KR102475887B1 - 금속 공기 전지 및 이에 구비된 양극 전류 집전체 - Google Patents

금속 공기 전지 및 이에 구비된 양극 전류 집전체 Download PDF

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Abstract

금속 공기 전지 및 이에 구비된 양극 전류 집전체가 개시된다. 개시된 금속 공기 전지는 제1 면 및 상기 제1 면과 대향하는 제2 면을 갖는 적어도 하나의 기체 확산층, 상기 기체 확산층의 상기 제1 면 및 상기 제2 면 상에 배치되며, 산소를 활물질로 사용하는 적어도 하나의 양극층, 상기 양극층 상에 배치된 음극 전해질막, 상기 음극 전해질막 상에 배치된 음극 금속층, 및 상기 기체 확산층과 접촉하는 적어도 하나의 블레이드를 포함하는 양극 전류 집전체를 구비하고, 상기 기체 확산층은 전기 전도성을 가지며, 상기 양극 전류 집전체는 상기 각 블레이드가 상기 기체 확산층내에 적어도 부분적으로 매몰되도록 배치된다.

Description

금속 공기 전지 및 이에 구비된 양극 전류 집전체{Metal air battery and cathode current collector equipped therewith}
금속 공기 전지 및 이에 구비된 양극 전류 집전체가 개시된다. 보다 상세하게는, 부피 비용량 및 에너지 밀도가 높을뿐만 아니라 전류 집전 효과가 우수한 금속 공기 전지 및 이에 구비된 양극 전류 집전체가 개시된다.
리튬 공기 전지는 리튬 이온의 흡장 및 방출이 가능한 음극, 공기 중의 산소를 산화/환원시키는 양극을 구비하고, 상기 양극과 음극 사이에 개재된 전해질을 구비한다.
상기 리튬 공기 전지는 리튬 자체를 음극으로 사용하며 양극 활물질인 공기(구체적으로, 공기 중의 산소)를 전지 내에 저장할 필요가 없으므로 고용량을 가질 수 있다. 리튬 공기 전지의 단위 중량당 이론 에너지 밀도는 3500Wh/kg 이상으로 매우 높다. 이러한 에너지 밀도는 리튬 이온 전지의 대략 10배에 해당하는 것이다.
종래의 리튬 공기 전지에 있어서, 대기와의 직접적인 접촉이 필수인 양극을 위한 전류 집전체는 그물과 같은 형태로 제작되어 전극 평면에 접촉되는 방식으로 사용되었다. 이러한 전류 집전체는 넓은 면의 전극에 접촉된 후 외부 구조물에 의해 가압되는 형태로 제작된다. 종래의 전류 집전체는 접촉할 기체 확산층의 면적이 좁을 경우에는 적용되기가 어려운 문제점이 있다. 부피 대비 용량을 최대화하여 설계된 금속 공기 전지의 양극은 공기와 접촉하는 부분의 면적이 수백 마이크로미터 두께의 기체 확산층의 측면 면적과 동일하다. 따라서, 양극 전류 집전체를 단순히 기체 확산층의 측면과 접촉하는 방식으로는 전류 집전이 불충분한 문제점이 있다.
본 발명의 일 구현예는 부피 비용량 및 에너지 밀도가 높을뿐만 아니라 전류 집전 효과가 우수한 금속 공기 전지를 제공한다.
본 발명의 다른 구현예는 기체 확산층과 공기의 접촉 방해를 최소화하면서도 기체 확산층과의 접촉 면적을 극대화할 수 있는 금속 공기 전지용 양극 전류 집전체를 제공한다.
본 발명의 일 측면은,
제1 면 및 상기 제1 면과 대향하는 제2 면을 갖는 적어도 하나의 기체 확산층;
상기 기체 확산층의 상기 제1 면 및 상기 제2 면 상에 배치되며, 산소를 활물질로 사용하는 적어도 하나의 양극층;
상기 양극층 상에 배치된 음극 전해질막;
상기 음극 전해질막 상에 배치된 음극 금속층; 및
상기 기체 확산층과 접촉하는 적어도 하나의 블레이드를 포함하는 양극 전류 집전체를 구비하고,
상기 기체 확산층은 전기 전도성을 가지며, 상기 양극 전류 집전체는 상기 각 블레이드가 상기 기체 확산층내에 적어도 부분적으로 매몰되도록 배치된 금속 공기 전지를 제공한다.
상기 기체 확산층의 폭은 상기 음극 금속층의 폭보다 넓고, 상기 양극 전류 집전체는 복수개의 봉 형상의 지지대 및 상기 지지대들과 교차하도록 배치된 복수개의 블레이드를 포함하는 망상 구조를 가지며, 상기 양극 전류 집전체는 상기 각 블레이드가 상기 기체 확산층의 길이방향과 교차하는 방향으로 상기 기체 확산층내에 적어도 부분적으로 매몰되도록 배치될 수 있다.
상기 블레이드들간의 간격은 0mm 초과 내지 20mm 미만일 수 있다.
상기 기체 확산층의 폭은 상기 음극 금속층의 폭과 같고, 상기 양극 전류 집전체는 판 형상의 지지대 및 상기 지지대의 일면에 배치된 적어도 하나의 블레이드를 포함하는 구조를 가지며, 상기 양극 전류 집전체는 상기 각 블레이드가 상기 기체 확산층의 길이방향과 나란한 방향으로 상기 기체 확산층내에 적어도 부분적으로 매몰되도록 배치될 수 있다.
상기 양극 전류 집전체는 상기 각 블레이드가 상기 기체 확산층의 몸체내에 적어도 부분적으로 매몰되도록 배치될 수 있다.
상기 기체 확산층 및 상기 블레이드가 각각 2개 이상인 경우, 상기 블레이드들은 상기 지지대의 일면에 서로 이격되게 나란히 배치되고, 상기 양극 전류 집전체는 상기 각 블레이드가 상기 기체 확산층들 중 서로 인접한 2개층들 사이의 빈틈내에 매몰되도록 배치될 수 있다.
상기 블레이드들간의 간격은 0mm 초과 내지 50mm 미만일 수 있다.
상기 지지대의 폭은 상기 기체 확산층의 길이의 2% 이하이고, 상기 블레이드의 길이는 상기 기체 확산층의 폭의 50% 이하이고, 상기 블레이드의 최대 두께는 상기 기체 확산층의 두께의 75% 이하일 수 있다.
상기 블레이드는 상기 기체 확산층의 표면쪽에서부터 내부쪽으로 갈수록 두께가 점점 얇아질 수 있다.
상기 블레이드는 최대 두께에 대한 최소 두께의 비가 0.1~0.5일 수 있다.
상기 블레이드는 스테인레스 스틸, 구리, 10㎛ 이하의 두께로 금이 도금된 스테인레스 스틸, 10㎛ 이하의 두께로 금이 도금된 구리 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면은,
복수개의 봉 형상의 지지대; 및
상기 지지대들과 교차하도록 배치된 복수개의 블레이드를 포함하는 망상 구조를 갖는 금속 공기 전지용 양극 전류 집전체를 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 금속 공기 전지는 부피 비용량 및 에너지 밀도가 높을뿐만 아니라 전류 집전 효과가 우수하다.
본 발명의 일 구현예에 따른 금속 공기 전지용 양극 전류 집전체는 외부 노출 면적이 작은 기체 확산층과의 접촉 면적을 극대화하면서도 기체 확산층과 공기의 접촉 방해를 최소화할 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 구현예에 따른 금속 공기 전지로서, 양극 전류 집전체가 장착되기 전의 상태를 도시한 개략적인 사시도이다.
도 1b는 본 발명의 일 구현예에 따른 금속 공기 전지로서, 양극 전류 집전체가 장착된 후의 상태를 도시한 개략적인 사시도이다.
도 1c는 도 1b의 금속 공기 전지의 부분 확대 사시도이다.
도 1d는 도 1b의 금속 공기 전지에서 양극 전류 집전체만을 제외하고 도시한 개략적인 사시도이다.
도 2a는 도 1a 내지 도 1c에 도시된 양극 전류 집전체의 개략적인 사시도이다.
도 2b는 도 2a의 양극 전류 집전체의 부분 확대도이다.
도 3a는 본 발명의 다른 구현예에 따른 금속 공기 전지로서, 양극 전류 집전체가 금속 공기 전지에 장착된 후의 상태를 도시한 개략적인 사시도이다.
도 3b 및 도 3d는 각각 도 3a의 금속 공기 전지에서 기체 확산층 및 양극 전류 집전체의 일부분만을 발췌하여 도시한 일 측면도이다.
도 3c 및 도 3e는 각각 도 3a의 금속 공기 전지에서 기체 확산층 및 양극 전류 집전체만을 발췌하여 도시한 평면도다.
도 4는 도 3a 내지 도 3e에 도시된 양극 전류 집전체의 개략적인 사시도이다.
도 5는 종래기술에 따른 금속 공기 전지용 양극 전류 집전체가 금속 공기 전지에 장착되기 전의 상태를 도시한 개략적인 단면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 본 발명의 구현예들에 따른 금속 공기 전지에 대하여 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 이하에 설명되는 구현예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 구현예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 또한 이하에서 설명하는 층 구조에서, "상부" 또는 "상"이라고 기재된 표현은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 구현예에 따른 금속 공기 전지(1)로서, 양극 전류 집전체(14)가 장착되기 전의 상태를 도시한 개략적인 사시도이고, 도 1b는 본 발명의 일 구현예에 따른 금속 공기 전지(1)로서, 양극 전류 집전체(14)가 장착된 후의 상태를 도시한 개략적인 사시도이고, 도 1c는 도 1b의 금속 공기 전지(1)의 부분 확대 사시도이고, 도 1d는 도 1b의 금속 공기 전지(1)에서 양극 전류 집전체(14)만을 제외하고 도시한 개략적인 사시도이다.
도 1a 내지 도 1d를 참조하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 금속 공기 전지(1)는 기체 확산층(100), 양극층(13), 음극 전해질막(12), 음극 금속층(11) 및 양극 전류 집전체(14)를 포함한다.
기체 확산층(100)은 대기 중의 산소를 흡수하여 양극층(13)에 제공하는 역할을 수행한다. 이를 위해 기체 확산층(100)은 외부의 산소를 원활하게 확산시킬 수 있도록 다공성 구조를 가질 수 있다. 기체 확산층(100)의 10㎛ 이하의 복수개의 구멍을 가질 수 있다.
도 1d를 참조하면, 기체 확산층(100)은 제1 면(101), 제1 면(101)에 대향하는 제2 면(102), 및 제1 면(101)과 제2 면(102)을 연결하는 복수개 측면들을 갖는다.
기체 확산층(100)의 일 측면(103)은 외부로 노출될 수 있다. 예를 들어, 기체 확산층(100) 위에 양극층(13)이 부분적으로 배치되며, 음극 금속층(11), 음극 전해질막(12) 및 양극층(13)은, 양극층(13)이 기체 확산층(100)의 제1 면(101) 및 제2 면(102)과 접촉하도록, 기체 확산층(100) 위로 절곡되어 있고, 기체 확산층(100)의 일 측면(103)이 외부로 노출되어 있다.
상기와 같이, 기체 확산층(100)의 제1 면(101)과 제2 면(102)에 양극층(13)이 배치된 구조에서는, 기체 확산층(100)의 제1 면(101) 및 제2 면(102)은 외부로 노출되지 않게 된다. 그에 따라, 기체 확산층(100)으로의 공기 공급은, 기체 확산층(100)의 측면들 또는 측면들 중 일부에 의하여 이루어진다. 즉, 기체 확산층(100)으로의 공기 공급은 측면들 중 적어도 일 측면(103)에 의하여 이루어진다.
금속 공기 전지(1)는 기체 확산층(100)의 외부로 노출된 측면들에 의해 공기 공급이 원활하게 이루어진 구조를 가질 수 있다.
또한 비록 도면에는 도시되어 있지 않지만, 외장재(미도시)가 기체 확산층(100)의 노출된 측면(103)을 제외하고, 음극 금속층(11), 음극 전해질막(12), 양극층(13) 및 기체 확산층(100)의 나머지 외부 표면들을 둘러쌀 수 있다.
또한 도 1d를 참조하면, 기체 확산층(100)의 폭은 음극 금속층(11)의 폭(W)보다 넓을 수 있다.
기체 확산층(100)은 전기 전도성을 갖는다. 예를 들어, 기체 확산층(100)은 탄소 섬유를 사용한 카본 페이퍼(carbon paper), 카본 직물(carbon cloth), 카본 펠트(carbon felt), 또는 스펀지 형태의 발포 금속이나 금속 섬유 매트를 사용하여 제조될 수 있다.
양극층(13)은 기체 확산층(100)의 제1 면(101) 및 제2 면(102) 상에 배치될 수 있다.
일 예로써, 양극층(13)은 하나의 층으로써, 기체 확산층(100)의 적어도 3면을 둘러싸도록 절곡될 수 있다. 양극층(13)은 기체 확산층(100)의 제1 면(101), 제2 면(102) 및 측면들 중 일 측면(104)에 대향하도록 절곡될 수 있다. 음극 금속층(11) 및 음극 전해질막(12)은 양극층(13)과 동일하거나 유사한 형태로 절곡될 수 있다.
양극층(13)은 금속 이온의 전도를 위한 전해질, 산소의 산화 및 환원을 위한 촉매, 도전성 재료 및 바인더를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 전해질, 상기 촉매, 상기 도전성 재료 및 상기 바인더를 서로 혼합한 후 용매를 첨가하여 양극 슬러리를 제조하고, 상기 양극 슬러리를 음극 전해질막(12) 위에 도포하여 건조함으로써 양극층(13)을 형성할 수 있다.
상기 전해질은 LiN(SO2CF2CF3)2, LiN(SO2C2F5)2, LiClO4, LiBF4, LiPF6, LiSbF6, LiAsF6, LiCF3SO3, LiN(SO2CF3)2, LiC(SO2CF3)3, LiN(SO3CF3)2, LiC4F9SO3, LiAlCl4 또는 LiTFSI(Lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide) 등과 같은 리튬염을 포함하거나, 또는 상술한 리튬염 외에 AlCl3, MgCl2, NaCl, KCl, NaBr, KBr, CaCl2 등과 같은 다른 금속염을 더 포함할 수 있다.
상기 도전성 재료로는, 예를 들어, 다공성을 갖는 탄소계 재료, 도전성 금속 재료, 또는 도전성 유기 재료 등이 사용되거나 이들이 혼합되어 사용될 수 있다. 예컨대, 상기 탄소계 재료로는 카본 블랙, 그래파이트, 그래핀, 활성탄, 탄소섬유, 탄소나노튜브 등이 사용될 수 있다. 상기 도전성 금속 재료는, 예를 들어, 금속 분말의 형태로 사용될 수 있다.
상기 촉매로는, 예를 들어, 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag) 등이 사용될 수 있으며, 또는 망간(Mn), 니켈(Ni), 코발트(Co) 등의 산화물이 사용될 수도 있다.
또한, 상기 바인더로는, 예를 들어, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리프로필렌, 폴리불화비닐리덴(PVDF), 폴리에틸렌, 스티렌-부타디엔 고무 등이 사용될 수 있다.
음극 전해질막(12)은 금속 이온을 양극층(13)으로 전달하는 역할을 수행한다. 이를 위해, 음극 전해질막(12)은 금속염을 용매에 용해하여 형성된 전해질을 포함할 수 있다. 상기 전해질은 통상적으로 고분자계 전해질, 무기계 전해질 또는 이들을 혼합한 복합 전해질을 포함하는 고체상일 수 있다. 또한, 상기 전해질은 휘어질 수 있도록 제조될 수 있다.
상기 금속염은 상술한 리튬염을 포함하거나, 상기 리튬염 외에 AlCl3, MgCl2, NaCl, KCl, NaBr, KBr, CaCl2 등과 같은 다른 금속염을 더 포함할 수 있다.
상기 용매로는 상기 리튬염 및 상기 금속염을 용해시킬 수 있는 물질이라면 제한 없이 사용될 수 있다.
또한, 음극 전해질막(12)은 산소의 투과를 방지하면서 금속 이온에 대해 전도성을 갖는 분리막을 더 포함할 수 있다. 상기 분리막으로는 휘어질 수 있는 고분자계 분리막이 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 분리막으로는 폴리프로필렌 소재의 부직포나 폴리페닐렌 설파이드 소재의 부직포 등의 고분자 부직포, 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌 등의 올레핀계 수지의 다공성 필름 등이 사용될 수 있다. 이러한 분리막과 전해질은 각각 별개의 층으로 형성될 수도 있지만, 음극 전해질막(12)은 다공성 분리막의 공극들 내에 전해질을 함침시켜 하나의 층으로 형성될 수도 있다. 예를 들어, 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide; PEO)와 LiTFSI을 혼합하여 형성한 전해질을 다공성 분리막의 공극들 내에 함침시켜 음극 전해질막(12)을 제조할 수 있다.
음극 금속층(11)은 금속 이온을 흡장 및 방출하는 역할을 수행하는 것으로, 음극 전해질막(12) 상에 배치될 수 있다.
음극 금속층(11)은, 예를 들어, 리튬(Li), 나트륨(Na), 아연(Zn), 칼륨(K), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 철(Fe), 알루미늄(Al), 이들의 조합 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다.
도 2a는 도 1a 내지 도 1c에 도시된 양극 전류 집전체(14)의 개략적인 사시도이고, 도 2b는 도 2a의 금속 공기 전지용 양극 전류 집전체(14)의 부분 확대도이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 양극 전류 집전체(14)는 기체 확산층(100)과 접촉하는 적어도 하나의 블레이드(14-1)를 포함한다.
양극 전류 집전체(14)는 블레이드(14-1)가 기체 확산층(100)내에 적어도 부분적으로 매몰되도록 배치된다. 따라서, 블레이드(14-1)는 전체 길이 또는 거의 전체 길이가 기체 확산층(100)내에 매몰되어 기체 확산층(100)으로 둘러싸이게 된다. 또한, 블레이드(14-1)가 2개 이상인 경우, 얇은 블레이드들(14-1) 사이에 빈틈이 존재하여 기체 확산층(100)쪽으로 흐르는 공기의 흐름을 방해하지 않을 수 있다. 또한, 블레이드(14-1)의 개수는 블레이드(14-1)와 기체 확산층(100)의 접촉 면적을 충분히 확보할 수 있는 수준까지 증가될 수 있다. 따라서, 양극 전류 집전체의 일면만이 기체 확산층의 측면에 부착되는 종래기술과 비교할 때, 블레이드(14-1)와 기체 확산층(100)의 접촉 면적이 극대화되면서도 기체 확산층(100)과 공기의 접촉 방해가 최소화될 수 있다. 따라서, 상기 블레이드(14-1)를 포함하는 양극 전류 집전체(14)는 우수한 집전 효과를 제공할 수 있으며, 상기 양극 전류 집전체(14)를 구비하는 금속 공기 전지(1)는 부피 비용량 및 에너지 밀도가 큰 이점을 갖는다.
블레이드(14-1)는 기체 확산층(100)을 파고 들어가기에 적합한 형태를 갖는 것이면, 특별히 제한되지 않는다.
도 1d, 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 기체 확산층(100)의 폭이 음극 금속층(11)의 폭(W)보다 넓을 경우, 양극 전류 집전체(14)는 복수개의 봉 형상의 지지대(14-2) 및 상기 지지대들(14-2)과 교차하도록 배치된 복수개의 블레이드(14-1)를 포함하는 망상 구조를 가지며, 양극 전류 집전체(14)는 상기 각 블레이드(14-1)가 기체 확산층(100)의 길이방향(도 1d의 L 방향)과 교차하는 방향으로 기체 확산층(100)내에 적어도 부분적으로 매몰되도록 배치된다. 예를 들어, 양극 전류 집전체(14)는 상기 각 블레이드(14-1)가 기체 확산층(100)의 길이방향(L)과 직교하는 방향으로 기체 확산층(100)내에 적어도 부분적으로 매몰되도록 배치된다.
도 1a 내지 도 1c를 참조하면, 양극 전류 집전체(14)가 금속 공기 전지(1)에 어떻게 장착되는지를 상세히 알 수 있다. 특히, 도 1c를 참조하면, 양극 전류 집전체(14)가 금속 공기 전지(1)에 장착된 후에는 기체 확산층(100)내에 매몰되어 외부에서는 보이지 않는다.
또한, 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 양극 전류 집전체(14)는 복수개의 구멍(hole)을 포함할 수 있다.
양극 전류 집전체(14)에 포함된 복수개의 구멍(hole)은 기체 유로(gas flow path)로 작용할 수 있다. 양극 전류 집전체(14)의 구멍의 부피 비율은 50% 이상, 55% 이상, 60% 이상, 70% 이상, 75% 이상, 80% 이상일 수 있다. 상기 구멍의 부피 비율은 양극 전류 집전체(14) 전체 부피에서 구멍(hole)이 차지하는 부피의 백분율이다. 상기 구멍의 부피 비율이 증가할수록 공기의 공급이 용이해지고 양극 전류 집전체(14)의 무게가 감소한다.
블레이드들(14-1)간의 간격은 0mm 초과 내지 20mm 미만일 수 있다.
블레이드(14-1)는 기체 확산층(100)의 표면쪽에서부터 내부쪽으로 갈수록 두께가 점점 얇아질 수 있다. 블레이드(14-1)가 이와 같은 구조를 가짐으로써, 양극 전류 집전체(14)를 금속 공기 전지(1)에 장착할 때 블레이드(14-1)가 기체 확산층(100)의 내부로 용이하게 파고 들어갈 수 있다.
블레이드(14-1)가 기체 확산층(100)의 표면쪽에서부터 내부쪽으로 갈수록 두께가 점점 얇아지는 경우, 상기 블레이드(14-1)는 최대 두께에 대한 최소 두께의 비가 0.1~0.5일 수 있다.
블레이드(14-1)는 스테인레스 스틸, 구리, 10㎛ 이하의 두께로 금이 도금된 스테인레스 스틸, 10㎛ 이하의 두께로 금이 도금된 구리, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
지지대들(14-2)간의 간격은 0mm 초과 내지 20mm 미만일 수 있다.
지지대(14-2)는 블레이드(14-1)와 동일한 재질로 제조된 것일 수 있다.
도 3a는 본 발명의 다른 구현예에 따른 금속 공기 전지(1a)로서, 양극 전류 집전체(14a)가 금속 공기 전지(1a)에 장착된 후의 상태를 나타낸 개략적인 사시도이고, 도 3b 및 도 3d는 각각 도 3a의 금속 공기 전지(1a)에서 기체 확산층(100a) 및 양극 전류 집전체(14a)의 일부분만을 발췌하여 도시한 일 측면도이고, 도 3c 및 도 3e는 각각 도 3a의 금속 공기 전지(1a)에서 기체 확산층(100a) 및 양극 전류 집전체(14a)만을 발췌하여 도시한 평면도다.
금속 공기 전지(1a)는 기체 확산층(100a), 양극층(13a), 음극 전해질막(12a), 음극 금속층(11a) 및 양극 전류 집전체(14a)를 구비한다.
도 3a의 금속 공기 전지(1a)가 도 1a 내지 도 1d의 금속 공기 전지(1)와 다른 점은 도 3a의 금속 공기 전지(1a)에 구비된 기체 확산층(100a)의 크기 및 양극 전류 집전체(14a)의 구조가 도 1a 내지 도 1d의 금속 공기 전지(1)에 구비된 기체 확산층(100)의 크기 및 양극 전류 집전체(14)의 구조와 다르다는 것이다.
도 3a의 금속 공기 전지(1a)에 구비된 양극 전류 집전체(14a)의 재질은 도 1a 내지 도 1d의 금속 공기 전지(1)에 구비된 양극 전류 집전체(14)의 재질과 동일할 수 있다.
도 3a의 금속 공기 전지(1a)에 구비된 기체 확산층(100a), 양극층(13a), 음극 전해질막(12a) 및 음극 금속층(11a)의 기능, 재질, 구조 및/또는 제조방법 등은 각각 도 1a 내지 도 1d의 금속 공기 전지(1)에 구비된 기체 확산층(100), 양극층(13), 음극 전해질막(12) 및 음극 금속층(11)의 기능, 재질, 구조 및/또는 제조방법 등과 동일하므로 여기에서는 이들에 대한 자세한 설명을 생략하기로 한다.
도 3a의 금속 공기 전지(1a)에서, 기체 확산층(100a)의 폭은 음극 금속층(11a)의 폭(W)과 동이하다.
또한 도 3a의 금속 공기 전지(1a)에서, 양극 전류 집전체(14a)는 판 형상의 지지대(14a-2) 및 상기 지지대(14a-2)의 일면에 배치된 적어도 하나의 블레이드(14a-1)를 포함하는 구조를 갖는다. 판 형상의 지지대(14a-2)는 평판 형상일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
양극 전류 집전체(14a)는 블레이드(14a-1)가 기체 확산층(100a)의 길이방향과 나란한 방향으로 상기 기체 확산층(100a)내에 적어도 부분적으로 매몰되도록 배치될 수 있다. 여기서, 기체 확산층(100a)의 길이방향은 음극 금속층(11a)의 길이방향(L)과 동일한 방향이다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 양극 전류 집전체(14a)는 블레이드(14a-1)가 기체 확산층(100a)의 몸체내에 적어도 부분적으로 매몰되도록 배치될 수 있다. 또한, 도 3b에서는 블레이드(14a-1)가 기체 확산층(100a)의 표면쪽에서부터 내부쪽으로 갈수록 두께가 점점 얇아지는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 블레이드(14a-1)는 전체 길이에 걸쳐 일정한 두께를 가질 수도 있다.
도 3d에 도시된 바와 같이, 기체 확산층(100a) 및 블레이드(14a-1)가 각각 2개 이상인 경우, 블레이드들(14a-1)은 지지대(14a-2)의 일면에 서로 이격되게 나란히 배치되고, 상기 각 블레이드(14a-1)는 기체 확산층들(100a) 중 서로 인접한 2개층들(100a) 사이의 빈틈내에 매몰되도록 배치될 수 있다.
도 4는 도 3a 내지 도 3e에 도시된 양극 전류 집전체(14a)의 개략적인 사시도이다.
도 4에 도시된 양극 전류 집전체(14a)에서, 블레이드들(14a-1)간의 간격은 0mm 초과 내지 50mm 미만일 수 있다.
또한 도 3c, 도 3e 및 도 4에 도시된 양극 전류 집전체(14a)에서, 지지대(14a-2)의 폭(a)은 도 3a에 도시된 기체 확산층(100a)의 길이의 2% 이하이고, 블레이드(14a-1)의 길이(b)는 기체 확산층(100a)의 폭의 50% 이하이고, 블레이드(14a-1)의 최대 두께는 기체 확산층(100a)의 두께(즉, 블레이드(14a-1)가 매몰되는 부분의 평균 두께)의 75% 이하일 수 있다.
도 3a에 도시된 금속 공기 전지(1a)는 2개 이상의 양극 전류 집전체(14a)를 포함할 수 있다.
도 5는 종래기술에 따른 금속 공기 전지용 양극 전류 집전체(14b)가 금속 공기 전지(1b)에 장착되기 전의 상태를 나타낸 개략적인 단면도이다.
금속 공기 전지(1b)는 기체 확산층(100b), 양극층(13b), 음극 전해질막(12b), 음극 금속층(11b) 및 양극 전류 집전체(14b)를 구비한다.
도 5의 금속 공기 전지(1b)가 도 1a 내지 도 1d의 금속 공기 전지(1)와 다른 점은 도 5의 금속 공기 전지(1b)에 구비된 양극 전류 집전체(14b)의 구조가 도 1a 내지 도 1d의 금속 공기 전지(1)에 구비된 양극 전류 집전체(14)의 구조와 다르다는 것이다. 구체적으로, 도 5의 금속 공기 전지(1b)에 구비된 양극 전류 집전체(14b)는 복수개의 구멍이 형성되어 있는 평판 형상 또는 망상 구조로서, 블레이드를 갖지 않는다.
도 5의 금속 공기 전지(1b)에 구비된 양극 전류 집전체(14b)의 재질은 도 1a 내지 도 1d의 금속 공기 전지(1)에 구비된 양극 전류 집전체(14)의 재질과 동일할 수 있다.
도 5의 금속 공기 전지(1b)에 구비된 기체 확산층(100b), 양극층(13b), 음극 전해질막(12b) 및 음극 금속층(11b)의 기능, 재질, 구조 및/또는 제조방법 등은 각각 도 1a 내지 도 1d의 금속 공기 전지(1)에 구비된 기체 확산층(100), 양극층(13), 음극 전해질막(12) 및 음극 금속층(11)의 기능, 재질, 구조 및/또는 제조방법 등과 동일할 수 있다.
도 5의 금속 공기 전지(1b)는 양극 전류 집전체(14b)가 기체 확산층(100b)의 외표면에만 접촉하기 때문에, 양극 전류 집전체(14b)와 기체 확산층(100b)의 접촉 면적이 작아 집전 효과가 충분하지 못하고, 부피 비용량 및 에너지 밀도가 낮다.
이상에서는 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 구현예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 구현예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
1, 1a, 1b: 금속 공기 전지 11, 11a, 11b: 음극 금속층
12, 12a, 12b: 음극 전해질막 13, 13a, 13b: 양극층
14, 14a, 14b: 양극 전류 집전체 100, 100a, 100b: 기체 확산층

Claims (12)

  1. 제1 면 및 상기 제1 면과 대향하는 제2 면을 갖는 적어도 하나의 기체 확산층;
    상기 기체 확산층의 상기 제1 면 및 상기 제2 면 상에 배치되며, 산소를 활물질로 사용하는 적어도 하나의 양극층;
    상기 양극층 상에 배치된 음극 전해질막;
    상기 음극 전해질막 상에 배치된 음극 금속층; 및
    상기 기체 확산층과 접촉하는 복수개의 블레이드를 포함하는 양극 전류 집전체를 구비하고,
    상기 기체 확산층은 전기 전도성을 가지며, 상기 양극 전류 집전체는 상기 각 블레이드가 상기 기체 확산층내에 적어도 부분적으로 매몰되도록 배치되고,
    상기 기체 확산층의 폭은 상기 음극 금속층의 폭보다 넓고, 상기 양극 전류 집전체는 복수개의 봉 형상의 지지대 및 상기 지지대들과 교차하도록 배치된 복수개의 블레이드를 포함하는 망상 구조를 가지며, 상기 양극 전류 집전체는 상기 각 블레이드가 상기 기체 확산층의 길이방향과 교차하는 방향으로 상기 기체 확산층내에 적어도 부분적으로 매몰되도록 배치된 금속 공기 전지.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 블레이드들간의 간격은 0mm 초과 내지 20mm 미만인 금속 공기 전지.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 각 블레이드는 상기 기체 확산층의 표면쪽에서부터 내부쪽으로 갈수록 두께가 점점 얇아지는 금속 공기 전지.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 각 블레이드는 최대 두께에 대한 최소 두께의 비가 0.1~0.5인 금속 공기 전지.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 각 블레이드는 스테인레스 스틸, 구리, 10㎛ 이하의 두께로 금이 도금된 스테인레스 스틸, 10㎛ 이하의 두께로 금이 도금된 구리 또는 이들의 조합을 포함하는 금속 공기 전지.
  12. 복수개의 봉 형상의 지지대; 및
    상기 지지대들과 교차하도록 배치된 복수개의 블레이드를 포함하는 망상 구조를 갖는 금속 공기 전지용 양극 전류 집전체.
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