KR20210112676A - 주어진 사용환경에서 최대 에너지 밀도를 제공할 수 있는 금속 공기 배터리 및 그 제조방법, 금속 공기 배터리를 포함하는 장치, 금속 공기 배터리 제어 시스템 및 제어방법 - Google Patents

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Abstract

주어진 사용환경에서 최대 에너지 밀도를 제공할 수 있는 금속 공기 배터리와 금속 공기 배터리를 포함하는 장치 및 금속 공기 배터리 제어방법에 관해 개시되어 있다. 개시된 금속 공기 배터리 장치는 산소가 유입될 수 있을 정도의 기공도(porosities)를 갖는 양극층을 포함하는 금속 공기 배터리 및 상기 기공도에 따라 상기 금속 공기 배터리의 충전 또는 방전속도를 제어하는 제어부를 포함한다. 상기 금속 공기 배터리는 가습 또는 무가습 배터리일 수 있다.

Description

주어진 사용환경에서 최대 에너지 밀도를 제공할 수 있는 금속 공기 배터리 및 그 제조방법, 금속 공기 배터리를 포함하는 장치, 금속 공기 배터리 제어 시스템 및 제어방법{Metal air battery capable of providing maximum energy density at a predetermined use environment, method of manufacturing the same, apparatus including metal air battery and system and method of controlling metal air battery}
본 개시는 충방전이 가능한 배터리에 관한 것으로써, 보다 자세하게는 주어진 사용환경에서 최대 에너지 밀도를 제공할 수 있는 금속 공기 배터리와 그 제조방법, 금속 공기 배터리를 포함하는 장치와 금속 공기 배터리 제어 시스템 및 제어방법에 대한 것이다.
리튬 금속 배터리 같은 금속 공기 배터리는 무게당 에너지밀도가 높아 전기자동차의 에너지원으로 활용이 가능하다. 고체 전해질을 전해질로 사용하는 리튬 금속 배터리는 양극에 수계 또는 수증기를 이용하여 이온 전도성을 부과한 조건에서 작동할 수 있다. 금속 공기 배터리는 무가습 환경(예컨대, 100℃ 이상의 환경)에서 사용될 수도 있다. 금속 공기 배터리가 어떤 환경에 사용되던지 배터리의 안정성을 확보하면서 높은 에너지 밀도를 제공할 수 있다면, 금속 공기 배터리의 적용 분야가 넓어질 수 있고, 사용자에게는 보다 많은 가능성을 제공할 수 있다.
주어진 사용환경에서 최대 에너지 밀도를 제공할 수 있는 금속 공기 배터리를 제공한다.
이러한 금속 공기 배터리의 제조방법을 제공한다.
그러한 금속 공기 배터리를 포함하는 장치를 제공한다.
주어진 기공도에서 충방전 효율을 극대화 할 수 있는 금속 공기 배터리의 제어 시스템을 제공한다.
주어진 기공도에서 충방전 효율이 극대화되도록 금속 공기 배터리의 충방전 동작을 제어하는 제어방법을 제공한다.
일 실시예에 의한 금속 공기 배터리 장치는 산소가 유입될 수 있을 정도의 기공도(porosities)를 갖는 양극층을 포함하는 금속 공기 배터리와, 상기 기공도에 따라 상기 금속 공기 배터리의 충전 또는 방전속도를 제어하는 제어부를 포함한다.
상기 양극층은 혼합도체(MIEC)층을 포함할 수 있다. 다른 예에서, 상기 양극층은 전자의 이동경로를 제공하고 산소가 유입될 수 있는 전자 전도체층과, 이온의 이동경로를 제공하고 산소가 유입될 수 있는 이온 전도체층를 포함할 수 있다. 일 예에서, 상기 기공도는 0.2~0.9 정도일 수 있다.
일 예에서, 상기 금속 공기 배터리는 상기 양극층과, 상기 양극층과 마주하게 배치된 음극층과, 상기 양극층과 상기 음극층 사이에 배치된 고체 전해질층과, 제1 전극단자와, 제2 전극단자와, 상기 양극층의 기공도 정보를 제공하기 위해 마련된 포트를 포함할 수 있다.
다른 실시예에 의한 금속 공기 배터리 장치는 산소가 유입될 수 있을 정도의 제1 기공도를 갖는 양극층을 포함하는 제1 금속 공기 배터리와, 상기 제1 금속 공기 배터리와 다른 위치에 장착된 제2 배터리와, 상기 제1 금속 공기 배터리와 상기 제2 배터리 중 적어도 하나의 충전 및/또는 방전속도를 제어하기 위해 마련된 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 상기 제1 기공도에 따라 상기 제1 금속 공기 배터리의 충전 및/또는 방전속도를 제어한다.
일 예에서, 상기 제2 배터리는 산소가 유입될 수 있을 정도의 제2 기공도를 갖는 양극층을 포함하는 제2 금속 공기 배터리를 포함하고, 상기 제2 기공도는 상기 제1 기공도와 동일하거나 다를 수 있다. 상기 제어부는 상기 제2 기공도에 따라 상기 제2 금속 공기 배터리의 충전 및/또는 방전속도를 제어할 수 있다.
일 예에서, 상기 제어부는 상기 제1 기공도에 따라 상기 제1 금속 공기 배터리를 제어하기 위해 마련된 제1 제어부와, 상기 제2 기공도에 따라 상기 제2 금속 공기 배터리를 제어하기 위해 마련된 제2 제어부를 포함한다. 상기 제1 및 제2 금속 공기 배터리의 양극층은 MIEC층을 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 금속 공기 배터리는 각각 상기 양극층과, 상기 양극층과 마주하게 배치된 음극층과, 상기 양극층과 상기 음극층 사이에 배치된 고체 전해질층과, 제1 전극단자와, 제2 전극단자와, 상기 양극층의 기공도 정보를 제공하기 위해 마련된 포트를 포함할 수 있다.
일 실시예에 의한 금속 공기 배터리는 산소가 유입될 수 있는 복수의 기공이 형성된 혼합도체를 포함하는 양극층과, 상기 양극층과 마주하는 음극층과, 상기 양극층과 상기 음극층 사이에 배치된 고체 전해질층을 포함하고, 상기 양극층은 주어진 C-rate에서 최대 에너지 밀도를 구현할 수 있는 기공도를 가지며, 상기 기공도는 0.2~0.9 정도이다. 다른 실시예에서, 상기 기공도는 0.2~0.6 정도일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 상기 기공도는 0.2~0.4 정도일 수 있다.
일 실시예에 의한 금속 공기 배터리의 제어방법은 주어진 기공도(P1)를 갖는 금속 공기 배터리의 제어방법에 있어서, 하기 수학식에 따라 상기 금속 공기 배터리의 C-rate을 제어하는 과정을 포함한다.
<수학식>
P1 = -0.122ln(C-rate) + a, (0.3≤a≤0.5)
일 예에서, 상기 금속 공기 배터리의 C-rate을 제어하는 과정은 상기 금속 공기 배터리를 충전하는 과정에서 수행할 수 있다. 다른 예에서, 상기 금속 공기 배터리의 C-rate을 제어하는 과정은 상기 금속 공기 배터리를 방전시키는 과정에서 수행할 수 있다. 상기 기공도는 0.2~0.9 정도일 수 있다.
일 실시예에 의한 금속 공기 배터리의 양극층은 주어진 C-rate에서 상기 배터리의 에너지 밀도가 최대가 될 수 있는 기공도를 갖는다. 양극층의 기공도는 배터리의 사용환경, 예컨대 배터리의 C-rate을 고려하여 배터리 제조단계에서 결정될 수 있다. 개시된 금속 공기 배터리를 이용하면, 특정 배터리 사용환경에서 최대 에너지를 제공할 수 있다. 따라서 개시된 금속 공기 배터리는 다양한 분야(예컨대, 전기 자동차 등과 같은 이동장치)와 다양한 환경에 최적화된 에너지 공급수단으로 사용될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 의한 금속 공기 배터리를 나타낸 단면도이다.
도 2는 도 1의 제1 영역을 확대한 단면도이다. 도 3은 도 1의 금속 공기 배터리의 양극층의 기공도와 금속 공기 배터리의 최대 에너지 밀도의 관계를 측정하기 위해 실시한 제1 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 도 1의 금속 공기 배터리가 제1 시뮬레이션 조건(예, C-rate 0.05)으로 충전된 경우, 금속 공기 배터리의 양극층의 기공도에 따른 방전결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 도 1의 금속 공기 배터리가 제2 시뮬레이션 조건(예, C-rate 0.2)으로 충전된 경우, 금속 공기 배터리의 양극층의 기공도에 따른 방전결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 도 1의 금속 공기 배터리의 양극층의 기공도와 배터리의 최대 에너지 밀도의 관계를 측정하기 위해 실시한 제4 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 도 1의 금속 공기 배터리가 제4 시뮬레이션 조건(예, C-rate 0.5)으로 충전된 경우, 금속 공기 배터리의 양극층의 기공도에 따른 방전결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 도 1의 금속 공기 배터리의 양극층의 기공도와 금속 공기 배터리의 최대 에너지 밀도의 관계를 측정하기 위해 실시한 제5 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 도 1의 금속 공기 배터리가 제5 시뮬레이션 조건(예, C-rate 1)으로 충전되는 경우, 금속 공기 배터리의 양극층의 기공도에 따른 방전결과를 나타낸 그래프이다.
도 10은 도 1의 금속 공기 배터리의 양극층의 기공도와 금속 공기 배터리의 최대 에너지 밀도의 관계를 측정하기 위해 실시한 제5 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 11은 도 1의 금속 공기 배터리가 제5 시뮬레이션 조건(예, C-rate 5)으로 충전되는 경우, 금속 공기 배터리의 양극층의 기공도에 따른 방전결과를 나타낸 그래프이다.
도 12는 도 1의 금속 공기 배터리가 최대 에너지 밀도를 갖는 C-rate와 양극층의 기공도 관계를 나타낸 그래프이다.
도 13은 상기 제1 내지 제5 시뮬레이션 결과를 종합한 것으로, 도 1의 금속 공기 배터리의 C-rate, 양극층의 기공도 및 최대 에너지 밀도의 관계를 함께 나타낸 입체 그래프(3차원 그래프)이다.
도 14는 도 13에서 C-rate이 0.05~0.5, 양극층의 기공도가 0.5~0.85인 영역만 분리하여 나타낸 입체 그래프이다.
도 15는 일 실시예에 의한 금속 공기 배터리의 실험예로써, 일 실시예에 의한 금속 공기 배터리가 고온 환경에서 사용되는 무가습 금속 공기 배터리일 때, 전압-용량(voltage-capacity)관계를 나타낸 그래프이다.
도 16은 내부에 도 1 및 도 2에 도시한 층 구성을 포함하는 각형 금속 공기 배터리를 나타낸 입체도이다.
도 17은 일 실시예에 의한 금속 공기 배터리를 포함하는 장치를 나타낸 입체도이다.
도 18은 도 17의 장치에 제2 배터리가 더 구비되고, 옵션으로 제2 제어부가 구비된 경우를 나타낸 입체도이다.도 19는 다른 실시예에 의한 금속 공기 배터리를 포함하는 장치를 나타낸 입체도이다.
도 20은 도 19의 장치에 제2 배터리가 장착되는 제2 리세스부가 더 구비되고, 옵션으로 제2 제어부가 구비된 경우를 나타낸 입체도이다.
도 21은 일 실시예에 의한 금속 공기 배터리의 제어 방법을 나타낸 순서도이다.
여기서는 금속 공기 배터리의 최대 에너지 밀도가 배터리의 충방전율, 곧 C-rate와 양극층의 기공도(porosities)와 관련이 있음을 설명한다. 주어진 C-rate에서 금속 공기 배터리의 에너지 밀도가 최대가 될 수 있는 양극층의 기공도를 알 수 있다면, 또한 양극층이 주어진 기공도를 가질 때, 최적의 C-rate를 알 수 있다면, 금속 공기 배터리의 설계와 사용에 도움이 될 수 있고, 보다 넓은 분야와 보다 다양한 환경에 금속 공기 배터리가 사용될 수 있을 것이다.
이하, 일 실시예에 의한 주어진 사용환경에서 최대 에너지 밀도를 제공할 수 있는 금속 공기 배터리 및 그 제조방법과 금속 공기 배터리를 포함하는 장치와 금속 공기 배터리 제어 시스템 및 제어방법을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 다소 과장되게 도시될 수 있다. 그리고 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 또한, 이하에서 설명하는 층 구조에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 표현은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 의한 금속 공기 배터리(이하, 제1 배터리)를 보여준다.
도 1을 참조하면, 제1 배터리(100)는 음극층(anode)(110), 음극 전해질층(120), 양극 전해질층(130), 양극층(cathode)(140), 기체 확산층(150)을 포함한다. 음극층(110)은, 예를 들면 리튬(Li)층, 아연(Zn)층, 알루미늄(Al)층 또는 마그네슘(Mg)층 등일 수 있으며, 이러한 금속들로 한정되지 않는다. 음극 전해질층(120)과 양극 전해질층(130)은 이온의 통로가 될 수 있다. 일 예로, 음극 전해질층(120)과 양극 전해질층(130)은 음극층(110)에서 양극층(140)으로 이동하는 이온(예, 리튬이온)의 이동통로가 될 수 있다. 고체 전해질층인 음극 전해질층(120)은 질산염 공융(nitrate eutectic)층이 함침된 분리막을 포함할 수 있다. 상기 분리막은 양극층(140)과 음극층(110)의 접촉을 방지하고 산소이동도 차단할 수 있다. 상기 질산염 공융층은 질산 나트륨(sodium nitrate)과 질산 칼륨(potassium nitrate)를 포함하는 공융층일 수 있으며, 이것으로 제한되지 않는다. 음극 전해질층(120)은 상기 질산염 공융층을 지지하는 지지체를 포함할 수 있으며, 상기 지지체는 예를 들면 유리섬유 필터를 포함할 수 있다. 양극 전해질층(130)은 제1 배터리(100)의 동작과 관련된 이온(예, 리튬이온)은 통과시키는 고체 전해질층을 포함할 수 있다. 양극 전해질층(110)은, 예를 들면 LATP(Li1-xAlxTi2-x(PO4)3)를 포함할 수 있으나, 이것으로 제한되지 않는다. 양극층(140)은 C-rate 조절에 따라 제1 배터리(100)의 에너지 밀도를 극대화 할 수 있는 기공도를 가질 수 있다. 달리 말하면, 양극층(140)은 주어진 C-rate 혹은 주어진 C-rate 범위에서 최대 에너지 밀도를 구현하거나 상기 최대 에너지 밀도에 가까운 에너지 밀도를 구현할 수 있고, 충분히 산소가 유입될 수 있을 정도의 기공도를 가질 수 있다. 일 예에서, 주어진 C-rate 혹은 주어진 C-rate 범위에서 최대 에너지 밀도를 제공하거나 상기 최대 에너지 밀도에 가까운 에너지 밀도를 제공하는 양극층(140)의 기공도는 다음 수학식을 만족한다.
<수학식>
P1 = -0.122ln(C-rate) + a, (0.3≤a≤0.5)
상기 최대 에너지 밀도에 가까운 에너지 밀도는 상기 최대 에너지 밀도의 80% 이상이 되는 에너지 밀도일 수 있는데, 일 예로 상기 최대 에너지 밀도의 90% 이상이 되는 에너지 밀도일 수 있고, 다른 예로, 상기 최대 에너지 밀도의 95% 이상이 되는 에너지 밀도일 수 있다.
상기 기공도는 양극층(140)에 산소가 유입될 수 있는 복수의 기공이 어느 정도 포함되어 있는지는 나타내는데, 상기 기공도는 기공의 밀도나 기공의 분포를 통해 표현될 수도 있고, 기공을 제외한 양극층의 나머지 부분에 대한 물리량(예, 부피, 중량, 전도도, 저항 등)을 통해서도 가늠할 수 있을 것이다. 또한, 상기 기공도는 기공의 크기를 이용하여 표현될 수도 있을 것이다. 또한, 양극층(140)이 주어진 기공도를 갖고 있을 때, 기공도에 따라 배터리 자체의 물리양이 달라질 수도 있으므로, 배터리 자체에 대해 측정되는 물리량으로 기공도를 표현하거나 가늠할 수 있을 것이다. 그러므로 상기 기공도 대신에 상기 물리량이나 기공과 관련된 측정값을 입력값으로 사용할 수도 있다.
일 예에서, 상기 수학식을 만족하는 기공도를 갖는 양극층(140)은 산소가 유입될 수 있는 복수의 기공을 포함하고, 전자 및 이온 전도도를 갖는 혼합도체(Mixed Ionic Electronic Conductor, MIEC)층을 포함할 수 있다. 상기 MIEC층은 빈공간(기공)을 포함하는 다공성 물질층일 수 있다. 상기 MIEC층의 일 예는 LLRO(LiLaRuO)층 또는 LRO(LaRuO)층일 있으나, 이것으로 제한되지 않는다. 다른 예에서, 양극층(140)은 상기 MIEC층과 동등한 역할을 하되, 상기 MIEC층과 다른 층 구조를 가질 수 있다. 예컨대, 양극층(140)은 전자의 이동 경로를 제공하는 전자 전도체층과 이온의 이동 경로를 제공하는 이온 전도체층를 각각 포함하는 층 구조를 가질 수 있다. 이때, 상기 전자 전도체층과 상기 이온 전도체층은 전자와 이온이 서로 만날 수 있는 다양한 구조로 적층될 수 있다. 상기 전자 전도체층은 산소가 유입될 수 있는 제1 다공성 물질층을 포함할 수 있다. 상기 이온 전도체층은 산소가 유입될 수 있는 제2 다공성 물질층을 포함할 수 있다. 상기 제1 다공성 물질층의 재료나 물질적 특성은 상기 제2 다공성 물질층과 다를 수 있다.
계속해서, 양극층(14) 상에 가스 확산층(150)이 마련되어 있다. 가스 확산층(150)을 통해서 외부의 산소가 양극층(140)으로 유입될 수 있다. 상기 "외부의 산소"는 제1 배터리(100) 외부에 있는 산소를 의미한다. 상기 외부의 산소는 공기에 포함된 산소일 수 있다. 따라서 가스 확산층(150)은 외부 공기가 양극층(140)으로 유입되는 통로가 될 수 있다. 상기 "외부의 산소" 혹은 "외부 공기"는 일 예로 통상적으로 말하는 대기 중의 산소나 공기를 포함할 수도 있지만, 다른 예에서는 제1 배터리(100)가 장착된 장치나 시스템에 별도로 구비된 산소공급장치나 공기공급장치로부터 공급되는 산소나 공기를 포함할 수도 있다. 가스 확산층(150)은 전자의 이동 통로가 될 수도 있다. 예컨대, 제1 배터리(100)가 방전될 때, 음극층(110)에서 발생된 전자(2e-)는 제1 배터리(100)에 연결된 외부 회로를 통해서 가스 확산층(150)까지 전달되고, 가스 확산층(150)을 통해 양극층(140)에 유입될 수 있다. 이렇게 유입된 전자(2e-)는 양극층(140)에서 양극 전해질층(130)을 통과한 이온(예, 리튬이온)과 결합될 수 있다. 이러한 결합과정에 산소(O2)가 관여한다. 제1 배터리(100)가 가습 배터리인 경우, 상기 결합 과정에서 수분(H2O)이 사용된다. 제1 배터리(100)가 고온 금속 공기 배터리인 경우, 곧 무가습 배터리인 경우, 상기 결합과정에 수분은 사용되지 않는다.
도 2는 도 1의 제1 영역(A1)을 확대한 단면도이다.
도 2를 통해서 양극 전해질층(130)을 통과한 리튬이온이 양극층(140)의 MIEC층(210)에 유입되는 것과 가스 확산층(150)을 통해 산소가 양극층(140)의 기공 영역(140A)에 유입되는 것과 전자가 가스 확산층(150)을 통해 양극층(140)의 MIEC층(210)에 유입되는 것을 볼 수 있다. 기공 영역(140A)은 양극층(140) 내의 MIEC층(210)이 존재하지 않는 빈 공간 및 MIEC층(210) 내에 존재하는 빈 공간일 수 있다. MIEC층(210)은 복수의 입자들이 밀집된 집합체일 수 있다. 이러한 집합체에서 입자들은 서로 접촉될 수 있고, 입자들 사이에 기공(140A)이 존재할 수도 있다. 참조번호 220은 방전과정에서 MIEC층(210) 표면에 형성되는 리튬 산화물(Li2O)을 나타낸다.
<제1 시뮬레이션>
도 3은 도 1의 배터리(100)의 양극층(140)의 기공도와 배터리(100)의 최대 에너지 밀도의 관계를 측정하기 위해 실시한 제1 시뮬레이션 결과를 보여준다. 상기 제1 시뮬레이션은 C-rate가 0.05인 조건에서 양극층(140)의 기공도 변화에 따른 배터리(100)의 에너지 밀도변화를 측정하는 것이다. 상기 제1 시뮬레이션에서 양극층(140)은 리튬이온에 대한 전도성과 전자 전도성을 가지면서 이온 전도도 및 전자 전도도는 10-5 S/cm2 이상인 MIEC층인 것으로 설정하였다. 또한, 배터리(100)는 가습 또는 무가습 조건에서 동작되는 것으로 설정하였다.
도 3에서 가로축은 양극층(140)의 기공도를 나타내고, 세로축은 배터리(100)의 에너지 밀도를 나타낸다.
도 3을 참조하면, 양극층(140)의 기공도가 증가하면서 배터리(100)의 에너지 밀도도 증가하다가 양극층(140)의 기공도가 0.75 정도일 때, 배터리(100)의 에너지 밀도는 최대가 된다. 양극층(140)의 기공도가 0.75보다 커지면서 배터리(100)의 에너지 밀도는 급격히 낮아진다.
도 3의 결과는 충전시 C-rate이 0.05이고, 양극층(140)의 기공도가 0.75 정도일 때, 배터리(100)의 에너지 밀도는 최대가 됨을 시사한다. 달리 말하면, 도 3의 결과는 배터리(100)의 양극층(140)의 기공도가 0.75 정도이고, C-rate을 0.05하여 배터리(100)를 충전할 때, 배터리(100)의 에너지 밀도는 최대가 됨을 시사한다. 곧, 도 3은 배터리(100)의 제1 동작방법으로 배터리(100)의 양극층(140)의 기공도가 0.75 정도일 때, 배터리(100)의 에너지 밀도를 극대화할 수 있는 충전방법을 시사하기도 한다. 배터리(100)의 방전은 충전의 반대과정으로 볼 수 있는 바, 도 3은 배터리(100)의 제2 동작방법으로 양극층(140)의 기공도가 0.75 정도인 배터리(100)에 저장된 에너지를 가장 효율적으로 방전시킬 수 있는 방법, 곧 C-rate를 0.05로 하여 방전하는 에너지 공급방법을 시사할 수도 있다.
도 4는 배터리(100)가 상기 제1 시뮬레이션 조건(예, C-rate 0.05)으로 충전된 경우, 배터리(100)의 양극층(140)의 기공도에 따른 방전결과를 보여준다.
도 4에서 가로축은 전체 방전동안에 배터리(100)로부터 방전된(공급된) 에너지 밀도를 나타내고, 세로축은 배터리(100)의 전압 변화를 나타낸다.
도 4에서 제1 내지 제6 그래프(4G1-4G6)는 양극층(140)의 기공도가 각각 0.85, 0.8, 0.75, 0.7, 0.65 및 0.5일 때, 배터리(140)의 전압과 방출된 에너지 밀도 사이의 관계를 나타낸다.
도 4는 배터리(100)의 양극층(140)의 기공도가 0.75 정도일 때(제3 그래프(4G3)), 배터리(140)로부터 방출된 에너지 밀도가 최대인 것을 보여준다. 배터리(100)의 방전은 배터리(100)에 저장된 에너지를 방출하는 것이므로, 도 4의 결과는 상기 제1 시뮬레이션 조건에서 배터리(100)의 양극층(140)의 기공도가 0.75 정도일 때, 배터리(100)는 최대의 에너지 밀도로 충전될 수 있음을 시사한다.
결과적으로, 도 3과 도 4는 서로 동일한 결과를 시사한다.
<제2 시뮬레이션>
도 5는 배터리(100)가 제2 시뮬레이션 조건(예, C-rate 0.05)으로 충전된 경우, 배터리(100)의 양극층(140)의 기공도에 따른 방전결과를 보여준다.
도 5에서 가로축은 전체 방전 동안에 배터리(100)로부터 방전된(공급된) 에너지 밀도를 나타내고, 세로축은 배터리(100)의 전압 변화를 나타낸다.
도 5에서 제1 내지 제5 그래프(5G1-5G5)는 양극층(140)의 기공도가 각각 0.8, 0.75, 0.7, 0.65 및 0.5일 때, 배터리(140)의 전압과 방출된 에너지 밀도 사이의 관계를 나타낸다.
도 5는 배터리(100)의 양극층(140)의 기공도가 0.65 정도일 때(제4 그래프(5G4)), 배터리(140)로부터 방출된 에너지 밀도가 최대인 것을 보여준다. 배터리(100)의 방전은 배터리(100)에 저장된 에너지를 방출하는 것이므로, 도 5의 결과는 상기 제2 시뮬레이션 조건에서 배터리(100)의 양극층(140)의 기공도가 0.65 정도일 때, 배터리(100)는 최대의 에너지 밀도로 충전될 수 있음을 시사한다.
<제3 시뮬레이션>
도 6은 도 1의 배터리(100)의 양극층(140)의 기공도와 배터리(100)의 최대 에너지 밀도의 관계를 측정하기 위해 실시한 제3 시뮬레이션 결과를 보여준다. 상기 제3 시뮬레이션은 C-rate가 0.5인 조건에서 양극층(140)의 기공도 변화에 따른 배터리(100)의 에너지 밀도변화를 측정하는 것이다. 상기 제3 시뮬레이션의 나머지 실시환경은 상기 제1 시뮬레이션과 동일하게 하였다.
도 6에서 가로축은 양극층(140)의 기공도를 나타내고, 세로축은 배터리(100)의 에너지 밀도를 나타낸다.
도 6을 참조하면, 양극층(140)의 기공도가 증가하면서 배터리(100)의 에너지 밀도도 증가한다. 그러나 양극층(140)의 기공도가 0.5 정도일 때, 배터리(100)의 에너지 밀도는 최대가 된다. 양극층(140)의 기공도가 0.5보다 커지면서 배터리(100)의 에너지 밀도는 급격히 낮아지고, 양극층(140)의 기공도가 0.7 이상이 되면서 배터리(100)의 에너지 밀도는 0이 된다.
도 6의 결과는 충전시 C-rate이 0.5이고, 양극층(140)의 기공도가 0.5 정도일 때, 배터리(100)의 에너지 밀도는 최대가 됨을 시사한다. 달리 말하면, 도 6의 결과는 배터리(100)의 양극층(140)의 기공도가 0.5 정도일 때, C-rate을 0.5로하여 배터리(100)를 충전하는 경우, 배터리(100)의 에너지 밀도는 최대가 됨을 시사한다. 곧, 도 6은 배터리(100)의 제1 동작방법으로 배터리(100)의 양극층(140)의 기공도가 0.5 정도일 때, 배터리(100)의 에너지 밀도를 극대화할 수 있는 충전방법을 시사하기도 한다. 배터리(100)의 방전은 충전의 반대과정으로 볼 수 있는 바, 도 6은 배터리(100)의 제2 동작방법으로 양극층(140)의 기공도가 0.5 정도인 배터리(100)에 저장된 에너지를 가장 효율적으로 방전시킬 수 있는 방법, 곧 C-rate를 0.5로 하여 방전하는 에너지 공급방법을 시사할 수도 있다.
도 7은 배터리(100)가 상기 제3 시뮬레이션 조건(예, C-rate 0.5)으로 충전된 경우, 배터리(100)의 양극층(140)의 기공도에 따른 방전결과를 보여준다.
도 7에서 가로축은 전체 방전 동안에 배터리(100)로부터 방전된(공급된) 에너지 밀도를 나타내고, 세로축은 배터리(100)의 전압 변화를 나타낸다.
도 7에서 제1 내지 제4 그래프(7G1-7G4)는 양극층(140)의 기공도가 각각 0.3, 0.4, 0.5 및 0.65일 때, 배터리(140)의 전압과 방출된 에너지 밀도 사이의 관계를 나타낸다.
도 7은 배터리(100)의 양극층(140)의 기공도가 0.5 정도일 때(제2 그래프(7G2)), 배터리(140)로부터 방출된 에너지 밀도가 최대인 것을 보여준다. 배터리(100)의 방전은 배터리(100)에 저장된 에너지를 방출하는 것이므로, 도 7의 결과는 상기 제3 시뮬레이션 조건에서 배터리(100)의 양극층(140)의 기공도가 0.5 정도일 때, 배터리(100)는 최대의 에너지 밀도로 충전될 수 있음을 시사한다.
결과적으로, 도 6과 도 7은 서로 동일한 결과를 시사한다.
<제4 시뮬레이션>
도 8은 도 1의 배터리(100)의 양극층(140)의 기공도와 배터리(100)의 최대 에너지 밀도의 관계를 측정하기 위해 실시한 제4 시뮬레이션 결과를 보여준다. 상기 제4 시뮬레이션은 C-rate가 1인 조건에서 양극층(140)의 기공도 변화에 따른 배터리(100)의 에너지 밀도변화를 측정하는 것이다. 상기 제4 시뮬레이션의 나머지 실시환경은 상기 제1 시뮬레이션과 동일하게 하였다.
도 8에서 가로축은 양극층(140)의 기공도를, 세로축은 배터리(100)의 에너지 밀도를 각각 나타낸다.
도 8을 참조하면, 양극층(140)의 기공도가 0.4 정도가 될 때까지 배터리(100)의 에너지 밀도는 증가한다. 양극층(140)의 기공도가 0.4 정도일 때, 배터리(100)의 에너지 밀도는 최대가 된다. 양극층(140)의 기공도가 0.4보다 커지면서 배터리(100)의 에너지 밀도는 낮아지는데, 양극층(140)의 기공도가 0.6을 넘어서고 0.7이 되기 전에 배터리(100)의 에너지 밀도는 0이 된다.
도 8의 결과는 충전시 C-rate이 1이고, 양극층(140)의 기공도가 0.4 정도일 때, 배터리(100)의 에너지 밀도는 최대가 됨을 시사한다. 달리 말하면, 도 8의 결과는 배터리(100)의 양극층(140)의 기공도가 0.4 정도일 때, C-rate을 1로하여 배터리(100)를 충전하는 경우, 배터리(100)의 에너지 밀도는 최대가 됨을 시사한다. 곧, 도 8은 배터리(100)의 제1 동작방법으로 배터리(100)의 양극층(140)의 기공도가 0.4 정도일 때, 배터리(100)의 에너지 밀도를 극대화할 수 있는 충전방법을 시사하기도 한다. 배터리(100)의 방전은 충전의 반대과정으로 볼 수 있는 바, 도 8은 배터리(100)의 제2 동작방법으로 양극층(140)의 기공도가 0.4 정도인 배터리(100)에 저장된 에너지를 가장 효율적으로 방전시킬 수 있는 방법, 곧 C-rate를 1로 하여 방전하는 에너지 공급방법을 시사할 수도 있다.
도 9는 배터리(100)가 상기 제4 시뮬레이션 조건(예, C-rate 1)으로 충전되는 경우, 배터리(100)의 양극층(140)의 기공도에 따른 방전결과를 보여준다.
도 9에서 가로축은 전체 방전 동안에 배터리(100)로부터 방전된(공급된) 에너지 밀도를 나타내고, 세로축은 배터리(100)의 방전에 따른 전압변화를 나타낸다.
도 9에서 제1 내지 제6 그래프(9G1-9G6)는 양극층(140)의 기공도가 각각 0.6, 0.5, 0.4, 0.3, 0.2 및 0.1일 때, 배터리(140)의 전압과 방출된 에너지 밀도 사이의 관계를 나타낸다.
도 9는 배터리(100)의 양극층(140)의 기공도가 0.4 정도일 때(제3 그래프(9G3)), 배터리(140)로부터 방출된 에너지 밀도가 최대인 것을 보여준다. 배터리(100)의 방전은 배터리(100)에 저장된 에너지를 방출하는 것이므로, 도 9의 결과는 상기 제4 시뮬레이션 조건에서 배터리(100)의 양극층(140)의 기공도가 0.4 정도일 때, 배터리(100)는 최대의 에너지 밀도로 충전될 수 있음을 시사한다.
결과적으로, 도 8과 도 9는 서로 동일한 결과를 시사한다.
<제5 시뮬레이션>
도 10은 도 1의 배터리(100)의 양극층(140)의 기공도와 배터리(100)의 최대 에너지 밀도의 관계를 측정하기 위해 실시한 제5 시뮬레이션 결과를 보여준다. 상기 제5 시뮬레이션은 C-rate가 5인 조건에서 양극층(140)의 기공도 변화에 따른 배터리(100)의 에너지 밀도변화를 측정하는 것이다. 상기 제5 시뮬레이션의 나머지 실시환경은 상기 제1 시뮬레이션과 동일하게 하였다.
도 10에서 가로축은 양극층(140)의 기공도를, 세로축은 배터리(100)의 에너지 밀도를 각각 나타낸다.
도 10을 참조하면, 양극층(140)의 기공도가 0.2 정도가 될 때까지 배터리(100)의 에너지 밀도는 증가한다. 양극층(140)의 기공도가 0.2 정도일 때, 배터리(100)의 에너지 밀도는 최대가 된다. 양극층(140)의 기공도가 0.2보다 커지면서 배터리(100)의 에너지 밀도는 낮아진다. 양극층(140)의 기공도가 0.5 정도가 되면서부터 배터리(100)의 에너지 밀도는 0이 된다.
도 10의 결과는 충전시 C-rate이 5이고, 양극층(140)의 기공도가 0.2 정도일 때, 배터리(100)의 에너지 밀도는 최대가 됨을 시사한다. 달리 말하면, 도 10의 결과는 배터리(100)의 양극층(140)의 기공도가 0.2 정도일 때, C-rate을 5로하여 배터리(100)를 충전하는 경우, 배터리(100)의 에너지 밀도는 최대가 됨을 시사한다. 곧, 도 10은 배터리(100)의 제1 동작방법으로 배터리(100)의 양극층(140)의 기공도가 0.2 정도일 때, 배터리(100)의 에너지 밀도를 극대화할 수 있는 충전방법을 시사하기도 한다. 배터리(100)의 방전은 충전의 반대과정으로 볼 수 있는 바, 도 10은 배터리(100)의 제2 동작방법으로 양극층(140)의 기공도가 0.2 정도인 배터리(100)에 저장된 에너지를 가장 효율적으로 방전시킬 수 있는 방법, 곧 C-rate를 5로하여 방전하는 에너지 공급방법을 시사할 수도 있다.
도 11은 배터리(100)가 상기 제5 시뮬레이션 조건(예, C-rate 5)으로 충전되는 경우, 배터리(100)의 양극층(140)의 기공도에 따른 방전결과를 보여준다.
도 11에서 가로축은 전체 방전 동안에 배터리(100)로부터 방전된(공급된) 에너지 밀도를 나타내고, 세로축은 배터리(100)의 방전에 따른 전압변화를 나타낸다.
도 11에서 제1 내지 제4 그래프(11G1-11G4)는 양극층(140)의 기공도가 각각 0.4, 0.3, 0.2 및 0.1일 때, 배터리(140)의 전압과 방출된 에너지 밀도 사이의 관계를 나타낸다.
도 11은 배터리(100)의 양극층(140)의 기공도가 0.2 정도일 때(제3 그래프(11G3)), 배터리(140)로부터 방출된 에너지 밀도가 최대인 것을 보여준다. 배터리(100)의 방전은 배터리(100)에 저장된 에너지를 방출하는 것이므로, 도 11의 결과는 상기 제5 시뮬레이션 조건에서 배터리(100)의 양극층(140)의 기공도가 0.2 정도일 때, 배터리(100)는 최대의 에너지 밀도로 충전될 수 있음을 시사한다.
결과적으로, 도 10과 도 11은 서로 동일한 결과를 시사한다.
도 3 내지 도 11을 통해 볼 수 있는 상기 제1 내지 제5 시뮬레이션 결과는 배터리(100)가 최대 에너지 밀도를 얻기 위한 C-rate의 변화와 양극층(140)의 기공도의 변화는 상반됨을 시사한다. 곧, C-rate가 증가할 때, 배터리(100)가 최대 에너지 밀도를 갖는 양극층(140)의 기공도는 낮아진다. 도 12는 이러한 사실을 보여준다.
도 12는 배터리(100)가 최대 에너지 밀도를 갖는 C-rate와 양극층(140)의 기공도 관계를 보여준다.
도 12에서 가로축과 세로축은 각각 배터리(100)가 최대 에너지 밀도를 가질 때의 기공도와 C-rate를 나타낸다.
도 12를 참조하면, 양극층(140)의 기공도가 증가할 때, C-rate는 작아진다. 도 12의 결과는 배터리(100)의 양극층(140)의 기공도의 변화에 따라 배터리(100)의 에너지 밀도를 최대로 하기 위한 C-rate에 대한 정보를 제공한다. 일 예로, 배터리(100)를 만든 직후의 양극층(140) 기공도, 곧 양극층(140)의 최초 기공도가 0.7정도였는데, 배터리(100)가 사용되는 과정에서 양극층(140)의 기공도가 0.4 정도로 낮아진 경우, 최대 에너지 밀도를 갖기 위한 배터리(100)의 C-rate는 최초에 0.1이었다가 배터리(100)가 사용된 후에는 1이 될 수 있다. 곧, 배터리(100)가 사용됨에 따라 양극층(140)의 기공도가 달라지는 경우, 배터리(100)가 최대 에너지 밀도를 갖기 위한 충방전 시간은 달라질 수 있다.
도 13는 상기 제1 내지 제5 시뮬레이션 결과를 종합한 것으로, 일 실시예에 의한 금속 공기 배터리(100)의 C-rate, 양극층의 기공도 및 최대 에너지 밀도의 관계를 나타낸 입체 그래프(3차원 그래프)를 보여준다.
도 13에서 X축은 배터리(100)의 기공도를, Y축은 C-rate를, Z축은 에너지를 각각 나타낸다. 도 13는 배터리(100)의 에너지 밀도가 최대가 되는 C-rate와 기공도에 대한 정보를 제공한다.
도 14은 도 13에서 C-rate가 0.05~0.5, 양극층(140)의 기공도가 0.5~0.85인 영역만 분리하여 나타낸 입체 그래프이다.
도 15는 일 실시예에 의한 금속 공기 배터리의 실험예로써, 일 실시예에 의한 금속 공기 배터리가 고온 환경에서 사용되는 무가습 금속 공기 배터리일 때, 전압-용량(voltage-capacity)관계를 보여준다.
도 15의 결과를 얻기 위해 사용된 상기 실험예에 사용된 금속 공기 배터리의 음극층, 음극 전해질층, 양극 전해질층 및 양극층으로는 각각 리튬층, 질산 나트륨과 질산 칼륨이 용융된 질산염 용융층, LTAP층 및 LLRO층을 사용하였다. 도 15의 결과는 전류밀도(j), 온도 및 양극층의 기공도가 각각 0.04mAh/cm2, 150℃ 및 0.7인 동작조건(환경)에서 측정된 것이다.
도 15에서 가로축은 충방전시의 용량을, 세로축은 충방전시의 전압을 각각 나타낸다. 도 15에 도시된 그래프에서 제1 부분(GP1)은 방전시의 전압-용량 관계를 나타내고, 제2 부분(GP2)은 충전시의 전압-용량 관계를 나타낸다.
도 15의 제1 부분(GP1)은 무가습 환경에서도 일 실시예에 의한 금속 공기 배터리는 충분한 용량의 에너지를 제공할 수 있음을 시사한다.
<제조방법>
금속 공기 배터리의 충방전시의 C-rate가 설정된 경우, 일 실시예에 의한 금속 공기 배터리는 다음과 같이 제조할 수 있다.
구체적으로, 설정된 C-rate를 감안해서 기공도와 C-rate 관계를 나타내는 상기 수학식을 만족하는 기공도를 갖도록 전지를 제조할 수 있다. 일 예에서, 양극 전해질층(140) 상에 양극층(130)을 형성할 때, 상기 설정된 C-rate를 감안해서 상기 수학식을 만족하는 기공도를 갖도록 양극층(140)을 형성할 수 있다. 양극층(140)의 기공도가 양극층(140)의 형성조건(예, 증착시의 온도, 압력, 가스 분위기, 사용물질이나 물질 공급률 등)에 관계된다고 하면, 양극층(140)을 형성할 때, 상기 형성조건을 조절함으로써, 상기 수학식을 만족하는 기공도를 갖는 양극층(140)이 형성될 수 있다.
<금속 공기 배터리 외형>
도 16은 내부에 도 1 및 도 2에 도시한 층 구성을 포함하는 각형 금속 공기 배터리를 보여준다.
도 16을 참조하면, 일 실시예에 의한 금속 공기 배터리(1610)는 제1 및 제2 전극단자(1630, 1640)를 구비한다. 제1 및 제2 전극단자(1630, 1640) 중 하나는 플러스(+) 단자, 나머지는 마이너스(-) 단자일 수 있다. 금속 공기 배터리(1610)는 기공도 정보 제공부(1650)를 포함한다. 기공도 정보 제공부(1650)는 기동도 정보 제공단자라 할 수도 있다. 기공도 정보 제공부(1650)는 금속 공기 배터리(1610)의 기공도 정보를 제공하는 포트일 수 있다. 상기 기공도 정보는 금속 공기 배터리(1610)의 기공도를 포함할 수 있다. 기공도 정보 제공부(1650)를 통해 금속 공기 배터리(1610)에 접촉되는 장치에 금속 공기 배터리(1610)의 기공도 정보가 제공된다. 기공도 정보 제공부(1650)는 제1 및 제2 전극단자(1630, 1640)가 구비된 면에 마련될 수 있다. 예컨대, 기공도 정보 제공부(1650)는 제1 전극단자(1630) 좌측에 구비될 수 있다. 다른 예에서 기공도 정보 제공부(1650)는 제1 전극단자(1630)와 제2 전극단자(1640) 사이에 또는 제2 전극단자(1640) 우측에 마련될 수도 있다. 또 다른 예에서, 기공도 정보 제공부(1650)는 제1 및 제2 전극단자(1630, 1640)와 다른 면에 형성될 수도 있는데, 예를 들면, 점선박스(16B1, 16B2)으로 나타낸 바와 같이 금속 공기 배터리(1610)의 앞면(16S1)이나 측면(16S2)에 형성될 수도 있다.
<금속 공기 배터리를 포함하는 장치/제어 시스템>
도 17은 일 실시예에 의한 금속 공기 배터리를 포함하는 장치를 보여준다.
도 17에 도시한 금속 공기 배터리를 포함하는 장치(1710)는 몸체(body)(1720) 내부에 제어부(1730)와 금속 공기 배터리(1740)을 포함한다. 제어부(1730)는 장치(1710)에 포함된 각 유닛을 제어하여 장치(1710) 전체의 동작을 제어할 수 있도록 구비될 수 있다. 장치(1710)는 금속 공기 배터리(1740)를 전력원으로 사용하는 장치일 수 있다. 예를 들면 장치(1710)는 수송장치나 통신장치일 수 있다. 몸체(1720)은 수송장치의 주요부(main body) 또는 통신장치의 주요부일 수 있다. 일 예에서 장치(1710)은 고온 환경에서 사용되는 통신장치일 수 있고, 자동차와 같은 차량일 수도 있다. 금속 공기 배터리(1740)는 몸체(1720) 내장된 것으로 몸체(1720)에서 분리될 수 없게 장착될 수 있다. 그러나 다른 예에서 금속 공기 배터리(1740)는 몸체(1720)로부터 분리될 수 있게 마련될 수도 있다. 곧, 금속 공기 배터리(1740)는 착탈식으로 몸체(1720)에 구비된 것일 수도 있다. 금속 공기 배터리(1740)는 도 16에 도시한 금속 공기 배터리(1610)일 수 있다. 제어부(1730)는 금속 공기 배터리(1740)의 기공도와 상기 수학식에 따라 금속 공기 배터리(1740)의 충전과 방전동작을 제어할 수 있다. 제어부(1730)는 배선을 통해 금속 공기 배터리(1740)의 기공도 정보 제공부(예, 도 16의 1650)에 접촉될 수 있다. 제어부(1730)는 금속 공기 배터리(1740)의 기공도 정보 제공부를 통해서 금속 공기 배터리(1740)의 기공도를 알 수 있다. 제어부(1730)에는 금속 공기 배터리(1740)로부터 기공도 정보를 수신하는 동작과 수신된 기공도 정보와 상기 수학식에 기초하여 금속 공기 배터리(1740)의 충방전 동작을 제어하기 위한 프로그램을 포함할 수 있다. 상기 기공도 정보는 전기적 신호로 주어질 수 있다. 금속 공기 배터리(1740)와 제어부(1730)는 금속 공기 배터리 제어 시스템을 이룰 수 있다.
금속 공기 배터리(1740)의 충전이 장치(1710)로부터 금속 공기 배터리(1740)를 분리하여 이루어지는 경우, 제어부(1730)의 금속 공기 배터리(1740)에 대한 상기 제어 동작에서 충전동작은 제외할 수 있다. 곧, 제어부(1730)는 금속 공기 배터리(1740)의 제어와 관련된 동작중에서 금속 공기 배터리(1740)의 기공도 정보를 수신하는 동작과 금속 공기 배터리(1740)의 방전 동작만 제어할 수도 있다.
다른 실시예로, 장치(1710)는 도 18에 도시한 바와 같이, 제2 배터리(1760)를 더 포함할 수도 있다. 제2 배터리(1760)는 금속 공기 배터리이거나 금속 공기 배터리와 다른 배터리일 수도 있다. 제2 배터리(1760)가 금속 공기 배터리인 경우, 제2 배터리(1760)의 기공도는 금속 공기 배터리(1740)의 기공도와 동일하거나 다를 수 있다. 제2 배터리(1760)가 금속 공기 배터리인 경우에도 제2 배터리(1760)의 양극층 재료와 금속 공기 배터리(1740)의 양극층의 재료는 서로 다를 수 있다. 제2 배터리(1760)가 금속 공기 배터리와 다른 배터리인 경우, 제2 배터리(1760)는 리튬 이온 배터리 일 수 있으나, 이것으로 한정되지 않는다.
제2 배터리(1760)가 금속 공기 배터리인 경우, 제2 배터리(1760)에 대한 제어는 금속 공기 배터리(1740)에 대한 제어와 동일하게 이루어질 수 있다. 제2 배터리(1760)가 금속 공기 배터리가 아닌 경우, 제어부(1730)는 제2 배터리(1760)의 제어를 위한 별도의 알고리즘을 구비할 수 있다.
다른 실시예에서, 제2 배터리(1760)가 금속 공기 배터리가 아닌 경우, 장치(1710)는 제2 배터리(1760)의 동작 전체를 제어하기 위한 제2 제어부(1770)를 별도로 포함할 수 있다. 이 경우, 제어부(1730)는 금속 공기 배터리(1740)를 제어하기 위한 것일 수 있다. 제2 배터리(1760)가 장치(1710)로부터 분리되어 충전되는 경우, 제2 제어부(1770)는 제2 배터리(1760)에 대한 방전동작만 제어할 수도 있다.
도 19는 다른 실시예에 의한 금속 공기 배터리를 포함하는 장치를 보여준다.
도 19에 도시한 금속 공기 배터리를 포함하는 장치(1810)는 충전장치일 수 있다.
도 19를 참조하면, 장치(1810)는 배터리(1820)가 장착되는 영역인 리세스부(1870)를 갖고 있다. 배터리(1810)는 도 16의 금속 공기 배터리(1610)일 수 있다. 리세스부(1870) 내의 일 면에 제1 내지 제3 단자(1830, 1840, 1850)가 마련되어 있다. 제1 및 제2 단자(1830, 1840)는 배터리(1810)가 리세스부(1870)에 장착될 때, 배터리(1810)의 제1 및 제2 전극단자(도 16의 1630, 1640)에 접촉될 수 있는 형태로 마련된 전극단자일 수 있다. 제3 단자(1850)는 배터리(1810)의 기공도 정보 제공부(도 16의 1650)와 접촉될 수 있는 형태로 구비될 수 있다. 장치(1810)는 장치(1810) 전체의 동작을 제어할 수 있도록 마련된 제어부(1860)를 포함할 수 있다. 제어부(1860)는 장치(1810)에 내장된 형태로 구비될 수 있다. 예컨대, 제어부(1860)는 장치(1810)에 내장된 메인보드(예, 인쇄회로기판(PCB))에 마련될 수 있다.
배터리(1820) 충전을 위해 배터리(1820)가 리세스부(1870)에 장착될 때, 리세스부(1870)의 제1 및 제2 단자(1830, 1840)는 배터리(1820)의 제1 및 제2 전극단자(1830, 1840)와 접촉되고, 리세스부(1870)의 제3 단자(1850)는 배터리(1820)의 기공도 정보 제공부(도 16의 1650)에 접촉된다. 제어부(1860)는 제3 단자(1850)를 통해 배터리(1820)의 기공도 정보를 수신할 수 있다. 상기 기공도 정보는, 예를 들면 전기적 신호로 수신될 수 있다. 상기 수신된 기공도 정보는 배터리(1820)의 기공도를 포함할 수 있다. 제어부(1860)는 상기 수신된 기공도 정보와 상기 수학식에 기초하여 C-rate를 설정할 수 있고, 배터리(1820)의 충전은 상기 설정된 C-rate로 진행된다. 제어부(1860)는 이러한 제어동작을 위해 마련된 프로그램을 포함할 수 있다. 제어부(1860)와 배터리(1820)는 금속 공기 배터리 제어 시스템을 이룰 수 있다.
도 20은 다른 실시예에 의한 금속 공기 배터리를 포함하는 장치(2000)를 보여준다. 장치(2000)는 도 19의 장치(1810)에 제2 배터리(2020)를 더 장착하기 위한 제2 리세스부(2070)를 추가한 경우와 동일할 수 있다. 제2 배터리(2020)는 제2 리세스부(2070)에 장착되어 충전될 수 있다. 제2 배터리(2020)는 배터리(1820)와 동일한 금속 공기 배터리일 수도 있고, 금속 공기 배터리와 다른 배터리일 수 있다. 제2 리세스부(2070)의 전체 구성은 리세스부(1870)와 동일할 수 있다. 장치(2000)는 2개의 배터리(1820, 2020)의 충전을 위한 장치일 수 있다. 장치(2000)에 제2 리세스부(2070)가 마련되어 있는 바, 제어부(1860)는 제2 배터리(2020)가 금속 공기 배터리일 때와 그렇지 않을 때의 충전을 위한 알고리즘을 포함할 수 있다. 다른 예에서, 장치(2000)는 제2 배터리(2020) 충전동작을 제어하기 위한 제2 제어부(2060)를 별도로 구비할 수도 있다.
<금속 공기 배터리의 제어방법>
도 21은 일 실시예에 의한 금속 공기 배터리의 제어방법을 보여준다.
도 21을 참조하면, 먼저, 금속 공기 배터리의 기공도를 인식한다(S1). 금속 공기 배터리의 기공도는 도 16 내지 도 17에서 설명한 바와 같이 배터리(도 16의 1610)의 기공도 정보 제공부(1650)를 통해서 제공되는 기공도 정보를 수신하여 인식할 수 있다. 배터리의 기공도는 배터리 표면의 특정영역을 접촉하거나 스캔하여 인식될 수도 있다. 이를 위해 배터리 제조과정에서 배터리의 기공도는 배터리 표면의 정해진 위치에 기록되거나 표시될 수 있다. 예를 들면, 배터리 기공도는 배터리의 상기 특정영역에 요철로 기록될 수도 있고, 상기 특정영역에 부착된 센싱 마크(필름)나 칩을 통해 제공될 수도 있다.
다음, 상기 인식된 기공도에 기초해서 기공도와 C-rate 관계를 나타내는 상기 수학식을 만족하는 C-rate를 설정한다(S2).
다음, 설정된 C-rate에 따라 배터리를 충전(또는 방전)시킨다(S3).
이러한 제어방법에서 배터리는 상기 수학식을 만족하는 제1 C-rate로 충방전을 수행하면서 충방전의 일부 구간에서는 상기 제1 C-rate와 다른 제2 C-rate로 충방전을 수행할 수도 있다.
한편, 도 18이나 도 20처럼 2개의 배터리가 장치에 장착되고, 2개의 배터리가 모두 금속 공기 배터리인 경우, 각 배터리에 대해 제1 내지 제3 단계(S1-S3)를 적용할 수 있다. 상기 2개의 배터리 중 하나가 금속 공기 배터리가 아닌 경우, 해당 배터리에 대한 충방전 동작은 해당 배터리를 위해 마련된 알고리즘에 따라 수행할 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고, 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
16B1, 16B2:점선박스(기공도 정보 제공부가 구비될 수 있는 영역)
16S1:앞면 16S2:측면
100:금속 공기 배터리 110:음극층
120:음극 전해질층 130:양극 전해질층
140:양극층 140A:기공 영역
150:가스 확산층 210:MIEC층
220:리튬 산화물
1610:금속공기배터리 1630, 1640:제1 및 제2 전극단자
1650:기공도 정보 제공부 1710:장치
1720:몸체(body) 1730:제어부
1740, 1820:금속 공기 배터리 1760, 2020:제2 배터리
1770, 2060:제2 제어부 1800:장치
1830, 1840, 1850:제1 내지 제3 단자 1860:제어부
1870:리세스부 2000:장치
2070:제2 리세스부 A1:제1 영역

Claims (20)

  1. 산소가 유입될 수 있을 정도의 기공도(porosities)를 갖는 양극층을 포함하는 금속 공기 배터리; 및
    상기 기공도에 따라 상기 금속 공기 배터리의 충전 또는 방전속도를 제어하는 제어부;를 포함하는 금속 공기 배터리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 양극층은 MIEC층을 포함하는 금속 공기 배터리 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 양극층은,
    전자의 이동경로를 제공하고, 산소가 유입될 수 있는 전자 전도체층; 및
    이온의 이동경로를 제공하고, 산소가 유입될 수 있는 이온 전도체층;을 포함하는 금속 공기 배터리 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 기공도는 0.2~0.9 정도인 금속 공기 배터리 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 공기 배터리는,
    상기 양극층;
    상기 양극층과 마주하게 배치된 음극층;
    상기 양극층과 상기 음극층 사이에 배치된 고체 전해질층;
    제1 전극단자;
    제2 전극단자; 및
    상기 양극층의 기공도 정보를 제공하기 위해 마련된 포트;를 포함하는 금속 공기 배터리 장치.
  6. 산소가 유입될 수 있을 정도의 제1 기공도를 갖는 양극층을 포함하는 제1 금속 공기 배터리;
    상기 제1 금속 공기 배터리와 다른 위치에 장착된 제2 배터리; 및
    상기 제1 금속 공기 배터리와 상기 제2 배터리 중 적어도 하나의 충전 및/또는 방전속도를 제어하기 위해 마련된 제어부;를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 제1 기공도에 따라 상기 제1 금속 공기 배터리의 충전 및/또는 방전속도를 제어하는 금속 공기 배터리 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제2 배터리는 산소가 유입될 수 있을 정도의 제2 기공도를 갖는 양극층을 포함하는 제2 금속 공기 배터리를 포함하고,
    상기 제2 기공도는 상기 제1 기공도와 동일하거나 다른 금속 공기 배터리 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제2 기공도에 따라 상기 제2 금속 공기 배터리의 충전 및/또는 방전속도를 제어하는 금속 공기 배터리 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 기공도에 따라 상기 제1 금속 공기 배터리를 제어하기 위해 마련된 제1 제어부; 및
    상기 제2 기공도에 따라 상기 제2 금속 공기 배터리를 제어하기 위해 마련된 제2 제어부;를 포함하는 금속 공기 배터리 장치.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 제1 금속 공기 배터리의 양극층은 MIEC층을 포함하는 금속 공기 배터리 장치.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 제2 금속 공기 배터리의 양극층은 MIEC층을 포함하는 금속 공기 배터리 장치.
  12. 제 6 항에 있어서,
    상기 제1 금속 공기 배터리는,
    상기 양극층;
    상기 양극층과 마주하게 배치된 음극층;
    상기 양극층과 상기 음극층 사이에 배치된 고체 전해질층;
    제1 전극단자;
    제2 전극단자; 및
    상기 양극층의 기공도 정보를 제공하기 위해 마련된 포트;를 포함하는 금속 공기 배터리 장치.
  13. 제 7 항에 있어서,
    상기 제2 금속 공기 배터리는,
    상기 양극층;
    상기 양극층과 마주하게 배치된 음극층;
    상기 양극층과 상기 음극층 사이에 배치된 고체 전해질층;
    제1 전극단자;
    제2 전극단자; 및
    상기 양극층의 기공도 정보를 제공하기 위해 마련된 포트;를 포함하는 금속 공기 배터리 장치.
  14. 산소가 유입될 수 있는 복수의 기공이 형성된 혼합도체를 포함하는 양극층;
    상기 양극층과 마주하는 음극층; 및
    상기 양극층과 상기 음극층 사이에 배치된 고체 전해질층;을 포함하고,
    상기 양극층은 주어진 C-rate에서 최대 에너지 밀도를 구현할 수 있는 기공도를 가지며,
    상기 기공도는 0.2~0.9 정도인 금속 공기 배터리.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 기공도는 0.2~0.6 정도인 금속 공기 배터리.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 기공도는 0.2~0.4 정도인 금속 공기 배터리.
  17. 주어진 기공도(P1)를 갖는 금속 공기 배터리의 제어방법에 있어서,
    하기 수학식에 따라 상기 금속 공기 배터리의 C-rate을 제어하는 단계;를 포함하는 금속 공기 배터리의 제어방법.
    <수학식>
    P1 = -0.122ln(C-rate) + a, (0.3≤a≤0.5)
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 금속 공기 배터리의 C-rate을 제어하는 단계는,
    상기 금속 공기 배터리를 충전하는 과정에서 수행하는 금속 공기 배터리의 제어방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 금속 공기 배터리의 C-rate을 제어하는 단계는,
    상기 금속 공기 배터리를 방전시키는 과정에서 수행하는 금속 공기 배터리의 제어방법.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 기공도는 0.2~0.9 정도인 금속 공기 배터리의 제어방법.
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