KR102451982B1 - 관로형 금속공기전지의 집전 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 관로형 금속공기전지에서 각 셀의 집전 구조를 각 셀들이 양극집전판 및 음극집전판에 분리 가능하게 삽입 체결 또는 잠금 체결 가능한 구조로 개선함으로써, 기존 집전체를 용접 방법으로 연결하는 것에 비하여 조립 공정 및 비용, 그리고 작업 시간 등을 절감할 수 있도록 한 매우 효율적인 관로형 금속공기전지의 집전 장치를 제공하고자 한 것이다.

Description

관로형 금속공기전지의 집전 장치{Current collector of flow through type metal-air battery}
본 발명은 관로형 금속공기전지의 집전 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 금속공기전지의 집전 구조를 각 셀들이 양극집전판 및 음극집전판에 분리 가능하게 삽입 체결 또는 잠금 체결 가능한 구조로 새롭게 개선시킨 관로형 금속공기전지의 집전 장치에 관한 것이다.
일반적으로 리튬공기 배터리는 리튬 이온의 흡장/방출이 가능한 음극, 공기 중의 산소를 활물질로 이용하는 양극, 상기 음극과 양극 사이에 개재된 전해질을 포함하여 구성되고, 리튬 이온 및 리튬 산화물의 산화/환원 과정 등에 의하여 충전 및 방전이 이루어진다.
이러한 리튬이온 배터리는 단거리 이동에 쓰이는 전기자동차(EV: Electric Vehicle)나 플러그인 하이브리드 자동차(PHEV: Plug-in Hybrid Electric Vehicle)의 에너지 저장 요구를 만족시킬 수 있으나, 장거리 이동에 쓰이는 차량에서는 에너지 저장량이 부족하여 에너지 저장 요구를 만족시키기 어려우며, 이에 더 많은 에너지를 저장할 수 있는 에너지 저장장치가 요구되고 있다.
현재까지 알려진 에너지 저장장치 중에 리튬공기 배터리는 비교적 높은 이론 용량을 가지고 있으며, 리튬이온 배터리에 비해 높은 에너지 밀도를 나타내므로 소형화 및 경량화 등에 있어서 유리한 장점을 가진다.
상기 리튬공기 배터리는 양극에서 생성된 리튬산화물이 양극에 축적되었다가, 충전시 음극과 양극에서의 역반응이 진행되어 음극에서 리튬금속이 재생되므로, 배터리의 반복 충/방전이 가능하며, 이러한 리튬공기 배터리의 성능을 극대화하기 위해 일정한 산소의 공급이 무엇보다 중요한 요소로 작용한다.
이러한 종래의 리튬공기 배터리는 위와 같은 단위 셀을 일방향으로 수십~수백개 적층하여 제작됨에 따라, 전체 리튬공기 배터리의 부피 및 중량이 크게 증대될 수 밖에 없고, 실제 차량에 탑재될 때 탑재공간을 많이 차지하게 되는 단점이 있다.
또한, 종래의 리튬공기 배터리는 공기 양극으로 공기가 우선 공급되어야 하는데, 공기가 흐르는 유로 폭이 비좁아서 공기 전달 분배가 원활하지 못한 단점이 있다.
이에, 본원 출원인은 다각형 단면의 공기유로를 갖는 도관 형태의 전극을 구성하여, 효과적으로 공기가 전극에 전달되어 리튬과 용이하게 반응할 수 있도록 유도할 수 있고, 부피와 중량을 줄여서 컴팩트한 구조를 구현할 수 있도록 한 관로형 리튬공기 배터리 및 그 제조 방법을 이미 특허출원[대한민국 특허출원 제10-2017-0069488호(2017.06.05)]한 바 있다.
그러나, 스택 구조의 전지를 관로형 구조로 변환함에 따라 반응면적의 극대화를 구현할 수 있으나, 각 셀에서 생산된 전기를 집전하는 방법이 용접 등의 비 효율적인 방법이 소요되어 공정 시간 및 비용이 과다 발생하는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 관로형 금속공기전지에서 각 셀의 집전 구조를 각 셀들이 양극집전판 및 음극집전판에 분리 가능하게 삽입 체결 또는 잠금 체결 가능한 구조로 개선함으로써, 기존 집전체를 용접 방법으로 연결하는 것에 비하여 조립 공정 및 비용, 그리고 작업 시간 등을 절감할 수 있도록 한 매우 효율적인 관로형 금속공기전지의 집전 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은: 도관 형태의 리튬금속 음극와, 이 리튬금속 음극의 표면에 일정 두께로 코팅되는 전해질막과, 이 전해질막의 표면에 일정 두께로 코팅되는 공기 양극으로 구성되고, 공기 양극의 내부에 공기유로가 형성된 구조를 갖는 관로형 금속공기전지의 집전 장치에 있어서, 상기 양극의 일단부로부터 양극집전체를 일체로 연장하여 별도로 구비된 양극집전판에 삽입 체결 또는 락킹 체결시키고, 상기 음극의 일단부로부터 음극집전체를 일체로 연장하여 별도로 구비된 음극집전판에 삽입 체결 또는 락킹 체결시킨 것을 특징으로 하는 관로형 금속공기전지의 집전 장치를 제공한다.
바람직하게는, 상기 양극집전판은 집전부와 절연체가 접합된 구조로 구비되고, 양극집전체가 통전 가능하게 삽입 체결되는 복수의 삽입홀이 관통 형성된 구조로 구비된 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 양극집전판의 집전부는 공기 유동이 가능한 메쉬 타입의 통전 물질로 제작된 것임을 특징으로 한다.
또한, 상기 음극집전판은 음극집전체가 통전 가능하게 삽입 체결되는 복수의 삽입홀이 관통 형성된 구조로 구비된 것을 특징으로 한다.
다른 구현예로서, 상기 양극집전판은 집전부와 절연체가 접합된 구조로 구비되고, 그 내면에 양극집전체를 탄성력으로 락킹 체결하는 한 쌍의 탄성 체결판이 집전부와 통전 가능하게 부착된 것을 특징으로 한다.
또 다른 구현예로서, 상기 양극집전판은 집전부와 절연체가 접합된 구조로 구비되고, 그 내면에 양극집전체가 락킹 체결되는 도전성의 거치고리가 집전부와 통전 가능하게 부착된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 음극집전판의 내면에는 음극집전체가 락킹 체결되는 도전성의 거치고리가 통전 가능하게 부착된 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 거치고리는 양극집전판 또는 음극집전판에 통전 가능하게 연결되는 수평 거치대와, 이 수평 거치대의 끝단에 수직으로 연장되는 수직 거치대로 구성되고, 상기 양극집전체 또는 음극집전체가 수평 및 수직 거치대에 안착될 때, 수직 거치대가 양극집전체 또는 음극집전체의 둘레부에 형성된 락킹홈에 삽입되어 양극집전체 또는 음극집전체의 락킹이 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
관로형 금속공기전지의 각 셀들의 집전을 위하여 각 셀로부터 연장되는 양극집전체와 음극집전체를 각각 양극집전판 및 음극집전판에 분리 가능하게 삽입 체결하거나 잠금 체결할 수 있도록 함으로써, 기존에 전지의 각 셀의 집전을 위한 집전체를 별도의 용접 방법으로 연결하는 것에 비하여 조립 공정 및 비용, 그리고 작업 시간 등을 절감할 수 있고, 집전 과정이 효과적으로 이루어질 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 집전 장치가 적용되는 관로형 금속공기전지의 일 구현예를 도시한 단면도,
도 2는 본 발명의 집전장치로서 양극집전체가 양극으로부터 연장 형성된 것을 도시한 개략도,
도 3은 본 발명의 집전장치로서 음극집전체가 음극으로부터 연장 형성된 것을 도시한 개략도,
도 4 및 도 5는 본 발명의 집진장치로서 각각 양극집전판 및 음극집전판을 도시한 사시도,
도 6 및 도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 관로형 금속공기전지의 집전 장치가 조립된 상태를 도시한 사시도 및 단면도,
도 8 및 도 9는 본 발명의 제2실시예에 따른 관로형 금속공기전지의 집전 장치가 조립된 상태를 도시한 사시도 및 단면도,
도 10 및 도 11은 본 발명의 제3실시예에 따른 관로형 금속공기전지의 집전 장치가 조립된 상태를 도시한 사시도 및 단면도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
첨부한 도 1은 본 발명에 따른 집전 장치가 적용되는 관로형 금속공기전지의 일 구현예를 도시한 단면도로서, 각 단위 셀이 원형 등 다양한 다각형의 중공 구조를 갖는다.
도 1에서 보듯이, 본 발명의 집전 장치가 적용되는 관로형 리튬공기 배터리즉, 관로형 금속공기전지의 일례는 원형 단면 구조를 갖는 도관 형태의 리튬금속 음극(100)와, 이 리튬금속 음극(100)의 표면에 일정 두께로 코팅되는 전해질막(110)과, 이 전해질막(110)의 표면에 일정 두께로 코팅되는 공기 양극(120)으로 구성되고, 공기 양극(120)의 내부에 다각형의 공기유로(130)가 형성된 구조를 갖는다.
이에, 본 발명의 관로형 금속공기전지는 전극 단면을 수직으로 관통하는 공기유로(130)와, 이를 둘러싸는 공기 양극(120)과, 공기 양극(120)의 외곽을 둘러싸는 전해질막(110)과, 전해질막(110)의 외곽에 위치하는 리튬금속 음극(100)이 차례로 배열되는 구조를 이루게 되고, 특히 공기유로(130)는 리튬금속 음극(100)의 다각형 단면 형상과 동일한 단면 형상을 이루게 된다.
특히, 상기 공기 양극(120) 및 리튬금속 음극(100)의 일끝단에 각각 집전 단자인 원통 형상의 양극집전체(122)와 음극집전체(102)를 일체로 형성된다.
상기 관로형 금속공기전지의 단위 셀 구조를 도시한 첨부한 도 2를 참조하면, 양극집전체(122)가 공기 양극(120)으로부터 더 연장 형성된다,
상기 관로형 금속공기전지의 단위 셀 구조를 도시한 첨부한 도 3을 참조하면, 음극집전체(102)가 음극(100)으로부터 더 연장 형성된다,
이때, 상기 양극집전체(122)와 음극집전체(102)는 각각 양극(120)과 음극(100)을 형성할 때, 그 일끝단에 일체로 더 길게 연장 형성될 수 있거나, 또는 양극집전체(122)와 음극집전체(102)를 각각 양극(120)의 내경면과 음극(100)의 외경면에 도포하여 형성할 수 있다.
이렇게 형성된 상기 양극집전체(122)와 음극집전체(102)는 각각 별도로 구비되는 양극집전판(140)과 음극집전판(150)에 삽입 체결 또는 락킹 체결된다.
여기서, 상기 양극집전체(122)와 음극집전체(102)를 각각 별도로 구비되는 양극집전판(140)과 음극집전판(150)에 통전 가능하게 체결하는 구조를 각 실시예별로 살펴보면 다음과 같다.
제1실시예
첨부한 도 4를 참조하면, 상기 양극집전판(140)은 도전체인 집전부(142)와 절연체(144)가 상호 접합된 구조로 구비되고, 이 양극집전판(140)에는 각 단위셀의 양극집전체(122)가 통전 가능하게 삽입 체결되는 복수의 삽입홀(146)이 관통 형성된다.
이때, 상기 양극집전판(140)의 집전부(142)는 복수의 삽입홀(146)을 가지면서 공기 유동이 가능한 메쉬 타입의 통전 물질(예, 금속 그물망)로 제작된 것으로 채택되거나, 복수의 삽입홀(146)을 제외한 부분이 막혀 있는 구조의 것으로 제작 가능하다.
첨부한 도 5를 참조하면, 상기 음극집전판(150)은 각 단위셀의 음극집전체(102)가 통전 가능하게 삽입 체결되는 복수의 삽입홀(152)이 관통 형성된 구조로 구비된다.
따라서, 첨부한 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 상기 양극집전체(122)를 양극집전판(140)의 삽입홀(146)에 삽입 체결함으로써, 양극집전체(122)가 양극집전판(140)의 집전부(142)에 통전 가능하게 접촉되는 상태가 된다.
한편, 상기 절연체(144)는 각 단위셀의 양극(120), 전해질막(110), 음극(100), 음극집전체(102) 등의 구성물질이 양극집전판(140)과의 접촉으로 인해 전기적 단락 등이 발생하는 것을 방지하는 역할을 한다.
이와 같이, 관로형 금속공기전지의 각 셀들의 집전을 위하여 각 단위셀로부터 연장되는 양극집전체(122)와 음극집전체(102)를 각각 양극집전판(140) 및 음극집전판(150)에 분리 가능하게 삽입 체결하기만 하면 되므로, 기존에 전지의 각 셀의 집전을 위한 집전체를 별도의 용접 방법으로 연결하는 것에 비하여 조립 공정 및 비용, 그리고 작업 시간 등을 절감할 수 있고, 집전 과정이 효과적으로 이루어질 수 있다.
제2실시예
본 발명의 제2실시예에 따르면, 상기 양극집전체(122)를 탄성 체결력을 갖는 탄성 체결판(160)을 이용하여 양극집전판(140)의 집전부(142)에 통전 가능하게 락킹 체결하는 점에 특징이 있다.
이를 위해, 첨부한 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이 상기 양극집전판(140)의 내면에는 양극집전체(122)를 탄성력으로 락킹 체결하는 한 쌍의 탄성 체결판(160)이 집전부(142)와 통전 가능하게 부착된다.
상기 탄성 체결판(160)은 탄성력을 갖는 와이어를 중간 부분에 오목한 홈 구조를 갖는 구조로 절곡 구비한 것으로서, 양단부를 양극집전체(122)의 집전부(142)에 압입 체결시킴으로써, 탄성 체결판(160)이 집전부(142)와 통전 가능한 상태가 된다.
따라서, 상기 양극집전체(122)를 한 쌍의 탄성 체결판(160)에 삽입 체결하면, 양극집전체(122)가 탄성 체결판(160)의 오목한 홈부에 의하여 락킹되는 상태가 되고, 양극집전체(122)는 탄성 체결판(160)에 의하여 집전부(142)와 집전 가능하게 연결되는 상태가 된다.
이와 같이, 관로형 금속공기전지의 각 셀들의 집전을 위하여 각 단위셀로부터 연장되는 양극집전체(122)와 음극집전체(102)를 한 쌍의 탄성 체결판(160)을 이용하여 각각 양극집전판(140) 및 음극집전판(150)에 락킹 체결하기만 하면 되므로, 기존에 전지의 각 셀의 집전을 위한 집전체를 별도의 용접 방법으로 연결하는 것에 비하여 조립 공정 및 비용, 그리고 작업 시간 등을 절감할 수 있고, 집전 과정이 효과적으로 이루어질 수 있다.
제3실시예
본 발명의 제3실시예에 따르면, 상기 양극집전체(122) 및 음극집전체(102)를 도전성의 거치고리(170)를 이용하여 양극집전판(140)과 음극집전판(150)에 통전 가능하게 락킹 체결하는 점에 특징이 있다.
이를 위해, 첨부한 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이 상기 양극집전판(140)의 내면에 양극집전체(122)가 락킹 체결되는 도전성의 거치고리(170)가 집전부(146)와 통전 가능하게 부착되고, 또한 상기 음극집전판(150)의 내면에도 음극집전체(102)가 락킹 체결되는 도전성의 거치고리(170)가 통전 가능하게 부착된다.
보다 상세하게는, 상기 거치고리(170)는 양극집전판(140)의 집전부(146) 또는 음극집전판(150)에 통전 가능하게 압입 체결되는 수평 거치대(172)와, 이 수평 거치대(172)의 끝단에 수직으로 연장되는 수직 거치대(174)로 구성된다.
따라서, 상기 양극집전체(122) 또는 음극집전체(102)가 수평 거치대(172) 및 수직 거치대(174)에 안착될 때, 수직 거치대(172)가 양극집전체(122) 또는 음극집전체(102)의 둘레부에 형성된 락킹홈(176)에 삽입됨으로써, 거치고리(170)에 대한 양극집전체(122) 또는 음극집전체(102)의 락킹 체결이 용이하게 이루어진다.
이에, 상기 양극집전체(122) 또는 음극집전체(102)는 도전성의 거치고리(170)를 통해 각각 양극집전판(140)과 음극집전판(150)에 집전 가능하게 연결되는 상태가 된다.
이와 같이, 관로형 금속공기전지의 각 셀들의 집전을 위하여 각 단위셀로부터 연장되는 양극집전체(122)와 음극집전체(102)를 도전성의 거치고리(170)를 이용하여 각각 양극집전판(140) 및 음극집전판(150)에 락킹 체결하기만 하면 되므로, 기존에 전지의 각 셀의 집전을 위한 집전체를 별도의 용접 방법으로 연결하는 것에 비하여 조립 공정 및 비용, 그리고 작업 시간 등을 절감할 수 있고, 집전 과정이 효과적으로 이루어질 수 있다.
100 : 음극
102 : 음극집전체
110 : 전해질막
120 : 양극
122 : 양극집전체
130 : 공기유로
140 : 양극집전판
142 : 집전부
144 : 절연체
146 : 삽입홀
150 : 음극집전판
152 : 삽입홀
160 : 탄성 체결판
170 : 거치고리
172 : 수평 거치대
174 : 수직 거치대
176 : 락킹홈

Claims (8)

  1. 도관 형태의 리튬금속 음극와, 이 리튬금속 음극의 표면에 일정 두께로 코팅되는 전해질막과, 이 전해질막의 표면에 일정 두께로 코팅되는 공기 양극으로 구성되고, 공기 양극의 내부에 공기유로가 형성된 구조를 갖는 관로형 금속공기전지의 집전 장치에 있어서,
    상기 양극의 일단부로부터 양극집전체를 일체로 연장하여 별도로 구비되는 양극집전판에 삽입 체결 또는 락킹 체결시키고, 상기 음극의 일단부로부터 음극집전체를 일체로 연장하여 별도로 구비되는 음극집전판에 삽입 체결 또는 락킹 체결시키되,
    상기 음극집전판은 음극집전체가 통전 가능하게 삽입 체결되는 복수의 삽입홀이 관통 형성된 구조로 구비된 것을 특징으로 하는 관로형 금속공기전지의 집전 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 양극집전판은 집전부와 절연체가 접합된 구조로 구비되고, 양극집전체가 통전 가능하게 삽입 체결되는 복수의 삽입홀이 관통 형성된 구조로 구비된 것을 특징으로 하는 관로형 금속공기전지의 집전 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 양극집전판의 집전부는 공기 유동이 가능한 메쉬 타입의 통전 물질로 제작된 것임을 특징으로 하는 관로형 금속공기전지의 집전 장치.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 양극집전판은 집전부와 절연체가 접합된 구조로 구비되고, 그 내면에 양극집전체를 탄성 가압하며 락킹시키는 한 쌍의 탄성 체결판이 집전부와 통전 가능하게 부착된 것을 특징으로 하는 관로형 금속공기전지의 집전 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 양극집전판은 집전부와 절연체가 접합된 구조로 구비되고, 그 내면에 양극집전체가 락킹 체결되는 도전성의 거치고리가 집전부와 통전 가능하게 부착된 것을 특징으로 하는 관로형 금속공기전지의 집전 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 음극집전판의 내면에는 음극집전체가 락킹 체결되는 도전성의 거치고리가 통전 가능하게 부착된 것을 특징으로 하는 관로형 금속공기전지의 집전 장치.
  8. 청구항 6 또는 청구항 7에 있어서,
    상기 거치고리는 양극집전판 또는 음극집전판에 통전 가능하게 연결되는 수평 거치대와, 이 수평 거치대의 끝단에 수직으로 연장되는 수직 거치대로 구성되고, 상기 양극집전체 또는 음극집전체가 수평 및 수직 거치대에 안착될 때, 수직 거치대가 양극집전체 또는 음극집전체의 둘레부에 형성된 락킹홈에 삽입되어 양극집전체 또는 음극집전체의 락킹이 이루어지는 것을 특징으로 하는 관로형 금속공기전지의 집전 장치.
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