KR20040094710A - 금속 공기 전지장치 - Google Patents

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KR20040094710A
KR20040094710A KR10-2004-7012981A KR20047012981A KR20040094710A KR 20040094710 A KR20040094710 A KR 20040094710A KR 20047012981 A KR20047012981 A KR 20047012981A KR 20040094710 A KR20040094710 A KR 20040094710A
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조지 총-취 쳉
마이클 글로벌
린-펭 리
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에비오닉스, 인크.
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Abstract

금속 공기 전지 및 전지장치가 제공된다. 일반적으로, 금속 공기 전지는 대향하는 음극부 및 양극 구조물을 수용하도록 형성된 공간을 포함한다. 양극 구조물은 이온성 연결을 가능하게 하기 위한 다수의 틈새들을 갖는 한쌍의 강체 구조물 및 상기 강체 구조물들 사이에 제공된 양극 재료를 구비한다. 양극과 음극을 전기적으로 절연시키도록 양극과 음극 사이에 분리기가 배치된다. 양극 구조물의 강체 구조물들은 음극 구조물로부터 양극 구조물을 용이하게 제거할 수 있게한다. 몇몇 실시 예에 있어서, 양극 구조물들은 양극 재료와 전해질 겔의 균등한 분배를 증진하기 위하여 두가지 타입의 겔화제를 사용하여 형성된다.

Description

금속 공기 전지장치{Metal air cell system}
전기화학 전력원은 전기 에너지가 전기화학 반응에 의해서 생성될 수 있는 장치이다. 이 장치는 아연 공기 및 알루미늄 공기 배터리와 같은 금속 공기 전기화학 전지를 포함한다. 그러한 금속 전기화학 전지는 전지 내로 공급되어 방전중에 금속산화물로 변환되는 금속입자들로 이루어진 양극을 채용한다. 그러한 전기화학 전지들은 재충전 가능한 배터리로 불린다. 아연 공기 재충전 가능한 배터리 전지는 양극, 음극 및 전해질을 포함한다. 양극은 전해질 내에 침지된 아연 입자들로 형성된다. 일반적으로, 음극은 반투과성 멤브레인 및 전기화학 반응을 위한 촉매층을 포함한다. 촉매는 이온은 전달하지만 전기는 전달하지 않는 부식액이다.
금속 공기 전기화학 전지는 종래의 수소기지 연료전지들 보다 나은 많은 장점들을 갖는다. 금속 공기 전기화학 전지는 높은 에너지 밀도(W*hr/Liter), 높은 비에너지(W*hr/kg)를 가지며, 주변 온도에서 작용한다. 또한, 금속 공기 전기화학 전지로부터 제공되는 에너지의 공급은 아연과 같은 연료가 풍부하고 금속이나 그 산화물로서 존재할 수 있기 때문에 사실상 고갈되지 않는다. 그러므로, 연료는 안정한 고체상태를 취하게 되어 취급 및 저장이 안전하고 용이하다. 수소의 공급원으로서 메탄, 천연가스, 또는 액화 천연가스를 사용하여 대기오염 가스들을 방출하는 수소 기지 연료 전지들에 비해서, 금속 공기 전기화학 전지들은 대기오염 가스들을 거의 배출시키지 않는다.
금속 공기 연료전지 배터리들은 주변 온도하에서 동작하는 반면, 수소-산소 연료전지들은 통상적으로 150℃ 내지 1000℃의 온도범위에서 동작한다. 금속 공기 전기화학전지들은 통상적인 연료 전지들(<0.8V) 보다 높은 출력전압(1.5∼3Volts)을 전달할 수 있다. 이러한 장점들로 인하여, 금속 공기 전기화학 전지는 정적이거나 동적인 전력설비, 전기 차량 또는 이동식 전자장치 등의 모든 종류의 응용분야에서 전력공급원으로서 사용이 가능하다.
그런데, 금속 공기 전기화학 전지의 중요한 문제점들중 하나는 금속의 고유한 부피팽창이며, 이로 인하여 전극의 형상이 변화하는 것이다. 전극의 형상 변화는 전극의 일정 영역으로부터 다른 영역으로 아연이 이동하는 것을 유발하게 되며, 배터리 방전중에 활성 전극 재료가 용해되어 없어지는 경우가 발생할 수 있다. 아연전극의 팽창과 변형은 금속 아연의 체적상의 변화 및 그 산화아연과 수산화 아연과 같은 산화물에 기인하여 발생한다. 아연이 치밀한 고체 층에 재증착됨에 따라서 전극의 형상이 변화하고, 그로 인하여 전극 재료의 활성이 최소화되고 전해질이 전극 내부로 접근하는 것이 방지된다.
다른 문제점은 금속 공기 전극의 연료보급에 관한 것이다. 만일, 양극과 음극 사이의 간극이 양극 팽창을 수용할 정도로 충분하지 못하면, 음극은 손상되고 그로 인하여 연료보급이 어렵거나 불가능해진다. 양극과 음극 사이의 거리는 일정하게 유지되어야 한다. 만일 양극과 음극 사이의 거리가 일정하지 않으면, 양극과 음극 사이의 방전은 불균등해진다. 이러한 불균등한 방전은 양극의 구부러짐이나 변형을 초래한다. 양극의 구부러짐은 금속 산화에 따른 체적변화에 기인한다. 양극이 구부러지는 경우, 음극에 가까운 양극의 영역은 양극의 나머지 영역보다 빠르게 방전된다. 이것은 변형을 증가시킬 것이다. 그러므로, 불균등한 방전이 최대화되고, 양극의 구부러짐에 의해서 양극의 단락과 같은 전지의 실패가 발생할 때까지 이러한 문제는 계속될 것이다. 또한, 불균등한 방전은 전지의 전력 출력을 감소시킬 것이다. 만일 전지가 매우 높은 전압으로 방전되면, 음극에 근접한 양극의 영역들은 비활성화되고 기능성을 상실하게 된다.
연료를 보급하기 위해서, 양극과 음극은 연료보급 작용을 위한 간극을 제공하도록 그들 사이에 상당한 거리를 가져야 한다. 통상적으로, 이러한 간극에는 전해질과 분리기가 채워진다. 그러나, 이러한 간극은 전지의 내부저항을 증가시킨다. 이러한 내부 저항은 사용중에 열을 발생시키게 되는데, 이 열로 인하여 여러가지 문제점이 발생할 수 있다. 이 열은 전지로부터 나오는 전력을 소모시켜서 전해질을빨리 고갈시키게 되며, 연료 전지의 질저하를 가속화하게 된다. 내부 저항을 감소시키기 위해서, 양극과 음극 사이의 거리는 작고 균등하게 유지되어야 한다. 이것은 통상적으로 내구성을 희생시킨다. 연료보급의 과정 동안에, 만일 양극과 음극 사이의 거리가 충분하지 않으면, 양극은 음극 표면을 긁게 된다. 과도한 간극은 연료보급의 과정동안에 음극 손상의 가능성을 감소시키지만 내부 저항은 증가시킨다. 그러므로, 양극과 음극 사이에 충분한 간극을 제공한 종래 기술에 따르면 양극과 음극 사이에 내부 저항이 증가되는 결과를 초래하였다.
그러므로, 양극과 음극 사이의 간극으로 인하여 누설이 발생하지 않도록 하고 양극의 질저하를 최소화 할 수 있고 산소 및 열적 운영이 효과적으로 수행되는 장치를 개발하기 위한 필요성이 연료보급 가능한 금속 공기 전지의 관련 기술분야에서 대두되고 있다.
본 발명은 "금속 공기 전지장치(Metal Air Cell System)"라는 발명의 명칭으로 2001년 8월 15일자로 출원된 미국 가출원 번호 제 60/312,516 호의 우선권주장 출원이다. 본 발명은 금속 공기 전기화학 전지에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 새로운 배치구성을 통하여 방전 효율이 증진되고 산화물 처리가 간편한 금속 공기 공기 전지장치에 관한 것이다.
본 발명의 상기한 장점과 다른 특징 및 장점들은 첨부 도면을 참조로한 하기의 상세한 설명을 통해서 해당 기술분야의 숙련된 당업자에게 용이하게 이해될 것이다.
도 1 및 2는 본 발명에 따른 금속 공기 전기화학 전지 장치를 나타낸 도면;
도 3A 내지 도 6D는 양극 구조물들 및 양극 구조물들의 제조방법을 나타낸 도면;
도 7A 내지 도 11은 음극 구조물들 및 음극 구조물들의 제조방법을 나타낸 도면; 그리고
도 12 및 도 12B는 전극 구조물들 사이에 제공된 인터페이스의 확대도이다.
종래기술과 관련하여 위에서 언급한 문제점들과 다른 결점들은 본 발명에 따른 금속 공기 전지에 의해서 극복되거나 완화될 것이다. 일반적으로, 전지는 대향하는 음극 부분들 및 양극 구조물을 수용하도록 형상화된 공간을 구비하는 음극 구조물을 포함한다. 양극 구조물은 이온성 연결을 가능하게 하기 위한 다수의 틈새들을 갖는 한쌍의 강체 구조물 및 강체 구조물들 사이에 제공된 양극 재료를 포함한다. 양극과 음극을 전기적으로 절연시키기 위하여 양극과 음극 사이에 분리기가 배치된다. 양극 구조물의 강체 구조물들은 음극 구조물로부터 양극 구조물을 용이하게 제거할 수 있게 한다.
금속 공기 전지는 양극 및 용이하게 제거가능한 양극 구조물을 갖는 음극을 포함한다. 양극 구조물, 음극 구조물, 겔 형성의 특징들과 금속 공기 전지장치의 다른 특징들이 여기에 설명될 것이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예가 설명될 것이다. 설명의 명확성을 위하여 도면에 도시된 유사한 특징들은 유사한 참조부호로서 나타내어질 것이며, 각기 다른 실시 예에서 나타낸 유사한 특징들은 유사한 참조부호를 사용하여나타내어질 것이다.
도 1을 참조하면, 사방정계 형상의 금속 전기화학 전지(10)가 도시되어 있다. 전지(10)는 유(U)자 형상의 음극 구조물(14) 내에 배치된 양극 구조물(12)을 포함한다. 양극(12)과 음극(14)은 하기에서 설명할 분리기를 통해서 전기적으로 절연된 상태를 유지하며 이온 연결된다.
공기 또는 다른 공급원으로 공급된 산소는 금속 공기 전지(10)의 공기 음극에 대한 반응물로서 사용된다. 산소가 음극 구조물(14) 내의 반응사이트에 도달하는 경우, 물과함께 하이드록실 이온으로 변환된다. 이와동시에, 전자들이 외부 회로에서 전기로서 유동하도록 릴리스된다. 하이드록실은 양극(12)에 도달하도록 전해질을 통해서 이동한다. 하이드록실이 금속 양극(예를 들면 아연을 포함한 양극(12)의 경우에 있어서)에 도달하는 경우, 아연 수산화물은 아연의 표면상에 형성된다. 수산화아연은 아연산화물로 분해되고 물을 방출하여 알칼리수용액이 된다. 그러므로 반응이 완료된다.
양극반응은 다음과 같다.
Zn+4OH-→Zn(OH)-2 4+2e (1)
Zn(OH)-2 4→ZnO+H2O+2OH-(2)
음극반응은 다음과 같다.
1/2O2+H2O+2e→2OH-(3)
그러므로, 전체 전지반응은 다음과 같다.
Zn+1/2O2→ZnO (4)
도 2를 참조하면, 상기 반응식 (1) 내지 (4)로 나타낸 바와 같이 소모성 연료 전체가 금속 산화물로 변환되는 양극(12')의 제거상태가 도시되어 있다. 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 여기에서 설명하는 양극(12)의 특징으로 인하여, 소모된 양극(12')의 제거는 종래의 양극 배치 구성에 비해서 상당히 용이하다. 본 발명의 다른 실시 예에 있어서, 여기에서 설명하는 음극(14)의 특징으로 인하여, 소모된 양극(12')의 제거는 종래의 음극 배치 구성에 비해서 상당히 용이하다. 본 발명의 또다른 실시 예에 있어서, 여기에서 설명하는 양극(12)과 음극(14) 사이의 편리한 계면의 겔의 특징으로 인하여, 소모된 양극(12')의 제거는 종래의 계면성 겔 형성에 비해서 상당히 용이하다.
도 3A 내지 도 3C를 참조하면, 양극 구조물(12)이 개략적으로 도시되어 있다. 양극 구조물(12)은 2개의 대향하는 주요 표면들이 분리기(18)로 둘러싸이는 소모성 양극부(16), 강체 구조물(20), 집전기(22) 및 프레임(24)을 포함한다. 분리기(18)는 강체 구조물(20)이나 양극부(16) 또는 이들 모두의 표면에 배치된다. 예를 들면, 도 4A 내지 도 4C를 참조하면, 양극(12)(도 3A 내지 도 3C)의 부품들 및 강체 구조물(20)의 외부면 상에 위치된 분리기(19)를 포함하여 양극 구조물(12')이 개략적으로 도시되어 있다.
특히, 다수의 틈새(26)를 포함하는 강체 구조물(20)의 사용을 통해서 양극구조물(12)의 구조적인 완결성을 유지할 수 있으며, 이로 인하여 상기 반응식 (1) 내지 (4)로 표현된 변환중에 양극 재료(16)가 팽창하는 경향이 있음에도 불구하고 소모성 양극 재료(16)가 소모되는 경우에 교체가 용이하다. 강체 구조물(20)은 비전도체이다. 강체 구조물은 하기의 예로서 제한되는 것은 아니지만, 플라스틱, 플라스틱 코팅된 금속, 세라믹, 비전도성 또는 코팅된 탄소 복합물들, 상기한 재료들중 적어도 하나를 함유한 조합물을 포함하는 재료로 형성될 것이다. 다중 틈새들은 필수적인 구조적 완결성이 유지되는 한 모든 형상이나 크기가 가능하다. 예를 들면, 틈새(26)는 육각형의 형태로 도시되어 있지만, 다른 다각형, 원, 타원형, 슬롯 형상 또는 다른 형상이 사용될 수 있다. 개방된 영역은 양극 재료(16)와 활성 음극 영역 사이의 반응을 가능하도록 하기에 충분하며, 필요 성능에 따라 변화될 것이다. 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 약 78%의 개방영역 비와 약 0.8㎜ 두께의 플라스틱 코팅된 강 벌집형 메쉬가 사용된다. 물론, 이러한 특성들은 성능 요구, 전지의 전체크기, 전지의 의도된 환경 및 연료보급성과 같은 요소에 따라 변화될 것이다.
임의적으로, 강체 구조물(20)은 서로 부착된다. 예를 들면, 강체 구조물(20)은 양극이 팽창하는 경우에 구조적인 완결성을 더욱 향상시키기 위하여 스냅 끼움부를 구비하도록 형성될 수 있다.
소모성 양극부(16)는 가압되고 소결되거나 또는 원하는 형상(즉, 도면에 도시된 바와 같은 사방정계형)으로 형성된다. 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 전해질은 전해질은 고체, 액체 또는 활성 음극부 및 소모성 양극부(16)와 이온 연결되는 이들의 조합을 포함한다. 본 발명의 다른 실시 예에 있어서, 전지에 사용된 전해질의 적어도 일부는 소모성 양극부(16)의 다공성 구조물 내로 삽입된다. 분리기는 전기적 절연을 위하여 양극과 음극 사이에 배치된다. 도시된 바와 같이 분리기(18)는 양극의 표면 상에 배치된다. 그러나, 분리기는 단지 음극 상에 배치되거나(즉, 소모성 양극부(16)는 강체 구조물(20)을 통한 이동을 최소화하도록 형성됨) 또는 양극과 음극 모두에 배치될 수 있다.
양극부(16)는 금속 및/또는 금속 산화물과 같은 금속 성분 그리고 집전기(22)를 포함한다. 임의적으로, 이온 전도성 매체가 각각의 양극부(16) 내에 제공된다. 또한, 몇몇 실시 예에 있어서, 양극부(16)는 바인더 및/또는 적당한 첨가제를 포함한다. 바람직하게는, 제형화(formulation)는 이온 전도율, 용량성, 밀도 및 방전의 전체 깊이를 최적화하는 반면에 형상변화를 최소화한다.
금속 성분은 아연, 칼슘, 리튬, 마그네슘, 철 금속, 알루미늄과 같은 금속 및 금속 화합물, 상기한 금속들중 적어도 하나의 산화물, 또는 상기한 금속들중 적어도 하나를 포함한 조합 및 합금들을 포함한다. 이들 금속들은, 하기의 예로서 한정되는 것은 아니지만, 비스무스, 칼슘, 마그네슘, 알루미늄, 인듐, 납, 수은, 갈륨, 주석, 카드뮴, 게르마늄, 안티몬, 셀레늄, 탈륨과 같은 성분들 또는 상기한 성분들중 적어도 하나를 포함한 조합물과 혼합되거나 합금화된다. 금속 성분은 분말, 섬유, 분진, 입자, 플레이크들, 니들, 펠렛 또는 다른 입자들의 형태로 제공된다. 전기화학 공정에 있어서 변환되는 동안에, 금속은 금속 산화물로 변환된다. 금속이 섬유의 형태로 제공되는 본 발명의 바람직한 실시 예들에 있어서, 양극 재료의 매스의 다공성이나 공극 체적은 미립자 아연에 비해서 크게 설계된다. 따라서, 팽창된 아연 산화물이 공극 영역에 축적되므로, 변환중에 고유한 양극 팽창과 연관된 결함이 최소화된다.
양극 집전기(22)는 전기 전도성을 제공할 수 있는 도전성 재료로 이루어진다. 집전기는, 하기의 예로서 제한되는 것은 아니지만, 구리, 황동, 스테인레스강과 같은 철금속, 니켈, 탄소, 도전성 중합체, 도전성 세라믹, 알칼리 환경하에 적합하고 전극을 부식시키지 않는 다른 도전성 재료들, 또는 상기 재료들중 적어도 하나를 함유한 조합물 및 합금들을 포함하는 다양한 도전성 재료로 형성될 수 있다. 집전기는 메쉬, 다공성 판, 금속 포말, 스트립, 와이어, 판 또는 다른 적당한 구조물의 형태를 취할 것이다. 다수 전지(10)의 연결을 용이하게 하기 위하여, 양극 집전기(22)가 전지들을 직렬, 병렬 또는 직렬/병렬의 조합과 같이 연결하는 공통 부스에 전기전도 가능하게 부착된다(즉, 용접, 리벳팅, 볼트 결합 또는 이들의 조합을 이용).
양극의 임의의 바인더는 일정한 배치구성에 있어서 양극의 성분을 고체 상태로 유지시킨다. 바인더는 안정적인 구조물을 형성하도록 양극 재료와 집전기를 고정시키며, 양극의 고정에 적당한 양으로 제공된다. 본 발명의 몇몇 실시 예들에 있어서, 바인더 재료는 수용성 이거나 또는 물에서 에멀션을 형성할 수 있으며, 전해질 용액에서는 용해되지 않는다. 양극의 적당한 바인더는 양극의 성분들을 고체로 유지시키거나 일정 형상의 고체 형태로 유지시킨다. 바인더는 적당한 구조물을 형성하도록 양극 재료와 집전기를 고착시키며, 양극의 접착에 적당한 양으로 제공된다. 적당한 바인더는 폴리테트라플루오로에틸렌기지 중합체 및 공중합체(즉, 독일 윌밍톤 소재의 E.I. dU Point Nemours and Company Corp.사에 의해서 시판중인 Teflon®및 Teflon®T-30), 폴리비닐 알코올(PVA), 폴리(에틸렌 산화물)(PEO), 폴리비닐피롤리돈(PVP), 및 파생물들, 상기한 바인더 재료들중 적어도 하나를 함유한 조합물 및 혼합물을 포함한다. 그러나, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 다른 바인더 재료 또한 사용이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
적절한 첨가제들이 부식을 방지하기 위해서 제공될 것이다. 적당한 첨가제들은, 하기의 예로서 제한되는 것은 아니지만, 산화인듐, 산화아연, EDTA, 스테아르산나트륨과 같은 계면활성제, 포타슘 라우릴 설페이트, Teflon®X-400(CT, Danbury 소재의 Union Carbide Chemical & Plastics Technology Corp.사에 의해서 시판중임), 다른 계면활성제, 파생물, 상기한 첨가재료들중 적어도 하나를 함유한 조합물 및 혼합물을 포함한다. 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 적당한 첨가제는 "전기화학 전지용 아연 양극(Zinc Anode for Electrochemical Cell)"라는 발명의 명칭으로 2002년 6월 17일자로 출원한 PCT출원번호 제PCT/US02/19282호(여기에서는 참고문헌으로서 기재됨)에 개시되어 있다.
전해질 또는 이온 전도성 매체는 전지(10)에 제공되는데, 금속 및 금속 화합물에 도달하는 하이드록실을 위한 경로를 제공하도록 알칼리 매체를 함유한다. 이온 전도성 매체는 욕(bath)의 형태를 취하는데, 여기에서는 액체 전해질 용액이 적당하게 함유된다. 몇몇 실시 예에 있어서, 전해질의 이온 전도 양은 양극(28)에 제공된다. 전해질은 일반적으로 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH), 수산화리튬(LiOH)과 같은 이온 전도성 재료, 다른 재료들 또는 상기 전해질 매체중 적어도 하나를 함유한 조합물을 포함한다. 특히, 전해질은 약 5% 내지 약 55%의 이온 전도성 재료의 농도, 바람직하게는 약 10% 내지 약 50%의 이온 전도성 재료의 농도, 보다 바람직하게는 약 30% 내지 약 45%의 이온 전도성 재료의 농도를 갖는 수성 전해질을 포함한다. 이와는 달리, 다른 전해질들도 용량성에 따라 사용이 가능함을 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 용이하게 이해할 것이다.
액체 전해질 재료에 대한 필요성을 최소화하거나 회피시키는 전지를 제공하기 위해서, 양극(16)은 이온 전도성 양의 전해질 겔을 포함하게 될 것이며, 이 겔은 양극에 통합되어 경화될 것이다. 이것은 양극부(16)의 형상화중에(즉, 처리의 추후단계) 달성될 것이다. 예를 들면, 전극들의 처리는, 여기에서 참고문헌으로서 기재한 다음의 문헌, 즉 2002년 2월 11일자로 "금속 공기 전기화학 전지용 양극 구조물 및 그 제조방법(Anode Structure For Metal Air Electrochemical Cells And Method Of Manufacture Thereof)"라는 발명의 명칭으로 출원된 미합중국 출원번호 10/074,873 호에 보다 상세하게 기재되어 있다. 섬유상 전극들의 처리는, 여기에서 참고문헌으로서 기재한 다음의 문헌, "금속 공기 전기화학 전지용 섬유상 전극(Fibrous Electrode For a Metal Air Electrochemical Cell)"라는 발명의 명칭으로 출원된 미합중국 출원번호 10/083,717 호에 보다 상세하게 기재되어 있다.
그러므로, 전해질 액체는 금속 전해질 혼합물을 제공하기 위해서 겔화제와 혼합된다. 이러한 혼합물은 예를 들어 분산된 금속 재료(금속이 섬유상의 형태를 취하는 경우에 보다 두드러짐)를 갖는 고무같은 상태로 경화될 것이다.
도 5를 참조하면, 양극 구조물(12)은 유입구와 배출구를 갖는 튜브(28)를 포함한다. 여기에서 겔화제제(비 경화 상태)가 분사되고(화살표 30으로 나타냄) 전지 전체에 걸쳐서 분산된다(화살표 32로 나타냄). 하기에 설명될 두가지 형태의 겔화제제를 사용함으로써 겔의 균등한 분포가 달성될 것이다. 이와는 달리, 구조물은 최적의 농도를 갖는 단일 형태의 겔화제 및 재료 선택 뿐만아니라 처리 기술들(겔화제를 전해질 용액에 도입한 후에 수행되는 급속한 분사)을 사용하여 형성될 것이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 몇몇 실시 예에 있어서, 양극 구조물(12)은 양극 재료(12)의 영역 및 분리기들(18,19) 사이(즉, 강체 구조물(20)의 틈새들(26) 내에서 분리기들(18,19) 사이)에서 전해질 매체로 충전될 것이다.
도 6A 내지 도 6D를 참조하면, 전해질 매체가 통합된 양극 구조물(12)을 형성하기 위한 다른 처리 기술이 나타나 있다. 하나 또는 그 이상의 양극 구조물을 고정시키기 위하여 몰드(34)가 제공된다. 일정량의 전해질 매체(36)가 몰드(34)의 공동(38) 내에 분산된다. 전해질 매체(36)는 겔화제 내에 제공될 것이다. 예를 들면, 겔화제는 양극부(16) 내에 통합되거나 또는 장치내로 분리하여 도입될 것이다. 이와는 달리, 전해질 매체(36)는 양극 구조물을 통해서 매체(36)의 적당한 분포를 가능하게 하기 위하여 조정된(즉, 속도) 처리 조건들에 따라 여기에서 설명한 바와 같이 두가지 형태 또는 통상적인 방식의 겔화제를 포함할 것이다.
특히, 도 6B를 참조하면, 양극 구조물(12)이 공동(38) 내에 삽입되는 경우, 전해질 매체(36)는 양극 재료(16)의 외부에 분산된다(즉, 분리기(18)가 양극 재료의 적어도 바닥부를 에워싸는 경우). 특히, 전해질 매체(36')는 분리기들(18,19)사이에 분산된다(즉, 분리기들(18,19) 사이 및 강체 구조물(20)의 틈새 내부). 물론, 양극 구조물(12)은 양극 구조물(12)이 매체(36) 내로 삽입되어 양극 구조물(12) 전체에 걸쳐서 전해질 매체가 퍼지도록(도 6D에 도시됨) 구성되고 조립될 것이다.
도 6C를 참조하면, 필요에 따라 전해질 매체는 양극 재료(16)(도 6D에 도시됨)를 통해서 퍼질 수 있도록 프레임(도 6B에 나타낸 단계 전 또는 후)에 형성된 틈새를 경유하여 유도될 것이다.
전해질 매체의 통합전에 양극 구조물(12)에는 하나 또는 그 이상의 간격 또는 개방된 공간들이 존재하게 된다. 예를 들면 도 4A에서 강체 구조물(20)과 분리기(18) 사이에 제공된 그러한 간격들은 양극 팽창을 수용하고 전해질 매체가 자리할 수 있는 체적을 제공하기에 적당한 크기를 갖는다. 또한, 개방된 영역은, 연료 보급능력에 손실을 끼치고 음극 구조물(14)에 손상을 끼칠 수 있는 옆 통로에 대향하도록 예를 들어 상하방향(도면의 방향을 기준으로)으로의 팽창을 가능하게 하기 위하여 양극 구조물(12)의 하나 또는 두 말단부에 제공된다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 전해질 및 겔화제의 제형화는 첫번째 타입의 겔화제와 두번째 타입의 겔화제를 포함하여 "두가지형태(bimodal)"의 겔화제 전해질 용액을 포함한다. 첫번째 타입의 겔화제는 낮은 점성(즉, 45% KOH 용액에 유사함)을 가지며, 겔 용액의 원하는 점성을 달성하는데 기여하도록 두번째 타입의 겔화제를 분산시킬 수 있는 충분한 매트릭스 구조물을 제공한다. 이것은 겔화가 진행되는 동안에 두번째 타입의 겔화제가 침전되거나 원하지 않는 농후한 큰 덩어리를 형성하는 것을 방지한다.
첫번째 타입의 겔화제는 셀룰로스 섬유(긴것, 중간것, 짧은 것), 알파-섬유, 미소결정성 셀룰로스 및 상기한 것들중 적어도 하나를 포함하는 조합으로부터 선택되며, 상기한 것들은 모두 WI, Milwaukee 소재의 Aldrich Chemical Co., Inc.사에 의해서 시판중에 있다.
두번째 타입의 겔화제는 양극부(16)에 원하는 구조적인 형상을 제공하는 다양한 형태의 다른 겔화제가 될 수 있다. 겔화제는 NC, Charlotte 소재의 BF Goodrich Company사에 의해서 시판중에 있는 교차결합된 폴리아크릴산들의 Carbopol®, 영국 웨스트 요크셔(West Yorkshire) 소재의 Allied Colloids Limited사에 의해서 시판중에 있는 Alcosorb®G1, 및 폴리아크릴산의 포타슘 및 소듐 염과 같은 교차결합 폴리아크릴산(PAA); WI, Milwaukee 소재의 Aldrich Chemical Co., Inc.사에 의해서 시판중에 있는 것과 같은 카르복시메틸 셀룰로스(CMC); 하이드록시프로필메틸 셀룰로스; 젤라틴; 폴리비닐 알코올(PVA); 폴리(에틸렌 산화물)(PEO); 폴리부틸비닐 알코올(PBVA); 상기한 두번째 타입의 겔화제들중 적어도 하나를 함유한 조합들; 및 그 등가물이 될 것이다. 두번째 타입의 겔화제가 적절하게 선택되면 겔화에 필요한 시간과 진행율이 최적화된다.
양극 구조물(12) 내에 통합하기 위한 전해질 매체의 제형화가 하기에 설명된다. 첫번째 타입의 겔화제 농도는(금속이 없는 기본 용액에서) 약 0.1% 내지 약 50%, 바람직하게는 약 2% 내지 약 10%, 보다 바람직하게는 약 2.5% 내지 약 6.5%이다. 또한, 두번째 타입의 겔화제 농도는(금속이 없는 기본 용액에서) 약 0.1% 내지약 50%, 바람직하게는 약 2% 내지 약 10%, 보다 바람직하게는 약 2.5% 내지 약 4.5%이다. 본 발명의 특정 실시 예에 있어서, 전해질 매체는 3%의 미세결정(첫번째 타입의 겔화제)을 포함하며, 1%의 CMC 250K 그리고 매체 점성도 CMC(Spectrum사에 의해서 시판중에 있음)(두가지 모두 두번째 타입의 겔화제)를 포함한다.
양극부(16)로서 카드나 다른 고체 구조물을 사용하는 경우, 양극 페이스트가 채용될 수 있다. 양극 페이스트는 금속 성분 및 이온 전도성 매체를 포함한다. 몇몇몇 실시 예에 있어서, 이온 전도성 매체는 수성 전해질과 같은 전해질 및 겔화제를 포함한다. 바람직하게는, 제제는 이온 전도율, 밀도, 방전의 전체 깊이를 최적화하는 반면, 안정적이며(즉, 저장 및/또는 동작중에 침전을 최소화하거나 제거함), 이동가능하며 분출가능하다. 몇몇 실시 예에 있어서, 페이스트는 약 0.1Paㆍs 내지 약 50,000Paㆍs, 바람직하게는 약 10Paㆍs 내지 약 20,000Paㆍs, 보다 바람직하게는 약 100Paㆍs 내지 약 2,000Paㆍs의 점성을 갖는다.
도 7A 내지 도 7D를 참조하면, 음극 구조물(14)의 실시 예가 도시되어 있다. 음극 구조물(14)은 활성 음극부(40) 및 그에 인접한(음극 구조물(14)의 중앙쪽을 향함) 임의의 분리기(42)를 포함한다. 분리기는 전해질 배합 및 양극 구조물에 따라 제거될 것이다. 또한, 음극 구조물(14)은 음극부(40)의 표면을 가로지르는 공기유동을 지원하기 위해서 활성 음극부(40)에 인접하게 위치된 공기 프레임(44)을 포함한다. 추가적으로, 도 7B를 참조하면, 공기가 공기 프레임(44)의 유입구(46)를 거쳐서 들어가고 배출구(48)를 거쳐서 배출되며, 방벽(50)으로 인하여 음극부(14)의 일면을 꾸불꾸불한 형태로 가로질러서 이동한다. 각각의 전지는 예를 들어 전지부품에 대하여 비 도전성 프레임 구조물(52)을 조립하거나 주조함으로써 조립될 것이다(도 7C 참조). 집전기는 여기에서는 참고로서 기재한 예와 같이 형성될 것이다.
도 8A 내지 도 8C를 참조하면, 다중 음극 구조물(12)의 조립체(60)가 도시되어 있다. 인접한 음극 구조물들(14)의 음극 공기 프레임의 유입구와 배출구는 정렬되며(도 8C 참조), 인접한 공기 프레임들의 방벽들(50)은 인접한 음극부들을 가로지르는 꾸불꾸불한 모양의 공기 분배장치(도 8B 참조)를 바람직하게 형성한다. 전체 조립체(60)는 주조, 고정기구, 프레임 부품들, 사출성형 또는 다른 조립 기술들을 사용하여 함께 고정된다. 본 발명의 바람직한 실시 예에 있어서, 주조기술이 사용된다. 예를 들면, 동일한 전지 구조물(14)의 인접한 음극부들 사이에 공기 채널 및 양극 영역에 대한 개방을 가능하게 하는 적당한 스페이서들을 사용하여 주조된다.
다중 전지들 및 공기 취급 방식을 포함한 다른 조립체들이, 여기에서 참고문헌으로서 기재한 다음의 문헌, 즉 2002년 7월 18일자로 "공기 유동 장치를 통합한 금속 공기 전기화학 전지(Metal Air Cell Incorporating Air Flow System)"라는 발명의 명칭으로 출원된 미합중국 출원번호 10/198,397호, 및 2002년 9월 26일자로 "재충전 가능하고 연료보급이 가능한 금속 공기 전기화학 전지(Rechargeable and Refuelable Metal Air Electrochemical Cell)"라는 발명의 명칭으로 출원된 PCT출원 제PCT/US02/30585호에 보다 상세하게 기재되어 있다.
도 9A 및 9B를 참조하면, 다른 바람직한 음극 구조물(14)이 도시되어 있다.구조물은 도 7A 내지 도 7C를 참조하여 설명한 구조물과 유사하며, 스페이서 프레임(62)을 더 포함한다. 또한, 분리기(42)는 틈새들(64)을 포함한다. 이러한 틈새들(또는 플랩들)은 음극 구조물 내로 전해질이 통합되는 것을 용이하게 하기 위하여 제공된다. 양극과 관련하여 설명한 바와 같은 전해질 매체는 전지 장치의 이온 전도도를 증가시키도록 채용된다. 겔 재료의 경우에 있어서, 이 재료는 틈새(64)를 거쳐서 주입되거나, 활성 음극(40)과 분리기(42) 사이에서 스페이서(62)에 의해 조성된 영역에 적용된다.
일반적으로, 두가지 형태의 겔 매체가 상기한 바와 같이 선택된다. 첫번째 타입의 겔화제 농도는(금속이 없는 기본 용액에서) 약 0.1% 내지 약 50%, 바람직하게는 약 2% 내지 약 10%, 보다 바람직하게는 약 1.5% 내지 약 6%이다. 또한, 두번째 타입의 겔화제 농도는(금속이 없는 기본 용액에서) 약 0.1% 내지 약 50%, 바람직하게는 약 2% 내지 약 10%, 보다 바람직하게는 약 2.5% 내지 약 8%이다. 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 첫번째 타입의 겔화제는 2%의 셀룰로스 장 섬유이고, 두번째 타입의 겔화제는 Spectrum사에 의해서 시판중에 있는 4% 중간 점성의 CMC이다.
음극부(40)는 집전기와 같은 적당한 연결 구조물과 함께 활성 성분 및 희석제를 포함한다. 음극부(40)는 보호층(즉, 독일 윌밍톤 소재의 E.I. dU Point Nemours and Company Corp.사에 의해서 Teflon®이라는 제품명으로 시판중인 폴리테트라플루오로에틸렌)을 임의로 포함한다. 일반적으로, 음극 촉매는 적어도 20㎃/㎠, 바람직하게는 적어도 50㎃/㎠, 보다 바람직하게는 100㎃/㎠의 전류 밀도(대기하에서)를 달성하도록 선택된다. 높은 전류 밀도는 적당한 음극 촉매, 제제 및 순수한 공기와 같은 높은 산소 농도의 사용을 통해서 달성된다.
음극부(40)에 공급된 산소는 공기; 세척 공기; 산소 제조자로부터 공급되거나 기계장치로부터 공급되는 순수 산소; 다른 처리된 공기와 같은 산소 공급원, 또는 상기한 산소 공급원들중 적어도 하나를 포함한 조합으로부터 얻어진다.
음극부(40)는 예를 들면 집전기와 같은 적당한 연결 구조물과 함께 활성 성분과 탄소 기판을 포함하는 종래의 공기 확산 음극이 된다. 통상적으로, 음극 촉매는 적어도 20㎃/㎠, 바람직하게는 적어도 50㎃/㎠, 보다 바람직하게는 100㎃/㎠의 전류 밀도(대기하에서)를 달성하도록 선택된다. 높은 전류 밀도는 적당한 음극 촉매 및 제제의 사용을 통해서 달성된다. 음극은 방전과 충전동안에 작동이 가능한 양-기능성(bi-functional)이다.
사용된 음극은 전기화학 전지 환경에 대하여 화학적으로 불활성이고, 하기의 예로서 제한되는 것은 아니지만, 탄소 플레이크, 흑연, 다른 높은 표면적의 탄소 재료들 또는 상기한 탄소 형태들중 적어도 하나를 포함한 조합의 형태로 제공된다.
음극 집전기는 전기 전도도를 제공할 수 있고 바람직하게는 알칼리 용액하에서 화학적으로 안정한 도전성 재료로 이루어진다. 음극 집전기는 음극부(10)를 위한 지지부를 임의적으로 제공할 수 있다. 집전기는 메쉬, 다공성 판, 금속 포말, 스트립, 와이어, 판 또는 다른 적당한 구조물의 형태를 취할 것이다. 집전기는 일반적으로 산소 유동의 장애를 최소화하도록 다공성을 갖는다. 접전기는, 하기의 예로서 제한되는 것은 아니지만, 구리, 스테인레스강과 같은 철금속, 니켈, 크롬, 티탄 및 상기 한 재료들중 적어도 하나를 함유한 조합물과 합금을 포함한 다양한 도전성 재료가 될 수 있다. 적당한 집전기는 니켈 포말 금속과 같은 다공성 금속을 포함한다.
바인더는 적당한 구조물을 형성하도록 양극 재료와 집전기 그리고 촉매를 고착시킨다. 바인더는 탄소, 촉매, 및/또는 집전기를 고착시키기에 적당한 양으로 제공된다. 이 재료는 바람직하게는 전기화학적 환경에 대하여 화학적으로 불활성이다. 몇몇 실시 예에 있어서, 바인더 재료는 소수성 특성을 갖는다. 적당한 바인더는 폴리테트라플루오로에틸렌기지 중합체 및 공중합체(즉, 독일 윌밍톤 소재의 E.I. dU Point Nemours and Company Corp.사에 의해서 시판중인 Teflon®및 Teflon®T-30), 폴리비닐 알코올(PVA), 폴리(에틸렌 산화물)(PEO), 폴리비닐피롤리돈(PVP), 및 파생물들, 상기한 바인더 재료들중 적어도 하나를 함유한 조합물 및 혼합물을 포함한다. 그러나, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 다른 바인더 재료 또한 사용이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
활성 성분은 일반적으로 음극에서 산소 반응을 용이하게 하기 위한 적당한 촉매재료이다. 촉매 재료는 일반적으로 음극에서 산소 반응을 용이하게 하기에 효과적인 양으로 제공된다. 적당한 촉매재료는, 하기의 예로서 제한되는 것은 아니지만, 망간, 란탄, 스트론튬, 코발트, 백금, 그리고 상기한 촉매재료들중 적어도 하나를 포함한 조합물 및 산화물을 포함한다.
여기에서는 참조문헌으로서 기재된 것으로, Wayne Yao and Tsepin Tsai에게 2002년 4월 9일자로 허여된 미합중국 특허 제 6,368,751 호에는 "연료 전지를 위한전기화학 전극(Electrochemical Electrode For Fuel Cell)"라는 발명의 명칭으로 바람직한 공기 음극이 개시되어 있다. 그러나, 다른 공기 음극들이 성능에 따라 사용될 수 있음을 해당 기술분야의 당업자는 용이하게 이해할 수 있을 것이다.
양극을 음극으로부터 전기적으로 절연시키기 위하여, 양극과 음극을 전기적으로 절연시키면서 이온성 연결을 가능하게 하도록 전지(10)의 실시 예들의 다양한 위치에 분리기들이 제공된다. 분리기는 양극과 음극을 전기적으로 절연시킬 수 있고 양극과 음극 사이에 충분한 이온 운반을 가능하게 하는 모든 시판중인 분리기가 될 수 있다. 바람직하게는, 분리기는 전지 성분의 전기화학적 팽창과 수축을 수용하도록 가요성을 가지며, 전지 화학물질에 대하여 화학적으로 불활성을 나타낸다. 적당한 분리기들은, 하기의 예로서 제한되는 것은 아니지만, 직조물, 비직조물, 다공성(극소 다공성 또는 미소 다공성과 같은) 또는 셀룰러, 중합체 시이트등이 될 수 있다. 분리기로서 적당한 재료로는, 하기의 예로서 제한되는 것은 아니지만, 폴리올레핀(다우케미컬 컴패니사에 의해서 시판중인 상표명 Gelgard®), 폴리비닐 알코올(PVA), 셀룰로오스(즉, 니트로셀룰로오스, 셀룰로오스 아세테이트 등), 폴리에틸렌, 폴리아미드(즉, 나일론), 플루오로카본-타입 수지들(즉, 듀퐁사에 의해서 시판중인 술폰산 그룹 기능성을 갖는 Nafion®패밀리 수지들), 셀로판, 필터지, 및 상기한 재료들중 적어도 하나를 포함한 조합물을 구비한다. 분리기는 전해질에 대한 가용성 및 투과성을 향상시키기 위하여 아크릴 화합물과 같은 첨가제 및/또는 피복을 포함할 것이다.
몇몇 실시 예에 있어서, 분리기는 수산화물 전도성 전해질과 같은 전해질을갖는 멤브레인을 포함할 것이다. 젤라틴 알칼리 재료와 같은 수산화물 공급원을 지지할 수 있는 물리적인 특성들(즉, 다공성); 수성 전해질과 같은 수산화물 공급원을 지지할 수 있는 분자 구조물; 양이온 교환 멤브레인과 같은 양이온 교환성질; 또는 수산화물 공급원을 제공할 수 있는 이들 특징들중 하나 또는 그이상의 조합에 의해서, 멤브레인은 수산화물 전도성을 갖는다.
예를 들면, 분리기는 아교질의 알칼리 용액과 같은 수산화물 공급원을 지지할 수 있는 물리적 특성들(즉, 다공성)을 갖는 재료로 이루어질 것이다. 예를 들면, 이온 전도성 매체를 제공하는 다양한 분리기들이, 여기에서 참고문헌으로서 기재한 다음의 문헌들; 1993년 10월 5일자로 Sadeg M. Faris에게 허여된 발명의 명칭 "Variable Area Dynamic Battery"의 미합중국 특허 제5,250,370 호; 2001년 10월 2일자로 Sadeg M. Faris, Yuen-Ming Chang, Tsepin Tsai 및 Wayne Yao에게 허여된 발명의 명칭 "System and Method for Producing Electrical Power Using Metal Air Fuel Cell Battery Technology"의 미합중국 특허 제6,296,960 호; 2002년 10월 10일자로 Sadeg M. Faris 및 Tsepin Tsai에게 허여된 발명의 명칭 "Metal-Air Fuel Cell Battery System Having A Metal-Fuel Card Storage Cartridge, Insertable Within A Fuel Cartridge Insertion Port, Containing A Supply Of Substantailly Planar Discrete Metal-Fuel Cards, And Fuel Card Transport Mechanisms Therein"의 미합중국 특허 제6,472,093 호; 2001년 10월 9일자로 Sadeg M. Faris, Tsepin Tsai, Thomas Legbandt, Wenbin Yao 및 Muguo Chen에게 허여된 발명의 명칭 "Ionically-Conductive Belt Structure for Use in a Metal-Air Fuel Cell BatterySystem and Method of Fabricating the Same"의 미합중국 특허 제6,299,997 호; 2001년 2월 20일자로 Sadeg M. Faris, Tsepin Tsai, Thomas Legbandt, Wenbin Yao 및 Muguo Chen에게 허여된 발명의 명칭 "Ionically-Conductive Belt Structure for Use in a Metal-Air Fuel Cell Battery System and Method of Fabricating the Same"의 미합중국 특허 제6,190,792 호; 2001년 10월 23일자로 Sadeg M. Faris, Tsepin Tsai, Wenbin Yao 및 Muguo Chen에게 허여된 발명의 명칭 "Metal-Air Fuel Cell Battery System Employing Means for Discharging and Recharging Metal-Fuel Cards"의 미합중국 특허 제6,306,534 호; 2001년 10월 9일자로 Tsepin Tsai 및 William Morris에게 허여된 발명의 명칭 "Movable Anode Fuel Cell Battery"의 미합중국 특허 제6,299,998 호; 및 2002년 10월 1일자로 Tsepin Tsai 및 William Morris에게 허여된 발명의 명칭 "Movable Anode Fuel Cell Battery"의 미합중국 특허 제6,458,480 호;에 개시되어 있다.
일반적으로, 수산화물을 지지할 수 있는 물리적 특성을 갖는 재료의 형태는 전해질 겔이다. 전해질 겔은 산화(evolution) 전극 및/또는 환원 전극들의 표면 상에 직접 적용되거나 또는 산화 전극과 환원 전극들 사이에 위치된 자체 지지 멤브레인에 적용된다. 이와는 달리, 겔은 기판에 의해서 지지되고, 산화 전극과 환원 전극들 사이에 통합된다.
전해질은 일반적으로 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH), 수산화리튬(LiOH), 수산화루비듐(RbOH), 수산화세슘(CsOH)과 같은 수산화물-도전성 재료, 또는 상기 전해질 매체중 적어도 하나를 함유한 조합물을 포함한다. 특히, 본 발명의바람직한 실시 예들에 있어서, 전해질은 약 5% 내지 약 55%의 이온 전도성 재료의 농도, 바람직하게는 약 10% 내지 약 50%의 이온 전도성 재료의 농도, 보다 바람직하게는 약 30% 내지 약 40%의 이온 전도성 재료의 농도를 갖는 수성 전해질을 포함한다.
멤브레인을 위한 겔화제는 재료의 원하는 농도를 제공하기에 충분한 양의 겔화제가 된다. 겔화제는 NC, Charlotte 소재의 BF Goodrich Company사에 의해서 시판중에 있는 교차결합된 폴리아크릴산들의 Carbopol®, 영국 웨스트 요크셔(West Yorkshire) 소재의 Allied Colloids Limited사에 의해서 시판중에 있는 Alcosorb®G1, 및 폴리아크릴산의 포타슘 및 소듐 염과 같은 교차결합 폴리아크릴산(PAA); WI, Milwaukee 소재의 Aldrich Chemical Co., Inc.사에 의해서 시판중에 있는 것과 같은 카르복시메틸 셀룰로스(CMC); WI, Milwaukee 소재의 Aldrich Chemical Co., Inc.사에 의해서 시판중에 있는 것과 같은 카르복시메틸 셀룰로스(CMC); 하이드록시프로필메틸 셀룰로스; 젤라틴; 폴리비닐 알코올(PVA); 폴리(에틸렌 산화물)(PEO); 폴리부틸비닐 알코올(PBVA); 상기한 두번째 타입의 겔화제들중 적어도 하나를 함유한 조합들; 및 그 등가물이 될 것이다. 일반적으로, 겔화제 농도는 약 0.1% 내지 약 50%, 바람직하게는 약 2% 내지 약 10%이다.
적당한 기판은, 하기의 예로서 제한되는 것은 아니지만, 직조물, 비직조물, 다공성(극소 다공성 또는 미소 다공성과 같은) 또는 셀룰러, 중합체 시이트등이 될 수 있다. 이는 환원 전극과 산화 전극 사이에 충분한 이온성 수송을 가능하게 할 수 있다. 몇몇 실시 예에 있어서, 기판은 전지 성분의 전기화학적 팽창과 수축을수용하도록 가요성을 가지며, 전지 화학물질에 대하여 화학적으로 불활성을 나타낸다. 기판의 재료들은, 하기의 예로서 제한되는 것은 아니지만, 폴리올레핀(MA, Burlington 소재의 다우케미컬 컴패니사에 의해서 시판중인 상표명 Gelgard®), 폴리비닐 알코올(PVA), 셀룰로오스(즉, 니트로셀룰로오스, 셀룰로오스 아세테이트 등), 폴리아미드(즉, 나일론), 셀로판, 필터지, 및 상기한 재료들중 적어도 하나를 포함한 조합물을 구비한다. 이러한 기판은 전해질에 대한 가용성 및 투과성을 향상시키기 위하여 아크릴 화합물과 같은 첨가제 및/또는 피복을 포함할 것이다.
분리기로서 수산화물-전도성 멤브레인을 채용한 다른 실시 예들에 있어서, 분자 구조물이 수성 전해질과 같은 수산화물 공급원을 지지하도록 제공된다. 그러한 멤브레인들은 자체 지지 고체 상태 구조물에서 달성되는 수성 전해질의 전도도 특성을 이용하는 것이 바람직하다. 몇몇 실시 예에 있어서, 멤브레인은 중합체 재료와 전해질의 복합물로 제조될 것이다. 중합체 재료의 분자 구조물은 전해질을 지지한다. 교차결합 및/또는 중합체 스트랜드는 전해질을 유지하도록 기능한다.
도전성 분리기의 일 예에 있어서, 폴리비닐 클로라이드(pvc) 또는 폴리(에틸렌 산화물)(PEO)와 같은 중합체 재료는 두꺼운 필름으로서 수산화물 공급원과 일체로 형성된다. 첫번째 제형화(formulation)에 있어서, 1몰의 수산화칼륨과 0.1몰의 염화칼슘이 60㎖의 물과 40㎖의 테트라하이드로겐 퓨란(THF)의 혼합 용액내에 용해된다. 염화칼슘은 흡수제로서 제공된다. 그런후에, 1몰의 PEO가 혼합물에 첨가된다. 두번째 제형화에 있어서, 첫번째 제형화와 동일한 재료가 사용되는데 PEO 대신에 PVC가 이용된다. 용액은 폴리비닐 알코올(PVA) 타입의 가소성 재료와 같은 기판위로 놓이는 두꺼운 필름처럼 코팅된다. 필름 재료보다 강한 표면장력을 갖는 다른 기판 재료들이 사용될 것이다. 적용된 코팅으로부터 혼합된 용매가 증발함에 따라서, 이온-전도성 고체 상태 멤브레인이 PVA 기판상에 형성된다. PVA 기판으로부터 고체 상태 멤브레인을 벗겨냄에 따라서, 고체상태 이온-전도성 멤브레인 또는 필름이 형성된다. 상기한 제형화를 이용하여, 약 0.2 내지 약 0.5㎜ 범위의 두께를 갖는 이온-전도성 필름을 형성할 수 있게 된다.
분리기로서 사용하기에 적당한 도전성 멤브레인의 다른 실시 예들이, 여기에서 참고문헌으로서 기재한 다음의 문헌들; 1999년 2월 26일자로 Muguo Chen, Tsepin Tsai, Wayne Yao, Yuen-Ming Chang, Lin-Feng Li, 및 Tom Karen에 의해 "Solid Gel Membrane"이라는 발명의 명칭으로 출원된 미합중국 출원번호 09/259,068 호; 2002년 3월 19일자로 Muguo Chen, Tsepin Tsai, 및 Lin-Feng Li에 게 허여된 발명의 명칭 "Solid Gel Membrane Separator in Rechargeable Electrochemical Cells"의 미합중국 특허 제 6,358,651 호; 2001년 8월 30일자로 Robert Callahan, Mark Stevens 및 Muguo Chen에 의해 "Polymer Matrix Material"이라는 발명의 명칭으로 출원된 미합중국 출원번호 09/943,053 호; 및 2001년 8월 30일자로 Robert Callahan, Mark Stevens 및 Muguo Chen에 의해 "Electrochemical Cell Incorporating Polymer Matrix Material"이라는 발명의 명칭으로 출원된 미합중국 출원번호 09/942,887호에 보다 상세하게 기재되어 있다.
몇몇 실시 예에 있어서, 중합 재료는 수용성 에틸렌 불포화 아미드 및 산들, 임의의 수용성 또는 가용성 중합체의 그룹으로부터 선택된 하나 또는 그이상의 단량체들의 중합 생성물을 포함하는 분리기로서 사용된다. 중합 생성물은 지지 재료 또는 기판 상에 형성될 것이다. 지지 재료 또는 기판은, 하기의 예로서 제한되는 것은 아니지만, 폴리올레핀, 폴리비닐 알코올, 셀룰로스와 같은 직조물 또는 비직조물, 나일론과 같은 폴리아미드가 될 것이다.
전해질은 상기한 단량체의 중합전 또는 중합후에 첨가될 것이다. 예를 들면, 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 전해질이 단량체, 임의의 중합반응 개시제, 중합반응전 임의의 보강 요소를 포함하는 용액에 첨가되고, 중합반응후에 중합 재료 내에 함유된 상태로 유지된다. 이와는 달리, 중합반응은 촉매없이 유효하며, 여기에서 촉매는 부수적으로 포함된다.
수용성 에틸렌 불포화 아미드 및 산 단량체들은 메틸렌비스아크릴아미드, 아크릴아미드, 메타아크릴산, 아크릴산, 1-비닐-2-피롤리디온, N-이소프로필아크릴아미드, 퓨마라미드, 퓨마릭산, N, N-디메틸아크릴아미드, 3,3-디메틸아크릴산, 및 비닐술폰산 나트륨염, 다른 수용성 에틸렌 불포화 아미드 및 산 단량체, 또는 상기한 단량체들중 적어도 하나를 함유한 조합물을 포함하게 될 것이다.
보강제로서 작용하는 수용성 또는 가용성 중합체는 폴리술폰(음이온의), 폴리(소듐 4-스티렌술포네이트), 카르복시메틸 셀룰로스, 폴리의 소듐염(스티렌술폰산-코-말레산), 옥수수 녹말, 다른 수용성 또는 물-포화성 중합체들, 또는 상기한 수용성 또는 물-포화성 중합체들중 적어도 하나를 포함한 조합들을 구비할 것이다. 보강 요소의 추가는 중합체 구조물의 기계적 강도를 향상시킨다.
임의로, 메틸렌비스아크릴아미드, 에틸렌비스아크릴아미드, 모든 수용성N,N'-알킬리덴-비스(에틸렌 불포화 아미드), 다른 교차결합제, 또는 상기한 교차결합제들중 적어도 하나를 함유한 조합물을 포함한다.
중합반응 개시제는 암모늄 아황산염, 알칼리 금속 아황산염 및 아산화물, 다른 개시제들 또는 상기한 개시제들중 적어도 하나를 함유한 조합물을 포함한다. 또한, 개시제는 복사, 예를 들면 자외선, X-선, γ-선, 등을 포함한 라디칼 발생방법과 조합하여 사용될 수 있다. 그러나, 복사 자체가 추가될 필요가 없는 개시제들은 중합반응을 개시하기에 충분할 정도로 강력하다.
중합 재료를 형성하기 위한 한가지 방법에 있어서, 선택된 직물은 단량체 용액내에 흡수되고(이온성 종들이 존재하거나 존재하지 않은 상태), 용해 피복 직물은 냉각되고, 중합반응 개시제가 임의로 추가된다. 단량체 용액은 가열, 자외선, X-선, γ-선, 전자 빔을 이용한 복사, 이들의 조합에 의해서 중합되어 중합체 재료가 생성된다. 이온 종들이 중합체 용액내에 포함되는 경우, 수산화물 이온(또는 다른 이온)은 중합반응 후에 용액내에 잔류한다. 또한, 중합체 재료가 이온 종들을 포함하지 않는 경우, 예를 들면 이온성 용액내에 중합재료를 흡착시킴에 의해서 추가될 것이다.
중합반응은 상온 내지 약 130℃의 온도 범위에서 수행된다. 그러나, 바람직하게는 약 75℃ 내지 약100℃의 증가된 온도범위에서 수행된다. 임의적으로, 중합반응은 가열을 통한 복사를 이용하여 수행될 것이다. 이와는 달리, 중합반응은 복사의 강도에 의존하여 온도구배를 증가시킴이 없이 복사 자체를 사용하여 수행될 것이다. 중합반응에 있어서 유용한 복사 형태의 예로서는, 하기의 예로서 제한되는것은 아니지만, 자외선, γ-선, X-선, 전자빔 또는 이들의 조합을 포함한다.
멤브레인의 두께를 조절하기 위해서, 피복된 직물이 중합반응전에 적당한 몰드에 위치될 것이다. 이와는 달리, 단량체 용액으로 피복된 직물은 유리와 폴리에틸렌 테라팔레이트(PET) 필름과 같은 적당한 필름들 사이에 위치될 것이다. 필름의 두께는 특정한 용도에 유효한 것을 기초로하여 변화될 수 있음을 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 명백하게 이해할 것이다. 몇몇 실시 예에 있어서, 예를 들면 공기에서 산소를 분리하기 위한 경우, 멤브레인이나 분리기는 약 0.1㎜ 내지 약 0.6㎜의 두께를 가질 것이다. 실제적인 전도성 매체가 중합체 골격(backbone) 내에 수성 용액에 잔류하기 때문에, 멤브레인의 전도도는 액체 전해질의 전도도와 비교될 수 있으며, 상온에서 상당히 높다. 분리기의 다른 실시 예에 있어서, 양이온 교환 멤브레인이 채용된다. 몇몇 바람직한 양이온 교환 멤브레인들은 4가 암모늄염 구조 기능성; 강한 기지 폴리스티렌 디비닐벤젠 교차결합 타입 I 양이온 교환제; 취약 베이스 폴리스티렌 디비닐벤젠 교차결합 양이온 교환제; 강한 베이스/취약 베이스 폴리스티렌 디비닐벤젠 교차결합 타입 II 양이온 교환제; 강한 베이스/취약 베이스 아크릴 양이온 교환제; 강한 기지 과불화 아미네이티드 양이온 교환제; 일정 점토와 같이 천연적으로 발생되는 양이온 교환제; 및 상기한 재료들중 적어도 하나를 포함한 조합물 및 혼합물을 포함한다. 적당한 양이온 교환 멤브레인의 다른 예는 여기에서는 참조문헌으로서 기재된 하기의 문헌, 즉 2001년 2월 6일자로 Wayne Yao, Tsepin Tsai, Yuen-Ming Chang 및 Muguo Chen에게 허여된 발명의 명칭 "Polymer Based Hydroxide Conducting Membranes"의 미합중국 특허 제 6,183,914호에 보다 상세하게 기재되어 있다. 멤브레인은 (a) 알칼리 4가 암모늄염 구조물을 갖느 유기 중합체; (b) 질소 함유 헤테로사이클릭 암모늄염; 및 (c) 수산화물 양이온의 공급원을 함유한 암모늄기지 중합체를 포함한다.
다른 실시 예에 있어서, 결과적으로 생성된 멤브레인의 기계적인 강도는, 폴리올레핀, 폴리에스테르, 폴리비닐 알코올, 셀룰로스와 같은 직조물이나 비직조물, 또는 나일론과 같은 폴리아미드로 이루어진 지지 재료나 기판 상에 조성물을 도포함에 의해서 증가될 것이다.
도 10을 참조하면, 음극 구조물의 다른 실시 예가 도시되어 있다. 이러한 음극 구조물은 분리기(42)와 음극 구조물의 중앙에 사이에 배치된 강체 구조물(66)을 포함한다. 강체 구조물(66)은 양극 구조물로서 사용된 구조물(20)과 유사하다. 임의적으로, 다른 분리기(68)가 강체 구조물(66)에 인접하여 제공된다. 강체 구조물(66)을 포함시킴으로써, 음극 구조물의 연료 보급성과 내구성이 향상된다.
음극 구조물을 위한 집전기는 통상적인 배치 구성을 이룬다. 한가지 바람직한 예가 도 11에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 단일의 음극 스트립이 한쌍의 음극부(40a,40b)를 형성하도록 사용될 것이다. 집전기(70)는 음극 스트립 상에 리벳 고정되어 음극 스트립을 한쌍의 음극부(40a,40b)로 분할한다. 전기적인 접촉을 용이하게 하기 위하여 탭(72)이 제공된다.
도 12A 및 12B를 참조하면, 양극과 음극을 포함한 전지의 인터페이스 확대도가 도시되어 있다. 본 발명의 바람직한 실시 예에 있어서, 분리기(19)(양극 구조물(12)과 연관됨)와 분리기(42)(음극 구조물(14)과 연관됨) 사이에 간격이 제공된다.이러한 간격은 양극 구조물으 연료보급시 간격유지를 가능하게 한다.
연료보급을 용이하게 하기 위하여, 물-기지 또는 전해질 겔이 분리기(19)와 (42) 사이의 인터페이스 간격에 포함된다. 전해질 겔이 사용되는 경우, 상기한 제형화들중 어느 것이든지 적당하다. 본 발명의 몇몇 실시 예에 있어서, 양극 구조물을 음극 구조물로 삽입하기 전에 윤활성 비-부식성 겔을 제공하는 것이 바람직하다. 하나의 그러한 겔은 상기한 첫번째나 두번째 타입의 겔화제에 추가하여 물(바람직하게는 이온이 제거된 물)을 포함한다. 바람직하게는, 겔화제들은 전극 인터페이스에서 윤활성을 제공하도록 PAA 및/또는 Carbopol®을 기초로 한다. 겔화제는 전체 용액 대비 약 0.1% 내지 약 50%, 바람직하게는 약 2% 내지 약 10%, 보다 바람직하게는 약 1.5% 내지 약 6.5%이다.
방전의 착수 직후에, 양극 및/또는 음극에서 겔의 이온성 전도 매체가 인터페이스 물 겔 내로 도입되어 이온 전도도를 증가시키고 내부 저항은 감소시킨다.
금속 공기 전지 및 그 성분들로부터 얻어지는 다양한 잇점들이 설명된다. 양극 구조물들은 강체 카트리지 형태이다. 양극 재료와 전해질 겔은 강체 구조물 내에 포함된다. 또한, 양극 구조물들의 형상은 양극 구조물들이 음극 구조물들로부터 용이하게 제거되도록 약간 변화한다.
금속 공기 전지의 다른 장점은 디자인의 고유한 안전성에 있다. 소모된 연료 카트리지들은 처분하기에 안전하고, 사용된 연료를 재활용하기가 용이하다. 예를 들면, 소모된 연료 카트리지는 재활용 공장에서 처리되며, 여기에서 오래된 양극 재료는 제거되고 새로운 양극 재료가 다시 삽입되며, 프레임들과 강체 구조물들이재활용된다. 이와는 달리, 소모된 연료는 반대과정을 거쳐서 재충전되며, 이때 금속 산화물을 금속으로 변경시키도록 전압이 인가된다. 도 8A 내지 도 8C를 참조하여 설명한 바와 같이 다수의 전지들이 함께 조립된다. 포장에 의해서 사용자에 대한 잠재적인 오염의 위험성이 최소화되거나 제거되며 연료보급이 용이하다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (39)

  1. 금속 공기 전지로서,
    대향하는 음극부 및 양극 구조물을 수용하도록 형성된 공간을 포함하는 음극 구조물; 및
    양극과 음극을 전기적으로 절연시키도록 상기 양극과 상기 음극 사이에 제공된 분리기;를 포함하며,
    상기 양극 구조물은 이온성 연결을 가능하게 하기 위한 다수의 틈새들을 갖는 한쌍의 강체 구조물 및 상기 강체 구조물들 사이에 제공된 양극 재료를 구비하고, 상기 양극 구조물의 상기 강체 구조물들은 상기 음극 구조물로부터 상기 양극 구조물을 용이하게 제거할 수 있게하는 것을 특징으로하는 금속 공기 전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 양극 구조물과 상기 음극 구조물은 전해질 겔을 포함하는 것을 특징으로하는 금속 공기 전지.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 양극 구조물과 상기 음극 구조물 사이에 간격이 존재하는 것을 특징으로하는 금속 공기 전지.
  4. 제 3 항에 있어서, 물-기지 겔(water based gel)이 상기 간격에 제공되는 것을 특징으로하는 금속 공기 전지.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 강체 구조물은 비-전도성을 나타내는 것을 특징으로하는 금속 공기 전지.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 강체 구조물은, 플라스틱, 플라스틱 코팅된 금속, 세라믹, 비-전도성 또는 코팅된 탄소 복합물들, 및 상기한 재료들중 적어도 하나를 함유한 조합물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로하는 금속 공기 전지.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 강체 구조물은, 상기 양극 구조물의 활성 재료와 상기 음극 구조물에서 발생된 수산화물 이온들 사이의 이온성 연결을 위한 다수의 틈새를 구비하는 것을 특징으로하는 금속 공기 전지.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 다수의 틈새는 육각형, 원형, 타원형, 슬롯들 또는 상기한 것들중 적어도 하나를 포함한 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로하는 금속 공기 전지.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 강체 구조물은, 약 70% 내지 약 90%의 개방 영역비율을 갖는 플라스틱 코팅된 금속 벌집형 메쉬를 포함하는 것을 특징으로하는 금속 공기 전지.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 강체 구조물은, 약 78%의 개방 영역비율을 갖는 플라스틱 코팅된 금속 벌집형 메쉬를 포함하는 것을 특징으로하는 금속 공기 전지.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 강체 구조물은, 전기화학적 변환중에 상기 양극 구조물의 상기 양극 재료가 팽창하려는 경향에 대항하는 것을 특징으로하는 금속 공기 전지.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 강체 구조물은 서로 부착된 것을 특징으로하는 금속 공기 전지.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 강체 구조물은 서로 분리된 것을 특징으로하는 금속 공기 전지.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 전해질은 상기 양극 구조물 내에 삽입되는 것을 특징으로하는 금속 공기 전지.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 양극 구조물은, 아연, 칼슘, 리튬, 마그네슘, 철 금속, 알루미늄으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 금속성분, 상기 금속성분들중 적어도 하나의 산화물, 및 상기 금속성분들중 적어도 하나를 함유한 조합물과 합금들을 포함하는 것을 특징으로하는 금속 공기 전지.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 금속 성분은, 비스무스, 칼슘, 마그네슘, 알루미늄, 인듐, 납, 수은, 갈륨, 주석, 카드뮴, 게르마늄, 안티몬, 셀레늄, 탈륨으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 금속, 상기한 금속들중 적어도 하나의 산화물, 및 상기한 성분들중 적어도 하나를 함유한 조합물과 혼합되거나 합금화되는 것을 특징으로하는 금속 공기 전지.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 양극 구조물은 분말, 섬유, 분진, 입자, 플레이크들, 니들(needles) 및 펠렛으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 금속성분으로 형성되는 것을 특징으로하는 금속 공기 전지.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 양극 구조물은 섬유상의 금속성분으로 형성되는 것을 특징으로하는 금속 공기 전지.
  19. 제 1 항에 있어서, 상기 양극 구조물은 유입구와 배출구를 갖는 튜브를 포함하며, 전지 조립체를 형성하는 동안에, 경화되지 않은 상태의 겔화제제가 상기 유입구를 통해서 주입되어 상기 배출구를 통해서 상기 전지 전체에 걸쳐서 분산되는 것을 특징으로하는 금속 공기 전지.
  20. 제 1 항에 있어서, 내부에 전해질 매체를 갖는 몰드에 상기 강체 구조물을 구비한 상기 양극 구조물을 도입함으로써 상기 양극 구조물 내로 겔 촉매가 도입되는 것을 특징으로하는 금속 공기 전지.
  21. 제 1 항에 있어서, 상기 양극 구조물 내에서 전해질 겔의 균등한 분포를 증진하도록 두가지 타입의 겔화제제가 사용되는 것을 특징으로하는 금속 공기 전지.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 두가지 타입의 겔화제제는, 겔 용액의 원하는 점성을 제공하기 위한 두번째 타입의 겔화제를 분산시킬 수 있도록 상대적으로 낮은 점성을 갖는 매트릭스에 충분한 매트릭스 구조물을 제공하기 위한 첫번째 타입의 겔화제를 포함하며, 이에 의해 상기 두번째 타입의 겔화제는 겔화가 진행되는 동안에 침전되거나 원하지 않는 농후한 큰 덩어리를 형성하는 것을 방지하는 것을 특징으로하는 금속 공기 전지.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 첫번째 타입의 겔화제는, 셀룰로스 섬유(긴것, 중간것, 짧은 것), 알파-섬유, 미소결정성 셀룰로스 및 상기한 것들중 적어도 하나를 포함하는 조합물로 이루어진 겔화제들의 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로하는 금속 공기 전지.
  24. 제 22 항에 있어서, 상기 두가지 타입의 겔화제제는, 폴리아크릴산의 포타슘및 소듐 염과 같은 교차결합 폴리아크릴산(PAA); 카르복시메틸 셀룰로스(CMC); 하이드록시프로필메틸 셀룰로스; 젤라틴; 폴리비닐 알코올(PVA); 폴리(에틸렌 산화물)(PEO); 폴리부틸비닐 알코올(PBVA); 상기한 두번째 타입의 겔화제들중 적어도 하나를 함유한 조합물로 이루어진 겔화제의 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로하는 금속 공기 전지.
  25. 제 22 항에 있어서, 상기 첫번째 타입의 겔화제 농도는(금속이 없는 기초 용액내에서), 약 0.1% 내지 약 50%인 것을 특징으로하는 금속 공기 전지.
  26. 제 22 항에 있어서, 상기 첫번째 타입의 겔화제 농도는(금속이 없는 기초 용액내에서), 약 2% 내지 약 10%인 것을 특징으로하는 금속 공기 전지.
  27. 제 22 항에 있어서, 상기 첫번째 타입의 겔화제 농도는(금속이 없는 기초 용액내에서), 약 2.5% 내지 약 6.5%인 것을 특징으로하는 금속 공기 전지.
  28. 제 22 항에 있어서, 상기 두번째 타입의 겔화제 농도는(금속이 없는 기초 용액내에서), 약 0.1% 내지 약 50%인 것을 특징으로하는 금속 공기 전지.
  29. 제 22 항에 있어서, 상기 두번째 타입의 겔화제 농도는(금속이 없는 기초 용액내에서), 약 2% 내지 약 10%인 것을 특징으로하는 금속 공기 전지.
  30. 제 22 항에 있어서, 상기 두번째 타입의 겔화제 농도는(금속이 없는 기초 용액내에서), 약 2.5% 내지 약 4.5%인 것을 특징으로하는 금속 공기 전지.
  31. 제 22 항에 있어서, 상기 전해질 매체는 3%의 미세결정(첫번째 타입의 겔화제), 1%의 CMC 250K, 그리고 상기 두번째 타입의 겔화제로서 중간 점성을 갖는 CMC를 포함하는 것을 특징으로하는 금속 공기 전지.
  32. 제 1 항에 있어서, 상기 음극 구조물은, 상기 활성 음극부의 표면을 가로지르는 분배된 공기 유동을 지원하기 위한 활성 음극부에 인접하게 위치된 공기 프레임들을 포함하는 것을 특징으로하는 금속 공기 전지.
  33. 제 1 항에 따른 다수의 전지들을 포함하는 금속 공기 전지장치.
  34. 제 32 항에 있어서, 상기 각각의 음극 구조물은 연관된 음극 공기 프레임을 포함하며, 상기 음극 공기 프레임은 하나의 음극 구조물에 제공되거나 또는 인접한 음극 구조물에 의해서 공유되고, 상기 음극 공기 프레임은 공기 유입구와 공기 배출구를 구비하며, 상기 인접한 음극 구조물의 음극 공기 프레임들의 공기 유입구와 공기 배출구들이 정렬되는 것을 특징으로 하는 금속 공기 전지장치.
  35. 제 32 항에 있어서, 상기 다수의 전지들은 일체형 전지장치를 형성하도록 주조되는 것을 특징으로 하는 금속 공기 전지장치.
  36. 이온성 연결을 가능하게 하기 위한 다수의 틈새들을 갖는 한쌍의 강체 구조물 및 상기 강체 구조물들 사이에 제공된 소모성 양극 재료를 포함하는 것을 특징으로하는 네가티브 전극 구조물.
  37. 제 35 항에 있어서, 상기 소모성 전극 재료 내에 통합된 전해질 겔을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 네가티브 전극 구조물.
  38. 전해질 겔 및 상기 양극 구조물 내에 제공된 활성 양극재료의 균등한 분배를 증진하기 위하여 첫번째 타입의 겔화제 및 두번째 타입의 겔화제를 사용하는 단계를 포함하는 양극 구조물의 형성방법.
  39. 제 37 항에 있어서, 상기 첫번째 타입의 겔화제는, 겔 용액의 원하는 점성을 제공하기 위하여 상기 두번째 타입의 겔화제를 분산시킬 수 있는 충분한 매트릭스 구조물을 비교적 낮은 점성의 매트릭스에 제공하며, 이에 의해 겔화가 진행되는 동안에 두번째 타입의 겔화제가 침전되거나 원하지 않는 농후한 큰 덩어리를 형성하는 것이 방지되는 것을 특징으로 하는 양극 구조물의 형성방법.
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