KR20170053325A - 접이식 구조를 갖는 금속 공기 전지의 제작 장치 및 제작 방법 - Google Patents

접이식 구조를 갖는 금속 공기 전지의 제작 장치 및 제작 방법 Download PDF

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Abstract

공기의 공급이 용이하고 에너지 밀도가 향상된 접이식 구조를 갖는 금속 공기 전지의 제작 장치 및 제작 방법이 제공된다. 개시된 금속 공기 전지 제작 장치는 폴딩 플레이트, 상기 폴딩 플레이트 위에 기체확산층을 제공하는 기체확산층 운송부, 상기 음극판, 양극판 또는 기체확산층을 눌러서 고정하는 제 1 고정 블레이드, 상기 음극판을 눌러서 고정하는 제 2 고정 블레이드, 상기 폴딩 플레이트에 접합된 분리막, 음극판 및 양극판을 공급하는 공급부, 및 상기 폴딩 플레이트, 제 1 고정 블레이드 및 제 2 고정 블레이드를 이동시키는 스테이지를 포함할 수 있다.

Description

접이식 구조를 갖는 금속 공기 전지의 제작 장치 및 제작 방법 {Apparatus and method of manufacturing metal-air battery having folded structure}
개시된 실시예들은 금속 공기 전지의 제작 장치 및 제작 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 공기의 공급이 용이하고 에너지 밀도가 향상된 접이식 구조를 갖는 금속 공기 전지의 제작 장치 및 제작 방법에 관한 것이다.
금속 공기 전지는 이온의 흡장/방출이 가능한 음극과 공기 중의 산소를 활물질로서 사용하는 양극을 포함하는 전지이다. 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. 이러한 다양한 장점으로 인해, 현재 금속 공기 전지에 대한 많은 연구가 이루어지고 있다.
공기의 공급이 용이하고 에너지 밀도가 향상된 접이식 구조를 갖는 금속 공기 전지의 제작 장치 및 제작 방법을 제공한다.
개시된 금속 공기 전지 제작 장치는, 접합된 분리막, 음극판 및 양극판을 접어서 적층하기 위한 지지대의 역할을 하는 폴딩 플레이트; 상기 폴딩 플레이트 위에 기체확산층을 제공하는 기체확산층 운송부; 상기 폴딩 플레이트의 양쪽 측면에 각각 배치되며, 상기 음극판, 양극판 또는 기체확산층을 눌러서 고정하는 제 1 고정 블레이드; 상기 폴딩 플레이트의 후방에 배치되며, 상기 음극판을 눌러서 고정하는 제 2 고정 블레이드; 상기 폴딩 플레이트에 접합된 분리막, 음극판 및 양극판을 공급하기 위한 공급부; 및 상기 폴딩 플레이트, 제 1 고정 블레이드 및 제 2 고정 블레이드를 공급부에 대해 상대적으로 이동시키기 위한 스테이지;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 금속 공기 전지 제작 장치는, 상기 제 1 고정 블레이드를 동작시키기 위한 제 1 액추에이터 및 상기 제 2 고정 블레이드를 동작시키기 위한 제 2 액추에이터를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제 1 액추에이터는 상기 제 1 고정 블레이드를 상기 폴딩 플레이트에 대해 측면 방향으로 이동시키도록 구성되며, 상기 제 2 액추에이터는 상기 제 2 고정 블레이드를 상기 폴딩 플레이트에 대해 전후 방향으로 이동시키도록 구성될 수 있다.
상기 스테이지는 상기 폴딩 플레이트를 상기 공급부에 대해 전방 영역의 제 1 위치와 후방 영역의 제 2 위치 사이에서 왕복시키도록 구성될 수 있다.
상기 제 1 고정 블레이드는 상기 폴딩 플레이트가 제 1 위치에 있는 동안 상기 음극판, 양극판 또는 기체확산층의 양쪽 측면을 눌러서 고정하도록 구성될 수 있다.
상기 기체확산층 운송부는 상기 폴딩 플레이트가 제 1 위치에 있는 동안 상기 폴딩 플레이트 위에 상기 기체확산층을 공급하도록 구성될 수 있다.
상기 제 2 고정 블레이드는 상기 폴딩 플레이트가 제 2 위치에 있는 동안 상기 음극판의 중심부를 눌러서 고정하도록 구성될 수 있다.
초기 단계에서, 상기 스테이지는 상기 폴딩 플레이트를 상기 공급부에 대해 전방 영역의 제 1 위치에 위치시키기 위하여 전면 방향으로 이동하도록 구성되며, 상기 제 1 고정 블레이드는 상기 양극판의 양쪽 측면을 눌러서 고정하며 상기 제 2 고정 블레이드는 상기 폴딩 플레이트로부터 떨어져 위치하고, 상기 기체확산층 운송부는 상기 양극판 위로 상기 기체확산층을 운송할 수 있다.
후속하는 단계에서, 상기 제 1 고정 블레이드는 상기 폴딩 플레이트로부터 후퇴한 후 다시 상기 폴딩 플레이를 향해 이동하여 상기 기체확산층의 양쪽 측면을 눌러서 고정하도록 구성되며, 그런 후 상기 기체확산층 운송부는 상승하여 상기 기체확산층으로부터 떨어지도록 구성될 수 있다.
후속하는 단계에서, 상기 분리막, 음극판 및 양극판이 상기 제 1 고정 블레이드의 후방 에지를 중심으로 접히도록, 상기 스테이지는 상기 폴딩 플레이트를 상기 공급부에 대해 후방 영역의 제 2 위치에 위치시키기 위하여 배면 방향으로 이동하며, 상기 제 2 고정 블레이드가 상기 접혀진 음극판의 중심부를 눌러서 고정하고, 상기 제 1 고정 블레이드는 상기 폴딩 플레이트로부터 후퇴한 후 다시 상기 폴딩 플레이를 향해 이동하여 상기 접혀진 음극판의 양쪽 측면을 눌러서 고정하도록 구성될 수 있다.
후속하는 단계에서, 상기 제 2 고정 블레이드가 상기 폴딩 플레이트로부터 후퇴하여 상기 접혀진 음극판으로부터 완전히 떨어지며, 상기 분리막, 음극판 및 양극판이 상기 제 1 고정 블레이드의 전방 에지를 중심으로 접히도록, 상기 스테이지는 상기 폴딩 플레이트를 상기 공급부에 대해 전방 영역의 제 1 위치에 위치시키기 위하여 전면 방향으로 이동할 수 있다.
예를 들어, 상기 공급부는 서로 맞물려 회전하는 제 1 롤러와 제 2 롤러를 포함할 수 있다.
상기 공급부에는 상기 양극판이 코팅된 분리막 및 상기 분리막과 별도로 제작된 음극판이 제공되며, 상기 공급부는 상기 분리막, 음극판 및 양극판을 상기 폴딩 플레이트에 공급하는 동안 상기 분리막과 음극판을 접합하도록 구성될 수 있다.
상기 공급부에는 상기 분리막의 상부 표면과 하부 표면에 각각 양극판과 음극판이 미리 접합되어 있는 접합된 분리막, 음극판 및 양극판이 제공되도록 구성될 수 있다.
상기 분리막은 금속 이온을 상기 음극판으로부터 양극판으로 전달하는 전해질을 포함할 수 있다.
상기 금속 공기 전지 제작 장치는, 상기 금속 공기 전지 제작 장치에 의해 제작된 접이식 구조를 갖는 금속 공기 전지의 한쪽 방향으로만 기체확산층이 삽입되도록 구성될 수 있다.
다른 실시예에 따른 금속 공기 전지 제작 장치는, 접합된 분리막 및 음극판을 접어서 적층하기 위한 지지대의 역할을 하는 폴딩 플레이트; 상기 폴딩 플레이트 위에 기체확산층을 제공하는 기체확산층 운송부; 상기 폴딩 플레이트의 양쪽 측면에 각각 배치되며, 상기 음극판, 양극판 또는 기체확산층을 눌러서 고정하는 제 1 고정 블레이드; 상기 폴딩 플레이트의 후방에 배치되며, 상기 음극판을 눌러서 고정하는 제 2 고정 블레이드; 상기 폴딩 플레이트에 접합된 분리막, 음극판 및 양극판을 공급하기 위한 공급부; 및 상기 폴딩 플레이트, 제 1 고정 블레이드 및 제 2 고정 블레이드를 공급부에 대해 상대적으로 이동시키기 위한 스테이지;를 포함할 수 있으며, 상기 기체확산층의 상부 표면과 하부 표면에 각각 양극판이 미리 양극판이 접합될 수 있다.
개시된 금속 공기 전지 제작 방법은, 폴딩 플레이트를 공급부에 대해 전방 영역의 제 1 위치에 위치시키는 단계; 접합된 분리막, 음극판 및 양극판을 상기 공급부가 상기 폴딩 플레이트에 제공하는 단계; 제 1 고정 블레이드가 상기 양극판의 양쪽 측면을 눌러서 고정하는 단계; 기체확산층 운송부가 상기 양극판 위로 기체확산층을 운송하는 단계; 상기 제 1 고정 블레이드가 상기 기체확산층의 양쪽 측면을 눌러서 고정하는 단계; 상기 폴딩 플레이트를 상기 공급부에 대해 후방 영역의 제 2 위치로 이동시킴으로써, 상기 분리막, 음극판 및 양극판을 상기 제 1 고정 블레이드의 후방 에지를 중심으로 접는 단계; 제 2 고정 블레이드가 상기 접혀진 음극판의 중심부를 눌러서 고정하는 단계; 및 상기 제 1 고정 블레이드가 상기 접혀진 음극판의 양쪽 측면을 눌러서 고정하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 금속 공기 전지 제작 방법은, 상기 제 2 고정 블레이드가 상기 접혀진 음극판으로부터 완전히 떨어지는 단계; 상기 폴딩 플레이트를 상기 공급부에 대해 전방 영역의 제 1 위치로 이동시킴으로써, 상기 분리막, 음극판 및 양극판을 상기 제 1 고정 블레이드의 전방 에지를 중심으로 접는 단계; 기체확산층 운송부가 상기 양극판 위로 기체확산층을 운송하는 단계; 및 상기 제 1 고정 블레이드가 상기 기체확산층의 양쪽 측면을 눌러서 고정하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 접합된 분리막, 음극판 및 양극판을 상기 공급부가 상기 폴딩 플레이트에 제공하는 단계는, 상기 양극판이 코팅된 분리막 및 상기 분리막과 별도로 제작된 음극판을 상기 공급부에 제공하는 단계; 및 상기 분리막, 음극판 및 양극판을 상기 폴딩 플레이트에 공급하는 동안 상기 공급부가 상기 분리막과 음극판을 접합하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 접합된 분리막, 음극판 및 양극판을 상기 공급부가 상기 폴딩 플레이트에 제공하는 단계는 상기 분리막의 상부 표면과 하부 표면에 각각 양극판과 음극판이 미리 접합되어 있는 접합된 분리막, 음극판 및 양극판을 상기 공급부에 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
개시된 금속 공기 전지의 제작 장치 및 제작 방법에 따르면, 음극판과 분리막을 반복적으로 접어서 적층하면서, 접혀진 분리막 사이에 양극판과 기체확산층을 효율적으로 끼워 넣을 수 있다. 따라서, 접이식 구조를 갖는 금속 공기 전지를 대량으로 효율적으로 제작할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 접이식 구조를 갖는 금속 공기 전지의 구조를 개략적으로 보이는 사시도이다.
도 2 내지 도 15는 도 1에 도시된 금속 공기 전지의 제작 장치 및 제작 방법을 예시적으로 보이는 개략적인 단면도이다.
도 16은 또 다른 실시예에 따른 금속 공기 전지의 제작 장치 및 제작 방법을 예시적으로 보이는 개략적인 측단면도이다.
도 17은 다른 실시예에 따른 접이식 구조를 갖는 금속 공기 전지의 구조를 개략적으로 보이는 사시도이다.
도 18은 도 17에 도시된 금속 공기 전지의 제작 장치 및 제작 방법을 예시적으로 보이는 개략적인 측단면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 접이식 구조를 갖는 금속 공기 전지의 제작 장치 및 제작 방법에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 또한 이하에서 설명하는 층 구조에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 표현은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 접이식 구조를 갖는 금속 공기 전지의 구조를 개략적으로 보이는 사시도이다. 도 1을 참조하면, 금속 공기 전지(10)는 음극판(12), 분리막(11), 양극판(13) 및 적어도 하나의 기체확산층(14)을 포함할 수 있다. 여기서, 음극판(12)은 금속 이온을 흡장/방출하는 역할을 하는 것으로, 예를 들어 리튬(Li), 나트륨(Na), 아연(Zn), 칼륨(K), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 철(Fe), 알루미늄(Al), 구리(Cu) 또는 이들의 합금을 사용하거나, 상술한 금속들을 2층 이상으로 적층하여 사용할 수 있다.
분리막(11)은 산소의 투과를 방지하면서 금속 이온에 대해 전도성을 가지며 휘어질 수 있는 고분자계 분리막을 사용할 수 있다. 예를 들어, 분리막으로는 폴리프로필렌 소재의 부직포나 폴리페닐렌 설파이드 소재의 부직포 등의 고분자 부직포, 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌 등의 올레핀계 수지의 다공성 필름 등을 사용할 수 있다.
또한, 분리막(11)은 금속 이온을 음극판(12)으로부터 양극판(13)으로 전달하는 전해질을 포함할 수 있다. 전해질은 금속염을 용매에 용해하여 형성되며 고분자계 전해질, 무기계 전해질 또는 이들을 혼합한 복합 전해질을 포함하는 고체상일 수 있다. 이러한 전해질은 후술하는 공정을 위해 휘어질 수 있다. 예를 들어, 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. 용매는 이러한 리튬염 및 금속염을 용해시킬 수 있는 어떠한 재료라도 사용될 수 있다. 분리막(11)에 전해질이 별개의 층으로 부착될 수도 있지만, 분리막(11)은 다공성 기공들 내에 전해질을 함침시켜 하나의 층으로 형성될 수도 있다. 예를 들어, 폴리에틸렌옥사이드(Polyethylene oxide; PEO)와 LiTFSI을 혼합하여 형성된 전해질을 분리막(11)의 다공성 기공들 내에 함침시킬 수 있다.
양극판(13)은 금속 이온의 전도를 위한 전해질, 산소의 산화/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, 분리막(11) 위에 도포하여 건조함으로써 양극판(13)을 형성할 수 있다. 전해질은 앞서 설명한 리튬염 또는 금속염을 포함할 수 있다. 도선성 재료로는 예를 들어 다공성을 갖는 탄소계 재료, 도전성 금속 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. 도전성 금속 재료는 예를 들어 금속 분말의 형태로 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, 폴리테트라플루오로 에틸렌(PTFE), 폴리프로필렌, 폴리불화비닐리덴(PVDF), 폴리에틸렌, 스티렌-부타디엔 고무 등을 사용할 수 있다.
마지막으로, 기체확산층(14)은 대기 중의 산소를 흡수하여 양극판(13)에 제공하는 역할을 한다. 이를 위해 기체확산층(14)은 외부의 산소를 원활하게 확산시킬 수 있도록 다공성 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 탄소 섬유를 사용한 카본 페이퍼(carbon paper), 카본 직물(carbon cloth), 카본 펠트(carbon felt), 또는 스펀지상의 발포 금속이나 금속 섬유 매트를 사용하여 기체확산층(14)을 형성할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 음극판(12), 분리막(11) 및 양극판(13)은 기체확산층(14)의 3면을 둘러싸도록 절곡되어 있다. 예를 들어, 양극판(13) 위에 기체확산층(14)을 부분적으로 배치한 다음, 양극판(13)이 기체확산층(14)의 상부 표면과 접촉하도록 기체확산층(14) 위로 음극판(12), 분리막(11) 및 양극판(13)을 절곡시킬 수 있다. 그런 후에는, 양극판(13)이 상부로 향하도록 음극판(12), 분리막(11) 및 양극판(13)을 다시 180도 방향으로 반대로 접은 다음, 양극판(13) 위에 추가적인 기체확산층(14)을 더 배치하고, 양극판(13)이 기체확산층(14)의 상부 표면과 접촉하도록 기체확산층(14) 위로 음극판(12), 분리막(11) 및 양극판(13)을 절곡시킬 수 있다. 이러한 금속 공기 전지(10)의 구조에서, 도 1에 도시된 바와 같이, 금속 공기 전지(10)의 우측에서는 음극판(12)만이 보이게 되며, 금속 공기 전지(10)의 좌측에서는 분리막(11), 양극판(13) 및 기체확산층(14)이 노출될 수 있다. 즉, 기체확산층(14)은 금속 공기 전지(10)의 한쪽 방향으로만 삽입될 수 있다. 따라서, 양극판(13)에서의 산화/환원 반응에 필요한 산소는 기체확산층(14)의 좌측으로부터 흡수되어 양극판(13)의 전체 영역으로 공급될 수 있다.
도 1에는 금속 공기 전지(10)의 접이식 구조를 이해하기 쉽게 설명하기 위하여 2개의 기체확산층(14)이 도시되어 있다. 그러나, 금속 공기 전지(10)의 기본적인 하나의 셀은 하나의 기체확산층(14)의 3개면을 음극판(12), 분리막(11) 및 양극판(13)이 둘러싸는 구조를 가질 수 있다. 따라서, 도 1에 도시된 금속 공기 전지(10)는 2개의 셀들을 접이식으로 포함하고 있는 것으로 볼 수 있다. 상술한 방식으로, 양극판(13) 위에 기체확산층(14)을 배치하고 음극판(12), 분리막(11) 및 양극판(13)을 절곡시키는 과정을 반복함으로써, 금속 공기 전지(10)의 셀의 개수를 증가시킬 수 있다.
도 1에 도시된 접이식 구조의 금속 공기 전지(10)에서 기체확산층(14)의 일부는 항상 외부에 개방될 수 있다. 예를 들어, 도 1에서 정면으로 보이는 기체확산층(14)의 일부면은 금속 공기 전지(10)를 외장재(도시되지 않음)로 포장할 때 외장재에 의해 가리게 되지만, 도 1에서 기체확산층(14)의 좌측면은 금속 공기 전지(10)를 외장재로 포장하더라도 항상 외부에 노출될 수 있다. 따라서, 금속 공기 전지(10)에서 셀의 개수의 증가와 관계 없이 양극판(13)으로의 산소 공급이 용이할 수 있다.
도 2 내지 도 15는 도 1에 도시된 금속 공기 전지(10)를 제작하기 위한 제작 장치(100) 및 제작 방법을 예시적으로 보이는 개략적인 단면도이다. 이하, 도 2 내지 도 15를 참조하여 일 실시예에 따른 금속 공기 전지(10)의 제작 장치(100) 및 제작 방법에 대해 상세하게 설명한다.
먼저, 도 2를 참조하면, 금속 공기 전지(10)의 제작 장치(100)는, 서로 접합된 분리막(11), 음극판(12) 및 양극판(13)을 접어서 적층하기 위한 지지대의 역할을 하는 폴딩 플레이트(120), 분리막(11), 음극판(12) 및 양극판(13)을 접합하여 폴딩 플레이트(120)에 공급하는 공급부(161, 162), 분리막(11), 음극판(12) 및 양극판(13)을 접어서 적층하는 동안 양극판(13)이 풀어지지 않도록 양극판(13)을 고정시키는 제 1 고정 블레이드(130), 분리막(11), 음극판(12) 및 양극판(13)을 접어서 적층하는 동안 음극판(12)이 풀어지지 않도록 음극판(12)을 고정시키는 제 2 고정 블레이드(140), 양극판(13) 위에 기체확산층(14)을 제공하는 기체확산층 운송부(150), 및 폴딩 플레이트(120), 제 1 고정 블레이드(130) 및 제 2 고정 블레이드(140)가 배치되어 있는 스테이지(110)를 포함할 수 있다. 스테이지(110)는 폴딩 플레이트(120), 제 1 고정 블레이드(130) 및 제 2 고정 블레이드(140)를 지지하며 공급부(161, 162)에 대해 상대적으로 이동시킬 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 제작 장치(100)는 제 1 고정 블레이드(130)를 작동시키기 위한 제 1 액추에이터(131) 및 제 2 고정 블레이드(140)를 작동시키기 위한 제 2 액추에이터(141)를 더 포함할 수 있다. 공급부(161, 162)는 예를 들어 서로 맞물려 회전하는 제 1 롤러(161)와 제 2 롤러(162)를 포함할 수 있다.
초기 단계에서, 폴딩 플레이트(120)가 공급부(161, 162)에 대해 전방 영역에 위치하도록 스테이지(110)가 전면 방향으로 이동할 수 있다. 그리고, 공급부(161, 162)를 통해 공급된 분리막(11), 음극판(12) 및 양극판(13)의 단부를 폴딩 플레이트(120) 위에 배치하고 제 1 고정 블레이드(130)로 양극판(13)을 눌러서 고정할 수 있다. 분리막(11)의 상부 표면에는 양극판(13)이 미리 접합되어 있으며, 음극판(12)은 분리막(11)과 별도로 공급부(161, 162)에 제공될 수 있다. 분리막(11)과 음극판(12)이 폴딩 플레이트(120)에 제공되는 동안, 공급부(161, 162)에 의해 분리막(11)의 하부 표면에 음극판(12)이 접합될 수 있다. 한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 초기 단계에서 제 2 고정 블레이드(140)는 폴딩 플레이트(120)로부터 떨어져 있다.
그런 후, 도 3을 참조하면, 기체확산층 운송부(150)가 기체확산층(14)을 양극판(13) 위에 올려 놓는다. 기체확산층(14)은 도시되지 않은 별도의 적재부에 적재될 수 있으며, 기체확산층 운송부(150)는 적재부에 적재된 다수의 기체확산층(14)들 중에서 하나를 공기 흡입 방식으로 들어올려 양극판(13) 위로 운송할 수 있다. 이때, 기체확산층(14)의 일부는 제 1 고정 블레이드(130)의 위쪽에 위치하게 된다.
도 4는 도 3의 측단면도와 다른 방향에서 본 정단면도이다. 도 4를 참조하면, 2개의 제 1 고정 블레이드(130a, 130b)가 양극판(13)의 양측을 각각 눌러서 고정하고 있으며, 기체확산층 운송부(150)는 2개의 제 1 고정 블레이드(130a, 130b) 사이에 위치하게 된다. 그러면, 기체확산층(14)의 중심부는 양극판(13)의 상부 표면과 접촉하고 기체확산층(14)의 양쪽 측면은 2개의 제 1 고정 블레이드(130a, 130b)의 위쪽에 각각 위치하게 된다.
이어서, 도 5의 정단면도를 참조하면, 기체확산층 운송부(150)가 기체확산층(14)을 눌러서 양극판(13) 위에 기체확산층(14)을 고정시킨 상태에서, 2개의 제 1 고정 블레이드(130a, 130b)가 각각 좌우측 방향으로 폴딩 플레이트(120)로부터 후퇴할 수 있다. 이를 위해, 2개의 제 1 액추에이터(131a, 131b)가 제 1 고정 블레이드(130a, 130b)를 각각 이동시킬 수 있다. 예를 들어, 제 1 액추에이터(131a, 131b)는 제 1 고정 블레이드(130a, 130b)가 양극판(13)과 완전히 떨어질 때까지 제 1 고정 블레이드(130a, 130b)를 좌우 측면 방향으로 이동시킬 수 있다.
그리고, 도 6의 정단면도를 참조하면, 제 1 액추에이터(131a, 131b)는 제 1 고정 블레이드(130a, 130b)를 각각 약간 상승시킨 후 다시 폴딩 플레이트(120)를 향해 안쪽으로 이동시킨다. 그런 다음, 제 1 액추에이터(131a, 131b)가 제 1 고정 블레이드(130a, 130b)를 아래로 하강시키면 제 1 고정 블레이드(130a, 130b)가 기체확산층(14)을 누르게 된다. 이때, 기체확산층(14)의 양쪽 측면이 제 1 고정 블레이드(130a, 130b)에 의해 각각 눌리면서 기체확산층(14)이 양극판(13) 위에 고정될 수 있다.
기체확산층(14)이 제 1 고정 블레이드(130a, 130b)에 의해 완전히 고정되면, 도 7의 정단면도에 도시된 바와 같이, 기체확산층 운송부(150)가 위로 상승하면서 기체확산층(14)으로부터 떨어지게 된다. 도시되지는 않았지만, 기체확산층 운송부(150)는 다수의 기체확산층(14)들이 적재되어 있는 적재부로 이동할 수 있다.
다음으로, 도 8의 측단면도를 참조하면, 폴딩 플레이트(120)가 공급부(161, 162)에 대해 후방 영역에 위치하도록 스테이지(110)가 배면 방향으로 이동할 수 있다. 스테이지(110)가 배면 방향으로 이동하면서, 스테이지(110) 위에 배치되어 있는 폴딩 플레이트(120), 제 1 고정 블레이드(130) 및 제 2 고정 블레이드(140)가 전체적으로 후방으로 이동하게 된다. 이때, 공급부(161, 162)를 통해 공급되는 분리막(11), 음극판(12) 및 양극판(13)이 제 1 고정 블레이드(130)의 후방 에지를 중심으로 접히게 된다. 그러나 아직까지는 분리막(11), 음극판(12) 및 양극판(13)이 180도로 완전히 접힌 것은 아니다. 예를 들어, 스테이지(110)는 분리막(11), 음극판(12) 및 양극판(13)이 약 120도 내지 160도 범위 정도로 접힐 때까지 배면 방향으로 이동할 수 있다.
도 9의 측단면도를 참조하면, 이 상태에서 제 2 액추에이터(141)가 제 2 고정 블레이드(140)를 약간 상승시킨 다음 폴딩 플레이트(120)를 향해 제 2 고정 블레이드(140)를 이동시킨다. 그러면, 음극판(12)이 제 2 고정 블레이드(140)에 의해 밀리면서 분리막(11), 음극판(12) 및 양극판(13)이 180도에 거의 가깝게 접히게 된다. 제 2 고정 블레이드(140)가 폴딩 플레이트(120) 위에 도달하면 제 2 액추에이터(141)는 제 2 고정 블레이드(140)를 하강시켜 음극판(12)을 눌러 고정한다. 이때, 분리막(11), 음극판(12) 및 양극판(13)은 완전히 180도로 접힐 수 있다.
도 10은 도 9의 측단면도와 다른 방향에서 본 정단면도이다. 도 10을 참조하면, 2개의 제 1 고정 블레이드(130a, 130b)가 기체확산층(14)의 양측을 각각 눌러서 고정하고 있으며, 제 2 고정 블레이드(140)는 2개의 제 1 고정 블레이드(130a, 130b) 사이에 위치하게 된다. 그러면, 분리막(11), 음극판(12) 및 양극판(13)의 접혀진 부분 중에서 중심부는 아래의 기체확산층(14)의 상부 표면과 접촉하게 된다. 특히, 양극판(13)의 접혀진 부분의 중심부가 기체확산층(14)의 상부 표면과 직접 접촉하게 된다. 그리고, 분리막(11), 음극판(12) 및 양극판(13)의 접혀진 부분 중에서 양쪽 측면은 2개의 제 1 고정 블레이드(130a, 130b)의 위쪽에 각각 위치하게 된다.
그리고, 도 11의 정단면도를 참조하면, 제 2 고정 블레이드(140)가 접혀진 음극판(12)을 눌러서 고정시킨 상태에서, 2개의 제 1 고정 블레이드(130a, 130b)가 각각 좌우측으로 폴딩 플레이트(120)로부터 후퇴할 수 있다. 이를 위해, 2개의 제 1 액추에이터(131a, 131b)가 제 1 고정 블레이드(130a, 130b)를 각각 이동시킬 수 있다. 예를 들어, 제 1 액추에이터(131a, 131b)는 제 1 고정 블레이드(130a, 130b)가 기체확산층(14)과 완전히 떨어질 때까지 제 1 고정 블레이드(130a, 130b)를 좌우 측면 방향으로 이동시킬 수 있다.
이어서, 도 12의 정단면도를 참조하면, 제 1 액추에이터(131a, 131b)는 제 1 고정 블레이드(130a, 130b)를 각각 약간 상승시킨 후 다시 폴딩 플레이트(120)를 향해 안쪽으로 이동시킨다. 그런 다음, 제 1 액추에이터(131a, 131b)가 제 1 고정 블레이드(130a, 130b)를 아래로 하강시키면 제 1 고정 블레이드(130a, 130b)가 접혀진 음극판(12)을 누르게 된다. 이때, 접혀진 음극판(12)의 양쪽 측면이 제 1 고정 블레이드(130a, 130b)에 의해 각각 눌리면서 분리막(11), 음극판(12) 및 양극판(13)의 접혀진 부분이 그 아래의 기체확산층(14) 위에 완전히 고정될 수 있다.
그런 후, 도 13의 측단면도를 참조하면, 제 2 고정 블레이드(140)가 폴딩 플레이트(120)로부터 후퇴하여 음극판(12)으로부터 완전히 떨어지게 된다. 도 9 내지 도 13에서 설명한 바와 같이, 2개의 제 1 고정 블레이드(130)는 폴딩 플레이트(120)의 양쪽 측면에 배치되어 폴딩 플레이트(120)에 대해 측면 방향으로 이동하면서 양극판(13), 기체확산층(14) 또는 음극판(12)의 양쪽 측면을 눌러서 고정할 수 있다. 반면, 제 2 고정 블레이드(140)는 폴딩 플레이트(120)의 후방에 배치되어 있으며, 제 1 고정 블레이드(130)의 이동 방향에 수직 방향인, 폴딩 플레이트(120)의 전후 방향으로 이동하면서 접혀진 음극판(12)의 중심부를 눌러서 고정할 수 있다.
다음으로, 도 14의 측단면도를 참조하면, 폴딩 플레이트(120)가 공급부(161, 162)에 대해 전방 영역에 위치하도록 스테이지(110)가 전면 방향으로 이동할 수 있다. 스테이지(110)가 전면 방향으로 이동하면서, 스테이지(110) 위에 배치되어 있는 폴딩 플레이트(120), 제 1 고정 블레이드(130) 및 제 2 고정 블레이드(140)가 전체적으로 전방으로 이동하게 된다. 이때, 공급부(161, 162)를 통해 공급되는 분리막(11), 음극판(12) 및 양극판(13)이 제 1 고정 블레이드(130)의 전방 에지를 중심으로 접히게 된다. 그러나 아직까지는 분리막(11), 음극판(12) 및 양극판(13)이 180도로 완전히 접힌 것은 아니다. 예를 들어, 스테이지(110)는 분리막(11), 음극판(12) 및 양극판(13)이 약 120도 내지 160도 범위 정도로 접힐 때까지 전면 방향으로 이동할 수 있다.
그리고, 도 15를 참조하면, 기체확산층 운송부(150)가 기체확산층(14)을 양극판(13) 위에 올려 놓는다. 이때, 기체확산층 운송부(150)에 의해 분리막(11), 음극판(12) 및 양극판(13)이 눌리면서 완전히 180도로 접힐 수 있다. 그런 후에는, 금속 공기 전지(10)의 적층 횟수가 원하는 적층 횟수에 도달할 때까지, 폴딩 플레이트(120)를 공급부(161, 162)에 대해 전방 영역과 후방 영역 사이에서 왕복시키면서 도 5 내지 도 14에 도시된 과정을 반복할 수 있다.
상술한 금속 공기 전지(10)의 제작 장치(100) 및 제작 방법에 따르면, 음극판(12)과 분리막(11)을 반복적으로 접어서 적층하면서, 접혀진 분리막(11) 사이에 양극판(13)과 기체확산층(14)을 효율적으로 끼워 넣을 수 있다. 따라서, 접이식 구조를 갖는 금속 공기 전지(10)를 대량으로 효율적으로 제작할 수 있다.
한편, 도 2 내지 도 15에서는 양극판(13)이 코팅된 분리막(11)과 별도로 음극판(12)을 제작하고, 공급부(161, 162)에서 분리막(11)과 음극판(12)이 접합되는 것으로 설명하였다. 그러나, 분리막(11), 음극판(12) 및 양극판(13)을 미리 접합하여 제작 장치(100)에 공급할 수도 있다. 예를 들어, 도 16은 또 다른 실시예에 따른 금속 공기 전지(10)의 제작 장치(100) 및 제작 방법을 예시적으로 보이는 개략적인 측단면도이다. 도 16을 참조하면, 분리막(11)의 상부 표면과 하부 표면에 각각 양극판(13)과 음극판(12)이 미리 접합되어 있으며, 미리 접합된 분리막(11), 음극판(12) 및 양극판(13)이 공급부(161, 162)를 통해 제작 장치(100)에 공급된다는 점에서 도 2 내지 도 15에서 설명한 것과 다르다. 나머지 제작 공정은 도 2 내지 도 15에서 설명한 것과 동일하다.
도 17은 다른 실시예에 따른 접이식 구조를 갖는 금속 공기 전지(10')의 구조를 개략적으로 보이는 사시도이다. 도 1에 도시된 금속 공기 전지(10)의 경우, 분리막(11), 음극판(12) 및 양극판(13)이 반복적으로 접히면서, 접혀진 양극판(13) 사이에 기체확산층(14)이 끼워져 있다. 반면 도 17에 도시된 금속 공기 전지(10')는, 분리막(11)과 음극판(12)이 반복적으로 접히며, 접혀진 분리막(11) 사이에 양극판(13)과 기체확산층(14)이 끼워져 있다. 여기서, 기체확산층(14)의 상부 표면과 하부 표면에는 양극판(13)이 미리 접합되어 있다. 따라서, 기체확산층(14)의 상부 표면과 하부 표면에 접합된 양극판(13)은 접혀진 분리막(11)의 내측 표면에 접촉하게 된다.
도 18은 도 17에 도시된 금속 공기 전지(10')의 제작 장치(100) 및 제작 방법을 예시적으로 보이는 개략적인 측단면도이다. 도 18을 참조하면, 별도로 제작된 분리막(11)과 음극판(12)이 폴딩 플레이트(120)에 제공되면서 공급부(161, 162)에 의해 서로 접합될 수 있다. 또는, 도 16에 도시된 바와 같이, 미리 접합된 분리막(11)과 음극판(12)이 공급부(161, 162)를 통해 공급될 수도 있다. 그리고, 기체확산층 운송부(150)는 상부 표면과 하부 표면에 양극판(13)이 미리 접합되어 있는 기체확산층(14)을 분리막(11) 위로 공급할 수 있다. 그 외의 나머지 공정은 도 2 내지 도 15에서 설명한 것과 동일할 수 있다.
지금까지, 접이식 구조를 갖는 금속 공기 전지의 제작 장치 및 제작 방법에 대한 다양한 실시예들이 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예들은 단지 예시를 위한 것이고 권리범위를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 권리범위는 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.
10.....금속 공기 전지 11.....분리막
12.....음극판 13.....양극판
14.....기체확산층 100.....제작 장치
110.....스테이지 120.....폴딩 플레이트
130.....제 1 고정 블레이드 140.....제 2 고정 블레이드
131, 141.....액추에이터 150.....기체확산층 운송부
161, 162.....공급부

Claims (21)

  1. 접합된 분리막, 음극판 및 양극판을 접어서 적층하기 위한 지지대의 역할을 하는 폴딩 플레이트;
    상기 폴딩 플레이트 위에 기체확산층을 제공하는 기체확산층 운송부;
    상기 폴딩 플레이트의 양쪽 측면에 각각 배치되며, 상기 음극판, 양극판 또는 기체확산층을 눌러서 고정하는 제 1 고정 블레이드;
    상기 폴딩 플레이트의 후방에 배치되며, 상기 음극판을 눌러서 고정하는 제 2 고정 블레이드;
    상기 폴딩 플레이트에 접합된 분리막, 음극판 및 양극판을 공급하기 위한 공급부; 및
    상기 폴딩 플레이트, 제 1 고정 블레이드 및 제 2 고정 블레이드를 공급부에 대해 상대적으로 이동시키기 위한 스테이지;를 포함하는 금속 공기 전지 제작 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 고정 블레이드를 동작시키기 위한 제 1 액추에이터 및 상기 제 2 고정 블레이드를 동작시키기 위한 제 2 액추에이터를 더 포함하는 금속 공기 전지 제작 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 액추에이터는 상기 제 1 고정 블레이드를 상기 폴딩 플레이트에 대해 측면 방향으로 이동시키도록 구성되며, 상기 제 2 액추에이터는 상기 제 2 고정 블레이드를 상기 폴딩 플레이트에 대해 전후 방향으로 이동시키도록 구성되는 금속 공기 전지 제작 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 스테이지는 상기 폴딩 플레이트를 상기 공급부에 대해 전방 영역의 제 1 위치와 후방 영역의 제 2 위치 사이에서 왕복시키도록 구성되는 금속 공기 전지 제작 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 고정 블레이드는 상기 폴딩 플레이트가 제 1 위치에 있는 동안 상기 음극판, 양극판 또는 기체확산층의 양쪽 측면을 눌러서 고정하도록 구성되는 금속 공기 전지 제작 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 기체확산층 운송부는 상기 폴딩 플레이트가 제 1 위치에 있는 동안 상기 폴딩 플레이트 위에 상기 기체확산층을 공급하도록 구성되는 금속 공기 전지 제작 장치.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 2 고정 블레이드는 상기 폴딩 플레이트가 제 2 위치에 있는 동안 상기 음극판의 중심부를 눌러서 고정하도록 구성되는 금속 공기 전지 제작 장치.
  8. 제 4 항에 있어서,
    초기 단계에서, 상기 스테이지는 상기 폴딩 플레이트를 상기 공급부에 대해 전방 영역의 제 1 위치에 위치시키기 위하여 전면 방향으로 이동하도록 구성되며,
    상기 제 1 고정 블레이드는 상기 양극판의 양쪽 측면을 눌러서 고정하며 상기 제 2 고정 블레이드는 상기 폴딩 플레이트로부터 떨어져 위치하고,
    상기 기체확산층 운송부는 상기 양극판 위로 상기 기체확산층을 운송하는 금속 공기 전지 제작 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    후속하는 단계에서, 상기 제 1 고정 블레이드는 상기 폴딩 플레이트로부터 후퇴한 후 다시 상기 폴딩 플레이를 향해 이동하여 상기 기체확산층의 양쪽 측면을 눌러서 고정하도록 구성되며, 그런 후 상기 기체확산층 운송부는 상승하여 상기 기체확산층으로부터 떨어지도록 구성되는 금속 공기 전지 제작 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    후속하는 단계에서, 상기 분리막, 음극판 및 양극판이 상기 제 1 고정 블레이드의 후방 에지를 중심으로 접히도록, 상기 스테이지는 상기 폴딩 플레이트를 상기 공급부에 대해 후방 영역의 제 2 위치에 위치시키기 위하여 배면 방향으로 이동하며,
    상기 제 2 고정 블레이드가 상기 접혀진 음극판의 중심부를 눌러서 고정하고,
    상기 제 1 고정 블레이드는 상기 폴딩 플레이트로부터 후퇴한 후 다시 상기 폴딩 플레이를 향해 이동하여 상기 접혀진 음극판의 양쪽 측면을 눌러서 고정하도록 구성된 금속 공기 전지 제작 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    후속하는 단계에서, 상기 제 2 고정 블레이드가 상기 폴딩 플레이트로부터 후퇴하여 상기 접혀진 음극판으로부터 완전히 떨어지며,
    상기 분리막, 음극판 및 양극판이 상기 제 1 고정 블레이드의 전방 에지를 중심으로 접히도록, 상기 스테이지는 상기 폴딩 플레이트를 상기 공급부에 대해 전방 영역의 제 1 위치에 위치시키기 위하여 전면 방향으로 이동하는 금속 공기 전지 제작 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 공급부는 서로 맞물려 회전하는 제 1 롤러와 제 2 롤러를 포함하는 금속 공기 전지 제작 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 공급부에는 상기 양극판이 코팅된 분리막 및 상기 분리막과 별도로 제작된 음극판이 제공되며, 상기 공급부는 상기 분리막, 음극판 및 양극판을 상기 폴딩 플레이트에 공급하는 동안 상기 분리막과 음극판을 접합하도록 구성된 금속 공기 전지 제작 장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 공급부에는 상기 분리막의 상부 표면과 하부 표면에 각각 양극판과 음극판이 미리 접합되어 있는 접합된 분리막, 음극판 및 양극판이 제공되도록 구성된 금속 공기 전지 제작 장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 분리막은 금속 이온을 상기 음극판으로부터 양극판으로 전달하는 전해질을 포함하는 금속 공기 전지 제작 장치.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 공기 전지 제작 장치에 의해 제작된 접이식 구조를 갖는 금속 공기 전지의 한쪽 방향으로만 기체확산층이 삽입되도록 구성된 금속 공기 전지 제작 장치.
  17. 접합된 분리막 및 음극판을 접어서 적층하기 위한 지지대의 역할을 하는 폴딩 플레이트;
    상기 폴딩 플레이트 위에 기체확산층을 제공하는 기체확산층 운송부;
    상기 폴딩 플레이트의 양쪽 측면에 각각 배치되며, 상기 음극판, 양극판 또는 기체확산층을 눌러서 고정하는 제 1 고정 블레이드;
    상기 폴딩 플레이트의 후방에 배치되며, 상기 음극판을 눌러서 고정하는 제 2 고정 블레이드;
    상기 폴딩 플레이트에 접합된 분리막, 음극판 및 양극판을 공급하기 위한 공급부; 및
    상기 폴딩 플레이트, 제 1 고정 블레이드 및 제 2 고정 블레이드를 공급부에 대해 상대적으로 이동시키기 위한 스테이지;를 포함하며,
    상기 기체확산층의 상부 표면과 하부 표면에 각각 양극판이 미리 양극판이 접합되어 있는 금속 공기 전지 제작 장치.
  18. 폴딩 플레이트를 공급부에 대해 전방 영역의 제 1 위치에 위치시키는 단계;
    접합된 분리막, 음극판 및 양극판을 상기 공급부가 상기 폴딩 플레이트에 제공하는 단계;
    제 1 고정 블레이드가 상기 양극판의 양쪽 측면을 눌러서 고정하는 단계;
    기체확산층 운송부가 상기 양극판 위로 기체확산층을 운송하는 단계;
    상기 제 1 고정 블레이드가 상기 기체확산층의 양쪽 측면을 눌러서 고정하는 단계;
    상기 폴딩 플레이트를 상기 공급부에 대해 후방 영역의 제 2 위치로 이동시킴으로써, 상기 분리막, 음극판 및 양극판을 상기 제 1 고정 블레이드의 후방 에지를 중심으로 접는 단계;
    제 2 고정 블레이드가 상기 접혀진 음극판의 중심부를 눌러서 고정하는 단계; 및
    상기 제 1 고정 블레이드가 상기 접혀진 음극판의 양쪽 측면을 눌러서 고정하는 단계;를 포함하는 금속 공기 전지 제작 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 제 2 고정 블레이드가 상기 접혀진 음극판으로부터 완전히 떨어지는 단계;
    상기 폴딩 플레이트를 상기 공급부에 대해 전방 영역의 제 1 위치로 이동시킴으로써, 상기 분리막, 음극판 및 양극판을 상기 제 1 고정 블레이드의 전방 에지를 중심으로 접는 단계;
    기체확산층 운송부가 상기 양극판 위로 기체확산층을 운송하는 단계; 및
    상기 제 1 고정 블레이드가 상기 기체확산층의 양쪽 측면을 눌러서 고정하는 단계;를 더 포함하는 금속 공기 전지 제작 방법.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 접합된 분리막, 음극판 및 양극판을 상기 공급부가 상기 폴딩 플레이트에 제공하는 단계는:
    상기 양극판이 코팅된 분리막 및 상기 분리막과 별도로 제작된 음극판을 상기 공급부에 제공하는 단계; 및
    상기 분리막, 음극판 및 양극판을 상기 폴딩 플레이트에 공급하는 동안 상기 공급부가 상기 분리막과 음극판을 접합하는 단계;를 포함하는 금속 공기 전지 제작 방법.
  21. 제 18 항에 있어서,
    상기 접합된 분리막, 음극판 및 양극판을 상기 공급부가 상기 폴딩 플레이트에 제공하는 단계는 상기 분리막의 상부 표면과 하부 표면에 각각 양극판과 음극판이 미리 접합되어 있는 접합된 분리막, 음극판 및 양극판을 상기 공급부에 제공하는 단계를 포함하는 금속 공기 전지 제작 방법.
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