KR20150018527A - 축전지들 및 공기-알루미늄 배터리들을 포함하는 시스템 - Google Patents

축전지들 및 공기-알루미늄 배터리들을 포함하는 시스템 Download PDF

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아이에프피 에너지스 누벨
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Abstract

본 발명은 전기 에너지를 공급 및/또는 저장할 수 있는 전기화학 셀로서, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조된 산화성 전극 (2), 공기가 확산될 수 있게 하고 공기 중에서의 산소가 환원될 수 있게 하는 전도성 공기 전극 (1), 및 전해질 (3) 을 포함하는, 전기화학 셀에 관한 것이다. 전해질 (3) 은 비수성이고, 지방족의, 환형 또는 헤테로환형의 질소 유도체와 삼염화 알루미늄 (AlCl3) 의 혼합물을 포함한다. 본 발명은 또한 적어도 하나의 이러한 셀을 포함하는, 전기 에너지 저장을 위한 전기화학 시스템에 관한 것이다.

Description

축전지들 및 공기-알루미늄 배터리들을 포함하는 시스템{SYSTEM COMPRISING ACCUMULATORS AND AIR-ALUMINIUM BATTERIES}
본 발명은 전기 에너지 저장의 영역 (sphere), 및 특히 금속-공기 전기화학 셀들에 관한 것이다.
전기 에너지 저장 수단, 특히 배터리들은 점점 더 변화되는 애플리케이션들: 휴대폰들, 랩탑들, 휴대용 툴들, 전기 또는 하이브리드 차량들 등에 대해서 더욱 더 빈번하게 사용된다. 이러한 애플리케이션들에 대해서, 에너지 저장 수단은 경량이고, 컴팩트할 필요가 있으며, 이들은 그 용도와 연관되는 전기적 요건들을 충족해야 한다.
미래의 모터 차량들을 위해 고려되는 축전지 시스템들 중에서, 금속-공기 배터리들이 이론적 에너지 밀도와 관련하여 가장 유망한 옵션들인 것으로 보여진다. 금속-공기 전기화학 셀은 금속이 셀 방전 동안 산화 반응의 자리인 부극 (애노드) 으로 이루어지는 한편, 정극 (캐소드, 또한 공기 전극으로도 불림) 은 공기 중의 산소의 환원 반응을 수반하며, 그리고 전해질은 이온성 종들에 의해 전극들 사이에서 이온성 전도를 제공한다. 공기 전극은 대개, 촉매를 포함하는 2개의 액티브층들과 2개의 액티브층들 사이에 샌드위칭된 금속 그리드의 어셈블리로 이루어진다.
사용된 금속의 선택은 전기화학 셀의 설계에서 중요한 단계이다. 리튬 (Li) 은 가장 음성 (electronegative) 인 원소 및 최경량의 금속이므로, 예를 들어 특허 출원 US-2009/0,053,594 A1 에 나타낸 바와 같이, Li-공기 배터리들에 대해 상당한 개발 작업이 자연스럽게 행해지고 있다. 하지만, 리튬은, 이 금속의 천연 매장량이 많지만, 주변 공기에 노출될 때 소정 수의 위험들을 나타낼 수 있는 재료이고, 추출 및 처리 비용도 또한 높다. 게다가, Li-이온 배터리들에서의 리튬의 대량 사용은 그 보존량들을 감소시키는 경향이 있다. 또한, 규소에 대한 관심이 증가하고 있고, 특허 출원 WO 2011/061,728 A1 이 이러한 시스템을 설명한다. 이 문헌에서, 사용되는 규소는 도핑된 n형 또는 p형 규소이고, 구현 기술들이 마이크로일렉트로닉스에 대해 완전히 제어되더라도, 이것은 상대적으로 높은 추가 비용을 나타낸다.
알루미늄의 경우, 그것은 원자량이 낮고 풍부한 3가 금속이고, 공기에 노출될 때 어떠한 위험도 나타내지 않고 상대적으로 저가이다. 기계적으로 재충전가능한 알루미늄-공기 배터리 시스템들은 종래 기술에 기재되어 있으며, 특히 특허 출원들 WO-2010/132,357 및 WO-2002/086,984 에 기재되어 있다. 종래 기술에 기재되어 있는 알루미늄-공기 시스템들은 염류 용액 또는 알칼리성 용액을 포함하는 전해질을 수반한다. 가장 많이 연구되어 온 후자의 경우, 캐소드에서의 물 중의 산소의 환원 반응은 히드록실 이온들을 발생시킨다. 이 이온들의 존재 중에서 금속의 산화는, 침전하여 공기 캐소드의 기공들을 점진적으로 막는, 결정성의 수화된 수산화 알루미늄의 형성을 발생시키고, 이것은 전기화학 셀 성능들의 열화를 야기시킨다.
제 1 문헌 (WO-2010/132,357) 에는, 알루미늄으로 제조되는 금속 전극의 가능성이 언급되어 있고, 사용될 수 있는 다양한 형태의 전해질이 기재되어 있지만, 알루미늄-공기 시스템들과 직면하는 문제점들에 대해서는 어떠한 해결책도 제공하지 않는다.
상기 언급된 흠결을 극복하기 위해서, 특허 출원 WO-2002/086,984 에는, 덜 결합된 물 분자들을 갖는 결정화 화합물을 얻기 위해서 결정성의 수화된 수산화 알루미늄의 형성을 방지하기 위한 "탈수 (dehydrating)" 첨가제의 사용이 기재되어 있고, 이것은 결과적으로 배터리 사용의 지속기간을 증가시킨다. 더욱이, 첨가제 사용은 셀의 비용을 증가시킨다. 하지만, 전해질의 전도성은 첨가제를 사용하는 경우 저하된다. 실제로, 이 문헌에 청구된 유기 첨가제들 중에서, 전분 및 폴리아크릴아미드는 매질 (겔의 형성) 의 점성을 증가시켜 전도성을 감소시킨다. 다른 2개의 첨가제들은 이에 따라 전해질에 존재하는 물의 비율을 저하시켜, 전도성이 덜하도록 만든다.
알루미늄-공기 배터리들과 연관된 두번째 문제점은 알칼리성 매질에서 관측되는 알루미늄 부식 현상이며, 이것은 수소 방출로 바뀌며, 이와 관련된 안전성 문제들, 및 배터리의 전체 성능을 불리하게 하는 상당한 과전압을 수반한다. 상기 언급된 2개의 문헌들 중 어느 것도 이 문제점을 해결하지 못하며; 예를 들어, 첨가제 사용은 알루미늄 부식과 연관된 수소 방출이 감소될 수 있게 하지 못한다.
상기 언급된 흠결들을 극복하기 위해서, 본 발명은 비수성이고 그 조성에 의해 알루미늄을 거의 부식시키지 않는 전해질을 포함하는 알루미늄-공기 전기화학 셀에 관한 것이다. 즉, 이러한 전해질이 장착된 알루미늄-공기 전기화학 셀은 경량이고, 전기 에너지 저장에 적합한 전기 특성들을 가지면서 양호한 전기화학 성능들을 갖는다.
본 발명은, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조된 산화성 전극, 공기의 확산 및 공기 중에서의 산소의 환원을 허용하는 전도성 공기 전극, 및 전해질을 포함하는, 전기 에너지를 발생 및/또는 축적할 수 있는 알루미늄-공기 전기화학 셀에 관한 것이다. 전해질은 비수성이고, 염화된 환형 또는 헤테로환형의, 지방족 질소 유도체와 삼염화 알루미늄 (AlCl3) 의 혼합물을 포함한다.
본 발명에 따르면, 전해질 내에서, 삼염화 알루미늄 (AlCl3) 의 비율 대 염화된 환형 또는 헤테로환형의, 지방족 질소 유도체의 비율의 몰비가 1.01 ~ 2 의 범위이다.
바람직하게, 전해질의 염화된 환형 또는 헤테로환형의, 지방족 질소 유도체는 염화 1-에틸-3-메틸-이미다졸륨 (EMlmCl), 염화 1-부틸-3-메틸-이미다졸륨, 염화 1-부틸-피리디늄 또는 염화 벤질트리메틸암모늄 중에서 선택된다.
이롭게는, 삼염화 알루미늄의 비율 대 염화 1-에틸-3-메틸-이미다졸륨 (EMlmCl) 의 몰비는 실질적으로 1.5 와 동일하다.
본 발명의 일 실시형태에 따라서, 상기 전해질은 또한 유기 액체 및/또는 이온성 액체를 포함한다.
게다가, 상기 전해질은 셀의 주변 동작 온도에서 액체이다. 대안으로, 상기 전해질은 셀의 주변 동작 온도에서 겔이다.
일 실시형태에 따라서, 상기 공기 전극은 미세다공성 다중층 어셈블리 및 산소 환원을 허용하는 액티브 소자를 포함한다.
이롭게는, 상기 공기 전극은 다공성 탄소, 산소 환원 촉매, 과불화 폴리머 및 집전체로 이루어진다.
이롭게는, 상기 산소 환원 촉매는 금속 산화물들, 특히 망간, 니켈 또는 코발트 산화물들 중에서, 또는 도핑된 금속 산화물들 중에서, 또는 귀금속들 중에서 선택된다.
셀은 또한 공기 전극으로부터 업스트림으로 다공성 디바이스들을 포함한다.
본 발명은 더욱이 본 발명에 따른 적어도 하나의 셀을 포함하는 전기 에너지 저장을 위한 전기화학 시스템에 관한 것이다.
일 변형예에서, 전기 에너지 저장을 위한 전기화학 시스템은 직렬 및/또는 병렬로 배열되는 상술된 복수의 셀들을 포함한다.
또한, 본 발명은 적어도 하나의 전기 머신을 포함하는, 차량, 특히 모터 차량에 관한 것이다. 차량에는 상기 전기 머신에 공급하기 위한 본 발명에 따른 전기 에너지 저장 시스템이 장착되어 있다.
본 발명의 다른 특징들 및 이점들은, 첨부된 도면들을 참조하여, 비한정적인 예로써 주어진 실시형태의 이하의 기재를 읽음으로써 명백해질 것이다.
도 1 은 실험적으로 사용되는, 본 발명에 따른 알루미늄-공기 전기화학 셀을 나타낸다.
도 2 는 본 발명에 따른 전기화학 셀의 방전 곡선들을 나타낸다.
도 3 은 본 발명에 따른 전기화학 셀의 충방전 곡선들을 나타낸다.
즉, 본 발명은 전기 에너지를 발생 및/또는 축적할 수 있는 금속-공기 전기화학 셀용 전해질에 관한 것이다. 본 발명의 제 1 양태에 따르면, 이 전해질은 비수성이고, 전기화학셀의 공기 전극의 기공들을 막을 개연성이 있는 결정성의 수화된 수산화 알루미늄의 형성을 방지할 수 있다. 즉, 그 성능들은 종래 기술에서 고려되는 셀들에 의한 것보다 시간에 걸친 열화가 덜 진행된다.
본 발명의 제 2 양태에 따르면, 전해질은 삼염화 알루미늄 (AlCl3) 과 염화된 환형 또는 헤테로환형의, 지방족 질소 유도체의 혼합물을 포함한다. 이 혼합물은 실험적으로 입증된 바와 같이 알루미늄을 거의 부식되지 않는다 (부식 측정들은 실시예 1 에 기재되어 있음). 따라서, 본 발명에 따른 전해질은, 한편으로는 수산화 알루미늄의 형성을 회피하고 다른 한편으로는 금속 전극의 부식을 감소시키면서, 알루미늄-공기 전기화학 셀에 사용될 수 있으며, 이로써 수소 방출이 감소될 수 있게 한다.
예를 들어, 전해질 중에 삼염화 알루미늄 (AlCl3) 과 혼합되어 있는, 염화된 환형 또는 헤테로환형의, 지방족 질소 유도체는 염화 1-에틸-3-메틸-이미다졸륨, 염화 1-부틸-3-메틸-이미다졸륨, 염화 1-부틸-피리디늄 또는 염화 벤질트리메틸암모늄 중에서 선택될 수 있다. 사용될 수 있는 다른 화합물들은 F. Endres, D. MacFarlane 및 A. Abbott, Wiley-VCH (2008) 편의 "이온성 액체들로부터의 전기증착 (Electrodeposition from ionic liquids)" 에 기재되어 있다. 보다 일반적으로, 이 반응이 일어나기에 충분한 전기화학적 윈도우를 갖는 이온 전도성 액체 전해질의 획득을 허용하는 AlCl3 과 이온성 염의 임의의 혼합물이 사용될 수 있다.
주변 온도에서, 비수성 전해질은 액체 또는 겔이다. 단락의 경우에 잠재적으로 인화성이 있고, 통상 휴대용 전자기기용으로 판매되는, 알킬 카보네이트계의 액체 전해질을 포함하는 원기둥 또는 각기둥 모양의 배터리들은, 이러한 타입의 전해질이 인화성이 있기 때문에 하이브리드 전기 차량 또는 전기 차량 애플리케이션들을 위한 허용가능한 안전성 조건들에 관여하지 않는다. 셀 안전성을 향상시키기 위해서, 전해질로서 겔이 적합하게 사용된다. 전해질이 겔의 형태로 되는 경우, 전해질은 또한 고온에서 (60℃ 정도에서) 겔 안전성을 제공하는 것이 그 목적인 이온성 용액을 함유할 수도 있다.
이롭게는, 삼염화 알루미늄 (AlCl3) 대 염화된 함질소 유도체의 몰비는 1.01 ~ 2 의 범위이며, 알루미늄에 대한 부식이 매우 낮다. 사실상, 이 비는 높은 알루미늄 이온 농도를 제공하며, 이것은 높은 전류 밀도들을 이용하여 이온성 종들의 확산을 증진 (높은 수송 횟수) 시키고 높은 비전력이 얻어질 수 있게 한다. 전해질은 또한 이온성 및/또는 유기 액체들을 포함할 수 있다.
이러한 타입의 전해질은 표준 전기화학 셀 동작 조건들 하에서 알루미늄에 대한 부식을 거의 야기시키지 않는다 (실시예 1 참조).
본 발명에 따른 전해질은, (부식 현상이 제한되기 때문에) 수소 방출이 감소고 어떠한 수산화 알루미늄도 형성되지 않는, 알루미늄-공기 전기화학 셀의 빌딩을 허용한다. 이 전기화학 시스템은, 산화 반응을 겪을 가능성이 있고 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 금속 컴포넌트 (금속 전극) 를 포함하는 어셈블리, 금속 또는 합금에 대한 부식을 거의 일으키지 않는 비수성 전해질, 그리고 산소 환원을 허용하는 (공기 전극으로 불리는) 전극으로 이루어진다.
공기 전극은 가스들의 확산을 허용하는 미세다공성 다중층 어셈블리를 포함할 수 있고, 산소 환원을 허용하는 적어도 하나의 액티브 소자를 포함할 수 있다. 종래에, 공기 전극들은 다공성 탄소, PTFE, PFA, FEP 등과 같은 과불화 폴리머로 제조되고, 이들은 산소 환원 촉매 및 집전체를 포함한다. 산소 환원 촉매는 금속 산화물들, 예컨대 망간, 니켈 또는 코발트 산화물들, 도핑된 금속 산화물들, 또는 귀금속들, 예컨대, 백금, 팔라듐 또는 은 중에서 선택된다.
전기화학 셀은 순수 산소, 산소와 질소의 혼합물, 또는 공기에 의해 무차별적으로 동작한다. 또한 공기 전극으로부터 업스트림으로 배열되고, 공기 중의 이산화 탄소 및/또는 물을 제거하도록 의도된 셀 다공성 디바이스들을 추가하는 것이 가능하다.
어셈블리의 기하학 구조는, 어셈블리의 부드러운 동작을 제공하기에 충분한 산소 유량이 유지된다면, 전기화학 셀의 동작에 장애가 되지 않는다. 즉, 본 발명에 대해서는 어떠한 타입의 셀 기하학 구조도 적합하며; 셀은 원기둥 (동심 전극), 평행육면체 (평행 전극) 등일 수 있다. 또한 2개의 전극들 사이에 전기 절연을 제공하는 (예를 들어 직조 또는 비직조 폴리프로필렌, 미세다공성, PTFE 등으로 제조되는) 비활성 다공성 세퍼레이터를 사용하는 것도 가능하다.
본 발명에 따른 전기화학 셀은 2개의 전극들에 적합하고 (특히 알루미늄에 대해 비부식성이고) 양호한 전기화학 특성들을 갖는 단일의 전해질을 포함한다.
셀은 예를 들어 배터리 형태의 전기 에너지를 저장하기 위한 전기화학 시스템으로 이루어진다.
본 발명에 따른 여러개의 셀들을 직렬 및/또는 병렬로 결합함으로써, 전기 에너지를 저장하기 위한 전기화학 시스템, 특히 재충전가능한 배터리 또는 축전지 시스템이 구성된다 (실시예 3 참조). 직렬 및/또는 병렬 접속은 에너지 저장 시스템의 애플리케이션을 위한 소망의 전기 특성들 (전압, 전류, 전력) 에 의존한다. 이 전기 에너지 저장 시스템은 차량들, 예를 들어 전기 또는 하이브리드 모터 차량들 또는 이륜차들의 보드 상의 배터리로서 사용될 수 있다. 하지만, 이 시스템은 또한 휴대폰들, 랩탑들, 휴대용 툴등 등의 보드 상의 배터리로서 사용하기에도 적합하다.
애플리케이션 예들
출원인은 본 발명에 따른 알루미늄-공기 전기화학 셀의 성능 및 알루미늄에 대한 전해질의 비부식성을 나타내기 위해서 3개의 실험 연구들을 실행하였다.
실시예 1
전기화학 셀의 금속 컴포넌트에 대한 전해질의 비부식성을 확립하기 위해서, 출원인은 본 발명에 따른 전해질에 의한 알루미늄의 부식을 측정하기 위한 실험을 실행하였다.
회전식 베인 펌프에 의해 감압하에서 12 시간 동안 120 ℃ 에서 미리 건조된 염화 1-에틸-3-메틸-이미다졸륨 (EMlmCl) (Solvionic® company 에 의해 판매), 및 99.99% 순도의 건조한 염화 알루미늄 (Sigma Aldrich® company 에 의해 판매) 을 글로브박스 (실험 용기) 에 투입하였다. 함질소 유도체 EMlmCl 를 교반하에서 건조한 유리 베셀에 투입하고, 발열을 제한하고 (1.01 과 2 사이의 범위인) 1.5 의 몰비 R 을 유지하면서 삼염화 알루미늄 (AlCl3) 을 계속해서 첨가한다.
부식은 BioLogic® company 에 의해 판매되는 포텐쇼스탯 (potentiostat) SP 150 을 사용하여 글로브박스에서 측정하고, 그 데이터는 EC-Lab® software 를 사용하여 표시 및 프로세싱된다. 연구되는 매질과 동일한 조성의 혼합물에 침지되고 다공성의 소결된 재료에 의해 용액으로부터 분리되는, (Goodfellow® company 에 의해 판매되는 99.9999% 순도의 1-mm 직경의) 알루미늄 배선으로 이루어지는 레퍼런스 (또는 준레퍼런스) 전극, 작업 전극으로서의 (Goodfellow® company 에 의해 판매되는 99.9999% 순도의) 1-mm 직경의 알루미늄 배선, 및 4-mm 직경의 텅스텐 상대 전극을 이용한 3개의 전극 셋업이 사용되었다.
전기화학 선편광 측정은 0.082 V 에서 측정된 정지 전위 (rest potential) 에 대해 1 mV·s-1 에서 ±50 mV 의 스캔 속도로 수행한다. 이후 로그 전류 대 전압의 곡선들인, 타펠 (Tafel) 곡선들을 도시한다. 이 곡선들은 부식 전위 (corrosion potential) 의 각 사이드에 캐소드 라인 (산소 또는 양성자 환원 반응) 및 애노드 라인 (금속 산화) 을 포함한다. 이후 부식 전류가 이들 2개의 라인들의 교차점의 좌표들로부터 추론된다. 타펠 곡선들의 코스는 이 실험 동안 3 ㎂·㎝-2 아래의 부식 전류 밀도의 결정을 허용한다. 이 값은 매우 낮으며, 전해질이 실험의 조건들 하에서 알루미늄에 대한 부식을 특별히 거의 일으키지 않는다는 것을 나타낸다.
실시예 2
본 발명에 따른 셀의 전기적 특성들을 확립하기 위해서, 출원인은 실험 측정들을 실행하였다. 도 1 은 측정들 동안 사용된 셀의 셋업을 도시한다. 글로브박스를 사용하여, 절연 코팅 및 벤팅 (venting) 디바이스 (8) 가 제공된 금속 지지체 (5) 상에, PTFE 로 제조되고 알루미늄 판 (2) 과 공기 전극 (1) 사이에 전해질을 주입시킬 수 있는 개구 (7) 와 시일이 각 사이드에 장착되는 셀의 바디 (4) 를 어셈블링한다. 클램핑 레버 (6) 가 어셈블리의 시일링을 제공한다.
전기화학 셀은 Electric Fuel® company 에 의해 판매되는 E-4 공기 전극 (1), Goodfellow® company 에 의해 판매되는 99.999% 순도의 치수 25×25mm×2mm 의 알루미늄 판 (2), 및 전해질 (3) 로서의 AlCl3/EMlmCl 혼합물 (몰비 R=1.5) 로 구성된다. 알루미늄 판 (2) 과 공기 전극 (1) 사이의 간격은 셀 바디의 내측 직경이 15mm 인 경우 10mm 이다.
전해질 (3) 을 포함하는 완전한 셋업을, 포텐쇼스탯으로의 전기적 접속을 허용하는 2개의 시일된 배출구들, 분자체를 사용하여 이산화탄소를 제거한 건조 공기용 유입구를 포함하는 유리 셀에 배치한다. 셀로의 공기 유입 속도는 30 ㎖/min 으로 설정한다.
갈바노플라스틱 (galvanoplastic) 방전 조작들은 BioLogic® company 에 의해 판매되는 SP 150 포텐쇼스탯을 사용하여 수행되었고, 그 데이터는 EC-Lab® software 에 의해 표시 및 프로세싱되었다. 방전 측정들은 온도 22℃±3℃ 에서 상이한 전류 밀도들: -50 ㎂·㎝-2; -100 ㎂·㎝-2; -300 ㎂·㎝-2; 및 -600 ㎂·㎝-2 에 대해 수행되었다. 얻어진 방전 곡선들은 도 2 에 도시된다. 이 곡선들은 시간 t (일 단위) 의 함수로서 셀 단자들에서의 전압 U (V 단위) 의 진전을 나타낸다.
표 1 은 산출 이후 얻어진 결과들을 나타낸다.
Figure pct00001
얻어진 결과들은, 비부식성 비양자성 매질에서, 알루미늄-공기 전기화학 시스템이 알루미늄으로부터의 에너지 발생 및 공기 중에서의 산소 발생을 허용한다는 것을 나타낸다.
금속-공기 시스템들이 상이한 비교예들은 문헌에서 입수가능하며, 기재된 시스템이 표 2 의 비교값들에 의해 나타낸 바와 같이 흥미롭다는 것을 보여준다.
Figure pct00002
표에서의 값들은 -100 ㎂·㎝-2 의 전류 밀도에 대해 결정된다는 것에 유의할 수 있다. 제 1 실시예 (리튬 전극) 는 특히 문헌: Takashi Kuboki Tetsuo Okuyama, Takahisa Ohsaki, Norio Takami, "소수성의 실온의 이온성 액체 전해질을 사용하는 리튬-공기 배터리들 (Lithium-air batteries using hydrophobic room temperature ionic liquid electrolyte)," Journal of Power Sources 146, 766-769 (2005) 에 나타나 있다. 제 2 실시예 (규소 전극) 에 관해서는, 값들은 하기 문헌으로부터의 데이터를 사용하여 산출된다: Gil Cohn, Yair Ein-Eli, "비수성 규소-공기 배터리의 연구 및 개발 (Study and development of non-aqueous silicon-air battery)," Journal of Power Sources 195, 4963-4970 (2010).
용량/탄소값은 탄소의 질량, 공기 전극 촉매의 질량을 고려하여 산출되므로, 이 용량은 질량 단위당 셀의 용량에 상응한다. 본 발명에 따른 셀은 문헌에 기재된 리튬-공기 또는 규소-공기 셀들보다 더 높은 용량/탄소값을 갖는 셀의 빌딩을 허용함에 유의할 수 있다.
실시예 3
실시예 2 의 셀과 동일한 셀이 빌딩된다. 이 셀에는, 셀에 전류를 부가하는 것에 의해 여러번의 충전/방전 사이클들이 가해진다. 도 3 은 이들 충전/방전 사이클들 동안의 셀의 거동을 나타낸다. 실선의 곡선은 셀 단자들에서의 전압 U 에 해당한다. 점선의 곡선은 셀에 부가된 전류 I 에 해당한다. 이 곡선들은 시간 (시간 단위) 함수로서의 셀 단자들에서의 전압 U (V 단위) 및 전류 I (mA/㎠ 단위) 의 진전을 나타낸다.
충전/방전 사이클들을 시뮬레이션하기 위해서, 포지티브 (+0.6 mA/㎠) 및 네거티브 (-0.6 mA/㎠) 직류가 충방전 동안 각각 부가된다.
전압은 실질적으로 0.5 ~ 2.5 V 의 범위이고, 전압 곡선은 충방전 곡선을 따른다는 것에 유의할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 셀은 재충전가능한 축전지 (배터리) 로 적합하다.

Claims (14)

  1. 전기 에너지를 발생 및/또는 축적할 수 있는 전기화학 셀로서,
    알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조된 산화성 전극 (2),
    공기의 확산 및 공기 중에서의 산소의 환원을 허용하는 전도성 공기 전극 (1), 및
    전해질 (3) 을 포함하고,
    상기 전해질 (3) 은 비수성이고, 염화된 환형 또는 헤테로환형의, 지방족 질소 유도체와 삼염화 알루미늄 (AlCl3) 의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전해질 (3) 내에서, 상기 삼염화 알루미늄 (AlCl3) 의 비율 대 상기 염화된 환형 또는 헤테로환형의, 지방족 질소 유도체의 비율의 몰비가 1.01 ~ 2 의 범위인, 전기화학 셀.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 전해질 (3) 의 염화된 환형 또는 헤테로환형의, 지방족 질소 유도체는 염화 1-에틸-3-메틸-이미다졸륨 (EMlmCl), 염화 1-부틸-3-메틸-이미다졸륨, 염화 1-부틸-피리디늄 또는 염화 벤질트리메틸암모늄 중에서 선택되는, 전기화학 셀.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 삼염화 알루미늄의 비율 대 상기 염화 1-에틸-3-메틸-이미다졸륨 (EMlmCl) 의 비율의 몰비가 실질적으로 1.5 와 동일한, 전기화학 셀.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전해질 (3) 은 또한 유기 액체 및/또는 이온성 액체를 포함하는, 전기화학 셀.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전해질 (3) 은 상기 전기화학 셀의 주변 동작 온도에서 액체인, 전기화학 셀.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 전해질은 상기 전기화학 셀의 주변 동작 온도에서 겔인, 전기화학 셀.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공기 전극 (1) 은 미세다공성 다중층 어셈블리 및 산소 환원을 허용하는 액티브 소자를 포함하는, 전기화학 셀.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 공기 전극 (1) 은 다공성 탄소, 산소 환원 촉매, 과불화 폴리머 및 집전체로 이루어지는, 전기화학 셀.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 산소 환원 촉매는 금속 산화물들, 특히 망간, 니켈 또는 코발트 산화물들 중에서, 또는 도핑된 금속 산화물들 중에서, 또는 귀금속들 중에서 선택되는, 전기화학 셀.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 전기화학 셀은 또한 상기 공기 전극으로부터 업스트림으로 다공성 디바이스들을 포함하는, 전기화학 셀.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 기재된 적어도 하나의 전기화학 셀로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장을 위한 전기화학 시스템.
  13. 직렬 및/또는 병렬로 배열되는 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 기재된 복수의 전기화학 셀들을 포함하는 것을 특징으로 전기 에너지 저장을 위한 전기화학 시스템.
  14. 적어도 하나의 전기 머신을 포함하는 차량으로서,
    상기 차량은 특히 모터 차량이고,
    상기 차량에는 상기 전기 머신에 공급하기 위한 제 13 항에 기재된 전기 에너지 저장 시스템이 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 차량.



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