of aqueous polyacrylamide gel electrolyte

상기 실시예 1에서 제조된 폴리아크릴아마이드 수계 겔 전해질은 중합개시제인 K2S2O8의 함량을 조절하여 수계 겔 전해질 필름의 인장특성을 조절할 수 있다. 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 중합개시제인 K2S2O8 함량을 조절하여 겔 전해질 필름의 인장특성 평가를 수행한다. 중합개시제인 K2S2O8을 각각 0.5 mL, 2.5 mL, 3.5 mL, 4.5 mL 및 6.5 mL 첨가하여 수계 겔 전해질 필름을 제조하고, 인장특성 및 접착력 평가를 수행한 뒤 그 결과를 도 9에 도시하였다.The polyacrylamide aqueous gel electrolyte prepared in Example 1 may control the tensile properties of the aqueous gel electrolyte film by adjusting the content of the polymerization initiator K 2 S 2 O 8 . Prepared in the same manner as in Example 1, but the polymerization initiator of K 2 S 2 O 8 The content is adjusted to evaluate the tensile properties of the gel electrolyte film. An aqueous gel electrolyte film was prepared by adding 0.5 mL, 2.5 mL, 3.5 mL, 4.5 mL, and 6.5 mL of K 2 S 2 O 8 as a polymerization initiator, respectively, and tensile properties and adhesion were evaluated, and the results are shown in FIG. Shown.

도 9는 본 발명의 일 실험예에 따른 수계 겔 전해질의 중합개시제의 함량에 따른 인장특성 평가 결과를 나타내는 사진이다.9 is a photograph showing the tensile property evaluation result according to the content of the polymerization initiator in the aqueous gel electrolyte according to an experimental example of the present invention.

도 9의 (a)는 3.5 mL의 중합개시제를 첨가한 수계 겔 전해질의 인장 특성평가를, 도 9의 (b)는 중합개시제를 각각 0.5 mL, 2.5 mL, 3.5 mL, 4.5 mL 및 6.5 mL 첨가하여 제조된 수계 겔 전해질 필름의 접착력 평가를 나타내는 사진이다. Figure 9 (a) shows the tensile properties evaluation of the aqueous gel electrolyte to which 3.5 mL of polymerization initiator is added, and Figure 9 (b) shows the addition of 0.5 mL, 2.5 mL, 3.5 mL, 4.5 mL, and 6.5 mL of polymerization initiator, respectively. It is a photograph showing the evaluation of the adhesive strength of the prepared aqueous gel electrolyte film.

겔 전해질과 탄소섬유양극 사이의 강합 접착력이 공기전지의 구동에서 중요한 요소이다. 겔 전해질의 제조시 중합개시제의 함량을 증가시킬수록, 겔 전해질의 접착력이 향상된다. 그리고, 겔 전해질의 색상도 투명한 상태에서 회색빛을 띠도록 변화된다. 이는 중합개시제의 함량이 증가함에 따라 고분자 사슬길이가 짧아졌음을 의미한다. 고분자 사슬길이가 짧아져서 이온전도도가 0.42 Scm-1에서 0.45 Scm-1로 증가한다. The strong adhesion between the gel electrolyte and the carbon fiber anode is an important factor in driving the air cell. As the content of the polymerization initiator is increased in the preparation of the gel electrolyte, the adhesion of the gel electrolyte is improved. In addition, the color of the gel electrolyte is also changed so that it has a gray color in a transparent state. This means that the polymer chain length became shorter as the content of the polymerization initiator increased. As the polymer chain length is shortened, the ionic conductivity increases from 0.42 Scm -1 to 0.45 Scm -1 .

또한, 도 9의 (c)를 참조하면, 중합개시제의 함량에 따른 인장특성 및 복원력 특성을 알 수 있다. 중합개시제가 3.5 mL 첨가된 수계 겔 전해질은 최대 205.36 %의 연신율을 가진다. 첨가된 중합개시제가 3.5 mL보다 적이면 탄성회복률이 99.50% 이상이지만, 3.5 mL 보다 많을 경우 탄성회복률이 급격하게 저하된다. 따라서, 수계 겔 전해질에 첨가되는 중합개시제는 3.5 mL 만큼 첨가될 때 가장 최적의 특성을 가질 수 있다.In addition, referring to (c) of FIG. 9, tensile properties and resilience properties according to the content of the polymerization initiator can be seen. An aqueous gel electrolyte to which 3.5 mL of a polymerization initiator is added has an elongation of 205.36% at most. If the added polymerization initiator is more than 3.5 mL, the elastic recovery rate is 99.50% or more, but if it is more than 3.5 mL, the elastic recovery rate decreases rapidly. Therefore, the polymerization initiator added to the aqueous gel electrolyte may have the most optimal properties when added as much as 3.5 mL.

실험예 4: EGILM 공기전지의 작동메커니즘 실험Experimental Example 4: EGILM air battery operation mechanism experiment

EGILM 공기전지의 작동메커니즘을 이해하기 위해서, 개방형의 EGILM 공기전지를 제조하여, 방전실험을 수행하였다. 이때, 개방형의 EGILM 공기전지의 작동메커니즘 실험 모식도를 도 10에 도시하였다.In order to understand the mechanism of operation of the EGILM air battery, an open EGILM air battery was manufactured and a discharge test was performed. At this time, a schematic diagram of the operation mechanism experiment of the open-type EGILM air battery is shown in FIG. 10.

도 10은 본 발명의 일 실험예에 따른 개방형 EGILM 공기전지의 작동메커니즘 실험을 나타내는 개략도이다.10 is a schematic diagram showing an experiment of an operation mechanism of an open EGILM air battery according to an experimental example of the present invention.

먼저, 50 mL, 37.5중량부의 KOH 용액이 담긴 유리비커에 3 g의 EGILM 음극과 탄소섬유 양극을 사용하여 개방 형태의 전지를 제조하였다. 그물형태의 니켈망은 EGILM을 담는 용도와 음극집전체로 사용되었다. 개방형의 EGILM 공기전지는 상온에서 음극과 양극을 연결함으로써 단락시켜 일주일간 방전시켰다. 음극쪽에서의 반응부산물은 니켈망으로부터 회수하였고, 유모성의 반응부산물은 전해질을 여과시켜 회수하였다. 이때, 결정성부산물은 3 mol L-1의 HCl 용액을 사용하여 알칼리 용액을 중화시킴으로써 얻었다. 그리고, 상기 방전 반응 후 얻어진 부산물의 구성을 분석하여 그 결과를 도 11에 도시하였다.First, an open-type battery was manufactured using 3 g of EGILM negative electrode and carbon fiber positive electrode in a glass beaker containing 50 mL, 37.5 parts by weight of KOH solution. The mesh-shaped nickel mesh was used for holding EGILM and as an anode current collector. The open EGILM air battery was discharged for one week by shorting the cathode and anode by connecting the cathode and anode at room temperature. The reaction by-product on the cathode side was recovered from the nickel mesh, and the reaction by-product of hair-moisture was recovered by filtering the electrolyte. At this time, the crystalline by-product was obtained by neutralizing the alkali solution using 3 mol L -1 of HCl solution. And, the composition of the by-product obtained after the discharge reaction was analyzed, and the results are shown in FIG. 11.

도 11은 본 발명의 일 실험예에 따른 개방형 EGILM 공기전지의 방전 후 반응부산물 분석 결과를 나타내는 X-선 회절(X-ray diffraction, XRD) 분석, 에너지 분광검출기(Energy dispersive spectrometer, EDS) 분석그래프 및 주사전자현미경(Scanning electron microscope, SEM)사진이다.11 is an X-ray diffraction (XRD) analysis, energy dispersive spectrometer (EDS) analysis graph showing the reaction byproduct analysis result after discharge of an open EGILM air battery according to an experimental example of the present invention And a scanning electron microscope (SEM) photograph.

도 10 및 11을 참조하면, 일주일 간 개방형 EGILM 공기전지를 방전을 시킨 후, 3가지 반응부산물이 생성된 것을 알 수 있다. 이는 각각 음극에서의 반응생성물과 비커의 바닥에 가라앉은 응고체 및 알칼리 전해질의 염산과의 중화반응으로 생성된 결정생성물이다.10 and 11, after discharging the open EGILM air battery for a week, it can be seen that three reaction by-products were generated. This is a crystal product produced by neutralization reaction of the reaction product at the cathode, the solidified material settled on the bottom of the beaker, and the alkaline electrolyte with hydrochloric acid, respectively.

먼저, 도 11의 (a)를 참조하면, EDS 분석을 통해 각 반응부산물의 주요구성성분을 확인하였다. 먼저, 음극에서의 반응생성물에서는 인듐, 응고체에서는 수산화인듐(In(OH)3), 전해질로 얻은 결정생성물에서는 수산화산화갈륨(GaOOH)인 것을 알 수 있다. 이는 EGILM의 일부 인듐과 모든 갈륨은 반응부산물을 생성하는 반응에 사용되며, 나머지 인듐은 고체화가 된다는 것을 의미한다. First, referring to (a) of FIG. 11, the main components of each reaction by-product were confirmed through EDS analysis. First, it can be seen that the reaction product at the cathode is indium, the solidified material is indium hydroxide (In(OH) 3 ), and the crystal product obtained from the electrolyte is gallium hydroxide (GaOOH). This means that some indium and all gallium in EGILM is used in the reaction to produce reaction by-products, and the remaining indium is solidified.

실험예 5: EGILM 공기전지의 전기화학적 특성 평가Experimental Example 5: Evaluation of electrochemical properties of EGILM air battery

상기 실시예 1에서 제조한 케이블 형태의 EGILM 공기전지를 이용하여 전기화학적 특성평가를 수행한다. 상기 EGILM 공기전지는 12 cm의 길이와 8 mm 직경을 가진다. Electrochemical characteristic evaluation was performed using the cable-type EGILM air battery prepared in Example 1. The EGILM air battery has a length of 12 cm and a diameter of 8 mm.

EGILM 공기전지의 선형분극실험은 2 mV s-1의 주사율로 측정하였고, 방전성능실험은 1.2 V에서 정전압 모드로 수행되었다. 그리고, 상기 실시예 1의 "3) 백금촉매가 증착된 탄소섬유의 제조"에서, 백금촉매를 증착하지 않은 탄소섬유를 이용한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 케이블형태의 EGILM 공기전지를 제조(이하, 비교예 1)하고, 전기화학적 특성평가를 수행한다.The linear polarization test of the EGILM air battery was measured at a scanning rate of 2 mV s -1 , and the discharge performance test was performed in a constant voltage mode at 1.2 V. And, in the "3) Preparation of carbon fiber deposited with a platinum catalyst" of Example 1, a cable-type EGILM air cell was manufactured in the same manner except that carbon fiber without a platinum catalyst was used (hereinafter, Comparative Example 1), and electrochemical property evaluation was performed.

먼저, 실시예 1의 EGILM 공기전지의 선형분극실험과 방전성능실험을 수행하고, 그 결과를 도 12에 도시하였다.First, a linear polarization test and a discharge performance test of the EGILM air battery of Example 1 were performed, and the results are shown in FIG. 12.

도 12는 본 발명의 일 실험예에 따른 EGILM 공기전지의 방전특성을 측정한 실험의 결과를 나타내는 그래프이다. 12 is a graph showing the results of an experiment measuring discharge characteristics of an EGILM air battery according to an experimental example of the present invention.

도 12의 (a)를 참조하면, 실시예 1은 EGILM의 주입량을 1/4, 1/2, 3/4, 4/4로 하였을 때, 각각의 전류는 0 mA에서 14.265 mA, 16.015 mA, 16.226 mA, 16.286 mA로 증가하였다. 이는, 실시예 1이 EGILM의 주입량을 조절함으로써 방전전류를 제어할 수 있음을 의미한다.Referring to FIG. 12A, in Example 1, when the injection amount of EGILM is set to 1/4, 1/2, 3/4, 4/4, each current is 0 mA to 14.265 mA, 16.015 mA, and 16.226 mA, increased to 16.286 mA. This means that in Example 1, the discharge current can be controlled by adjusting the injection amount of the EGILM.

그리고, 도 12의 (b)를 참조하면, 실시예 1의 방전전류는 외부에서 가해지는 압력에 의해 조절될 수 있음을 알 수 있다. 액체상의 EGILM는 외부의 압력으로부터 발생하는 전지의 유연한 변형에 의해 쉽게 단절될 수 있기 때문이다. 전체 길이의 1/4, 1/2, 3/4만큼의 위치에 외부에서 압력을 가해 전지를 단절시켰을 때, 방전전류는 16.859 mA에서 각각 14.235 mA, 15.954 mA, 16.196 mA로 감소하였다. 도 12의 (a)에서 나타난 방전전류 값과 거의 동일한 수준인데, 이는 전극물질의 양으로 방전전류값을 제어할 수 있는 액체금속공기전지의 중요한 특성을 나타낸다. 또한 도 12의 (b)에 도시된 바와 같이, 공기전지에 가해졌던 압력이 제거되면, 방전전류는 빠르게 초기의 전류값으로 회복한다. And, referring to (b) of FIG. 12, it can be seen that the discharge current of the first embodiment can be adjusted by the pressure applied from the outside. This is because the liquid EGILM can be easily disconnected by the flexible deformation of the battery resulting from external pressure. When the battery was disconnected by applying external pressure to a position of 1/4, 1/2, and 3/4 of the total length, the discharge current decreased from 16.859 mA to 14.235 mA, 15.954 mA, and 16.196 mA, respectively. It is almost the same level as the discharge current value shown in FIG. 12A, which represents an important characteristic of a liquid metal air battery capable of controlling the discharge current value by the amount of the electrode material. In addition, as shown in FIG. 12B, when the pressure applied to the air cell is removed, the discharge current quickly recovers to the initial current value.

그리고, 도 12의 (c)를 참조하면, 실시예 1의 케이블형태의 EGILM 공기전지는 우수한 유연성과 회복성을 가지는 것을 알 수 있다. 실시예 1은 1 dm 내지 1 mm까지의 곡선반경 범위에서 굽힘과 회복작동을 보였고, 이때 방전전류 곡선은 변화 없이 일정한 형태를 유지한다. 실시예 1의 유연성을 확인하기 위해, 1 mm 이하의 곡선반경상태에서 전자시계를 구동시킨 결과 정상적으로 작동되는 것을 확인하였다. 또한, 곡선변형 회복 후에도 전자시계가 이상없이 작동하였다. 이는 실시예 1이 곡선변형에 대하여 기계적 및 전기적 유연성과 회복성을 가지는 것을 의미한다. And, referring to (c) of FIG. 12, it can be seen that the cable-type EGILM air battery of Example 1 has excellent flexibility and recovery. Example 1 showed bending and recovery operations in the range of a curve radius of 1 dm to 1 mm, and at this time, the discharge current curve maintained a constant shape without change. In order to confirm the flexibility of Example 1, it was confirmed that the electronic watch was operated in a state of a curved radius of 1 mm or less and operated normally. In addition, even after recovery of the curve deformation, the electronic clock worked without any problems. This means that Example 1 has mechanical and electrical flexibility and resilience against curve deformation.

또한, 도 12의 (d)를 참조하면, 실시예 1은 나일론 섬유가 담지된 탄성 전해질층을 포함하기 때문에, 우수한 탄성력을 갖는 것을 알 수 있다. 실시예 1은 초기 12cm의 길이에서 24cm까지 2배만큼 늘어날 수 있으며, 쉽게 초기의 길이로 회복할 수 있다. 그리고, 실시예 1이 약 25%만큼 늘어났을 때, 방전전류가 16.768 mA에서 16.919 mA로 증가하였는데, 이는 늘어난 상태에서 양극과 음극, 전해질 사이의 접촉면적이 늘어났기 때문이다. 실시예 1이 60% 또는 100%까지 늘어날 때, 방전전류는 더 이상 감소하지 않았으며, 이러한 탄성거동에 의해 전지의 성능에 영향이 없는 것을 알 수 있다. 그러나 늘어난 상태에서 원래의 상태로 되돌아갔을 때, 방전전류는 0.205 mA만큼 감소하였는데, 이는 스트레칭 과정 동안 겔 전해질과 탄소 섬유들의 각기 다른 변형율을 가져 탄소 섬유 양극의 위치가 이동되었기 때문이다.In addition, referring to FIG. 12D, it can be seen that Example 1 has excellent elasticity because it includes an elastic electrolyte layer on which nylon fibers are supported. In Example 1, the length of the initial 12 cm to 24 cm can be increased by two times, and can be easily restored to the initial length. And, when Example 1 was increased by about 25%, the discharge current increased from 16.768 mA to 16.919 mA, because the contact area between the positive electrode, the negative electrode, and the electrolyte increased in the increased state. When Example 1 was increased to 60% or 100%, the discharge current did not decrease any more, and it can be seen that the performance of the battery was not affected by this elastic behavior. However, when returning to the original state from the stretched state, the discharge current decreased by 0.205 mA, because the position of the carbon fiber anode was shifted due to different strain rates of the gel electrolyte and the carbon fibers during the stretching process.

한편, 탄소섬유양극에 백금촉매 증착 여부에 따른 전지의 방전성능 평가를 수행하고, 그 결과를 도 13에 도시하였다.Meanwhile, evaluation of the discharge performance of the battery according to whether or not the platinum catalyst was deposited on the carbon fiber anode was performed, and the results are shown in FIG. 13.

도 13은 본 발명의 일 실험예에 따른 탄소섬유의 백금촉매 증착여부에 따른 EGILM 공기전지의 방전특성을 나타내는 그래프이다. 도 13을 참조하면, 백금촉매에 증착된 탄소섬유양극을 포함하는 실시예 1이 비교예 1에 비해 방전성능이 약 1.5배의 향상되었다. 실시예 1의 경우, 0.8 V에서 1.480 mA 내지 1.505 mA cm-2의 전류밀도를 보였으며, 이는 종래 보고된 케이블 형태의 아연-공기전지의 전류밀도의 3배 정도에 해당하는 수치이다.13 is a graph showing discharge characteristics of an EGILM air battery according to whether carbon fiber is deposited with a platinum catalyst according to an experimental example of the present invention. Referring to FIG. 13, Example 1 including a carbon fiber anode deposited on a platinum catalyst improved discharge performance by about 1.5 times compared to Comparative Example 1. In the case of Example 1, a current density of 1.480 mA to 1.505 mA cm -2 was shown at 0.8 V, which is a value corresponding to about three times the current density of a conventionally reported cable-type zinc-air battery.

실험예 6: EGILM 공기전지의 수명특성 평가Experimental Example 6: Evaluation of Life Characteristics of EGILM Air Battery

상기 실시예 1의 EGILM 공기전지를 이용하여 수명특성실험을 수행하고, 그 결과를 도 14에 도시하였다. 도 15는 본 발명의 일 실험예에 따른 EGILM 공기전지의 수명특성 실험 결과를 나타내는 그래프이다. A life characteristic test was performed using the EGILM air battery of Example 1, and the results are shown in FIG. 14. 15 is a graph showing the results of a life characteristic experiment of an EGILM air battery according to an experimental example of the present invention.

도 14를 참조하면, 0.2 mA cm-2의 전류밀도에서는 15시간 이상의 수명특성을 보였고, 0.5 mA cm-2의 전류밀도에서는 약 5시간의 수명특성을 보였다. 방전 후 소모된 EGILM의 무게를 측정하여 본 전지의 에너지밀도를 계산한 결과, 0.2, 0.5 mA cm-2의 전류밀도에서 각각 303.2, 248.4 Wh kg-1를 보였다.Referring to FIG. 14, at a current density of 0.2 mA cm -2 , a lifespan of 15 hours or more was exhibited, and at a current density of 0.5 mA cm -2 , a lifespan of about 5 hours was exhibited. As a result of calculating the energy density of this battery by measuring the weight of the EGILM consumed after discharging, the current densities of 0.2 and 0.5 mA cm -2 showed 303.2 and 248.4 Wh kg -1 , respectively.

본 발명은 상술한 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러한 변형예 및 변경예는 본 발명과 첨부된 특허청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 보아야 한다.Although the present invention has been shown and described with reference to a preferred embodiment as described above, it is not limited to the above embodiment, and within the scope not departing from the spirit of the present invention, various It can be transformed and changed. Such modifications and variations should be viewed as falling within the scope of the present invention and the appended claims.

10: 공융액체금속 공기전지
100: 액체금속음극
110: 음극집전체
120: 공융액체금속 음극활물질
200: 탄성 전해질층
210: 고분자 섬유
220: 전해질
300: 탄소섬유양극
310: 탄소섬유
320: 금속촉매
10: eutectic liquid metal air battery
100: liquid metal cathode
110: negative electrode current collector
120: eutectic liquid metal anode active material
200: elastic electrolyte layer
210: polymer fiber
220: electrolyte
300: carbon fiber anode
310: carbon fiber
320: metal catalyst

Claims (12)

음극집전체가 삽입되고, 상온에서 액상인 공융액체금속(eutectic liquid metal) 음극활물질을 포함하는 액체금속음극;
겔(Gel) 전해질이 코팅되고 탄성을 가지는 고분자 섬유를 포함하며, 상기 액체금속음극을 감싸는 탄성 전해질층; 및
탄성 전해질층과 적어도 일부가 접하고, 표면의 적어도 일부에 금속촉매가 형성된 탄소섬유를 포함하는 탄소섬유양극
을 포함하는,
공융액체금속 공기전지.
A liquid metal cathode including a eutectic liquid metal anode active material having an anode current collector inserted thereinto and a liquid at room temperature;
An elastic electrolyte layer coated with a gel electrolyte and comprising polymer fibers having elasticity, and surrounding the liquid metal cathode; And
Carbon fiber anode comprising carbon fibers in which at least a part of the elastic electrolyte layer is in contact and a metal catalyst is formed on at least part of the surface
Containing,
Eutectic liquid metal air battery.
제1항에 있어서,
상기 공융액체금속 음극활물질은 갈륨(Ga) 및 인듐(In)을 포함하는, 공융액체금속 공기전지.
The method of claim 1,
The eutectic liquid metal anode active material comprises gallium (Ga) and indium (In), a eutectic liquid metal air battery.
제2항에 있어서,
상기 공융액체금속 음극활물질은 갈륨 74.8 중량부 내지 92.8 중량부, 인듐 7.2 중량부 내지 25.2 중량부를 포함하는, 공융액체금속 공기전지.
The method of claim 2,
The eutectic liquid metal anode active material comprises 74.8 parts by weight to 92.8 parts by weight of gallium and 7.2 parts by weight to 25.2 parts by weight of indium, a eutectic liquid metal air battery.
제1항에 있어서,
상기 고분자 섬유는 나일론(Nylon)을 포함하는, 공융액체금속 공기전지.
The method of claim 1,
The polymer fiber comprises nylon (Nylon), a eutectic liquid metal air battery.
제1항에 있어서,
상기 금속촉매는 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 및 은(Ag) 중 적어도 어느 하나인, 공융액체금속 공기전지.
The method of claim 1,
The metal catalyst is at least one of platinum (Pt), palladium (Pd) and silver (Ag), a eutectic liquid metal air battery.
제1항에 있어서,
상기 공융액체금속 음극활물질의 주입량에 따라 전류밀도가 제어되는, 공융액체금속 공기전지.
The method of claim 1,
The eutectic liquid metal air battery in which the current density is controlled according to the injection amount of the eutectic liquid metal anode active material.
제1항에 있어서,
전류밀도가 1000μW/cm-2 내지 1200μW/cm-2 의 범위를 가지는, 공융액체금속 공기전지.
The method of claim 1,
A eutectic liquid metal air battery having a current density in the range of 1000 μW/cm -2 to 1200 μW/cm -2 .
제1항에 있어서,
상기 공융액체금속 공기전지는 초기 길이 대비 90 % 내지 110 %까지 신축할 수 있는, 공융액체금속 공기전지.
The method of claim 1,
The eutectic liquid metal air battery is capable of expanding and contracting 90% to 110% of the initial length, a eutectic liquid metal air battery.
제1항에 있어서,
상기 탄성 전해질층은 원통형 구조를 가지는, 공융액체금속 공기전지.
The method of claim 1,
The elastic electrolyte layer has a cylindrical structure, a eutectic liquid metal air battery.
(a) 상온에서 액상인 공융액체금속(eutectic liquid metal) 음극활물질을 준비하는 단계;
(b) 겔(Gel) 전해질 전구체를 포함하는 용액에 탄성을 가지는 고분자 섬유를 담지시키고, 상기 겔 전해질 전구체를 중합시키는 단계;
(c) 상기 고분자 섬유를 롤링(Rolling)하여 탄성 전해질층을 형성하는 단계; 및
(d) 상기 탄성 전해질층과 적어도 일부가 접하도록 탄소섬유양극을 형성하고, 상기 탄성 전해질층의 내부에 상기 공융액체금속 음극활물질 및 음극집전체를 배치하여 액체금속음극을 형성하는 단계
를 포함하는, 공융액체금속 공기전지의 제조방법.
(a) preparing a eutectic liquid metal negative electrode active material that is liquid at room temperature;
(b) supporting a polymer fiber having elasticity in a solution containing a gel electrolyte precursor and polymerizing the gel electrolyte precursor;
(c) forming an elastic electrolyte layer by rolling the polymer fiber; And
(d) forming a carbon fiber anode such that at least a portion of the elastic electrolyte layer is in contact, and forming a liquid metal cathode by disposing the eutectic liquid metal anode active material and an anode current collector inside the elastic electrolyte layer.
Containing, a method of manufacturing a eutectic liquid metal air battery.
제10항에 있어서,
상기 공융액체금속 음극활물질은 갈륨(Ga) 및 인듐(In)을 포함하는, 공융액체금속 공기전지의 제조방법.
The method of claim 10,
The eutectic liquid metal anode active material comprises gallium (Ga) and indium (In), a method of manufacturing a eutectic liquid metal air battery.
제10항에 있어서,
상기 탄소섬유양극은 표면의 적어도 일부에 금속촉매가 형성된 탄소섬유를 포함하며, 상기 금속촉매는 상기 탄소섬유에 전기화학증착법으로 형성되는, 공융액체금속 공기전지의 제조방법.
The method of claim 10,
The carbon fiber anode includes carbon fibers having a metal catalyst formed on at least a portion of the surface thereof, and the metal catalyst is formed on the carbon fibers by an electrochemical deposition method.
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