KR20190074485A - 금속 공기 전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

금속 공기 전지 시스템은 금속 공기 전지, 공기 유출입부, 및 선택 투과막을 포함한다. 공기 유출입부는 상기 금속 공기 전지에 공기를 유입하고, 상기 금속 공기 전지로부터 공기를 유출한다. 상기 선택 투과막은 상기 공기 유출입부 및 상기 금속 공기 전지 사이에 제공된다. 상기 금속 공기 전지는 양극, 80 내지 220℃ 사이의 끓는점을 갖는 용매를 포함하는 전해질, 및 음극을 포함한다. 상기 선택 투과막은 상기 금속 공기 전지에 유입되는 공기 중 산소를 선택적으로 투과하여 상기 금속 공기 전지에 제공하고, 상기 금속 공기 전지의 상기 액체 전해질이 유출되는 것을 방지한다.

Description

금속 공기 전지 시스템{A METAL AIR BATTERY SYSTEM}
본 발명은 금속 공기 전지 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전지 내의 전해질의 고갈을 방지할 수 있는 금속 공기 전지 시스템에 관한 것이다.
에너지 밀도가 높은 차세대 전지로 금속 공기 전지가 있다. 금속 공기 전지는 아연 공기 전지, 리튬 공기 전지, 알루미늄 공기 전지, 마그네슘 공기 전지, 나트륨 공기 전지 등이 있다. 금속 공기 전지는 전지 셀 외부에서 전지 셀 내부로 산소가 들어가고 나오는 시스템인데, 이는 통상의 리튬 이온 전지와 다르다. 리튬 이온 전지의 경우 리튬 이온이 양극과 음극 사이를 오가며 충방전이 되는 시스템으로 내부에서 발생하는 부차적인 가스를 배출하는 안전 시스템이 있을 뿐 충방전 반응에 관여하는 물질이 전지 시스템 내외로 출입하는 시스템은 아니다. 금속 공기 전지는 “열린 시스템”으로, 반응에 참여하는 가스는 산소인데 산소 공급원으로 대기를 사용하는 경우 산소 이외의 질소, 이산화탄소, 수분 등에 의해서 전지의 열화가 발생한다. 이산화탄소의 경우 음극까지 이동하여 표면에 리튬 카보네이트와 같은 부산물을 형성하여 내부 저항을 증가시킬 수 있다. 공기 중의 수분이 전지 시스템으로 유입되는 경우 전해질 이상 반응을 일으키거나 리튬 금속 표면의 열화를 촉진시킨다. 산소 공급원으로 산소 탱크를 채용하는 시스템도 있다. 산소 탱크를 사용하는 경우 산소 이외의 가스 성분이 전지 시스템으로 유입되지 않아 부반응 문제는 해소할 수 있다.
다만 금속 공기 전지는 내부 전해질의 용매가 외부로 유출되는 문제도 가지고 있다. 리튬 산소 전지의 경우 리튬 이온 전지와 유사하게 유기 용매에 리튬 염을 녹인 전해질을 사용하는 전지 시스템이 일반적인데 “열린 시스템”의 경우 전지 시스템의 전해질의 용매 성분이 휘발하는 문제를 가지고 있다. 따라서, 끓는점이 낮은 용매의 사용은 매우 제한적이다. 이 같은 문제를 해결하고자 휘발 문제가 없는 이온성 액체를 전해질로 사용하거나 고체전해질을 전해질로 사용하여 원천적으로 전해질 휘발 문제를 해결하고자 하는 시도가 있었으나 아직 상온에서 유기 전해액에 버금가는 리튬 이온전도성과 리튬 이온 확산성을 가지는 이온성 액체는 존재하지 않고 고체 전해질을 적용한 전고체 시스템의 경우 상온 작동이 어렵고 양극에서의 물질 전달 문제로 가역적인 충방전이 매우 제한적이다.
고체형(Solid state) 금속 공기 전지의 경우 전해질과 금속의 부반응에 의한 전해질 고갈 문제가 거의 없고, 액체 전해질이 없기 때문에 전해질 휘발 문제도 근본적으로 해소된다. 다만 고체 전해질의 이온전도도가 액체전해질에 미치지 못하고 양극에서의 물질 전달 문제가 심각해 상온에서 조은 특성을 보이지 않고 있다. 또한 고체전해질 대신 이온성 액체를 이용하여 전해질 고갈과 휘발 문제를 해소하려는 연구가 있으나 이온성 액체 역시 상온 이온전도도가 낮아 승온 상태에서 전지 테스트가 이루어지고 있다.
한국공개특허 제10-2012-0126956호
본 발명의 목적은 금속 공기 전지 내의 전해질이 고갈되지 않아 장수명 고효율을 도모할 수 있는 금속 공기 전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공기 전지 시스템은 금속 공기 전지, 공기 유출입부, 및 선택 투과막을 포함한다. 공기 유출입부는 상기 금속 공기 전지에 공기를 유입하고, 상기 금속 공기 전지로부터 공기를 유출한다. 상기 선택 투과막은 상기 공기 유출입부 및 상기 금속 공기 전지 사이에 제공된다. 상기 금속 공기 전지는 양극, 80 내지 220℃ 사이의 끓는점을 갖는 용매를 포함하는 전해질, 및 음극을 포함한다. 상기 선택 투과막은 상기 금속 공기 전지에 유입되는 공기 중 산소를 선택적으로 투과하여 상기 금속 공기 전지에 제공하고, 상기 금속 공기 전지의 상기 액체 전해질이 유출되는 것을 방지한다.
상기 선택 투과막의 산소 투과율(OTR: Oxygen Transmission Rate)은 2.5 내지 3.5 cc/cm2·일(day)인 것일 수 있다.
상기 선택 투과막은 5 내지 100 ㎛의 두께를 갖는 것일 수 있다.
상기 선택 투과막은 퍼를루오로폴리머(Perfluoropolymer(PFP)), 폴리이미드(Polyimide), 폴리페닐렌 옥사이드(Polyphenylene oxide), 폴리설폰(Polysulfone), 및 폴리벤조디옥산(Polybenzodioxane) 중 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.
상기 선택 투과막은 다공성 유기막, 다공성 무기막, 또는 유무기 복합막인 것일 수 있다.
상기 선택 투과막은 복수의 기공들을 포함하는 비천공성 필름이고, 10 내지 60 ㎛의 두께를 갖는 것일 수 있다.
상기 기공들 각각은 상기 비천공성 필름의 두께를 기준으로, 60 내지 70%의 깊이를 갖는 것일 수 있다.
상기 공기 유출입부는 상기 금속 공기 전지에 공기를 유입하는 공기 유입부 및 상기 금속 공기 전지에서 공기를 유출하는 공기 유출부를 포함하는 것일 수 있다.
상기 선택 투과막은 상기 공기 유입부의 적어도 일부와 중첩하는 제1 선택 투과막 및 상기 공기 유출부의 적어도 일부와 중첩하는 제2 선택 투과막을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 금속 공기 전지 시스템에 의하면, 전해질의 고갈을 방지할 수 있어, 장수명 고효율을 도모할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 공기 전지 시스템의 개략적인 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 공기 전지 시스템의 개략적인 사시도이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 공기 전지 시스템에 포함되는 선택 투과막이 비천공성 필름일 때의 평면도이고, 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 공기 전지 시스템에 포함되는 선택 투과막이 비천공성 필름일 때의 단면도이다.
도 4는 실시예 1 및 비교예 1의 충방전에 따른 커페시티와 전압과의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 4는 실시예 1 및 비교예 1의 충방전에 따른 커페시티와 전압과의 관계와 20회 충방전 이후 리튬 표면을 찍은 사진이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 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. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하부에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 공기 전지 시스템의 개략적인 사시도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 공기 전지 시스템의 개략적인 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 공기 전지 시스템(10)은 운송 수단에 포함될 수 있다. 운송 수단은 물건, 사람 등의 운송을 위해 사용되는 수단을 의미하는 것일 수 있다. 운송 수단은 예를 들어 육상 운송 수단, 해상 운송 수단, 천상 운송 수단을 포함한다. 육상 운송 수단은 예를 들어, 승용차, 승합차, 트럭, 트레일러 트럭, 및 스포츠카 등을 포함하는 자동차, 자전거, 오토바이, 기차 등을 포함할 수 있다. 해상 운송 수단은 예를 들어, 배, 잠수함 등을 포함할 수 있다. 천상 운송 수단은 예를 들어 비행기, 헹글라이더, 열기구, 헬리콥터, 드론 등의 소형 비형체를 포함하는 것일 수 있다.
금속 공기 전지 시스템(10)은 금속 공기 전지(MB), 전지 수납부(MBS), 및 선택 투과막(STL)을 포함한다. 금속 공기 전지(MB)는 전지 수납부(MBS)에 수납된다. 금속 공기 전지(MB)는 양극(100), 전해질(200), 및 음극(300)을 포함한다. 금속 공기 전지(MB)는 예를 들어, 리튬 공기 전지인 것일 수 있다. 이하에서는 금속 공기 전지(MB)가 리튬 공기 전지인 것을 예를 들어 설명한다.
금속 공기 전지(MB)가 리튬 공기 전지이면, 양극(100)에서 활물질로 공기 중의 산소를 이용하고 음극(300)으로 리튬을 사용하한다. 양극(100)에서는 외부로부터 유입되는 산소의 환원 및 산화 반응이 일어나고, 음극(300)에서는 리튬의 산화 및 환원 반응이 일어난다. 도시하지는 않았으나, 양극(100)은 양극 집전체 및 양극 활물질을 포함할 수 있다. 도시하지는 않았으나, 음극(300) 음극 집전체 및 음극 활물질을 포함할 수 있다.
하기 화학식 1 및 화학식 2는 리튬 공기 전지(MB)의 방전시 양극(100)과 음극(300)에서 일어나는 반응을 나타낸 것이다.
[화학식 1]
(양극): 2Li+ + O2 + 2e- → Li2O2
[화학식 2]
(음극): Li → Li+ + e-
음극(300)의 리튬 금속이 산화되어 리튬 이온과 전자가 생성된다. 리튬 이온은 전해질(200)을 통해, 전자는 집전체 및 외부 도선을 통해 양극(100)으로 이동한다. 양극(100)은 다공성이므로 외부 공기가 유입될 수 있다. 외부 공기에 포함된 산소는 양극(100)에서 상기 전자에 의해 환원되고, 방전생성물로 Li2O2가 형성된다.
충전 반응은 이와 반대로 진행된다. 하기 화학식 3와 같이 양극(100)에서 Li2O2가 분해되어 리튬 이온과 전자가 생성된다.
[화학식 3]
(양극) Li2O2 → 2Li+ + O2 + 2e-
전해질(200)은 음극(300) 및 양극(100) 사이에 제공된다. 전해질(200)은 액체 전해질을 포함하는 것일 수 있다. 전해질에는 리튬염이 용매에 용해되어 있고, 리튬염은 전지 내에서 리튬 이온의 공급원으로 작용할 수 있으며, 음극(300)과 리튬 이온과 전해질(200) 간에 리튬 이온의 이동을 촉진하는 역할을 한다.
리튬염은 통상적으로 사용하는 것이라면 특별히 한정하지 않으나, 예를 들어, LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiN(SO2C2F5)2, Li(CF3SO2)2N, LiC4F9SO3, LiClO4, LiAlO2, LiAlCl4, LiF, LiBr, LiCl, LiI, LiB(C2O4)2, LiCF3SO3, LiN(SO2CF3)2(LiTFSI), LiN(SO2C2F5)2 및 LiC(SO2CF3)3으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다.
용매는 80 내지 220℃ 사이의 끓는점을 갖는 것일 수 있다. 상기 범위의 끓는점을 갖는 용매는 상온에서 액체 상태로 존재할 수 있고, 높은 이온 전도도를 가질 수 있다.
도시하지는 않았으나, 리튬 공기 전지는 분리막을 더 포함할 수 있다. 분리막은 양극(100) 및 음극(300) 사이에 제공된다. 분리막은 통상적으로 사용하는 것이라면 특별히 한정하지 않으나, 전기가 통하지 않는 고분자 분리막인 것일 수 있다. 분리막은 양극(100) 및 음극(300)이 직접 접촉하는 것을 방지한다.
상기 화학식 1 내지 화학식 3에서 알 수 있듯이, 리튬 공기 전지가 작동하기 위해서는 리튬 이온의 이동이 원활히 이루어져야 한다. 리튬 이온은 액체 상태의 전해질을 통해 이동하는데 외부로부터 공기가 지속적으로 공급되는 리튬 공기 전지의 특성상 전해질이 증발하게 되고, 이에 따라 리튬 이온의 이동이 제한된다. 이는 리튬 공기 전지의 수명이 단축되는 결과로 이어질 수 있다.
전지 수납부(MBS)는 금속 공기 전지(MB)를 수납한다. 예를 들어, 전지 수납부(MBS)는 금속 공기 전지(MB)를 내부에 수납한다. 전지 수납부(MBS)의 적어도 일부는 외부와 연결되는 것일 수 있다. 외부는 공기가 유입되는 곳을 의미하는 것일 수 있다.
전지 수납부(MBS)는 공기 유출입부(AIO)를 포함한다. 공기 유출입부(AIO)는 공기의 유입 및 출입이 동시에 일어나는 것일 수 있다. 도 1에서는 공기 유출입부(AIO)가 홀 형태인 것을 예를 들어 도시하였으나 이에 한정하는 것은 아니고, 공기 유출입부(AIO)는 전지 수납부(MBS)와 연결된 것이라면 특별히 형상을 한정하지 않는다.
공기 유출입부(AIO)는 전지 수납부(MBS)의 외부에서 전지 수납부(MBS)의 내부로 공기를 유입하고, 전지 수납부(MBS)의 내부에서 전지 수납부(MBS)의 외부로 공기를 유출한다. 공기 유출입부(AIO)를 통해, 금속 공기 전지(MB)는 산소를 제공받는다.
도 2를 참조하면, 공기 유출입부(AIO)는 공기 유입부(AI) 및 공기 유출부(AO)를 포함할 수 있다. 공기 유입부(AI) 및 공기 유출부(AO)는 서로 이격된 것일 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 공기 전지의 시스템(10)은 선택 투과막(STL)을 포함한다. 선택 투과막(STL)은 공기 유출입부(AIO)의 적어도 일부와 중첩한다. 예를 들어, 상부에서 보았을 때, 선택 투과막(STL)은 공기 유출입부(AIO)의 적어도 일부와 중첩한다. 도 1은 선택 투과막(STL)이 공기 유출입부(AIO)와 전체적으로 중첩하는 것을 도시한 것이다.
선택 투과막(STL)은 외부의 공기를 제공받아 산소만 선택적으로 전지 수납부(MBS)의 내부로 유입한다. 이를 통해 금속 공기 전지(MB)는 산소를 제공받는다. 선택 투과막(STL)은 외부로 산소가 유출될 때, 전해질이 증발되어 산소와 함께 유출되는 것을 방지할 수 있다.
선택 투과막(STL)은 산소 투과율(OTR: Oxygen Transmission Rate)은 2.5 내지 3.5 cc/cm2·일(day)인 것일 수 있다. 산소 투과율이 2.5 cc/cm2·일(day) 미만이면, 금속 공기 전지(MB)에 제공되는 산소가 떨어져 금속 공기 전지(MB)의 충방전 용량이 떨어질 수 있고, 산소 투과율이 3.5 cc/cm2·일(day) 초과이면, 산소가 과도하게 공급되어 금속 공기 전지(MB)의 안정성이 떨어질 수 있다.
선택 투과막(STL)은 예를 들어, 퍼를루오로폴리머(Perfluoropolymer(PFP)), 폴리이미드(Polyimide), 폴리페닐렌 옥사이드(Polyphenylene oxide), 폴리설폰(Polysulfone), 및 폴리벤조디옥산(Polybenzodioxane) 중 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다. 이 때, 선택 투과막(STL)은 5 내지 100 ㎛의 두께(t1)를 갖는 것일 수 있다. 선택 투과막(STL)의 두께(t1)가 5 ㎛ 미만이면, 금속 공기 전지(MB)에 제공되는 산소가 떨어져 금속 공기 전지(MB)의 충방전 용량이 떨어질 수 있고, 선택 투과막(STL)의 두께(t1)가 10 ㎛ 초과이면, 산소가 과도하게 공급되어 금속 공기 전지(MB)의 안정성이 떨어질 수 있다.
선택 투과막(STL)은 다공성 유기막, 다공성 무기막, 또는 유무기 복합막인 것일 수 있다. 선택 투과막(STL)이 다공성 유기막일 때, 선택 투과막(STL)은 예를 들어, PIMS(Polymers of intrinsic microporosity)를 포함할 수 있다. 선택 투과막(STL)이 다공성 무기막일 때, 선택 투과막(STL)은 예를 들어, 제올라이트(Zeolite)를 포함할 수 있다. 선택 투과막(STL)이 유무기 복합막일 때, 선택 투과막(STL)은 예를 들어, Ceramic hollow fiber-supported polydimethylsiloxane(PDMS)를 포함할 수 있다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 공기 전지 시스템에 포함되는 선택 투과막이 비천공성 필름일 때의 평면도이고, 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 공기 전지 시스템에 포함되는 선택 투과막이 비천공성 필름일 때의 단면도이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 선택 투과막(STL)은 복수의 기공들을 포함하는 비천공성 필름이고, 10 내지 60 ㎛의 두께를 갖는 것일 수 있다. 기공들은 예를 들어, 레이저 가공기 또는 물리적 천공기로 형성하는 것일 수 있다.
선택 투과막(STL)은 예를 들어, Polyethylene terephthalate(PET), Linear low-density polyethylene (LLDPE)를 포함할 수 있다. 이 때, 선택 투과막(STL)은 10 내지 60 ㎛의 두께(t1)를 갖는 것일 수 있다. 선택 투과막(STL)의 두께(t1)가 10 ㎛ 미만이면, 금속 공기 전지(MB)에 제공되는 산소가 떨어져 금속 공기 전지(MB)의 충방전 용량이 떨어질 수 있고, 선택 투과막(STL)의 두께(t1)가 10 ㎛ 초과이면, 산소가 과도하게 공급되어 금속 공기 전지(MB)의 안정성이 떨어질 수 있다.
기공들 각각은 비천공성 필름의 두께(t1)를 기준으로, 60 내지 70%의 깊이(D1)를 갖는 것일 수 있다. 기공들 각각의 깊이(D1)가 비천공성 필름의 두께(t1)의 60% 미만이면, 산소가 투과되기 어렵고, 기공들 각각의 깊이(D1)가 비천공성 필름의 두께(t1)의 70% 초과이면, 산소 이외의 다른 공기 성분들 또는 증발된 액체 전해질이 투과될 수 있다.
기공들 각각의 입경(W1)은 10 내지 30 ㎛ 인 것일 수 있다. 기공들 각각의 입경(W1)이 10 ㎛ 미만이면, 산소가 투과되기 어렵고, 기공들 각각의 입경(W1)이 30 ㎛ 초과이면, 산소 이외의 다른 공기 성분들 또는 증발된 액체 전해질이 투과될 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 선택 투과막(STL)은 제1 선택 투과막(STL1) 및 제2 선택 투과막(STL2)을 포함할 수 있다. 이하에서는 제1 선택 투과막(STL1) 및 제2 선택 투과막(STL2) 각각이 선택 투과막(STL)과 동일한 특성을 갖는 것에 대해서는 설명을 생략한다. 제1 선택 투과막(STL1)은 공기 유입부(AI)의 적어도 일부와 중첩한다. 예를 들어, 상부에서 보았을 때, 제1 선택 투과막(STL1)은 공기 유입부(AI)의 적어도 일부와 중첩한다. 도 2는 제1 선택 투과막(STL1)이 공기 유입부(AI)와 전체적으로 중첩하는 것을 도시한 것이다. 제1 선택 투과막(STL1)은 전지 수납부(MBS)의 외부에서 전지 수납부(MBS)의 내부로 공기를 유입한다. 공기 유입부(AI)를 통해, 금속 공기 전지(MB)는 산소를 제공받는다.
제2 선택 투과막(STL2)은 공기 유출부(AO)의 적어도 일부와 중첩한다. 예를 들어, 상부에서 보았을 때, 제2 선택 투과막(STL2)은 공기 유출부(AO)의 적어도 일부와 중첩한다. 도 2는 제2 선택 투과막(STL2)이 공기 유출부(AO)와 전체적으로 중첩하는 것을 도시한 것이다.
제2 선택 투과막(STL2)은 전지 수납부(MBS)의 내부에서 전지 수납부(MBS)의 외부로 공기를 유출한다. 보다 구체적으로, 제2 선택 투과막(STL2)은 전지 수납부(MBS)의 내부에서 전지 수납부(MBS)의 외부로 산소를 유출한다. 제2 선택 투과막(STL2)은 외부로 산소가 유출될 때, 전해질이 증발되어 산소와 함께 유출되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 금속 공기 전지 시스템(10)은 도시하지는 않았으나, 양극(100) 상에 산소 확산층을 더 포함할 수 있다. 산소 확산층은 전지 수납부(MBS)의 내부에 제공되고, 선택 투과막(STL) 및 양극(100) 사이에 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 금속 공기 전지 시스템은 선택 투과막을 사용하여, 이산화탄소, 수분 등이 외부에서 전지 시스템으로 유입되는 것을 막고, 전해질의 유기 용매가 전지 시스템 외부로 유출되는 것을 막을 수 있었다. 이에 따라 금속 공기 전지의 충방전 용량을 늘릴 수 있고, 수명을 늘릴 수 있다. 또한, 80 내지 220℃ 사이의 끓는점을 갖는 용매를 포함하는 전해질을 사용하여, 상온에서 구현 가능하면서도 높은 이온 전도도를 갖는 금속 공기 전지 시스템을 구현할 수 있다.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
비교예 1
다공성 탄소 양극, 리튬 포일로 음극, 1M LiTFSI in DEGDEE(Diethylene glycol diethyl ether) 로 전해질 형성하여 코인셀을 형성하였다.
실시예 1
20 ㎛ 두께의 Polyethylene terephthalate(PET)에 레이져 가공기를 이용하여 비천공형 표면 가공하여 선택 투과막을 형성하였다. 1M LiFSI in DME(Dimethoxyethane)로 전해질을 형성한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일하게 코인셀을 형성하였다. 선택 투과막을 전지 수납부의 공기 유출입부에 배치하고, 전지 수납부에 코인셀을 배치하였다.
충방전 평가
방전용량을 정전류 방전 0.5 mA/cm2, 1 mAh/cm2으로 제한하고, 충전용량을 정전류 충전 0.5 mA/cm2, 4.5 V로 제한하고, 산소 분압 2 bar, 산소 유량 5 ml/min로 하여 충방전 평가를 실시하고, 결과를 도 4에 도시하였다.
도 4를 참조하면, 비교예 1은 17회 충방전시 방전 중에 급격한 전압 강하 현상을 보이며 수명이 종료되었다. 실시예 1은 39회 충방전시까지 용량 제한 수명 특성을 나타내었고, 이 때에도 전해질 휘발에 의한 수명 종료가 아니고 양극 열화에 의한 수명 종료된 것으로, 전지 내부에는 전해질이 존재함을 확인할 수 있었다. 도 5를 참조하면, 비교예 1은 실시예 1과 비교할 때 평균 효율이 떨어지고, 비교예 1은 20회 충방전 이후 리튬 표면에 부산물이 발생하지만, 실시예 1은 부산물이 발생하지 않은 것을 확인할 수 있었다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징으로 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10: 금속 공기 전지 시스템 MB: 금속 공기 전지
100: 양극 200: 전해질
300: 음극 MBS: 전지 수납부
AIO: 공기 유출입부 STL: 선택 투과막

Claims (9)

  1. 금속 공기 전지;
    상기 금속 공기 전지에 공기를 유입하고, 상기 금속 공기 전지로부터 공기를 유출하는 공기 유출입부; 및
    상기 공기 유출입부의 적어도 일부와 중첩하는 선택 투과막;을 포함하고,
    상기 금속 공기 전지는
    양극;
    80 내지 220℃ 사이의 끓는점을 갖는 용매를 포함하는 전해질; 및
    음극;을 포함하고,
    상기 선택 투과막은
    상기 금속 공기 전지에 유입되는 공기 중 산소를 선택적으로 투과하여 상기 금속 공기 전지에 제공하고, 상기 금속 공기 전지의 액체 전해질이 유출되는 것을 방지하는 것인 금속 공기 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 선택 투과막의 산소 투과율(OTR: Oxygen Transmission Rate)은
    2.5 내지 3.5 cc/cm2·일(day)인 것인 금속 공기 전지 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 선택 투과막은
    5 내지 100 ㎛의 두께를 갖는 것인 금속 공기 전지 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 선택 투과막은
    퍼를루오로폴리머(Perfluoropolymer(PFP)), 폴리이미드(Polyimide), 폴리페닐렌 옥사이드(Polyphenylene oxide), 폴리설폰(Polysulfone), 및 폴리벤조디옥산(Polybenzodioxane) 중 적어도 하나를 포함하는 것인 금속 공기 전지 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 선택 투과막은
    다공성 유기막, 다공성 무기막, 또는 유무기 복합막인 것인 금속 공기 전지 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 선택 투과막은
    복수의 기공들을 포함하는 비천공성 필름이고,
    10 내지 60 ㎛의 두께를 갖는 것인 금속 공기 전지 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 기공들 각각은
    상기 비천공성 필름의 두께를 기준으로,
    60 내지 70%의 깊이를 갖는 것인 금속 공기 전지 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 공기 유출입부는
    상기 금속 공기 전지에 공기를 유입하는 공기 유입부; 및
    상기 금속 공기 전지에서 공기를 유출하는 공기 유출부;를 포함하는 것인 금속 공기 전지 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 선택 투과막은
    상기 공기 유입부의 적어도 일부와 중첩하는 제1 선택 투과막; 및
    상기 공기 유출부의 적어도 일부와 중첩하는 제2 선택 투과막;을 포함하는 것인 금속 공기 전지 시스템.
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