KR102475889B1 - 금속 공기 전지 - Google Patents

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Abstract

금속 공기 전지가 개시된다. 개시된 금속 공기 전지는 양극, 및 기체 확산층을 각각 포함하는 제 1 및 제 2전지 적층 구조체와, 상기 제 1 및 제 2전지 적층 구조체들 사이에 형성된 것으로 비평탄 형상을 지닌 양극 전류 집전체를 포함한다. 상기 제 1전지 적층 구조체 및 상기 제 2전지 적층 구조체의 양극들은 서로 대향하는 구조를 지닐 수 있다. 상기 양극 전류 집전체는 상기 제 1 및 제 2전지 적층 구조체의 기체 확산층과 직접 접촉할 수 있다. 양극 전류 집전체는 돌출부를 포함할 수 있으며, 상기 양극 전류 집전체와 상기 제 1 및 제 2전지 적층 구조체 사이의 빈공간은 공기 공급부로서 기체 확산층으로 공기를 공급한다.

Description

금속 공기 전지{Metal-air battery}
본 개시는 금속 공기 전지에 관한 것으로, 양극 공유형 전류 집전체를 포함하는 금속 공기 전지에 관한 것이다.
금속-공기 전지는 리튬 등의 금속 이온의 흡장/방출이 가능한 음극 및 공기 중의 산소를 산화/환원시킬 수 있는 양극을 구비하고, 양극 및 음극 사이에 개재된 금속이온 전도성 매체를 구비한다.
금속-공기 전지는 방전과정에서는 음극으로부터 방출되는 금속 이온과 양극측의 공기(산소)가 반응하여 금속 산화물이 생성되며, 충전 과정에서는 생성된 금속 산화물이 금속 이온과 공기로 환원되면서 충전 및 방전이 가능하다. 양극 활물질인 산소는 공기로부터 얻어지기 때문에, 전지 내에 양극 활물질을 봉입할 필요가 없는 것으로부터, 이론상, 금속 공기 전지는 고체의 양극 활물질을 이용하는 이차전지보다 큰 용량을 실현할 수 있다.
이러한 금속 공기 전지는 양극 활물질로서 대기 중의 공기를 사용하고 있어 매우 높은 에너지 밀도를 가질 수 있어 차세대 전지로 많은 관심을 받고 있다.
본 발명의 일 측면에서는 전지 적층 구조를 지닌 금속 공기 전지에서 양극에 원활한 공기 공급이 가능한 금속 공기 전지에 관한 것이다.
본 발명의 다른 측면에서는 금속 공기 전지의 단위 모듈을 연속적으로 연결하면서 손실 공간 없이 작은 부피에서 높은 용량을 지닌 금속 공기 전지에 관한 것이다.
금속 공기 전지에 있어서,
각각 음극, 음극 전해질층, 양극 및 기체 확산층을 포함하는 제 1 및 제 2전지 적층 구조체; 및
상기 제 1 및 제 2전지 적층 구조체 사이에 형성되며, 비평탄 형상을 지닌 양극 전류 집전체;를 포함하고,
상기 제 1 및 제 2전지 적층 구조체의 양극은 서로 대향된 금속 공기 전지를 제공한다.
상기 양극 전류 집전체는 상기 제 1전지 적층 구조체의 기체 확산층 방향으로 돌출되어 상기 제 1전지 적층 구조체의 기체 확산층과 접촉하는 제 1돌출부;를 포함할 수 있다.
상기 제 1전지 적층 구조체 및 상기 양극 전류 집전체 사이에 형성된 제 1공기 공급부;를 더 포함할 수 있다.
상기 양극 전류 집전체는 상기 제 2전지 적층 구조체의 기체 확산층 방향으로 돌출되어 상기 제 2전지 적층 구조체의 기체 확산층과 접촉하는 제 2돌출부;를 더 포함할 수 있다.
상기 제 2전지 적층 구조체 및 상기 양극 전류 집전체 사이에 형성된 제 2공기 공급부;를 더 포함할 수 있다.
상기 양극 전류 집전체는 상기 양극 전류 집전체를 관통하는 적어도 하나 이상의 홀;을 더 포함할 수 있다.
상기 양극 전류 집전체의 단면은 파동형상, 사각형 또는 사다리꼴 형상을 지닐 수 있다.
제 1전지 적층 구조체 및 상기 제 2전지 적층 구조체는 각각 음극, 음극 전해질층, 상기 양극 및 상기 기체 확산층이 적층되어 절곡된 구조를 지니며,
상기 양극은 상기 기체 확산층의 제 1면과 접촉하지 않으며, 제 2면 및 제 3면과 접촉할 수 있다.
상기 양극은 상기 기체 확산층의 제 4면과 접촉하거나, 접촉하지 않을 수 있다.
상기 기체 확산층의 상기 제 2면 및 상기 제 3면은 상기 제 1면과 비교하여 상대적으로 넓은 면적을 지닐 수 있다.
또한, 금속 공기 전지에 있어서,
비평탄 형상을 지닌 양극 전류 집전체; 및
상기 양극 전류 집전체 양측에 각각 형성된 제 1 및 제 2전지 적층 구조체;를 포함하며,
상기 양극 전류 집전체는 상기 제 1 및 제 2전지 적층 구조체의 기체 확산층과 접촉하는 금속 공기 전지를 제공한다.
또한, 각각 음극, 음극 전해질층, 양극 및 기체 확산층을 포함하는 제 1 및 제 2전지 적층 구조체 및 상기 제 1 및 제 2전지 적층 구조체 사이에 형성되며, 비평탄 형상을 지닌 양극 전류 집전체를 포함하고, 상기 제 1 및 제 2전지 적층 구조체의 양극은 서로 대향된 금속 공기 전지의 단위 구조체;가 연속적으로 적층되며, 각각의 금속 공기 전지 단위 구조체들 사이에 형성된 음극 전류 집전체;를 포함하는 금속 공기 전지 장치를 제공한다.
상기 양극 전류 집전체로부터 돌출된 양극 탭; 및
상기 음극 전류 집전체로부터 돌출된 음극 탭;을 더 포함하며,
상기 양극 탭 및 상기 음극 탭은 각각 서로 다른 영역에 형성될 수 있다.
본 개시에 따르면, 기체 확산층에 용이하게 공기 공급이 가능한 금속 공기 전지를 제공할 수 있다. 양극 전류 집전체 및 음극 공유 집전체를 다수의 전지 적층 구조체들 사이에 삽입함으로써 전지 적층 구조체들을 용이하게 연결할 수 있다.
그리고, 내부 공간을 효율적으로 사용하여 작은 부피에서 높은 용량을 지닌 금속 공기 전지를 제공할 수 있다. 금속 공기 전지에서 발생하는 열을 용이하게 외부로 방출시킬 수 있다.
도 1은 본 개시에 따른 금속 공기 전지의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 2a는 도 1의 A1 영역을 나타낸 확대도이다.
도 2b는 도 1의 A1 영역을 나타낸 확대도이다.
도 3은 본 개시에 따른 금속 공기 전지의 가스 확산층과 양극 전류 집전층의 위치 관계를 나타낸 도면이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 개시에 따른 금속 공기 전지의 양극 전류 집전체의 다양한 예를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 개시에 따른 금속 공기 전지의 양극 전류 집전체의 변형예를 나타낸 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 본 개시에 따른 금속 공기 전지들 사이에 음극 전류 집전체를 삽입한 구조를 나타낸 도면이다.
도 6b는 상기 도 6a에 나타낸 금속 공기 전지 사이에 음극 전류 집전체를 삽입하여 결합한 구조를 나타낸 도면이다.
도 7은 도 6b에 나타낸 금속 공기 전지 사이에 음극 전류 집전체를 삽입하여 결합한 구조를 확장한 구조를 나타낸 도면이다.
도 8은 도 7의 A2 영역을 나타낸 확대도이다.
도 9는 도 7의 A3 영역을 나타낸 확대도이다.
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 1은 본 개시에 따른 금속 공기 전지의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 개시에 따른 금속 공기 전지(100)는 제 1전지 적층 구조체(10a) 및 제 2전지 적층 구조체(10b)를 포함하며, 제 1전지 적층 구조체(10a)와 제 2전지 적층 구조체(10b) 사이에 형성된 양극 전류 집전체(20)를 포함한다. 양극 전류 집전체(20)는 제 1전지 적층 구조체(10a) 및 제 2전지 적층 구조체(10b)에 모두 공유될 수 있으며, 양극 전류 집전체(20)의 양면은 각각 제 1전지 적층 구조체(10a) 및 제 2전지 적층 구조체(10b)와 접촉되어 형성될 수 있다. 제 1전지 적층 구조체(10a) 및 제 2전지 적층 구조체(10b)는 각각 전지 셀이며, 본 개시에 따른 금속 공기 전지는 한쌍의 전지 셀이 양극 전류 집전체(20)를 공유하는 형태일 수 있다.
도 2a는 도 1의 A1 영역을 나타낸 확대도이다. 그리고, 도 2b는 본 개시에 따른 금속 공기 전지의 분리 사시도이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 제 1전지 적층 구조체(10a)는 음극(11), 음극 전해질층(12), 양극(13) 및 기체 확산층(14)이 적층된 구조를 나타낸다. 그리고, 제 2전지 적층 구조체(10b)는 음극(11), 음극 전해질층(12), 양극(13) 및 기체 확산층(140)이 적층된 구조를 나타낸다.
기체 확산층(14, 140)은 양극(13)과 접촉할 수 있다. 다만, 제 1전지 적층 구조체(10a)의 음극(11), 음극 전해질층(12) 및 양극(13)은 양극(13)이 기체 확산층(14)의 제 2면(14b) 및 제 3면(14c)과 접촉하며, 제 1면(14a)과는 접촉되지 않는 형태가 되도록 절곡되어 형성될 수 있다. 그리고, 제 2전지 적층 구조체(10b)의 음극(11), 음극 전해질층(12) 및 양극(13)은 양극(13)이 기체 확산층(140)의 제 2면(140b) 및 제 3면(140c)과 접촉하며, 제 1면(140a)과는 접촉되지 않는 형태가 되도록 절곡되어 형성될 수 있다. 제 1전지 적층 구조체(10a) 및 제 2전지 적층 구조체(10b)의 음극(11), 음극 전해질층(12) 및 양극(13)은 각각 지그재그 형상을 지니도록 연속적으로 절곡될 수 있다.
제 1전지 적층 구조체(10a)의 기체 확산층(14)의 제 4면(14d)은 양극(13)과 접촉하거나 접촉하지 않을 수 있다. 그리고, 제 2적층 구조체(10b)의 기체 확산층(140)의 제 4면(140d)은 양극(13)과 접촉하거나 접촉하지 않을 수 있다. 제 1전지 적층 구조체(10a) 및 제 2전지 적층 구조체(10b)의 기체 확산층(14, 140)의 제 1면(14a, 140a)은 각각 양극(13)과 접촉하지 않으며, 제 1전지 적층 구조체(10a) 및 제 2전지 적층 구조체(10b) 외부로 노출될 수 있다.
제 1전지 적층 구조체(10a) 및 제 2전지 적층 구조체(10b)의 기체 확산층(14, 140)은 각각 얇은 두께를 지닌 평판 형상을 지닐 수 있으며, 제 2면(14b, 140b) 및 제 3면(14c, 14d)은 기체 확산층(14, 140)의 각 면 중 상대적으로 넓은 면적을 지닌 면일 수 있다. 그리고, 제 1면(14a, 140a)은 제 2면(14b, 140b) 및 제 3면(14c, 140c)과 비교하여 상대적으로 면적이 작은 면일 수 있다. 제 1전지 적층 구조체(10a) 및 제 2전지 적층 구조체(10b)의 기체 확산층(14, 140)의 제 2면(14b, 140b)은 상면일 수 있으며, 제 3면(14c, 140c)은 하면일 수 있다. 그리고, 기체 확산층(14, 140)의 제 1면(14a, 140a) 및 제 4면(14d, 140d)은 기체 확산층(14, 140)의 측면일 수 있다.
제 1전지 적층 구조체(10a)의 기체 확산층(14) 및 제 2전지 적층 구조체(10b)의 기체 확산층(140)은 서로 이격되면서 대향하도록 형성되어 있다. 즉, 제 1전지 적층 구조체(10a)의 기체 확산층(14)의 제 1면(14a) 및 제 2전지 적층 구조체(10b)의 기체 확산층(140)의 제 1면(140a)은 서로 대향면의 관계일 수 있다. 또한, 제 1전지 적층 구조체(10a)의 및 제 2전지 적층 구조체(10b)의 양극(13)들은 서로 대향되도록 형성될 수 있다.
개시에 다른 금속 공기 전지(100)의 제 1전지 적층 구조체(10a) 및 제 2전지 적층 구조체(10b) 사이에는 양극 전류 집전체(20)가 삽입되며, 제 1전지 적층 구조체(10a)의 제 1면(14a) 및 제 2전지 적층 구조체(10b)의 제 1면(140a)과 각각 접촉될 수 있다.
참고로, 도 1, 도 2a 및 도 2b에서는 금속 공기 전지(100)의 상부 및 하부에는 제 1전지 적층 구조체(10a) 및 제 2전지 적층 구조체(10b)의 실링(sealing) 또는 보호를 위한 커버층(101, 102, 111, 112)층이 형성되며, 설명의 편의상 금속 공기 전지(100)의 측부에는 형성되지 않은 것으로 도시하였다. 커버층(101, 102, 111, 112)은 비전도성을 지니며, 전지 적층 구조체(10a, 10b) 내의 물질과 반응성이 낮은 물질로 형성될 수 있다.
도 3은 본 개시에 따른 금속 공기 전지의 기체 확산층(14, 140)과 양극 전류 집전층(20)의 위치 관계를 나타낸 도면이다. 여기서는 x-z 면에서의 가스 확산층(14, 140)과 양극 전류 집전층(20)의 위치 관계를 나타내었다.
양극 전류 집전체(20)는 일정 부위에 돌출부가 형성된 비평탄 형상을 지닐 수 있다. 여기서 비평탄 형상은 주변보다 상대적으로 돌출된 돌출부 및 돌출부 사이의 함입부를 포함하는 형상을 의미할 수 있다. 또한, 서로 다른 방향으로 돌출된 제 1돌출부 및 제 2돌출부를 포함하는 형상을 의미할 수 있다. 양극 전류 집전체(20)에는 제 1전지 적층 구조체(10a)의 기체 확산층(14)과 직접 접촉하는 적어도 하나 이상의 제 1돌출부(201)가 형성될 수 있으며, 제 2전지 적층 구조체(10b)의 기체 확산층(140)과 직접 접촉하는 적어도 하나 이상의 제 2돌출부(202)가 형성될 수 있다.
제 1돌출부(201) 및 제 2돌출부(202)는 서로 반대 방향으로 돌출된 영역일 수 있다. 예를 들어 제 1돌출부(201)는 하방으로 돌출되며, 제 2돌출부(202)는 상방으로 돌출된 것으로 표현되거나, 제 1돌출부(201)는 우측 방향으로 돌출되며, 제 2돌출부(202)는 좌측으로 돌출된 것으로 표현될 수 있다. 도 3에서 제 1돌출부(201)는 x방향으로 돌출되며, 제 2돌출부(202)는 -x방향으로 돌출된 구조를 지닐 수 있다.
양극 전류 집전체(20)의 제 1돌출부(201)는 제 1전지 적층 구조체(10a)의 기체 확산층(14)과 접촉하고, 제 2돌출부(202)는 제 2전지 적층 구조체(10b)의 기체 확산층(140)과 접촉할 수 있다. 그리고, 양극 전류 집전체(20)의 제 1돌출부(201) 및 제 2돌출부(202)를 제외한 영역에서는 기체 확산층(14, 140)과 접촉하지 않을 수 있다. 제 1전지 적층 구조체(10a) 및 제 2전지 적층 구조체(10b)가 양극 전류 집전체(20)와 접촉하지 않는 영역은 외부의 공기가 기체 확산층(14)으로 공급될 수 있는 경로가 될 수 있다. 제 1전지 적층 구조체(14)와 양극 전류 집전체(20) 사이에는 제 1공기 공급부(301)가 형성될 수 있으며, 제 2전지 적층 구조체(140)와 양극 전류 집전체(20) 사이에는 제 2공기 공급부(302)가 형성될 수 있다.
이처럼 양극 전류 집전체(20)의 제 1돌출부(201)가 제 1전지 적층 구조체(10a)의 기체 확산층(14)과 접촉하고, 제 2돌출부(202)가 제 2전지 적층 구조체(10b)의 기체 확산층(140)과 접촉하여, 전류 집전을 할 수 있다. 그리고, 제 1공기 공기 공급부(301) 및 제 2공기 공급부(302)을 통하여, 실시예에 따른 금속 공기 전지(100)의 전기화학 반응에 필요한 공기를 기체 확산층(14, 140)에 공급할 수 있다. 이처럼 양극 전류 집전체(20)는 제 1전지 적층 구조체(10a)의 기체 확산층(14) 및 제 2전지 적층 구조체(10b)의 기체 확산층(140)와 동시에 접촉하면서 전류 집전 및 공기 공급을 할 수 있으며, 또한, 금속 공기 전지(100) 내부에서 발생하는 열을 외부로 용이하게 방출할 수 있다.
도 4a 내지 도 4c는 본 개시에 따른 금속 공기 전지의 양극 전류 집전체의 다양한 예를 나타낸 사시도이다.
도 4a를 참조하면, 양극 전류 집전체(20)는 비평판 형상으로 형성될 수 있으며, 상방으로 돌출된 다수의 제 1돌출부(201)들과 제 1돌출부(201)들 사이에 하방으로 돌출된 제 2돌출부(202)를 포함할 수 있다. 이러한 양극 전류 집전체(20)은 상술한 바와 같이 제 1돌출부(201) 및 제 2돌출부(202)가 제 1전지 적층 구조체(10a) 및 제 2전지 적층 구조체(10b)의 기체 확산층(14, 140)과 접촉을 통해 전류 집전이 되도록 설치된다.
도 4a에 나타낸 양극 전류 집전체(20)는 z축 방향으로 자른 단면이 제 1돌출부(201) 및 제 2돌출부(202)를 포함하며, 소정의 곡률을 지닌 파동 형상으로 형성된 예를 나타내었으나 이에 한정되는 것은 아니다. 도 4b를 참조하면, 양극 전류 집전체(21)는 그 단면이 직사각형 형상의 제 1돌출부(211) 및 제 2돌출부(212)를 포함하는 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 도 4c와 같이, 양극 전류 집전체(22)는 그 단면이 사다리꼴 형상의 제 1돌출부(221) 및 제 2돌출부(222)를 포함하는 형태로 형성될 수 있다. 양극 전류 집전체(20)와 기체 확산층(14, 140) 사이의 접촉 면적이 넓은 경우 그 접촉 저항이 감소되는 점은 있으나 공기 공급이 용이하지 않은 점이 있다.
따라서, 양극 전류 집전체(20)는 단순한 평판 형상이 아닌 비평판 형상으로 형성될 수 있으며, 다양한 형상의 돌출부를 포함하도록 형성될 수 있다. 도 4a 내지 도 4c에서는 파동 형상, 직사각형 및 사다리꼴 형상의 돌출부를 포함하는 양극 전류 집전체(20, 21, 22)를 도시하였으나, 이는 예시적인 것이며, 양극 전류 집전체(20, 21, 22)에 형성되는 돌출부의 형상은 제한되지 않는다.
도 5는 본 개시에 따른 금속 공기 전지의 양극 전류 집전체의 변형예를 나타낸 도면이다.
도 4a 및 도 5를 참조하면, 양극 전류 집전체(20)는 그 양쪽을 관통하는 적어도 하나 이상의 홀(22)이 형성될 수 있다. 양극 전류 집전체(20)는 전도성이 비교적 우수한 금속, 2종 이상의 금속, 합금, 전도성 산화물, 전도성 폴리머나 탄소 소재의 물질로 형성될 수 있다. 양극 전류 집전체(20)가 비교적 무거운 재료로 형성되는 경우, 양극 전류 집전체(20)를 포함하는 금속 공기 전지의 전체 무게 증가의 요인이 될 수 있다. 따라서, 양극 전류 집전체(20)에 적어도 하나 이상의 홀(24)을 형성함으로써 양극 전류 집전체(20)의 무게를 감소시키며, 금속 공기 전지의 전체 무게도 감소시킬 수 있다.
본 개시에 따른 금속 공기 전지에서 음극(11)은 금속 이온을 흡장 및 방출하는 역할을 하며, 리튬(Li), 나트륨(Na), 아연(Zn), 칼륨(K), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 철(Fe), 알루미늄(Al), 이들의 조합 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다. 음극(11)은 리튬 금속 박막으로 형성될 수 있으며, 리튬 금속 이외에 다른 음극 활물질을 포함하여 형성될 수 있다. 음극(11)은 리튬 금속과 함께 다른 음극 활물질을 추가적으로 포함되어, 합금, 복합체 또는 혼합물 형태로 제조될 수 있다. 리튬 이외에 다른 음극 활물질로서, 리튬과 합금으로 형성될 수 있는 금속, 전이금속 산화물 및 비전이금속 산화물로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전이금속 산화물은 리튬 티탄 산화물, 바나듐 산화물, 리튬 바나듐 산화물 등이 있다.
음극 전해질층(12)은 금속 이온을 양극(13)으로 전달할 수 있다. 음극 전해질층(12)은 금속 이온을 양극(13)으로 전달하기 위하여 금속염을 용매에 용해하여 형성된 전해질을 포함할 수 있다. 이러한 전해질은 고분자계 전해질, 무기계 전해질 또는 이들을 혼합한 복합 전해질을 포함하는 고체상일 수 있다. 음극 전해질층(12)은 가용성을 지닐 수 있다. 여기서, 금속염은 리튬염을 포함하거나, 리튬염 외에 AlCl3, MgCl2, NaCl, KCl, NaBr, KBr, CaCl2 등과 같은 다른 금속염을 더 포함할 수 있다. 용매는 리튬염 및/또한 금속염을 용해시킬 수 있는 물질이라면 제한 없이 사용될 수 있다.
그리고, 음극 전해질층(12)은 산소의 투과를 방지하면서 금속 이온에 대해 전도성을 갖는 분리막을 더 포함할 수 있다. 이러한 분리막으로는 휘어질 수 있는 고분자계 분리막이 사용될 수 있다. 분리막으로는 예를 들어, 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 전해질층(12)은 다공성 분리막의 공극들 내에 전해질을 함침시켜 단일층으로 형성될 수도 있다. 예를 들어, 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide; PEO)와 LiTFSI을 혼합하여 형성한 전해질을 다공성 분리막의 공극들 내에 함침시켜 음극 전해질층(12)을 제조할 수 있다.
양극(13)은 금속 공기 전지에서 공기 중의 산소를 양극 활물질로 사용한다. 양극(13)은 산소를 산화 또는 환원시킬 수 있는 전도성 재료로 형성될 수 있으며, 그 재료에는 제한은 없다. 예를 들어, 양극(13)은 탄소계 물질을 사용할 수 있으며, 그라파이트, 그래핀, 카본블랙 또는 탄소섬유 등이 사용될 수 있다. 그리고 양극 활물질로 금속 섬유 또는 금속 메쉬 등의 전도성 재료를 사용할 수 있으며, 구 리, 은, 니켈 또는 알루미늄 등의 금속 분말을 사용할 수 있다. 또한, 유기 도전성 재료를 사용할 수 있다. 이러한 전도성 물질들이 단독으로 또는 혼합되어 사용될 수 있다.
양극(13)에는 산소의 산화 또는 환원을 위한 촉매가 첨가될 수 있다. 이와 같은 촉매로서는 백금, 금, 은, 팔라듐, 루테늄, 로듐, 오스뮴과 같은 귀금속계 촉매, 망간산화물, 철산화물, 코발트산화물, 니켈산화물 등과 같은 산화물계 촉매, 또는 코발트 프탈로시아닌과 같은 유기 금속계 촉매를 사용할 수 있으나, 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 산소의 산화/환원 촉매로 사용될 수 있는 것이라면 모두 가능하다.
양극(13)은 바인더를 추가적으로 포함할 수 있다. 바인더는 열가소성 수지 또는 열경화성 수지를 포함할 수 있다. 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로 에틸렌(PTFE), 폴리불화비닐리덴(PVDF), 스티렌-부타디엔 고무, 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체, 불화비닐리덴-헥사플루오로프로필렌 공중합체, 불화비닐리덴-클로로트리플루오로에틸렌 공중합체, 에틸렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체, 폴리클로로트리플루오로에틸렌, 불화비니리덴-펜타플루오로 프로필렌 공중합체, 프로필렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체, 에틸렌-클로로트리플루오로에틸렌 공중합체, 불화비닐리덴-헥사플루오로프로필렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체, 불화비닐리덴-퍼플루오로메틸비닐에테르-테트라플루오로 에틸렌 공중합체, 에틸렌-아크릴산 공중합제 등을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있으나, 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 바인더로 사용될 수 있는 것이라면 모두 가능하다.
양극(13)은 이온 전도성 고분자 전해질을 추가적으로 포함할 수 있다. 이온 전도성 고분자 전해질은 폴리에틸렌옥사이드(PEO), 폴리비닐알코올(PVA), 폴리비닐피롤리돈(PVP), 및 폴리비닐술폰(polysulfone) 중에서 선택된 하나 이상 또는 그 조합물인 고분자에 리튬이 도핑된 구성일 수 있다. 예를 들어, 이온 전도성 고분자 고체 전해질은 리튬염이 도핑된 폴리 에틸렌옥사이드일 수 있다. 도핑된 리튬염은 상술한 이온 전도성 고분자 전해질에 사용된 것과 동일하다.
양극(13)은 전도성 재료에 산소 산화 또는 환원 촉매 및 바인더 등을 혼합하고 용매를 첨가한 후, 형성하고자 하는 영역에 코팅하여 건조시킴으로써 형성할 수 있다.
양극 전류 집전체(20)는 전도성이 좋은 금속 물질이면 제한없이 사용 가능하다. 예를 들어, 양극 전류 집전체(20)는 구리(Cu), 금(Au), 백금(Pt), 은(Ag), 니켈(Ni), 철(Fe) 등의 물질을 포함할 수 있으며, 다만 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 양극 전류 집전체(20)는 금속 뿐만 아니라 전도성 금속 산화물, 전도성 폴리머, 탄소 함유 물질막 등의 물질로 형성될 수 있다. 양극 집전체(20)는 구부러질 수 있으며, 다시 본래 형태로 회복 가능한 탄성력을 지니도록 형성될 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 본 개시에 따른 금속 공기 전지들 사이에 음극 전류 집전체를 삽입한 구조를 나타낸 도면이다. 여기서 도 6a는 음극 전류 집전체(120)가 금속 공기 전지(100a, 100b)들 사이에 위치한 것을 나타낸 분리 사시도이며, 도 6b는 음극 전류 집전체(120)가 금속 공기 전지(100a, 100b)들과 접촉하도록 결합된 것을 나타낸 도면이다.
도 1, 도 2a, 도 6a 및 도 6b를 참조하면, 금속 공기 전지(100)의 양측부를 포함하는 외부면은 음극(11)이 형성된 구조를 지니고 있다. 따라서, 개시에 따른 금속 공기 전지(100a, 100b)들을 측면(x 또는 -x방향)으로 연속적으로 적층하면서, 그 사이에 음극 전류 집전체(120)를 삽입할 수 있다. 음극 전류 집전체(120)의 크기는 제한이 없으나, 양극 전류 집전체(20a, 20b)와 유사한 면적을 지니도록 형성할 수 있다. 음극 전류 집전체(120)의 형상은 제한이 없으며 평판형, 요철 구조 또는 기타 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
음극 전류 집전체(120)는 금속 등 전도성 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 음극 전류 집전체(120)는 구리(Cu), 금(Au), 백금(Pt), 은(Ag), 니켈(Ni), 철(Fe) 등의 물질을 포함할 수 있으며, 다만 이에 한정되는 것은 아니다. 그리고, 음극 전류 집전체(120)는 금속외에 전도성 금속 산화물, 전도성 폴리머, 탄소 함유 물질막 등의 물질로 형성될 수 있다.
양극 전류 집전체(20a, 20b)에는 양극 전류 집전체(20a, 20b)로부터 돌출된 양극탭(31a, 31b)이 형성될 수 있다. 그리고, 음극 전류 집전체(120)에는 양극 전류 집전체(120)로부터 돌출된 음극탭(121)이 형성될 수 있다. 양극탭(31a, 31b)들은 각각의 양극 전류 집전체(20a, 20b)의 일단부에 형성될 수 있으며, 서로 유사한 위치에 형성될 수 있다. 음극 전류 집전체(120)의 음극 탭(121)은 양극탭(31a, 31b)과 다른 타단부에 형성될 수 있다.
이처럼 음극 전류 집전체(120)를 금속-공기 전지 모듈의 음극들 사이에 형성하여 전기전으로 연결함으로써, 공간 낭비를 최소화시키며 고용량에 낮은 부피를 지닌 금속-공기 전지를 형성할 수 있다. 즉, 부피당 높은 에너지 밀도를 지닌 금속-공기 전지를 제조할 수 있다.
도 7은 도 6b에 나타낸 바와 같이 금속 공기 전지 사이에 음극 전류 집전체를 삽입하여 금속 공기 전지 모듈들을 연속적으로 결합한 구조를 나타낸 도면이다. 그리고, 도 8은 도 7의 A2 영역을 나타낸 확대도이며, 도 9는 도 7의 A3 영역을 나타낸 확대도이다.
도 7 내지 도 9를 참조하면, 양극 전류 집전체(20a, 20b, 20c..)를 각각 포함하는 다수의 금속-공기 전지(100a, 100b, 100c..)들을 일방향으로 연속적으로 적층하면서, 각각의 금속-공기 전지(100a, 100b, 100c..)들 사이에 음극 전류 집전체(120a, 120b, 120c)를 각각 삽입하여 형성하였다. 양극 탭(31a, 31b, 31c)들은 양극 전류 집전체(20a, 20b,20c)들의 일단부에 각각 형성될 수 있다.
양극 탭(31a, 31b, 31c)은 양극 전류 집전체(20a, 20b,20c)와 일체형으로 형성될 수 있으며, 양극 전류 집전체(20a, 20b,20c)의 형상과 동일한 형상이 양극 탭(31a, 31b, 31c)에 연장되어 형성될 수 있다. 음극 탭(121a, 121b..)들은 음극 전류 집전체(120a, 120b..)의 일단부에 각각 형성될 수 있다. 음극 탭(121a, 121b..)의 금속-공기 전지(100a, 100b, 100c..)에서의 형성 위치는 양극 탭(31a, 31b, 31c)의 형성 위치와 서로 다르게 할 수 있다. 각 금속 공기전지(100a, 100b, 100c..)의 음극 탭(121a, 121b..) 및 양극 탭(31a, 31b, 31c)들끼리 서로 연결해 주면 적층된 금속공기 전지 전체가 전기적으로 연결이 될 수 있다.
도 1에 나타낸 금속 공기 전지 구조를 금속 전지의 단위 구조체라 하면, 도 7에서는 이러한 금속 공기 전지의 단위 구조체가 연속적으로 적층된 금속 공기 전지 장치일 수 있다.
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.
10a, 10b: 전지 적층 구조체, 11: 음극
12: 음극 전해질층, 13: 양극
14, 140: 기체 확산층, 20, 21, 22: 양극 전류 집전체
31a, 31b, 31c: 양극 탭, 120: 음극 전류 집전체
121a, 121b: 음극 탭

Claims (17)

  1. 금속 공기 전지에 있어서,
    각각 음극, 음극 전해질층, 양극 및 기체 확산층을 포함하는 제 1 및 제 2전지 적층 구조체; 및
    상기 제 1 및 제 2전지 적층 구조체 사이에 형성되며, 비평탄 형상을 지닌 양극 전류 집전체;를 포함하고,
    상기 제 1 및 제 2전지 적층 구조체의 양극은 서로 대향되며,
    상기 양극 전류 집전체는,
    상기 제 1전지 적층 구조체의 기체 확산층 방향으로 돌출되어 상기 제 1전지 적층 구조체의 기체 확산층과 접촉하는 제 1돌출부와,
    상기 제 1전지 적층 구조체 및 상기 양극 전류 집전체 사이에 형성된 제 1공기 공급부와,
    상기 제 2전지 적층 구조체의 기체 확산층 방향으로 돌출되어 상기 제 2전지 적층 구조체의 기체 확산층과 접촉하는 제 2돌출부와,
    상기 제 2전지 적층 구조체 및 상기 양극 전류 집전체 사이에 형성된 제 2공기 공급부를 포함하는, 금속 공기 전지.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 양극 전류 집전체는 상기 양극 전류 집전체를 관통하는 적어도 하나 이상의 홀;을 더 포함하는 금속 공기 전지.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 양극 전류 집전체의 단면은 파동형상, 사각형 또는 사다리꼴 형상을 지닌 금속 공기 전지.
  8. 제 1항에 있어서,
    제 1전지 적층 구조체 및 상기 제 2전지 적층 구조체는 각각 음극, 음극 전해질층, 상기 양극 및 상기 기체 확산층이 적층되어 절곡된 구조를 지니며,
    상기 양극은 상기 기체 확산층의 제 1면과 접촉하지 않으며, 제 2면 및 제 3면과 접촉하는 금속 공기 전지.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 양극은 상기 기체 확산층의 제 4면과 접촉하거나 접촉하지 않는 금속 공기 전지.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 기체 확산층의 상기 제 2면 및 상기 제 3면은 상기 제 1면과 비교하여 상대적으로 넓은 면적을 지닌 금속 공기 전지.
  11. 금속 공기 전지에 있어서,
    비평탄 형상을 지닌 양극 전류 집전체; 및
    상기 양극 전류 집전체 양측에 각각 형성된 제 1 및 제 2전지 적층 구조체;를 포함하며,
    상기 양극 전류 집전체는,
    상기 제 1전지 적층 구조체의 기체 확산층 방향으로 돌출되어 상기 제 1전지 적층 구조체의 기체 확산층과 접촉하는 제 1돌출부와,
    상기 제 1전지 적층 구조체 및 상기 양극 전류 집전체 사이에 형성된 제 1공기 공급부와,
    상기 제 2전지 적층 구조체의 기체 확산층 방향으로 돌출되어 상기 제 2전지 적층 구조체의 기체 확산층과 접촉하는 제 2돌출부와,
    상기 제 2전지 적층 구조체 및 상기 양극 전류 집전체 사이에 형성된 제 2공기 공급부를 포함하는, 금속 공기 전지.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 제 1전지 적층 구조체의 양극 및 상기 제 2전지 적층 구조체의 양극은 서로 대향하는 금속 공기 전지.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 제 11항에 있어서,
    상기 양극 전류 집전체는 상기 양극 전류 집전체를 관통하는 적어도 하나 이상의 홀;을 더 포함하는 금속 공기 전지.
  16. 각각 음극, 음극 전해질층, 양극 및 기체 확산층을 포함하는 제 1 및 제 2전지 적층 구조체 및 상기 제 1 및 제 2전지 적층 구조체 사이에 형성되며, 비평탄 형상을 지닌 양극 전류 집전체를 포함하고, 상기 제 1 및 제 2전지 적층 구조체의 양극은 서로 대향된 금속 공기 전지의 단위 구조체;가 연속적으로 적층되며, 각각의 금속 공기 전지 단위 구조체들 사이에 형성된 음극 전류 집전체;를 포함하며,
    상기 양극 전류 집전체는,
    상기 제 1전지 적층 구조체의 기체 확산층 방향으로 돌출되어 상기 제 1전지 적층 구조체의 기체 확산층과 접촉하는 제 1돌출부와,
    상기 제 1전지 적층 구조체 및 상기 양극 전류 집전체 사이에 형성된 제 1공기 공급부와,
    상기 제 2전지 적층 구조체의 기체 확산층 방향으로 돌출되어 상기 제 2전지 적층 구조체의 기체 확산층과 접촉하는 제 2돌출부와,
    상기 제 2전지 적층 구조체 및 상기 양극 전류 집전체 사이에 형성된 제 2공기 공급부를 포함하는, 금속 공기 전지 장치.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 양극 전류 집전체로부터 돌출된 양극 탭; 및
    상기 음극 전류 집전체로부터 돌출된 음극 탭;을 더 포함하며,
    상기 양극 탭 및 상기 음극 탭은 각각 서로 다른 영역에 형성된 금속 공기 전지 장치.
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