KR20170014348A - 금속-공기 전지장치 및 금속-공기 전지장치의 작동 방법 - Google Patents

금속-공기 전지장치 및 금속-공기 전지장치의 작동 방법 Download PDF

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Abstract

금속-공기 전지장치 및 그 작동 방법이 제공된다. 금속-공기 전지장치는 산소 농도 측정 수단을 포함할 수 있다. 상기 금속-공기 전지장치는 그 내부의 잔류 산소를 전기화학적 방법에 의해 제거하는 과정을 포함할 수 있다. 잔류 산소 제거는 미리 설정된 값 또는 상태에 도달할 때까지 실시될 수 있다.

Description

금속-공기 전지장치 및 금속-공기 전지장치의 작동 방법{Metal-air battery apparatus and operation method thereof}
본 개시에서는 금속-공기 전지장치 및 금속-공기 전지장치의 작동 방법을 제시한다.
금속-공기 전지는 리튬 등의 금속 이온의 흡장/방출이 가능한 음극 및 공기 중의 산소를 활물질로서 사용하는 양극을 포함하며, 양극 및 음극 사이에 개재된 금속이온 전도성 매체를 구비한다.
금속-공기 전지의 경우, 양극에서는 외부로부터 유입되는 산소의 환원/산화 반응이 일어나고 음극에서는 금속의 산화/환원 반응이 일어나며 이때 발생하는 화학적 에너지를 전기적 에너지로 추출한다. 예를 들어, 금속-공기 전지는 방전 시에 산소를 흡수하고 충전 시에는 산소를 방출한다. 이와 같이 금속-공기 전지가 대기 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/방출만으로 동작하기 때문에 환경 오염을 일으킬 가능성도 낮다. 현재 금속-공기 전지는 차세대 전지로 관심을 받고 있으며, 많은 연구가 이루어지고 있다.
본 개시의 일측면은 금속-공기 전지장치의 미반응 산소를 제거하는 작동 방법에 관한 것이다.
본 개시의 다른 측면은 산소 농도 측정 수단을 구비하는 금속-공기 전지장치에 관한 것이다.
금속-공기 전지부에 공기를 공급하여 상기 금속-공기 전지부를 구동하고,
상기 금속-공기 전지부에 공기 공급을 중단하여 상기 금속-공기 전지부의 구동을 종료한 뒤, 상기 금속-공기 전지부의 잔류 산소를 방전에 의하여 제거하는 금속-공기 전지장치의 작동 방법을 제공한다.
상기 금속-공기 전지부를 둘러싸는 전지챔버 및 상기 전지챔버에 공기를 공급하는 공기 공급부를 포함할 수 있다.
상기 공기 공급부에 외부의 공기를 주입하고, 상기 공기 공급부에 주입된 공기 중의 불순물을 제거한 뒤, 상기 전지챔버에 불순물이 제거된 공기를 공급하는 것을 포함할 수 있다.
상기 공기 공급부에서 불순물이 제거된 공기는 공기 공급 밸브를 통하여 상기 전지 챔버에 공급될 수 있다.
상기 금속-공기 전지부의 구동을 종료한 뒤, 상기 전지 챔버와 연결된 밸브를 잠근 뒤, 상기 금속-공기 전지부 내의 잔류 산소를 제거하는 것을 포함할 수 있다.
상기 전지챔버와 연결된 밸브는, 공기 공급부 및 상기 전지챔버 사이에 형성된 공기 공급 밸브; 및 상기 전지챔버의 공기를 외부로 배출하는 공기 배출 밸브;를 포함할 수 있다.
상기 금속-공기 전지부 내의 잔류 산소를 제거하는 동작은, 상기 전지 챔버 또는 상기 금속-공기 전지부 내의 산소 농도가 미리 설정된 값에 도달할 때까지 실시할 수 있다.
상기 전지 챔버 또는 상기 금속-공기 전지부 내의 산소 농도를 측정하는 산소 농도 측정 수단을 더 포함할 수 있다.
상기 전지 챔버 또는 상기 금속-공기 전지부 내의 산소 농도가 미리 설정된 값은 1 내지 10ppm일 수 있다.
상기 금속-공기 전지부 내의 잔류 산소는 정전류 방식, 정전압 방식 또는 정전류 및 정전압이 혼합된 방식에 의해 제거될 수 있다.
상기 금속-공기 전지부 내의 잔류 산소를 제거하는 동작은, 방전 전류에 의하여 상기 금속-공기 전지부 내의 잔류 산소를 제거하면서, 방전 전압이 컷-오프 값에 도달할 때까지 실시할 수 있다.
상기 컷-오프 전압은 1.2 내지 1.6V일 수 있다.
상기 금속-공기 전지부 내의 잔류 산소를 제거하는 동작은 상기 금속-공기 전지부의 설정된 컷-오프 전압을 인가하여 실시되며, 상기 금속-공기 전지부의 전류 값이 0에 도달할 때까지 실시할 수 있다.
또한, 양극, 음극 및 상기 양극 및 음극 사이에 형성된 이온 전도층을 포함하는 금속-공기 전지부;
상기 금속-공기 전지부를 둘러싸는 전지 챔버;
상기 전지 챔버에 공기를 공급하는 공기 공급부 및
상기 금속-공기 전지부 또는 상기 전지 챔버 내의 산소 농도를 측정하는 산소 농도 측정 수단;을 포함하는 금속-공기 전지 장치를 제공한다.
상기 농도 측정 수단은 상기 전지 챔버 내부의 산소 농도를 측정하는 제 1계측부; 또는 상기 금속-공기 전지부 내의 산소 농도를 측정하는 제 2계측부; 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 개시에 따르면, 산소 농도 측정 수단을 구비하는 금속-공기 전지장치를 제공할 수 있다. 금속-공기 전지부 작동 후 잔류하는 산소를 제거할 수 있다. 금속-공기 전지 장치 내에 잔류하는 산소를 제거함으로써, 전지의 용량감소 및 수명저하를 방지할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 금속-공기 전지장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 실시예에 따른 금속-공기 전지장치의 금속-공기 전지부를 나타낸 도면이다.
도 3은 실시예에 따른 금속-공기 전지장치의 작동 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3의 금속-공기 전지부에 공기를 공급하는 단계를 나타낸 순서도이다.
도 5는 금속-공기 전지의 잔류 산소를 제거하는 방법을 나타낸 순서도이다.
도 6은 약 21%의 산소 농도를 지닌 공기가 포함된 금속-공기 전지 챔버 내에서 잔류산소 제거과정 동안 시간에 따른 산소 농도의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7은 약 50%의 산소 농도를 지닌 공기가 포함된 금속-공기 전지 챔버 내에서 잔류산소 제거과정 동안 시간에 따른 산소 농도의 변화를 나타낸 그래프이다.
이하, 도면을 참조하여 금속-공기 전지장치의 작동 방법에 대해 상세히 설명하고자 한다. 이와 관련하여, 본 실시예는 다른 형태를 지닐 수 있으며, 여기에 설명된 설명에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 실시예는 단지 본 설명의 양태를 설명하기 위해 도면을 참조한다.
도 1은 실시예에 따른 금속-공기 전지장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 금속-공기 전지장치(100)는 금속-공기 전지부(10)에 공기를 공급할 수 있는 공기 공급부(14)와 공기 공급부(14)로부터 공급된 공기를 이용하여 구동하는 금속-공기 전지부(10) 및 금속-공기 전지부(10)를 포함하는 전지 챔버(12)를 포함한다. 금속-공기 전지부(10)는 양극 반응을 위하여 외부로부터 공기를 공급받아, 공기 내의 산소 분자를 활물질로 사용할 수 있다. 공기 공급부(14)는 전지 챔버(12) 내의 금속-공기 전지부(10)에서의 양극 반응에 필요한 공기를 공기 공급 밸브(V1)를 통하여 공급할 수 있다.
전지 챔버(12) 내에는 금속-공기 전지부(10)가 배치되어 있으며, 금속-공기 전지부(10)는 다수의 금속-공기 전지셀들을 포함하고 있으며, 전지 챔버(12) 내에서 금속-공기 전지부(10)는 충전 및 방전을 반복하는 동작을 하게 된다. 금속-공기 전지부(10)의 동작이 정지되면, 전지 챔버(12) 내에 미반응 산소가 잔류할 수 있으며, 금속-공기 전지부(10)의 음극, 양극, 전해질 등이 잔류 산소에 노출되는 경우, 분해 반응이 가속화되어 금속-전지의 용량 및 수명이 저하될 수 있다. 본 개시의 실시예에 따른 금속-공기 전지 장치의 작동 방법에서는 금속-공기 전지부(10) 및 전지 챔버(12) 내의 미반응 산소를 전기화학적 방법으로 제거하는 잔류 산소 제거 과정을 포함하며, 이에 대해서는 후술하고자 한다.
그리고, 금속-공기 전지장치(100)는 금속-공기 전지부(10) 또는 전지 챔버(12) 내부의 산소 농도를 측정할 수 있는 산소 농도 측정 수단으로 산소 센서를 포함할 수 있다. 산소 농도 측정 수단으로는 산소 센서 기능을 할 수 있는 모니터링부(16)를 포함할 수 있다. 모니터링부(16)는 제 1계측부(17a) 또는 제 2계측부(17b) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으며, 제 1계측부(17a)는 전지 챔버(12) 내부의 산소 농도를 측정할 수 있으며, 제 2계측부(17b)는 금속-공기 전지부(10) 내의 산소 농도를 측정할 수 있다.
도 2는 실시예에 따른 금속-공기 전지장치의 금속-공기 전지부(10)를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 금속-공기 전지부(10)는 공기 중의 산소를 산화 또는 환원시킬 수 있는 양극(20), 금속 이온의 흡장/방출이 가능한 음극(22) 및 양극(20) 및 음극(22) 사이에 형성된 이온 전도층(24)을 포함할 수 있다. 양극(20)의 일면에는 양극 집전체(26) 및 확산층(30)이 형성될 수 있으며, 음극(22) 일면에는 음극 집전체(28)가 형성될 수 있다. 이러한 양극(20), 음극(22), 이온 전도층(24), 집전체(26, 28) 및 확산층(30)은 금속-공기 전지부(10)의 단위 셀 구조를 이룰 수 있으며, 별도의 파우치(32) 등에 의해 둘러싸인 구조를 지닐 수 있다. 금속-공기 전지부(10)는 다수의 단위 셀들을 포함하는 형태로 지닐 수 있다.
양극(20)은 공기 중의 산소를 산화 또는 환원시킬 수 있는 도전성 재료로 형성될 수 있으며, 그 재료에는 제한은 없다. 예를 들어, 양극(20)은 탄소계 물질을 사용할 수 있으며, 그라파이트, 그래핀, 카본블랙 또는 탄소섬유 등이 사용될 수 있다. 그리고 양극 활물질로 금속 섬유 또는 금속 메쉬 등의 전도성 재료를 사용할 수 있으며, 구 리, 은, 니켈 또는 알루미늄 등의 금속 분말을 사용할 수 있다. 또한, 유기 도전성 재료를 사용할 수 있다. 이러한 전도성 물질들이 단독으로 또는 혼합되어 사용될 수 있다. 그리고, 양극(20)은 열가소성 수지 또는 열경화성 수지 등의 바인더를 포함할 수 있으며, 이온 전도성 고분자 전해질을 포함할 수 있다. 또한, 양극(20)에는 산소의 산화 또는 환원을 위한 촉매가 첨가될 수 있다. 기타 금속-공기 전지장치에 사용되는 양극 물질은 제한없이 사용될 수 있다. 양극(20)은 전도성 재료에 산소 산화 또는 환원 촉매 및 바인더 등을 혼합하고 용매를 첨가한 후, 양극 집전체(26) 등의 일면에 코팅하여 건조시켜 형성할 수 있다.
음극(22)은 리튬 금속 박막으로 형성될 수 있으며, 리튬 금속 이외에 다른 음극 활물질을 포함하여 형성될 수 있다. 음극(22)은 리튬 금속과 함께 다른 음극 활물질을 추가적으로 포함되어, 합금, 복합체 또는 혼합물 형태로 제조될 수 있다. 리튬 이외에 다른 음극 활물질로서, 리튬과 합금으로 형성될 수 있는 금속, 전이금속 산화물 및 비전이금속 산화물로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전이금속 산화물은 리튬 티탄 산화물, 바나듐 산화물, 리튬 바나듐 산화물 등이 있다. 음극(22)은 음극 활물질 조성물을 제조한 뒤, 음극 집전체(28) 등에 직접 코팅되어 형성될 수 있다. 또는 음극(22)은 음극 활물질 조성물을 제조한 뒤, 별도의 지지체 상에 캐스팅된 후, 지지체로부터 박리된 음극 활물질층을 음극 집전체(28) 등에 접착시켜 형성될 수 있다.
이온 전도층(24)은 활성 금속 이온에 대하여 전도성을 가지는 활성 금속 이온 전도성 막이며, 이온 전도성 고체 막(solid membrane)을 포함할 수 있다. 이온 전도성 고체 막은 기공(pore)을 지닌 다공성 유기막 및 기공에 형성된 이온 전도성 고분자 전해질을 포함하는 복합막일 수 있다. 여기서, 다공성 유기막은 예를 들어, 폴리프로필렌 소재의 부직포(non-woven fabric), 폴리이미드 소재의 부직포, 폴리페닐렌 설파이트 소재의 부직포 등의 고분자 부직포, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부텐, 폴리염화비닐 등의 올레핀계 수지의 다공성 필름 등일 수 있다. 다만, 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 다공성 유기막의 소재로 사용될 수 있는 것이라면 모두 가능하다. 이온 전도층(24)은 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다. 이온 전도층(24)이 다층 구조로 형성된 경우, 기체 및 수분 차단성을 지닌 복합막 및 고분자 전해질막을 포함하는 다층 구조를 가질 수 있다. 양극(20) 및 음극(22) 사이에는 분리막(separator)이 더 형성될 수 있다. 다만, 이온 전도층(24)은 분리막 역할을 할 수 있으며, 선택적으로 분리막은 이온 전도층(24)과 별도로 형성될 수 있다. 추가적으로 분리막은 일반적인 금속-공기 전지장치에 사용되는 것이면 제한없이 사용될 수 있다. 예를 들어 분리막(24)은 폴리프로필렌, 폴리페닐렌 설파이드 소재의 부직포 등의 고분자 부직포, 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌 등의 올레핀계 수지의 다공성 필름 등으로 형성될 수 있다.
양극 집전체(26) 및 음극 집전체(28)는 전도성이 좋은 금속성 물질이면 사용 가능하면 제한되지 않는다. 예를 들어, 양극 집전체(26) 및 음극 집전체(28)는 구리(Cu), 금(Au), 백금(Pt), 은(Ag), 니켈(Ni), 철(Fe) 등의 물질을 포함할 수 있으며, 다만 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 양극 집전체(26) 및 음극 집전체(28)는 금속 뿐만 아니라 전도성 금속 산화물, 전도성 폴리머 등의 물질로 형성될 수 있다. 그리고, 양극 집전체(26) 및 음극 집전체(28)의 일면에는 비전도성 물질이 코팅된 구조를 지닐 수 있다. 양극 집전체(28) 및 음극 집전체(28)는 구부러질 수 있으며, 다시 본래 형태로 회복 가능한 탄성력을 지니도록 형성될 수 있다.
확산층(30)은 양극(20)에 대해 공기 중의 산소를 공급하기 위한 공기 공급 경로를 제공하도록 형성될 수 있다. 확산층(30)은 카본 페이퍼와 같은 탄소섬유계 물질로 형성될 수 있다. 또한, 확산층(30)은 유기화합물을 포함하는 다공성막일 수 있다. 확산층(30)은 호모중합체, 블록공중합체 및 랜덤공중합체 중에서 선택된 하나 이상의 고분자를 포함할 수 있다.
전지 챔버(12)는 금속-공기 전지부(10)들을 둘러싸서 밀폐하도록 형성된 하우징 형상을 지니며, 그 재질은 제한이 없다. 전지 챔버(12)의 크기는 개시에 따른 금속-공기 전지장치가 사용되는 용도와 금속-공기 전지부(10)에 포함되는 금속-공기 전지셀들의 갯수에 따라 조절될 수 있는 것으로, 제한된 것은 아니다. 금속-공기 전지부(10)는 팩구조를 지니며, 전지 챔버(10) 내에 다수의 금속-공기 전지팩들이 형성된 구성을 지닐 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어인 "공기(air)"는 단순히 대기 중에 존재하는 공기 뿐만 아니라, 산소를 포함하는 가스 혼합체나 순수한 산소 가스를 모두 포함할 수 있다.
도 3은 실시예에 따른 금속-공기 전지장치의 작동 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 개시에 따른 금속-공기 전지장치의 작동 방법은 금속-공기 전지부(10)에 공기를 공급하는 단계(S10)와, 금속-공기 전지부(10)는 공급된 공기 내의 산소 분자를 활물질로 사용하여 방전 동작을 적어도 1회 이상 실시하는 금속-공기 전지부(10) 구동 단계(S20)와 금속-공기 전지부(10)에 추가적인 공기 공급을 중단하고 금속-공기 전지부(10)의 구동을 끝낸 뒤, 금속-공기 전지부(10) 내의 잔류 산소를 제거하는 단계(S30);를 포함할 수 있다.
도 4는 도 3의 금속-공기 전지부(10)에 공기를 공급하는 단계(S10)를 나타낸 순서도이다.
도 4를 참조하면, 금속-공기 전지부(10)는 양극 반응을 위하여 외부로부터 공기를 공급받아, 공기 내의 산소 분자를 활물질로 사용할 수 있다. 이를 위하여, 본 개시에 따른 금속-공기 전지장치에서는 공기 공급 시스템을 포함할 수 있다. 먼저, 공기 공급 시스템을 이루는 공기 공급부(14)에 외부 공기(Air)를 주입한다(S12). 그리고, 공기 공급부(14)의 공기에 포함된 불순물을 제거할 수 있다(S14). 공기 성분 중 금속-공기 전지부(10)의 양극 반응에 사용되지 않는 불순물을 걸러내어 제거하여 산소의 상대적인 농도를 높일 수 있다. 불순물의 예로는 수분(H2O)나 이산화 탄소(CO2) 등일 수 있다. 공기에 포함된 H2O 및 CO2와 같은 불순물들이 금속 과산화물(예를 들어, Li2O2)의 생성을 방해하여 금속 공기 전지의 용량 및 수명을 저하시킬 수 있다. 그리고, 불순물이 제거된 공기는 전지 챔버(12)로 공급될 수 있다(S16). 전지 챔버(12) 내에 존재하는 가스는 공기 배출 밸브(V2)를 통하여 전지 챔버(12) 외부로 배출될 수 있다. 전지 챔버(12)로 공급된 공기 중의 산소는 금속-공기 전지부(10)의 양극 반응에 활물질로 사용될 수 있다.
이와 같이 공기 공급부(14)로부터 금속-공기 전지부(10)에 산소를 포함하는 공기를 공급하는 과정은 금속-공기 전지부(10)의 방전 구동이 끝날 때까지 지속적으로 이루어질 수 있다. 공기 공급부(14)로부터 금속-공기 전지부(10)에 산소를 포함하는 공급하는 과정에서는 공기 공급 밸브(V1) 및 공기 배출 밸브(V2)가 모두 개구된 상태에서 연속적으로 공기의 이동이 일어날 수 있다. 본 개시에서, 금속-공기 전지부(10)의 구동은 공기 공급부(14)로부터 산소를 포함하는 공기를 공급받아 충전 또는 방전을 하는 것을 의미할 수 있다.
도 5는 도 3의 금속-공기 전지부(10)의 잔류 산소를 제거하는 단계(S30)의 예를 나타낸 순서도이다.
도 5를 참조하면, 금속-공기 전지부(10)의 충전 또는 방전 구동이 멈추게 되면, 공기 공급부(14)의 작동을 중단하고, 전지 챔버(12)와 연결된 밸브를 잠근다(S100). 전지 챔버(12)와 연결된 밸브로는 공기 공급 밸브(V1) 및 공기 배출 밸브(V2)가 있으며, 공기 공급 밸브(V1)를 잠금으로써 공기 공급부(14)에서 공급되는 공기를 차단할 수 있다. 그리고, 공기 배출 밸브(V2)를 잠금으로써 외부공기가 전지 챔버(12) 내로 역으로 공급되는 것을 차단할 수 있다. 공기 배출 밸브(V2)는 외부의 공기가 전지 챔버(12) 내로 역방향 공급되는 것을 방지하는 체크 밸브(check valve)의 역할을 할 수 있다.
그리고, 추가적인 산소를 포함하는 공기의 공급없이 금속-공기 전지부(10) 및 전지 챔버(12) 내에 잔류 산소를 전지화학적 방법에 의해 제거한다(S120). 예를 들어, 하기 화학식1과 같이 금속-공기 전지부(10) 또는 전지 챔버(12) 내의 잔류 산소는 리튬(Li)과 산소(O2)가 반응하여 과산화 리튬(Li2O2)을 생성하는 반응을 통하여 제거될 수 있다.
Figure pat00001
이와 같은 반응은 금속-공기 전지부(10)의 방전 시의 화학 반응과 유사할 수 있다. 금속-공기 전지부(10)의 구동이 정지되면, 전지 챔버(12)와 연결된 공기 공급 밸브(V1) 및 공기 배출 밸브(V2)를 모두 잠그고, 금속-공기 전지부(10) 내의 산소 농도가 감소될 때까지 방전 동작을 실시할 수 있다. 전지 챔버(12)와 연결된 밸브(V1, V2)를 모두 잠근 후 금속-공기 전지부(10)에서 상기 화학식 1에 따른 반응이 이루어지면, 금속-공기 전지부(10) 내의 산소의 농도는 감소될 수 있다.
금속-공기 전지부(10) 내의 잔류 산소를 제거하는 전기화학적 반응이 실시되면서, 미리 설정된 값 또는 상태에 도달했는지 여부를 판단한다(S140). 금속-공기 전지부(10) 내의 잔류 산소를 제거하는 반응은 미리 설정된 상태에 도달했는지 여부를 판단하여 설정된 값 또는 상태에 도달하지 않은 경우, "아니오"로 판단하여 계속 실시된다. 만일 미리 설정된 값 또는 상태에 도달한 경우, "예"로 판단하여 잔류 산소 제거하는 반응은 종료된다.
여기서, 미리 설정된 값 또는 상태는 다양하게 설정될 수 있다.
첫째, 미리 설정된 값 또는 상태는 금속-공기 전지부(10) 또는 전지 챔버(12) 내의 산소 농도가 될 수 있다. 즉, 금속-공기 전지부(10) 내의 잔류 산소를 제거하는 전기화학적 반응은 금속-공기 전지부(10) 또는 전지 챔버(12) 내의 산소 농도가 소정의 값이 될 때까지 실시될 수 있다. 예를 들어 금속-공기 전지부(10) 또는 전지 챔버(12) 내의 산소 농도가 1 내지 10ppm의 범위에 들어오면 금속-공기 전지부(10) 내의 잔류 산소가 대부분 제거된 것으로 판단하여 잔류 산소 제거 동작을 완료할 수 있다. 금속-공기 전지부(10) 또는 전지 챔버(12) 내의 산소 농도는 모니터링부(16)에 의해 측정될 수 있다. 즉, 전지 챔버(12) 내의 산소 농도는 제 1계측부(17a)에 의해 측정될 수 있으며, 금속-공기 전지부(10) 내의 산소 농도는 제 2계측부(17b)에 의해 측정될 수 있다. 실질적으로 금속-공기 전지부(10) 및 전지 챔버(12) 내의 산소 농도는 실질적으로 거의 동일하기 때문에 제 1계측부(17a) 및 제 2계측부(17b)를 모두 설치할 필요는 없다.
둘째, 미리 설정된 값 또는 상태는 금속-공기 전지부(10)의 컷-오프(cut-off) 전압일 수 있다. 금속-공기 전지부(10)의 방전 동작 시, 금속-공기 전지부(10)의 보호를 위해 미리 컷-오프 전압을 설정할 수 있다. 예를 들어, 1.0V 내지 3.0V 사이의 범위에서 컷-오프 전압 값을 설정하거나, 1.2V 내지 1.6V의 범위로 설정할 수 있다. 금속-공기 전지부(10) 내의 잔류 산소 제거를 위해 전기화학적 반응은 금속-공기 전지부(10)의 방전 동작과 유사할 수 있으므로, 금속-공기 전지부(10)의 컷-오프 전압 값 이하의 전압 상태가 되지 않도록 할 수 있다.
금속-공기 전지부(10)의 방전 동작 시, 정전류 방식, 정전압 방식 또는 정전류 및 정전압이 혼합된 방식을 실시할 수 있으며, 금속-공기 전지부(10) 내의 잔류 산소 제거를 위해 전기화학적 반응도 정전류 방식, 정전압 방식 또는 정전류 및 정전압이 혼합된 방식을 실시할 수 있다. 예를 들어 정전류 방식은 일정한 방전 전류로 금속-공기 전지부(10) 내의 잔류 산소를 제거하면서, 방전 전압이 컷-오프 값에 도달하는 경우 잔류 산소 제거 동작을 정지할 수 있다. 그리고, 정전압 방식은 일정한 전압, 즉 컷-오프 전압보다 높은 전압으로 금속-공기 전지부(10) 내의 잔류 산소를 제거하면서, 전류 값이 0에 도달하는 경우 잔류 산소 제거 동작을 정지할 수 있다.
상술한 바와 같은, 금속-공기 전지부(10) 또는 전지 챔버(12) 내의 잔류 산소를 제거하는 동작은 미리 프로그램화되어 금속-공기 전지부(10)의 동작이 종료된 뒤 자동적으로 실시될 수 있다.
도 6은 약 21%의 산소 농도를 지닌 공기가 포함된 금속-공기 전지 챔버 내에서 잔류산소 제거과정 동안 시간에 따른 산소 농도의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 6을 참조하면, 일반적인 공기 중의 산소의 농도는 약 21%일 수 있다. 공기 공급부(14)에 의해 전지 챔버(12)로 산소 농도가 21%인 공기를 공급하면서 금속-공기 전지부(10)를 작동을 한 뒤, 동작을 정지하였다. 이 상태에서, 전지 챔버(12)와 연결된 밸브(V1, V2)를 모두 잠근 뒤 전지 챔버(12)와 금속-공기 전지부(10) 내의 잔류 산소를 제거하는 동작을 실시하였다. 통상적인 금속-공기 전지부(10)의 동작 전류와 유사한 전류 밀도(0.24 mA/cm2, 0.2C)로 잔류 산소를 제거하는 경우, 약 30초 이내에 전지 챔버(12)와 금속-공기 전지부(10) 내의 산소를 모두 제거하였다. 그리고, 저전류 방전모드(0.12 mA/cm2, 0.1C/ 0.024 mA/cm2, 0.02C)로 잔류 산소를 제거하는 경우, 각각 60초 또는 300초 내에 잔류 산소를 모두 제거하였다. 여기서, 금속-공기 전지장치(10)는 예를 들어 30 kWh급 금속-공기 전지로서 그 부피가 약 300L, 전지챔버(12)의 부피는 330L이며, 전지챔버(12) 내의 미반응 공기는 약 30L가 될 수 있다.
도 7은 약 50%의 산소 농도를 지닌 공기가 포함된 금속-공기 전지 챔버 내에서 잔류산소 제거과정 동안 시간에 따른 산소 농도의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7을 참조하면, 일반적인 공기 중의 산소의 농도는 약 21%일 수 있으며, 공기 공급부(14)에 의해 불순물을 제거하고 산소를 농축하여 높은 산소 농도, 예를 들어 약 30~70%의 농도를 지닌 공기를 공급할 수 있다. 여기서는 공기 공급부(14)에 의해 전지 챔버(12)로 산소 농도가 50%인 공기를 공급하면서 금속-공기 전지부(10)를 작동을 한 뒤, 동작을 정지하였다. 이 상태에서, 전지 챔버(12)와 연결된 밸브(V1, V2)를 모두 잠근 뒤 전지 챔버(12)와 금속-공기 전지부(10) 내의 잔류 산소를 제거하는 동작을 실시하였다. 통상적인 금속-공기 전지부(10)의 동작 전류와 유사한 전류 밀도(0.24 mA/cm2, 0.2C)로 잔류 산소를 제거하는 경우, 약 68초만에 전지 챔버(12)와 공기-금속 전지부(10) 내의 산소를 모두 제거하였다. 그리고, 저전류 방전모드(0.12 mA/cm2, 0.1C/ 0.024 mA/cm2, 0.02C)로 잔류 산소를 제거하는 경우, 각각 130초 또는 680초 내에 잔류 산소를 모두 제거할 수 있다. 여기서, 금속-공기 전지장치(10)는 예를 들어 30 kWh급 금속-공기 전지로서 그 부피가 약 300L, 전지챔버(12)의 부피는 330L이며, 전지챔버(12) 내의 미반응 공기는 약 30L가 될 수 있다. 이처럼 금속-공기 전지부(10) 및 전지 챔버(12) 내의 미반응 산소가 실질적으로 모두 제거됨으로써, 전지 챔버(12) 내에는 비활성 가스인 질소(N2)만 존재하여 미반응 산소에 의한 전지의 용량감소 및 수명저하가 방지될 수 있다.
본 개시에 따른 금속-공기 전지장치의 작동 방법은 다양한 분야에 이용될 수 있으며, 산업용 또는 가정용 전지의 작동 방법에 그대로 적용될 수 있으며, 전기 자동차용 전지에 이용될 수 있다.
이상에서는 도면 및 실시예를 참조하여 일구현예가 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, 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
10: 금속-공기 전지부, 12: 전지 챔버
14: 공기 공급부, 16: 모니터링부
17a: 제 1계측부, 17b: 제 2계측부
20: 양극, 22: 음극
24: 이온 전도층, 26: 양극 집전체
28: 음극 집전체 30: 확산층
100: 금속-이온 전지장치

Claims (15)

  1. 금속-공기 전지부에 공기를 공급하여 상기 금속-공기 전지부를 구동하고,
    상기 금속-공기 전지부에 공기 공급을 중단하여 상기 금속-공기 전지부의 구동을 종료한 뒤, 상기 금속-공기 전지부의 잔류 산소를 방전에 의하여 제거하는 금속-공기 전지장치의 작동 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 금속-공기 전지부를 둘러싸는 전지챔버 및 상기 전지챔버에 공기를 공급하는 공기 공급부를 포함하는 금속-공기 전지장치의 작동 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 공기 공급부에 외부의 공기를 주입하고, 상기 공기 공급부에 주입된 공기 중의 불순물을 제거한 뒤, 상기 전지챔버에 불순물이 제거된 공기를 공급하는 것을 포함하는 금속-공기 전지장치의 작동 방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 공기 공급부에서 불순물이 제거된 공기는 공기 공급 밸브를 통하여 상기 전지 챔버에 공급되는 금속-공기 전지장치의 작동 방법.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 금속-공기 전지부의 구동을 종료한 뒤, 상기 전지 챔버와 연결된 밸브를 잠근 뒤, 상기 금속-공기 전지부 내의 잔류 산소를 제거하는 것을 포함하는 금속-공기 전지장치의 작동 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 전지챔버와 연결된 밸브는,
    공기 공급부 및 상기 전지챔버 사이에 형성된 공기 공급 밸브; 및
    상기 전지챔버의 공기를 외부로 배출하는 공기 배출 밸브;를 포함하는 금속-공기 전지의 작동 방법.
  7. 제 2항에 있어서,
    상기 금속-공기 전지부 내의 잔류 산소를 제거하는 동작은, 상기 전지 챔버 또는 상기 금속-공기 전지부 내의 산소 농도가 미리 설정된 값에 도달할 때까지 실시하는 금속-공기 전지장치의 작동 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 전지 챔버 또는 상기 금속-공기 전지부 내의 산소 농도를 측정하는 산소 농도 측정 수단을 더 포함하는 금속-공기 전지장치의 작동 방법.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 전지 챔버 또는 상기 금속-공기 전지부 내의 산소 농도가 미리 설정된 값은 1 내지 10ppm인 금속-공기 전지장치의 작동 방법.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 금속-공기 전지부 내의 잔류 산소는 정전류 방식, 정전압 방식 또는 정전류 및 정전압이 혼합된 방식에 의해 제거되는 금속-공기 전지장치의 작동 방법.
  11. 제 2항에 있어서,
    상기 금속-공기 전지부 내의 잔류 산소를 제거하는 동작은, 방전 전류에 의하여 상기 금속-공기 전지부 내의 잔류 산소를 제거하면서, 방전 전압이 컷-오프 값에 도달할 때까지 실시하는 금속-공기 전지장치의 작동 방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 컷-오프 전압은 1.2 내지 1.6V인 금속-공기 전지장치의 작동 방법.
  13. 제 2항에 있어서,
    상기 금속-공기 전지부 내의 잔류 산소를 제거하는 동작은 상기 금속-공기 전지부의 설정된 컷-오프 전압을 인가하여 실시되며, 상기 금속-공기 전지부의 전류 값이 0에 도달할 때까지 실시하는 금속-공기 전지장치의 작동 방법.
  14. 양극, 음극 및 상기 양극 및 음극 사이에 형성된 이온 전도층을 포함하는 금속-공기 전지부;
    상기 금속-공기 전지부를 둘러싸는 전지 챔버;
    상기 전지 챔버에 공기를 공급하는 공기 공급부 및
    상기 금속-공기 전지부 또는 상기 전지 챔버 내의 산소 농도를 측정하는 산소 농도 측정 수단;을 포함하는 금속-공기 전지 장치.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 농도 측정 수단은 상기 전지 챔버 내부의 산소 농도를 측정하는 제 1계측부; 또는 상기 금속-공기 전지부 내의 산소 농도를 측정하는 제 2계측부; 중 적어도 어느 하나를 포함하는 금속-공기 전지 장치.
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