KR20180133046A - 관로형 리튬공기 배터리 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 도관 형태의 유로를 갖는 전극을 구성하여, 공기가 유로를 따라 전극에 전달되어 리튬과 반응하도록 한 새로운 구조의 관로형 리튬공기 배터리 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 다각형 단면의 공기유로를 갖는 도관 형태의 전극을 구성하여, 효과적으로 공기가 전극에 전달되어 리튬과 용이하게 반응할 수 있도록 유도할 수 있고, 부피와 중량을 줄여서 컴팩트한 구조를 구현할 수 있도록 한 관로형 리튬공기 배터리 및 그 제조 방법을 제공하고자 한 것이다.

Description

관로형 리튬공기 배터리 및 그 제조 방법{Flow through type Lithium-air battery and method for manufacturing the same}
본 발명은 관로형 리튬공기 배터리 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 도관 형태의 유로를 갖는 전극을 구성하여, 공기가 유로를 따라 전극에 전달되어 리튬과 반응하도록 한 새로운 구조의 관로형 리튬공기 배터리 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 리튬공기 배터리는 리튬 이온의 흡장/방출이 가능한 음극, 공기 중의 산소를 활물질로 이용하는 양극, 상기 음극과 양극 사이에 개재된 전해질을 포함하여 구성되고, 리튬 이온 및 리튬 산화물의 산화/환원 과정 등에 의하여 충전 및 방전이 이루어진다.
이러한 리튬이온 배터리는 단거리 이동에 쓰이는 전기자동차(EV: Electric Vehicle)나 플러그인 하이브리드 자동차(PHEV: Plug-in Hybrid Electric Vehicle)의 에너지 저장 요구를 만족시킬 수 있으나, 장거리 이동에 쓰이는 차량에서는 에너지 저장량이 부족하여 에너지 저장 요구를 만족시키기 어려우며, 이에 더 많은 에너지를 저장할 수 있는 에너지 저장장치가 요구되고 있다.
현재까지 알려진 에너지 저장장치 중에 리튬공기 배터리는 비교적 높은 이론 용량을 가지고 있으며, 리튬이온 배터리에 비해 높은 에너지 밀도를 나타내므로 소형화 및 경량화 등에 있어서 유리한 장점을 가진다.
상기 리튬공기 배터리는 양극에서 생성된 리튬산화물이 양극에 축적되었다가, 충전시 음극과 양극에서의 역반응이 진행되어 음극에서 리튬금속이 재생되므로, 배터리의 반복 충/방전이 가능하며, 이러한 리튬공기 배터리의 성능을 극대화하기 위해 일정한 산소의 공급이 무엇보다 중요한 요소로 작용한다.
종래의 리튬공기 배터리는 첨부한 도 1에서 보듯이 단위 셀을 수십~수백개 적층하여 구성되므로, 적층을 위한 부품 수급 및 조립 공정기술의 확보가 필요하고, 적층 조립 공정이 복잡한 단점이 있다.
또한, 종래의 리튬공기 배터리의 단위 셀 구성을 보면 첨부한 도 2에서 보듯이, 전해질 막(10)을 중심으로 일측에는 공기 양극(12, 공기극)이 형성되고, 타측에는 리튬금속 음극(14)이 형성되며, 공기 양극(12) 및 리튬금속 음극(14)에는 공기유로를 갖는 집전체(16)가 적층되며, 최외곽에는 적층된 구성요소들을 고정 및 지지하기 위한 엔드 플레이트가 적층된 구조를 갖는다.
이러한 종래의 리튬공기 배터리는 위와 같은 단위 셀을 일방향으로 수십~수백개 적층하여 제작됨에 따라, 전체 리튬공기 배터리의 부피 및 중량이 크게 증대될 수 밖에 없고, 실제 차량에 탑재될 때 탑재공간을 많이 차지하게 되는 단점이 있다.
또한, 종래의 리튬공기 배터리는 공기 양극으로 공기가 우선 공급되어야 하는데, 공기가 흐르는 유로 폭이 비좁아서 공기 전달 분배가 원활하지 못한 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 다각형 단면의 공기유로를 갖는 도관 형태의 전극을 구성하여, 효과적으로 공기가 전극에 전달되어 리튬과 용이하게 반응할 수 있도록 유도할 수 있고, 부피와 중량을 줄여서 컴팩트한 구조를 구현할 수 있도록 한 관로형 리튬공기 배터리 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 구현예는: 다각형 단면 구조를 갖는 도관 형태의 리튬금속 음극의 표면에 전해질막을 코팅하고, 이 전해질막의 표면에 공기 양극을 코팅하여, 공기 양극의 내부에 다각형의 공기유로가 형성되도록 한 것을 특징으로 하는 관로형 리튬공기 배터리를 제공한다.
바람직하게는, 상기 리튬금속 음극은 원형, 삼각형, 사각형, 육각형 단면 형상 중 선택된 어느 하나의 단면 형상으로 구비된 것임을 특징으로 한다.
특히, 상기 삼각형 단면 형상의 리틈금속 음극은 톱니 형태의 제1판체와, 제1판체의 상부 및 하부에 부착되는 직선 형태의 제2판체로 구성된 것임을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 도관 형태의 리튬금속 음극과, 전해질막과, 공기유로를 형성하는 공기 양극이 일방향으로 반복 형성된 일층 구조물이 수회 이상 적층 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 도관 형태의 리튬금속 음극과, 전해질막과, 공기유로를 형성하는 공기 양극이 일방향으로 반복 형성된 일층 구조물이 동심원 배열을 갖도록 수회 이상 와인딩되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 공기 양극의 일끝단부에 (+) 집전 단자가 직접 연결되고, 상기 리튬금속 음극의 일끝단부에 (-) 집전 단자가 직접 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 구현예는: 소정의 단면 형상을 갖는 리튬금속 음극을 위한 리튬금속 담체를 제작하는 단계; 상기 리튬 금속 담체에 일정 두께의 전해질막을 코팅하는 단계; 상기 전해질막 코팅 후 잉여분의 전해질 코팅액을 제거하는 단계; 상기 전해질막의 표면에 공기 양극 슬러리를 코팅하는 단계; 및 상기 공기 양극 슬러리 코팅 후 잉여분의 공기 양극 슬러리를 제거하는 단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 관로형 리튬공기 배터리 제조 방법을 제공한다.
바람직하게는, 상기 전해질 코팅액과 상기 공기 양극 슬러리를 제거하는 단계는 공기 통로를 확보하기 위한 단계로서, 공기 또는 질소 가스를 불어내어 제거하는 에어 나이핑(air knifing) 방법이 사용되는 것을 특징으로 한다.
이러한 본 발명의 제조 방법은 상기 전해질액 및 공기 양극용 슬러리액이 코팅된 리튬금속 음극을 오븐에서 건조시키는 단계와, 오븐에서 취출 후 냉각하는 단계와, 공기 양극의 일끝단부에 (+) 집전 단자를 직접 연결하는 동시에 리튬금속 음극의 일끝단부에 (-) 집전 단자를 직접 연결하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 다각형 단면의 공기유로를 갖는 도관 형태의 전극을 구성하여, 공기가 전극으로 원활하게 흐를 수 있고, 공기 흐름이 원활하여 리튬과의 반응이 용이하게 이루어질 수 있다.
둘째, 종래의 리튬공기 배터리 대비 부피 및 중량을 크게 줄일 수 있고, 그에 따라 컴팩트한 리튬공기 배터리 구현하여 리튬공기 배터리의 차량 탑재 공간을 절약할 수 있다.
셋째, 공기와 리튬 간의 전체 반응면적(Geometric Surface Area)을 기존의 리튬공기 배터리에 비하여 증대시킬 수 있고, 그에 따라 기존 리튬공기 배터리 대비 부피에너지 밀도를 4배 이상 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 리튬공기 배터리에 대한 단위 셀 적층 구조를 나타낸 개략도,
도 2는 종래의 리튬공기 배터리에서 단위 셀 구성만을 도시한 개략도,
도 3은 본 발명에 따른 관로형 리튬공기 배터리의 단위 셀에 대한 기본 단면 구조를 도시한 개념도,
도 4 및 도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 관로형 리튬공기 배터리를 도시한 단면도,
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 관로형 리튬공기 배터리를 와인딩시킨 구조를 나타낸 이미지도,
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 관로형 리튬공기 배터리를 도시한 단면도,
도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 관로형 리튬공기 배터리를 도시한 단면도,
도 9는 본 발명에 따른 관로형 리튬공기 배터리의 집전 단자 연결 구조를 도시한 개략도,
도 10은 본 발명에 따른 관로형 리튬공기 배터리를 제조 방법을 도시한 개략도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
첨부한 도 3은 본 발명에 따른 관로형 리튬공기 배터리의 단위 셀에 대한 기본 단면 구조를 나타내며, 단위 셀이 원형 단면 구조로 도시되어 있으나, 삼각형, 사각형, 육각형 등 다각형 단면 구조도 동일하게 구성될 수 있다.
도 3에서 보듯이, 본 발명의 관로형 리튬공기 배터리는 원형 단면 구조를 갖는 도관 형태의 리튬금속 음극(100)와, 이 리튬금속 음극(100)의 표면에 일정 두께로 코팅되는 전해질막(110)과, 이 전해질막(110)의 표면에 일정 두께로 코팅되는 공기 양극(120)으로 구성되고, 공기 양극(120)의 내부에 다각형의 공기유로(130)가 형성된 구조를 갖는다.
이에, 본 발명의 관로형 리튬공기 배터리는 전극 단면을 수직으로 관통하는 공기유로(130)와, 이를 둘러싸는 공기 양극(120)과, 공기 양극(120)의 외곽을 둘러싸는 전해질막(110)과, 전해질막(110)의 외곽에 위치하는 리튬금속 음극(100)이 차례로 배열되는 구조를 이루게 되고, 특히 공기유로(130)는 리튬금속 음극(100)의 다각형 단면 형상과 동일한 단면 형상을 이루게 된다.
이때, 도 3에서 리튬금속 음극(100)의 외곽에 집전체(140, 구리, 니켈 등)가 도시되어 있으나, 후술하는 바와 같이 상기 공기 양극(120) 및 리튬금속 음극(100)의 일끝단에 직접 집전 단자를 연결할 수 있으므로 집전체(140)를 아예 삭제할 수 있다.
단, 상기 공기 양극의 도전 특성에 따라 집전체를 적절하게 추가할 수도 있다.
이와 같이, 본 발명의 관로형 리튬공기 배터리는 리튬금속 음극(100)을 원형, 삼각형, 사각형, 육각형 단면 형상 중 선택된 어느 하나의 단면 형상으로 제작하여, 리튬금속 음극(100) 외에 전해질막(110) 및 공기유로(130)와 내접하는 공기 양극(120) 등을 포함하는 기본적인 단위 셀 구조를 원형, 삼각형, 사각형, 육각형 단면 형상 중 선택된 어느 하나의 단면 형상으로 제작될 수 있다.
여기서, 본 발명의 관로형 리튬공기 배터리에 대한 구체적인 실시예를 살펴보면 다음과 같다.
첨부한 도 4 및 도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 관로형 리튬공기 배터리의 기본 반복구조를 나타낸 것으로서, 도면부호 100은 삼각 단면 구조로 제작된 리튬금속 음극을 지시한다.
본 발명의 제1실시예에 따른 리튬금속 음극(100)은 삼각형 단면 구조로 제작되는 바, 도 4 및 도 5에서 보듯이 지그재그의 물결 형태 즉, 톱니 형태를 갖는 제1판체(101)과, 제1판체(101)의 상부 및 하부에 부착되는 직선 형태의 제2판체(102)로 구성된다.
이러한 본 발명의 제1실시예에 따른 리튬금속 음극(100)을 제조하기 위하여, 도 4에서 보듯이 제1판체(101)와 제2판체(102)를 포함하는 각 단위 구조물을 좌우로 길게 반복 형성한 후, 상하로 반복 적층함으로써, 다수의 셀을 포함하는 관로형 리튬금속 음극 구조체를 제작할 수 있다.
예를 들면, 첨부한 도 6에서 보듯이 제1실시예에 따른 리튬금속 음극을 제조하기 위하여, 삼각형 단면의 음극 구조물 즉, 제1판체(101)와 제2판체(102)를 포함하는 각 단위 구조물이 동심원 배열을 갖도록 연속적으로 와인딩한 원통형의 리튬금속 담체가 완성될 수 있다.
이렇게 구비된 원통형의 리튬금속 담체에 걸쳐 일정 두께의 전해질막(110)을 코팅하고, 전해질막 코팅 후 공기 또는 질소 등의 가스로 과잉 코팅량의 전해질 코팅액 즉, 잉여분의 전해질 코팅액을 불어내어 제거하는 에어 나이핑(air knifing)을 실시함으로써, 공기통로를 적절히 확보할 수 있다.
상기 전해질 코팅 방법과 동일한 방법을 이용하여, 상기 전해질막(110)의 표면에 일정 두께의 공기 양극(120) 슬러리를 코팅하고, 코팅 후 상기 에어 나이핑(air knifing)을 통하여 잉여분의 양극 슬러리를 불어내며 제거하여 공기통로를 확보함으로써, 공기 양극(120)의 내부에 삼각형 단면의 관로형 공기통로(130)가 형성되는 상태가 된다.
이러한 본 발명의 제1실시예에 따른 관로형 리튬공기 배터리를 셀 단위 구성으로 설명하였지만, 도 5에서 보듯이 각 단위 셀들을 좌우로 길게 반복 형성하고, 상하로 반복 적층함으로써, 다수의 셀을 포함하는 관로형 리튬공기 배터리로 제작될 수 있다.
좀 더 상세하게는, 본 발명의 제1실시예에 따른 관로형 리튬공기 배터리는 셀 단위 구성 즉, 상기 도관 형태의 리튬금속 음극(100)과, 전해질막(110)과, 공기유로(130)와 내접하는 공기 양극(120)이 일방향으로 반복 형성된 일층 구조물을 수회 이상 적층하여 제작된다.
첨부한 도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 관로형 리튬공기 배터리를 도시한 단면도이고, 도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 관로형 리튬공기 배터리를 도시한 단면도이다.
본 발명의 제2실시예에 따른 관로형 리튬공기 배터리는 상기한 제1실시예의 관로형 리튬공기 배터리를 제조하는 방법과 동일하게 제작되며 단지 단위 셀이 사각형 단면 구조를 이루는 점에 특징이 있다.
이때, 본 발명의 제2실시예에 따른 관로형 리튬공기 배터리는 융각 단면 구조를 갖는 리튬금속 담체를 적용하는 것을 전제로 한다.
이에, 본 발명의 제2실시예에 따른 관로형 리튬공기 배터리는 상기 리튬금속 음극(100)의 표면에 일정 두께의 전해질막(110)을 코팅하고, 이 전해질막(110)의 표면에 일정 두께의 공기 양극(120) 슬러리를 코팅하여 제작되고, 공기 양극(120)의 내부에 육각형 단면의 관로형 공기통로(130)가 형성되는 상태가 된다.
본 발명의 제3실시예에 따른 관로형 리튬공기 배터리는 상기한 제1실시예의 관로형 리튬공기 배터리를 제조하는 방법과 동일하게 제작되며 단지 단위 셀이 사각형 단면 구조를 이루는 점에 특징이 있다.
이때, 본 발명의 제3실시예에 따른 관로형 리튬공기 배터리는 육각 사각 단면 구조를 갖는 리튬금속 담체를 적용하는 것을 전제로 한다.
이에, 본 발명의 제3실시예에 따른 관로형 리튬공기 배터리도 리튬금속 음극(100)의 표면에 일정 두께의 전해질막(110)을 코팅하고, 이 전해질막(110)의 표면에 일정 두께의 공기 양극(120) 슬러리를 코팅하여 제작되고, 공기 양극(120)의 내부에 사각형 단면의 관로형 공기통로(130)가 형성되는 상태가 된다.
이와 같이, 본 발명의 각 실시예에 따른 리튬공기 배터리는 공기통로(130)의 크기 및 길이를 증대시켜서 공기와 리튬 간의 전체 반응면적(Geometric Surface Area)을 기존의 리튬공기 배터리에 비하여 증대시킬 수 있고, 그에 따라 기존 리튬공기 배터리 대비 부피에너지 밀도를 4배 이상 향상시킬 수 있다.
한편, 상기한 각 실시예에 따른 리튬공기 배터리의 구성 중 최외곽에 배치되는 리튬금속 음극(100)의 외곽에 집전체(140, 구리, 니켈 등)를 추가로 적층 부착할 수 있으나, 본 발명의 각 실시예에 따른 리튬공기 배터리는 각 단위셀들이 와인딩에 의하여 내부에 존재하며 보호되는 상태가 되므로, 별도의 집전체를 부착하지 않고, 공기 양극(120) 및 리튬금속 음극(100)의 일끝단에 직접 집전 단자를 연결할 수 있다.
즉, 첨부한 도 9를 참조하면 상기 공기 양극(120)의 일끝단부에 (+) 집전 단자를 직접 연결하고, 상기 리튬금속 음극(100)의 일끝단부에 (-) 집전 단자를 직접 연결하여, 별도의 집전체를 삭제하여 비용 및 부피 절감을 도모할 수 있다.
한편, 본 발명의 각 실시예에 따른 리튬공기 배터리는 첨부한 도 10에 도시된 바와 같이, 리튬금속 음극을 담체로 하여 고분자 전해질액이 충진된 챔버에 딥핑하여 전해질막을 코팅하는 과정과, 전해질막이 코팅된 리튬금속 음극을 공기 양극용 슬러리액이 저장된 챔버에 딥핑하여 리튬금속 양극을 코팅하는 과정과, 전해질액 및 공기 양극용 슬러리액이 코팅된 리튬금속 음극을 오븐에 넣어 건조시키는 과정과, 이후 냉각 과정을 통하여 제작될 수 있고, 또한 상기 전해질막 코팅 및 리튬금속 양극 코팅시 공기유로를 확보하기 위하여 전해질막을 위한 전해질액 및 리튬금속 양극용 슬러리액의 잉여분을 에어 나이핑(air knifing)을 통하여 제거하는 과정이 더 진행된다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따르면 다각형 단면의 공기유로를 갖는 도관 형태의 리튬공기 배터리를 제공하여, 공기가 전극으로 원활하게 흐를 수 있고, 공기 흐름이 원활하여 리튬과의 반응이 용이하게 이루어질 수 있고, 특히 종래의 리튬공기 배터리 대비 부피 및 중량을 크게 줄일 수 있고, 그에 따라 컴팩트한 리튬공기 배터리 구현하여 리튬공기 배터리의 차량 탑재 공간을 절약할 수 있다.
100 : 리튬금속 음극
101 : 제1판체
102 : 제2판체
110 : 전해질막
120 : 공기 양극
130 : 공기유로
140 : 집전체

Claims (10)

  1. 다각형 단면 구조를 갖는 도관 형태의 리튬금속 음극의 표면에 전해질막을 코팅하고, 이 전해질막의 표면에 공기 양극을 코팅하여, 공기 양극의 내부에 다각형의 공기유로가 형성되도록 한 것을 특징으로 하는 관로형 리튬공기 배터리.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 리튬금속 음극은 원형, 삼각형, 사각형, 육각형 단면 형상 중 선택된 어느 하나의 단면 형상으로 구비된 것임을 특징으로 하는 관로형 리튬공기 배터리.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 리틈금속 음극은 삼각형 단면 구조를 갖도록 톱니 형태의 제1판체과, 제1판체의 상부 및 하부에 부착되는 직선 형태의 제2판체로 구성된 것임을 특징으로 하는 관로형 리튬공기 배터리.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 도관 형태의 리튬금속 음극과, 전해질막과, 공기유로를 형성하는 공기 양극이 일방향으로 반복 형성된 일층 구조물이 수회 이상 적층 구성되는 것을 특징으로 하는 관로형 리튬공기 배터리.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 도관 형태의 리튬금속 음극과, 전해질막과, 공기유로를 형성하는 공기 양극이 일방향으로 반복 형성된 일층 구조물이 동심원 배열을 갖도록 적층 구성되는 것을 특징으로 하는 관로형 리튬공기 배터리.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 공기 양극의 일끝단부에 (+) 집전 단자가 직접 연결되고, 상기 리튬금속 음극의 일끝단부에 (-) 집전 단자가 직접 연결되는 것을 특징으로 하는 관로형 리튬공기 배터리.
  7. 소정의 단면 형상을 갖는 리튬금속 음극을 위한 리튬금속 담체를 제작하는 단계;
    상기 리튬 금속 담체에 일정 두께의 전해질막을 코팅하는 단계;
    상기 전해질막 코팅 후 잉여분의 전해질 코팅액을 제거하는 단계;
    상기 전해질막의 표면에 공기 양극 슬러리를 코팅하는 단계; 및
    상기 공기 양극 슬러리 코팅 후 잉여분의 공기 양극 슬러리를 제거하는 단계;
    로 이루어지는 것을 특징으로 하는 관로형 리튬공기 배터리 제조 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 리튬 금속 담체는 원형, 삼각형, 사각형, 육각형 단면 형상 중 선택된 어느 하나의 단면 형상으로 제작되는 것을 특징으로 하는 관로형 리튬공기 배터리 제조 방법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 전해질 코팅액과 상기 공기 양극 슬러리를 제거하는 단계는 공기 통로를 확보하기 위한 단계로서, 공기 또는 질소 가스를 불어내어 제거하는 에어 나이핑(air knifing) 방법이 사용되는 것을 특징으로 하는 관로형 리튬공기 배터리 제조 방법.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 전해질액 및 공기 양극용 슬러리액이 코팅된 리튬금속 음극을 오븐에서 건조시키는 단계와, 오븐에서 취출 후 냉각하는 단계와, 공기 양극의 일끝단부에 (+) 집전 단자를 직접 연결하는 동시에 리튬금속 음극의 일끝단부에 (-) 집전 단자를 직접 연결하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 관로형 리튬공기 배터리 제조 방법.
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