KR20120119228A - 금속 공기 전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

금속 공기 전지 및 이의 제조방법 Download PDF

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KR20120119228A
KR20120119228A KR1020110036963A KR20110036963A KR20120119228A KR 20120119228 A KR20120119228 A KR 20120119228A KR 1020110036963 A KR1020110036963 A KR 1020110036963A KR 20110036963 A KR20110036963 A KR 20110036963A KR 20120119228 A KR20120119228 A KR 20120119228A
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이상균
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Abstract

본 발명은 금속 음극과 공기 양극을 포함하는 금속 공기 전지이고, 상기 금속 음극은 유기전해액을 포함하고, 상기 공기 양극은 수성 전해액을 포함하는 금속 공기 전지와 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 구조의 금속 공기 전지는 양극과 음극의 전해액의 혼합을 막을 수 있고, 전지 반응을 활성화시킬 수 있어 고용량의 전지 제조가 가능하다. 따라서, 양극에서의 고체 반응생성물의 석출을 방지할 수 있으며, 물이나 산소 등은 고체 분리막을 통과할 수 없으므로, 음극의 금속과 반응할 위험성이 없어 전지 안정성이 우수하고, 충전시, 충전 전용 양극을 배치하여 충전에 의한 공기 양극의 부식과 열화를 방지할 수 있다.

Description

금속 공기 전지 및 이의 제조방법{Metal air battery and method for preparing the same}
본　발명은 안전성이 우수하고, 고용량의 금속 공기 전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근, 화석 연료의 소비에 따른 이산화탄소 배출량의 증가와 원유 가격의 급격한 변화 등의 이유로 자동차 에너지원을 가솔린이나 경유에서 전기에너지로 전환하는 것이 주목받고 있다.
전기자동차의 실용화는 벌써 일부 진행되고 있으나, 장거리주행용 축전지로서의 리튬이온전지의 고성능화와 저비용화가 기대되고 있다. 그러나, 현재의 리튬이온전지로는 전지용량에 제약이 있어 장거리주행이 곤란하고, 또한 그에 따른 대량의 전지를 자동차에 탑재할 필요가 있어서 차체가격이 대폭 상승하는 문제가 있다.　
전기자동차의 보급을 위해서는 현재 레벨의 약6~7배 높은 에너지 밀도가 필요하다. 그래서 이론상 리튬이온전지보다 훨씬 큰 에너지밀도를 가지는 금속-공기전지가 주목받고 있다. 금속을 음극활물질로 하고, 공기중의 산소를 양극활물질로 하는 충방전　가능한 전지가 지목되고 있다. 양극의 활물질인 산소는 전지셀에 포함시킬 필요가 있으므로 이론상 리튬이온전지보다 큰 용량을 기대할 수 있고, 자동차용 전지로서도 연구되고 있다.
금속 공기 전지의 방전시, 금속과 산소가 반응하여 금속 산화물(Metal Oxide)를 생성하는 (Metal + O2→ Metal　Oxide) 수율에 의하면 가장 매력적인 개방 전압은 2.8V정도이다. 이때 이론적으로 저장　가능한 단위중량당 에너지는 3000~5000Wh/kg로서 리튬이온 이차전지의300Wh/kg　와 비교하면 매우 높은 수준이다.
실제로 산소는 공기에서 얻어지는 것이므로, 우주?수중 등 특별한 경우를 빼고는 축전지에 저장할 필요가 없으므로 실효적인 성능은 한층 더 올라간다. 참고로, 리튬이온전지는 방전용량이 120~150mAh/g, 금속 공기 전지는 700~3000mAh/g이다.
그래서 이론적으로 대용량화가 가능하다　예측되는 금속(Li) 공기 전지가 차세대 대용량전지로 주목받고 있다.
그러나 지금까지 보고된 리튬 공기 전지는 다음과 같은 문제를 가진다:
1)양극에 고체의 반응생성물（Li2O）이 축적됨에 따른 분리막의 기공(Pore)를 막히게 하여, 충방전 효율의 저하 및 Short의 문제가 존재하였다.
2)공기 중의 수분이 금속　리튬과 반응하면 위험한 수소 가스가　발생된다.
3)공기 중의 질소가 금속　리튬과 반응하여 방전을 방해할 염려가 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 금속 공기 전지의 여러 가지 문제를 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 고용량을 가지면서, 충방전 효율의 저하 및 쇼트(Short) 문제를 발생시키지 않고, 수소 가스를 발생시키지 않으며, 방전 방해 등의 문제가 없는 금속 공기 전지를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기와 같은 특징을 가지는 고용량의 금속 공기 전지의 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 금속 공기 전지는 금속 음극과 공기 양극을 포함하는 금속 공기 전지이고, 상기 금속 음극은 유기전해액을 포함하고, 상기 공기 양극은 수성 전해액을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 금속 음극은 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 아연(Zn) 및 이들의 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
상기 공기 양극은 귀금속, 금속산화물, 및 유기 금속 착제로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 촉매를 포함할 수 있다.
상기 귀금속은 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag) 중에서 선택되는 1종 이상이고, 금속산화물은 망간(Mn), 니켈(Ni), 코발트(Co) 중에서 선택되는 1종 이상이고, 유기 금속 착제는 금속 포피린 및 금속 프탈로시아닌 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
상기 유기 전해액 및 수성 전해액은 리튬 함유 화합물을 전해질염으로 포함하는 것일 수 있다.
상기 리튬 함유 화합물은 LiPF6, LiBF4, LiClO4, LiN(SO2CF3)2, LiN(SO2C2F5)2, CF3SO3Li, LIC(SO2CF3)3, LiAsF6, LiSbF6, LiI, LiCF3CO2, LiPF3(C2F5)3, LiF3(C2F5)3, LiF3(CF3)3, LiPF4(C2F5)2, LiPF4(CF3)2, LiPF5(C2F5), 및 LiPF5(CF3)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상이 바람직하다.
상기 유기 전해액의 용매는 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 부틸렌카포네이트, 에틸메틸카보네이트, 디에틸카보네이트, 디메틸카보네이트, 디메틸에테르, 디에틸에테르, 테트라히드로푸란, 메틸테토란히드로푸란, 디옥솔란, 메틸디옥솔란, 술포란(sulfolane), γ－부티로락톤, 디메틸포름아미드, 디메틸술폭시드, 디메톡시에탄, 초산에틸, 초산메틸, 락산메틸, 및 프로피온산에틸로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하다.
상기 수성 전해액은 pH 10~12.5인 알칼리성 전해액이 바람직하다.
상기 유기 전해액과 수성 전해액 사이에는 분리막을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 분리막은 금속 음극을 구성하는 금속 이온만을 통과시키는 고체 분리막이 바람직하다.
상기 고체 분리막은 실리콘(Si), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), 및 마그네슘(Mg)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 금속으로 된 고체 무기 분리막일 수 있다.
상기 분리막은 전해액에 반응성이 없는 유기 고분자/무기물 복합 분리막일 수 있다.
상기 분리막이 전해액에 반응성이 없는 유기 고분자/무기물 복합 분리막인 경우, 상기 유기 고분자는 중량평균분자량 100,000~5,000,000의 산소(-O-) 원자 함유 유기 고분자 화합물이 바람직하다.
상기 유기 고분자 화합물은 폴리에틸렌옥사이드, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리옥시메틸렌 및 이들의 유도체 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
또한, 상기 유기 고분자/무기물 복합 분리막의, 상기 무기물은 실리콘(Si), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), 및 마그네슘(Mg)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 다른 과제를 해결하기 위하여 금속 음극을 제조하는 단계, 공기 양극을 제조하는 단계, 상기 금속 음극과 공기 양극 사이에 고체 분리막을 형성시키는 단계, 상기 금속 음극에 유기 전해액을 함침시키는 단계, 및 상기 공기 양극에 수성 전해액을 함침시키는 단계를 포함하는 금속 공기 전지의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 금속 음극에는 유기　전해액을 이용하고, 양극의 공기극　측에서는 수용성　전해액을 사용하며, 상기 음극의 유기전해액과 공기극의 수용성　전해액 사이에 음극의 금속 이온만을 통과시키는 고체 분리막을 사용하는 구조를 가진다.
따라서 본 발명에 다른 금속 공기 전지는 양극과 음극의 각 전해액의 혼합을 막을 수 있고, 전지 반응을 활성화시킬 수 있어 고용량의 전지 제조가 가능하다.
또한, 양극에서의 고체 반응생성물의 석출을 방지할 수 있는 효과를 가진다.
또한, 양극 활물질로 사용되는 물이나 산소 등은 고체 분리막을 통과할 수 없으므로, 음극의 금속과 반응할 위험성이 없어 전지 안정성을 향상시킬 수 있는 효과를 가진다.
또한, 본 발명은 충전 시, 충전 전용 양극을 배치하여 충전에 의한 공기 양극의 부식과 열화를 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 음극, 양극, 및 전해액의 구조이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지의 구조이다.
이하에서 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명의 금속 공기 전지는 금속 음극과 공기 양극을 포함하는 금속 공기 전지이고, 상기 금속 음극은 유기전해액을 포함하고, 상기 공기 양극은 수성 전해액을 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 금속 음극의 유기전해액과 공기 양극의 수성 전해액 사이에는 분리막을 포함하도록 한다.
이러한 구조는 다음 도 1에 나타낸 바와 같다.
본 발명의 음극(10)은 음극 집전체(11) 상에 1종 이상의 금속을 활물질로 포함하는 활물질 슬러리를 도포시킨 활물질층(12)을 포함한다.
음극 활물질은 금속 이온을 흡장 및 방출할 수 있는 것이면 특별히 한정되지 않으며, 상기 금속 이온의 구체 예로는, 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 아연(Zn) 및 이들의 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
상기 음극 활물질이 도포되는 음극 집전체는 도전성을 가지는 것이면 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어, 스테인레스스틸, 구리, 니켈, 및 이들의 합금 등을 이용할 수 있다. 또한, 그 두께는 10~300㎛ 정도의 것이 바람직하다. 상기 집전체로서는 상기와 같은 금속의 박(箔)뿐만 아니라, 에칭된 금속박(箔), 혹은 익스팬디드 메탈, 펀칭 메탈, 그물, 발포체 등과 같이 앞 뒷면을 관통하는 구멍을 갖춘 것도 무방하다.
또한, 본 발명의 양극(20)은 양극 집전체(21)에 공기를 활물질로 하고, 여기에 촉매, 및 기타 첨가제를 포함하는 슬러리를 도포시킨 활물질층(22)을 포함한다.
상기 양극 집전체(21)은 다공성 탄소 재료가 내부식성이 우수하고, 금속에 비해 가볍기 때문에 바람직하며, 예를 들어, 탄소섬유, 부활(activated) 탄소 재료 등을 사용할 수 있다. 양극 집전체(21)는 외부의 산소를 원활하게 확산시킬 수 있도록 다공질 구조를 가지는 것이 보다 바람직하다. 다공질 구조는 특별히 한정되지 않으며, 기공률이 10~40%를 가지는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 금속 공기 전지는 양극 활물질로서 산소를 사용하기 때문에, 상기 양극 집전체(21)가 금속 공기 전지의 케이스(외장재)의 기능을 동시에 수행해도 무방하다.
외부의 산소를 활물질로 사용하기 위해, 별도의 다공막을 설치하여 산소의 유입을 원활하게 할 수 있으며, 별도의 산소 공급 장치를 설치할 수도 있다.
본 발명의 공기 양극은 산소를 양극 활물질로 사용함에 있어, 상기 산소의 반응을 촉진시키기 위한 촉매를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 촉매의 구체 예로는, 귀금속, 금속산화물, 및 유기 금속 착제로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 귀금속은 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag) 중에서 선택되는 1종 이상이고, 금속산화물은 망간(Mn), 니켈(Ni), 코발트(Co) 중에서 선택되는 1종 이상이고, 유기 금속 착제는 금속 포피린 및 금속 프탈로시아닌 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
상기 촉매의 함량은 공기 양극 전체 조성 중 1~10중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 1중량% 미만에서는 촉매의 역할을 기대하기 어렵고, 10중량%를 초과하는 경우 분산도 저하 및 Cost문제 때문에 바람직하지 못하다.
또한, 상기 촉매 이외에도, 도전성 재료 및 바인더 등을 더 포함할 수도 있으며, 이들의 구체 예는 통상의 2차 전지 및 금속 공기 전지에 사용되는 것이면 어느 것이나 사용 가능하며, 그 함량 또한 통상적인 수준으로 포함될 수 있다.
한편, 본 발명에서는 금속 음극과 공기 양극에 서로 상이한 전해액을 포함하는 데 특징이 있는 바, 구체적으로는, 다음 도 1에서와 같이, 상기 금속 음극에는 유기전해액을 공기 양극에는 수성 전해액을 포함하도록 한다. 물론, 상기 유기 전해액과 수성 전해액 사이에는 분리막(30)으로 절연시킨 구조를 가진다.
본 발명에서 공기 양극에 수성 전해액을 사용하는 경우, 외부에서 유입된 산소(O2)가 전자 4개와 반응을 하게 되므로 유기 전해액에서보다 그 반응성이 향상되는 효과를 가진다. 따라서, 양극과 음극에 동일한 비수 전해액을 사용하는 것보다 본 발명과 같이 상이한 전해액을 사용하는 것이 전지의 용량을 증대시킬 수 있다.
또한, 통상적으로 금속 공기 전지의 경우, 양극 활물질로 사용되는 산소 내에는 질소(N2) 등의 성분을 포함하고 있기 때문에, 상기 질소는 음극의 금속과 반응하여 음극이 붕괴되는 문제가 있었다.
그러나, 본 발명에서는 양극과 음극에 서로 다른 전해액을 포함하면서, 이를 고체 분리막으로 절연시키는 구조를 가짐으로써, 양극 활물질로 사용되는 물이나 산소 등은 고체 분리막을 통과할 수 없으므로, 음극의 금속과 반응할 위험성이 없어 전지 안정성을 향상시킬 수 있다.
또한, 충전시, 충전 전용 양극을 배치하여 충전에 의한 공기 양극의 부식과 열화를 방지할 수 있다.
상기 금속 음극과 공기 양극에 사용되는 유기 전해액 및 수성 전해액은 리튬 함유 화합물을 전해질염으로 포함할 수 있으며, 상기 리튬 함유 화합물은 LiPF6, LiBF4, LiClO4, LiN(SO2CF3)2, LiN(SO2C2F5)2, CF3SO3Li, LIC(SO2CF3)3, LiAsF6, LiSbF6, LiI, LiCF3CO2, LiPF3(C2F5)3, LiF3(C2F5)3, LiF3(CF3)3, LiPF4(C2F5)2, LiPF4(CF3)2, LiPF5(C2F5), 및 LiPF5(CF3)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상이 바람직하다.
상기 유기 전해액의 용매는 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 부틸렌카포네이트, 에틸메틸카보네이트, 디에틸카보네이트, 디메틸카보네이트, 디메틸에테르, 디에틸에테르, 테트라히드로푸란, 메틸테토란히드로푸란, 디옥솔란, 메틸디옥솔란, 술포란(sulfolane), γ－부티로락톤, 디메틸포름아미드, 디메틸술폭시드, 디메톡시에탄, 초산에틸, 초산메틸, 락산메틸, 및 프로피온산에틸로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하며, 이 중에서 에틸렌카보네이트(EC)와 프로필렌카보네이트(PC)를 전체 용매 중 50중량% 이상 포함시키는 것이 다양한 온도 특성을 가지는 점에서 바람직하다.
또한, 상기 공기 양극에 사용되는 수성 전해액은 pH 10~12.5인 알칼리성 전해액이 바람직하며, 예를 들어, KOH, NaOH 등의 알칼리성 수성 전해액이 바람직하다.
상기 유기 전해액과 수성 전해액 사이에 사용되는 분리막은 금속 음극을 구성하는 금속 이온만을 통과시키는 고체 분리막이 바람직하다. 상기 고체 분리막은 금속 이온만을 통과시키고, 나머지는 모두 차단한다. 그 결과, 양 전해액의 혼합을 막고, 양극측에 고체생성물이 생기는 것을 효과적으로 막을 수 있다.
상기 고체 분리막은 실리콘(Si), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), 및 마그네슘(Mg)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 금속으로 된 고체 무기 분리막일 수 있다.
또한, 상기 분리막은 전해액에 반응성이 없는 유기 고분자/무기물 복합 분리막을 사용할 수도 있다. 상기 분리막이 전해액에 반응성이 없는 유기 고분자/무기물 복합 분리막인 경우, 유기 고분자는 중량평균분자량 100,000~5,000,000의 산소(-O-) 원자 함유 유기 고분자 화합물일 수 있다. 예를 들면, 폴리에틸렌 에테르계 화합물로서, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리옥시메틸렌 및 이들의 유도체 중에서 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하다.
상기 유기 고분자는 고체 전해질막으로 사용할 수 있으면 특히 제한되지 않지만, 중량평균분자량 100,000~5,000,000, 바람직하게는, 500,000~5,000,000, 가장 바람직하게는 1,000,000~4,000,000 정도의 것이다.
또한, 상기 유기 고분자/무기물 복합 분리막의 상기 무기물은 실리콘(Si), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), 및 마그네슘(Mg)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다. 이 중에서, 실리콘, 티타늄 및 지르코늄의 금속 산화물이 보다 바람직하며, 비용이 낮고, 제조하기 쉽다는 점에서 실리콘 산화물　(SiO2)이 가장 바람직하다.
본 발명에 사용되는 전지 케이스(case)는 상기 수성 전해액을 포함하는 공기 양극, 유기 전해액을 포함하는 금속 음극, 및 비수 전해질을 수납할 수 있으면 특별히 한정되는 것이 아니며, 예를 들어, 코인(coin)형, 평판형, 원통형, 라미네이트(laminate) 형 등 모두 가능하다.
또한, 본 발명의 전지 케이스는, 대기 중에 개방된 형태도 가능하고, 밀폐된 형태도 가능하다. 밀폐형 전지 케이스인 경우는, 밀폐형 전지 케이스 내에 공기의 공급관 및 배출관을 설치하는 것이 바람직하다. 이 경우, 공급?배출하는 기체는 산소 농도가 높은 것이 바람직하고, 순산소인 것이 보다 바람직하다. 또한, 방전시에는 산소 농도를 높게 하고, 충전시에는 산소 농도를 낮게 하는 것이 바람직하다.
이하에서, 본 발명에 따른 금속 공기 전지의 제조방법을 설명한다.
먼저, 음극측의 설계로서는 금속 알루미늄에 유기　전해액을 이용하고, 양극으로서는 공기에　수용성　전해액을 사용하는 것을 기본으로 한다. 음극측의 유기전해액과 양극측의 수용성 전해액 사이에, 금속 이온만을 통과시키는 고체전해질을 분리막 용도로　사용하면 양쪽 전해액의 혼합을 막을 수 있고, 고용량 알루미늄-공기전지의 구조가 완성된다. 　
상기와 같은 구조에서, 각 양극과 음극에서는 다음 식 1,2와 같은 반응이 일어나고, 전체 반응은 다음 식 3과 같다.
양극 : 3/2O2＋3H2O＋6ｅ- →6OH-　…（식1）
음극 : 2Al+＋6OH- →　Al2O3＋3H2O＋3ｅ-　…（식２）
전반응　: 2Al ＋3/2O2→ Al2O3（2.71V） …（식３）
또한, 본 발명에 따른 금속-공기전지의 충방전 반응식은 아래와 같다.
먼저, 방전시의 전극 반응은 다음과 같다.
１）음극에서의 반응：Al→ Al3 +　+ 3e-　
금속이온으로서는 알루미늄（Al3 +）으로서 유기전해액에 용해하여, 전자는 도선에　공급된다. 용해된 알루미늄（Al3 +）은 고체 분리막을 통과하여 양극의 수성　전해액으로 이동한다.
２）양극에서의 반응：3/2O2＋3H2O＋6ｅ- →6OH-　
도선에서 전자가 공급되어 미세화　카본의 표면에서 공기 중의 산소와 물이 반응하여 수소 이온（OH-）이 생긴다. 상기 수소 이온은 산소 양극 수용성 전해액의 알루미늄（ Al3 +）과 만나서 수용성 수산화리튬（AlOH3）이 된다.
또한, 충전시의 전극에서의 반응은 다음과 같다.
１）음극에서의 반응：Al + 3e- →Al3 +
도선에서 전자가 공급되어, 알루미늄（Al3 +）은 양극의 수성 전해액에서 고체 분리막을 통과하여 음극 표면에 도달하여 거기서 금속 리튬의 석출 반응이 일어난다.
２）양극에서의 반응：4OH-　→ O2　+ 2H2O + 4e-　
산소 발생 반응이 생긴다. 발생한 전자는 도선에 공급된다.
상기와 같이 금속 음극측에 유기전해액을, 공기 양극측에 수용성 전해액을 두고, 그 사이를 고체 분리막으로 분리시켰다. 상기 고체분리막은 음극 금속 이온만을 통과시키고, 나머지는 모두 차단한다. 그 결과, 양극과 음극의 전해액의 혼합을 막고, 종래와 같은 양극측에 고체생성물이 생기는 것을 차단시킬 수 있다. 또한, 양극측 수용성　전해액에는 수용성 수산화금속이 생성되며, 이는 방전 후, 양극측 전해액을 필터링(Filtering) 방식으로 재생할 수 있는 효과를 가진다.
본 발명에 따른 금속 공기 전지는 자동차용 전지 용도, 고정형 전원 용도, 가정용 전원용도 등으로 사용될 수 있으며, 특별히 자동차용 전지로서 매우 다양하게 사용될 수 있다. 예를 들어, 자동차용 스탠드로서 양극의 수용성　전해액을 교환형으로 바꾸고, 음극측의 금속알루미늄을 카세트 등의 방식으로 보급하게 되면, 자동차는 충전대기시간 없이 연속주행 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 금속 공기 전지는 1차, 2차 전지에 모두 사용가능하나, 충전시 소요되는 시간, 비용 및 용량을 고려할 때, 충전하지 않고 음극만 교체형으로 사용하는 1차 전지가 더 바람직하다고 할 수 있다.
다음에서, 본 발명에 따른 금속 공기 전지를 이하의 실시예에 의해 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이하의 실시예에 한정되는 것이 아니다.
실시예 1
본 실시예에 있어서는, 알루미늄 공기 전지를 제조하였으며, 셀의 제작은 모두 노점(이슬점)이 -60℃ 이하인 아르곤 글로브 박스 안에서 진행되었으며, 다음 도 2의 구조를 가지는 금속 공기 전지를 제조하였다.
우선, 전지 케이스로서 리튬 금속을 이용하였다. 음극의 케이스(13)로서 리튬 금속을 배치하고, 상기 리튬 금속(13) 위에 음극 집전체(11) 상에 알루미늄 금속을 활물질층(12)으로 포함하는 음극(10)을 형성시켰다.
상기 음극(10) 위에 SiO2 고체분리막(30)을 형성시키고, 상기 고체분리막(30)의 상부에 양극(20)을 형성시켰다. 상기 양극은 공기의 산화반응을 더욱 유발할 수 있는 다공질　탄소(21)에 산소 촉매제로서 MnO2를　혼합한 형태의 활물질층(22)을 포함한다. 또한, 양극의 케이스(23)로서 리튬 금속을 배치시킨 다음, 외부의 산소가 유입될 수 있는 개방형 전지 케이스를 가지도록 상기 양극의 케이스(13)의 일부에 다공막(14)을 형성시켰다.
상기 알루미늄 음극(10)에는 유기　전해액(15)인 1.2MLiPF6/EC:PC:EMC(3:1:4)를 , 공기 양극(20)에는　1.2Ｍ　NaOH의 수용액　전해액(25, pH 11)을 주입시켰다.
실험예 : 방전 용량 측정
상기 알루미늄-공기 전지를 공기　중에서 0.1A/g의 방전　레이트로 방전시켜 방전　용량은　약2000mAh/g으로 측정되었다.
　
10 : 음극 11 : 음극 집전체
12 : 음극 활물질층 13 : 음극 케이스
14 : 다공막 15 : 유기 전해액
20 : 양극 21 : 양극 집전체
22 : 양극 활물질층 23 : 양극 케이스
25 : 수성 전해액
30 : 분리막

Claims (16)

  1. 금속 음극과 공기 양극을 포함하는 금속 공기 전지이고,
    상기 금속 음극은 유기전해액을 포함하고, 상기 공기 양극은 수성 전해액을 포함하는 금속 공기 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속 음극은 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 아연(Zn) 및 이들의 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상인 금속 공기 전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 공기 양극은 귀금속, 금속산화물, 및 유기 금속 착제로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 촉매를 포함하는 금속 공기 전지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 귀금속은 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag) 중에서 선택되는 1종 이상이고, 금속산화물은 망간(Mn), 니켈(Ni), 코발트(Co) 중에서 선택되는 1종 이상이고, 유기 금속 착제는 금속 포피린 및 금속 프탈로시아닌 중에서 선택되는 1종 이상인 금속 공기 전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유기 전해액 및 수성 전해액은 리튬 함유 화합물을 전해질염으로 포함하는 금속 공기 전지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 리튬 함유 화합물은 LiPF6, LiBF4, LiClO4, LiN(SO2CF3)2, LiN(SO2C2F5)2, CF3SO3Li, LIC(SO2CF3)3, LiAsF6, LiSbF6, LiI, LiCF3CO2, LiPF3(C2F5)3, LiF3(C2F5)3, LiF3(CF3)3, LiPF4(C2F5)2, LiPF4(CF3)2, LiPF5(C2F5), 및 LiPF5(CF3)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상인 금속 공기 전지
  7. 제1항에 있어서,
    상기 유기 전해액은 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 부틸렌카포네이트, 에틸메틸카보네이트, 디에틸카보네이트, 디메틸카보네이트, 디메틸에테르, 디에틸에테르, 테트라히드로푸란, 메틸테토란히드로푸란, 디옥솔란, 메틸디옥솔란, 술포란(sulfolane), γ－부티로락톤, 디메틸포름아미드, 디메틸술폭시드, 디메톡시에탄, 초산에틸, 초산메틸, 락산메틸, 및 프로피온산에틸로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 용매를 포함하는 것인 금속 공기 전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 수성 전해액은 pH 10~12.5인 알칼리성 전해액인 금속 공기 전지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 유기 전해액과 수성 전해액 사이에는 분리막을 포함하는 것인 금속 공기 전지.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 분리막은 금속 음극을 구성하는 금속 이온만을 통과시키는 고체 분리막인 금속 공기 전지.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 고체 분리막은 실리콘(Si), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), 및 마그네슘(Mg)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 금속으로 된 고체 무기 분리막인 금속 공기 전지.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 분리막은 전해액에 반응성이 없는 유기 고분자/무기물 복합 분리막인 금속 공기 전지.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 유기 고분자는 중량평균분자량 100,000~5,000,000의 산소(-O-) 원자 함유 유기 고분자 화합물인 금속 공기 전지.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 유기 고분자 화합물은 폴리에틸렌옥사이드, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리옥시메틸렌 및 이들의 유도체 중에서 선택되는 1종 이상인 금속 공기 전지.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 무기물은 실리콘(Si), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), 및 마그네슘(Mg)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상인 금속 공기 전지.
  16. 금속 음극을 제조하는 단계,
    공기 양극을 제조하는 단계,
    상기 금속 음극과 공기 양극 사이에 고체 분리막을 형성시키는 단계,
    상기 금속 음극에 유기 전해액을 함침시키는 단계, 및
    상기 공기 양극에 수성 전해액을 함침시키는 단계를 포함하는 금속 공기 전지의 제조방법.
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