KR20200052706A - 금속-공기 전지 및 금속-공기 전지의 작동방법 - Google Patents
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Abstract
금속-공기 전지 및 금속-공기 전지의 작동 방법에 관해 개시되어 있다. 개시된 금속-공기 전지는 금속의 산화와 산소 및 물의 환원을 이용하여 전기를 생성하는 전지 셀 모듈, 전지 셀 모듈에 수증기를 공급하는 수증기 공급부; 및 전지 셀 모듈로부터 수증기를 회수하는 수증기 회수부;를 포함할 수 있다. 충전 과정에서 생성되는 수증기를 회수하여 수증기 농도를 제어함으로써, 충전 및 방전 상태를 조절할 수 있는 금속-공기 전지 및 금속-공기 전지의 작동 방법을 제공할 수 있다.
Description
개시된 실시예들은 이차 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속-공기 전지 및 금속-공기 전지의 작동방법에 관한 것이다.
금속-공기 전지는 이온의 흡장 및 방출이 가능한 음극과 공기 중의 산소를 활물질로서 사용하는 양극을 포함한다. 양극에서는 외부로부터 유입되는 산소의 환원 및 산화 반응이 일어나고, 음극에서는 금속의 산화 및 환원 반응이 일어나며, 이때 발생하는 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환시켜 추출한다. 예를 들어, 금속-공기 전지는 방전시에는 산소를 흡수하고 충전시에는 산소를 방출한다. 이와 같이, 금속-공기 전지는 공기 중에 존재하는 산소를 이용하기 때문에, 전지의 에너지 밀도를 크게 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 금속-공기 전지는 기존의 리튬 이온 전지보다 수배 이상 높은 에너지 밀도를 가질 수 있다.
금속-공기 전지에서 양극은 전자 이동 통로 및 이온 이동 통로의 역할을 담당할 수 있으므로 금속-공기 전지의 용량이나 성능은, 예컨대, 양극(공기극)의 소재 및 구성에 의해 상당한 영향을 받을 수 있다. 금속-공기 전지가 고체 전해질을 포함하는 전고체 금속-공기 전지로 구현되는 경우, 양극과 고체 전해질의 낮은 금속 이온 전도도 및 전자 전도도와 큰 계면저항으로 인해 반응속도 저하의 문제점이 발생될 수 있다.
우수한 충방전 특성을 구비하는 금속-공기 전지 및 금속-공기 전지의 작동 방법을 제공한다.
방전 과정에서 수증기를 공급하고, 충전 과정에서 생성되는 수증기를 회수하여 수증기 농도를 제어함으로써, 충전 및 방전 상태를 조절할 수 있는 금속-공기 전지 및 금속-공기 전지의 작동 방법을 제공한다.
수증기를 공급하여 금속 이온 전도도 및 전자 전도도를 향상시키고 계면저항을 감소시킬 수 있는 전고체 금속-공기 전지 및 금속-공기 전지의 작동 방법을 제공한다.
일 측면(aspect)에 따르면, 금속의 산화와 산소 및 물의 환원을 이용하여 전기를 생성하는 전지 셀 모듈; 상기 전지 셀 모듈에 수증기를 공급하는 수증기 공급부; 및 상기 전지 셀 모듈로부터 수증기를 회수하는 수증기 회수부;를 포함하는 금속-공기 전지를 제공할 수 있다.
상기 전지 셀 모듈은 금속을 포함하는 음극부; 상기 산소 및 물을 활물질로 사용하는 양극부; 및 상기 음극부와 상기 양극부 사이에 배치되는 고체 전해질층:를 포함할 수 있다.
외부에서 유입된 공기를 정화하여 상기 수증기 공급부로 정화된 공기를 공급하는 공기 정화 모듈;을 더 포함하며 상기 수증기 공급부는 상기 정화된 공기와 상기 수증기를 상기 전지 셀 모듈에 공급할 수 있다.
상기 수증기 회수부로부터 전달된 건조한 공기를 정화하여 상기 수증기 공급부로 정화된 공기를 공급하는 공기 정화 모듈;을 더 포함하며, 상기 수증기 회수부는, 외부에서 유입된 공기에서 수증기를 제거한 상기 건조한 공기를 상기 공기 정화 모듈로 전달하고, 상기 수증기 공급부는 상기 정화된 공기와 상기 수증기를 상기 전지 셀 모듈에 공급할 수 있다.
상기 수증기 공급부로부터 상기 전지 셀 모듈로 공급되는 상기 수증기의 유체 연통을 단속하는 제1 유체 단속부; 를 더 포함할 수 있다.
상기 전지 셀 모듈 내부의 수증기 농도를 측정하는 수증기 농도 측정부; 및 상기 전지 셀 모듈 내부의 수증기 농도에 따라 상기 제1 유체 단속부의 개폐 여부를 제어하는 제어부; 를 더 포함할 수 있다.
상기 전지 셀 모듈로부터 상기 수증기 회수부로 회수되는 상기 수증기의 유체 연통을 단속하는 제2 유체 단속부; 를 더 포함할 수 있다.
상기 전지 셀 모듈 내부의 수증기 농도를 측정하는 수증기 농도 측정부; 및 상기 전지 셀 모듈 내부의 수증기 농도에 따라 상기 제2 유체 단속부의 개폐 여부를 제어하는 제어부; 를 더 포함할 수 있다.
상기 전지 셀 모듈에서 수증기를 회수하기 위해 상기 전지 셀 모듈에 음압을 인가하는 펌프;를 더 포함할 수 있다.
상기 공기 정화 모듈로부터 상기 수증기 공급부로 공급되는 상기 정화된 공기의 유동을 단속하는 제3 유체 단속부; 를 더 포함할 수 있다.
상기 전지 셀 모듈 내부의 산소 농도를 측정하는 산소 농도 측정부; 및 상기 전지 셀 모듈 내부의 산소 농도에 따라 상기 제3 유체 단속부의 개폐 여부를 제어하는 제어부; 를 더 포함할 수 있다.
상기 공기 정화 모듈은 PSA(pressure swing adsorption), TSA(thermal swing adsorption), PTSA(pressure thermal swing adsorption), VSA(vacuum swing adsorption), 선택적 분리 방법 또는 이들 중 2 이상의 방법으로 작동될 수 있다.
상기 수증기 공급부와 상기 수증기 회수부는 유체 연통하며, 상기 수증기 회수부로부터 회수된 상기 수증기가 상기 수증기 공급부에 전달될 수 있다.
다른 측면에 따르면, 금속의 산화와 산소 및 물의 환원을 이용하여 전기를 생성하는 전지 셀 모듈을 포함하는 금속-공기 전지의 작동 방법에 관한 것으로서, 공기 정화 모듈로 외부 공기가 유입되어 정화되는 단계; 상기 공기 정화 모듈로부터 수증기 공급부로 정화된 공기를 공급하는 단계; 수증기 공급부로부터 상기 전지 셀 모듈에 상기 정화된 공기 및 수증기를 공급하는 단계; 및 상기 전지 셀 모듈로부터 수증기 회수부로 수증기를 회수하는 단계;를 포함하는 금속-공기 전지의 작동 방법을 제공할 수 있다.
상기 전지 셀 모듈은 금속을 포함하는 음극부; 상기 산소 및 물을 활물질로 사용하는 양극부; 및 상기 음극부와 상기 양극부 사이에 배치되는 고체 전해질층:를 포함할 수 있다.
상기 금속-공기 전지의 방전 과정에서, 상기 전지 셀 모듈 내부의 수증기 농도를 측정하는 단계; 및 상기 전지 셀 모듈 내부의 수증기 농도에 따라, 상기 수증기 공급부로부터 상기 전지 셀 모듈로 공급되는 상기 수증기의 유체 연통을 단속하는 제1 유체 단속부의 작동을 제어하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
제2 유체 단속부는 상기 전지 셀 모듈로부터 상기 수증기 회수부로 회수되는 상기 수증기의 유체 연통을 단속하거나 일정한 시간 간격에 따라 외부로 배출할 수 있다.
상기 금속-공기 전지의 충전 과정에서, 상기 전지 셀 모듈 내부의 수증기 농도를 측정하는 단계; 및 상기 전지 셀 모듈 내부의 수증기 농도에 따라, 상기 전지 셀 모듈로부터 상기 수증기 회수부로 회수되는 상기 수증기의 유체 연통을 단속하는 제2 유체 단속부의 작동을 제어하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 전지 셀 모듈 내부의 압력을 유지하기 위해 외부에서 공기가 유입되거나, 공기 정화 모듈로부터 건조한 산소가 유입되거나 수증기 회수부로부터 건조한 공기가 일정한 시간 간격에 따라 유입될 수 있다.
상기 금속-공기 전지의 방전 과정에서, 상기 전지 셀 모듈 내부의 산소 농도를 측정하는 단계; 및 상기 전지 셀 모듈 내부의 산소 농도에 따라, 상기 공기 정화 모듈로부터 상기 전지 셀 모듈로 공급되는 상기 정화된 공기의 유체 연통을 단속하는 제3 유체 단속부의 작동을 제어하는 단계; 를 더 포함할 수 있다.
제2 유체 단속부는 상기 전지 셀 모듈로부터 상기 수증기 회수부로 회수되는 상기 정화된 공기의 유체 연통을 단속하거나 일정한 시간 간격에 따라 외부로 배출할 수 있다.
상기 금속-공기 전지의 충전 과정에서, 상기 전지 셀 모듈 내부의 수증기 농도를 측정하는 단계; 및 상기 전지 셀 모듈에서 상기 수증기 회수부로 상기 수증기를 회수하기 위해 상기 전지 셀 모듈에 음압을 인가하는 단계를 더 포함할 수 있다.
우수한 성능을 갖는 금속-공기 전지를 구현할 수 있다. 방전 과정에서 수증기를 공급하고, 충전 과정에서 생성되는 수증기를 회수하여 수증기 농도를 제어함으로써, 충전 및 방전 상태를 조절할 수 있는 금속-공기 전지 및 금속-공기 전지의 작동 방법을 제공할 수 있다. 수증기를 공급하여 금속 이온 전도도 및 전자 전도도를 향상시키고 계면저항을 감소시킬 수 있는 전고체 금속-공기 전지 및 금속-공기 전지의 작동 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 일 예시에 따른 금속 공기 전지의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 전지 셀의 개략도이다.
도 3은 다른 예시에 따른 금속 공기 전지의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
도 4는 일 예시에 따른 금속-공기 전지의 작동 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5a는 예시적인 일 실시예에 따른 금속-공기 전지의 구성을 보여주는 단면도이다.
도 5b는 예시적인 비교예에 따른 금속-공기 전지의 구성을 보여주는 단면도이다.
도 6 및 도 7은 실시예 및 비교예에 따른 전기화학적 모듈에 대한 시뮬레이션 결과를 보여주는 그래프이다.
도 8a 내지 도 8c는 다른 예시에 따른 금속 공기 전지의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
도 9는 또 다른 예시에 따른 금속 공기 전지의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
도 10은 일 예시에 따른 금속-공기 전지의 방전 과정에서 금속-공기 전지의 작동 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 11은 일 예시에 따른 금속-공기 전지의 충전 과정에서 금속-공기 전지의 작동 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2는 도 1에 도시된 전지 셀의 개략도이다.
도 3은 다른 예시에 따른 금속 공기 전지의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
도 4는 일 예시에 따른 금속-공기 전지의 작동 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5a는 예시적인 일 실시예에 따른 금속-공기 전지의 구성을 보여주는 단면도이다.
도 5b는 예시적인 비교예에 따른 금속-공기 전지의 구성을 보여주는 단면도이다.
도 6 및 도 7은 실시예 및 비교예에 따른 전기화학적 모듈에 대한 시뮬레이션 결과를 보여주는 그래프이다.
도 8a 내지 도 8c는 다른 예시에 따른 금속 공기 전지의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
도 9는 또 다른 예시에 따른 금속 공기 전지의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
도 10은 일 예시에 따른 금속-공기 전지의 방전 과정에서 금속-공기 전지의 작동 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 11은 일 예시에 따른 금속-공기 전지의 충전 과정에서 금속-공기 전지의 작동 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하, 실시예들에 따른 금속-공기 전지를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면에 도시된 층이나 영역들의 폭 및 두께는 명세서의 명확성 및 설명의 편의성을 위해 다소 과장되어 있을 수 있다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 일 예시에 따른 금속 공기 전지의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다. 도 2는 도 1에 도시된 전지 셀의 개략도이다. 도 3은 다른 예시에 따른 금속 공기 전지의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
도 1 내지 도 2를 참조하면, 일 예시에 따른 금속 공기 전지(1)는 전지 셀 모듈(10), 수증기 공급부(20)와 수증기 회수부(30)를 포함하는 수증기 공급/회수부(11) 및 공기 정화 모듈(35)를 포함할 수 있다. 전지 셀 모듈(10)은 복수의 전지 셀(100)들을 포함할 수 있으며, 금속의 산화와 산소 및 수증기의 환원을 이용하여 전기를 생성할 수 있다. 일 예시에 따른 전지 셀(100)은 음극부(110), 양극부(120), 고체 전해질층(130), 음극 전해질층(140)을 포함할 수 있다.
음극부(110)는 금속 이온을 흡장 및 방출할 수 있는 물질을 포함할 수 있다. 이러한 물질은, 예를 들어, 리튬(Li), 나트륨(Na), 아연(Zn), 칼륨(K), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 철(Fe), 알루미늄(Al) 또는 이들 중 두 개 이상으로 이루어진 합금을 포함할 수 있다. 예컨대, 음극부(110)는 리튬(Li)을 포함할 수 있다. 이 경우, 음극부(110)는 리튬, 리튬 기반의 합금, 리튬 삽입 화합물(lithium intercalating compound) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 음극부(110)가 리튬을 포함하는 경우, 본 실시예에 따른 금속-공기 전지는 '리튬-공기 전지'라고 할 수 있다.
양극부(120)는 공기 중의 산소(O2)와 수증기(H2O)를 활물질로 사용하는 전극부일 수 있다. 음극부(110)로부터 제공된 금속 이온과 양극부(120)로 제공된 가스(즉, 산소) 및 수증기의 전기화학 반응을 위해, 양극부(120)는 금속 이온 및 전자의 이동 통로를 제공할 수 있다.
본 실시예에 따른 금속-공기 전지가 리튬-공기 전지인 경우, 방전시 양극부(120)에서 다음과 같은 전기화학 반응이 일어날 수 있다.
2Li+ + 1/2O2 + H2O + 2e- 2LiOH
음극부(110)로부터 제공된 리튬 이온(Li+)과 대기(공기)로부터 제공된 산소(O2)와 수증기(H2O)가 양극부(120)의 표면에서 전자(e-)와 함께 결합(반응)하여 수산화리튬(LiOH)을 생성할 수 있다. 이때, 양극부(120)는 리튬 이온(Li+)의 이동 통로 및 전자(e-)의 이동 통로를 모두 제공할 수 있다. 여기서 생성된 수산화리튬(LiOH)은 반응생성물의 일례라고 할 수 있다. 충전시에는 방전 반응이 반대로 진행될 수 있다.
일 예로서, 양극부(120)는 금속 이온(Li+) 및 전자(e-)의 이동 통로를 제공할 수 있는 복합전도성 물질을 포함할 수 있다. 복합전도성 물질의 양이온 전도도와 전자 전도도를 조정하기 위해서, 복합전도성 물질의 조성비나 도펀트를 제어할 수 있다. 동일한 조성의 물질이라도, 조성비나 도펀트에 따라 양이온 전도도와 전자 전도도가 달라질 수 있다. 복합전도성 물질은, 예를 들어, 리튬계 산화물 및 나트륨계 산화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
고체 전해질층(130)은 음극부(110)로부터 제공된 금속 이온의 이동 통로를 제공할 수 있다. 일 예로서, 고체 전해질층(130)은 전자 전도 및 금속 이온 전도가 모두 가능한 복합전도성 물질을 포함할 수 있다. 복합전도성 물질의 양이온 전도도와 전자 전도도를 조정하기 위해서, 복합전도성 물질의 조성비나 도펀트를 제어할 수 있다. 동일한 조성의 물질이라도, 조성비나 도펀트에 따라 양이온 전도도와 전자 전도도가 달라질 수 있다. 복합전도성 물질은, 예를 들어, 리튬계 산화물 및 나트륨계 산화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이 양극부(120)과 고체 전해질층(130)에 포함된 복합 전도성 물질은 무기물 기반의 고체 화합물일 수 있다. 따라서, 양극부(120)와 고체 전해질층(130)은 유기계 전해질을 포함하지 않는 전극, 즉, 유기 전해질-프리(organic electrolyte-free)한 전극일 수 있다. 또한, 양극부(120)는 액체 전해질을 포함하지 않는 전극, 즉, 액체 전해질-프리(liquid electrolyte-free)한 전극일 수 있다.
음극 전해질층(140)은 음극부(110)와 양극부(120) 사이에 이온의 전도가 가능하도록 이온 전도성 물질을 포함할 수 있다. 음극 전해질층(140)은 고체 전해질을 포함할 수 있다. 음극 전해질층(140)의 전해질은 고분자계 전해질, 무기계 전해질 또는 이들을 혼합한 복합 전해질을 포함하는 고체상일 수 있다. 예를 들어, 음극 전해질층(140)으로는 폴리프로필렌(polypropylene) 소재의 부직포나 폴리페닐렌 설파이드(polyphenylene sulfide) 소재의 부직포 등의 고분자 부직포, 폴리에틸렌(polyethylene)이나 폴리프로필렌(polypropylene) 등의 올레핀계(olefin-based) 수지의 다공성 필름 등을 사용할 수 있다. 그러나 고체 전해질의 구체적인 물질은 예시적인 것이고, 이는 다양하게 변화될 수 있다.
도 2에 도시하지 않았으나, 대기 중의 산소를 흡수하여 양극부(120)에 제공하는 가스확산층이 배치될 할 수 있다. 이를 위해, 가스확산층은 산소를 원활하게 확산시킬 수 있도록 다공성 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 탄소 섬유(carbon fiber)를 사용한 카본 페이퍼(carbon paper), 카본 직물(carbon cloth), 카본 펠트(carbon felt) 또는 스펀지상의 발포 금속이나 금속 섬유 매트를 사용하여 가스확산층을 형성할 수 있다. 그러나, 양극부(120)가 가스확산층의 역할을 함께 수행할 수 있도록 다공성 구조 또는 그와 유사한 구조로 제작될 수도 있다. 이 경우, 가스확산층은 생략될 수 있다. 더불어, 가스확산층에 접촉하도록 배치되는 양극집전체(cathode current collector)와 음극부(110)에 접촉도록 배치되는 음극집전체(anode current collector)가 제공될 수 있다. 일 예로서, 음극집전체는 음극부의 일부로 여길 수 있고, 이와 유사하게, 양극집전체는 양극부의 일부로 여길 수 있다.
본 실시예에 따른 금속-공기 전지는 액체 전해질을 포함하지 않는 액체 전해질-프리(liquid electrolyte-free)한 전지일 수 있다. 또한, 실시예에 따른 금속-공기 전지는 유기 전해질을 포함하지 않는 유기 전해질-프리(organic electrolyte-free)한 전지일 수 있다. 이와 같이, 금속-공기 전지는 유기 전해질-프리 또는 액체 전해질-프리한 전지일 수 있다.
상술한 바와 같이, 전지 셀(100)이 액체 전해질-프리한 전고체 금속-공기 전지로 구현되는 경우, 양극부(120)와 고체 전해질층(130)의 낮은 금속 이온 전도도 및 전자 전도도와 큰 계면저항으로 인해 반응속도 저하의 문제점이 발생될 수 있다. 따라서, 종래의 금속-공기 전지에 배치된 공기 흡입 시스템의 주요 목적이 수분을 제거 하는 것이었다면, 전고체 금속-공기 전지로 구현된 본 개시의 일 예시에서는, 방전과정에서 금속 이온 전도도 및 전자 전도도를 향상시키고 계면저항을 감소시킬 수 있는 첨가제, 예를 들어 수증기를 공급하고, 충전과정에서 생성된 불필요한 수증기를 회수할 필요성이 있다.
수증기 공급/회수부(11)는 금속-공기 전지(1)가 방전하는 경우 수증기를 전지 셀 모듈(10)에 공급하고, 금속-공기 전지(1)가 충전하는 경우 수증기를 전지 셀 모듈(10)로부터 회수할 수 있다. 일 예로서, 수증기 공급/회수부(11)는 수증기를 전지 셀 모듈(10)에 공급하는 수증기 공급부(20)와 수증기를 전지 셀 모듈(10)로부터 회수하는 수증기 회수부(30)를 포함할 수 있다. 이때, 수증기 공급부(20)와 수증기 회수부(30)는 도 1에 도시된 바와 같이 일체로 형성되거나, 도 3에 도시된 바와 같이 분리하여 형성될 수도 있다.
수증기 공급부(20)는 양극부(120)의 금속 이온 전도도 및 전자 전도도를 향상시키고 계면저항을 감소시키기 위해 전지 셀 모듈(10)에 수증기(H2O)를 공급할 수 있는 공급 장치이다. 일 예로서, 수증기 공급부(20)는 금속-공기 전지의 충방전 속도에 따라 수증기(H2O)를 공급하는 속도를 조절할 수 있다.
수증기 공급부(20)를 통해 공급된 수증기(H2O)는 양극부(120)의 표면에 부착되어 금속 이온 전도도 및 전자 전도도를 향상시키고 계면저항을 감소시킬 수 있다. 또한 수증기 공급부(20)를 통해 공급된 수증기(H2O)는, 방전 과정에서 대기(공기)로부터 제공된 산소(O2)와 함께 양극부(120)의 표면에서 전자(e-)와 함께 결합(반응)하여 수산화리튬(LiOH)을 생성하거나 충전 과정에서 수산화리튬(LiOH)이 분해되어 수증기(H2O)로 복귀될 수 있다.
수증기 회수부(30)는 전지 셀 모듈(10)에 형성된 불필요한 수증기(H2O)를 회수할 수 있다. 일 예로서, 수증기 회수부(30)는 수증기 응축기로 구현될 수 있으나 본 개시가 이에 제한되는 것은 아니다. 일 예시에 따르면, 수증기 공급부(20)와 수증기 회수부(30)는 유체 연통하도록 마련될 수 있다. 이때, 수증기 회수부(30)는 전지 셀 모듈(10)로부터 회수된 수증기를 응축하여 수증기 공급부(20)로 전달할 수 있다. 또한 일 예시에 따르면, 수증기 회수부(30)에는 외부 공기가 유입될 수도 있으며, 이때 수증기 회수부(30)는 외부 공기에 포함된 수증기를 응축하여 외부 공기로부터 수증기를 제거할 수 있다.
공기 정화 모듈(35)은 공기 중의 수증기(H2O), 질소(N2) 및 이산화탄소(CO2) 등과 같은 불순물을 제거하여 공기를 정화시키고, 정화된 공기를 전지 셀 모듈(10)에 공급할 수 있다. 공기 정화 모듈(35)은 전지 셀 모듈(10)과 직접 유체 연통(fluid communication)되도록 배치되거나 수증기 공급부(20)를 경유하여 전지 셀 모듈(10)과 유체 연통되도록 배치될 수 있다. 일 예로서, 수증기 공급부(20)와 수증기 회수부(30)가 도 1에 도시된 바와 같이 일체로 형성되는 경우, 외부 공기(Air)는 공기 정화 모듈(35)로 직접 유입될 수 있으며, 이때, 공기 정화 모듈(35)은 공기 중의 수증기(H2O), 질소(N2) 및 이산화탄소(CO2) 등과 같은 불순물을 제거하여 건조한 산소(dry O2) 상태의 정화된 공기를 수증기 공급/회수부(11)에 전달할 수 있다. 또한, 일 예로서, 수증기 공급부(20)와 수증기 회수부(30)가 도 3에 도시된 바와 같이 분리되어 형성되는 경우, 외부 공기(Air)는 수증기 회수부(30)에 유입되어 수증기가 제거된 건조한 공기(dry Air)가될 수 있으며, 공기 정화 모듈(35)은 건조한 공기(dry Air)에 포함된 질소(N2) 및 이산화탄소(CO2) 등과 같은 불순물을 제거할 수 있다.
공기 정화 모듈(35)은 PSA(pressure swing adsorption), TSA(thermal swing adsorption), PTSA(pressure thermal swing adsorption), VSA(vacuum swing adsorption), 선택적 분리 방법 또는 이들 중 2 이상의 방법으로 운전되도록 구성될 수 있다. 본 명세서에서, 용어 「PSA」는 높은 압력에서 특정 가스가 흡착재에 우선적으로 흡착 또는 포획되고, 압력이 감소할 경우 상기 특정 가스가 탈착 또는 방출되는 원리로 작동하는 기술을 의미하고, 용어 「TSA」는 상온에서 특정 가스가 흡착재에 우선적으로 흡착 또는 포획되고, 온도가 증가할 경우 상기 특정 가스가 탈착 또는 방출되는 원리로 작동하는 기술을 의미하고, 용어 「PTSA」는 상기 「PSA」 및 「TSA」가 조합된 기술을 의미하고, 용어 「VSA」는 대기압 부근에서 특정 가스가 흡착재에 우선적으로 흡착 또는 포획되고, 진공하에서 상기 특정 가스가 탈착 또는 방출되는 원리로 작동하는 기술을 의미한다. 일 실시예에 따른 금속-공기 전지(1)의 충전 및 방전에 대한 보다 구체적인 작동 방법은 도 4를 참조하여 후술한다.
도 4는 일 예시에 따른 금속-공기 전지의 작동 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 1 및 도 4를 참조하면, 단계 110에서, 공기 정화 모듈(35)로 외부 공기(Air)가 유입될 수 있으며, 공기 정화 모듈(35)은 외부 공기에 포함된 불순물을 제거하여 외부 공기(Air)를 정화할 수 있다. 일 예로서, 공기 정화 모듈(35)은 PSA(pressure swing adsorption), TSA(thermal swing adsorption), PTSA(pressure thermal swing adsorption), VSA(vacuum swing adsorption), 선택적 분리 방법 또는 이들 중 2 이상의 방법으로 외부 공기(Air) 중의 수증기(H2O), 질소(N2) 및 이산화탄소(CO2) 등과 같은 불순물을 제거하여 정화된 공기(A11)를 생성할 수 있다. 이때, 정화된 공기(A11)는 수증기(H20)가 제거된 상태일 건조한 산소(dry O2) 상태일 수 있다.
단계 120에서, 공기 정화 모듈(35)로부터 수증기 공급부(20)로 정화된 공기(A11)를 공급할 수 있다. 일 예로서, 공기 정화 모듈(35) 로부터 수증기 공급부(20)로 정화된 공기(A11)가 공급되는 경우, 정화된 공기(A11)는 수증기 공급부(20)로부터 수증기를 추가적으로 공급받아 수증기가 포함된 정화된 공기(H20 + O2; A2) 상태일 수 있다.
단계 130에서, 수증기 공급부(20)로부터 전지 셀 모듈(10)에 수증기 및 정화된 공기(A2)를 공급할 수 있다. 일 예로서, 금속-공기 전지(1)가 방전되는 경우, 수증기 및 산소를 활물질로 사용하는 양극부(120)에 수증기 및 정화된 공기(A2)가 공급될 수 있다. 이때, 상술한 반응식에서 확인할 수 이는 바와 같이, 금속-공기 전지(1)는 수산화리튬(LiOH)을 반응생성물로 생성하며 전기를 생성할 수 있다.
단계 140에서, 전지 셀 모듈(10)로부터 수증기 회수부(30)로 수증기(H20)를 회수할 수 있다. 일 예로서, 금속-공기 전지(1)가 충전되는 경우, 상술한 반응식에서 확인할 수 이는 바와 같이, 양극부(120)로부터 산소(O2) 및 수증기(H20)가 지속적으로 생성되고, 이로 인해 전지 셀 모듈(10) 내부에 산소(O2) 및 수증기(H20)의 양이 높아질 수 있다. 따라서, 금속 공기 전지(1)가 충전되는 경우, 금속 공기 전지(1)의 사용 조건 및 전지 셀 모듈(10)의 내부 조건에 따라 전지 셀 모듈(10) 내부에 배치된 산소(O2) 및 수증기(H20) 등을 외부로 적절히 배출시킬 수 있어야 한다.
일 예시에 따르면, 금속-공기 전지(1)의 충전과정에서 생성된 수증기(H20)는 수증기 회수부(30)를 통해 회수될 수 있다. 이때, 수증기 회수부(30)에 회수된 수증기는 수증기 공급부(20)로 전달되어 재사용될 수 있다. 또한, 이때, 금속-공기 전지(1)의 충전과정에서 생성된 산소(02)는 전지 셀 모듈(10) 또는 수증기 회수부(30)를 통해 외부로 배출될 수 있다. 이에 따라 전지 셀 모듈(10) 내부의 수증기 및 산소의 양이 조절되어 충전 효율의 저하를 방지할 수 있다. 또한, 이때 공기 정화 모듈(35)에서는 정화된 공기(A12)를 공급할 수 있으며, 이에 따라 전지 셀 모듈(10)의 내부 압력이 소정의 범위 이상 유지되어 수증기 회수부(30)로 산소 및 수증기가 배출될 수 있다.
도 5a는 예시적인 일 실시예에 따른 금속-공기 전지의 구성을 보여주는 단면도이다. 도 5b는 예시적인 비교예에 따른 금속-공기 전지의 구성을 보여주는 단면도이다. 도 6 및 도 7은 실시예 및 비교예에 따른 전기화학적 모듈에 대한 실험 결과를 보여주는 그래프이다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 본 실시예 및 비교예에 따른 금속-공기 전지는 코인 셀(coin cell) 형태를 갖는다. 복수의 개구영역(H1)을 갖는 케이스(180) 내에 전지의 구성요소들이 구비될 수 있다. 케이스(180)의 하면에 지지구조체(190)가 구비될 수 있다. 지지구조체(190)는, 예컨대, 스페이서(spacer) 및 스프링 부재(spring member)를 포함할 수 있다. 지지구조체(190) 상에 금속을 포함하는 음극부(110)가 구비될 수 있다. 음극부(110) 상에 반응억제층(191) 및 음극 전해질층(140)이 차례로 구비될 수 있다. 반응억제층(191)은 음극부(110)와 음극 전해질층(140) 사이에 개재된 것으로, 이들 사이의 반응을 억제/방지하는 역할을 할 수 있다. 반응억제층(191)은 이온 전도 기능을 가질 수 있다.
양극부(120) 및 고체 전해질층(130)은 음극 전해질층(140) 상에 배치될 수 있다. 양극부(120) 및 고체 전해질층(130)은 복수의 공극을 포함하는 구조를 가질 수 있다. 양극부(120) 상에 전기전도성 물질층(이하, 도전층)(192)이 구비될 수 있고, 도전층(192) 상에 가스확산층(193)이 구비될 수 있다. 실시예에서 가스확산층(193)은 복수의 개구영역(H1)에 인접하게 배치되어, 산소(O2) 및 수증기(H20)를 양극부(120)로 공급하는 역할을 할 수 있다. 비교예에서 가스확산층(193)은 복수의 개구영역(H1)에 인접하게 배치되어 산소(dry O2)를 양극부(120)로 공급하는 역할을 할 수 있다.
구체적인 예로, 음극부(110)은 Li을 포함할 수 있고, 양극부(120)는 실시예 LLMnO (Lithium Lanthanum Manganese Oxide)을 포함하고, 고체 전해질층(130)은 LATP (lithium aluminum titanium phosphate)를 포함할 수 있다. 음극 전해질층(140)은 1M LiTFSI/PEGDME(Poly(ethylene glycol) dimethyl ether)을 더 포함할 수 있다. 도전층(192)은 Au를 포함할 수 있다. 실시예에서 금속 공기 전지(1)에 포함된 전지 셀에서 작동 온도는 40도로 설정되며, 상대습도가 100% 가 되도록 수증기(H20) 및 산소(O2)를 공급하고, 1 μA/cm2의 정전류로 충방전 사이클을 수행하였다. 비교예에서는 금속 공기 전지에 포함된 전지 셀에서 작동 온도를 40도로 설정하고, 건조 산소(dry O2)를 공급하고, 1 μA/cm2의 정전류로 충방전 사이클을 수행하였다.
도 6에 도시된 바와 같이, 산소(O2)만을 공급하는 비교예와 비교하여 상대습도가 100% 가 되도록 수증기(H20) 및 산소(O2)를 공급하는 실시예에서 반응 전압(E0)이 2.96V에서 3.4V로 상승하고, 충방전 재현성 및 순환성이 개선되는 결과를 확인할 수 있다. 이는, 양극부(120)의 금속 이온 전도도 및 전자 전도도가 향상되고 계면저항이 감소하였음을 의미한다. 따라서, 금속 이온 및 전자의 이동 통로로 제공되는 양극부(120)에 수증기(H20)를 부가하는 실시예에 따른 금속-공기 전지(1)는 전지의 성능 향상 및 수명 연장에 유리할 수 있다.
또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 상대습도가 100% 가 되도록 수증기(H20) 및 산소(O2)를 공급하는 실시예에서 방전 생성물(LiOH)의 산화 뿐만 아니라 방전 후 생성물인 산소 및 수증기의 산화에 의한 영향이 추가될 수 있으며, 이에 따라 충방전 재현성 및 순환성이 저하되는 결과를 확인할 수 있다. 이는, 양극부(120)에서 생성된 불필요한 수증기 및 산소에 의해 충전 재현성이 감소하였음을 의미한다. 따라서, 금속-공기 전지(1)의 충전 과정에서, 금속-공기 전지(1)의 내부 조건에 따라 불필요한 반응 생성물인 수증기와 산소를 전지 셀 모듈(10) 내부에서 배출시키는 경우, 금속-공기 전지(1)의 충전 효율의 저하를 방지할 수 있다. 더불어, 금속-공기 전지(1)의 방전 과정에서, 전지 셀 모듈(10) 내부에 공급되는 산소와 수증기의 농도를 증가시키는 경우, 금속-공기 전지(1)의 방전 효율의 저하를 방지할 수 있다. 금속-공기 전지(1)의 충전 및 방전 효율의 저하를 방지하기 위해 전지 셀 모듈(10) 내부에 공급되는 산소와 수증기 유동 및 전지 셀 모듈(10)로부터 배출되는 산소와 수증기의 유동을 제어할 필요성이 있다.
도 8a 내지 도 8c는 다른 예시에 따른 금속 공기 전지의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다. 도 9는 또 다른 예시에 따른 금속 공기 전지의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
도 8a 내지 도 8c를 참조하면, 일 예시에 따른 금속 공기 전지(1)는 전지 셀 모듈(10), 수증기 공급부(20), 수증기 회수부(30), 공기 정화 모듈(35), 제1 유체 단속부(40), 제2 유체 단속부(50), 제어부(60), 제3 유체 단속부(75) 및 측정부(80)를 포함할 수 있다. 전지 셀 모듈(10), 수증기 공급부(20), 수증기 회수부(30) 및 공기 정화 모듈(35)과 관련된 서술은 도 3 과 실질적으로 동일하므로 설명의 편의상 여기서는 서술을 생략한다.
제1 유체 단속부(40)는 수증기 공급부(20)로부터 전지 셀 모듈(10)로 공급되는 수증기의 유체 연통을 단속할 수 있는 차단장치이다. 예를 들어 제1 유체 단속부(40)는 수증기 공급부(20)의 배출부에 배치되어 전지 셀 모듈(10)로 공급되는 수증기의 유체 연통을 단속할 수 있다. 금속 공기 전지(1)가 방전되는 경우, 상술한 반응식으로부터 알 수 있듯이 양극부(120)에 수증기가 공급되어 수증기 분자를 활물질로 사용할 수 있다.
일 예로서 제1 유체 단속부(40)는 전자 구동식 개폐 밸브일 수 있으며, 개폐 밸브를 구동하여 전지 셀 모듈(10)로 공급되는 수증기의 유량을 조절할 수 있다. 전자 구동식 개폐 밸브는 전자 구동장치인 솔레노이드에 의하여 구동될 수 있으며, 솔레노이드에 전달되는 펄스형상 여자(勵磁)전류의 온·오프에 의하여, 개폐 밸브의 단속 및 해제를 전환할 수 있다. 후술하게 될 제어부(60)로부터 출력되는 제어신호에 의하여 전자 구동식 개폐 밸브의 단속 및 해제 시기가 제어됨에 따라, 수증기 공급부 (20)로부터의 수증기 배출은 높은 정밀도 및 높은 응답성을 갖도록 제어될 수 있다.
제1 유체 단속부(40)는, 수증기 공급부(20)로부터 배출되는 수증기의 유동을 제어하기 위해 개구 면적(개방도) 및 개방시간 중 적어도 한쪽을 변경할 수 있다. 일 예로서 제1 유체 단속부(40)는 단속 시간 및 해제 시간을 반복적으로 수행하는 단속 사이클에 의해 수증기 공급부(20)로부터 배출되는 수증기의 유동을 제어할 수 있다.
제2 유체 단속부(50)는 전지 셀 모듈(10)과 수증기 회수부(30) 사이에 배치되어 전지 셀 모듈(10)과 수증기 회수부(30) 사이에서 발생되는 유체 연통을 단속할 수 있는 차단장치이다. 예를 들어 제2 유체 단속부(50)는 전자 구동식 개폐 밸브로 형성될 수 있으며, 금속 공기 전지(1)의 충전 과정에서, 개폐 밸브를 제어하여 전지 셀 모듈(10)로부터 수증기 회수부(30)로 산소 또는 수증기를 전달하고, 금속 공기 전지(1)의 방전 과정에서, 개폐 밸브를 제어하여 전지 셀 모듈(10)에서 발생된 방전 생성물이 수증기 회수부(30)로 전달되는 것을 조정할 수 있다.
일 예로서, 제2 유체 단속부(50) 또한, 전지 셀 모듈(10)로부터 배출되는 방전 생성물, 예를 들어 수증기 및 산소의 유동을 제어하기 위해 개구 면적(개방도) 및 개방시간 중 적어도 한쪽을 변경할 수 있다. 일 예로서 제2 유체 단속부(50)는 단속 시간 및 해제 시간을 반복적으로 수행하는 단속 사이클에 의해 전지 셀 모듈(10)로부터 배출되는 산소 및 수증기의 유동을 제어할 수 있다.
또한 다른 예시로서, 도 9에 도시된 바와 같이 전지 셀 모듈(10)과 수증기 회수부(30) 사이에 전지 셀 모듈(10)에 음압을 인가하여 수증기를 회수할 수 있는 펌프(P)가 배치될 수 있다. 이에 따라 금속 공기 전지(1)의 충전 과정에서, 펌프(P)가 작동하여 전지 셀 모듈(10)로부터 수증기 및 산소를 회수할 수 있다. 이때, 수증기 회수부(30)에 전달된 수증기는 응축되어 수증기 공급부(20)로 전달될 수 있으며, 수증기 회수부(30)에 전달된 산소는 외부로 배출될 수 있다.
제3 유체 단속부(55)는 공기 정화 모듈(35)로부터 전지 셀 모듈(10)로 공급되는 정화된 공기의 유체 연통을 단속할 수 있는 차단장치이다. 예를 들어 제3 유체 단속부(55)는 공기 정화 모듈(35)의 배출부에 배치되어 전지 셀 모듈(10)로 공급되는 정화된 공기의 유체 연통을 단속할 수 있다.
일 예로서 제3 유체 단속부(55)는 전자 구동식 개폐 밸브일 수 있으며, 개폐 밸브를 구동하여 전지 셀 모듈(10)로 공급되는 정화된 공기의 유량을 조절할 수 있다. 제3 유체 단속부(55)는 후술하게 될 제어부(60)로부터 출력되는 제어신호에 의하여 전자 구동식 개폐 밸브의 단속 및 해제 시기가 제어됨에 따라, 정화된 공기의 배출은 높은 정밀도 및 높은 응답성을 갖도록 제어될 수 있다.
제3 유체 단속부(55)는, 공기 정화 모듈(35)로부터 배출되는 정화된 공기의 유동을 제어하기 위해 개구 면적(개방도) 및 개방시간 중 적어도 한쪽을 변경할 수 있다. 일 예로서 제3 유체 단속부(55)는 단속 시간 및 해제 시간을 반복적으로 수행하는 단속 사이클에 의해 공기 정화 모듈(35)로부터 배출되는 정화된 공기의 유동을 제어할 수 있다.
제어부(60)는 금속 공기 전지(1)의 전반적인 기능 및 동작을 제어하는 하드웨어일 수 있다. 제어부(60)는 메모리(미도시)에 저장된 프로그램을 실행함으로써 금속 공기 전지(1)의 방전 상태 및 충전 상태에 따라 제1 유체 단속부(40). 제2 유체 단속부(50), 제3 유체 단속부(55) 및 펌프(P)를 제어할 수 있다. 일 예시에 따른, 제어부(60)는 하나의 마이크로프로세서 모듈의 형태로 구현되거나, 또는 둘 이상의 마이크로프로세서 모듈들이 조합된 형태로 구현될 수도 있다. 즉, 제어부(60)의 구현 형태는 어느 하나에 의해 제한되지 않는다. 일 예로서 제어부(60)는 BMS(battery management system)의 일부일 수 있다.
측정부(80)는 금속 공기 전지(1)의 사용 상태를 측정한 후, 사용 상태에 대한 정보를 제어부(60)에 전달할 수 있는 측정 장치이다. 여기서, 금속 공기 전지(1)의 사용 상태는 금속 공기 전지(1)의 전압, 전하량 또는 전지 셀 모듈(10) 내부의 산소 농도 또는 수증기 농도 등일 수 있으며, 이를 측정하기 위한 측정부(80)는 산소 농도 측정부(810) 또는 수증기 농도 측정부(820) 등을 포함할 수 있다. 다만, 본 개시가 이에 제한되는 것은 아니며 금속 공기 전지(1)의 충전 및 방전 과정에 영향을 미칠 수 있는 그 밖의 상태량 또한 측정 대상이 될 수 있다.
도 10은 일 예시에 따른 금속-공기 전지의 방전 과정에서 금속-공기 전지의 작동 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 도 11은 일 예시에 따른 금속-공기 전지의 충전 과정에서 금속-공기 전지의 작동 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 8a 내지 도 8c와 도 10을 참조하면, 단계 210에서, 공기 정화 모듈(35)로 외부 공기(Air)가 유입될 수 있으며, 공기 정화 모듈(35)은 외부 공기에 포함된 불순물을 제거하여 외부 공기(Air)를 정화할 수 있다. 이때, 수증기 공급부(20)와 수증기 회수부(30)가 분리된 구조로 형성된 경우 외부 공기(Air)는 수증기 회수부(30)로 유입되어 건조한 공기(dry Air) 상태로 배출될 수 있으며, 건조한 공기(dry Air)가 공기 정화 모듈(35)로 유입되어 정화된 공기(A11)로 배출될 수 있다.
단계 220에서, 공기 정화 모듈(35)로부터 수증기 공급부(20)로 정화된 공기(A11)를 공급할 수 있다. 일 예로서, 제3 유체 단속부(55)는 일정한 사이클로 개방되어 공기 정화 모듈(35)로부터 수증기 공급부(20)로 정화된 공기(A11)를 공급할 수 있다.
단계 230에서, 수증기 공급부(20)로부터 전지 셀 모듈(10)에 수증기 및 정화된 공기(A2)를 공급할 수 있다.
일 예로서, 제1 유체 단속부(40)는 일정한 사이클로 개방되어 수증기 공급부(20)에서 배출되는 유체, 예를 들어 수증기 및 정화된 공기(A2)를 전지 셀 모듈(10)로 공급할 수 있다. 이때, 제2 유체 단속부(50)는 전지 셀 모듈(10) 내부에 배치된 유체, 예를 들어 수증기 및 정화된 공기(A2)의 흐름을 단속하여 전지 셀 모듈(10) 내부에 배치된 유체가 외부로 배출되지 않도록 차단하거나, 일정한 단속 사이클에 따라 전지 셀 모듈(10) 내부에 배치된 유체의 흐름을 단속 및 해제하여 전지 셀 모듈(10) 내부에 배치된 유체가 일정한 시간 간격에 따라 외부로 배출되도록 할 수 있다.
단계 240에서, 산소 농도 측정부(810) 또는 수증기 농도 측정부(820)는 방전 상태인 전지 셀 모듈(10) 내부의 산소 농도 또는 수증기 농도를 측정할 수 있다.
수증기 공급부(20) 및 공기 정화 모듈(35)로부터 전지 셀 모듈(10)로 수증기 및 정화된 공기(A2)가 공급되어 금속 공기 전지(1)가 방전되는 경우, 전지 셀 모듈(10) 내부의 수증기 농도 및 산소 농도가 변화될 수 있다. 이때, 산소 농도 측정부(810) 또는 수증기 농도 측정부(820)는 현재 전지 셀 모듈(10) 내부의 산소 농도 또는 수증기 농도를 측정할 수 있다.
단계 260에서, 제어부(60)는 전지 셀 모듈(10) 내부의 산소 농도 또는 수증기 농도에 따라 제1 유체 단속부(40) 또는 제3 유체 단속부(55)의 작동을 제어할 수 있다.
산소 농도 측정부(810) 또는 수증기 농도 측정부(820)에 의해 현재 전지 셀 모듈(10) 내부의 산소 농도 또는 수증기 농도가 제어부(60)에 전달될 수 있다. 일 예로서, 제어부(60)는 미리 설정된 기준 산소 농도와 제어부(60)에 전달된 전지 셀 모듈(10) 내부의 산소 농도를 비교하여 제3 유체 단속부(55)의 작동을 제어한다. 일 예로서, 전지 셀 모듈(10) 내부의 산소 농도가 기준 산소 농도보다 낮은 경우, 제3 유체 단속부(55)의 해제 시간이 길어지거도록 제3 유체 단속부(55)의 단속 및 해제 사이클을 조절할 수 있다.
또한 일 예로서, 제어부(60)는 미리 설정된 기준 수증기 농도와 제어부(60)에 전달된 전지 셀 모듈(10) 내부의 수증기 농도를 비교하여 제1 유체 단속부(40)의 작동을 제어한다. 일 예로서, 전지 셀 모듈(10) 내부의 수증기 농도가 기준 수증기 농도보다 낮은 경우, 제1 유체 단속부(40)의 해제 시간이 길어지거도록 제1 유체 단속부(40)의 단속 및 해제 사이클을 조절할 수 있다.
도 8a 내지 도 8c와 도 11을 참조하면, 단계 310에서, 전지 셀 모듈(10)로부터 수증기 회수부(30)로 수증기(H20)를 회수할 수 있다. 일 예로서, 금속-공기 전지(1)가 충전되는 경우, 상술한 반응식에서 확인할 수 이는 바와 같이, 양극부(120)로부터 산소(O2) 및 수증기(H20)가 지속적으로 생성되고, 이로 인해 전지 셀 모듈(10) 내부에 산소(O2) 및 수증기(H20)의 양이 높아질 수 있다.
이때, 제1 유체 단속부(40)는 수증기 공급부(20)로부터 공급되는 유체, 예를 들어 수증기 및 정화된 공기(A2)의 흐름을 단속하여 전지 셀 모듈(10)로 수증기 및 정화된 공기(A2)가 유입되지 않도록 차단할 수 있다. 다만, 이때, 전지 셀 모듈(10) 내부가 소정의 압력 이상을 유지하도록, 도 8a에 도시된 바와 같이 외부 공기(Air)에 포함된 수증기, 질소 및 이산화탄소가 수증기 회수부(30) 및 공기 정화 모듈(35)에 의해 제거된 건조한 산소(dry O2)가 전지 셀 모듈(10)로 공급되거나, 도 8b에 도시된 바와 같이 외부 공기(Air)에 포함된 수증기가 수증기 회수부(30)에 의해 제거된 건조한 공기(dry Air)가 전지 셀 모듈(10)로 공급되거나, 도 8c에 도시된 바와 같이 외부로부터 외부 공기(Air)가 전지 셀 모듈(10)로 직접 공급될 수 있다.
단계 320에서, 수증기 농도 측정부(820)는 충전 상태인 전지 셀 모듈(10) 내부의 수증기 농도를 측정할 수 있다.
금속-공기 전지(1)가 충전되는 경우, 충전 과정에서 양극부(120)에서 산소 및 수증기가 생성될 수 있으며, 이에 따라 전지 셀 모듈(10) 내부의 수증기 농도 및 산소 농도가 변화될 수 있다. 이때, 수증기 농도 측정부(820)는 현재 전지 셀 모듈(10) 내부의 수증기 농도를 측정할 수 있다. 본 실시예에서는 전지 셀 모듈(10) 내부의 수증기 농도를 측정할 수 있음을 개시하고 있으나, 산소 농도 측정부(810)를 이용하여 전지 셀 모듈(10) 내부의 산소 농도를 측정할 수도 있다.
단계 330에서, 제어부(60)는 전지 셀 모듈(10) 내부의 수증기 농도에 따라 제2 유체 단속부(50)의 작동을 제어할 수 있다.
수증기 농도 측정부(820)에 의해 현재 전지 셀 모듈(10) 내부의 수증기 농도가 제어부(60)에 전달될 수 있다. 일 예로서, 제어부(60)는 미리 설정된 기준 수증기 농도와 제어부(60)에 전달된 전지 셀 모듈(10) 내부의 수증기 농도를 비교하여 제2 유체 단속부(50)의 작동을 제어한다. 일 예로서, 전지 셀 모듈(10) 내부의 수증기 농도가 기준 수증기 농도보다 높은 경우, 제2 유체 단속부(50)의 해제 시간이 길어지도록 제2 유체 단속부(50)의 단속 및 해제 사이클을 조절할 수 있다. 또한 도 9에 도시된 바와 같이 제2 유체 단속부(50) 대신 전지 셀 모듈(10)에 음압을 인가할 수 있는 펌프(P)가 배치되고, 전지 셀 모듈(10) 내부의 수증기 농도가 기준 수증기 농도보다 높은 경우, 제어부(60)는 펌프(P)를 작동시켜 전지 셀 모듈(10) 내부의 수증기를 제거함으로써 전지 셀 모듈(10) 내부의 수증기 농도를 낮출 수 있다. 본 실시예에서는 전지 셀 모듈(10) 내부의 수증기 농도에 따라 제2 유체 단속부(50)의 작동을 제어할 수 있음을 개시하고 있으나, 제어부(60)는 미리 설정된 기준 산소 농도와 제어부(60)에 전달된 전지 셀 모듈(10) 내부의 산소 농도를 비교하여 제2 유체 단속부(50)의 작동을 제어할 수도 있다.
이상에서 설명한 실시예들에 따른 금속-공기 전지는, 금속-공기 전지(1)의 충전 및 방전 과정에서 전지 셀 모듈 내부에 공급되는 산소와 수증기 유동 및 전지 셀 모듈로부터 배출되는 산소와 수증기의 유동을 제어함으로써 금속-공기 전지의 충전 및 방전 효율의 저하를 방지할 수 있다. 이러한 금속-공기 전지는 전기 자동차를 비롯한 다양한 전자 기기의 전원으로 적용될 수 있다. 이차 전지가 적용되는 모든 분야에 본원 실시예들에 따른 금속-공기 전지가 유용하게 적용될 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 구체적인 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 일 실시예에 따른 금속-공기 전지의 구조는 다양하게 변형될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
1: 금속-공기 전지
10: 전지 셀 모듈
20: 수증기 공급부
30: 수증기 회수부
35: 공기 정화 모듈
40: 유체 단속부
50: 제2 유체 단속부
55: 제3 유체 단속부
60: 제어부
75: 제3 유체 단속부
80: 측정부
100: 전지 셀
110: 음극부
120: 양극부
130: 고체 전해질층
140: 음극 전해질층
10: 전지 셀 모듈
20: 수증기 공급부
30: 수증기 회수부
35: 공기 정화 모듈
40: 유체 단속부
50: 제2 유체 단속부
55: 제3 유체 단속부
60: 제어부
75: 제3 유체 단속부
80: 측정부
100: 전지 셀
110: 음극부
120: 양극부
130: 고체 전해질층
140: 음극 전해질층
Claims (22)
- 금속의 산화와 산소 및 물의 환원을 이용하여 전기를 생성하는 전지 셀 모듈;
상기 전지 셀 모듈에 수증기를 공급하는 수증기 공급부; 및
상기 전지 셀 모듈로부터 수증기를 회수하는 수증기 회수부;를 포함하는
금속-공기 전지. - 제1 항에 있어서,
상기 전지 셀 모듈은
금속을 포함하는 음극부;
상기 산소 및 물을 활물질로 사용하는 양극부; 및
상기 음극부와 상기 양극부 사이에 배치되는 고체 전해질층:를 포함하는,
금속-공기 전지. - 제 1 항에 있어서,
외부에서 유입된 공기를 정화하여 상기 수증기 공급부로 정화된 공기를 공급하는 공기 정화 모듈;을 더 포함하며
상기 수증기 공급부는 상기 정화된 공기와 상기 수증기를 상기 전지 셀 모듈에 공급하는
금속-공기 전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 수증기 회수부로부터 전달된 건조한 공기를 정화하여 상기 수증기 공급부로 정화된 공기를 공급하는 공기 정화 모듈;을 더 포함하며
상기 수증기 회수부는, 외부에서 유입된 공기에서 수증기를 제거한 상기 건조한 공기를 상기 공기 정화 모듈로 전달하고, 상기 수증기 공급부는 상기 정화된 공기와 상기 수증기를 상기 전지 셀 모듈에 공급하는
금속-공기 전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 수증기 공급부로부터 상기 전지 셀 모듈로 공급되는 상기 수증기의 유체 연통을 단속하는 제1 유체 단속부; 를 더 포함하는,
금속-공기 전지. - 제 5 항에 있어서,
상기 전지 셀 모듈 내부의 수증기 농도를 측정하는 수증기 농도 측정부; 및
상기 전지 셀 모듈 내부의 수증기 농도에 따라 상기 제1 유체 단속부의 개폐 여부를 제어하는 제어부; 를 더 포함하는,
금속-공기 전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 전지 셀 모듈로부터 상기 수증기 회수부로 회수되는 상기 수증기의 유체 연통을 단속하는 제2 유체 단속부; 를 더 포함하는,
금속-공기 전지. - 제 7 항에 있어서,
상기 전지 셀 모듈 내부의 수증기 농도를 측정하는 수증기 농도 측정부; 및
상기 전지 셀 모듈 내부의 수증기 농도에 따라 상기 제2 유체 단속부의 개폐 여부를 제어하는 제어부; 를 더 포함하는,
금속-공기 전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 전지 셀 모듈에서 수증기를 회수하기 위해 상기 전지 셀 모듈에 음압을 인가하는 펌프;를 더 포함하는,
금속-공기 전지. - 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
상기 공기 정화 모듈로부터 상기 수증기 공급부로 공급되는 상기 정화된 공기의 유동을 단속하는 제3 유체 단속부; 를 더 포함하는,
금속-공기 전지. - 제 10 항에 있어서,
상기 전지 셀 모듈 내부의 산소 농도를 측정하는 산소 농도 측정부; 및
상기 전지 셀 모듈 내부의 산소 농도에 따라 상기 제3 유체 단속부의 개폐 여부를 제어하는 제어부; 를 더 포함하는,
금속-공기 전지. - 제 3 항 또는 제4항에 있어서,
상기 공기 정화 모듈은 PSA(pressure swing adsorption), TSA(thermal swing adsorption), PTSA(pressure thermal swing adsorption), VSA(vacuum swing adsorption), 선택적 분리 방법 또는 이들 중 2 이상의 방법으로 작동되는
금속-공기 전지. - 제1 항에 있어서,
상기 수증기 공급부와 상기 수증기 회수부는 유체 연통하며, 상기 수증기 회수부로부터 회수된 상기 수증기가 상기 수증기 공급부에 전달되는,
금속-공기 전지. - 금속의 산화와 산소 및 물의 환원을 이용하여 전기를 생성하는 전지 셀 모듈을 포함하는 금속-공기 전지의 작동 방법에 관한 것으로서,
공기 정화 모듈로 외부 공기가 유입되어 정화되는 단계;
상기 공기 정화 모듈로부터 수증기 공급부로 정화된 공기를 공급하는 단계;
수증기 공급부로부터 상기 전지 셀 모듈에 상기 정화된 공기 및 수증기를 공급하는 단계; 및
상기 전지 셀 모듈로부터 수증기 회수부로 수증기를 회수하는 단계;를 포함하는
금속-공기 전지의 작동 방법. - 제14 항에 있어서,
상기 전지 셀 모듈은
금속을 포함하는 음극부;
상기 산소 및 물을 활물질로 사용하는 양극부; 및
상기 음극부와 상기 양극부 사이에 배치되는 고체 전해질층:를 포함하는,
금속-공기 전지의 작동 방법. - 제 14 항에 있어서,
상기 금속-공기 전지의 방전 과정에서, 상기 전지 셀 모듈 내부의 수증기 농도를 측정하는 단계; 및
상기 전지 셀 모듈 내부의 수증기 농도에 따라, 상기 수증기 공급부로부터 상기 전지 셀 모듈로 공급되는 상기 수증기의 유체 연통을 단속하는 제1 유체 단속부의 작동을 제어하는 단계;를 더 포함하는
금속-공기 전지의 작동 방법. - 제 16 항에 있어서,
제2 유체 단속부는 상기 전지 셀 모듈로부터 상기 수증기 회수부로 회수되는 상기 수증기의 유체 연통을 단속하거나 일정한 시간 간격에 따라 외부로 배출하는,
금속-공기 전지의 작동 방법. - 제 14 항에 있어서,
상기 금속-공기 전지의 충전 과정에서, 상기 전지 셀 모듈 내부의 수증기 농도를 측정하는 단계; 및
상기 전지 셀 모듈 내부의 수증기 농도에 따라, 상기 전지 셀 모듈로부터 상기 수증기 회수부로 회수되는 상기 수증기의 유체 연통을 단속하는 제2 유체 단속부의 작동을 제어하는 단계;를 더 포함하는
금속-공기 전지의 작동 방법. - 제 18 항에 있어서,
상기 전지 셀 모듈 내부의 압력을 유지하기 위해 외부에서 공기가 유입되거나, 공기 정화 모듈로부터 건조한 산소가 유입되거나 수증기 회수부로부터 건조한 공기가 일정한 시간 간격에 따라 유입되는,
금속-공기 전지의 작동 방법. - 제 14 항에 있어서,
상기 금속-공기 전지의 방전 과정에서, 상기 전지 셀 모듈 내부의 산소 농도를 측정하는 단계; 및
상기 전지 셀 모듈 내부의 산소 농도에 따라, 상기 공기 정화 모듈로부터 상기 전지 셀 모듈로 공급되는 상기 정화된 공기의 유체 연통을 단속하는 제3 유체 단속부의 작동을 제어하는 단계; 를 더 포함하는,
금속-공기 전지의 작동 방법. - 제 20 항에 있어서,
제2 유체 단속부는 상기 전지 셀 모듈로부터 상기 수증기 회수부로 회수되는 상기 정화된 공기의 유체 연통을 단속하거나 일정한 시간 간격에 따라 외부로 배출하는,
금속-공기 전지의 작동 방법. - 제 14 항에 있어서,
상기 금속-공기 전지의 충전 과정에서, 상기 전지 셀 모듈 내부의 수증기 농도를 측정하는 단계; 및
상기 전지 셀 모듈에서 상기 수증기 회수부로 상기 수증기를 회수하기 위해 상기 전지 셀 모듈에 음압을 인가하는 단계를 더 포함하는,
금속-공기 전지의 작동 방법.
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