KR19990067043A - 대칭적 무기 전극을 갖는 전기화학 전지 - Google Patents
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Abstract
전기화학 전지는 두 개의 대칭적 전극 (13) 및 그 사이에 배치된 고체 중합체 전해질 (15)로 형성된다. 대칭적 전극, 즉 애노드 및 캐쏘드는, 예를 들어 루테늄, 이리듐, 코발트, 아연, 비스무쓰, 카드뮴, 은, 및 그들의 산화물로 제조된다. 고체 중합체 전해질 (15)는 우선 각각의 애노드 및 캐쏘드와 접촉하고, 양성자 전도성 전해질 활성종이 분산되어 있는 중합체 지지 구조, 예를 들어 폴리비닐 알콜로 제조된다.
Description
에너지 발생 및 저장은 오랫 동안 연구 및 개발의 과제였다. 재충전가능한 배터리 및(또는) 전기화학 축전기와 같이 용이하게 충전 및 방전이 가능한 콤팩트 형으로의 전기 에너지의 저장은 특히 중요한 과제였다. 고출력, 고전류 펄스의 재충전가능한 전기화학 전하 저장 장치는 단지 몇 개의 예로서 디지털 통신, 동력 장치, 및 휴대용 컴퓨터 등과 같은 전류 펄스를 사용하는 제품에 있어서 매우 중요하다. 이러한 장치들에 있어서, 높은 전기화학 동력, 긴 전극 싸이클, 및 전해질의 우수한 이온 전도도는 매우 중요하게 고려하여 할 사항이다.
가장 고성능의 전기화학 충전 장치, 예를 들어 전기화학 축전기는 가장 높은 이온 전도도를 가진다고 알려진 수성 전해질을 사용한다. 그러나, 수성 전해질은 장치를 취급하고 포장할 때 문제점을 발생시키기도 한다. 이는 수성 전해질이 일반적으로 액체이기 때문에 밀봉된 포장 밖으로 누출되는 경향을 가지고 있다는 사실로부터 기인한다. 더욱이, 많은 고출력 전기화학 에너지 저장 장치는 전극상에 수지상 결정이 성장하기 때문에 짧은 싸이클을 나타낸다. 수지상 결정의 성장은 전극사이에 핀홀을 형성하여, 단락을 가져옴으로써 배터리의 싸이클을 현저하게 단축시키고, 종래의 기술 수준에 심한 제한을 가져온다.
일반적으로 전기화학 축전지는 두가지 카테고리로 나눌 수 있는데, 그 하나는 전극/전해질 계면에서의 계면 정전 용량이 두 개의 충전 병렬 시이트로서 모델링된 이층 축전기이고, 다른 하나는 전극과 전해질간의 전위 이동이 넓은 전위 범위에 걸쳐 발생하는 슈도(pseudo), 또는 수퍼 축전 장치이다. 이들 전하 이동은 전극과 전해질 간의 1 차, 2 차, 및 3 차 산화/환원 반응에 기인한다. 이러한 형태의 전해질 축전기는 현재 상기에서 언급한 바와 같이 고-펄스 성능 용도로서 개발되고 있다.
슈도 축전 장치는 문헌에 개시되어 있다(예를 들어, Dwight Craig의 유럽 특허 출원 제82109061.0호 참조). 크레이그는 수성 전해질을 갖는 슈도 축전 장치에 관하여 언급한다. 그와 같이, 장치는 상기에서 기술한 바와 같이 수성 시스템으로만 제한되게 된다.
따라서, 본질적으로 수성 시스템으로만의 제한으로부터 자유로운 신규한 전기화학 축전 장치에 대한 필요성이 존재하게 되었다. 이러한 장치는 높은 이온 전도도를 가져야 하고, 고출력을 제공하여야 하며, 비교적 환경친화적인 재료로 형성되어야 한다. 더욱이, 이러한 장치의 조립은 간단하고, 경제적이고, 반복가능성이 있어야 한다.
<도면의 간단한 설명>
도 1은 본 발명에 따른 전기화학 에너지 저장 장치의 분해도이다.
도 2는 본 발명에 따른 전기화학 축전기용 쌍극 구조의 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 다양한 전기화학 축전 장치의 성능을 예시하는 일련의 볼타마그램(voltammagram) 곡선이다.
본 발명은 일반적으로 전기화학 전지, 더욱 구체적으로는 대칭적 무기 전극을 갖는 전지에 관한 것이다.
명세서는 신규하다고 여겨지는 본 발명의 특징을 정의한 청구범위로 결론지어지는 반면, 본 발명은 유사한 참조 번호가 붙여진 도면과 더불어 하기의 설명을 통해 더욱 잘 이해될 수 있을 것이다.
도 1을 참조하면, 여기에서는 한 쌍의 대칭적 전극 어셈블리 (10)으로 형성된 전기화학 전하 저장 장치와 같은 에너지 저장 장치를 도시한다. 각각의 어셈블리 (10), (11)은 대칭적인 전극 (13)을 포함한다. 본 명세서에서 사용하는 "대칭적 전극"이라는 용어는 두 개의 전극이 동일한 조성, 즉 동일한 재료로 제조되었다는 것을 의미한다. 대칭적 전극 제조용 재료의 예는 철, 몰리브데늄, 루테늄, 이리듐, 코발트, 아연, 비스무쓰, 카드뮴, 납, 은, 바나듐, 텅스텐, 그들의 합금, 그들의 산화물, 및 그들의 조합을 포함한다. 이와 같이, 도 1에 개시되고 예시된 장치의 각 애노드 및 캐쏘드는 동일한 재료로 제조된다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 바와 같은, "전기화학 전지"라는 용어는 배터리, 전기화학 축전기, 즉 산화/환원 반응을 특징으로하는 전기화학 축전기 또는 배트캡(BATCAP)(상표명), 배터리 및 축전기의 특성을 함께 나타내는 혼성 장치를 포함한다.
각각의 전극 어셈블리는 전기 전도성의 전류 집전기 (12)를 추가로 포함할 수 있다. 전류 집전기 (12)는 바람직하게는 전해질 (15)에 대하여 화학적으로 불활성이고, 이는 하기에 상세하게 기술되어 있다. 임의로는, 하우징 또는 가스켓 (14)을 전극 및 전해질을 수용하기 위하여 사용할 수 있다. 또한, 전해질 (15)는 중합체와 같은 필름의 형태로 전극 사이에 끼워지고, 두 개의 전극 사이의 분극제로서의 역할을 할 수 있다. 따라서, 이러한 구조는 전해질중의 이온이 자유롭고 차단되지 않게 움직일 수 있도록 한다. 전해질/분극제의 조합은 반대 전극사이의 전지의 단락과 기능불량을 일으키는 접촉을 방지한다.
본 발명의 바람직한 태양에 있어서, 전해질은 애노드와 캐쏘드 사이에 접촉하게 배치된 중합체 전해질이다. 중합체 전해질은 폴리에틸렌 옥시드, 폴리비닐 알콜, 폴리비닐 아세테이트, 폴리아크릴아미드, 폴리(비닐 피롤리돈), 폴리(2-비닐피리덴) 폴리(4-비닐 피리덴) 및 폴리에틸렌 이민의 군으로부터 선택되는 중합체 지지 구조를 포함하며, 바람직하게는 폴리비닐알콜을 포함한다. 양성자 전도성 전해질 활성종은 중합체 지지 구조내에 분산된다. 이러한 경우에 있어서, 양성자 전도성 전해질 활성종은 H3PO4(인산), H2SO4(황산), HCl(염산), 그들의 조합으로 구성되는 재료의 군으로부터 선택될 수 있다. 더욱 구체적으로는, 중합체 전해질은 폴리비닐 수지 및 인산으로 구성된다. 폴리비닐 수지는 일반적으로 하기의 화학식을 갖는 단량체로부터 유도되는 중합체를 포함한다고 여겨지는 중합체 재료와 같은 것들이다.
상기 식에서,
R은 수소, 알킬, 할로겐, 또는 다른 기를 나타낸다.
이러한 단량체는 아세틸렌에 적당한 화합물을 가하여 제조할 수 있다. 이들의 성질은 화학 구조, 결정성, 및 분자량에 따라 변한다. 예를 들어, 폴리비닐 알콜(PVA)은 우수한 기계적 성질을 가지며, 탄화수소 용매에 대하여 높은 저항성을 갖는 강한 필름, 튜브, 및 섬유로 형성될 수 있다. PVA는 얼마되지 않는 수용성 중합체 중 하나이지만, 가교제를 사용하여 물에 불용성이 되게할 수도 있다. 본질적으로 폴리비닐 아세테이트의 완전한 가수분해로 형성된 것들 및 불완전한 가수분해로 형성된 것들의 두 가지 종류의 폴리비닐 생성물이 이용가능하다. 전자는 물 또는 글리콜로 가소되어 탄화수소에 저항성인 필름, 튜브, 및 필라멘트로 성형되거나 압출될 수 있다. 폴리비닐 아세테이트는 비교적 저온에서 연화되고 광 및 산소에 비교적 안정한 질기고, 무색의 열가소성 물질이다. 이들 중합체는 청정하고 비결정질이기 때문에 물을 기재로한 페인트용 접착제 및 가교제로서의 주요한 용도에 사용된다. 선행기술의 PVA와 인산의 혼합물은 가스 분리 기술에 유용한 멤브레인 제조용으로 공지되어 왔다. 예를 들어, 폴랙(Polack) 등의 미국 특허 제4,500,667호에서는 가스 투과성 PVA/H3PO4필름 및 그의 제조 방법에 대하여 기술하고 있으며, 이는 본 명세서에 참고문헌으로 포함되어 있다.
본 발명의 전해질은 우선 PVA 1 내지 20 중량%의 농도 범위에서 PVA 수용액을 제조하여 제조된다. 최적 범위는 5 내지 10 중량%로 밝혀졌다. PVA를 50 내지 100 ℃로 가열된 물에 가하고, PVA가 전부 용해될 때까지 교반한다. PVA는 다양한 범위의 분자량으로서 상업적으로 시판된다. 알드리치 케미칼, 인크.(Aldrich Chemical, Inc.)에서 시판되는 80,000 내지 140,000 분자량 범위의 PVA가 바람직한 재료로서 밝혀졌다. 30,000-50,000 내지 80,000의 분자량의 것들도 또한 유용하다. 훨씬 더 큰 분자량의 다른 재료 조차도 유리하게 사용할 수 있다. 특정 용도를 위한 최적 분자량의 결정에 있어서, 스탠드-얼론(stand-alone) 시스템중에서 사용될 수 있는 전해질용으로는 보다 큰 분자량이 바람직한 반면, 시스템의 기계적 안정성을 증진시키기 위하여 첨가할 수 있는 다른 재료를 전해질에 주입할 때는 보다 작은 분자량의 중합체가 바람직하다는 사실을 이해하여야 할 것이다. 중합체 분야의 숙련자들은 보다 큰 분자량의 중합체가 구조적으로 더욱 안정한 반면, 더 작은 분자량의 중합체는 덜 강성이고 더욱 가요성이라는 사실을 알 수 있을 것이다.
일반적으로, 중합체 결합제에 첨가될 H3PO4또는 다른 전해질 활성종의 양은 전해질의 목적하는 최종 성질에 따라서 다양할 수 있다. 예를 들어, 산 대 중합체 반복 단위의 몰비(H3PO4몰 대 PVAn)가 0.25 보다 작을 때, 생성 전해질의 전도도는 약 1×10-8내지 1×10-5지멘스/센티미터(S/cm)이다. 몰비가 0.25 내지 0.7 일 때, 생성 전해질의 전도도는 약 1×10-5내지 1×10-3S/cm까지 증가한다. 0.7 이상의 몰비에서 전해질의 전도도는 1×10-3S/cm보다 크게 되고, 순수한 산의 전도도에 근접하게 된다. 산 대 중합체 반복 단위의 몰비는 0.1 내지 2.0내에 있게 되고 바람직하게는 약 0.5 가 유용하다는 사실이 발견되었다. 다른 방식으로 표현하면, 고체 중합체 전해질의 산 함량은 1 내지 70 중량%일 수 있다.
도 2를 참조하면, 도 1에 예시된 바와 같은, 다수의 전기화학 장치가 겹쳐 쌓여진 구조로 배열된 대한 쌍극 구조를 도시한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 쌍극 구조 (50)은 겹쳐 쌓여진 구조로 배열된 8 개의 개별적인 장치 (52), (54), (56), (58), (60), (62), (64) 및 (66)를 포함한다. 각각의 반복 단위는 사실상 동일하기 때문에, 단지 장치 (52)만을 상세하게 기술할 것이다. 장치 (52)는 예를 들어, 니켈, 은, 구리, 티타늄, 스테인레스 스틸, 백금, 알루미늄, 금, 그들의 합금, 및 그들의 조합으로 형성된 금속박 기판 (70)을 포함하는 전기화학 축전기 서브어셈블리이다. 금속박 기판 (70)은 제 1 및 제 2 주 표면 (72), (74)를 갖고, 대칭적 무기 전극 (76), (78)이 침착되어있다. 따라서, 층 (76) 및 (78)은 동일한 무기 재료, 예를 들어 산화 루테늄으로 형성된다. 상부 전극층 (78)위에 상기에서 언급한 바와 같은, 고체 전해질 재료 (80)의 층이 위치한다.
각각의 전기화학 축전기 서브어셈블리는 겹쳐 쌓여진 구조로 배열되며 전류 집적 말단 플레이트 (82) 및 (84)는 겹쳐진 어셈블리의 각 말단에 배치된다. 도 2에 예시된 바와 같은 쌍극 구조의 전기화학적 성능은 겹쳐 쌓여진 구조로 배열된 장치의 수에 의존하게 된다는 사실을 이해할 수 있을 것이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따라 형성된 쌍극 구조에 대한 싸이클 볼타마그램 곡선을 도시한다. 쌍극 구조는 도 2에서 도시한 태양에 따라 형성되고, PVA 중합체 지지 구조 및 전해질 활성종으로서 인산을 포함하는 전해질과 더불어 대칭적 산화 루테늄(RuO2) 전극을 포함한다. 도 3에 도시되어 있는 싸이클 볼타마그램은 세로좌표상의 전압 대 가로좌표상의 전류 밀리암페어를 도시한다. 곡선 (90)에 의하여 도시된 싸이클 볼타마그램은 상기에 기술한 바와 같이 형성된 단일 전지 장치의 전기화학 성능을 특징으로 한다. 곡선 (92)에 의하여 도시된 싸이클 볼타마그램이 상기에서 언급한 바와 같이 겹쳐 쌓여진 구조로 배열된 3 개 서브어셈블리의 전기화학 성능을 나타내는 반면, 곡선 (94)에 의하여 도시된 싸이클 볼타마그램은 겹쳐 쌓여진 구조로 배열된 7 개 서브어셈블리의 전기화학 성능을 나타낸다. 이들 CV 곡선의 주사 속도는 10 V/초이고, 잘 갖추어진 CV 곡선, 즉 높은 전력을 전달하고, 고도로 가역성인 장치, 즉 빠른 장치를 나타내는, 매우 대칭적인 곡선을 생성한다. 쌍극 장치의 정전용량이 전지의 수에 반비례함에 따라, 곡선 (94)에 도시한 바와 같이 7 개 전지 장치의 전류는 단일 전지 장치의 7 분의 1과 대략 동일하고, 이는 본 명세서에서 개시한 장치의 성능이 이론적인 예측과 일치한다는 사실을 지시한다. 이 예에서 기술한 대칭적 장치는 단순한 이미지 성분을 갖는 사이클 볼타마그램을 생성한다. 단순한 이미지 싸이클 볼타마그램은 빠르게 반응하는 고 비율을 갖는 재료 장치를 나타내며, 여기서 전압은 제한되고 전력은 높다. 더욱이, 층들이 본질적으로 고체 또는 얇은 필름이기 때문에 장치들은 비교적 간단하게 제조되고, 따라서, 선행 기술에서 나타나는 문제점이 극복된다. 추가로, 층들이 모두 얇은 필름이므로, 전극 직렬 저항("ESR")으로 인한 문제점을 극복하기가 사실상 수월해진다. 보다 낮은 ESR은 더욱 능률적으로 수행하는 보다 우수한 장치를 제공한다.
본 발명의 바람직한 태양이 예시되고 기술되어 있지만, 본 발명이 이로써 제한되지 않는다는 것이 명백하다. 당업계의 숙련가들에게는 첨부된 청구범위에 의해 정의한 바와 같은 본 발명의 요지 및 범주로부터 벗어남 없이 다양한 개량, 변화, 변용, 치환 및 균등한 수단이 떠오를 것이다.
Claims (8)
- Ru, Ir, Co, W, V, Fe, Mo, Ag, 그들의 합금, 그들의 산화물로 구성되는 군으로부터 선택되는 1 종 이상의 재료로 이루어지고, 그 재료가 서로 동일한 애노드 및 캐쏘드; 및 상기 애노드 및 캐쏘드 사이에 접촉하여 위치하고, 폴리비닐 알콜, 폴리에틸렌 옥시드, 폴리비닐 알콜, 폴리비닐 아세테이트, 폴리아크릴아미드, 폴리(비닐 피롤리돈), 폴리(2-비닐피리덴) 폴리(4-비닐 피리덴) 및 폴리에틸렌 이민으로 구성되는 군으로부터 선택되며, 그 안에 H3PO4및 H2SO4로 구성된 군으로부터 선택된 양성자 전도성 전해질 활성종이 분산되어 있는 중합체 지지 구조를 포함하는 중합체 전해질을 포함하는 전기화학 전지.
- 제1항에 있어서, 축전기가 산화/환원 전하 저장 메카니즘을 특징으로 하는 전기화학 전지.
- 제1항에 있어서, 애노드 및 캐쏘드가 모두 RuO2로 형성된 전기화학 전지.
- 제1항에 있어서, 전해질이 H3PO4가 분산되어 있는 폴리비닐알콜인 전기화학 전지.
- 제1항에 있어서, 애노드 및 캐쏘드가 모두 RuO2로 형성된 전기화학 전지.
- Ru, Ir, Co, C, FeS, Mo2N, W, V 및 그들의 산화물의 군으로부터 선택되는 재료로 형성된 한쌍의 대칭적 무기 전극과, H3PO4가 분산되어 있는 폴리비닐알콜로 구성되는 중합체 전해질을 포함하며, 산화/환원 전하 저장 메카니즘을 특징으로하는 전기화학 축전 장치.
- 각각 산화 루테늄으로 형성된 애노드 및 캐쏘드를 포함하고, 그 사이에 H3PO4로 구성된 양성자 전도성 전해질 활성종이 분산되어 있는 폴리비닐알콜로 형성된 중합체 지지 구조를 포함하는 중합체 전해질이 배치된 전기화학 축전 장치.
- 루테늄, 이리듐, 코발트, 텅스텐, 바나듐, 철, 몰리브데늄, 그들의 합금, 그들의 산화물, 및 그들의 조합의 군으로부터 선택되는 1 종 이상의 재료로 형성된 애노드 및 캐쏘드; 및 폴리비닐 알콜, 폴리에틸렌 옥시드, 폴리비닐 아세테이트, 폴리아크릴아미드, 폴리(비닐 피롤리돈), 폴리(2-비닐피리덴) 폴리(4-비닐 피리덴) 및 폴리에틸렌 이민의 군으로부터 선택되며, 그 안에 H3PO4및 H2SO4의 군으로부터 선택되는 양성자 전도성 전해질 활성종이 분산되어 있는 중합체 지지 구조를 포함하는 중합체 전해질로 이루어진 다수의 축전기 서브어셈블리가 겹쳐 쌓여진 구조로 배열된 전기화학 축전 장치.
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