KR20170094972A

KR20170094972A - 공기-아연 이차전지

Info

Publication number: KR20170094972A
Application number: KR1020160016361A
Authority: KR
Inventors: 류병훈; 공재경
Original assignee: 주식회사 이엠따블유에너지
Priority date: 2016-02-12
Filing date: 2016-02-12
Publication date: 2017-08-22
Also published as: CN108701884B; US20190051948A1; WO2017138738A1; US10938072B2; CN108701884A; JP2019505075A; KR101800207B1

Abstract

본 발명은 공기-아연 이차전지에 관한 것으로, 보다 구체적으로 케이스 내에 공기 양극부, 세퍼레이터(separator) 및 아연겔 음극부를 포함하는 공기-아연 전지에 있어서, 상기 아연겔 음극부 내부에 전해액이 흘러 지나가도록 하는 전해액 유동부를 포함한다.

Description

공기-아연 이차전지{Air-Zinc secondary battery}

본 발명은 산소 배출 효율성이 높은 공기-아연 이차전지에 관한 것이다.

전기 화학 전력원은 전기 에너지가 전기화학 반응에 의해서 생성될 수 있는 장치를 의미하며, 공기-아연 이차전지도 상기 전기 화학 전력원에 해당한다. 공기-아연 이차전지는 방전 중에 아연산화물로 변환되는 아연겔로 이루어진 아연겔 음극부를 채용하고, 양극으로는 물 분자를 포함하고 있는 투과성의 막으로서, 공기 중 의 산소와 접촉하여 수산화 이온을 발생시키는 막 형태의 공기 양극부를 채용한다.

이와 같은 공기-아연 이차전지는 종래의 수소 연료 전지에 비해 많은 장점들이 있다. 특히, 아연과 같은 연료가 금속이나 그 산화물로서 풍부하게 존재할 수 있기 때문에 공기-아연 이차전지로부터 제공된 에너지 공급이 가시적으로 고갈되지 않는 장점이 있다. 또한, 종래의 수소 연료 전지들은 재충진이 요구되는데 반해 공기-아연 이차전지는 전기적으로 재충전하여 사용할 수 있고, 통상적인 연료 전지들(<0.8V)보다 높은 출력전압(1.4 V)을 전달할 수 있는 이점이 있다.

이와 같이 방전 및 충전이 가능한 공기-아연 이차전지는 방전이 진행될수록 아연겔 음극부의 아연이 아연산화물화 되며, 충전 시에는 반대로 아연산화물의 산소가 분리ㅇ배출되어 본래의 아연으로 회귀하게 된다. 즉, 충분한 방전이 이루어진 경우에는 아연겔 음극부의 산소 배출 효율이 높을수록 공기-아연 이차전지의 충전 성능도 높아진다고 볼 수 있다.

하지만, 기존의 공기-아연 이차전지는 충전 시 산소 배출에 있어, 아연겔 음극부의 내부에 존재하는 산소가 원활하게 배출되지 않는 문제가 있으며, 공기-아연 이차전지의 충전 성능을 향상시키기 위해서는 아연겔 음극부 내에 존재하는 산소의 배출 효율을 높이는 것이 중요하다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로, 아연겔 음극부의 내부에 존재하는 산소를 효율적으로 배출할 수 있는 공기-아연 이차전지를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명의 공기-아연 이차전지는 전해액 유동부를 통해 아연겔 음극부 내부에 전해액을 흘려줌으로써 아연겔 음극부 내부에 잔존하여 외부로 잘 배출되지 않던 산소의 배출 효율을 높일 수 있으며, 이에 따라 공기-아연 이차전지의 충전 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 공기-아연 이차전지의 구조를 나타내기 위한 측단면도를 도시한 것이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 발명에서 상기 공기 양극부는 통상적으로 알려진 바와 같이 공기확산층, 촉매활성층 및 양극 집전체층으로 이루어져 있으며, 상기 공기 확산층은 외부 공기 중의 수분 및 이산화탄소가 전지 내로 유입되는 것을 차단하여 공기-아연 이차전지의 수명을 연장하기 위하여 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTFE) 등과 같은 소수성 막 소재로 이루어진 것이 바람직하고, 상기 촉매활성층은 유입되는 산소와 반응하여 하기 화학식 1의 반응을 일으키는 탄소 재질로 이루어져 있으며, 상기 양극 집전체층은 상기 촉매활성층의 화학반응을 통해 생성된 전자를 집전하는 것으로서 금속과 같은 도전성 소재로 이루어진 메쉬 구조인 것이 바람직하다.

[화학식 1]

O₂ + 2H₂O + 4e^- ↔ 4OH^-

본 발명에서 상기 세퍼레이터(separator)는 상기 공기 양극부와 아연겔 음극부 간 단락을 방지하기 위하여 상기 공기 양극부와 아연겔 음극부 사이에 개재되는 것으로, 상기 공기 양극부의 촉매활성층에서 산소와 화학반응을 통해 발생한 수산화 이온을 음극부로 전달하는 역할도 해야 하므로, 폴리프로필렌(Polypropylene) 등과 같은 이온 투과성을 가지는 소재로 이루어진 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 아연겔 음극부는 아연(Zn) 및 전해질이 혼합된 겔 형태의 아연 겔을 포함하는 것으로서, 하기의 화학식 2의 반응을 일으켜 음극으로서 기능한다.

[화학식 2]

Zn + 2OH^- ↔ Zn(OH)₂ + 2e^-

Zn + OH^- ↔ ZnO + H₂O + 2e^-

상기 화학식 2의 반응을 통해 상기 아연겔 음극부에는 물 분자가 생성되며, 이와 같이 생성된 물 분자는 상기 공기 양극부로 이동하여 상기 화학식 1의 화학 반응에 이용되게 된다.

본 발명에서 상기 전해액 유동부는 상기 아연겔 음극부 내부에 전해액이 흘러 지나가도록 하는 구성으로서, 본 발명의 공기-아연 이차전지는 상기 전해액 유동부를 통해 아연겔 음극부 내부에 전해액이 흘러 지나가도록 함으로써 아연겔 음극부 내부에 잔존하여 쉽게 배출되지 않는 산소를 흘러 지나가는 전해액과 함께 외부로 배출할 수 있다.

상기 전해액 유동부는 아연겔 음극부 내부를 전해액이 흘러 지나가도록 전해액의 유동 경로를 형성하는 구조라면 어떠한 구조라도 가능하며, 예를 들면 상기 전해액 유동부는 아연겔 음극부 내부로 전해액을 유입시키는 전해액 유입부; 상기 전해액 유입부의 끝단에 일 측 끝단이 결합되어 연결되고, 상기 전해액 유입부를 통해 유입된 전해액이 아연겔 음극부 내부를 일정 경로로 유동하도록 흐름을 가이드하는 가이드 채널부; 및 상기 가이드 채널부의 타 측 끝단과 결합되어 연결되고, 상기 가이브 채널부를 경유하여 흘러나오는 전해액을 외부로 유출시키는 전해액 유출부를 포함하는 구조일 수 있다.

상기 가이드 채널부는 전해액 유입부를 통해 유입된 전해액이 아연겔 음극부 내부를 일정 경로로 유동하도록 흐름을 가이드하는 구조라면 특별히 제한적인 것은 아니나, 아연겔 음극부 전체에 걸쳐 내부에 잔존하는 산소를 고르게 외부로 배출하도록 하기 위해서는 용수철 형상의 와이어 구조인 것이 바람직할 수 있다.

또한, 상기 가이드 채널부의 소재는 도체, 부도체 등 특별히 제한적인 것은 아니나, 본 발명의 공기-아연 이차전지의 반복적인 충·방전으로 인한 아연겔 음극부의 팽창 및 수축에 유연하게 대응하기 위해 탄성을 가지는 소재를 사용하는 것이 바람직할 수 있다.

본 발명의 공기-아연 이차전지는 전해액 유동부를 통해 아연겔 음극부 내부에 전해액을 흘려줌으로써 아연겔 음극부 내부에 잔존하여 외부로 잘 배출되지 않던 산소의 배출 효율을 높일 수 있으며, 이에 따라 공기-아연 이차전지의 충전 성능을 향상시킬 수 있다.

이하에서는 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 도면에 도시된 일예를 통해 설명하다. 하지만, 하기 도면에 도시된 일예는 본 발명을 설명하기 위한 예시에 지나지 않으며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명에 따른 공기-아연 이차전지의 구조를 나타내기 위한 측단면도를 도시한 것이다. 도 1에 의하면, 본 발명의 일예에 따른 공기-아연 이차전지는 케이스(100) 내에 공기 양극부(200) 및 아연겔 음극부(400)를 포함하며, 상기 공기 양극부(200) 및 아연겔 음극부(400) 사이에 세퍼레이터(300)가 개재되어 있다.

또한, 상기 케이스(100)의 상부에는 외부의 공기가 전지 내로 유입되도록 하는 복수의 공기구멍(110)이 형성되어 있고, 하부에는 단자 노출부(120)가 형성되어 있다.

도 1에 의하면, 전해액 유동부(500)는 상기 케이스(100)의 일 영역을 관통 형성하여 아연겔 음극부(400)의 내부에 전해액을 유입시키는 관 형태의 전해액 유입부(510)와 상기 케이스(100)의 다른 일 영역을 관통 형성하여 아연겔 음극부(400)의 내부를 흘러 지나온 전해액을 외부로 유출하는 전해액 유출부(520)를 포함하며, 상기 전해액 유입부(510)와 전해액 유출부(520) 사이에 위치하고 상기 전해액 유입부(510)를 통해 유입된 전해액이 아연겔 음극부(400) 내부를 일정 경로로 유동하도록 흐름을 가이드하는 용수철 형상의 와이어 구조의 가이드 채널부(530)를 구비하고 있다.

도 1에 도시된 본 발명의 일예에 따르면, 전해액이 전해액 유동부(500)의 전해액 유입부(510)를 통해 아연겔 음극부(400)에 유입되고, 상기 전해액 유입부(510)의 끝단과 연결되어 있는 용수철 형상의 와이어 구조의 가이드 채널부(530)를 통해 아연겔 음극부(400)의 내부를 흘러 지나가면서 아연겔 음극부(400) 내부에 잔존하는 산소를 포집하게 되며, 전해액 유출부(520)를 통해 산소와 함께 외부로 배출되게 된다.

이상에 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 본 발명의 범위는 상기의 상세한 설명보다는 후술할 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 케이스 110 : 공기구멍
120 : 단자 노출부 200 : 공기 양극부
300 : 세퍼레이터(separator) 400 : 아연겔 음극부
500 : 전해액 유동부 510 : 전해액 유입부
520 : 전해액 유출부 530 : 가이드 채널부

Claims

케이스 내에 공기 양극부, 세퍼레이터(separator) 및 아연겔 음극부를 포함하는 공기-아연 전지에 있어서,
상기 아연겔 음극부 내부에 전해액이 흘러 지나가도록 하는 전해액 유동부를 포함하는 공기-아연 이차전지.
제 1항에 있어서,
상기 전해액 유동부는 아연겔 음극부 내부로 전해액을 유입시키는 전해액 유입부;
상기 전해액 유입부의 끝단에 일 측 끝단이 결합되어 연결되고, 상기 전해액 유입부를 통해 유입된 전해액이 아연겔 음극부 내부를 일정 경로로 유동하도록 흐름을 가이드하는 가이드 채널부; 및
상기 가이드 채널부의 타 측 끝단과 결합되어 연결되고, 상기 가이브 채널부를 경유하여 흘러나오는 전해액을 외부로 유출시키는 전해액 유출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기-아연 이차전지.
제 2항에 있어서,
상기 가이드 채널부는 용수철 형상의 와이어 구조인 것을 특징으로 하는 공기-아연 이차전지.
제 2항에 있어서,
상기 가이드 채널부는 탄성을 가지는 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 공기-아연 이차전지.