KR20180131922A - 금속-공기 전지장치 및 그 작동 방법 - Google Patents

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Abstract

금속-공기 전지장치 및 그 작동 방법이 제공된다. 금속-공기 전지장치는 양극 및 음극 온도를 제어하는 온도 조절부를 포함한다. 온도 조절부는 모니터링부를 포함하거나, 모니터링부는 온도 조절부와 별개로 형성된다. 금속-공기 전지장치 내부 상태를 모니터링하여 음극 및 양극 중 적어도 하나의 온도를 조절할 수 있다.

Description

금속-공기 전지장치 및 그 작동 방법{Battery apparatus of metal-air and operation method thereof}
본 개시는 금속-공기 전지장치 및 동작방법에 관한 것으로, 온도 조절부를 포함하는 금속-공기 전자장치를 제시한다.
금속-공기 전지는 리튬 등의 금속 이온의 흡장/방출이 가능한 음극 및 공기 중의 산소를 산화/환원시킬 수 있는 양극을 구비하고, 양극 및 음극 사이에 개재된 금속이온 전도성 매체를 구비한다.
금속-공기 전지는 방전과정에서는 음극으로부터 방출되는 금속 이온과 양극측의 공기(산소)가 반응하여 금속 산화물이 생성되며, 충전 과정에서는 생성된 금속 산화물이 금속 이온과 공기로 환원되면서 충전 및 방전이 가능하다. 양극 활물질인 산소는 공기로부터 얻어지기 때문에, 전지 내에 양극 활물질을 봉입할 필요가 없는 것으로부터, 이론상, 금속 공기 전지는 고체의 양극 활물질을 이용하는 이차전지보다 큰 용량을 실현할 수 있다.
이러한 리튬공기전지는 양극 활물질로서 대기 중의 공기를 사용하고 있어 매우 높은 에너지 밀도를 가질 수 있어 차세대 전지로 많은 관심을 받고 있다.
본 개시의 일측면은 온도 조절부를 포함하는 금속-이온 전지장치에 관한 것이다.
본 개시의 다른 측면은 금속-이온 전자장치의 작동 방법에 관한 것이다.
양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 형성된 이온 전도층; 및
상기 양극 및 음극의 온도를 제어하는 온도 조절부;를 포함하는 금속-공기 전지장치를 제공한다.
상기 온도 조절부는 상기 금속-공기 전지장치의 내부 상태를 계측하는 모니터링 요소를 포함할 수 있다.
상기 온도 조절부와 분리되어 상기 금속-공기 전지장치의 내부 상태를 계측하는 모니터링부를 더 포함할 수 있다.
상기 온도 조절부는 상기 양극과 연결된 양극 온도 조절부; 및
상기 음극과 연결된 음극 온도 조절부;를 포함할 수 있다.
상기 양극 온도 조절부는 상기 양극과 직접 접촉하도록 형성된 것일 수 있으며, 상기 음극 온도 조절부는 상기 음극과 직접 접촉하도록 형성된 것일 수 있다.
상기 양극 내부에 형성되며, 상기 양극 온도 조절부와 연결된 양극 열전도층;을 포함할 수 있다.
상기 양극의 일면에 형성되며, 상기 양극 온도 조절부와 연결된 양극 열전도층;을 포함할 수 있다.
상기 음극의 일면에 형성되며, 상기 음극 온도 조절부와 연결된 음극 열전도층;을 포함할 수 있다.
또한, 금속-공기 전지장치의 작동 방법에 있어서,
양극 및 음극 중 적어도 어느 하나의 온도를 설정하고,
상기 금속-공기 전지장치 내부 상태를 모니터링하며,
금속-공기 전지장치 내부 상태를 모니터링한 결과, 상기 양극 또는 음극에 설정된 온도와 차이가 있는 경우, 상기 양극 또는 음극의 구동 온도를 제어하는 금속-공기 전지장치의 작동 방법을 제공한다.
또한, 금속-공기 전지장치의 작동 방법에 있어서,
양극 및 음극 중 적어도 어느 하나의 온도를 설정하는 제 1단계;
상기 양극 및 음극 중 적어도 어느 하나의 온도를 제어하는 제 2단계;
상기 금속-공기 전지장치 내부 상태를 모니터링하는 제 3단계; 및
상기 금속-공기 전지장치의 내부 상태에 따라 상기 양극 및 음극 중 적어도 어느 하나의 온도를 변경할 필요성을 검토하는 제 4단계;를 포함하는 금속-공기 전지장치의 작동 방법을 제공한다.
본 개시에 따르면, 금속-공기 전지장치 양극 및 음극의 구동 온도를 제어할 수 있는 온도 조절부를 포함하는 금속-공기 전지장치를 제공할 수 있다. 금속-공기 전지 내부의 상태를 모니터링을 실시간으로 모니터링하여 양극 또는 음극 중 적어도 하나의 온도를 제어할 수 있다. 사이클 특성 및 안정성이 개선된 금속-공기 전지치를 제공할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 금속-공기 전지장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 금속-공기 전자장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 3은 제 1변형예에 따른 금속-공기 전자장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 제 2변형예에 따른 금속-공기 전자장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 실시예에 따른 금속-공기 전지장치의 작동 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 6은 금속-공기 전지장치의 작동 방법을 연속적인 모니터링에 의해 이루어지는 알고리즘을 나타낸다.
도 7은 금속-공기 전지장치의 고온 및 저온에서의 충방전 횟수에 따른 에너지 밀도를 나타낸 그래프이다.
이하, 도면을 참조하여 금속-공기 전지장치에 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 공기 중의 산소를 산화 또는 환원시킬 수 있는 양극(10) 및 금속 이온의 흡장/방출이 가능한 음극(12)을 포함할 수 있다. 그리고, 양극(10) 및 음극(12) 사이에는 이온 전도층(14)이 형성될 수 있다. 양극(10)의 일면에는 양극 집전체(16) 및 확산층(18)이 형성될 수 있으며, 음극(12) 일면에는 음극 집전체(19)가 형성될 수 있다. 이러한 양극(10), 음극(12), 이온 전도층(14), 확산층(16) 및 집전체(18, 19)는 금속-공기 전지의 단위 셀 구조를 이룰 수 있으며, 단위 셀 구조는 별도의 파우치 등에 의해 둘러싸인 구조를 지닐 수 있다.
양극(10) 및 음극(12)은 온도 조절부(20)와 각각 연결될 수 있다. 온도 조절부(20)는 양극(10)과 직접 연결된 양극 온도 조절부(22)에 의해 양극(10)의 온도를 조절할 수 있다. 그리고, 온도 조절부(20)는 음극(12)과 직접 연결된 음극 온도조절부(24)에 의해 음극(12)의 온도를 조절할 수 있다. 여기서 온도 조절부(20)에 의해 양극(10) 또는 음극(12)의 온도 조절은 현재 상태의 양극(10) 또는 음극(12)의 온도를 낮추거나 높이는 것 모두 포함할 수 있다. 온도 조절부(20)는 양극(10)의 온도와 음극(12)의 온도를 개별적, 독립적으로 조절할 수 있다. 예를 들어, 양극(10)의 온도는 그대로 유지하며, 음극(12)의 온도를 낮추거나 높일 수 있으며, 음극(12)의 온도는 그대로 유지하면서, 양극(10)의 온도를 낮추거나 높일 수 있다. 또한, 양극(10)의 온도는 높이면서, 음극(12)의 온도는 낮출 수 있으며, 반대로 양극(10)의 온도는 낮추면서, 음극(12)의 온도를 높일 수 있다.
온도 조절부(20)은 양극(10) 또는 음극(12)의 온도를 고온 또는 저온으로 조절할 수 있다. 여기서 고온은 섭씨 50도 내지 70도 범위의 온도일 수 있다. 그리고, 저온은 섭씨 20도 내지 40도 범위의 온도일 수 있다. 온도 조절부(20)는 양극 온도 조절부(22)를 통하여, 양극(10)을 고온 또는 저온 중 하나의 온도를 지니도록 할 수 있으며, 음극 온도 조절부(24)를 통하여 음극(12)을 고온 또는 저온 중 하나의 온도 범위를 지니도록 할 수 있다. 양극 온도 조절부(22)는 양극(10)과 직접 접촉되도록 연결될 수 있으며, 음극 온도 조절부(24)는 음극(12)과 직접 접촉되도록 연결될 수 있다.
온도 조절부(20)는 양극(10) 및 음극(12)의 온도를 조절하기 위하여, 온도 조절부(20)는 금속-공기 전지장치(100)의 내부 상태를 계측하는 모니터링 요소를 포함할 수 있다. 양극 온도 조절부(22)를 통하여 양극(10)의 온도를 계측할 수 있으며, 음극 온도 조절부(24)를 통하여 음극(12)의 온도를 계측할 수 있다. 또한, 양극(10) 및 음극(12)의 온도 상태뿐만 아니라, 금속-공기 전지장치(100) 내부의 가스 성분 등일 수 있다.
금속-공기 전지장치의 구동 시, 양극(10) 및 음극(12)을 고온으로 유지하는 경우, 높은 이온 전도도를 유지하여 고출력 구동에 유리할 수 있다. 그리고, 양극(10) 및 음극(12)을 저온으로 유지하는 경우, 고온으로 유지하는 경우에 비해 상대적으로 낮은 출력 구동이 될 수 있으나, 전해액 부반응을 억제할 수 있으며 충방전 사이클 횟수가 늘어나더라도 비교적 지속적인 출력을 유지할 수 있다.
도 2는 다른 실시예에 따른 금속-공기 전자장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2를 참조하면, 금속-공기 전지장치(100)는 양극(10), 음극(12) 및 양극(10)과 음극(12) 사이에 형성된 이온 전도층(14)을 더 포함할 수 있다. 양극(10) 상에는 양극 집전체(16) 및 확산층(18)이 형성될 수 있으며, 음극(12) 상에는 음극 집전체(19)가 형성될 수 있다. 여기서, 양극(10) 및 음극(12)은 온도 조절부(20)와 각각 연결될 수 있다. 온도 조절부(20)는 양극(10)과 직접 연결된 양극 온도 조절부(22)에 의해 양극(10)의 온도를 조절할 수 있으며, 음극(12)과 직접 연결된 음극 온도 조절부(24)에 의해 음극(12)의 온도를 조절할 수 있다. 양극 온도 조절부(22)는 양극(10)과 직접 접촉되어 온도 조절부(20)에 의해 양극(10)의 온도가 제어될 수 있다. 그리고, 음극 온도 조절부(24)는 온도 조절부(20)로부터 확장되어 음극(12)과 직접 접촉하도록 형성될 수 있다. 온도 조절부(20)은 양극(10) 또는 음극(12)의 온도를 고온 또는 저온으로 조절할 수 있다. 여기서 고온은 섭씨 50도 내지 70도 범위의 온도일 수 있다. 그리고, 저온은 섭씨 20도 내지 40도 범위의 온도일 수 있다.
도 2에 나타낸 금속-공기 전지장치(100)는 양극(10) 및 음극(12)의 온도를 조절하기 위하여, 금속-공기 전지장치(100)의 내부 상태를 계측하는 모니터링하는 모니터링부(200)를 더 포함할 수 있다. 모니터링부(200)는 제 1계측부(220) 및 제 2계측부(240)를 포함할 수 있다. 제 1계측부(220)는 모니터링부(200)와 양극(10)을 연결할 수 있으며, 양극(10)과 직접 접촉되도록 연결될 수 있다. 제 2계측부(240)는 모니터링부(200)와 음극(12)을 연결할 수 있으며, 음극(12)과 직접 접촉되도록 연결될 수 있다. 도 1에 나타낸 금속-공기 전지장치와 달리, 도 2에 나타낸 금속-이온 전지장치에서는 모니터링부(200)는 온도 조절부(20)와 분리되도록 형성된 것을 나타내었다. 모니터링부(200)의 제 1계측부(220) 및 제 2계측부(240)는 양극(10) 및 음극(12)의 온도를 측정할 수 있을 뿐 아니라, 금속-공기 전지장치(100) 내부의 전해질 상태나, 발생 가스 종류, 충방전 프로파일 등을 모니터링 할 수 있다.
도 3은 제 1변형예에 따른 금속-공기 전자장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 금속-공기 전지장치(100)는 양극(10), 음극(12) 및 양극(10)과 음극(12) 사이에 형성된 이온 전도층(14)을 더 포함할 수 있다. 양극(10) 상에는 양극 집전체(16) 및 확산층(18)이 형성될 수 있으며, 음극(12) 상에는 음극 집전체(19)가 형성될 수 있다.
양극(10) 및 음극(12)은 온도 조절부(20)와 각각 연결될 수 있다. 온도 조절부(20)는 양극(10)과 직접 연결된 양극 온도 조절부(22)에 의해 양극(10)의 온도를 조절할 수 있으며, 음극(12)과 직접 연결된 음극 온도 조절부(24)에 의해 음극(12)의 온도를 조절할 수 있다. 다만, 도 1 및 도 2의 경우와 달리, 도 3의 양극 온도 조절부(22)는 양극(10)과 직접 연결되지 않고, 양극(10) 내에 형성된 양극 열전도층(11)과 연결될 수 있다. 양극 열전도층(11)은 온도 조절부(20)에 의하여, 양극 온도 조절부(22)를 통하여 전달되는 열을 양극(10)으로 전달하거나, 양극(10)으로부터 열을 양극 온도 조절부(22)로 배출하여 양극(10)의 온도를 조절할 수 있다. 그리고, 음극 열전도층(120)은 온도 조절부(20)에 의하여, 음극 온도 조절부(24)를 통하여 전달되는 열을 음극(12)으로 전달하거나, 양극(12)으로부터 열을 음극 온도 조절부(24)로 배출하여 음극(12)의 온도를 조절할 수 있다.
도 4는 제 2변형예에 따른 금속-공기 전자장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 도 3에 나타낸 금속-공기 전자장치와 달리, 양극 열전도층(11a)이 양극(10) 및 확산층(16) 사이에 형성될 수 있다. 양극 열전도층(11a)의 일면은 양극(10)과 직접 접촉하도록 형성되며, 다른 면에는 확산층(16)이 형성될 수 있다. 양극 열전도층(11a)은 온도 조절부(20)로부터 양극 온도 조절부(22)를 통하여 전달되는 열을 양극(10)으로 전달할 수 있으며, 양극(10)으로부터 열을 양극 온도 조절부(22)로 배출하여 양극(10)의 온도를 조절할 수 있다.
양극(10)은 공기 중의 산소를 산화 또는 환원시킬 수 있는 도전성 재료로 형성될 수 있으며, 제한은 없다. 예를 들어, 양극(10)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(10)은 열가소성 수지 또는 열경화성 수지 등의 바인더를 포함할 수 있으며, 이온 전도성 고분자 전해질을 포함할 수 있다. 또한, 양극(10)에는 산소의 산화 또는 환원을 위한 촉매가 첨가될 수 있다. 기타 금속-공기 전지장치에 사용되는 양극 물질은 제한없이 사용될 수 있다. 양극(10)은 전도성 재료에 산소 산화 또는 환원 촉매 및 바인더 등을 혼합하고 용매를 첨가한 후, 양극 집전체(16)이나, 양극 열전도층(11)의 일면 또는 양면에 코팅하여 건조시켜 형성할 수 있다. 양극 열전도층(11)은 메쉬 형상을 지닌 금속 물질층일 수 있다.
음극(12)은 리튬 금속 박막으로 형성될 수 있으며, 리튬 금속 이외에 다른 음극 활물질을 포함하여 형성될 수 있다. 음극(12)은 음극 활물질, 도전제, 바인더 및 용매를 포함하는 음극활물질 조성물을 사용하여 제조될 수 있다. 음극(12)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, 비전이금속 산화물 및 탄소계 재료로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전이금속 산화물은 리튬 티탄 산화물, 바나듐 산화물, 리튬 바나듐 산화물 등이 있다. 그리고, 탄소계 재료로는 결정질 탄소, 비정질 탄소 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 음극(12)은 음극 활물질 조성물을 제조한 뒤, 음극 집전체(19) 또는 음극 열전도층(120)에 직접 코팅되어 형성될 수 있으며, 별도의 지지체 상에 캐스팅된 후, 지지체로부터 박리된 음극 활물질층을 음극 집전체(19) 또는 음극 열전도층(120)에 접착시켜 형성될 수 있다.
이온 전도층(14)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 막(200)은 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(14)은 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다. 이온 전도층(14)이 다층 구조로 형성된 경우, 기체 및 수분 차단성을 지닌 복합막 및 고분자 전해질막을 포함하는 다층 구조를 가질 수 있다. 양극(10) 및 음극(12) 사이에는 분리막(separator)이 더 형성될 수 있다. 다만, 이온 전도층(14)은 분리막 역할을 할 수 있있으며, 선택적으로 분리막은 이온 전도층(14)과 별도로 형성될 수 있다. 추가적으로 분리막은 일반적인 금속-공기 전지장치에 사용되는 것이면 제한없이 사용될 수 있다. 예를 들어 분리막(14)은 폴리프로필렌, 폴리페닐렌 설파이드 소재의 부직포 등의 고분자 부직포, 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌 등의 올레핀계 수지의 다공성 필름 등으로 형성될 수 있다.
양극 집전체(16) 및 음극 집전체(19)는 전도성이 좋은 금속성 물질이면 사용 가능하면 제한되지 않는다. 예를 들어, 양극 집전체(16) 및 음극 집전체(19)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(16) 및 음극 집전체(19)는 금속 뿐만 아니라 전도성 금속 산화물, 전도성 폴리머 등의 물질로 형성될 수 있다. 그리고, 양극 집전체(16) 및 음극 집전체(19)의 일면에는 비전도성 물질이 코팅된 구조를 지닐 수 있다. 양극 집전체(16) 및 음극 집전체(19)는 가요성을 지녀 구부러지며, 다시 본래 형태로 회복 가능한 탄성을 지닐 수 있다.
확산층(18)은 양극(10)에 대해 공기 중의 산소를 공급하기 위한 공기 공급 경로를 제공하도록 형성될 수 있다. 확산층(18)은 카본 페이퍼와 같은 탄소섬유계 물질로 형성될 수 있다. 또한, 확산층(18)은 유기화합물을 포함하는 다공성막일 수 있다. 확산층(18)은 호모중합체, 블록공중합체 및 랜덤공중합체 중에서 선택된 하나 이상의 고분자를 포함할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어인 "공기(air)"는 단순히 대기 중에 존재하는 공기뿐만 아니라, 산소를 포함하는 가스 혼합체나 순수한 산소 가스를 모두 포함할 수 있다.
도 5는 실시예에 따른 금속-공기 전지장치의 작동 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 5를 참조하면, 실시예에 따른 금속-공기 전지장치의 작동시키고자 하는 경우, 먼저 양극(10) 및 음극(12)의 구동 온도를 설정할 수 있다(S10). 상술한 바와 같이, 양극(10) 및 음극(12)의 구동 온도는 각각 고온 또는 저온으로 설정할 수 있다. 고온은 섭씨 50도 내지 70도의 온도 범위일 수 있다. 양극(10) 및 음극(12)의 고온의 온도 범위에서 금속-공기 전지장치의 구동 시, 높은 이온 전도도를 유지할 수 있으며, 고출력 구동에 유리할 수 있다. 저온은 섭씨 20도 내지 40도의 온도 범위일 수 있다. 양극(10) 및 음극(12)의 저온의 온도 범위에서 금속-공기 전지장치의 구동 시, 전해액 부반응을 억제할 수 있으며 충방전 사이클 횟수가 늘어나더라도 비교적 안정적인 출력을 유지할 수 있다.
양극(10) 및 음극(12)의 온도는 동시에 고온 또는 저온으로 설정될 필요는 없다. 즉, 양극(10)은 고온으로 설정하고, 음극(12)은 저온으로 설정될 수 있다. 반대로 양극(10)은 저온으로 설정하고, 음극(12)은 고온으로 설정될 수 있다. 선택적으로 양극(10) 또는 음극(12) 중 하나에 대해서만 고온 또는 저온으로 설정할 수 있다. 예를 들어, 음극(12)에 대해서만 고온 또는 저온으로 설정할 수 있다. 양극(10) 및 음극(12)의 온도 설정은 경험적으로 미리 설정된 기본 값을 항상 사용(default setting)할 수 있으며, 사용자가 전지 장치 구동시마다 임의로 선택하여 설정(user selecting)할 수 있다.
그리고, 금속-공기 전지장치(100)의 내부 상태를 모니터링한다(S20). 이는 온도 조절부(20)에서 모니터링을 할 수 있으며, 별도로 모니터링부(200)에 의해 실시될 수 있다. 모니터링 과정에서 양극(10) 및 음극(12)의 온도를 측정할 수 있을 뿐 아니라, 금속-공기 전지장치(100) 내부의 전해질 상태나, 발생 가스 종류, 충방전 프로파일 등을 모니터링 할 수 있다.
금속-공기 전지장치(100) 내부 상태를 모니터링한 결과 설정된 값과 차이가 있는 경우, 금속-공기 전지장치(100) 내부의 양극(10) 또는 음극(12)의 구동 온도를 제어할 수 있다(S30). 금속-공기 전지 장치(100)의 양극(10) 및 음극(12)의 구동 온도를 제어하기 위해서는 온도 조절부(20)로부터 양극(10) 및 음극(12)에 각각 연결된 양극 온도 조절부(22) 및 음극 온도 조절부(12)를 이용할 수 있다. 온도 조절부(20)에 의한 양극(10) 및 음극(12)의 가열 또는 냉각은 고주파 유도 가열 방식이나, 금속이나, 반도체의 열전 현상을 이용하여 이루어질 수 있다. 또한 이에 한정되지 않으며, 다양한 온도 조절 방식이 제한없이 사용될 수 있다.
도 6은 금속-공기 전지장치의 작동 방법을 연속적인 모니터링에 의해 이루어지는 알고리즘을 나타낸다. 도 6에서는 개시에 따른 금속-공기 전지장치의 작동 방법에서, 금속-공기 전지장치의 내부 상태에 대해 연속적인 모니터링을 통하여 금속-공기 전지장치의 동작 제어가 가능하다.
도 6을 참조하면, 실시예에 따른 금속-공기 전지장치의 작동시키는 경우, 양극(10) 및 음극(12)의 구동 온도를 설정할 수 있다(S100). 양극(10) 및 음극(12)의 구동 온도는 독립적으로 각각 고온 또는 저온으로 설정할 수 있다. 양극(10) 및 음극(12)의 온도는 동시에 고온 또는 저온으로 설정될 수 있으나, 이는 선택적인 것으로 양극(10)은 고온으로 설정하고, 음극(12)은 저온으로 설정될 수 있다. 또한 이와는 반대로 양극(10)은 저온으로 설정하고, 음극(12)은 고온으로 설정될 수 있다. 그리고, 선택적으로 양극(10) 또는 음극(12) 중 하나에 대해서만 고온 또는 저온으로 설정할 수 있다. 양극(10) 및 음극(12)의 온도 설정은 경험적으로 미리 설정된 기본 값을 항상 사용(default setting)할 수 있으며, 사용자가 전지 장치 구동시마다 임의로 선택하여 설정(user selecting)할 수 있다.
그리고, 양극(10) 및 음극(12)에 대해 설정된 온도에 따라 각각 온도를 조절할 수 있다(S110). 온도 조절부(20)로부터 양극(10) 및 음극(12)에 각각 연결된 양극 온도 조절부(22) 및 음극 온도 조절부(12)를 이용하여 양극(10) 및 음극(12)의 온도를 조절할 수 있다.
다음으로, 금속-공기 전지장치(100)의 내부 상태를 모니터링한다(S120). 금속-공지 전지장치(100)의 모니터링은 도 1에 나타낸 바와 같이, 온도 조절부(20)에서 모니터링을 할 수 있으며, 도 2에 나타낸 바와 같이 별도로 모니터링부(200)에 의해 실시될 수 있다. 모니터링 과정에서 양극(10) 및 음극(12)의 온도를 측정할 수 있을 뿐 아니라, 금속-공기 전지장치(100) 내부의 전해질 상태나, 발생 가스 종류, 충방전 프로파일 등을 모니터링 할 수 있다.
그리고, S120 단계에서 모니터링된 금속-공기 전지장치(100)의 상태를 양극(10) 및 음극(12)의 구동 온도와 비교하여, 양극(10) 및 음극(12)의 온도 상태를 그대로 유지할지 여부를 판단한다(S130). 여기서 금속-공기 전지장치(100)의 상태는 양극(10) 및 음극(12)의 온도도 포함할 수 있으나, 온도를 제외한 전해질 부반응에 따른 생성물 상태나 양극(10) 표면에 형성된 침착물의 상태가 고려될 수 있다. 이에 따라, 금속-공기 전지장치(100)의 현재 상태와 구동 온도를 비교하여 양극(10) 또는 음극(12) 중 적어도 어느 하나의 온도를 변경할 필요성이 있는지 여부를 검토할 수 있다. 즉, 양극(10) 또는 음극(12) 중 적어도 하나의 온도를 저온 또는 고온으로 유지하거나, 저온에서 고온으로 높이거나 또는 고온에서 저온으로 낮출지 여부를 판단될 수 있다.
만일 금속-공기 전지장치(100)의 작동시 내부 상태가 안정적이라고 판단하여 양극(10) 및 음극(12)의 온도를 유지하고자 하는 경우, "예"로 인식하여 S120단계의 모니터링을 지속적으로 유지할 수 있다. 그리고, 만일 금속-공기 전지장치(100)의 작동시 내부 상태가 불안정적이라고 판단하여 양극(10) 및 음극(12) 중 적어도 하나의 온도를 고온에서 저온 낮추거나, 또한 고출력이 요구되어 양극(10) 및 음극(12) 중 적어도 하나의 온도를 저온에서 고온으로 높이고자 하고자 하는 경우, "아니오"로 인식하여 S110단계의 구동온도 제어 단계로 이동할 수 있다.
도 5 및 도 6에 나타낸 금속-공기 전지장치(100)의 동작 방법을 비교하면, 도 6에 나타낸 작동 방법의 경우에는 금속-공기 전지 장치(100)가 지속적으로 작동하는 경우 금속-공기 전지 장치에 대해 연속적인 모니터링의 필요성이 요구되는 경우 선택될 수 있다. 도 5의 경우에는 금속-공기 전지 장치(100)가 비교적 짧은 시간 동안 작동하는 경우, 초기 설정값으로만 동작하는 경우 선택될 수 있다.
도 7은 금속-공기 전지장치의 고온 및 저온에서의 충방전 횟수에 따른 에너지 밀도를 나타낸 그래프이다.
도 7을 참조하면, 고온(High Temp) 및 저온(Low temp)의 충방전 동작을 각각 반복하는 과정에서, 충방전 횟수(Cycles)이 작을 때에는 고온 동작에서의 에너지 밀도(Energy density)가 저온 동작에서의 에너지 밀도보다 크다. 그러나, 충방전이 충분히 반복되어 그 횟수가 증가하는 과정에서 고온 동작에서의 에너지 밀도가 갑자기 감소하게된다. 반면 저온 동작에서는 충방전 동작을 반복하는 경우 비록 에너지 밀도가 감소하는 경향이 있으나, 고온 동작과 달리 갑자기 에너지 밀도가 감소하지 않고 지속적인 안정성을 나타내게 된다. 따라서, 금속-공기 전지장치(100)의 내부 상태를 지속적으로 모니터링하면서 고온 동작 및 저온 동작을 적절히 변경하는 경우 안정된 작동이 가능할 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: 양극, 11, 11a: 양극 열전도층
12: 음극, 14: 이온 전도층
16: 양극 집전체, 18: 확산층
19: 음극 집전체, 20: 온도 조절부
22: 양극 온도 조절부, 24: 음극 온도 조절부
120: 음극 집전체, 200: 모니터링부
220: 제 1계측부, 240: 제 2계측부

Claims (15)

  1. 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 형성된 이온 전도층; 및
    상기 양극 및 음극의 온도를 제어하는 온도 조절부;를 포함하는 금속-공기 전지장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 온도 조절부는 상기 금속-공기 전지장치의 내부 상태를 계측하는 모니터링 요소를 포함하는 금속-공기 전지장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 온도 조절부와 분리되어 상기 금속-공기 전지장치의 내부 상태를 계측하는 모니터링부를 더 포함하는 금속-공기 전지장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 온도 조절부는 상기 양극과 연결된 양극 온도 조절부; 및
    상기 음극과 연결된 음극 온도 조절부;를 포함하는 금속-공기 전지장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 양극 온도 조절부는 상기 양극과 직접 접촉하도록 형성된 금속-공기 전지장치.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 음극 온도 조절부는 상기 음극과 직접 접촉하도록 형성된 금속-공기 전지장치.
  7. 제 4항에 있어서,
    상기 양극 내부에 형성되며, 상기 양극 온도 조절부와 연결된 양극 열전도층;을 포함하는 금속-공기 전지장치.
  8. 제 4항에 있어서,
    상기 양극의 일면에 형성되며, 상기 양극 온도 조절부와 연결된 양극 열전도층;을 포함하는 금속-공기 전지장치.
  9. 제 4항에 있어서,
    상기 음극의 일면에 형성되며, 상기 음극 온도 조절부와 연결된 음극 열전도층;을 포함하는 금속-공기 전지장치.
  10. 금속-공기 전지장치의 작동 방법에 있어서,
    양극 및 음극 중 적어도 어느 하나의 온도를 설정하고,
    상기 금속-공기 전지장치 내부 상태를 모니터링하며,
    금속-공기 전지장치 내부 상태를 모니터링한 결과, 상기 양극 또는 음극에 설정된 온도와 차이가 있는 경우, 상기 양극 또는 음극의 구동 온도를 제어하는 금속-공기 전지장치의 작동 방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 양극 또는 음극의 구동 온도는 섭씨 20도 내지 40도 또는 50도 내지 70도인 금속-공기 전지장치의 작동 방법.
  12. 금속-공기 전지장치의 작동 방법에 있어서,
    양극 및 음극 중 적어도 어느 하나의 온도를 설정하는 제 1단계;
    상기 양극 및 음극 중 적어도 어느 하나의 온도를 제어하는 제 2단계;
    상기 금속-공기 전지장치 내부 상태를 모니터링하는 제 3단계; 및
    상기 금속-공기 전지장치의 내부 상태에 따라 상기 양극 및 음극 중 적어도 어느 하나의 온도를 변경할 필요성을 검토하는 제 4단계;를 포함하는 금속-공기 전지장치의 작동 방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 제 4단계의 상기 양극 및 음극 중 적어도 어느 하나의 온도를 변경할 필요성을 검토한 후 상기 제 2단계 또는 상기 제 3단계 중 어느 하나를 다시 선택하는 금속-공기 전지장치의 작동 방법.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 양극 및 음극 중 적어도 어느 하나의 온도를 변경할 필요성이 인정되는 경우, 상기 양극 및 음극 중 적어도 어느 하나의 온도를 제어하는 제 2단계;부터 다시 진행하는 금속-공기 전지장치의 작동 방법.
  15. 제 12항에 있어서,
    상기 양극 및 음극 중 적어도 어느 하나의 온도를 변경할 필요성이 없다고 판단되는 경우, 인정되는 경우, 상기 금속-공기 전지장치 내부 상태를 모니터링하는 제 3단계;를 다시 진행하는 금속-공기 전지장치의 작동 방법.
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