KR20140143528A - Aluminum alloy anode for aluminum-air battery and aluminum-air battery comprising the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 알루미늄-공기 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 알루미늄-공기 전지의 양극으로 사용되는 알루미늄 합급 및 이를 포함하는 알루미늄-공기 전지에 관한 것이다.
The present invention relates to an aluminum-air battery, and more particularly, to an aluminum alloy used as an anode of an aluminum-air battery and an aluminum-air battery including the same.
높은 이론적 용량과 기전력을 가지고 있는 알루미늄-공기전지는 알루미늄과 공기 중 산소와의 전기화학적 반응에 의해 전력을 생산하는 전지시스템으로써, 알루미늄과 전해액 간의 전기화학적 반응성이 전지성능을 결정한다. 알루미늄-공기전지는 기본적으로 연료로써 소모되어 전자를 생산하는 금속 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 포함하는 양극 (anode), 전자를 받아 물과 산소를 환원시키는 탄소전극 등을 포함하는 음극 (cathode), 전극의 전기화학적 반응이 일어나고 이온이 교환되는 전해액 (electrolyte)로 구성된다. An aluminum-air cell with high theoretical capacity and electromotive force is a battery system that produces electricity by electrochemical reaction between aluminum and oxygen in the air, and the electrochemical reactivity between aluminum and electrolyte determines battery performance. An aluminum-air battery includes an anode including metal aluminum or an aluminum alloy, which is basically consumed as a fuel to produce electrons, a cathode including a carbon electrode that receives electrons and reduces oxygen and water, And an electrolyte in which an electrochemical reaction occurs and ions are exchanged.
알루미늄-공기전지의 반응식은 아래와 같다. The reaction formula of the aluminum-air battery is as follows.
양극산화반응 Anodic oxidation reaction
Al + 4OH- → Al(OH)4 - + 3e- (-2.38 VSHE) Al + 4OH - ? Al (OH) 4 - + 3e - (-2.38 V SHE )
음극환원반응 Cathodic reduction reaction
O2 + 2H2O + 4e- → 4OH- (0.4 VSHE) O 2 + 2H 2 O + 4e - ? 4OH - (0.4 V SHE )
전체전지반응 Overall cell response
4Al + 3O2 + 6H2O → 4Al(OH)3 4Al + 3O 2 + 6H 2 O → 4Al (OH) 3
알루미늄-공기전지는 양극 (anode)인 알루미늄 금속의 이온화 과정 중에 생성되는 전자가 도선을 따라 이동하여 음극 (cathode)인 공기극으로 이동하여 공기 중의 산소와 물을 환원시켜 전기를 생성하는 작동 원리를 가지고 있다. The aluminum-air battery has an operating principle in which electrons generated during the ionization process of the aluminum metal, which is the anode, move along the conductor and move to the cathode, which is the cathode, to generate electricity by reducing oxygen and water in the air have.
이러한 알루미늄-공기 전지는 알칼리 환경에서 높은 부식속도를 유발한다. 알칼리 환경에서 알루미늄의 부식반응식은 다음과 같다. Such aluminum-air cells cause high corrosion rates in alkaline environments. The corrosion equation of aluminum in an alkali environment is as follows.
양극산화반응 Anodic oxidation reaction
Al + 3OH- → Al(OH)3 + 3e- Al + 3OH - ? Al (OH) 3 + 3e -
음극환원반응 Cathodic reduction reaction
3H2O + 3e- → 3/2H2(g) + 3OH- 3H 2 O + 3e - ? 3 / 2H 2 (g) + 3OH -
전체부식반응 Total corrosion reaction
Al + 3H2O → Al(OH)3 + 3/2H2(g) Al + 3H 2 O? Al (OH) 3 + 3 / 2H 2 (g)
알루미늄의 산화과정에서 생성되는 전자는 수소기체의 환원반응에 소모되어 알루미늄-공기 전지의 전지효율이 감소하게 된다. 또한 이러한 부식반응에 의해 전지의 알루미늄-공기 전지의 출력특성 또한 감소되어, 이론적으로 높은 전지특성을 나타내는 알루미늄-공기전지의 실제 성능이 매우 낮게 되는 원인이 된다.
The electrons generated in the oxidation process of aluminum are consumed in the reduction reaction of the hydrogen gas and the cell efficiency of the aluminum-air battery is decreased. In addition, the output characteristics of the aluminum-air battery of the battery are also reduced by such a corrosion reaction, which causes the actual performance of the aluminum-air battery to exhibit theoretically high battery characteristics to be extremely low.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 알루미늄에 아연, 인듐, 규소, 망간을 첨가하고, 철과 구리의 함량을 제어함으로써, 양극의 반응속도 및 기전력을 향상시킬 수 있고, 부식속도는 감소시킬 수 있는 알루미늄-공기 전지용 알루미늄 합금 양극 및 이를 포함하는 알루미늄-공기 전지를 제공하는 것이다.
SUMMARY OF THE INVENTION The object of the present invention is to improve the reaction speed and electromotive force of an anode by adding zinc, indium, silicon, and manganese to aluminum and controlling the content of iron and copper, An aluminum alloy anode for an aluminum-air battery, and an aluminum-air battery including the same.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 일 측면으로서, 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄-공기 전지용 알루미늄 합금 양극(Anode)은 알루미늄(Al), 아연(Zn), 인듐(In), 규소(Si) 및 망간(Mn)을 포함할 수 있다. An aluminum alloy anode for an aluminum-pneumatic battery according to an embodiment of the present invention includes aluminum (Al), zinc (Zn), indium (In), silicon (Si ) And manganese (Mn).
하나의 실시예로, 상기 알루미늄은 순도 99.8%, 상기 아연은 1.0 내지 10.0 wt%, 상기 인듐은 0.01 내지 0.05 wt%, 상기 규소는 0.05 내지 0.5 wt% 및 상기 망간은 0.005 내지 0.02 wt%일 수 있다. In one embodiment, the aluminum may have a purity of 99.8%, the zinc may be 1.0-10.0 wt%, the indium may be 0.01-0.05 wt%, the silicon may be 0.05-0.5 wt% and the manganese may be 0.005-0.02 wt% have.
하나의 실시예로, 상기 알루미늄-공기 전지용 알루미늄 합금 양극은, 철(Fe)을 더 포함할 수 있고, 상기 철은 0.02 wt% 미만일 수 있다. In one embodiment, the aluminum alloy anode for the aluminum-pneumatic battery may further include iron (Fe), and the iron may be less than 0.02 wt%.
하나의 실시예로, 상기 알루미늄-공기 전지용 알루미늄 합금 양극은, 구리(Cu)를 더 포함할 수 있고, 상기 구리는 0.01 wt% 미만일 수 있다. In one embodiment, the aluminum alloy anode for the aluminum-pneumatic battery may further include copper (Cu), and the copper may be less than 0.01 wt%.
하나의 실시예로, 상기 알루미늄-공기 전지용 알루미늄 합금 양극은, 철(Fe) 및 구리(Cu)를 더 포함할 수 있고, 상기 철은 0.02 wt% 미만이고, 상기 구리는 0.01 wt% 미만일 수 있다. In one embodiment, the aluminum alloy anode for the aluminum-pneumatic battery may further include iron (Fe) and copper (Cu), the iron may be less than 0.02 wt%, and the copper may be less than 0.01 wt% .
다른 일 측면으로서, 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄-공기 전지는 알루미늄-공기 전지로서, 산화반응이 일어나고, 알루미늄(Al), 아연(Zn), 인듐(In), 규소(Si) 및 망간(Mn)을 포함하는 알루미늄-공기 전지용 알루미늄 합금 양극(Anode); 환원반응이 일어나는 음극(Cathode); 및 상기 양극과 상기 음극에서 각각의 반응이 일어나도록, 이온이 교환되는 전해액(Electrolyte)을 포함할 수 있다. In another aspect, an aluminum-air battery according to an embodiment of the present invention is an aluminum-air battery in which oxidation reaction occurs and aluminum (Al), zinc (Zn), indium (In), silicon Mn; an aluminum alloy anode for an aluminum-air battery; A cathode where a reduction reaction takes place; And an electrolyte in which ions are exchanged so that the respective reactions occur at the anode and the cathode.
일 예로, 양극에서 생성된 전자를 수용하고, 산소를 환원할 수 있는 물질이라면 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄-공기 전지의 음극으로 이용될 수 있다. For example, a material capable of receiving electrons generated in the anode and capable of reducing oxygen can be used as a cathode of an aluminum-air battery according to an embodiment of the present invention.
일 예로, 전해액으로는 수산화칼륨(KOH) 또는 수산화나트륨(NaOH)를 포함한 알칼리 전해액, 해수, 염수, 비수계질 전해액 또는 폴리머 전해질이 사용될 수 있다. For example, the electrolytic solution may be an alkaline electrolytic solution containing potassium hydroxide (KOH) or sodium hydroxide (NaOH), seawater, salt water, a non-aqueous electrolytic solution or a polymer electrolyte.
하나의 실시예로, 상기 알루미늄은 순도 99.8%, 상기 아연은 1.0 내지 10.0 wt%, 상기 인듐은 0.01 내지 0.05 wt%, 상기 규소는 0.05 내지 0.5 wt% 및 상기 망간은 0.005 내지 0.02 wt%일 수 있다. In one embodiment, the aluminum may have a purity of 99.8%, the zinc may be 1.0-10.0 wt%, the indium may be 0.01-0.05 wt%, the silicon may be 0.05-0.5 wt% and the manganese may be 0.005-0.02 wt% have.
하나의 실시예로, 상기 알루미늄-공기 전지용 알루미늄 합금 양극은, 철(Fe)을 더 포함할 수 있고, 상기 철은 0.02 wt% 미만일 수 있다. In one embodiment, the aluminum alloy anode for the aluminum-pneumatic battery may further include iron (Fe), and the iron may be less than 0.02 wt%.
하나의 실시예로, 상기 알루미늄-공기 전지용 알루미늄 합금 양극은, 구리(Cu)를 더 포함할 수 있고, 상기 구리는 0.01 wt% 미만일 수 있다. In one embodiment, the aluminum alloy anode for the aluminum-pneumatic battery may further include copper (Cu), and the copper may be less than 0.01 wt%.
하나의 실시예로, 상기 알루미늄-공기 전지용 알루미늄 합금 양극은, 철(Fe) 및 구리(Cu)를 더 포함할 수 있고, 상기 철은 0.02 wt% 미만이고, 상기 구리는 0.01 wt% 미만일 수 있다.
In one embodiment, the aluminum alloy anode for the aluminum-pneumatic battery may further include iron (Fe) and copper (Cu), the iron may be less than 0.02 wt%, and the copper may be less than 0.01 wt% .
상기와 같은 본 발명은, 종래의 순도 99.7% 로 이루어진 알루미늄-공기 전지용 알루미늄 합금 양극과 비교할 때, 높은 초기 기전력을 가지는 효과가 있고, 동일한 방전전압 하에서도 높은 전류밀도와 출력밀도를 가지는 효과가 있다. The present invention has the effect of having a high initial electromotive force and a high current density and an output density even under the same discharge voltage as compared with an aluminum alloy anode for an aluminum-air battery having a purity of 99.7% in the prior art .
또한, 종래의 99.7% 로 이루어진 알루미늄 합금 양극과 비교할 때, 동일한 방전전압 하에서도 높은 방전효율을 가지는 효과가 있다. Compared with the conventional aluminum alloy anode made of 99.7%, it has a high discharge efficiency even under the same discharge voltage.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금은 갈륨(Ga) 등의 고가 원소의 첨가를 배제하기 때문에 경제적이고, 환경오염의 원인이 되는 원소를 첨가하지 않기 때문에 자연친화적인 효과가 있다.
In addition, the aluminum alloy according to the embodiment of the present invention is economical because it excludes the addition of a high-priced element such as gallium (Ga), and does not add an element that causes environmental pollution.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금을 이용한 알루미늄-공기 전지의 전류밀도와 전압(I-V 특성)을 각각 측정한 결과를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금을 이용한 알루미늄-공기 전지의 출력밀도와 전압(P-V 특성)을 각각 측정한 결과를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금을 이용한 알루미늄-공기 전지의 방전전압에 따른 전류밀도 변화를 시간에 따라 각각 측정한 결과를 나타낸 도면이다. FIG. 1 is a graph showing the results of measurement of current density and voltage (IV characteristic) of an aluminum-air battery using an aluminum alloy according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing the results of measuring the output density and the voltage (PV characteristic) of an aluminum-air battery using an aluminum alloy according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a graph showing a result of measuring a change in current density with time according to a discharge voltage of an aluminum-air battery using an aluminum alloy according to an embodiment of the present invention.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail. It should be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Wherein like reference numerals refer to like elements throughout.
본 발명의 실시예에 따른 알루미늄-공기 전지용 알루미늄 합금 양극(Anode)은 알루미늄(Al)에, 아연(Zn), 인듐(In), 규소(Si) 및 망간(Mn)을 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄-공기 전지용 알루미늄 합금 양극(Anode)은 이에 포함될 수 있는 철(Fe) 및 구리(Cu)의 함량이 제어될 수 있다. An aluminum alloy anode for an aluminum-air battery according to an embodiment of the present invention may include zinc (Zn), indium (In), silicon (Si), and manganese (Mn) in aluminum (Al). In addition, the aluminum alloy anode for an aluminum-pneumatic battery according to an embodiment of the present invention can control the contents of iron (Fe) and copper (Cu) that can be included therein.
알루미늄은 약 99.8% 이상의 순도를 가진다. 아연은 1.0 내지 10.0 wt% 이다. 아연의 함유량이 1.0 wt% 미만인 경우, 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄-공기 전지용 알루미늄 합금 양극(Anode)을 사용한 알루미늄-공기 전지의 기전력과 전지출력에 큰 영향을 주지 않으며, 10.0 wt% 를 초과하는 경우에는, 알루미늄-공기 전지의 전지효율이 감소된다. Aluminum has a purity of at least about 99.8%. Zinc is 1.0 to 10.0 wt%. When the zinc content is less than 1.0 wt%, the electromotive force of the aluminum-air battery using the aluminum alloy anode for the aluminum-pneumatic battery according to the embodiment of the present invention and the cell output are not greatly affected, , The battery efficiency of the aluminum-air battery is reduced.
인듐의 함유량은 0.01 내지 0.05 wt% 이다. 인듐은 알루미늄-공기 전지 기전력과 양극반응속도를 증가시켜 알루미늄-공기 전지의 특성을 향상시키기 위해 첨가된다. 인듐의 함유량의 0.01 wt% 미만인 경우, 기전력과 양극반응속도가 증가되는 특성이 잘 나타나지 않고, 인듐의 함유량의 0.05 wt% 를 초과하는 경우, 알루미늄-공기 전지용 양극의 자가부식속도가 증가하여 알루미늄-공기 전지의 전지효율이 감소하게 된다. The content of indium is 0.01 to 0.05 wt%. Indium is added to improve the characteristics of aluminum-air cells by increasing the aluminum-air cell electromotive force and the anodic reaction rate. When the content of indium is less than 0.01 wt%, the electromotive force and the characteristic of increasing the rate of anodic reaction do not appear. When the content of indium is more than 0.05 wt%, the rate of self-corrosion of the anode for aluminum- The battery efficiency of the air battery is reduced.
규소의 함유량은 0.05 내지 0.5 wt% 이다. 규소는 알루미늄-공기 전지의 전지효율을 증가시키기 위해 첨가되며, 규소의 함유량이 0.05 wt% 미만인 경우, 알루미늄-공기 전지의 전지효율의 증가 효과가 거의 없고, 규소의 함유량이 0.5 wt% 를초과하는 경우, 알루미늄-공기 전지의 기전력이 감소한다. The content of silicon is 0.05 to 0.5 wt%. Silicon is added to increase the cell efficiency of the aluminum-air battery. When the content of silicon is less than 0.05 wt%, the effect of increasing the cell efficiency of the aluminum-air battery is hardly increased. When the content of silicon is more than 0.5 wt% , The electromotive force of the aluminum-air battery decreases.
철은 알루미늄-공기 전지용 양극으로 사용되는 알루미늄 합금의 부식에 영향을 주는 불순물이고, 극미량의 철이 알루미늄 합금에 함유되어 있는 경우라도, 알루미늄 합금의 부식속도를 증가시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄-공기 전지용 알루미늄 합금 양극은 철의 함유량을 0.02 wt% 미만으로 제어하고, 철과 결합함으로써, 철에 의한 알루미늄 함금의 부식을 방지할 수 있는 망간을 소량 포함할 수 있다. Iron is an impurity that affects corrosion of an aluminum alloy used as an anode for an aluminum-air battery. Even if a trace amount of iron is contained in the aluminum alloy, the corrosion rate of the aluminum alloy can be increased. Therefore, the aluminum alloy anode for an aluminum-air battery according to the embodiment of the present invention contains a small amount of manganese which can prevent the corrosion of the aluminum alloy by iron by controlling the content of iron to less than 0.02 wt% can do.
망간은 알루미늄 합금의 부식에 중대한 영향을 주는 불순물인 철과 결합하여 금속간 화합물(intermetallic compound)를 형성함으로써, 알루미늄 합금의 자가부식을 억제시켜 알루미늄-공기 전지의 전지효율을 개선하기 위한 것이다. 망간의 함유량은 0.005 내지 0.02 wt% 이다. Manganese is used to improve the cell efficiency of aluminum-air cells by inhibiting the self-corrosion of aluminum alloys by forming intermetallic compounds by bonding with iron, which is an impurity that significantly affects the corrosion of aluminum alloys. The content of manganese is 0.005 to 0.02 wt%.
망간의 함유량이 0.005 wt% 미만인 경우, 철과 결합함으로써 알루미늄 합금의 부식을 방지할 수 있는 효과가 미미하고, 망간의 함유량이 0.02 wt% 를 초과하는 경우, 알루미늄-공기 전지의 기전력이 감소된다. When the content of manganese is less than 0.005 wt%, the effect of preventing corrosion of the aluminum alloy by bonding with iron is insignificant. When the content of manganese exceeds 0.02 wt%, the electromotive force of the aluminum-air battery is decreased.
구리는 알루미늄 합금의 부식 개시에 영향을 줄 수 있다. 즉, 구리는 알루미늄 함급의 입계(Grain Boundary)에 분포하여 알루미늄 합금의 입계부식(Intergranular Corrosion)을 유발할 수 있다. 또한, 구리는 알루미늄 합금의 부식 전파 형태에 영향을 줄 수 있다. 알루미늄 함급의 입계를 따라 입계부식이 진행되는 경우, 알루미늄 합금이 덩어리(chunk) 형태로 떨어져 나갈 수 있다. Copper can affect the corrosion initiation of aluminum alloys. That is, copper is distributed in the grain boundaries of aluminum and may cause intergranular corrosion of the aluminum alloy. In addition, copper may affect corrosion propagation of aluminum alloys. Aluminum alloy can fall off into chunks if the grain boundary step proceeds along the grain boundaries of the aluminum feed.
구리의 함유량이 0.01 wt% 를 초과하는 경우, 구리가 알루미늄 합금의 입계(Grain Boundary)에 분포하여 알루미늄 합금의 입계부식(Intergranular Corrosion)을 유발할 수 있다. 또한, 알루미늄 합금의 입계를 따라 입계부식이 진행되면서 알루미늄 합금은 덩어리(chunk) 형태로 떨어져 나갈 수 있다. 이렇게 떨어져 나간 알루미늄 합금 덩어리는 전자를 내어줄 수 없는 상태가 된다. 따라서, 상술한 철에 의한 부식반응과 마찬가지로 전지 반응에 소모되는 알루미늄 합금의 양 대비 생산되는 전자가 감소되어 알루미늄-공기 전지의 전지효율이 감소된다. 그러므로, 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄-공기 전지용 알루미늄 합금 양극에 포함될 수 있는 구리의 함유량을 제어함으로써 전지효율을 증가시킬 수 있다.
If the content of copper exceeds 0.01 wt%, copper may be distributed in the grain boundaries of the aluminum alloy to cause intergranular corrosion of the aluminum alloy. In addition, as the grain boundary phase progresses along the grain boundary of the aluminum alloy, the aluminum alloy can fall into the form of chunks. The aluminum alloy lumps that fall off can not emit electrons. Accordingly, as compared with the above-described corrosion reaction by iron, the amount of electrons produced relative to the amount of aluminum alloy consumed in the battery reaction is reduced, thereby reducing the battery efficiency of the aluminum-air battery. Therefore, the battery efficiency can be increased by controlling the content of copper that can be contained in the aluminum alloy anode for the aluminum-air battery according to the embodiment of the present invention.
1. 알루미늄-공기 전지용 알루미늄 합금 양극 제조1. Manufacture of aluminum alloy anode for aluminum-air cells
순도 99.8% 이상의 알루미늄(Al)을 흑연 도가니 중에 용해하고 710℃에서 아연(Zn), 인듐(In), 규소(Si) 및 망간(Mn)을 첨가하여 교반(agitation)시킨 용탕으로 알루미늄 합금을 주조하였다.
Aluminum (Al) having a purity of 99.8% or more was dissolved in a graphite crucible and zinc alloy (Zn), indium (In), silicon (Si) and manganese (Mn) were added at 710 ° C and agitated. Respectively.
2. 알루미늄-공기 전지용 알루미늄 합금 양극을 사용한 알루미늄-공기 전지의 전지 특성 테스트2. Test of battery characteristics of aluminum-air battery using aluminum alloy anode for aluminum-air battery
본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금과 기존의 알루미늄 합금을 각각 알루미늄-공기 전지의 전지 평가를 위한 형태로 가공하고, 상온(Room Temperature)의 4M 수산화나트륨(NaOH) 수용액에서 전지 특성을 3회 이상 평가하였다. 기존의 양극으로 사용되는 알루미늄 합금은 순도 99.7% 인 순수 알루미늄을 사용하였다.
The aluminum alloy according to the embodiment of the present invention and the conventional aluminum alloy were processed into a form for evaluation of the aluminum-air battery, respectively, and the battery characteristics were measured three times or more in a 4M sodium hydroxide (NaOH) aqueous solution at room temperature Respectively. Aluminum alloy used as a conventional anode was made of pure aluminum having a purity of 99.7%.
실험예 1 전류-전압특성 평가(I-V curve) EXPERIMENTAL EXAMPLE 1 Evaluation of current-voltage characteristics (I-V curve)
본 실험은 0 ~ 100 mA/㎠ 범위를 갖는 전류밀도를 10 mA/㎠ 간격으로 순차적으로 증가시키며, 각 전류밀도를 5분 간 유지하고, 전압을 측정하는 방법으로, 실험을 진행하였다. 또한, 본 실험에서의 한계전압은 0 V로 설정하였다. 본 실험을 통하여, 전지의 방전전압에 따른 방전전류밀도의 상관관계를 알 수 있다. In this experiment, the current density was increased in the range of 0 ~ 100 mA / ㎠ sequentially at 10 mA / ㎠ intervals. The current density was maintained for 5 minutes and the voltage was measured. In addition, the threshold voltage in this experiment was set to 0V. Through this experiment, the correlation of the discharge current density according to the discharge voltage of the battery can be known.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금을 이용한 알루미늄-공기 전지의 전류밀도와 전압(I-V 특성)을 각각 측정한 결과를 나타낸 도면이다. FIG. 1 is a graph showing the results of measurement of current density and voltage (I-V characteristic) of an aluminum-air battery using an aluminum alloy according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금(개발합금)은 기존의 알루미늄 합금(기준합금) 대비 같은 방전전류밀도에서 더 높은 기전력을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
Referring to FIG. 1, it can be seen that the aluminum alloy (developed alloy) according to the embodiment of the present invention exhibits a higher electromotive force at the same discharge current density as that of the conventional aluminum alloy (reference alloy).
실험예 2 출력-전압특성 평가(P-V curve) Experimental Example 2 Evaluation of output-voltage characteristics (P-V curve)
상기 실험예 1에서 얻어진 전류-전압 특성에서, 특정 전류값에서 나타나는 전압값을 서로 곱하여 출력밀도를 산출하고, 산출된 출력밀도에 따른 전지의 방전전압을 측정하였다. 본 실험을 통하여, 전지의 방전전압과 출력밀도의 상관관계를 알 수 있다. In the current-voltage characteristics obtained in Experimental Example 1, the voltage values appearing at specific current values were multiplied by each other to calculate the output density, and the discharge voltage of the battery was measured according to the calculated output density. Through this experiment, we can see the correlation between the discharge voltage and the output density of the battery.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금을 이용한 알루미늄-공기 전지의 출력밀도와 전압(P-V 특성)을 각각 측정한 결과를 나타낸 도면이다. FIG. 2 is a graph showing the results of measuring the output density and the voltage (P-V characteristic) of an aluminum-air battery using an aluminum alloy according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 최대출력밀도가 나타나는 약 0.8 V의 전압대에서 개발합금의 출력밀도가 기준합금보다 약 20 mW/㎠ 높은 것을 확인할 수 있다. 따라서, 개발합금은 기준합금보다 알루미늄-공기 전지 전지의 출력특성을 크게 향상된다는 것을 확인할 수 있었다.
Referring to FIG. 2, it can be seen that the output density of the developed alloy is about 20 mW / cm 2 higher than that of the reference alloy in the voltage range of about 0.8 V where the maximum output density is exhibited. Therefore, it was confirmed that the output characteristics of the aluminum-air battery cell were significantly improved in the developed alloy than in the reference alloy.
실험예 3: 방전특성 평가(Discharge Test) Experimental Example 3: Discharge Test
전지의 방전전압이 각각 0.8V, 1.0V, 및 1.2V 인 상태에서, 1시간 동안 방전되는 전류 변화를 측정하였다. 또한 1시간 동안 방전되면서 얻어지는 총 전하량 (방전 용량 밀도)를 산출하였다. The discharge current for 1 hour was measured under the conditions that the discharge voltages of the batteries were 0.8 V, 1.0 V, and 1.2 V, respectively. The total charge amount (discharge capacity density) obtained by discharging for 1 hour was also calculated.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금을 이용한 알루미늄-공기 전지의 방전전압에 따른 전류밀도 변화를 시간에 따라 각각 측정한 결과를 나타낸 도면이다.FIG. 3 is a graph showing a result of measuring a change in current density with time according to a discharge voltage of an aluminum-air battery using an aluminum alloy according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 각각의 방전전압에서 개발합금의 전류밀도가 기준합금보다 크다는 것을 확인할 수 있다. 또한, 방전이 지속됨에 따라 기준합금의 전류밀도는 감소하는 경향을 가지는 반면에 개발합금의 전류밀도는 증가하는 경향을 가지는 것을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 3, it can be seen that the current density of the developed alloy is larger than the reference alloy at each discharge voltage. In addition, the current density of the reference alloy tends to decrease as the discharge continues, while the current density of the developed alloy tends to increase.
아래의 [표 1]은 개발합금과 기준합금에 대한 알루미늄-공기전지의 방전전압에서의 방전 용량 밀도를 산출한 결과이다. Table 1 below shows the results of calculating the discharge capacity density at the discharge voltage of the aluminum-air battery for the developed alloy and the reference alloy.
[표 1]을 참조하면, 각각의 방전전압에서 개발합금의 방전 용량 밀도가 기준합금의 방전 용량 밀도보다 크다는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄-공기 전지용 알루미늄 합금 양극을 이용한 알루미늄-공기 전지의 전지특성이 향상되는 것을 알 수 있다.
Referring to Table 1, it can be seen that the discharge capacity density of the developed alloy at each discharge voltage is larger than the discharge capacity density of the reference alloy. Accordingly, it can be seen that the battery characteristics of the aluminum-air battery using the aluminum alloy anode for the aluminum-air battery according to the embodiment of the present invention are improved.
실험예 4: 방전효율 평가(Discharge Efficiency) EXPERIMENTAL EXAMPLE 4: Evaluation of Discharge Efficiency (Discharge Efficiency)
본 실험은 상기 실험예 3을 실시하는 동안 각각의 합금별 질량감소량을 계산하고, 질량감소량 대비 방전용량을 계산함으로써, 각각의 방전전압에서 각 합금별 방전효율을 산출하였다. 구체적인 방전효율 산출법은 아래의 식과 같다. In this experiment, during the execution of Experimental Example 3, the mass reduction amount of each alloy was calculated, and the discharge capacity versus mass reduction amount was calculated to calculate the discharge efficiency for each alloy at each discharge voltage. The specific discharge efficiency calculation method is as follows.
이때, 질량감소량은 전지의 방전시간 동안 소모되는 알루미늄 합금의 질량을 의미하고, 알루미늄 합금의 자가부식에 의한 질량감소량과 전지의 방전반응에 의한 질량감소량을 포함한다. 각각의 합금별 방전효율은 아래의 표 2와 같다. Here, the mass reduction amount refers to the mass of the aluminum alloy consumed during the discharge time of the battery, and includes the mass reduction amount due to the self-corrosion of the aluminum alloy and the mass reduction amount due to the discharge reaction of the battery. The discharge efficiency of each alloy is shown in Table 2 below.
표 2를 참조하면, 각각의 방전전압에서 개발합금의 방전효율이 기준합금의 방전효율보다 높은 것을 확인할 수 있다.
Referring to Table 2, it can be seen that the discharge efficiency of the developed alloy is higher than the discharge efficiency of the reference alloy at each discharge voltage.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
While the invention has been shown and described with reference to certain preferred embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the following claims.
Claims (10)
알루미늄(Al), 아연(Zn), 인듐(In), 규소(Si) 및 망간(Mn)을 포함하는, 알루미늄-공기 전지용 알루미늄 합금 양극.
As an aluminum alloy anode for aluminum-air cells,
An aluminum alloy anode for an aluminum-air battery, comprising aluminum (Al), zinc (Zn), indium (In), silicon (Si) and manganese (Mn).
상기 알루미늄은 순도 99.8%, 상기 아연은 1.0 내지 10.0 wt%, 상기 인듐은 0.01 내지 0.05 wt%, 상기 규소는 0.05 내지 0.5 wt% 및 상기 망간은 0.005 내지 0.02 wt%인, 알루미늄-공기 전지용 알루미늄 합금 양극.
The method according to claim 1,
Wherein the aluminum is an aluminum alloy for an aluminum-pneumatic battery, wherein the purity is 99.8%, the zinc is 1.0 to 10.0 wt%, the indium is 0.01 to 0.05 wt%, the silicon is 0.05 to 0.5 wt% and the manganese is 0.005 to 0.02 wt% anode.
상기 알루미늄-공기 전지용 알루미늄 합금 양극은,
철(Fe)을 더 포함하고, 상기 철은 0.02 wt% 미만인, 알루미늄-공기 전지용 알루미늄 합금 양극.
The method according to any one of claims 1 to 3,
The aluminum alloy anode for the aluminum-
An aluminum alloy anode for an aluminum-air battery, further comprising iron (Fe), wherein the iron is less than 0.02 wt%.
상기 알루미늄-공기 전지용 알루미늄 합금 양극은,
구리(Cu)를 더 포함하고, 상기 구리는 0.01 wt% 미만인, 알루미늄-공기 전지용 알루미늄 합금 양극.
The method according to any one of claims 1 to 3,
The aluminum alloy anode for the aluminum-
An aluminum alloy anode for an aluminum-air battery, further comprising copper (Cu), wherein the copper is less than 0.01 wt%.
상기 알루미늄-공기 전지용 알루미늄 합금 양극은,
철(Fe) 및 구리(Cu)를 더 포함하고, 상기 철은 0.02 wt% 미만이고, 상기 구리는 0.01 wt% 미만인, 알루미늄-공기 전지용 알루미늄 합금 양극.
The method according to any one of claims 1 to 3,
The aluminum alloy anode for the aluminum-
An aluminum alloy anode for an aluminum-air battery, further comprising iron (Fe) and copper (Cu), wherein the iron is less than 0.02 wt% and the copper is less than 0.01 wt%.
산화반응이 일어나고, 알루미늄(Al), 아연(Zn), 인듐(In), 규소(Si) 및 망간(Mn)을 포함하는 알루미늄-공기 전지용 알루미늄 합금 양극(Anode);
환원반응이 일어나는 음극(Cathode); 및
상기 양극과 상기 음극에서 각각의 반응이 일어나도록, 이온이 교환되는 전해액(Electrolyte)을 포함하는, 알루미늄-공기 전지.
As an aluminum-air battery,
An aluminum alloy anode for an aluminum-air battery including aluminum (Al), zinc (Zn), indium (In), silicon (Si) and manganese (Mn)
A cathode where a reduction reaction takes place; And
And an electrolyte (Electrolyte) in which ions are exchanged so that a reaction occurs at the anode and at the cathode, respectively.
상기 알루미늄은 순도 99.8%, 상기 아연은 1.0 내지 10.0 wt%, 상기 인듐은 0.01 내지 0.05 wt%, 상기 규소는 0.05 내지 0.5 wt% 및 상기 망간은 0.005 내지 0.02 wt%인, 알루미늄-공기 전지.
The method according to claim 6,
Wherein the aluminum has a purity of 99.8%, the zinc is 1.0 to 10.0 wt%, the indium is 0.01 to 0.05 wt%, the silicon is 0.05 to 0.5 wt%, and the manganese is 0.005 to 0.02 wt%.
상기 알루미늄-공기 전지용 알루미늄 합금 양극은,
철(Fe)을 더 포함하고, 상기 철은 0.02 wt% 미만인, 알루미늄-공기 전지.
8. The method according to any one of claims 6 to 7,
The aluminum alloy anode for the aluminum-
Further comprising iron (Fe), wherein the iron is less than 0.02 wt%.
상기 알루미늄-공기 전지용 알루미늄 합금 양극은,
구리(Cu)를 더 포함하고, 상기 구리는 0.01 wt% 미만인, 알루미늄-공기 전지.
8. The method according to any one of claims 6 to 7,
The aluminum alloy anode for the aluminum-
Further comprising copper (Cu), said copper being less than 0.01 wt%.
상기 알루미늄-공기 전지용 알루미늄 합금 양극은,
철(Fe) 및 구리(Cu)를 더 포함하고, 상기 철은 0.02 wt% 미만이고, 상기 구리는 0.01 wt% 미만인, 알루미늄-공기 전지. 8. The method according to any one of claims 6 to 7,
The aluminum alloy anode for the aluminum-
Further comprising iron (Fe) and copper (Cu), wherein the iron is less than 0.02 wt% and the copper is less than 0.01 wt%.
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