KR20200000517A - 소형 운송수단에 탑재가 가능한 금속-공기전지 시스템 - Google Patents

소형 운송수단에 탑재가 가능한 금속-공기전지 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 공기를 양극 기판으로 채용하고, 마그네슘을 음극 기판으로 채용하며, 상기 양극 기판과 상기 마그네슘 기판 사이에는 전해질이 배치되는 마그네슘 공기 전지에 있어서, 상기 마그네슘 음극 기판은 교체가능하며, 상기 마그네슘 음극 기판에는 타공된 공극이 다수 존재하고, 상기 마그네슘 음극 기판의 공극률은 40~50%이고, 상기 마그네슘 음극 기판에 타공된 공극의 반지름(r)은 상기 마그네슘 음극 기판의 두께(h)보다 작으며, 상기 공기 양극 기판 및 상기 마그네슘 음극 기판의 좌측에는 전해질을 보충해서 제공하는 전해질 보충부가 설치되고, 상기 공기 양극 기판 및 상기 마그네슘 음극 기판의 우측에는 상기 공기 양극 기판, 상기 마그네슘 음극 기판 및 상기 전해질에서 발생하는 가스를 제거하는 가스 제거부가 설치되며, 상기 전해질 보충부, 상기 공기 양극 기판, 상기 마그네슘 음극 기판 및 상기 가스 제거부의 하부에는 모빌리티 기판에 체결되는 경우에 상기 모빌리티 기판에 밀착하여 체결하기 위한 스프링이 설치되는 소형 운송수단에 탑재가 가능한 금속-공기전지 시스템를 제공한다.

Description

소형 운송수단에 탑재가 가능한 금속-공기전지 시스템{Metal air battery Systems that can be mounted on small vehicles}
본 발명은 소형 운송수단에 탑재가 가능한 금속-공기전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 마그네슘 공기 전지의 성능이 유지되도록 음극 기판이 교체가능하면서도, 전해질 용액이 전극 내부를 출입함으로써, 마그네슘 음극 표면에 발생하는 Mg(OH)2와 같은 반응 부산물을 효과적으로 제거할 수 있으면서도 퍼스널 모빌리티 기판에 밀착하여 체결시킬 수 있는 소형 운송수단에 탑재가 가능한 금속-공기전지 시스템에 관한 것이다.
최근에 금속 공기 전지는 금속을 음극 기판으로 채용하고, 공기를 양극 기판으로 채용하는 연료 전지로서, 그의 전기적 포텐셜이 매우 높아 신개념의 전지로 각광받고 있다.
상술한 금속 공기 전지는 다른 연료 전지와는 달리, 귀금속 촉매를 사용하지 않으면서도 값싼 전해질을 미디어로 사용하기 때문에 제작비가 저렴하고, 유해 가스를 발생시키지 않아 청정 에너지원으로 알려져 있다.
이러한 금속 공기 전지의 성능은 공기 전극 기판의 에너지 밀도와, 금속 전극 기판과 전해질의 반응 특성에 따라서 크게 영향을 받게 되므로, 금속 종류와 전해질의 상관 관계를 고려한 금속 재료가 채용되고 있다.
특히 NaCl 전해질을 사용하는 경우, 마그네슘에서 가장 우수한 출력 특성을 나타내는 것으로 보고되고 있으며, 유해 물질의 생성이 전혀 없고, 화학적으로 안정된 것으로 평가되고 있다.
또한, 마그네슘 공기 전지는 에너지 밀도가 높아 고용량 전지 제조가 가능하고 마그네슘과 NaCl 전해질의 가격이 저렴하여 전기 자동차나 에너지 저장 시스템 등을 위한 대용량의 전지로 사용될 것으로 예상되고 있다.
이러한 마그네슘 공기 전지는 음극 전극 기판에서의 마그네슘의 산화 반응과 양극 전극 기판에서의 산소 환원 방응으로 인해 전기가 발생하는 간단한 반응이지만, 실제로는 이론적인 용량에 한참 미치지 못하는 수준의 용량만이 구현되고 있다.
상술한 현상의 원인이 다양하게 제시되고 있지만, 그 중에서 가장 심각한 것은 마그네슘 음극 기판에서 산화 반응에 의해 발생되는 Mg(OH)2와 같은 부산물이 마그네슘 음극 기판에 형성됨으로써, 마그네슘 음극 기판에서 산화 반응이 급격히 감소하는 것이다.
종래에는 상술한 현상을 억제하기 위하여 다양한 방식이 제시되었지만, 마그네슘 음극 기판에서 산화 반응에 의해 발생되는 Mg(OH)2와 같은 부산물을 효과적으로 제거하는데 어려움이 있었다.
한편, 최근에 후버 보드, 세그웨이 등을 포함하는 스마트 모빌리티나 퍼스널 모빌리티에 대한 관심이 폭발적으로 증대되고 있으나, 종래의 마그네슘 공기 전지는 벌크 타입으로 제공되어 후버 보드, 세그웨이 등을 포함하는 스마트 모빌리티나 퍼스널 모빌리티 기판에 밀착하여 체결시키기에 어려움이 있었다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 등록특허공보 10-1487465에 게시되어 있다.
따라서 본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 마그네슘 공기 전지의 성능이 유지되도록 음극 기판이 교체가능하면서도, 전해질 용액이 전극 내부를 출입함으로써, 마그네슘 음극 표면에 발생하는 Mg(OH)2와 같은 반응 부산물을 효과적으로 제거할 수 있으면서도 퍼스널 모빌리티 기판에 밀착하여 체결시킬 수 있는 소형 운송수단에 탑재가 가능한 금속-공기전지 시스템를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 소형 운송수단에 탑재가 가능한 금속-공기전지 시스템는 공기를 양극 기판으로 채용하고, 마그네슘을 음극 기판으로 채용하며, 상기 양극 기판과 상기 마그네슘 기판 사이에는 전해질이 배치되는 마그네슘 공기 전지에 있어서, 상기 마그네슘 음극 기판은 교체가능하며, 상기 마그네슘 음극 기판에는 타공된 공극이 다수 존재하고, 상기 마그네슘 음극 기판의 공극률은 40~50%이고, 상기 마그네슘 음극 기판에 타공된 공극의 반지름(r)은 상기 마그네슘 음극 기판의 두께(h)보다 작으며, 상기 공기 양극 기판 및 상기 마그네슘 음극 기판의 좌측에는 전해질을 보충해서 제공하는 전해질 보충부가 설치되고, 상기 공기 양극 기판 및 상기 마그네슘 음극 기판의 우측에는 상기 공기 양극 기판, 상기 마그네슘 음극 기판 및 상기 전해질에서 발생하는 가스를 제거하는 가스 제거부가 설치되며, 상기 전해질 보충부, 상기 공기 양극 기판, 상기 마그네슘 음극 기판 및 상기 가스 제거부의 하부에는 모빌리티 기판에 체결되는 경우에 상기 모빌리티 기판에 밀착하여 체결하기 위한 스프링이 설치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 소형 운송수단에 탑재가 가능한 금속-공기전지 시스템는 마그네슘 공기 전지의 성능이 유지되도록 음극 기판이 교체가능하면서도, 전해질 용액이 전극 내부를 출입함으로써, 마그네슘 음극 표면에 발생하는 Mg(OH)2와 같은 반응 부산물을 효과적으로 제거할 수 있으면서도 퍼스널 모빌리티 기판에 밀착하여 체결시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 소형 운송수단에 탑재가 가능한 금속-공기전지 시스템에 채용되는 교체가능한 마그네슘 공기 전지용 음극 기판의 공극률과 공정 압력의 상관도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 소형 운송수단에 탑재가 가능한 금속-공기전지 시스템는 공기를 양극 기판으로 사용하고, 마그네슘을 음극 기판으로 사용하며, 공기 양극 기판과 마그네슘 음극 기판 사이에는 전해질이 배치된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 소형 운송수단에 탑재가 가능한 금속-공기전지 시스템에 채용되는 마그네슘 음극 기판은 교체가능하며, 상기 마그네슘 음극 기판에는 타공된 공극이 다수 존재하고, 상기 마그네슘 음극 기판의 공극률은 40~50%이고, 상기 마그네슘 음극 기판에 타공된 공극의 반지름(r)은 상기 마그네슘 음극 기판의 두께(h)보다 작은 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 퍼스널 모빌리티용 마그네슘은 상기 공기 양극 기판 및 상기 마그네슘 음극 기판의 좌측에는 전해질을 보충해서 제공하는 전해질 보충부가 설치되고, 상기 공기 양극 기판 및 상기 마그네슘 음극 기판의 우측에는 상기 공기 양극 기판, 상기 마그네슘 음극 기판 및 상기 전해질에서 발생하는 가스를 제거하는 가스 제거부가 설치되며, 상기 전해질 보충부, 상기 공기 양극 기판, 상기 마그네슘 음극 기판 및 상기 가스 제거부의 하부에는 모빌리티 기판에 체결되는 경우에 상기 모빌리티 기판에 밀착하여 체결하기 위한 스프링이 설치된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 소형 운송수단에 탑재가 가능한 금속-공기전지 시스템에 채용되는 마그네슘 음극 기판의 제조 방법은 공기를 양극 기판으로 사용하고, 마그네슘을 음극 기판으로 사용하는 마그네슘 공기 전지에 채용될 수 있는 마그네슘 공기 전지의 기판 제조 방법에 관한 것이다.
먼저, WC-Co Jar에 WC-Co ball과 AZ91d 마그네슘 합금 파우더를 40:1의 비율로 투입하고, N2 또는 Ar 분위기에서, 에탄올(Ethanol)을 미디어로 이용하여 200 rpm으로 5시간 동안 밀링(milling)한다.
마그네슘은 급격한 부식성이 있고 폭발성이 있어, 내식성이 뛰어난 AZ91d 마그네슘 합금을 이용하는 것이 바람직하며, 에탄올(Ethanol)을 미디어로 이용함으로써, 마그네슘이 산화되는 것을 억제할 수 있다.
다음으로, 상기 에탄올 미디어에서 상기 마그네슘 분말을 분리하기 위하여 필터를 사용하여 상기 마그네슘 분말을 회수하고, 상기 회수된 마그네슘 분말을 동결 건조기에 투입하여 동결 건조한다.
다음으로, 상기 동결 건조된 마그네슘 분말을 1 톤 이하의 압력에서 30초 유지하여 직경 10~20mm의 몰드를 제작한다.
다음으로, 상기 제작된 몰드를 퍼니스 내부로 투입하여 20℃/min로 100℃까지 승온하고 20분간 유지한 후에 20℃/min로 420℃까지 승온하고 30분간 유지한 다음, 상기 제작된 몰드를 급속 쿨링한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 소형 운송수단에 탑재가 가능한 금속-공기전지 시스템에 채용되는 마그네슘 음극 기판의 제조 방법에 의해서 제조된 마그네슘 음극 기판은 교체가능하며, 상기 마그네슘 음극 기판에는 타공된 공극이 다수 존재하고, 상기 마그네슘 음극 기판의 공극률은 40~50%이고, 상기 마그네슘 음극 기판에 타공된 공극의 반지름(r)은 상기 마그네슘 음극 기판의 두께(h)보다 작은 것을 특징으로 한다.
상술한 마그네슘 음극 기판은 도 1에 도시된 것처럼, 모드 제작시에 압력이 증가되면 마그네슘 음극 기판의 공극률은 감소된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 교체가능한 마그네슘 공기 전지용 음극 기판의 제조 방법에 의해서 제조된 마그네슘 음극 기판은 타공된 공극이 전해질이 이동할 수 있는 채널로 활용되어 방전 과정에서 발생하는 Mg(OH)2와 같은 반응 부산물을 용이하게 제거할 수 있으므로, 마그네슘 공기 전지의 성능의 성능을 효과적으로 유지할 수 있다.
이상, 본 발명을 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다.
오히려, 첨부된 청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.
따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

Claims (1)

  1. 공기를 양극 기판으로 채용하고, 마그네슘을 음극 기판으로 채용하며, 상기 양극 기판과 상기 마그네슘 기판 사이에는 전해질이 배치되는 마그네슘 공기 전지에 있어서,
    상기 마그네슘 음극 기판은 교체가능하며,
    상기 마그네슘 음극 기판에는 타공된 공극이 다수 존재하고,
    상기 마그네슘 음극 기판의 공극률은 40~50%이고,
    상기 마그네슘 음극 기판에 타공된 공극의 반지름(r)은 상기 마그네슘 음극 기판의 두께(h)보다 작으며,
    상기 공기 양극 기판 및 상기 마그네슘 음극 기판의 좌측에는 전해질을 보충해서 제공하는 전해질 보충부가 설치되고,
    상기 공기 양극 기판 및 상기 마그네슘 음극 기판의 우측에는 상기 공기 양극 기판, 상기 마그네슘 음극 기판 및 상기 전해질에서 발생하는 가스를 제거하는 가스 제거부가 설치되며,
    상기 전해질 보충부, 상기 공기 양극 기판, 상기 마그네슘 음극 기판 및 상기 가스 제거부의 하부에는 모빌리티 기판에 체결되는 경우에 상기 모빌리티 기판에 밀착하여 체결하기 위한 스프링이 설치되는 것을 특징으로 하는 소형 운송수단에 탑재가 가능한 금속-공기전지 시스템.
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