KR20160024609A - 공기 정화 모듈을 구비하는 금속 공기 전지 및 금속 공기 전지의 운전방법 - Google Patents

공기 정화 모듈을 구비하는 금속 공기 전지 및 금속 공기 전지의 운전방법 Download PDF

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Abstract

공기 정화 모듈을 구비하는 금속 공기 전지 및 금속 공기 전지의 운전방법이 개시된다. 개시된 비리튬 금속 공기 전지는 금속의 산화와 산소의 환원을 이용하여 전기를 생성하는 전지 셀 모듈, 및 상기 전지 셀 모듈과 유체 연통되는 것으로, 공기를 정화시키는 공기 정화 모듈을 포함하고, 상기 공기 정화 모듈은 상기 정화된 공기를 상기 전지 셀 모듈에 공급하고, 아울러 상기 전지 셀 모듈에서 배출된 공기를 받아들여 재생된다.

Description

공기 정화 모듈을 구비하는 금속 공기 전지 및 금속 공기 전지의 운전방법 {Metal air battery having air purification module and operation method of the metal air battery}
금속 공기 전지 및 금속 공기 전지의 운전방법이 개시된다. 보다 상세하게는, 공기 정화 모듈을 구비하는 금속 공기 전지 및 금속 공기 전지의 운전방법이 개시된다.
금속 공기 전지는 복수의 금속 공기 전지 셀을 포함하며, 각각의 금속 공기 전지 셀은 이온의 흡장 및 방출이 가능한 음극과 공기 중의 산소를 활물질로서 사용하는 양극을 포함한다. 양극에서는 외부로부터 유입되는 산소의 환원 및 산화 반응이 일어나고 음극에서는 금속의 산화 및 환원 반응이 일어나며, 이때 발생하는 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환시켜 추출한다. 예를 들어, 금속 공기 전지는 방전시에는 산소를 흡수하고 충전시에는 산소를 방출한다. 이와 같이 금속 공기 전지가 공기 중에 존재하는 산소를 이용하기 때문에, 전지의 에너지 밀도를 비약적으로 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 금속 공기 전지는 기존의 리튬 이온 전지의 에너지 밀도보다 수배 이상 높은 에너지 밀도를 가질 수 있다.
또한, 금속 공기 전지는 이상 고온에 의한 발화 가능성이 낮기 때문에 뛰어난 안정성을 가지며, 중금속을 사용할 필요가 없이 산소의 흡수 및 방출만으로 작동하기 때문에 환경 오염을 일으킬 가능성도 낮다. 이러한 다양한 장점으로 인해, 현재 금속 공기 전지에 대한 많은 연구가 이루어지고 있다.
금속 공기 전지를 운전할 경우, 양극 측에 공기를 공급하여 산소 분자를 활물질로 사용하게 된다. 이때, 공기에 포함된 H2O 및 CO2와 같은 불순물들이 금속 과산화물(예를 들어, Li2O2)의 생성을 방해하여 금속 공기 전지의 용량 및 수명을 저하시키게 된다.
본 발명의 일 구현예는 공기 정화 모듈을 구비하는 금속 공기 전지를 제공한다.
본 발명은 다른 구현예는 상기 금속 공기 전지의 운전방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면은,
금속의 산화와 산소의 환원을 이용하여 전기를 생성하는 전지 셀 모듈; 및
상기 전지 셀 모듈과 유체 연통되는 것으로, 공기를 정화시키는 공기 정화 모듈을 포함하고,
상기 공기 정화 모듈의 일부분은 상기 정화된 공기를 상기 전지 셀 모듈에 공급하고, 상기 공기 정화 모듈의 다른 부분은 상기 전지 셀 모듈에서 배출된 공기를 받아들여 재생되는 금속 공기 전지를 제공한다.
상기 공기 정화 모듈은 제1 흡착탑과 제2 흡착탑을 포함하고, 상기 제1 흡착탑이 공기를 정화시켜 상기 정화된 공기를 상기 전지 셀 모듈에 공급하는 역할을 수행하는 동안 상기 제2 흡착탑은 상기 전지 셀 모듈에서 배출된 공기를 받아들여 재생되는 역할을 수행하고, 상기 제1 흡착탑과 상기 제2 흡착탑은 각자의 역할을 주기적으로 바꾸어 수행할 수 있다.
상기 제1 흡착탑과 상기 제2 흡착탑은 서로 직접적으로는 유체 연통되지 않고, 상기 전지 셀 모듈을 통해서 간접적으로만 유체 연통될 수 있다.
상기 제1 흡착탑과 상기 제2 흡착탑은 서로 직접적으로 차단 및 제어가능하게 유체 연통되고, 상기 전지 셀 모듈을 통해서 간접적으로도 유체 연통될 수 있다.
상기 공기 정화 모듈은 PSA(pressure swing adsorption), TSA(thermal swing adsorption), PTSA(pressure thermal swing adsorption), VSA(vacuum swing adsorption), 선택적 분리 방법 또는 이들 중 2 이상의 방법으로 운전되도록 구성될 수 있다.
상기 공기 정화 모듈은 흡착재 및 선택적 투과막 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 흡착재는 제올라이트, 알루미나, 실리카겔, MOF(metal-organic framework), ZIF(zeolitic imidazolate framework), 활성탄 또는 이들 중 2 이상의 혼합물로부터 선택될 수 있다.
상기 선택적 투과막은 서로 나란히 배치된 복수의 이온 교환 중공사막을 포함할 수 있다.
상기 금속 공기 전지는 리튬 공기 전지일 수 있다.
본 발명의 다른 측면은,
상기 금속 공기 전지의 운전방법으로서,
하나의 사이클을 이루는 제1 반사이클 및 제2 반사이클을 교대로 반복하고,
상기 제1 반사이클은,
상기 제1 흡착탑에 공기를 주입하여 상기 공기를 정화시키는 단계;
상기 정화된 공기를 상기 전지 셀 모듈에 공급하는 단계; 및
상기 전지 셀 모듈에서 배출된 공기를 상기 제2 흡착탑에 공급하여 상기 제2 흡착탑을 재생시키는 단계를 포함하고,
상기 제2 반사이클은,
상기 제2 흡착탑에 공기를 주입하여 상기 공기를 정화시키는 단계;
상기 정화된 공기를 상기 전지 셀 모듈에 공급하는 단계; 및
상기 전지 셀 모듈에서 배출된 공기를 상기 제1 흡착탑에 공급하여 상기 제1 흡착탑을 재생시키는 단계를 포함하는 금속 공기 전지의 운전방법.
상기 금속 공기 전지의 운전방법은, 상기 제1 반사이클에서는, 상기 제1 흡착탑에서 배출된 공기를 상기 제2 흡착탑에 직접 공급하지 않고 상기 전지 셀 모듈에 100% 공급하고, 상기 제2 반사이클에서는, 상기 제2 흡착탑에서 배출된 공기를 상기 제1 흡착탑에 직접 공급하지 않고 상기 전지 셀 모듈에 100% 공급할 수 있다.
상기 금속 공기 전지의 운전방법은, 상기 제1 반사이클에서는, 상기 전지 셀 모듈에서 배출된 공기의 양의 50~100부피%를 상기 제2 흡착탑에 공급하고, 상기 전지 셀 모듈에서 배출된 공기의 양의 0~50부피%를 외부로 배출시키고, 상기 제2 반사이클에서는, 상기 전지 셀 모듈에서 배출된 공기의 양의 50~100부피%를 상기 제1 흡착탑에 공급하고, 상기 전지 셀 모듈에서 배출된 공기의 양의 0~50부피%를 외부로 배출시킬 수 있다.
상기 금속 공기 전지의 운전방법은, 상기 제1 반사이클에서는, 상기 제1 흡착탑에서 정화된 공기의 일부만을 상기 전지 셀 모듈에 공급하고, 나머지 부분을 상기 전지 셀 모듈을 통하지 않고 상기 제2 흡착탑에 직접 공급하는 단계를 더 포함하고, 상기 제2 반사이클에서는, 상기 제2 흡착탑에서 정화된 공기의 일부만을 상기 전지 셀 모듈에 공급하고, 나머지 부분을 상기 전지 셀 모듈을 통하지 않고 상기 제1 흡착탑에 직접 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 금속 공기 전지의 운전방법은, 상기 제1 반사이클에서는, 상기 제1 흡착탑에서 배출된 공기의 양의 50부피% 내지 100부피% 미만을 상기 전지 셀 모듈에 공급하고, 상기 제1 흡착탑에서 배출된 공기의 양의 0부피% 초과 내지 50부피%를 상기 제2 흡착탑에 공급하고, 상기 전지 셀 모듈에서 배출된 공기의 양의 50~100부피%를 상기 제2 흡착탑에 공급하고, 상기 전지 셀 모듈에서 배출된 공기의 양의 0~50부피%를 외부로 배출시키고, 상기 제2 반사이클에서는, 상기 제2 흡착탑에서 배출된 공기의 양의 50부피% 내지 100부피% 미만을 상기 전지 셀 모듈에 공급하고, 상기 제2 흡착탑에서 배출된 공기의 양의 0부피% 초과 내지 50부피%를 상기 제1 흡착탑에 공급하고, 상기 전지 셀 모듈에서 배출된 공기의 양의 50~100부피%를 상기 제1 흡착탑에 공급하고, 상기 전지 셀 모듈에서 배출된 공기의 양의 0~50부피%를 외부로 배출시킬 수 있다.
본 발명의 일구현예에 따른 금속 공기 전지는 전지 셀 모듈에 공급되는 공기의 양을 증가시켜 효율을 높일 수 있으며, 이와 동시에 공기 정화 모듈을 재생하는 공기의 양과 온도를 높여 상기 공기 정화 모듈의 재생 효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일구현예에 따른 금속 공기 전지의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 다른 구현예에 따른 금속 공기 전지의 개략도이다.
도 3은 도 1 및 도 2의 금속 공기 전지에 구비된 전지 셀 모듈을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4는 도 3의 전지 셀 모듈에 구비된 기체 확산층의 평면도이다.
도 5는 도 4의 기체 확산층의 변형예를 도시한 평면도이다.
도 6a 및 도 6b는 도 2의 금속 공지 전지에 구비된 공기 정화 모듈의 공기 정화 성능을 평가하기 위한 운전방법을 예시한 도면이다.
도 7은 도 6a 및 도 6b에 도시된 공기 정화 모듈의 운전방법을 변화시킨 경우, 상기 공기 정화 모듈에 의해 정화된 공기의 이슬점의 변화를 운전시간에 따라 나타낸 그래프이다.
이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 구현예에 따른 금속 공기 전지 및 상기 금속 공기 전지의 운전방법을 상세히 설명한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 금속 공기 전지는 전지 셀 모듈(10) 및 공기 정화 모듈(20)을 포함한다.
전지 셀 모듈(10)은 금속의 산화와 산소의 환원을 이용하여 전기를 생성한다. 예를 들어, 상기 금속이 리튬인 경우, 상기 금속 공기 전지는 방전시에 하기 반응식 1과 같이 리튬(Li)과 산소가 반응하여 과산화리튬(Li2O2)을 생성하는 반응을 통해 전기를 생성한다.
[반응식 1]
Li + 1/2O2 → 1/2Li2O2
그러나, 공기 중에 수분이 존재하게 되면, 상기 금속 공기 전지는 하기 반응식 2와 같이 수산화리튬(LiO2)을 생성하는 반응으로 인해 에너지 밀도 및 수명이 감소하게 된다.
[반응식 2]
4Li + 6H2O + O2 → 4(LiOH·H2O)
공기 정화 모듈(20)은 전지 셀 모듈(10)과 유체 연통(fluid communication)된다.
또한, 공기 정화 모듈(20)의 일부분은 공기(A1) 중의 수분 및 이산화탄소와 같은 불순물을 제거하여 공기(A1)를 정화시키고, 상기 정화된 공기(A2)를 전지 셀 모듈(10)에 공급하는 역할을 수행한다.
또한, 공기 정화 모듈(20)의 다른 부분은 전지 셀 모듈(10)에서 배출된 공기(A3)의 적어도 일부(A31)를 받아들여 재생된다. 본 명세서에서, 용어 「재생」은 공기 정화 모듈(20)에 흡착 또는 포획된 불순물이 탈착 또는 방출되어 공기 정화 모듈(20)의 공기 정화 능력이 회복되는 것을 의미한다.
공기 정화 모듈(20)은 제1 흡착탑(21)과 제2 흡착탑(22)을 포함한다.
제1 흡착탑(21)과 제2 흡착탑(22)에는 흡착재(미도시)가 충전될 수도 있고, 선택적 투과막(미도시)이 배치될 수도 있으며, 흡착재가 충전되고 선택적 투과막도 배치될 수 있다.
상기 흡착재는 공기(A1) 중의 불순물을 선택적으로 흡착한다. 이러한 흡착재는 제올라이트, 알루미나, 실리카겔, MOF(metal-organic framework), ZIF(zeolitic imidazolate framework), 활성탄 또는 이들 중 2 이상의 혼합물로부터 선택될 수 있다. 본 명세서에서, 용어 「MOF」는 유기분자에 배위된 금속 이온 또는 금속 클러스터로 이루어져, 다공성인 1차, 2차 또는 3차 구조를 형성하는 결정성 화합물을 의미한다. 또한 본 명세서에서, 용어 「ZIF」는 이미다졸레이트 리간드에 의해 연결된(linked) MN4(M은 금속)의 사면체 클러스터로 이루어진 나노다공성 화합물을 의미한다.
상기 선택적 투과막은 공기(A1) 중의 불순물을 제외한 나머지 성분을 선택적으로 투과시킨다. 이러한 선택적 투과막은 서로 나란히 배치된(즉, 공기(A1)의 흐름 방향과 나란하게 배치된) 복수의 이온 교환 중공사막(ion exchange hollow fiber)을 포함할 수 있다.
제1 흡착탑(21)이 공기(A1)를 정화시켜 상기 정화된 공기(A2)를 전지 셀 모듈(10)에 공급하는 역할을 수행하는 동안 제2 흡착탑(22)은 전지 셀 모듈(10)에서 배출된 공기(A3)의 적어도 일부(A31)를 받아들여 재생되는 역할을 수행하고, 제1 흡착탑(21)과 제2 흡착탑(22)은 각자의 역할을 주기적으로 바꾸어 수행할 수 있다.
상기 금속 공기 전지는 하나의 사이클을 이루는 제1 반사이클(first half cycle)과 제2 반사이클(second half cycle)을 교대로 반복할 수 있다.
상기 제1 반사이클로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 흡착탑(21)은 공기(A1)를 정화시켜 상기 정화된 공기(A2)를 전지 셀 모듈(10)에 공급하는 역할을 수행하고, 제2 흡착탑(22)은 전지 셀 모듈(10)에서 배출된 공기(A3)의 적어도 일부(A31)를 받아들여 재생되는 역할을 수행할 수 있다.
상기 제2 반사이클로서, 여기에서는 비록 도시되지 않았지만, 제2 흡착탑(22)은 공기를 정화시켜 상기 정화된 공기를 전지 셀 모듈(10)에 공급하는 역할을 수행하고, 제1 흡착탑(21)은 전지 셀 모듈(10)에서 배출된 공기의 적어도 일부를 받아들여 재생되는 역할을 수행할 수 있다.
상기 제1 반사이클과 상기 제2 반사이클은 일정한 시간 주기(예를 들어, 30초)로 교대로 반복될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 제1 흡착탑(21)과 제2 흡착탑(22)은 서로 직접적으로는 유체 연통되지 않고, 전지 셀 모듈(10)을 통해서 간접적으로만 유체 연통될 수 있다.
공기 정화 모듈(20)은 PSA(pressure swing adsorption), TSA(thermal swing adsorption), PTSA(pressure thermal swing adsorption), VSA(vacuum swing adsorption), 선택적 분리 방법 또는 이들 중 2 이상의 방법으로 운전되도록 구성될 수 있다. 본 명세서에서, 용어 「PSA」는 높은 분압에서 특정 가스가 흡착재에 우선적으로 흡착 또는 포획되고, 분압이 감소할 경우 상기 특정 가스가 탈착 또는 방출되는 원리로 작동하는 기술을 의미하고, 용어 「TSA」는 상온에서 특정 가스가 흡착재에 우선적으로 흡착 또는 포획되고, 온도가 증가할 경우 상기 특정 가스가 탈착 또는 방출되는 원리로 작동하는 기술을 의미하고, 용어 「PTSA」는 상기 「PSA」 및 「TSA」가 조합된 기술을 의미하고, 용어 「VSA」는 대기압 부근에서 특정 가스가 흡착재에 우선적으로 흡착 또는 포획되고, 진공하에서 상기 특정 가스가 탈착 또는 방출되는 원리로 작동하는 기술을 의미한다.
상기 금속 공기 전지는 공기 정화 모듈(20)(예를 들어, 제1 흡착탑(21))에서 정화된 공기(A2)의 전부가 전지 셀 모듈(10)에 공급되어 효율이 높을 뿐만 아니라, 공기 정화 모듈(20)(예를 들어, 제2 흡착탑(22))의 재생에 사용되는 공기(A31)의 양이 많고 상기 공기(A31)의 온도가 상온(약 25℃)보다 높아 공기 정화 모듈(20) (예를 들어, 제2 흡착탑(22))의 재생 효율이 높은 이점을 갖는다. 상기 공기(A31)의 온도가 상온보다 높은 이유는 전지 셀 모듈(10)이 작동될 때 열이 발생하기 때문이다.
상기 금속 공기 전지는 리튬 공기 전지일 수 있다. 그러나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 금속 공기 전지는 나트륨 공기 전지, 아연 공기 전지, 칼륨 공기 전지, 칼슘 공기 전지, 마그네슘 공기 전지, 철 공기 전지, 알루미늄 공기 전지 또는 상기 언급된 2종 이상의 금속으로 이루어진 합금 공기 전지일 수 있다.
이하, 도 1을 참조하여 상기 금속 공기 전극의 운전방법을 상세히 설명한다.
<제1 반사이클>
먼저, 외부의 공기(A1)가 제1 흡착탑(21)으로 유입된다. 제1 흡착탑(21)에는 공기(A1) 중의 수분 및 이산화탄소와 같은 불순물이 흡착 또는 포획되어 정화된 공기(A2)가 생성된다.
상기 정화된 공기(A2)는, 제2 흡착탑(22)에 직접 공급되지 않고, 전지 셀 모듈(10)에 100% 공급되어 상기 공기(A2) 중의 산소가 양극 활물질로 사용된다.
이후, 전지 셀 모듈(10)에서 배출된 공기(A3)의 적어도 일부(A31)는 제2 흡착탑(22)으로 공급되어 제2 흡착탑(22)의 재생을 위해 사용된다. 상기 공기(A31)의 양은 상기 공기(A3)의 양의 50~100부피%일 수 있다. 상기 (A31)는 전지 셀 모듈(10)에서 배출된 것이므로 온도가 높아(예를 들어, 40~100℃), 제2 흡착탑(22)의 재생 효율이 향상된다. 전지 셀 모듈(10)에서 배출된 공기(A3)의 나머지 부분(A32)은 외부(예를 들어, 대기)로 배출된다. 상기 공기(A32)의 양은 상기 공기(A3)의 양의 0~50부피%일 수 있다. 본 명세서에서, 용어 「공기의 양」은 공기의 체적 유량(volumetric flowrate)을 의미한다.
제2 흡착탑(22)에서 배출된 공기(A4)는 외부(예를 들어, 대기)로 배출된다.
<제2 반사이클>
제2 반사이클은, 도 1에는 비록 도시되지 않았지만, 상기 제1 반사이클과 동일한 원리로 하기와 같이 수행된다.
먼저, 외부 공기가 제2 흡착탑(22)으로 유입되어 정화된다.
상기 정화된 공기는 전지 셀 모듈(10)로 100% 공급되어 상기 정화된 공기 중의 산소가 양극 활물질로 사용된다.
이후, 전지 셀 모듈(10)에서 배출된 공기(이의 함량을 100부피%라고 함)의 적어도 일부(예를 들어, 50~100부피%)는 제1 흡착탑(21)으로 공급되어 제1 흡착탑(21)의 재생을 위해 사용된다. 전지 셀 모듈(10)에서 배출된 공기(이의 함량을 100부피%라고 함)의 나머지 부분(예를 들어, 0~50부피%)은 외부(예를 들어, 대기)로 배출된다.
제1 흡착탑(21)에서 배출된 공기는 외부(예를 들어, 대기)로 배출된다.
<제2 반사이클 이후의 운전>
상기 제1 반사이클 및 상기 제2 반사이클이 일정한 시간 주기(예를 들어, 30초)로 반복된다.
이하, 도 2를 참조하여 본 발명의 다른 구현예에 따른 금속 공기 전지 및 상기 금속 공기 전지의 운전방법을 상세히 설명한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 구현예에 따른 금속 공기 전지는 전지 셀 모듈(10) 및 공기 정화 모듈(20)을 포함한다.
도 2의 금속 공기 전지가 도 1의 금속 공기 전지와 다른 점은, 제1 흡착탑(21)과 제2 흡착탑(22)이 서로 직접적으로 차단 및 제어가능하게 유체 연통되고, 전지 셀 모듈(10)을 통해서 간접적으로도 유체 연통될 수 있다는 것이다. 본 명세서에서, 「제1 흡착탑(21)과 제2 흡착탑(22)이 서로 직접적으로 차단 및 제어가능하게 유체 연통된다」는 것은 제1 흡착탑(21)과 제2 흡착탑(22)이 전지 셀 모듈(10)을 통하지 않고 서로 직접 유체 연통될 수도 있고, 이들 사이의 직접적인 유체 연통이 차단될 수도 있고, 이들 사이가 직접적으로 유체 연통되는 경우 제1 흡착탑(21)에서 제2 흡착탑(22)으로 흐르거나 제2 흡착탑(22)에서 제1 흡착탑(21)으로 흐르는 유체(즉, 공기)의 양(즉, 체적 유량)이 조절될 수도 있다는 의미이다.
일례로서, 제1 흡착탑(21)에서 정화된 공기(A2)의 일부(A21)만을 전지 셀 모듈(10)에 공급하고, 나머지 부분(A22)을 전지 셀 모듈(10)을 통하지 않고 제2 흡착탑(22)에 직접 공급할 수 있다.
다른 예로서, 제1 흡착탑(21)에서 정화된 공기(A2)의 전부(A21)를 전지 셀 모듈(10)에 공급할 수도 있다. 이 경우, 공기(A2)의 양은 공기(A21)의 양과 동일하고, 공기(A22)의 양은 영(0)이다.
이하, 도 2를 참조하여 상기 금속 공기 전극의 운전방법을 상세히 설명한다.
<제1 반사이클>
먼저, 외부의 공기(A1)가 제1 흡착탑(21)으로 유입된다. 제1 흡착탑(21)에는 공기(A1) 중의 수분 및 이산화탄소와 같은 불순물이 흡착 또는 포획되어 정화된 공기(A2)가 생성된다.
상기 정화된 공기(A2)의 적어도 일부(A21)는 전지 셀 모듈(10)에 공급되어 상기 공기(A21) 중의 산소가 양극 활물질로 사용되지만, 나머지 부분(A22)은 혹시 있다면 전지 셀 모듈(10)을 통하지 않고 제2 흡착탑(22)에 직접 공급되어 후술하는 공기(A31)와 혼합되어 공기(A4)를 형성할 수 있다. 이후, 상기 공기(A4)는 제2 흡착탑(22)에 공급되어 제2 흡착탑(22)의 재생을 위해 사용된다. 상기 공기(A21)의 양은 상기 공기(A2)의 양의 50~100부피%이고, 상기 공기(A22)는 상기 공기(A2)의 0~50부피%일 수 있다.
이후, 전지 셀 모듈(10)에서 배출된 공기(A3)의 적어도 일부(A31)는 제2 흡착탑(22)으로 공급되어 제1 흡착탑(21)에서 배출된 공기(A2)의 일부(A22)와 혼합되어 공기(A4)를 형성한다. 이후, 상기 공기(A4)는 제2 흡착탑(22)에 공급되어 제2 흡착탑(22)의 재생을 위해 사용된다. 상기 공기(A31)의 양은 상기 공기(A3)의 양의 50~100부피%일 수 있다. 상기 공기(A31)는 전지 셀 모듈(10)에서 배출된 것이므로 온도가 높아(예를 들어, 40~100℃), 제2 흡착탑(22)의 재생 효율이 향상된다. 전지 셀 모듈(10)에서 배출된 공기(A3)의 나머지 부분(A32)은 외부(예를 들어, 대기)로 배출된다. 상기 공기(A32)의 양은 상기 공기(A3)의 양의 0~50부피%일 수 있다.
제2 흡착탑(22)에서 배출된 공기(A5)는 외부(예를 들어, 대기)로 배출된다.
<제2 반사이클>
제2 반사이클은, 도 2에는 비록 도시되지 않았지만, 상기 제1 반사이클과 동일한 원리로 하기와 같이 수행된다.
먼저, 외부 공기가 제2 흡착탑(22)으로 유입되어 정화된다.
상기 정화된 공기의 적어도 일부는 전지 셀 모듈(10)에 공급되어 그 공기 중의 산소가 양극 활물질로 사용되지만, 상기 정화된 공기의 나머지 부분은 혹시 있다면 전지 셀 모듈(10)을 통하지 않고 제1 흡착탑(21)에 직접 공급되어, 후술하는 전지 셀 모듈(10)에서 배출된 공기와 혼합될 수 있다. 이후, 상기 혼합된 공기가 제1 흡착탑(21)에 공급되어 제1 흡착탑(21)의 재생을 위해 사용된다.
이후, 전지 셀 모듈(10)에서 배출된 공기(이의 함량을 100부피%라고 함)의 적어도 일부(예를 들어, 50~100부피%)는 제1 흡착탑(21)으로 공급되어 제1 흡착탑(21)의 재생을 위해 사용된다. 전지 셀 모듈(10)에서 배출된 공기(이의 함량을 100부피%라고 함)의 나머지 부분(예를 들어, 0~50부피%)은 외부(예를 들어, 대기)로 배출된다.
제1 흡착탑(21)에서 배출된 공기는 외부(예를 들어, 대기)로 배출된다.
<제2 반사이클 이후의 운전>
상기 제1 반사이클 및 상기 제2 반사이클이 일정한 시간 주기(예를 들어, 30초)로 반복된다.
이하, 도 3을 참조하여 도 1 및 도 2의 금속 공기 전지에 구비된 전지 셀 모듈(10)의 구성을 설명한다.
도 3을 참조하면, 전지 셀 모듈(10)은 하우징(11), 음극 금속층(12), 음극 금속층(12) 위에 배치된 음극 전해질막(13), 음극 전해질막(13) 위에 배치된 산소 차단층(14), 산소 차단층(14) 위에 배치된 양극층(15) 및 양극층(15) 위에 배치된 기체 확산층(16)을 포함한다.
하우징(11)은 음극 금속층(12), 음극 전해질막(13), 산소 차단층(14), 양극층(15) 및 기체 확산층(16)을 수용하여 이들을 밀봉하는 역할을 수행한다.
음극 금속층(12)은 금속 이온을 흡장 및 방출하는 기능을 수행한다. 음극 금속층(12)은, 예를 들어 리튬(Li), 나트륨(Na), 아연(Zn), 칼륨(K), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 철(Fe), 알루미늄(Al) 또는 이들 중 2 이상으로 이루어진 합금을 포함할 수 있다.
음극 전해질막(13)은 금속 이온을 산소 차단층(14)을 통해 양극층(15)으로 전달하는 역할을 수행한다. 이를 위해, 음극 전해질막(13)은 전해질을 포함할 수 있다.
일례로서, 상기 전해질은 고분자계 전해질, 무기계 전해질 또는 이들을 혼합한 복합 전해질을 포함하는 고체상일 수 있으며, 구부러질 수 있도록 제조될 수 있다.
다른 예로서, 상기 전해질은 금속염을 용매에 용해시켜 형성된 것일 수 있다.
상기 금속염으로는 LiN(SO2CF2CF3)2, LiN(SO2C2F5)2, LiClO4, LiBF4, LiPF6, LiSbF6, LiAsF6, LiCF3SO3, LiN(SO2CF3)2, LiC(SO2CF3)3, LiN(SO3CF3)2, LiC4F9SO3, LiAlCl4 또는 LiTFSI(Lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide) 등과 같은 리튬염을 사용할 수 있으며, 상술한 리튬염에 AlCl3, MgCl2, NaCl, KCl, NaBr, KBr, CaCl2 등과 같은 다른 금속염을 더 추가할 수도 있다.
상기 용매는 이러한 리튬염 및 금속염을 용해시킬 수 있는 것이라면 제한없이 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 용매는 디메틸 카보네이트(DMC)와 같은 카보네이트계 용매, 메틸 아세테이트와 같은 에스테르계 용매, 디부틸 에테르와 같은 에테르계 용매, 시클로헥사논과 같은 케톤계 용매, 트리에틸아민과 같은 아민계 용매, 트리에틸포스핀과 같은 포스핀계 용매 또는 이들 중 2 이상의 혼합물을 포함할 수 있다.
산소 차단층(14)은 산소의 투과를 방지하면서 금속 이온에 대한 전도성을 갖는 것일 수 있다. 이러한 산소 차단층(14)은 구부러질 수 있는 고분자 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 산소 차단층(14)은 폴리프로필렌 소재의 부직포나 폴리페닐렌 설파이드 소재의 부직포 등의 고분자 부직포; 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌 등의 올레핀계 수지의 다공성 필름; 또는 이들의 조합을 포함하는 다공성 분리막일 수 있다.
산소 차단층(14)과 음극 전해질막(13)은 각각 별개의 층으로 형성될 수도 있지만, 산소 차단 기능을 갖는 다공성 분리막의 기공들 내에 전해질을 함침시켜 하나의 층으로 형성될 수도 있다. 예를 들어, 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide; PEO)와 LiTFSI를 혼합하여 형성한 전해질을 다공성 분리막의 기공들 내에 함침시켜 음극 전해질막(13)과 산소 차단층(14)을 일체화시킬 수 있다.
양극층(15)은 금속 이온의 전도를 위한 전해질, 산소의 산화 및 환원을 위한 촉매, 도전성 재료 및 바인더를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상술한 전해질, 촉매, 도전성 재료 및 바인더를 혼합한 후 용매를 첨가하여 양극 슬러리를 제조하고, 상기 양극 슬러리를 산소 차단층(14) 위에 도포한 후 건조시킴으로써 양극층(15)을 형성할 수 있다. 상기 용매는 음극 전해질막(13)에 포함된 전해질의 제조에 사용된 용매와 동일한 것일 수 있다.
양극층(15)에 포함된 전해질은 음극 전해질막(13)에 포함된 리튬염 및 선택적으로 금속염을 포함할 수 있다.
상기 촉매는 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 망간(Mn), 니켈(Ni), 코발트(Co), 이들 중 2 이상의 합금 또는 이들의 조합으로부터 선택된 금속의 산화물을 포함할 수 있다.
상기 도전성 재료는 카본 블랙, 그래파이트, 그래핀, 활성탄, 탄소섬유 또는 탄소나노튜브와 같은 다공성을 갖는 탄소계 재료; 구리 분말, 은 분말, 니켈 분말 또는 알루미늄 분말과 같은 금속 분말 형태의 도전성 금속 재료; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 유기 재료; 또는 이들 중 2 이상의 혼합물을 포함할 수 있다.
상기 바인더는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리프로필렌, 폴리불화비닐리덴(PVDF), 폴리에틸렌, 스티렌-부타디엔 고무 또는 이들 중 2 이상의 혼합물을 포함할 수 있다.
기체 확산층(16)은 양극층(15)에 정화된 공기(도 1의 A2 또는 도 2의 A21)를 골고루 공급하는 역할을 수행한다.
기체 확산층(16)은 다공성 구조를 갖는 금속, 세라믹, 폴리머, 탄소 소재, 또는 이들 중 2 이상의 혼합물을 포함할 수 있다. 기체 확산층(16)은 다공성 구조를 가짐으로써, 공기 정화 모듈(20)에서 배출된 공기(도 1의 A2 또는 도 2의 A21)를 흡수하여 후술하는 캐비티(도 4 및 도 5의 C)로 원활하게 확산시킬 수 있다.
상기 다공성 구조를 갖는 금속으로서, 스펀지 형태의 발포 금속이나 금속 섬유 매트가 사용될 수 있다.
상기 다공성 세라믹으로서, 마그네슘-알루미늄 실리케이트(magnesium-aluminium silicate)가 사용될 수 있다.
상기 다공성 폴리머로서 다공성 폴리에틸렌, 다공성 폴리프로필렌이 사용될 수 있다.
상기 다공성 탄소 소재로서, 탄소 섬유를 사용한 카본 페이퍼(carbon paper), 카본 직물(carbon cloth), 카본 펠트(carbon felt)가 사용될 수 있다.
이하, 도 4를 참조하여 도 3의 전지 셀 모듈(10)에 구비된 기체 확산층(16)을 상세히 설명한다.
도 4를 참조하면, 기체 확산층(16)은 일렬로 나란히 배치된 직사각홀 형태의 복수의 캐비티(C)를 포함한다.
캐비티(C)로 유입된 공기(A2 또는 A21)는 양극층(15)의 상부 표면과 직접 접촉할 수 있다. 상기 유입된 공기는 산소를 포함한다. 이에 따라, 양극층(15)은 산소와 원활하게 접촉한다.
이하, 도 5를 참조하여 도 4의 기체 확산층(16)의 변형예를 상세히 설명한다.
도 5를 참조하면, 기체 확산층(16')은 매트릭스 형태로 배치된 정사각홀 형태의 복수의 캐비티(C)를 포함한다.
본 발명의 금속 공기 전지에 구비된 전지 셀 모듈(10)은 상술한 구조에 한정되지 않으며, 다른 다양한 구조를 가질 수 있다.
이하, 본 발명을 하기 실시예를 들어 설명하지만, 본 발명이 하기 실시예로만 한정되는 것은 아니다.
실시예
제작예 : 공기 정화 모듈의 제조
도 2의 금속 공기 전지에 구비된 공기 정화 모듈(20)을 제작하였다. 제1 흡착탑(21) 및 제2 흡착탑(22)에는 제올라이트(TOSOH CORPORATION, ZEORUM A-3)를 충전하였다. 제1 흡착탑(21) 및 제2 흡착탑(22)는 각각 직경이 3.4cm이고, 길이가 15cm이며, 두께가 2.5mm이며, 폴리카보네이트로 제조되었다.
실시예 : 공기 정화 모듈의 운전
상기 제작된 공기 정화 모듈(20)을 도 6a에 도시된 운전방법(제1 반사이클)으로 30초간 운전하고, 이어서 도 6b에 도시된 운전방법(제2 반사이클)으로 30초간 운전하였다. 이후, 상기 제1 반사이클 및 상기 제2 반사이클을 교대로 반복하여 실시하였다. 여기에서는, 편의상, 제1 흡착탑(21) 및 제2 흡착탑(22)을 상온(약 25℃) 및 상압(약 1기압)하에서 운전하였다.
도 6a를 참조하면, 상기 제1 반사이클에서는, 외부 공기(A1)를 20L/min의 유량으로 제1 흡착탑(21)에 공급하였다. 이후, 제1 흡착탑(21)에서 배출된 공기(A2)의 양의 약 80부피%인 16L/min의 공기(A21)를 제2 흡착탑(22)에 공급하여 제2 흡착탑(22)을 재생시키고, 제1 흡착탑(21)에서 배출된 공기(A2)의 양의 약 20부피%인 4L/min의 공기(A22)를 대기중으로 배출시켰다. 제2 흡착탑(22)에서 배출된 공기(A3)도 대기중으로 배출시켰다.
도 6b를 참조하면, 상기 제2 반사이클에서는, 외부 공기(A1)를 20L/min의 유량으로 제2 흡착탑(22)에 공급하였다. 이후, 제2 흡착탑(22)에서 배출된 공기(A2)의 양의 약 80부피%인 16L/min의 공기(A21)를 제1 흡착탑(21)에 공급하여 제1 흡착탑(21)을 재생시키고, 제2 흡착탑(22)에서 배출된 공기(A2)의 양의 약 20부피%인 4L/min의 공기(A22)를 대기중으로 배출시켰다. 제1 흡착탑(21)에서 배출된 공기(A3)도 대기중으로 배출시켰다.
비교예 : 공기 정화 모듈의 운전
제1 반사이클에서, 제2 흡착탑(22)을 재생시키기 위해 제2 흡착탑(22)에 공급되는 공기(A21)의 유량을 10L/min로 변화시키고, 제2 반사이클에서, 제1 흡착탑(21)을 재생시키기 위해 제1 흡착탑(21)에 공급되는 공기(A21)의 유량을 10L/min로 변화시킨 것을 제외하고는, 상기 실시예와 동일한 방법으로 공기 정화 모듈(20)을 운전하였다.
평가예
상기 실시예 및 비교예와 같이 공기 정화 모듈(20)을 운전하면서, 도 6a 및 도 6b의 제1 흡착탑(21) 또는 제2 흡착탑(22)에서 외부로 배출되는 공기(A22)를 채취하여, 상기 공기(A22)의 이슬점을 간헐적으로 측정하여, 그 결과를 도 7에 그래프로 나타내었다. 또한, 도 7의 그래프에서 최종점에서의 공기(A22) 중의 수분함량을 측정하였다. 이후, 도 7의 그래프에서 최종점에서의 공기(A22)의 이슬점과 공기(A22) 중의 수분함량을 하기 표 1에 나타내었다. 여기서, 이슬점은 이슬점 측정기(VAISALA, DMT-152)를 사용하여 측정하였다.
실시예 비교예
이슬점(℃) -64 -58
수분 함량(wtppm) 6.1 14
도 7 및 표 1을 참조하면, 실시예와 같이 운전할 경우가 비교예와 같이 운전할 경우에 비해 정화된 공기(A22=A2)의 이슬점이 낮고, 상기 정화된 공기(A22=A2) 중의 수분 함량도 적어 공기 정화 성능이 우수한 것으로 나타났다. 이러한 결과로부터, 재생을 위해 사용되는 정화된 공기(A21)의 양이 증가할수록 공기 정화 모듈(20)의 공기 정화 성능이 향상된다는 사실을 알 수 있다.
이상에서는 도면 및 실시예를 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 구현예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 구현예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
10: 전지 셀 모듈 11: 하우징
12: 음극 금속층 13: 음극 전해질막
14: 산소 차단층 15: 양극층
16, 16': 기체 확산층 20: 공기 정화 모듈
21: 제1 흡착탑 22: 제2 흡착탑
A1, A2, A21, A22, A3, A31, A32, A4, A5: 공기
C: 캐비티

Claims (14)

  1. 금속의 산화와 산소의 환원을 이용하여 전기를 생성하는 전지 셀 모듈; 및
    상기 전지 셀 모듈과 유체 연통되는 것으로, 공기를 정화시키는 공기 정화 모듈을 포함하고,
    상기 공기 정화 모듈의 일부분은 상기 정화된 공기를 상기 전지 셀 모듈에 공급하고, 상기 공기 정화 모듈의 다른 부분은 상기 전지 셀 모듈에서 배출된 공기를 받아들여 재생되는 금속 공기 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공기 정화 모듈은 제1 흡착탑과 제2 흡착탑을 포함하고, 상기 제1 흡착탑이 공기를 정화시켜 상기 정화된 공기를 상기 전지 셀 모듈에 공급하는 역할을 수행하는 동안 상기 제2 흡착탑은 상기 전지 셀 모듈에서 배출된 공기를 받아들여 재생되는 역할을 수행하고, 상기 제1 흡착탑과 상기 제2 흡착탑은 각자의 역할을 주기적으로 바꾸어 수행하는 금속 공기 전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 흡착탑과 상기 제2 흡착탑은 서로 직접적으로는 유체 연통되지 않고, 상기 전지 셀 모듈을 통해서 간접적으로만 유체 연통되는 금속 공기 전지.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 흡착탑과 상기 제2 흡착탑은 서로 직접적으로 차단 및 제어가능하게 유체 연통되고, 상기 전지 셀 모듈을 통해서 간접적으로도 유체 연통되는 금속 공기 전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 공기 정화 모듈은 PSA(pressure swing adsorption), TSA(thermal swing adsorption), PTSA(pressure thermal swing adsorption), VSA(vacuum swing adsorption), 선택적 분리 방법 또는 이들 중 2 이상의 방법으로 운전되도록 구성된 금속 공기 전지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 공기 정화 모듈은 흡착재 및 선택적 투과막 중 적어도 하나를 포함하는 금속 공기 전지.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 흡착재는 제올라이트, 알루미나, 실리카겔, MOF(metal-organic framework), ZIF(zeolitic imidazolate framework), 활성탄 또는 이들 중 2 이상의 혼합물로부터 선택되는 금속 공기 전지.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 선택적 투과막은 서로 나란히 배치된 복수의 이온 교환 중공사막을 포함하는 금속 공기 전지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 금속 공기 전지는 리튬 공기 전지인 금속 공기 전지.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 금속 공기 전지의 운전방법으로서,
    하나의 사이클을 이루는 제1 반사이클 및 제2 반사이클을 교대로 반복하고,
    상기 제1 반사이클은,
    상기 제1 흡착탑에 공기를 주입하여 상기 공기를 정화시키는 단계;
    상기 정화된 공기를 상기 전지 셀 모듈에 공급하는 단계; 및
    상기 전지 셀 모듈에서 배출된 공기를 상기 제2 흡착탑에 공급하여 상기 제2 흡착탑을 재생시키는 단계를 포함하고,
    상기 제2 반사이클은,
    상기 제2 흡착탑에 공기를 주입하여 상기 공기를 정화시키는 단계;
    상기 정화된 공기를 상기 전지 셀 모듈에 공급하는 단계; 및
    상기 전지 셀 모듈에서 배출된 공기를 상기 제1 흡착탑에 공급하여 상기 제1 흡착탑을 재생시키는 단계를 포함하는 금속 공기 전지의 운전방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 반사이클에서는, 상기 제1 흡착탑에서 배출된 공기를 상기 제2 흡착탑에 직접 공급하지 않고 상기 전지 셀 모듈에 100% 공급하고,
    상기 제2 반사이클에서는, 상기 제2 흡착탑에서 배출된 공기를 상기 제1 흡착탑에 직접 공급하지 않고 상기 전지 셀 모듈에 100% 공급하는 금속 공기 전지의 운전방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 반사이클에서는, 상기 전지 셀 모듈에서 배출된 공기의 양의 50~100부피%를 상기 제2 흡착탑에 공급하고, 상기 전지 셀 모듈에서 배출된 공기의 양의 0~50부피%를 외부로 배출시키고,
    상기 제2 반사이클에서는, 상기 전지 셀 모듈에서 배출된 공기의 양의 50~100부피%를 상기 제1 흡착탑에 공급하고, 상기 전지 셀 모듈에서 배출된 공기의 양의 0~50부피%를 외부로 배출시키는 금속 공기 전지의 운전방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 제1 반사이클에서는, 상기 제1 흡착탑에서 정화된 공기의 일부만을 상기 전지 셀 모듈에 공급하고, 나머지 부분을 상기 전지 셀 모듈을 통하지 않고 상기 제2 흡착탑에 직접 공급하는 단계를 더 포함하고,
    상기 제2 반사이클에서는, 상기 제2 흡착탑에서 정화된 공기의 일부만을 상기 전지 셀 모듈에 공급하고, 나머지 부분을 상기 전지 셀 모듈을 통하지 않고 상기 제1 흡착탑에 직접 공급하는 단계를 더 포함하는 금속 공기 전지의 운전방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 반사이클에서는, 상기 제1 흡착탑에서 배출된 공기의 양의 50부피% 내지 100부피% 미만을 상기 전지 셀 모듈에 공급하고, 상기 제1 흡착탑에서 배출된 공기의 양의 0부피% 초과 내지 50부피%를 상기 제2 흡착탑에 공급하고, 상기 전지 셀 모듈에서 배출된 공기의 양의 50~100부피%를 상기 제2 흡착탑에 공급하고, 상기 전지 셀 모듈에서 배출된 공기의 양의 0~50부피%를 외부로 배출시키고,
    상기 제2 반사이클에서는, 상기 제2 흡착탑에서 배출된 공기의 양의 50부피% 내지 100부피% 미만을 상기 전지 셀 모듈에 공급하고, 상기 제2 흡착탑에서 배출된 공기의 양의 0부피% 초과 내지 50부피%를 상기 제1 흡착탑에 공급하고, 상기 전지 셀 모듈에서 배출된 공기의 양의 50~100부피%를 상기 제1 흡착탑에 공급하고, 상기 전지 셀 모듈에서 배출된 공기의 양의 0~50부피%를 외부로 배출시키는 금속 공기 전지의 운전방법.
KR1020140111631A 2014-08-26 2014-08-26 공기 정화 모듈을 구비하는 금속 공기 전지 및 금속 공기 전지의 운전방법 KR102277904B1 (ko)

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