KR102329471B1 - 전기적 충전식 아연공기 이차전지용 분리막 및 이를 적용한 전기적 충전식 아연공기 이차전지 - Google Patents

전기적 충전식 아연공기 이차전지용 분리막 및 이를 적용한 전기적 충전식 아연공기 이차전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기적 충전식 아연공기 이차전지용 분리막 및 이를 적용한 전기적 충전식아연공기 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수산화칼슘을 포함한 박막과, 박막의 양면에 설치된 다공성 고분자막으로 구성됨에 따라 방전시 아연금속이온의 이동을 억제하여 충전시 아연금속이온의 환원 석출 확률을 높임으로써 충방전 성능을 향상시킬 수 있는 전기적 충전식 아연공기 이차전지용 분리막 및 이를 적용한 전기적 충전식 아연공기 이차전지에 관한 것이다.
이러한 본 발명은 아연공기 이차전지를 이루는 양극과 음극의 사이에 설치되는 것으로 알칼리 토금속과 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 및 이소프로판올(isopropanol)로 이루어진 박막; 및 상기 박막의 양면에 각각 설치되는 다공성 고분자막;으로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기적 충전식 아연공기 이차전지용 분리막을 기술적 요지로 한다. 그리고 본 발명은 상기 아연공기 이차전지용 분리막이 양극과 음극의 사이에 설치되는 것을 특징으로 하는 전기적 충전식 아연공기 이차전지도 기술적 요지로 한다.

Description

전기적 충전식 아연공기 이차전지용 분리막 및 이를 적용한 전기적 충전식 아연공기 이차전지{Membrane for electrically rechargeable zinc-air battery and electrically rechargeable zinc-air battery using the same}
본 발명은 전기적 충전식 아연공기 이차전지용 분리막 및 이를 적용한 전기적 충전식 아연공기 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수산화칼슘을 포함한 박막과, 박막의 양면에 설치된 다공성 고분자막으로 구성됨에 따라 방전시 아연금속이온의 이동을 억제하여 충전시 아연금속이온의 환원 석출 확률을 높임으로써 충방전 성능을 향상시킬 수 있는 전기적 충전식 아연공기 이차전지용 분리막 및 이를 적용한 전기적 충전식 아연공기 이차전지에 관한 것이다.
일반적으로 아연공기 이차전지는 공기를 양극 반응물질로 사용하고 아연금속을 연료물질인 음극 활물질로 사용하는 연료전지로서 음극을 이루는 아연금속이 전해액 내에서 양극을 통해 공급되는 공기 중 산소에 의해 산화 반응하면서 생성되는 전자를 집전하여 전기를 발생시키는 구조이다.
이러한 아연공기 이차전지는 양극과 음극의 사이에 양극과 음극을 전기적으로 격리시키고 공기와의 반응을 통해 전해액으로부터 용해되는 수산화이온을 양극에서 음극으로 이동되도록 통과시키는 기능을 하는 분리막이 설치되어 있다.
그러나 아연공기 이차전지는 음극을 이루는 아연금속으로부터 용해되는 아연금속이온이 음극으로 환원 석출되는 확률이 떨어지면서 충방전 성능의 저하로 이상적인 이차전지 형태로 사용하기가 어려운 한계가 있다.
이러한 한계는 아연공기 이차전지를 이루는 분리막이 단순히 부직포나 다공성 고분자막으로만 이루어져 있어 아연금속이온의 출입을 제한하지 못하는 구조적인 결함에 의한 것이다.
따라서 종래의 아연공기 이차전지는 전기적 충방전을 반복하는 과정에서 방전시 분리막을 통과하여 양극 측으로 이동한 아연금속이온의 일부가 충전시 음극으로 환원 석출되지 않게 됨으로써 충방전 효율이 떨어지는 문제점이 있다.
국내 공개특허공보 제10-2013-0014139호, 2013.02.07.자 공개.
본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위해 발명된 것으로서 구조의 개선을 통해 아연금속이온이 양극 측으로 이동되는 것을 억제하여 아연금속이온이 음극으로 환원 석출되는 확률을 높여줌으로써 아연공기 이차전지의 충방전 성능을 개선할 수 있는 전기적 충전식 아연공기 이차전지용 분리막 및 이를 적용한 전기적 충전식 아연공기 이차전지를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 설치되는 분리막으로 구성되되, 상기 분리막은, 알칼리 토금속과 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 및 이소프로판올(isopropanol)로 이루어지고, 미세기공을 형성하는 박막; 및 상기 박막의 양면에 각각 설치되고 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene) 중 하나인 친수성 다공성 고분자막;으로 구성되고, 상기 박막은, 상기 미세기공을 통하여 상기 양극과 음극 사이의 전해액과, 상기 양극을 통해 공급되는 공기 중의 산소 간의 반응으로 생성되는 수산화이온(OH-)이 상기 음극으로 이동되면서, 상기 알칼리 토금속과의 반응을 통하여 방전 시 상기 음극을 이루는 아연금속(Zn)으로부터 용해되는 아연금속이온(Zn(OH)4 2-)이 상기 양극으로의 이동이 차단되어 충전 시 상기 음극을 이루는 아연금속으로 환원 석출되도록 하는 것을 특징으로 하는, 전기적 충전식 아연공기 이차전지를 제공한다.
상기 박막은 상기 알칼리 토금속 60~70중량%와 상기 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 30~40중량%로 혼합한 후 상기 이소프로판올(isopropanol)을 일정량 첨가하여 반죽한 다음 박막 형태로 성형한 것임을 특징으로 한다.
상기 다공성 고분자막은 상기 박막의 양면에 배치된 상태에서 롤 프레스 공정을 통해 압착 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 알칼리 토금속은 수산화칼슘(Ca(OH)2), 수산화바륨(Ba(OH)2) 중의 하나로 구성되는 것을 특징으로 한다.
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상기한 구성에 의한 본 발명은 방전시 음극에서 용해되는 아연금속이온이 양극으로 이동하지 않도록 화학반응을 유도하여 충전시 아연금속이온이 음극으로 환원 석출되는 확률을 높임으로써 충방전 성능을 크게 개선하여 아연공기 이차전지를 이차 전지 형태로 사용하는데 따른 어려움을 해소할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기적 충전식 아연공기 이차전지용 분리막의 구조 및 작용을 도시한 예시도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기적 충전식 아연공기 이차전지용 분리막의 제조과정을 도시한 예시도.
본 발명은 아연공기 이차전지에서 전해액에 채워지는 양극(양극촉매층과 양극집전체 및 가스확산층 등을 포함)과 음극(음극집전체와 아연금속 등을 포함)의 사이에서 양극과 음극을 격리시키는 전기 충전식 아연공기 이차전지용 분리막 및 이를 적용한 전기적 충전식 아연공기 이차전지에 관한 것이다.
특히, 본 발명에 따른 전기 충전식 아연공기 이차전지용 분리막 및 이를 적용한 전기적 충전식 아연공기 이차전지는 아연금속이온이 양극으로 이동하는 것을 억제하여 아연금속이온이 음극으로 환원 석출되는 확률을 높여줌으로써 아연공기 이차전지의 충방전 성능을 개선할 수 있는 것이 큰 특징이다.
이러한 특징은 방전시 음극을 이루는 아연금속(Zn)으로부터 용해되는 아연금속이온(Zn(OH)4 2-)이 충전시 음극을 이루는 아연금속으로 환원 석출되는 확률을 높여 충방전 효율을 향상시킨 구조에 의해 달성된다.
즉, 수산화칼슘(Ca(OH)2)과 수산화바륨(Ba(OH)2)을 포함하는 알칼리 토금속과 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE, polytetrafluoroethylene) 및 이소프로판올(isopropanol)로 이루어진 박막과, 박막의 양면에 각각 설치되는 다공성 고분자막으로 이루어진 구조에 의한 것이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기 충전식 아연공기 이차전지용 분리막 및 이를 적용한 전기적 충전식 아연공기 이차전지를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기적 충전식 아연공기 이차전지용 분리막의 구조 및 작용을 도시한 예시도이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기적 충전식 아연공기 이차전지용 분리막(100)은 도 1에 도시된 바와 같이 박막(110)과, 상기 박막(110)의 양면에 각각 설치되는 다공성 고분자막(120)으로 구성될 수 있다.
먼저, 상기 박막(110)은 알칼리 토금속과 폴리테트라플루오로에틸렌 및 이소프로판올로 이루어진 것으로, 양극과 음극의 사이에 채워진 전해액(KOH)과 양극을 통해 공급되는 공기 중의 산소 간의 반응을 통해 생성되는 수산화이온(0H-)이 음극으로 이동 가능하게 통과시키면서 음극인 아연금속으로부터 용해되는 아연금속이온이 양극으로 이동하지 않게 차단하는 구성이다.
즉, 박막(110)은 물리적으로는 미세기공을 형성하여 수산화이온이 음극으로 이동 가능하게 하고 화학적으로는 알칼리 토금속을 통해 아연금속이온과 반응을 유도하여 아연금속이온이 양극으로 이동하지 않게 하는 것이다.
따라서 박막(110)은 도 1에 도시된 바와 같이 아연금속이온이 음극에서 양극으로 이동하고자 할 때 알칼리 토금속을 통해 아연금속이온과 아래의 화학식 1과 같은 형태로 반응을 유도하면서 아연금속이온이 양극으로 이동하는 것을 억제하게 된다.
[화학식 1]
Ca(OH)2 + 2Zn + 4OH- + 2H2O → Ca(OH)2·2Zn(OH)2·2H2O + 4e-
그리고 박막(110)은 폴리테트라플루오로에틸렌과 이소프로판올에 의해 형성되는 미세기공을 통해 전해액과 산소 간의 반응을 통해 생성되는 수산화이온이 음극으로 이동 가능하게 한다.
한편, 박막(110)은 알칼리 토금속 60~70중량%와 폴리테트플루오로에틸렌 30~40중량%를 혼합한 후 이소프로판올을 일정량 첨가하여 균일하게 반죽한 다음 일정두께의 얇은 박막 형태로 가공하여 얻을 수 있다.
이때 알칼리 토금속은 수산화칼슘(Ca(OH)2), 수산화바륨(Ba(OH)2) 등으로 구성될 수 있다.
다음으로, 상기 다공성 고분자막(120)은 박막(110)의 양면에 각각 설치되어 양극과 음극이 전기적으로 접촉되지 않게 하면서 양극에서 생성되는 수산화이온이 음극으로 원활하게 통과시키는 구성이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기적 충전식 아연공기 이차전지용 분리막의 제조과정을 도시한 예시도이다.
이때 다공성 고분자막(120)은 도 2에 도시된 바와 같이 박막(110)의 양면에 배치된 상태에서 롤 프레스(R)를 통과시켜 가압 성형하는 롤 프레스 공정을 통해 박막(110)의 양면에 설치될 수 있다.
그리고 다공성 고분자막(120)은 전기적으로 절연 재질이면서 수산화이온의 이동이 원활하도록 친수성을 가지는 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene) 등으로 구성될 수 있다.
여기서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기적 충전식 아연공기 이차전지(200)는 도 1에 도시된 바와 같이 양극(220)과 음극(210)의 사이에 상기한 전기적 충전식 아연공기 이차전지용 분리막(100)을 포함하는 것이다.
즉, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기적 충전식 아연공기 이차전지(200)는 양극촉매층과 양극집전체 및 가스확산층 등을 포함하는 양극(220)과 음극집전체와 아연금속 등을 포함하는 음극(210)의 사이에 알칼리 토금속과 폴리테트라플루오로에틸렌 및 이소프로판올로 이루어진 박막(110)과, 박막(110)의 양면에 다공성 고분자막(120)이 설치된 전기적 충전식 아연공기 이차전지용 분리막(100)이 설치된 구조이다.
따라서 충방전을 반복하는 과정에서 방전시 아연금속으로부터 용해되는 아연금속이온이 양극(220)으로 이동하는 것을 최대한 억제시켜 충전시 아연금속이온이 아연금속으로 환원 석출되는 확률이 높아지면서 충방전 성능이 크게 향상됨으로써 이차전지 형태로 사용하는데 어려움이 있는 종래의 문제점을 해소할 수 있게 된다.
상기한 실시예는 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야에 대한 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양하게 변형된 다른 실시예가 가능하다.
따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위에는 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 상기의 실시예뿐만 아니라 다양하게 변형된 다른 실시예가 포함되어야 한다.
100: 아연공기 이차전지용 분리막
110: 박막
120: 다공성 고분자막
200: 전기 충전식 아연공기 이차전지
210: 음극
220: 양극
R: 롤 프레스

Claims (6)

  1. 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 설치되는 분리막으로 구성되되,
    상기 분리막은,
    알칼리 토금속과 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 및 이소프로판올(isopropanol)로 이루어지고, 미세기공을 형성하는 박막; 및
    상기 박막의 양면에 각각 설치되고 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene) 중 하나인 친수성 다공성 고분자막;으로 구성되고,
    상기 박막은,
    상기 미세기공을 통하여 상기 양극과 음극 사이의 전해액과, 상기 양극을 통해 공급되는 공기 중의 산소 간의 반응으로 생성되는 수산화이온(OH-)이 상기 음극으로 이동되면서, 상기 알칼리 토금속과의 반응을 통하여 방전 시 상기 음극을 이루는 아연금속(Zn)으로부터 용해되는 아연금속이온(Zn(OH)4 2-)이 상기 양극으로의 이동이 차단되어 충전 시 상기 음극을 이루는 아연금속으로 환원 석출되도록 하는 것을 특징으로 하는, 전기적 충전식 아연공기 이차전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 박막은,
    상기 알칼리 토금속 60~70중량%와 상기 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 30~40중량%로 혼합한 후 상기 이소프로판올(isopropanol)을 일정량 첨가하여 반죽한 다음 박막 형태로 성형한 것임을 특징으로 하는, 전기적 충전식 아연공기 이차전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 고분자막은,
    상기 박막의 양면에 배치된 상태에서 롤 프레스 공정을 통해 압착 설치되는 것을 특징으로 하는, 전기적 충전식 아연공기 이차전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 알칼리 토금속은,
    수산화칼슘(Ca(OH)2), 수산화바륨(Ba(OH)2) 중의 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는, 전기적 충전식 아연공기 이차전지.
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