KR20170008534A - 금속 공기 전지 및 금속 공기 전지의 운전 방법 - Google Patents

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Abstract

일 실시예에 따른 금속 공기 전지는 외부 공기에 포함된 불순물을 제거하기 위한 공기 정화부 및 상기 공기 정화부로부터 제거되지 않은 수분 및 이산화탄소를 제거하기 위한 전지 셀 모듈을 포함할 수 있으며, 상기 전지 셀 모듈이 구비된 금속 공기 전지는 외부 공기에서 포함된 수분을 제거함으로써, 수분에 의한 부반응을 방지할 수 있으며, 그에 따라 금속 공기 전지의 에너지 효율 및 수명을 향상시킬 수 있다.

Description

금속 공기 전지 및 금속 공기 전지의 운전 방법 {Metal air battery and operation method of the metal air battery}
금속 공기 전지 및 금속 공기 전지의 운전 방법이 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 수분(H2O)은 금속 과산화물(예를 들어, Li2O2)의 생성을 방해하여 금속 공기 전지의 용량 및 수명을 저하시킬 수 있다.
본 개시는 공기 정화 모듈에 전지 셀 모듈이 포함된 공기 정화 모듈을 구비하는 금속 공기 전지 및 금속 공기 전지의 운전 방법을 제공한다.
일 예시에 따른 금속 공기 전지는 금속의 산화와 산소의 환원을 이용하여 전기를 생성하는 제1 전지 셀 모듈; 상기 제1 전지 셀 모듈과 유체 연통되고, 금속의 산화와 산소의 환원을 이용하여 전기를 생성하는 제2 전지 셀 모듈; 및 상기 제2 전지 셀 모듈과 유체 연통되는 공기 정화부;를 포함하며, 상기 공기 정화부는 외부 공기를 정화시켜 상기 제2 전지 셀 모듈로 제1 정화된 공기를 공급하고, 상기 제2 전지 셀 모듈은 상기 금속의 산화와 산소의 환원을 이용하여 생성된 제2 정화된 공기를 상기 제1 전지 셀 모듈로 공급할 수 있다.
상기 제1 전지 셀 모듈로 공급되는 제2 정화된 공기에 포함된 수분 농도를 측정하는 수분 농도 측정부; 를 더 포함할 수 있다.
상기 수분 농도 측정부에서 측정된 상기 제2 정화된 공기의 수분 농도가 소정의 기준 수분 농도 이상인 경우, 상기 제2 전지 셀 모듈이 교체될 수 있다.
상기 제2 전지 셀 모듈의 방전 전압을 측정하는 전압 측정부; 를 더 포함할 수 있다.
상기 전압 측정부에서 측정된 상기 방전 전압의 크기가 소정의 기준 방전 전압 이하인 경우, 상기 제2 전지 셀 모듈이 교체될 수 있다.
상기 제2 전지 셀 모듈의 전지 용량이 상기 제1 전지 셀 모듈의 전지 용량 보다 작을 수 있다.
상기 제2 전지 셀 모듈은 복수 개로 형성되며, 상기 복수 개의 제2 전지 셀 모듈은 상기 공기 정화부와 상기 제1 전지 셀 모듈 사이에 배치되어 상기 공기 정화부 및 상기 제1 전지 셀 모듈과 각각 유체 연통될 수 있다.
상기 복수 개의 제2 전지 셀 모듈과 상기 공기 정화부 사이에 각각 배치되어 상기 제2 전지 셀 모듈과 상기 공기 정화부 사이의 유체 연통을 단속하는 복수 개의 유체 단속부; 및 상기 복수 개의 유체 단속부의 차단 및 해제를 제어하는 제어부; 를 더 포함할 수 있다.
상기 복수 개의 제2 전지 셀 모듈로부터 각각 배출되는 복수 개의 제1 정화된 공기에 포함된 수분 농도를 측정하는 수분 농도 측정부;를 더 포함할 수 있으며, 상기 수분 농도 측정부에서 측정된 상기 제1 정화된 공기의 수분 농도가 소정의 기준 수분 농도 이상인 경우, 상기 제어부는 상기 유체 단속부를 차단하라 수 있다.
상기 복수 개의 제2 전지 셀 모듈의 방전 전압을 측정하는 전압 측정부;를 더 포함할 수 있으며, 상기 전압 측정부에서 측정된 상기 방전 전압의 크기가 소정의 기준 방전 전압 이하인 경우, 상기 제어부는 상기 유체 단속부를 차단할 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 금속 공기 전지는 리튬 공기 전지일 수 있다.
일 예시에 따른 금속 공기 전지의 운전방법은 상기 공기 정화부를 이용하여 상기 외부 공기에 포함된 복수의 불순물을 제거하는 단계; 및 제1 정화된 공기를 상기 제2 전지 셀 모듈로 유입시키는 단계; 및 상기 제2 전지 셀 모듈로부터 제2 정화된 공기를 배출시키는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 제2 전지 셀 모듈로부터 배출되는 제2 정화된 공기에 포함된 수분의 농도를 측정하는 단계; 및 상기 측정된 수분의 농도가 소정의 기준 수분 농도 이상인 경우, 상기 제2 전지 셀 모듈을 교체하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 전지 셀 모듈로부터 방전 전압을 측정하는 단계; 및 상기 측정된 방전 전압의 크기가 소정의 기준 방전 전압 이하인 경우, 상기 제2 전지 셀 모듈을 교체하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 금속 공기 전지는 외부 공기에서 포함된 수분을 제거함으로써, 수분에 의한 부반응을 방지할 수 있으며, 그에 따라 금속 공기 전지의 에너지 효율 및 수명을 향상시킬 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 금속 공기 전지는, 전지 셀 모듈의 전압 또는 정화된 공기의 수분 농도에 기초하여 공기 정화 모듈에 구비된 전지 셀 모듈을 주기적으로 교체할 수 있으며, 그에 따라 금속 공기 전지의 운전 효율을 최대화할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 금속 공기 전지의 개략도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 금속 공기 전지의 블록도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 공기 정화 모듈을 포함하는 금속 공기 전지를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 실시예 및 비교예에 따른 금속 공기 전지의 단위 중량당 전지 용량의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5는 일 실시예에 따른 금속 공기 전지의 운전 방법을 예시한 흐름도이다.
도 6은 다른 실시예에 따른 금속 공기 전지의 운전 방법을 예시한 흐름도이다.
도 7은 다른 실시예에 따른 공기 정화 모듈을 포함하는 금속 공기 전지의 개략도이다.
도 8은 다른 실시예에 따른 공기 정화 모듈을 포함하는 금속 공기 전지의 블록도이다.
도 9 는 일 실시예에 따른 금속 공기 전지의 운전 방법을 예시한 흐름도이다.
도 10은 다른 실시예에 따른 금속 공기 전지의 운전 방법을 예시한 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 일 실시예에 따른 금속 공기 전지의 개략도이다. 도 2는 일 실시예에 따른 전지 셀 모듈의 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 금속 공기 전지(1)는 제1 전지 셀 모듈(10), 공기 정화부(25) 및 제2 전지 셀 모듈(25)을 포함할 수 있다. 일 예로서, 금속 공기 전지(1)는 리튬 공기 전지일 수 있으나, 본 개시가 이에 한정되는 것은 아니며, 금속 공기 전지(1)는 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.
제1 전지 셀 모듈(10)은 금속의 산화와 산소의 환원을 이용하여 전기를 생성할 수 있다. 예를 들어, 제1 전지 셀 모듈(10)에 구비된 금속이 리튬(Li)인 경우, 제1 전지 셀 모듈(10)은, 리튬과 산소가 반응(하기 반응식 1 참조)하여 과산화리튬(Li2O2)을 생성하는 반응을 통해 전기를 생성할 수 있으며, 과산화리튬(Li2O2)이 분해되어 리튬 이온 및 산소를 배출하는 반응(하기 반응식 2 참조)을 통해 충전될 수 있다.
[반응식 1]
2Li + 2e- + O2 → Li2O2
[반응식 2]
Li2O2　→ 2Li+　+ 2e-　+ O2
다만 제1 전지 셀 모듈(10)에 구비되는 금속이 리튬(Li)으로 한정되는 것은 아니며, 금속 공기 전지(1)의 종류에 따라 제1 전지 셀 모듈(10)에 구비되는 금속은 나트륨(Na), 아연(Zn), 칼륨(K), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 철(Fe), 알루미늄(Al) 또는 상기 언급된 2종 이상의 금속으로 이루어진 합금일 수 있다.
제1 전지 셀 모듈(10)은 복수의 전지 셀(C)들을 포함할 수 있으며, 복수의 전지 셀(C) 각각은 하우징(110), 음극층(120), 음극 전해질막(130), 양극층(150) 및 기체 확산층(160)을 포함할 수 있다.
하우징(110)은 음극층(120), 전해질막(130), 양극층(150) 및 기체 확산층(160)을 수용할 수 있다.
음극층(120)은 리튬 이온을 흡장 및 방출할 수 있는 리튬(Li) 금속 및 바인더를 포함할 수 있다. 일 예로서, 음극층(120)에는 리튬 금속 외에, 리튬 금속 기반의 합금 또는 리튬 삽입 화합물(lithium intercalating compound)등이 사용될 수 있다. 일 예로서, 바인더는 폴리불화비닐리덴(PVdF), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 등일 수 있다. 바인더의 함량은 특별히 한정된 것은 아니며 예를 들어 30중량% 이하일 수 있다.
전해질막(130)은 음극층(120)과 양극층(150) 사이에 배치될 수 있으며, 음극층(120)으로부터 생성된 리튬 이온을 양극층(150)으로 전달할 수 있는 전해질을 포함할 수 있다. 일례로서, 전해질은 고분자계 전해질, 무기계 전해질 또는 이들을 혼합한 복합 전해질을 포함하는 고체상이거나, 금속염을 용매에 용해시켜 형성된 것일 수 있다. 또한, 전해질은 수계, 비수계 또는 이온성 액체 전해질일 수 있다.
양극층(150)은 리튬 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, 양극 슬러리를 기체 확산층(160)에 도포한 후 건조시킴으로써 양극층(150)을 형성할 수 있다. 용매는 전해질막(130)에 포함된 전해질의 제조에 사용된 용매와 동일한 것일 수 있다.
도전성 재료로는 예를 들어 다공성을 갖는 탄소계 재료 또는 도전성 유기 재료 등을 사용하거나 이들을 혼합하여 사용할 수 있다. 예컨대, 탄소계 재료로서는 카본 블랙, 그래파이트, 그래핀, 활성탄, 탄소섬유, 탄소나노튜브 등을 사용할 수 있다.
촉매로는, 예를 들어, 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag) 등을 사용할 수 있으며, 또는 망간(Mn), 니켈(Ni), 코발트(Co) 등의 산화물을 사용할 수도 있다. 또한, 바인더로는, 예를 들어, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리프로필렌, 폴리불화비닐리덴(PVDF), 폴리에틸렌, 스티렌-부타디엔 고무 또는 이들 중 2 이상의 혼합물을 포함할 수 있다.
기체 확산층(160)은 양극층(150)으로 고르게 공기를 공급하기 위해 다공성 구조를 갖는 금속, 세라믹, 폴리머, 탄소 소재, 또는 이들 중 2 이상의 혼합물을 포함할 수 있다. 이에 따라 기체 확산층(160)은 다공성 구조에 구비된 캐비티(cavity)를 이용하여 제1 전지 셀 모듈(10)에 유입된 공기를 양극층(150)으로 원활하게 확산시킬 수 있다.
제1 전지 셀 모듈(10)이 방전되는 경우, 상술한 바와 같이 상기 리튬(Li)과 산소가 반응하여 과산화리튬(Li2O2)을 생성하는 정반응을 통해 전기를 생성할 수 있다. 그러나, 공기 중에 불순물, 예를 들어, 수분(H2O) 및 이산화탄소(CO2)가 존재하는 경우, 제1 전지 셀 모듈(10)은 하기 반응식 3 및 반응식 4와 같은 부반응을 통해 수산화리튬(LiOH) 및 탄산리튬(Li2CO3)을 생성할 수 있으며, 이로 인해 금속 공기 전지(1)의 에너지 밀도 및 수명이 감소할 수 있다.
[반응식 3]
4Li+ + 2H2O + 2O2 + 4e-→ 4LiOH+ O2
[반응식 4]
2Li+ + 1/2O2 + CO2 + 2e- → Li2CO3
따라서, 금속 공기 전지(1)의 에너지 밀도 및 수명 감소를 방지하기 위해 제1 전지 셀 모듈(10)로 유입되는 외부 공기(A1)로부터 복수의 불순물, 예를 들어 수분(H2O), 이산화탄소(CO2) 및 질소(N2) 등이 제거되어야 한다.
공기 정화부 (21)는 복수의 불순물을 제거하여 외부 공기(A1)를 정화시키고, 제1 정화된 공기(A11)를 제2 전지 셀 모듈(25)에 공급할 수 있는 정화 장치이다. 제2 전지 셀 모듈(25)은 공기 정화부(21)로부터 공급된 제1 정화된 공기(A11)를 이용하여 전기를 발생시키고, 복수의 불순물들이 제거된 제2 정화된 공기(A2)를 제1 전지 셀 모듈(10)로 공급할 수 있다. 이하에서는 공기 정화부(21)와 제2 전지 셀 모듈(25) 에 대해 보다 구체적으로 서술한다.
도 3은 일 실시예에 따른 금속 공기 전지 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 4는 실시예 및 비교예에 따른 금속 공기 전지의 단위 중량당 전지 용량의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 3을 참조하면, 공기 정화부(21)는 외부 공기(A1)에 포함된 복수의 불순물들을 제거할 수 있는 정화 장치이다. 일 예로서, 공기 정화부(21)는 제2 전지 셀 모듈(25)과 유체 연통되도록 배치될 수 있으며, 이에 따라 공기 정화부(21)에 의해 복수의 불순물이 제거된 제1 정화된 공기(A11)는 공기 정화부(21)로부터 배출되어 제2 전지 셀 모듈(25)로 유입될 수 있다. 예를 들어, 공기 정화부(21)는 외부 공기(A1)로부터 질소 및 수분을 제거하여 산소를 농축할 수 있다. 이 때 공기 정화부(21)로부터 제2 전지 셀 모듈(25)로 공급되는 제1 정화된 공기(A11)에 포함된 산소 농도는 21% 이상, 예를 들어 30% 이상, 보다 바람직하게는 40% 이상일 수 있으며, 공기 정화부(21)로부터 제2 전지 셀 모듈(25)로 공급되는 제1 정화된 공기(A11)에 포함된 수분 농도는 예를 들어 40ppm 이하일 수 있다.
공기 정화부(21)는 예를 들어, 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.
공기 정화부(21)에는 흡착재(미도시)가 충전되거나, 선택적 투과막(미도시)이 배치되거나, 흡착재가 충전되고 선택적 투과막이 배치될 수도 있다.
일 예로서, 흡착재는 외부 공기(A1) 중의 불순물을 선택적으로 흡착할 수 있다. 예를 들어 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 나노 다공성 화합물을 의미한다.
일 예로서, 선택적 투과막은 외부 공기(A1) 중의 불순물을 제외한 나머지 성분을 선택적으로 투과시킬 수 있다. 예를 들어 이러한 선택적 투과막은 서로 나란히 배치된(즉, 외부 공기(A1)의 흐름 방향과 나란하게 배치된) 복수의 이온 교환 중공사막(ion exchange hollow fiber)을 포함할 수 있다.
제2 전지 셀 모듈(25)은 금속의 산화와 공기 정화부(21)로부터 유입된 제1 정화된 공기(A11)에 포함된 산소의 환원을 이용하여 전기를 생성할 수 있을 뿐만 아니라, 공기 정화부(21)로부터 유입된 제1 정화된 공기(A11)에 포함된 복수의 불순물을 추가적으로 제거할 수 있다. 제2 전지 셀 모듈(25)의 구조는 제1 전지 셀 모듈(10)의 구조와 실질적으로 동일하므로 설명의 편의상 여기서는 제2 전지 셀 모듈(25)의 상세한 구조에 대한 서술은 생략한다.
제2 전지 셀 모듈(25)의 전지 용량은 제1 전지 셀 모듈(10)의 전지 용량 보다 작을 수 있다. 일 예로서, 제1 전지 셀 모듈(10)의 전지 용량이 500 Wh/kg 인 경우 제2 전지 셀 모듈(25)의 전지 용량은 100 Wh/kg 일 수 있다. 다만, 본 개시가 이에 제한되는 것은 아니며, 제1 전지 셀 모듈(10)과 제2 전지 셀 모듈(25)의 전지 용량이 동일하거나 제2 전지 셀 모듈(25)의 전지 용량이 제1 전지 셀 모듈(10)의 전지 용량 보다 더 클 수도 있다.
제2 전지 셀 모듈(25)은 상술한 바와 같이 제1 정화된 공기(A11)에 포함된 복수의 불순물, 예를 들어 수분(H2O) 및 이산화탄소(CO2)을 추가적으로 제거할 수 있다. 이에 따라 제2 전지 셀 모듈(25)로부터 배출되는 제2 정화된 공기(A2)에 포함된 수분 농도 및 이산화탄소 농도는 제1 정화된 공기(A11)에 포함된 수분 농도 및 이산화탄소 농도 보다 낮을 수 있다.
예를 들어, 제2 전지 셀 모듈(25)이 공기 정화부(21)로부터 유입된 제1 정화된 공기(A11)를 이용하여 전기를 생성하는 경우, 제1 정화된 공기(A11)에 포함된 수분 및 이산화탄소는 리튬 금속과 반응하여 수산화리튬(LiOH) 및 탄산리튬(Li2CO3)의 형태로 제2 전지 셀 모듈(25) 내부에 잔존할 수 있으며, (반응식 3 및 반응식 4 참조) 상기 리튬 금속과의 반응에 사용되지 않은 나머지 유체만이 제2 정화된 공기(A2)로서 제2 전지 셀 모듈(25)로부터 배출될 수 있다. 이에 따라 제2 정화된 공기(A2)에 포함된 수분 및 이산화탄소 농도는 제1 정화된 공기(A11)에 포함된 수분 및 이산화탄소 농도 보다 낮을 수 있다. 일 예로서, 이 때 제2 정화된 공기(A2)에 포함된 수분 농도는 20ppm 이하일 수 있다.
상술한 바와 같이 외부 공기에 포함된 수분이 추가적으로 제거되는 경우, 제1 전지 셀 모듈(10)에서 발생될 수 있는 수분에 의한 부반응을 방지할 수 있으며, 그에 따라 금속 공기 전지의 에너지 효율 및 수명을 향상시킬 수 있다.
도 4는 실시예 및 비교예에 따른 금속 공기 전지에서 충방전 횟수의 증가에 따른 제1 전지 셀 모듈의 단위 중량당 전지 용량의 변화를 나타낸 것이다. 실시예 (X)에 따른 금속 공기 전지(1)는 공기 정화부(21) 및 제2 전지 셀 모듈(25)을 포함한다. 반면, 비교예(Y)에 따른 금속 공기 전지(1)는 공기 정화부(21)만을 포함한다.
실시예(X)에 따른 공기 정화부(21) 및 제2 전지 셀 모듈(25)에 의해 제1 전지 셀 모듈(10)로 유입된 제2 정화된 공기(A2)는, 공기 정화부(21) 및 제2 전지 셀 모듈(25)에 의해 수분이 제거되어 수분 농도가 20 ppm이며, 공기 정화부(21) 및 제2 전지 셀 모듈(25)에 의해 질소 및 이산화탄소가 제거되고 산소가 농축되어 산소 농도가 70%이다. 이 경우, 제1 전지 셀 모듈(10)은 충방전 횟수가 약 18 회가 될 때까지, 단위 중량당 전지 용량이 300 mAh/g을 유지할 수 있다.
비교예(Y)에 따른 공기 정화부(21)에 의해, 제1 전지 셀 모듈(10)로 유입된 제2 정화된 공기(A2)는 공기 정화부(21)에 의해 질소가 제거되고 산소가 농축되어 산소 농도가 70%, 수분이 추가적으로 제거되지 않아 수분 농도가 40 ppm 이다. 이 경우, 제1 전지 셀 모듈(10)은 충방전 횟수가 약 9회가 될 때부터 단위 중량당 전지 용량이 급격히 감소한다.
상기와 같이 실시예(X)에 따른 제1 전지 셀 모듈(10) 의 충방전 횟수가 비교예 (Y)에 따른 제1 전지 셀 모듈(10)의 충방전 횟수의 약 2 배 이상 길어진 것을 알 수 있다. 이로부터, 제2 전지 셀 모듈(25)에 의해 복수의 불순물, 예를 들어 수분 및 이산화탄소 등이 추가적으로 제거된 경우, 제1 전지 셀 모듈(10)의 수명이 현저하게 증가된 것을 알 수 있다.
그러나 금속 공기 전지(1)의 충방전 사이클이 진행됨에 따라 제2 전지 셀 모듈(25) 내부에 수산화리튬(LiOH) 및 탄산리튬(Li2CO3)이 적체될 수 있으며, 이에 따라 제2 전지 셀 모듈(25)이 열화될 수 있다. 제2 전지 셀 모듈(25)이 열화됨에 따라 제2 전지 셀 모듈(25)의 수명이 다하여 제2 전지 셀 모듈(25)로부터 공급되는 에너지가 감소하고 또한 제2 전지 셀 모듈(25)에서 수산화리튬(LiOH) 및 탄산리튬(Li2CO3)이 생성되는 반응이 상대적으로 느리게 이루어지거나 중단될 수 있으며, 이에 따라 제1 정화된 공기(A11)에 포함된 수분 또는 이산화탄소가 제2 전지 셀 모듈(25)에 의해 제거되지 않을 수 있다. 따라서, 제1 전지 셀 모듈(10)로 유입되는 제2 정화된 공기(A2)의 정화 상태를 유지하여 제 1 전지 셀 모듈(10)을 보호하고 수명을 증가시키기 위하여 위해 제2 전지 셀 모듈(25)의 열화 여부를 판단해야 한다.
다시 도 3을 참조하면, 측정부(60)는 금속 공기 전지(1)의 사용 상태, 예를 들어 제2 전지 셀 모듈(25)의 열화 상태를 측정한 후, 제2 전지 셀 모듈(25)의 열화 상태에 대한 정보를 프로세서(70)에 전달할 수 있는 측정 장치이다. 일 예로서, 제2 전지 셀 모듈(25)의 열화 정도를 판단하기 위해 측정부(60)는 전압 측정부(610) 및 수분 농도 측정부(620)를 구비할 수 있으며, 상기 전압 측정부(610) 및 수분 농도 측정부(620)를 이용하여 제2 전지 셀 모듈(25)의 전압 또는 제2 정화된 공기(A2)의 수분 농도를 측정할 수 있다. 본 개시에서는 제2 전지 셀 모듈(25)의 열화 정도를 측정하기 위한 측정 장치로서 전압 측정부(610) 및 수분 농도 측정부(620)를 개시하고 있으나 본 개시가 이에 제한되는 것은 아니며, 제2 전지 셀 모듈(25)의 열화 상태를 측정할 수 있는 그 밖의 측정 장치 또한 사용될 수 있다.
프로세서(70)는 금속 공기 전지(1)의 전반적인 기능 및 동작을 제어하는 하드웨어일 수 있다. 일 예로서, 프로세서(70)는, 측정부(60)에 의해 측정된 제2 전지 셀 모듈(25)의 전압 또는 제2 정화된 공기(A2)의 수분 농도를 이용하여 제2 전지 셀 모듈(25) 열화 정도를 판단할 수 있다. 또한, 프로세서(70)는 제2 전지 셀 모듈(25) 열화 정도를 이용하여 제2 전지 셀 모듈(25)의 교체 여부에 대한 결정을 할 수 있다. 더불어, 프로세서(70)는 제2 전지 셀 모듈(25)의 열화 정도 및 제2 전지 셀 모듈(25)의 교체 필요성을 표시하기 위한 영상 신호를 처리할 수도 있다.
메모리(80)는 금속 공기 전지(1)의 동작을 위한 프로그램과, 이에 필요한 데이터가 저장될 수 있다. 메모리(80)는 통상적인 저장매체로서 예를 들어, 하드디스크드라이브(Hard Disk Drive, HDD), ROM(Read Only Memory), RAM(Random Access Memory), 플래쉬메모리 (Flash Memory) 및 메모리카드(Memory Card)를 포함할 수 있다. 메모리(80)에는 예를 들어, 제2 전지 셀 모듈(25)의 열화 여부를 판단하는 프로그램 및 제2 전지 셀 모듈(25)의 교체 여부를 결정하는 프로그램 등이 저장될 수 있다.
사용자 인터페이스(90)는 금속 공기 전지(1)의 사용 모드를 조작하기 위한 입력을 수신하기 위한 입력부와, 측정부(60)가 측정한 금속 공기 전지(1)의 사용 상태, 예를 들어 제2 전지 셀 모듈(25)의 열화 상태 및 제2 전지 셀 모듈(25)의 교체 필요성에 대한 정보를 출력할 수 있는 출력부를 구비할 수 있다.
사용자 인터페이스(90)는 금속 공기 전지(1)의 사용 모드를 조작하기 위한 버튼, 키 패드, 스위치, 다이얼 또는 터치 인터페이스를 포함할 수 있다. 사용자 인터페이스(90)는 영상을 표시하기 위한 표시부를 포함할 수 있으며, 터치스크린으로 구현될 수 있다. 표시부는 디스플레이 패널로서, LCD 패널, OLED 패널 등을 포함할 수 있고, 측정된 금속 공기 전지(1)의 사용 상태에 대한 정보를 영상 또는 텍스트로 표시할 수 있다.
도 5는 일 예시에 따른 금속 공기 전지의 운전 방법을 예시한 흐름도이다. 도 6은 다른 예시에 따른 금속 공기 전지의 운전 방법을 예시한 흐름도이다.
이하에서는, 도 5 및 도 6을 참조하여 공기 정화부(21) 및 제2 전지 셀 모듈(25)을 구비한 금속 공기 전지(1)의 운전 방법에 대해 서술한다.
금속 공기 전지(1)가 방전되는 경우, 외부 공기(A1)는 공기 정화부(21)로 유입될 수 있다. 공기 정화부(21)는 외부 공기(A1)에 포함된 복수의 불순물을 제거할 수 있으며, 이에 따라 외부 공기(A1)는 복수의 불순물, 예를 들어 질소 및 수분 등이 상당부분 제거된 제1 정화된 공기(A11)로 정화될 수 있다. 이 때, 제1 정화된 공기(A11)는 상술한 바와 같이 산소 농도 21% 이상, 예를 들어 30% 이상, 보다 바람직하게는 40% 이상을 구비할 수 있으며, 더불어 수분 농도는 예를 들어 40ppm 이하일 수 있다.
공기 정화부(21)에 의해 정화된 제1 정화된 공기(A11)는 제2 전지 셀 모듈(25)로 유입될 수 있다. 제2 전지 셀 모듈(25)은 제1 정화된 공기(A11)에 포함된 잔존 불순물을 추가적으로 제거할 수 있으며, 이에 따라 제1 정화된 공기(A11)는 복수의 불순물, 예를 들어 이산화탄소 및 수분 등이 상당부분 제거된 제2 정화된 공기(A2)로 정화될 수 있다. 이 때, 수분 농도는 예를 들어 20ppm 이하일 수 있다.
다만, 상술한 바와 같이 금속 공기 전지(1)의 충방전 사이클이 진행됨에 따라 제2 전지 셀 모듈(25) 내부에 수산화리튬(LiOH) 및 탄산리튬(Li2CO3)이 적체되어 제2 전지 셀 모듈(25)이 열화 될 수 있다. 제2 전지 셀 모듈(25)이 열화되는 경우, 제2 전지 셀 모듈(25)에 의해 제1 정화된 공기(A11)에 포함된 복수의 불순물, 예를 들어 수분 또는 이산화탄소가 제거되는 반응이 상대적으로 느리게 이루어지거나 중단될 수 있으며, 이로 인해 제1 전지 셀 모듈(10)로 유입되는 제2 정화된 공기(A2)에 포함된 복수의 불순물, 예를 들어 수분의 농도가 변화될 수 있다.
제2 전지 셀 모듈(25)의 열화 정도를 측정하기 위해 전압 측정부(610)는 제2 전지 셀 모듈(25)의 방전 전압을 측정할 수 있으며, 수분 농도 측정부(620)는 제2 전지 셀 모듈(25)로부터 배출되는 제2 정화된 공기(A2)의 수분 농도를 측정할 수 있다.
프로세서(70)는, 메모리(80)에 저장된 제2 전지 셀 모듈(25)의 기준 방전 전압 및 제2 정화된 공기(A2)의 기준 수분 농도와, 전압 측정부(610) 및 수분 농도 측정부(620)로부터 측정된 제2 전지 셀 모듈(25)의 방전 전압과 제2 정화된 공기(A2)의 수분 농도를 비교하여 제2 전지 셀 모듈(25) 열화 정도를 판단하고, 제2 전지 셀 모듈(25)의 교체 여부를 결정할 수 있다.
일 예로서, 프로세서(70)는 전압 측정부(610)로부터 측정된 방전 전압이 메모리(80)에 저장된 기준 방전 전압 이하, 예를 들어 1.7 V 이하인 경우, 제2 전지 셀 모듈(25)이 열화 되었음을 판단할 수 있다. 프로세서(70)에 의해 제2 전지 셀 모듈(25)이 열화 되었음이 판단된 경우, 사용자 인터페이스(90)는 제2 전지 셀 모듈(25)이 열화 되었음을 표시할 수 있으며, 사용자는 열화된 제2 전지 셀 모듈(25)을 새로운 제2 전지 셀 모듈(25)로 교체하여 제2 정화된 공기(A2)의 상태를 유지시킬 수 있다.
또 다른 예로서, 프로세서(70)는 수분 농도 측정부(620)로부터 측정된 제2 정화된 공기(A2)의 수분 농도가 메모리(80)에 저장된 기준 수분 농도 이상, 예를 들어 20ppm 이상인 경우, 제2 전지 셀 모듈(25)이 열화 되었음을 판단할 수 있다. 프로세서(70)에 의해 제2 전지 셀 모듈(25)이 열화 되었음이 판단된 경우, 사용자 인터페이스(90)는 제2 전지 셀 모듈(25)이 열화 되었음을 표시할 수 있으며, 사용자는 열화된 제2 전지 셀 모듈(25)을 새로운 제2 전지 셀 모듈(25)로 교체하여 제2 정화된 공기(A2)의 상태를 유지시킬 수 있다.
상술한 바와 같이 제2 정화된 공기(A2)의 상태를 유지하기 위해 제2 전지 셀 모듈(25)을 교체하는 경우 금속 공기 전지(1)의 운전이 중단될 수 있다. 제2 전지 셀 모듈(25)의 교체에 따른 제1 전지 셀 모듈(10)의 운전 중단을 방지하거나 보다 많은 유량의 제2 정화된 공기(A2)를 제1 전지 셀 모듈(10)로 공급하기 위해, 공기 정화부(21)와 제1 전지 셀 모듈(10) 사이에는 복수 개의 제2 전지 셀 모듈(25)이 병렬적으로 배치될 수 있다. 이하, 복수 개의 제2 전지 셀 모듈(25)이 병렬적으로 배치된 금속 공기 전지(1)에 대해 서술한다.
도 7은 다른 실시예에 따른 금속 공기 전지의 개략도이다. 도 8은 다른 실시예에 따른 금속 공기 전지의 블록도이다. 설명의 편의상 상술한 실시예에서 서술된 구성과 실질적으로 동일한 구성에 대한 서술은 생략한다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 일 예시에 따른 금속 공기 전지(1)는 외부 공기(A1)가 유입될 수 있는 공기 정화부(21)와 공기 정화부(21)로부터 배출된 제1 정화된 공기(A11)가 유입될 수 있는 제2-1 전지 셀 모듈(25-1)과 제2-2 전지 셀 모듈(25-2) 및 제1 전지 셀 모듈(10)을 포함할 수 있다. 본 예시에서는 제2-1 전지 셀 모듈(25-1) 및 제2-2 전지 셀 모듈(25-2)이 개시되어 있으나 본 개시가 이에 제한되는 것은 아니며, 필요에 따라 금속 공기 전지(1) 에는 세 개 이상의 제2 전지 셀 모듈(25)이 배치될 수도 있다.
일 예로서, 제2-1 전지 셀 모듈(25-1)과 제2-2 전지 셀 모듈(25-2)은 공기 정화부(21)로부터 배출된 제1 정화된 공기(A11)가 병렬적으로 유입될 수 있도록 배치될 수 있다. 이 때, 공기 정화부(21)와 제2-1 전지 셀 모듈(25-1) 사이에는 공기 정화부로부터 배출된 제1-1 정화된 공기(A11-1)의 흐름을 단속할 수 있는 제1 유체 단속부(26)가 배치될 수 있다. 또한, 공기 정화부(21)와 제2-2 전지 셀 모듈(25-2) 사이에는 공기 정화부로부터 배출된 제1-2 정화된 공기(A11-2)의 흐름을 단속할 수 있는 제2 유체 단속부(27)가 배치될 수 있다.
일 예로서 제1 및 제2 유체 단속부(26, 27)는 전자 구동식 개폐 밸브일 수 있으며, 개폐 밸브를 구동하여 제2-1 전지 셀 모듈(25-1)과 제2-2 전지 셀 모듈(25-2)로 유입되는 제1-1 및 제1-2 정화된 공기(A11-1, A11-2)의 유동을 조절할 수 있다. 이 때, 전자 구동식 개폐 밸브는 전자 구동장치인 솔레노이드에 의하여 구동될 수 있으며, 솔레노이드에 전달되는 펄스형상 여자(勵磁)전류의 온·오프에 의하여, 개폐 밸브의 단속 및 해제를 전환할 수 있다.
유체 단속부 제어 모듈(40)은 제2-1 전지 셀 모듈(25-1)과 제2-2 전지 셀 모듈(25-2)의 열화 정도에 따라 제1 및 제2 유체 단속부(26, 27)의 차단 및 해제를 제어할 수 있는 제어 모듈이다. 일 예로서 유체 단속부 제어 모듈(40)은 제1 및 제2 유체 단속부(26, 27)의 차단 및 해제를 제어할 수 있는 프로세서(70), 제1 및 제2 유체 단속부(26, 27)의 차단 및 해제를 제어하기 위한 프로그램 등이 저장된 메모리(80) 및 입력부와 표시부가 구비된 사용자 인터페이스(90)를 포함할 수 있다.
측정부(60)는 제2-1 전지 셀 모듈(25-1)과 제2-2 전지 셀 모듈(25-2)의 열화 정도를 측정하기 위한 측정 장치이다. 일 예로서 측정부(60)는 제2-1 전지 셀 모듈(25-1)과 제2-2 전지 셀 모듈(25-2)의 방전 전압을 개별적으로 측정할 수 있는 제1 전압 측정부(611) 및 제2 전압 측정부(612)를 포함할 수 있으며, 제2-1 전지 셀 모듈(25-1)과 제2-2 전지 셀 모듈(25-2)로부터 배출되는 제2-1 정화된 공기(A21)와 제2-2 정화된 공기(A22)의 수분 농도를 개별적으로 측정할 수 있는 제1 수분 농도 측정부(621) 및 제2 수분 농도 측정부(622)를 포함할 수 있다.
도 9 는 일 예시에 따른 금속 공기 전지의 운전 방법을 예시한 흐름도이다. 도 10은 또 다른 예시에 따른 금속 공기 전지의 운전 방법을 예시한 흐름도이다.
이하에서는, 도 9 및 도 10을 참조하여 공기 정화부(21) 및 제2-1 전지 셀 모듈(25-1)과 제2-2 전지 셀 모듈(25-2)을 구비한 금속 공기 전지(1)의 운전 방법에 대해 서술한다.
금속 공기 전지(1)가 방전되는 경우, 외부 공기(A1)는 공기 정화부(21)로 유입될 수 있다. 공기 정화부(21)는 외부 공기(A1)에 포함된 복수의 불순물을 제거할 수 있으며, 이에 따라 외부 공기(A1)는 복수의 불순물, 예를 들어 질소 및 수분 등이 상당부분 제거된 제1 정화된 공기(A11)로 정화될 수 있다. 이 때, 제1 정화된 공기(A11)는 산소 농도 21% 이상, 예를 들어 30% 이상, 보다 바람직하게는 40% 이상을 구비할 수 있으며, 더불어 수분 농도는 예를 들어 40ppm 이하일 수 있다.
공기 정화부(21)에 의해 정화된 제1 정화된 공기(A11)는 제1-1 정화된 공기(A11-1)와 제1-2 정화된 공기(A11-2)로 병렬적으로 분기되어 제2-1 전지 셀 모듈(25-1)과 제2-2 전지 셀 모듈(25-2)로 각각 유입될 수 있다. 제2-1 및 제2-2 전지 셀 모듈(25-1, 25-2)은 제1-1 정화된 공기(A11-1)와 제1-2 정화된 공기(A11-2)에 포함된 잔존 불순물을 추가적으로 제거할 수 있다. 이에 따라 제1-1 정화된 공기(A11-1)와 제1-2 정화된 공기(A11-2)는 복수의 불순물이 상당부분 제거된 제2-1 및 제2-2 정화된 공기(A21, A22)로 정화되어 제2-1 및 제2-2 전지 셀 모듈(25-1, 25-2)로부터 각각 배출될 수 있다. 이 때, 제2-1 및 제2-2 정화된 공기(A21, A22)는 기준 수분 농도 이하의 수분 농도 예를 들어 20ppm 이하의 수분 농도를 포함할 수 있다.
다만, 상술한 바와 같이 금속 공기 전지(1)의 충방전 사이클이 진행됨에 따라 제2-1 및 제2-2 전지 셀 모듈(25-1, 25-2) 내부에 수산화리튬(LiOH) 및 탄산리튬(Li2CO3)이 적체되어 제2-1 및 제2-2 전지 셀 모듈(25-1, 25-2)이 열화될 수 있다. 제2-1 및 제2-2 전지 셀 모듈(25-1, 25-2)이 열화되는 경우, 제2-1 및 제2-2 전지 셀 모듈(25-1, 25-2)에 의해 제1-1 정화된 공기(A11-1) 및 제1-2 정화된 공기(A11-2)에 포함된 복수의 불순물, 예를 들어 수분 또는 이산화탄소가 제거되는 반응이 상대적으로 느리게 이루어지거나 중단될 수 있으며, 이로 인해 제1 전지 셀 모듈(10)로 유입되는 제2-1 및 제2-2 정화된 공기(A21, A22)에 포함된 복수의 불순물, 예를 들어 수분의 농도가 변화될 수 있다.
일 예로서, 제2-1 및 제2-2 전지 셀 모듈(25-1, 25-2)의 열화 정도를 측정하기 위해, 제1 및 제2 전압 측정부(611, 612)는 제2-1 및 제2-2 전지 셀 모듈(25-1, 25-2)의 방전 전압을 각각 측정할 수 있다. 이 때, 프로세서(70)는, 메모리(80)에 저장된 제2-1 및 제2-2 전지 셀 모듈(25-1, 25-2)의 기준 방전 전압과 제1 및 제2 전압 측정부(611, 612)로부터 측정된 제2-1 및 제2-2 전지 셀 모듈(25-1, 25-2)의 방전 전압을 비교하여 제2-1 및 제2-2 전지 셀 모듈(25-1, 25-2)의 열화 정도를 판단하고, 제1 및 제2 유체 단속부(26, 27)의 차단 및 해제 여부를 결정할 수 있다.
예를 들어, 제1 전압 측정부(611)로부터 측정된 방전 전압이 메모리(80)에 저장된 기준 방전 전압 이하, 예를 들어 1.7V 이하인 경우, 프로세서(70)는 제2-1 전지 셀 모듈(25-1)이 열화 되었음을 판단할 수 있다. 제2-1 전지 셀 모듈(25-1)이 열화된 경우, 프로세서(70)는 제1 유체 단속부(26)를 차단할 수 있으며, 이에 따라 제2-1 전지 셀 모듈(25-1)에 대한 제1-1 정화된 공기(A11-1)의 흐름이 단속될 수 있다.
또 다른 예로서, 제2-1 및 제2-2 전지 셀 모듈(25-1, 25-2)의 열화 정도를 측정하기 위해, 제1 및 제2 수분 농도 측정부(621, 622)는 제2-1 및 제2-2 정화된 공기(A21, A22)의 수분 농도를 개별적으로 측정할 수 있다. 이 때, 프로세서(70)는, 메모리(80)에 저장된 제2-1 및 제2-2 정화된 공기(A21, A22)의 기준 수분 농도와 제1 및 제2 수분 농도 측정부(621, 622)로부터 측정된 제2-1 및 제2-2 정화된 공기(A21, A22)의 수분 농도를 비교하여 제2-1 및 제2-2 전지 셀 모듈(25-1, 25-2)의 열화 정도를 판단하고, 제1 및 제2 유체 단속부(26, 27)의 차단 및 해제 여부를 결정할 수 있다.
예를 들어 제1 수분 농도 측정부(621)로부터 측정된 제2-1 정화된 공기(A21)의 수분 농도가 메모리(80)에 저장된 기준 수분 농도 이상, 예를 들어 20ppm 이상인 경우, 프로세서(70)는 제2-1 전지 셀 모듈(25-1)이 열화 되었음을 판단할 수 있다. 제2-1 전지 셀 모듈(25-1)이 열화된 경우, 프로세서(70)는 제1 유체 단속부(26)를 차단할 수 있으며, 이에 따라 제2-1 전지 셀 모듈(25-1)에 대한 제1-1 정화된 공기(A11-1)의 흐름이 단속될 수 있다.
상술한 바와 같이, 제2-1 전지 셀 모듈(25-1)이 열화될 수 있을 뿐만 아니라, 제2-2 전지 셀 모듈(25-2)이 열화되거나 제2-1 및 제2-2 전지 셀 모듈(25-1, 25-2)이 동시에 열화 될 수도 있다. 이 때, 프로세서(70)는 제1 및 제2 유체 단속부(26, 27) 중 하나 이상을 차단할 수 있으며, 이에 따라 제2-1 및 제2-2 전지 셀 모듈(25-1, 25-2)에 대한 제1-1 정화된 공기(A11-1) 또는 제1-2 정화된 공기(A11-2) 중 하나 이상의 흐름이 단속될 수 있다.
상술한 바와 같이 제2-1 및 제2-2 전지 셀 모듈(25-1, 25-2) 중 하나 이상이 열화 되었음이 판단되어 제1-1 정화된 공기(A11-1) 또는 제1-2 정화된 공기(A11-2)의 흐름이 단속되는 경우, 사용자는 열화된 제2-1 전지 셀 모듈(25-1) 또는 제2-2 전지 셀 모듈(25-2)을 새로운 제2 전지 셀 모듈(25)로 교체하여 제2-1 및 제2-2 정화된 공기(A21, A22)의 정화 상태를 유지할 수 있다.
이상에서는 도면 및 실시예를 참조하여 본 개시에 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 개시의 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
1: 금속 공기 전지 10: 제1 전지 셀 모듈
21: 공기 정화부
25: 제2 전지 셀 모듈 60: 측정부
70: 프로세서

Claims (17)

  1. 금속의 산화와 산소의 환원을 이용하여 전기를 생성하는 제1 전지 셀 모듈;
    상기 제1 전지 셀 모듈과 유체 연통되고, 금속의 산화와 산소의 환원을 이용하여 전기를 생성하는 제2 전지 셀 모듈; 및
    상기 제2 전지 셀 모듈과 유체 연통되는 공기 정화부;를 포함하며,
    상기 공기 정화부는 외부 공기를 정화시켜 상기 제2 전지 셀 모듈로 제1 정화된 공기를 공급하고, 상기 제2 전지 셀 모듈은 상기 금속의 산화와 산소의 환원을 이용하여 생성된 제2 정화된 공기를 상기 제1 전지 셀 모듈로 공급하는,
    금속 공기 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 전지 셀 모듈로 공급되는 제2 정화된 공기에 포함된 수분 농도를 측정하는 수분 농도 측정부; 를 더 포함하는,
    금속 공기 전지.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 수분 농도 측정부에서 측정된 상기 제2 정화된 공기의 수분 농도가 소정의 기준 수분 농도 이상인 경우, 상기 제2 전지 셀 모듈이 교체되는,
    금속 공기 전지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 전지 셀 모듈의 방전 전압을 측정하는 전압 측정부; 를 더 포함하는,
    금속 공기 전지.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 전압 측정부에서 측정된 상기 방전 전압의 크기가 소정의 기준 방전 전압 이하인 경우, 상기 제2 전지 셀 모듈이 교체되는,
    금속 공기 전지.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 전지 셀 모듈의 전지 용량이 상기 제1 전지 셀 모듈의 전지 용량 보다 작은,
    금속 공기 전지.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 전지 셀 모듈은 복수 개로 형성되며, 상기 복수 개의 제2 전지 셀 모듈은 상기 공기 정화부와 상기 제1 전지 셀 모듈 사이에 배치되어 상기 공기 정화부 및 상기 제1 전지 셀 모듈과 각각 유체 연통되는,
    금속 공기 전지.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 복수 개의 제2 전지 셀 모듈과 상기 공기 정화부 사이에 각각 배치되어 상기 제2 전지 셀 모듈과 상기 공기 정화부 사이의 유체 연통을 단속하는 복수 개의 유체 단속부; 및
    상기 복수 개의 유체 단속부의 차단 및 해제를 제어하는 제어부; 를 더 포함하는,
    금속 공기 전지.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 복수 개의 제2 전지 셀 모듈로부터 각각 배출되는 복수 개의 제1 정화된 공기에 포함된 수분 농도를 측정하는 수분 농도 측정부;를 더 포함하며,
    상기 수분 농도 측정부에서 측정된 상기 제1 정화된 공기의 수분 농도가 소정의 기준 수분 농도 이상인 경우, 상기 제어부는 상기 유체 단속부를 차단하는,
    금속 공기 전지.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 복수 개의 제2 전지 셀 모듈의 방전 전압을 측정하는 전압 측정부;를 더 포함하며,
    상기 전압 측정부에서 측정된 상기 방전 전압의 크기가 소정의 기준 방전 전압 이하인 경우, 상기 제어부는 상기 유체 단속부를 차단하는,
    금속 공기 전지.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 공기 정화부는 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.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 공기 정화부는 흡착재 및 선택적 투과막 중 적어도 하나를 포함하는,
    금속 공기 전지.
  13. 제12 항에 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.
  14. 제1 항에 있어서,
    상기 금속 공기 전지는 리튬 공기 전지인
    금속 공기 전지.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 금속 공기 전지의 운전방법으로서,
    상기 공기 정화부를 이용하여 상기 외부 공기에 포함된 복수의 불순물을 제거하는 단계; 및
    제1 정화된 공기를 상기 제2 전지 셀 모듈로 유입시키는 단계; 및
    상기 제2 전지 셀 모듈로부터 제2 정화된 공기를 배출시키는 단계;를 포함하는,
    금속 공기 전지의 운전방법.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 제2 전지 셀 모듈로부터 배출되는 제2 정화된 공기에 포함된 수분의 농도를 측정하는 단계; 및
    상기 측정된 수분의 농도가 소정의 기준 수분 농도 이상인 경우, 상기 제2 전지 셀 모듈을 교체하는 단계;를 더 포함하는,
    금속 공기 전지의 운전방법.
  17. 제15 항에 있어서,
    상기 제2 전지 셀 모듈로부터 방전 전압을 측정하는 단계; 및
    상기 측정된 방전 전압의 크기가 소정의 기준 방전 전압 이하인 경우, 상기 제2 전지 셀 모듈을 교체하는 단계;를 더 포함하는,
    금속 공기 전지의 운전방법.
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