KR20170143098A - Air injectable zinc air secondary battery - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to an air injection-type zinc air secondary battery comprising: an electrolyte; a positive electrode; and a negative electrode including zinc; a metal filter installed, toward the positive electrode, a distance apart from the negative electrode, and having a space formed therein; and a separation membrane which is installed between the metal filter and the positive electrode. Before a zinc ion is educed to metal zinc in a charging process, a part thereof is reduced to the negative electrode by passing through the separation membrane and the metal filter. The other part thereof is produced as metal zinc in the space.

Description

공기주입식 아연공기 2차전지{AIR INJECTABLE ZINC AIR SECONDARY BATTERY}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to an air-injecting zinc-

본 발명은 공기주입식 아연공기 2차전지에 관한 것이다.The present invention relates to an air injection type zinc-air secondary battery.

일반적으로, 공기아연 2차전지는 리튬 이온 전지에 비해 월등히 높은 에너지 밀도를 가지고 있지만, 충전의 비가역성으로 인한 낮은 용량 유지 특성 때문에 아직 상용화되지 못하였다.Generally, air zinc secondary batteries have much higher energy densities than lithium ion batteries, but they are not yet commercialized due to their low capacity maintenance characteristics due to irreversibility of charging.

아연은 일차전지의 음극 활물질로 이미 상용화되어 널리 사용되고 있지만, 이차전지의 음극 활물질로는 사용되고 있지 않다. 그 이유는 일차전지와 달리 이차전지에서는 충전과 방전이 반복적으로 진행되는 과정 중에 아연 전극의 표면에 아연 덴드라이트가 생성되기 때문이다. 금속 아연을 음극으로 사용하는 전지는 방전 과정에서 금속 아연이 용액 중에 아연 이온으로써 용해되고, 충전 과정에서는 용해된 아연 이온이 다시 금속 아연으로 석출되게 된다. 이때 아연이 수지상의 결정으로 석출되며, 이렇게 생성된 아연 덴드라이트는 충전과 방전 반응의 비가역성을 증대시켜 전지의 용량 및 사이클 수명의 저하를 유발한다.Zinc is already widely used as a negative electrode active material of a primary cell, but it is not used as an anode active material of a secondary battery. This is because, unlike the primary cell, zinc dendrite is formed on the surface of the zinc electrode during charging and discharging repeatedly in the secondary cell. In a battery using metal zinc as a cathode, zinc metal is dissolved in the solution as zinc ions during the discharging process, and dissolved zinc ions are precipitated again into metallic zinc. At this time, zinc precipitates in the form of dendritic crystals, and the zinc dendrite thus produced increases the irreversibility of charging and discharging reactions, resulting in deterioration of battery capacity and cycle life.

또한 아연 덴드라이트는 양극 방향으로 성장을 하게 되는데, 성장이 많이 진행되면 분리막을 뚫고 양극과 접촉하면서 전지의 단락이라는 심각한 문제를 야기한다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 아연을 이종 금속과 합금화시키거나, 전해질에 첨가물을 넣는 등의 연구가 오랜 기간 진행되었지만, 아직까지도 아연 덴드라이트의 생성 반응을 완전히 억제하는 방법은 발견되고 있지 않다.In addition, zinc dendrites grow in the anode direction. When the growth progresses much, the zinc dendrite penetrates the separator and contacts with the anode, thereby causing a serious problem of battery short circuit. In order to solve such problems, researches for alloying zinc with a dissimilar metal or adding an additive to an electrolyte have been conducted for a long period of time, but no method for completely inhibiting the production of zinc dendrite has been found yet.

그러나 공기아연 2차전지는 방전전압이 균일하고, 보존특성이 좋으며, 오염물질이 없는 친환경적이며, 연료 압축과 저장에 대한 문제가 없고 제작비용이 저렴한 장점이 있다.However, the air zinc secondary battery is advantageous in that the discharge voltage is uniform, the storage characteristic is good, there is no pollutant-free environment-friendly, there is no problem in fuel compression and storage, and the manufacturing cost is low.

공기아연 2차전지의 작동원리는 아연(Zn) 금속을 연료로 제공하고, 공기를 산화물로 제공하며, 알칼리성 수용액을 전해질로 제공한다. 아연은 알칼리 수용액에서 아연 양이온(Zn2+)을 형성하면서 음극 집전체로 전자를 전달하고, 생성된 전자는 외부회로를 통해 양극 집전체로 이동하며, 양극 집전체에서는 촉매에 의해 산소가 환원되어 수산화이온(OH-)을 형성하고, 수산화이온은 농도구배에 의해 전해액을 통해 음극 방향으로 이동한다. 수산화이온은 음극 집전체로 이동하여 아연 양이온과 반응하면서 최종생산물인 산화아연을 형성하는데, 이때 아연의 산화와 산소의 환원으로 화학에너지가 전기에너지로 변환된다.The operation principle of the air zinc secondary battery is to provide a zinc (Zn) metal as fuel, to provide air as an oxide, and to provide an alkaline aqueous solution as an electrolyte. Zinc transfers electrons to an anode current collector while forming a zinc cation (Zn 2+ ) in an aqueous alkaline solution, and the generated electrons move to a cathode current collector through an external circuit. In the cathode current collector, oxygen is reduced by a catalyst Hydroxide ions (OH <"& gt ; ), and the hydroxide ions move in the direction of the negative electrode through the electrolytic solution by a concentration gradient. The hydroxide ions migrate to the anode current collector and react with the zinc cation to form the final product, zinc oxide, which is converted to electrical energy by the oxidation of zinc and the reduction of oxygen.

한국 공개특허공보 제10-2014-0071964호는 아연-공기 이외의 재충전가능하며, 더 긴 수명을 나타내는 아연-공기 전지가 제공되며, 적어도 하나의 아연-혼입 구조체, 적어도 하나의 산소 방출 구조체 및 적어도 하나의 공기 전극을 포함하는 아연-공기 전제를 제공하되; 상기 아연-공기 전지는 상기 공기 전지의 충전 동안 제1 전극 쌍을 포함하고, 상기 전극 쌍은 상기 적어도 하나의 아연-혼입 구조체 및 상기 적어도 하나의 산소 방출 구조체를 포함하며; 상기 아연-공기 전지는 상기 공기 전지의 방전을 위해 제2 전극 쌍을 포함하고, 상기 전극 쌍은 상기 적어도 하나의 아연-혼입 구조체 및 상기 적어도 하나의 공기 전극을 포함한다.Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2014-0071964 discloses a zinc-air battery which is rechargeable and which exhibits a longer lifetime than zinc-air, comprising at least one zinc-containing structure, at least one oxygen- Providing a zinc-air precursor comprising one air electrode; Wherein the zinc-air cell comprises a first electrode pair during charging of the air cell, the electrode pair comprising the at least one zinc-containment structure and the at least one oxygen release structure; The zinc-air cell includes a second electrode pair for discharging the air cell, and the electrode pair includes the at least one zinc-containment structure and the at least one air electrode.

한국 등록특허공보 제10-1574004호는 충방전시 손실된 전해액을 공급하는 전해액 저장부와 전해액 전지셀 내에 더 포함으로써 전지의 수명이 향상된 아연공기 2차전지가 제공되며, 공기 양극막을 포함하는 공기극, 아연(Zn)을 포함하는 음극활성물질 및 가성칼리 수용액을 포함하는 아연 음극겔로 구성되는 음극, 및 상기 공기극과 음극 사이에 존재하는 분리막을 포함하는 전지부; 전해액인 가성칼리 수용액을 저장하는 전해액 저장부; 및 상기 전해액 저장부로부터 공기극 및 음극겔에 가성칼리 수용액을 공급하는 전해액 공급부를 포함하고, 상기 가성칼리 수용액의 농도는 6M 이상이며, 상기 전해액 저장부는, 니켈을 함유하는 내층을 포함하는 구조를 갖는다.Korean Patent Registration No. 10-1574004 discloses a zinc-air secondary battery having an electrolyte storage portion for supplying an electrolyte solution lost during charging and discharging and an electrolyte battery cell to improve the service life of the battery. An air electrode including an air anode membrane, A negative electrode comprising a negative electrode active material including zinc (Zn) and a zinc negative electrode gel containing an aqueous caustic solution; and a separator interposed between the negative electrode and the negative electrode; An electrolyte storage part for storing a caustic aqueous solution of potassium, which is an electrolytic solution; And an electrolyte solution supply unit for supplying a cathodic aqueous solution from the electrolyte solution reservoir to the cathode and the cathode gel, wherein the concentration of the caustic solution is 6M or more, and the electrolyte solution reservoir has an inner layer containing nickel .

미국 특허 제9,293,791호는 아연 덴드라이트로 인해 양극과 음극 사이의 단락을 방지할 수 있는 아연 이차전지가 제공되며, 양전극을 포함하고, 아연을 포함하는 음 전극; 알칼리 메탈 하이드록사이드(alkacil metal hydroxide)를 포함하는 전해질 용액; 양전극과 음전극 사이에 위치하고 양전극과 음전극을 분리하며 하이드록사이드 이온 전도성(hydroxide ion conductivity)을 갖는 무기고체 전해질 몸체를 포함하는 세퍼레이터를 포함한다.U.S. Patent No. 9,293,791 provides a zinc rechargeable battery capable of preventing a short circuit between an anode and a cathode due to zinc dendrite, comprising: a negative electrode including a positive electrode and including zinc; An electrolyte solution containing an alkacyl metal hydroxide; And a separator including an inorganic solid electrolyte body disposed between the positive and negative electrodes and separating the positive and negative electrodes from each other and having hydroxide ion conductivity.

한국 공개특허공보 제10-2014-0071964호Korean Patent Publication No. 10-2014-0071964 한국 등록특허공보 제10-1574004호Korean Patent Registration No. 10-1574004 미국 특허 제9,293,791호U.S. Patent No. 9,293,791

본 발명의 목적은 성능이 향상된 공기주입식 아연공기 2차전지를 제공하는데 있다.It is an object of the present invention to provide an air-injected zinc-air secondary battery with improved performance.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory and are not intended to limit the invention to the particular embodiments that are described. It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory and are not restrictive of the invention, There will be.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 아연공기2차전지에 있어서, 전해액; 양극; 및 아연을 포함하는 음극을 포함하고, 상기 음극으로부터 거리를 두고 상기 양극을 향해 설치되어 공간을 형성하는 금속필터와, 상기 금속필터와 상기 양극과의 사이에 설치되는 분리막을 포함하여, 충전 과정에서 아연 이온이 금속 아연으로 석출되기 전에 상기 분리막과 상기 금속필터를 통과하여 일부가 상기 음극으로 환원되고, 나머지 일부는 상기 공간에서 금속 아연으로 생성되는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a zinc-air secondary battery comprising: an electrolytic solution; anode; And a separator provided between the metal filter and the anode, wherein the separator is disposed between the metal filter and the anode, the separator being disposed at a distance from the anode toward the anode to form a space, A part of the metal is passed through the separator and the metal filter to be reduced to the cathode before the zinc ion is precipitated into the metal zinc, and the remaining part is formed of metal zinc in the space.

더 구체적으로, 상기 분리막은 상기 금속필터에 적층되어 상기 양극과 대향할 수 있다.More specifically, the separation membrane may be stacked on the metal filter and face the anode.

상기 양극에 상기 아연공기2차전지의 외부로부터 공급되는 공기를 주입할 수 있다.Air supplied from the outside of the zinc-air secondary battery can be injected into the anode.

상기 음극을 향해 대응하는 개구를 갖는 하우징을 더 포함하며, 상기 양극은 상기 하우징의 개구에 설치되며, 상기 아연공기2차전지의 외부로부터 공급되는 공기가 상기 하우징의 내부에 주입될 수 있다.And a housing having a corresponding opening toward the negative electrode, wherein the positive electrode is installed in an opening of the housing, and air supplied from the outside of the zinc-air secondary battery can be injected into the housing.

상기 전해액은 상기 아연공기2차전지의 내외부를 관통하여 순환할 수 있다.The electrolytic solution can circulate through the inside and outside of the zinc-air secondary battery.

상기 아연공기2차전지의 외부로부터 공급되는 공기를 상기 전해액으로 공급하는 노즐을 갖는 공기공급수단을 포함할 수 있다.And an air supply means having a nozzle for supplying air supplied from the outside of the zinc-air secondary battery to the electrolytic solution.

서로 거리를 두고 배치된 2개의 금속부재들을 구비하며 전원의 +극과 -극을 상기 금속부재들에 각각 공급하여 상기 전해액에 마이크로 버블을 발생시키는 마이크로버블 발생수단을 포함할 수 있다.And micro bubble generating means having two metal members disposed at a distance from each other and generating micro bubbles in the electrolyte by supplying positive and negative electrodes of the power source to the metal members, respectively.

상기 아연공기2차전지의 외부로부터 상기 전해액이 보충될 수 있다.The electrolyte solution may be replenished from the outside of the zinc-air secondary battery.

상기 양극과 인접하게 설치되는 충전용 보조전극을 더 포함할 수 있다.And a charging auxiliary electrode provided adjacent to the anode.

본 발명에 의하면, 방전과정에서 전해액 중에 용해된 음극의 아연 이온이 충전과정에서 금속 아연으로 석출되기 전에 분리막과 금속필터를 통과하여 일부가 음극으로 환원되고, 나머지 일부는 공간에서 금속 아연으로 생성되기 때문에 전해액 중에 아연 덴드라이트가 생성되는 일이 발생되지 않는다. 따라서 전해액 중에 생성된 아연 덴드라이트가 충전과 방전 반응의 비가역성을 증대시켜 전지의 용량 및 사이클 수명의 저하를 유발하는 기존의 문제가 해소되어 전지의 성능이 크게 향상되고 장기간 유지될 수 있다.According to the present invention, the zinc ions dissolved in the electrolytic solution during the discharging process pass through the separator and the metal filter before being precipitated into the metal zinc during the charging process, so that a part of the zinc ions is reduced to the cathode, Therefore, zinc dendrite is not generated in the electrolytic solution. Therefore, the zinc dendrite produced in the electrolyte increases the irreversibility of the charging and discharging reaction, thereby eliminating the existing problems that cause deterioration of the capacity and cycle life of the battery, so that the performance of the battery can be greatly improved and maintained for a long period of time.

또한, 전해액의 점도는 화학 반응에 의해서 ZnO가 증가함에 따라 증가되고 이러한 점도가 수산화이온의 움직임을 방해하기 때문에 농도가 높을수록 전지의 성능에 영향을 미친다. 또한, 양극으로 사용되는 공기의 내부에는 반응에 필요한 산소만 존재하는 것이 아니라 점도를 증가시키는 이산화탄소 역시 존재하고 이산화탄소는 전해액 내부에서 카본네이트(carbonate)를 형성시키며 점도를 증가시킨다. 이처럼 전해액의 점도가 증가하면 이온의 이동을 막아 이온 전도도가 낮아져 전지의 성능에 영향을 미치며, 본 발명은 전해액에 공기가 주입되고, 마이크로 버블이 발생됨으로써 전해액의 점도가 처음 상태로 유지되어 전지의 성능이 크게 향상되고 장기간 유지될 수 있다.Also, the viscosity of the electrolyte increases with the increase of ZnO due to the chemical reaction, and since such viscosity hinders the movement of the hydroxide ion, the higher the concentration, the more the performance of the battery is affected. In addition, not only the oxygen required for the reaction exists in the air used as the anode but also carbon dioxide which increases the viscosity is present, and carbon dioxide forms the carbonate in the electrolyte and increases the viscosity. As the viscosity of the electrolyte increases, the ionic conductivity is lowered by inhibiting the movement of the ions, thereby affecting the performance of the battery. In the present invention, air is injected into the electrolyte and microbubbles are generated, Performance can be greatly improved and maintained for a long time.

도 1은 본 발명의 공기주입식 아연공기 2차전지의 전체 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 공기주입식 아연공기 2차전지를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 공기주입식 아연공기 2차전지의 다른 예를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 공기주입식 아연공기 2차전지의 또 다른 예를 나타낸 도면이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a view showing an entire system of an air-injected zinc-air secondary battery of the present invention. FIG.
2 is a view showing an air-injected zinc-air secondary battery of the present invention.
3 is a view showing another example of the air-injected zinc-air secondary battery of the present invention.
4 is a view showing still another example of the air-injected zinc-air secondary battery of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 어느 곳에서든지 동일한 부호로 표시한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings, the same components are denoted by the same reference symbols whenever possible. In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail since they would obscure the invention in unnecessary detail.

도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 공기주입식 아연공기 2차전지(100)는 공기압축기(10)가 압축한 공기를 저장하는 압축공기저장탱크(11)로부터 공기가 유입되며, 전해액이 순환라인(31)의 중간에 설치된 순환모터펌프(33)를 통해 전해액탱크(35)를 순환하고, 또한 전해액이 전해액보충탱크(40)로부터 보충되며, 전해액 중에 마이크로 버블이 발생되고, 충전에 필요한 전원이 전원공급수단(50)로부터 공급된다. 예를 들면, 전원공급수단(50)은 태양광 발전을 통해 얻은 전원 또는 상용전원을 인가받아 충전되어 전지 등에 공급할 수 있다.1, the air-injected zinc-air secondary battery 100 of the present invention is configured such that air is introduced from a compressed air storage tank 11 for storing air compressed by the air compressor 10, The electrolytic solution is circulated through the electrolytic solution tank 35 through the circulating motor pump 33 provided in the middle of the electrolytic solution supply tank 31 and the electrolytic solution is replenished from the electrolyte replenishing tank 40. Microbubbles are generated in the electrolytic solution, Is supplied from the power supply means (50). For example, the power supply means 50 may be charged with a power obtained from solar power generation or a commercial power supply, and may be supplied to a battery or the like.

도 2에 예시된 바와 같이, 본 발명의 공기주입식 아연공기 2차전지(100)는 내부에 밀폐공간을 갖는 전지케이스(101)를 구비하며, 전지케이스(101)의 내부에는 전해액(103)이 채워진다. 전지케이스(101)는 상부를 개폐하여 내부를 밀폐시킬 수 있다.2, the air-injected zinc-air secondary battery 100 of the present invention includes a battery case 101 having a sealed space therein. Inside the battery case 101, an electrolyte 103 It is filled. The battery case 101 can be closed by opening and closing the upper portion.

전해액(103)은 수성 또는 유성 중 어느 하나일 수 있고, 중성 또는 알칼리성 중 어느 하나일 수 있으며, 바람직하게는 알칼리성인 하이드록사이드(hydroxide) 용액일 수 있다. 즉, 수산화칼륨(KOH), 수산화리튬(LiOH), 수산화나트륨(NAOH) 등 중 어느 하나일 수 있다.The electrolytic solution 103 may be either aqueous or oily, and may be either neutral or alkaline, preferably a hydroxide solution, which is preferably alkaline. That is, it may be any one of potassium hydroxide (KOH), lithium hydroxide (LiOH), sodium hydroxide (NAOH) and the like.

전해액(103)이 채워진 전지케이스(101)의 내부에는 양극(110)과 음극(120)이 각각 배치된다. 압축공기저장탱크(11)의 공기가 양극(110)으로 강제 공급되며, 양극(110)에서는 산소가 공급되면서 물과 만나 전자를 얻는 환원반응이 일어나고 수산화이온이 생성되며 생성된 수산화이온은 전해액(103)을 통해 음극(120) 쪽으로 이동한다.The positive electrode 110 and the negative electrode 120 are disposed inside the battery case 101 filled with the electrolyte solution 103. The air in the compressed air storage tank 11 is forcibly supplied to the anode 110. At the anode 110, oxygen is supplied to the anode 110 to cause a reduction reaction to obtain electrons, and hydroxide ions are generated. 103 to the cathode 120 side.

본 발명은 음극(120)을 향해 대응하는 개구(111a)를 갖는 내부가 빈 하우징(111)을 포함할 수 있고, 하우징(111)의 개구(111a)에는 양극(110)이 설치될 수 있다. 즉, 하우징(111)의 개구(111a)에는 양극(110)을 이루는 촉매활성층(catalytically active layer)(113)이 설치되고, 또한 양극(110)을 이루는 집전층(current collecting layer)(115)이 촉매활성층(113)에 적층되어 음극(120)과 대향할 수 있다. 공기주입관(117)이 전지케이스(101)와 하우징(111)을 관통하여 설치되고, 공기압축기(10)가 압축한 압축공기저장탱크(11)의 공기가 공기주입관(117)을 통해 하우징(111)의 내부로 공급된다.The present invention may include an empty housing 111 having an opening 111a corresponding to the cathode 120 and an anode 110 disposed in the opening 111a of the housing 111. [ That is, a catalytically active layer 113 constituting the anode 110 is provided in the opening 111a of the housing 111 and a current collecting layer 115 constituting the anode 110 is formed And can be stacked on the catalytic active layer 113 and opposed to the cathode 120. The air injection pipe 117 is installed to penetrate the battery case 101 and the housing 111 and air in the compressed air storage tank 11 compressed by the air compressor 10 is supplied to the housing 111 through the air injection pipe 117. [ (111).

하우징(111)은 전지케이스(101)의 내벽면에 고정 설치되어 개구(111a)가 음극(120)과 대향할 수 있고, 전지케이스(101)의 내벽면과 접하는 하우징(111)의 벽체는 개구될 수 있는데, 이는 접한 전지케이스(101)의 내벽면이 하우징(111)의 벽체를 대신할 수 있기 때문이다.The housing 111 is fixed to the inner wall surface of the battery case 101 so that the opening 111a can face the cathode 120. The wall of the housing 111, which contacts the inner wall surface of the battery case 101, This is because the inner wall surface of the battery case 101 in contact with the wall of the housing 111 can be replaced.

촉매활성층(113)은 산소의 환원 반응이 일어나는 부분으로 반응에 직접적으로 영향을 주는 전지의 주요부로서 촉매물질 및 탄소물질을 포함하여 이루어지고, 집전층(115)은 전류가 공급되는 경로로서 산소에 의한 부식이 일어나지 않고 높은 전도성을 갖는 금속으로 이루어진다. 예를 들면, 집전층(115)은 니켈망(Ni mesh)을 사용할 수 있고, 니켈로 코팅된 구리망(Cu mesh) 또는 높은 표면적을 갖는 니켈폼(Ni foam)을 사용할 수 있다.The catalytic active layer 113 is a part where a reduction reaction of oxygen occurs and includes a catalytic material and a carbon material as a main part of a cell that directly affects the reaction. The current collecting layer 115 is a path through which current is supplied, And is made of a metal having high conductivity without causing corrosion caused by corrosion. For example, the current collecting layer 115 may be a Ni mesh, or may be a Cu mesh coated with nickel or a Ni foam having a high surface area.

음극(120)은 순수 아연으로 이루어진 금속판일 수 있고, 아연을 포함하는 금속판일 수 있다. 음극(120)은 음극에 적합한 전기 화학적 활동도가 나타나는 아연화합물 또는 아연합급 등을 포함할 수 있다. 음극(120)은 방전 과정이 진행될 때 전자를 잃게 되고 그 과정에서 아연이온이 형성되며 하기의 분리막(140)을 통과하여 수산화이온과 반응한다.The cathode 120 may be a metal plate made of pure zinc or a metal plate containing zinc. The cathode 120 may include a zinc compound or an azeotropic grade exhibiting electrochemical activity suitable for the cathode. The cathode 120 loses electrons when the discharge process proceeds, and zinc ions are formed in the course of the discharge, and the hydroxide 120 reacts with hydroxide ions through the separator 140 described below.

음극(120)은 ㄷ자 형상의 브라켓(150)을 통해 전지케이스(101)의 내벽면에 고정 설치되어 양극(110)과 대향할 수 있고, 음극(120)에는 양극(110)을 향해 금속필터(130)가 설치되고, 금속필터(130)와 양극(110)과의 사이에는 분리막(140)이 설치될 수 있다.The cathode 120 is fixed to the inner wall surface of the battery case 101 through the U-shaped bracket 150 and can face the anode 110. The anode 120 is connected to the anode 110 through a metal filter And a separator 140 may be provided between the metal filter 130 and the anode 110.

예를 들면 도면에 예시된 바와 같이, 금속필터(130)와 분리막(140)은 음극(120)을 고정하는 브라켓(150)에 순차로 고정 설치되어 음극(120)으로부터 양극(110)을 향해 적층될 수 있다. 이때, 금속필터(130)는 음극(120)으로부터 거리를 두고 적층되어 공간(S)을 형성하고, 분리막(140)은 금속필터(130) 위에 적층될 수 있다.The metal filter 130 and the separator 140 are sequentially fixed to the bracket 150 that fixes the cathode 120 so as to be stacked from the cathode 120 toward the anode 110, . At this time, the metal filter 130 may be stacked at a distance from the cathode 120 to form the space S, and the separation membrane 140 may be stacked on the metal filter 130.

금속필터(130)는 다공판, 망(mesh) 또는 폼(foam) 중 어느 하나의 형태일 수 있고, 예를 들면 니켈 재질의 다공판, 니켈망(Ni mesh) 또는 니켈폼(Ni foam) 중 어느 하나일 수 있다.The metal filter 130 may be in the form of a perforated plate, a mesh or a foam. For example, the metal filter 130 may be formed of a perforated plate made of a nickel material, a Ni mesh or a Ni foam It can be either.

분리막(140)은 수산화이온 이외의 다른 물질이 통과하지 못하게 막아주는 역할을 하며 전해액(103)에 안전성을 가져야 한다. 또한, 분리막(140)은 이온 전도성이 좋아야 하고 전기적으로 부도체여야 하며, 충전과 방전이 일어나는 전압과 전류의 자극에 대하여 안정성이 유지되야 한다. 이와 같은 성능이 발휘되면 어떤 재료든 분리막(140)으로 사용될 수 있다.The separation membrane 140 serves to prevent other substances other than hydroxide ions from passing therethrough and has safety for the electrolyte solution 103. In addition, the separator 140 should be of good ion conductivity, electrically nonconductive, and stable for voltage and current stimulation of charging and discharging. When such performance is achieved, any material can be used as the separation membrane 140.

전지의 방전 과정에서 음극(120)이 전해액(103) 중에 아연 이온으로써 용해되고, 충전 과정에서는 용해된 아연 이온이 다시 금속 아연으로 석출되고, 아연이 수지상의 결정으로 석출되며, 이렇게 생성된 아연 덴드라이트는 충전과 방전 반응의 비가역성을 증대시켜 전지의 용량 및 사이클 수명의 저하가 야기되는데, 본 발명에서는 방전과정에서 전해액(103) 중에 용해된 음극(120)의 아연 이온이 충전과정에서 금속 아연으로 석출되기 전에 분리막(140)과 금속필터(130)를 순차로 통과하여 일부가 음극(120)으로 환원되고, 나머지 일부는 공간(S)에서 금속 아연으로 생성되어 전해액(103) 중에 아연 덴드라이트가 생성되는 일이 발생되지 않는다. 특히, 공간(S)에서 생성된 금속 아연은 방전과정에서 금속필터(130)와 음극(120)을 전기적으로 연결시켜 출력을 향상시킨다.During the discharging process of the battery, the cathode 120 is dissolved in the electrolyte solution 103 as zinc ions. In the filling process, the dissolved zinc ions are again precipitated into metallic zinc, and zinc is precipitated as dendritic crystals. In the present invention, the zinc ions of the cathode 120 dissolved in the electrolyte solution 103 during the discharge process are converted into metal zinc in the charging process by the irreversibility of the charge and the discharge reaction due to the irreversibility of the charge and the discharge reaction. A part of the metal is passed through the separation membrane 140 and the metal filter 130 to be reduced to the cathode 120 and the remaining part of the separation membrane 140 is formed of metal zinc in the space S and zinc dendrite The generated job does not occur. In particular, the metal zinc generated in the space S electrically connects the metal filter 130 and the cathode 120 during the discharge process to improve the output.

따라서 전해액(103) 중에 생성된 아연 덴드라이트가 충전과 방전 반응의 비가역성을 증대시켜 전지의 용량 및 사이클 수명의 저하를 유발하는 기존의 문제가 근본적으로 해소되어 전지의 성능이 크게 향상되고 장기간 유지될 수 있다.Therefore, the zinc dendrite formed in the electrolyte 103 increases the irreversibility of the charging and discharging reaction, thereby substantially eliminating the existing problem of causing the capacity and the cycle life of the battery to deteriorate, so that the performance of the battery is greatly improved and maintained for a long period of time .

한편, 전해액(103)은 순환라인(31)의 중간에 설치된 순환모터펌프(33)를 통해 전해액탱크(35)를 순환한다. 도면에 예시된 바와 같이, 전해액(103)은 전지케이스(101)의 하부로부터 배출되어 전해액탱크(35)를 통과한 후 다시 전지케이스(101)의 상부로 유입되는 사이클을 반복하여 순환하며, 전해액탱크(35)는 반응 후 전해액(103)에 포함된 크기가 작은 아연 입자나 산화아연 입자들을 침강시켜 분리한 후 전지케이스(101)에 재공급한다.On the other hand, the electrolytic solution 103 circulates through the electrolytic solution tank 35 through the circulating motor pump 33 provided in the middle of the circulation line 31. As illustrated in the figure, the electrolyte 103 is repeatedly circulated through a cycle in which the electrolyte 103 is discharged from the lower portion of the battery case 101, passes through the electrolyte tank 35, and then flows into the upper portion of the battery case 101, The tank 35 separates the zinc particles or the zinc oxide particles contained in the electrolyte 103 after the reaction and precipitates the zinc particles or zinc oxide particles, and then supplies the zinc particles or the zinc oxide particles to the battery case 101 again.

또한 도 1에 예시된 바와 같이, 본 발명은 전해액보충탱크(40)를 통해 전지케이스(101)에 전해액(103)이 보충됨으로써 전지의 충전 및 방전 주기가 증가될 수 있다. 2차전지는 전해액(103) 내 카보네이트 생성 및 수분 증발에 따른 전해액 H2O 손실로 인하여 충전 및 방전이 이루어지지 않거나 충전 및 방전의 주기가 길지 않아 전지의 수명이 짧아지는 문제가 있는데, 본 발명은 전해액보충탱크(40)을 통해 전지케이스(101)에 전해액(103)이 보충됨으로써 전지의 충전 및 방전이 가능하고 그 주기가 크게 증가될 수 있다.1, the present invention can increase the charging and discharging cycle of the battery by replenishing the electrolyte 103 into the battery case 101 through the electrolyte replenishing tank 40. [ There is a problem that the secondary battery is not charged or discharged due to the formation of carbonate in the electrolyte solution 103 and the electrolyte H 2 O loss due to water evaporation or the cycle of charging and discharging is not long and the life of the battery is shortened. The battery 103 can be charged and discharged by replenishing the electrolyte 103 to the battery case 101 through the electrolyte replenishing tank 40, and the cycle can be greatly increased.

이와 같이 본 발명은 전해액(103)이 순환되어 반응 후 전해액(103)에 포함된 크기가 작은 아연 입자나 산화아연 입자들이 더 분리되고, 충전 및 방전시 요구되는 전해액(103)이 보충됨으로써 전지의 충전 및 방전 주기가 증가되어 전지의 수명이 크게 향상될 수 있다.As described above, according to the present invention, zinc particles or zinc oxide particles having a small size contained in the electrolyte solution 103 after the electrolytic solution 103 is circulated after the reaction are further separated, and the electrolytic solution 103 required for charging and discharging is supplemented, The charging and discharging cycle is increased, and the lifetime of the battery can be greatly improved.

또한, 본 발명은 전지의 외부로부터 공급되는 공기가 전해액(103)에 공급되고, 전해액(103) 중에 마이크로 버블이 발생됨으로써 전지의 성능이 크게 향상되고 장기간 유지될 수 있다.In addition, according to the present invention, air supplied from the outside of the battery is supplied to the electrolyte solution 103, and microbubbles are generated in the electrolyte solution 103, so that the performance of the battery can be greatly improved and maintained for a long time.

도 2에 예시된 바와 같이, 본 발명은 전지케이스(101)의 내부 바닥에 압축공기저장탱크(11)와 연결된 공기공급수단(160)이 설치되어 전해액(103)에 공기가 주입될 수 있다.2, air supply means 160 connected to the compressed air storage tank 11 is installed in the inner bottom of the battery case 101 so that air can be injected into the electrolyte solution 103. As shown in FIG.

도시하지는 않았지만, 공기공급수단(160)은 길이를 따라 다수개의 노즐을 갖는 관 형상을 이루어 전지케이스(101)의 내부 바닥에 지그재그 또는 나선 형태 등으로 배관되어 전지케이스(101)를 관통하여 공급되는 압축공기저장탱크(11)로부터의 공기를 전해액(103)에 공급할 수 있다.Although not shown, the air supply means 160 is formed in a tubular shape having a plurality of nozzles along its length, and is pierced on the inner bottom of the battery case 101 in a zigzag or spiral form, and is supplied through the battery case 101 The air from the compressed air storage tank 11 can be supplied to the electrolytic solution 103.

또한 도면에 예시된 바와 같이, 공기공급수단(160)은 내부에 기로(161)가 형성되고 그 기로(161)와 연결된 다수개의 노즐들(163)을 갖는 판상형을 이루어 전지케이스(101)를 관통하여 공급되는 압축공기저장탱크(11)로부터의 공기를 전해액(103)에 공급할 수 있다.As shown in the drawing, the air supply means 160 is formed in a plate-like shape having a plurality of nozzles 163 formed therein with a pathway 161 and connected to the pathway 161 to penetrate the battery case 101 The air from the compressed air storage tank 11 supplied to the electrolytic solution 103 can be supplied to the electrolytic solution 103.

압축공기저장탱크(11)로부터의 공기는 공기공급수단(160)의 기로(161)로 공급되고 노즐들(163)을 통해 빠져 나가 전해액(103)에 주입된다. 이때, 공기공급수단(160)은 중앙에 전해액(103)이 관통하는 통공(165)을 형성하고, 전지케이스(101)의 바닥으로부터 거리를 두고 설치되어, 순환을 위해 전지케이스(101)의 하부로부터 배출되는 전해액(103)의 이동을 방해하지 않는 것이 좋다. 기로(161)는 통공(165)의 둘레를 따라 공기공급수단(160)의 내부에 형성된다.The air from the compressed air storage tank 11 is supplied to the path 161 of the air supply means 160 and is discharged through the nozzles 163 and injected into the electrolyte 103. At this time, the air supply means 160 forms a through hole 165 through which the electrolytic solution 103 passes, and is installed at a distance from the bottom of the battery case 101, It is preferable not to disturb the movement of the electrolyte 103 discharged from the electrolyte. The flow path 161 is formed inside the air supply means 160 along the periphery of the through hole 165.

마이크로 버블은 마이크로버블 발생수단(60)에서 발생된다. 마이크로버블 발생수단(60)은 전지케이스(101)의 내부에 위치하는 서로 거리를 두고 배치된 2개의 금속부재들(61)(63)을 구비하며 전원의 +극과 -극을 금속부재들(61)(63)에 각각 공급하여 금속부재들(61)(63) 사이에서 마이크로 버블을 발생시켜 전해액(103)에 공급한다.The micro bubble is generated in the micro bubble generating means (60). The micro bubble generating means 60 includes two metal members 61 and 63 disposed at a distance from each other and located inside the battery case 101. The positive and negative poles of the power source are connected to metal members 61) 63 so as to generate microbubbles between the metal members 61, 63, and supply the microbubbles to the electrolyte solution 103.

도 1에 도시된 바와 같이, 마이크로버블 발생수단(60)은 전지케이스(101)의 외부에 위치하여 금속부재들(61)(63)에 공급되는 전원을 제어하여 마이크로 버블의 발생량 등을 조절하며, 전원공급수단(50)으로부터 전원을 인가받아 작동될 수 있다.1, the micro bubble generator 60 is located outside the battery case 101 and controls the power supplied to the metal members 61 and 63 to adjust the amount of microbubbles generated , And can be operated by receiving power from the power supply means (50).

마이크로버블 발생수단(60)은 원통이나 사각통 등의 임의 형상을 갖는 고정부재에 금속부재들(61)(63)을 고정하여 전지케이스(101)의 바닥에 공기공급수단(160)과는 별도로 설치될 수 있고, 도 3에 예시된 바와 같이 공기공급수단(160)의 통공(165)에 금속부재들(61)(63)이 고정 설치될 수 있다. 즉, 마이크로버블 발생수단(60)은 2개의 금속부재들(61)(63)이 통공(165)을 가로질러 노출되게 설치될 수 있고, 마이크로버블 발생수단(60)로부터의 전원은 공기공급수단(160)의 내부를 관통하여 금속부재들(61)(63)에 공급될 수 있다.The micro bubble generating means 60 may be constructed by fixing the metal members 61 and 63 to a fixing member having any shape such as a cylinder or a rectangular tube so that the micro bubble generating means 60 may be provided on the bottom of the battery case 101 separately from the air supplying means 160 And the metal members 61 and 63 may be fixedly installed in the through holes 165 of the air supply unit 160 as illustrated in FIG. That is, the micro bubble generating means 60 can be installed so that the two metal members 61 and 63 are exposed across the through hole 165, and the power from the micro bubble generating means 60 is supplied to the air supply means (61) and (63) through the inside of the metal member (160).

전해액(103)의 점도는 화학 반응에 의해서 ZnO가 증가함에 따라 증가되고 이러한 점도가 수산화이온의 움직임을 방해하기 때문에 농도가 높을수록 전지의 성능에 영향을 미친다. 또한, 양극(110)으로 사용되는 공기의 내부에는 반응에 필요한 산소만 존재하는 것이 아니라 점도를 증가시키는 이산화탄소 역시 존재하고 이산화탄소는 전해액(103) 내부에서 카본네이트(carbonate)를 형성시키며 점도를 증가시킨다. 이처럼 전해액(103)의 점도가 증가되면 이온의 이동을 막아 이온 전도도가 낮아져 전지의 성능에 영향이 미치는데, 본 발명은 전해액(103)에 공기가 주입되고, 마이크로 버블이 발생됨으로써 전해액(103)의 점도가 처음 상태로 유지되어 전지의 성능이 크게 향상되고 장기간 유지될 수 있다.The viscosity of the electrolyte (103) increases as the ZnO increases due to the chemical reaction, and since such viscosity interferes with the movement of the hydroxide ion, the higher the concentration, the more the performance of the battery is affected. In addition, not only the oxygen required for the reaction exists in the air used as the anode 110 but also carbon dioxide which increases the viscosity is present. Carbon dioxide forms carbonate in the electrolyte 103 and increases the viscosity . As the viscosity of the electrolyte solution 103 increases, ionic conductivity is lowered to prevent the movement of ions, thereby affecting the performance of the battery. In the present invention, air is injected into the electrolyte solution 103 and microbubbles are generated, The viscosity of the battery can be maintained at the initial state and the performance of the battery can be greatly improved and maintained for a long time.

전지의 충전과정에서 기포가 발생되어 전지케이스(101)의 내압이 증가될 수 있다. 이는 인위적으로 전하를 공급하기 때문이며, 이로 인해 전지케이스(101)의 내압이 공기압보다 높아 전해액(103)이 양극(110)의 촉매활성층(113)을 통과하여 누출될 수 있고, 이 때문에 전기의 출력이 저하되고 촉매활성층(113)이 산화되는 등의 문제가 발생될 수 있는데, 본 발명은 양극(110)에 전지케이스(101)의 내압 보다 높은 압축공기가 공급됨으로써 이와 같은 문제가 근본적으로 해소될 수 있다.Bubbles may be generated during the charging process of the battery, so that the internal pressure of the battery case 101 may be increased. This is because the internal pressure of the battery case 101 is higher than the air pressure so that the electrolyte 103 can leak through the catalytic active layer 113 of the anode 110. As a result, And the catalytic active layer 113 is oxidized. In the present invention, since the compressed air having an internal pressure higher than the internal pressure of the battery case 101 is supplied to the anode 110, such a problem is fundamentally eliminated .

도 4에 예시된 바와 같이, 음극(120)과 금속필터(130) 및 분리막(140)은 하나의 셋트(set)를 이루어 전지케이스(101)의 내벽면에 다수개로 배열 설치될 수 있고, 하우징(111)은 다수개의 개구(111a)를 갖고 전지케이스(101)의 내부 중앙에 설치되어 각 개구들(111a)이 상기 셋트와 대응할 수 있다. 각 개구(111a)에는 상기 셋트와 대응하게 양극(110)이 각각 설치됨은 자명하다.4, the cathode 120, the metal filter 130, and the separator 140 may be arranged in a plurality of sets on the inner wall surface of the battery case 101 as one set, The battery case 111 has a plurality of openings 111a and is installed at the center of the inside of the battery case 101 so that the openings 111a can correspond to the set. It is apparent that the openings 111a are provided with the anodes 110 corresponding to the set.

도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 전지케이스(101)에는 충전용 보조전극(180)이 설치될 수 있다. 충전용 보조전극(180)은 금속 등의 도전성 재질로 이루어져 충전 과정에서 +극으로 사용된다. 충전용 보조전극(180)은 양극(110)과 인접하게 전지케이스(101)의 내외부를 관통하여 설치되며, 양극(110)의 파손 등을 방지하는 보조 역할을 수행한다.As shown in FIGS. 2 to 4, a charging auxiliary electrode 180 may be installed in the battery case 101. The charging auxiliary electrode 180 is made of a conductive material such as metal and is used as a positive electrode in the charging process. The charging auxiliary electrode 180 is provided to penetrate the inside and the outside of the battery case 101 adjacent to the anode 110 and serves as an auxiliary for preventing the anode 110 from being damaged.

또한, 전지케이스(101)는 전지에 적합하거나 임의 환경에 적용가능한 크기 또는 전반적인 기하학을 가질 수 있음은 명백한 사실이고, 직사각형, 정사각형, 타원, 원 또는 다른 적합한 형상을 가질 수 있으며, 본 발명의 각 구성요소들은 전지케이스(101)의 형상에 맞게 설계되어 적용됨은 자명하다.It is also obvious that the battery case 101 may have a size or an overall geometry suitable for a battery or applicable to any environment and may have a rectangular shape, a square shape, an ellipse, a circle, or other suitable shape, It is obvious that the components are designed and applied to the shape of the battery case 101.

상기의 본 발명은 바람직한 실시예를 중심으로 살펴보았으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적 기술 범위 내에서 상기 본 발명의 상세한 설명과 다른 형태의 실시예들을 구현할 수 있을 것이다. 여기서 본 발명의 본질적 기술범위는 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention as defined by the appended claims. It will be possible. The scope of the present invention is defined by the appended claims, and all differences within the scope of the claims are to be construed as being included in the present invention.

10: 공기압축기 11: 압축공기저장탱크
31: 순환라인 33: 순환모터펌프
35: 전해액탱크 40: 전해액보충탱크
50: 전원공급수단 60: 마이크로버블 발생수단
61,63: 금속부재 100: 아연공기 2차전지
101: 전지케이스 103: 전해액
110: 양극 111: 하우징
111a: 개구 113: 촉매활성층
115: 집전층 117: 공기주입관
120: 음극 130: 금속필터
140: 분리막 150: 브라켓
160: 공기공급수단 161: 기로
163: 노즐 165: 통공
180: 충전용 보조전극
10: air compressor 11: compressed air storage tank
31: circulation line 33: circulating motor pump
35: electrolyte tank 40: electrolyte replenishment tank
50: power supply means 60: micro bubble generating means
61, 63: metal member 100: zinc air secondary battery
101: Battery case 103: Electrolyte
110: anode 111: housing
111a: opening 113: catalytic active layer
115: collecting layer 117: air inlet tube
120: cathode 130: metal filter
140: separator 150: bracket
160: air supply means 161:
163: nozzle 165: through hole
180: Rechargeable auxiliary electrode

Claims (9)

아연공기2차전지에 있어서,
전해액;
양극; 및
아연을 포함하는 음극을 포함하고,
상기 음극으로부터 거리를 두고 상기 양극을 향해 설치되어 공간을 형성하는 금속필터와,
상기 금속필터와 상기 양극과의 사이에 설치되는 분리막을 포함하여,
충전 과정에서 아연 이온이 금속 아연으로 석출되기 전에 상기 분리막과 상기 금속필터를 통과하여 일부가 상기 음극으로 환원되고, 나머지 일부는 상기 공간에서 금속 아연으로 생성되는 공기주입식 아연공기 2차전지.
In a zinc-air secondary battery,
Electrolytic solution;
anode; And
And a negative electrode comprising zinc,
A metal filter disposed at a distance from the cathode toward the anode to form a space;
And a separator provided between the metal filter and the anode,
Wherein the zinc ions are reduced to the negative electrode through the separation membrane and the metal filter before the zinc ions are precipitated into the zinc metal in the charging process, and the remaining zinc ions are generated as metal zinc in the space.
제1 항에 있어서,
상기 분리막은 상기 금속필터에 적층되어 상기 양극과 대향하는 공기주입식 아연공기 2차전지.
The method according to claim 1,
Wherein the separation membrane is stacked on the metal filter and faces the anode.
제1 항에 있어서,
상기 양극에 상기 아연공기2차전지의 외부로부터 공급되는 공기를 주입하는 공기주입식 아연공기 2차전지.
The method according to claim 1,
And the air supplied from the outside of the zinc-air secondary battery is injected into the anode.
제3 항에 있어서,
상기 음극을 향해 대응하는 개구를 갖는 하우징을 더 포함하며, 상기 양극은 상기 하우징의 개구에 설치되며, 상기 아연공기2차전지의 외부로부터 공급되는 공기가 상기 하우징의 내부에 주입되는 공기주입식 아연공기 2차전지.
The method of claim 3,
Wherein the positive electrode is installed in an opening of the housing and the air supplied from the outside of the zinc-air secondary battery is injected into the inside of the housing, Secondary battery.
제1 항에 있어서,
상기 전해액은 상기 아연공기2차전지의 내외부를 관통하여 순환하는 공기주입식 아연공기 2차전지.
The method according to claim 1,
Wherein the electrolyte is circulated through the inside and the outside of the zinc-air secondary battery.
제1 항에 있어서,
상기 아연공기2차전지의 외부로부터 공급되는 공기를 상기 전해액으로 공급하는 노즐을 갖는 공기공급수단을 포함하는 공기주입식 아연공기 2차전지.
The method according to claim 1,
And an air supply means having a nozzle for supplying air supplied from the outside of the zinc-air secondary battery to the electrolytic solution.
제1 항 또는 제6 항에 있어서,
서로 거리를 두고 배치된 2개의 금속부재들을 구비하며 전원의 +극과 -극을 상기 금속부재들에 각각 공급하여 상기 전해액에 마이크로 버블을 발생시키는 마이크로버블 발생수단을 포함하는 공기주입식 아연공기 2차전지.
7. The method according to claim 1 or 6,
A micro bubble generating means for generating micro bubbles in the electrolytic solution by supplying positive and negative poles of the power source to the metal members and having two metal members disposed at a distance from each other, battery.
제1 항에 있어서,
상기 아연공기2차전지의 외부로부터 상기 전해액이 보충되는 공기주입식 아연공기 2차전지.
The method according to claim 1,
Wherein the electrolyte solution is replenished from the outside of the zinc-air secondary battery.
제1 항에 있어서,
상기 양극과 인접하게 설치되는 충전용 보조전극을 더 포함하는 공기주입식 아연공기 2차전지.
The method according to claim 1,
Further comprising a charging auxiliary electrode provided adjacent to the anode.
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