KR20210149465A - 파우치형 금속공기전지 - Google Patents

파우치형 금속공기전지 Download PDF

Info

Publication number
KR20210149465A
KR20210149465A KR1020200066534A KR20200066534A KR20210149465A KR 20210149465 A KR20210149465 A KR 20210149465A KR 1020200066534 A KR1020200066534 A KR 1020200066534A KR 20200066534 A KR20200066534 A KR 20200066534A KR 20210149465 A KR20210149465 A KR 20210149465A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
pouch
air battery
gas diffusion
type metal
diffusion layer
Prior art date
Application number
KR1020200066534A
Other languages
English (en)
Inventor
오광석
조영석
권회민
김수현
Original Assignee
현대자동차주식회사
기아 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 현대자동차주식회사, 기아 주식회사 filed Critical 현대자동차주식회사
Priority to KR1020200066534A priority Critical patent/KR20210149465A/ko
Priority to US17/095,527 priority patent/US11404736B2/en
Priority to DE102020129897.8A priority patent/DE102020129897A1/de
Priority to CN202011307983.5A priority patent/CN113764694A/zh
Publication of KR20210149465A publication Critical patent/KR20210149465A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10—Primary casings; Jackets or wrappings
    • H01M50/102—Primary casings; Jackets or wrappings characterised by their shape or physical structure
    • H01M50/105—Pouches or flexible bags
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0232—Metals or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M12/00—Hybrid cells; Manufacture thereof
    • H01M12/04—Hybrid cells; Manufacture thereof composed of a half-cell of the fuel-cell type and of a half-cell of the primary-cell type
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M12/00—Hybrid cells; Manufacture thereof
    • H01M12/04—Hybrid cells; Manufacture thereof composed of a half-cell of the fuel-cell type and of a half-cell of the primary-cell type
    • H01M12/06—Hybrid cells; Manufacture thereof composed of a half-cell of the fuel-cell type and of a half-cell of the primary-cell type with one metallic and one gaseous electrode
    • H01M12/065—Hybrid cells; Manufacture thereof composed of a half-cell of the fuel-cell type and of a half-cell of the primary-cell type with one metallic and one gaseous electrode with plate-like electrodes or stacks of plate-like electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M12/00—Hybrid cells; Manufacture thereof
    • H01M12/08—Hybrid cells; Manufacture thereof composed of a half-cell of a fuel-cell type and a half-cell of the secondary-cell type
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/583—Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8605—Porous electrodes
    • H01M4/8621—Porous electrodes containing only metallic or ceramic material, e.g. made by sintering or sputtering
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8803—Supports for the deposition of the catalytic active composition
    • H01M4/8807—Gas diffusion layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/9041—Metals or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/92—Metals of platinum group
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/92—Metals of platinum group
    • H01M4/925—Metals of platinum group supported on carriers, e.g. powder carriers
    • H01M4/926—Metals of platinum group supported on carriers, e.g. powder carriers on carbon or graphite
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/96—Carbon-based electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10—Primary casings; Jackets or wrappings
    • H01M50/116—Primary casings; Jackets or wrappings characterised by the material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10—Primary casings; Jackets or wrappings
    • H01M50/116—Primary casings; Jackets or wrappings characterised by the material
    • H01M50/121—Organic material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10—Primary casings; Jackets or wrappings
    • H01M50/138—Primary casings; Jackets or wrappings adapted for specific cells, e.g. electrochemical cells operating at high temperature
    • H01M50/1385—Hybrid cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0239—Organic resins; Organic polymers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M2004/8678—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells characterised by the polarity
    • H01M2004/8689—Positive electrodes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Hybrid Cells (AREA)

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 금속공기전지는 가스확산층(200)의 돌출부(220)에 의해 생긴 단차로 인해, 외부 압력 인가로 셀 내부의 전해질(400)이 전극조립체(100) 밖으로 나오게 되더라도, 가스확산층(200), 전극조립체(100) 및 외장재(300)로 구획되는 공간까지 닿지 않게 설계되므로 상기 공간 부분에 해당하는 외장재(300) 내 다수의 기공(310)이 막히지 않게 되는 바, 외장재(300)로부터 선택적으로 투과된 산소는 가스확산층(200)에 유입되고, 가스확산층(200)의 확산부(210)를 통해 전극조립체(100)로 유입될 수 있으므로, 압력에 따른 접촉저항이 개선될 뿐만 아니라 본 발명에 따른 파우치형 금속공기전지의 초기 구동조건과 구동재현성을 확보할 수 있다는 장점이 있다.

Description

파우치형 금속공기전지{Pouch type metal air battery}
본 발명은 접촉저항 감소를 위한 가압력 조건에서도 산소 등의 유체 유입이 원활한 파우치형 금속공기 전지에 관한 것이다.
리튬금속 공기전지는 리튬이온 이차전지의 양극 활물질을 공기로 대체한 전지로서, 에너지밀도가 기존의 양극 활물질을 사용한 리튬이온 이차전지 보다 10배나 높고, 방전 중 환원반응 원료로써 공기 중에 포함된 산소를 이용하게 되어 양극 및 전체 전지의 무게를 현저히 줄일 수 있다는 장점이 있다.
이러한 리튬공기전지의 경우 파우치형, 원통형, 코인형 등으로 형성되며, 양극 부분에만 공기가 통할 수 있도록 구멍을 뚫어 놓은 형태를 벗어나지 못하고 있다. 이 중에서 파우치형 리튬공기전지는 다양한 형태로 제조가 가능하며, 높은 질량당 에너지 밀도를 구현할 수 있는 장점이 있다.
그러나, 파우치형 리튬공기전지는 파우치에 양극에 산소유입 홀을 만들어 제작하는데, 상기 홀로부터 전해질(400)이 누출 또는 휘발되는 문제가 있고, 상기 홀에 의해 압축 성형이 어려운 문제가 있다. 이로 인해 에너지밀도가 낮고 대면적화가 어려운 문제가 있다. 또한 산소 유입 이외에도 대기 중의 수분과 이산화탄소, 질소 등의 가스가 유입되어 전지열화의 부반응을 일으키는 문제가 있다. 이에 따라 대기 중에서는 리튬공기전지의 구동이 어려워 제습시스템 또는 순수 산소가스통이 구비되어야 하는 번거로움이 있다. 따라서, 대기 중의 수분 또는 가스 유입은 차단하면서 산소만을 선택적으로 투과시키는 외장재(300)를 적용하여 전극조립체(100)를 밀봉시킴으로써 파우치형 금속공기전지의 산소투과율을 향상시켜왔다.
그러나, 상기 외장재(300)를 적용하여 파우치형 금속공기전지를 제조하더라도, 산소 등의 유체유입이 원활하지 않는 문제가 발생할 수 있다. 즉, 도 1a는 압력이 비 인가될 때 외장재(300)를 적용한 파우치형 금속공기전지(1)를 나타낸 단면도이다. 이를 참조하면, 양극층(110), 음극층(130) 및 상기 양극층(110)과 음극층(130) 사이에 위치하는 분리막(120)을 포함하는 전극조립체(100); 상기 전극조립체(100) 상에 위치하는 가스확산층(200); 및 상기 전극조립체(100) 및 가스확산층(200)을 수용하고 유체 투과성이 있는 외장재(300);를 포함한다. 이 때, 외장재(300)의 모든 면에 포함된 기공(310)에서 산소공급을 원활히 공급 받을 수는 있으나, 압력을 인가하지 않으면 접촉 저항이 커져 전지 구동이 어려운 문제가 있다. 또한, 도 1b는 압력이 인가될 때 외장재(300)를 적용한 파우치형 금속공기전지(1)를 나타낸 단면도이다. 이를 참조하면, 압력 인가 시 파우치형 금속공기전지(1)에 공간이 있는 측면으로 산소가 공급될 수는 있다. 다만, 가스확산층(200)과 전극조립체(100)와의 폭이 같거나 작으면, 압력에 의해 전극조립체(100)에 포함된 음극 등이 눌려 전극조립체(100), 및 가스확산층(200) 측면을 막아, 충분한 산소 공급이 어려운 문제가 있다. 또한, 도 1c는 전해질(400) 주액 후, 압력이 인가될 때 외장재(300)를 적용한 파우치형 금속공기전지(1)를 나타낸 단면도이다. 이를 참조하면, 전해질(400)이 스퀴즈 아웃(squeeze out)되어 전극조립체(100) 외부로 나올 가능성이 있어, 전극조립체(100), 및 가스확산층(200) 측면을 막을 수 있다. 따라서, 이 역시 충분한 산소 공급이 어려운 문제가 있다.
한국공개특허 제2016-0131606호
본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 구체적인 목적은 다음과 같다.
본 발명은 전극조립체(100)와 맞닿는 확산부(210), 및 상기 확산부(210)로부터 연장 형성된 돌출부(220)를 포함하는 가스확산층(200); 전극조립체(100); 및 외장재(300)를 포함하고, 상기 돌출부(220)에 의해 상기 전극조립체(100)와 상기 가스확산층(200) 간에 단차가 생기고, 상기 가스확산층(200), 전극조립체(100) 및 외장재(300)로 구획되는 공간이 형성되는 것을 특징으로 하는 파우치형 금속공기전지를 제공하여 접촉저항 감소를 위한 가압력 조건에서도 산소 등의 유체 유입이 원활하게 이루어지도록 하는데 목적이 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않는다. 본 발명의 목적은 이하의 설명으로 보다 분명해 질 것이며, 특허청구범위에 기재된 수단 및 그 조합으로 실현될 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 금속공기전지는 양극층(110), 음극층(130) 및 상기 양극층(110)과 음극층(130) 사이에 위치하는 분리막(120)을 포함하는 전극조립체(100); 상기 전극조립체(100) 상에 위치하는 가스확산층(200); 및 상기 전극조립체(100) 및 가스확산층(200)을 수용하고 유체 투과성이 있는 외장재(300);를 포함하고, 상기 가스확산층(200)은 상기 전극조립체(100)와 맞닿는 확산부(210); 및 상기 확산부(210)로부터 연장 형성된 돌출부(220)를 포함한다.
상기 돌출부(220)에 의해 상기 전극조립체(100)와 상기 가스확산층(200) 간에 단차가 생기고, 상기 가스확산층(200), 전극조립체(100) 및 외장재(300)로 구획되는 공간이 형성할 수 있다.
상기 가스확산층(200)은 2 이상의 돌출부(220)를 포함할 수 있다.
상기 전극조립체(100)가 복수 개로 적층된 스택을 포함하고, 상기 가스확산층(200)은 서로 인접한 상기 전극조립체(100) 사이 및 상기 스택의 양 끝단 중 적어도 어느 한 곳 이상에 위치할 수 있다.
상기 확산부(210)의 길이와 상기 돌출부(220)의 길이의 비가 1:0.2 내지 1:0.4일 수 있다.
상기 파우치형 금속공기전지 0.59~1.3kgf/cm2의 압력이 인가되는 상태에서 작동할 수 있다.
상기 가스확산층(200)의 확산부(210)은 양극층(110) 상에 위치할 수 있다.
상기 가스확산층(200)은 다공성 금속기재를 포함할 수 있다.
상기 다공성 금속기재는 니켈 폼(Ni foam), 알루미늄 메쉬(AI mesh), 및 스테인 레스 메쉬(sus mesh)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 양극층(110)은 탄소종이(Carbon paper), 카본블랙(Carbon Black), 환원된 산화그래핀(Reduced Oxide Graphene), 탄소나노튜브(Carbon Nanotube), 및 아세틸렌블랙(Acetylene　Black)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 양극층(110)은 니켈(Nickel), 금(Au) 및 은(Ag), 루비듐(Ru), 백금(Pt)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 촉매를 포함할 수 있다.
상기 외장재(300)는 복수 개의 기공(310)을 포함할 수 있다.
상기 외장재(300)는 산소를 선택적으로 투과할 수 있다.
상기 외장재(300)로부터 투과된 산소는 가스확산층(200)(GDL)에 유입되고, 가스확산층(200)(GDL)의 확산부(210)를 통해 전극조립체(100)로 유입될 수 있다.
상기 외장재(300)는 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethyleneterephthalate, PET), 고밀도 폴리에틸렌(High　Density　Polyethylene,　HDPE), 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene) 및 폴리메틸메타크릴레이트(Polymethylmethacrylate)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 재질을 포함할 수 있다.
상기 외장재(300)는 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethyleneterephthalate, PET), 고밀도 폴리에틸렌(High　Density　Polyethylene,　HDPE), 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene) 및 폴리메틸메타크릴레이트(Polymethylmethacrylate)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 고분자가 혼합된 금속유기구조체(Metal Organic Framework) 투과막일 수 있다.
본 발명에 따른 파우치형 금속공기전지는, 가스확산층(200)의 돌출부(220)에 의해 생긴 단차로 인해, 셀 내부의 전해질(400)이 전극조립체(100) 밖으로 나오게 되더라도, 가스확산층(200), 전극조립체(100) 및 외장재(300)로 구획되는 공간까지 닿지 않게 설계되므로 상기 공간 부분에 해당하는 외장재(300) 내 복수 개의 기공(310)이 막히지 않게 되는 바, 외장재(300)로부터 선택적으로 투과된 산소는 가스확산층(200)에 유입되고, 가스확산층(200)의 확산부(210)를 통해 전극조립체(100)로 유입될 수 있으므로, 압력에 따른 접촉저항이 개선될 뿐만 아니라 금속공기전지의 초기 구동조건과 구동재현성을 확보할 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 한정되지 않는다. 본 발명의 효과는 이하의 설명에서 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
도 1a는 압력이 비 인가될 때 외장재(300)를 적용한 파우치형 금속공기전지(1)를 나타낸 단면도이다.
도 1b는 압력이 인가될 때 외장재(300)를 적용한 파우치형 금속공기전지(1)를 나타낸 단면도이다.
도 1c는 전해질(400) 주액 후, 압력이 인가될 때 외장재(300)를 적용한 파우치형 금속공기전지(1)를타낸 단면도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 금속공기전지(10)를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2b는 본 발명의 다른 일 실시예에 따라, 전극조립체(100)가 복수 개로 적층된 스택; 및 서로 인접한 상기 전극조립체(100) 사이 및 상기 스택의 양 끝단 중 적어도 어느 한 곳 이상에 위치하는 가스확산층(200);을 포함하는 파우치형 금속공기전지(10)를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3a는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따라, 2 이상의 돌출부(220)를 포함하는 가스확산층(200)을 포함하는 파우치형 금속공기전지(10)를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3b는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따라, 전극조립체(100)가 복수 개로 적층된 스택; 및 서로 인접한 상기 전극조립체(100) 사이 및 상기 스택의 양 끝단 중 적어도 어느 한 곳 이상에 위치하고, 2 이상의 돌출부(220)를 포함하는 가스확산층(200);을 포함하는 파우치형 금속공기전지(10)를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4는 비교예 1에 따라 제조된 파우치형 금속공기전지의 인가 전압에 따른 용량을 나타낸 그래프이다.
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(400) 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. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서, "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.
달리 명시되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 성분, 반응 조건, 폴리머 조성물 및 배합물의 양을 표현하는 모든 숫자, 값 및/또는 표현은, 이러한 숫자들이 본질적으로 다른 것들 중에서 이러한 값을 얻는 데 발생하는 측정의 다양한 불확실성이 반영된 근사치들이므로, 모든 경우 "약"이라는 용어에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 기재에서 수치범위가 개시되는 경우, 이러한 범위는 연속적이며, 달리 지적되지 않는 한 이러한 범 위의 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지의 모든 값을 포함한다. 더 나아가, 이러한 범위가 정수를 지칭하는 경우, 달리 지적되지 않는 한 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지를 포함하는 모든 정수가 포함된다.
본 명세서에 있어서, 범위가 변수에 대해 기재되는 경우, 상기 변수는 상기 범위의 기재된 종료점들을 포함하는 기재된 범위 내의 모든 값들을 포함하는 것으로 이해될 것이다. 예를 들면, "5 내지 10"의 범위는 5, 6, 7, 8, 9, 및 10의 값들뿐만 아니라 6 내지 10, 7 내지 10, 6 내지 9, 7 내지 9 등의 임의의 하위 범위를 포함하고, 5.5, 6.5, 7.5, 5.5 내지 8.5 및 6.5 내지 9 등과 같은 기재된 범위의 범주에 타당한 정수들 사이의 임의의 값도 포함하는 것으로 이해될 것이다. 또한 예를 들면, "10% 내지 30%"의 범위는 10%, 11%, 12%, 13% 등의 값들과 30%까지를 포함하는 모든 정수들뿐만 아니라 10% 내지 15%, 12% 내지 18%, 20% 내지 30% 등의 임의의 하위 범위를 포함하고, 10.5%, 15.5%, 25.5% 등과 같이 기재된 범위의 범주 내의 타당한 정수들 사이의 임의의 값도 포함하는 것으로 이해될 것이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 금속공기전지(10)를 개략적으로 도시한 단면도이다. 이를 참조하면, 양극층(110), 음극층(130), 및 상기 양극층(110)과 음극층(130) 사이에 위치하는 분리막(120)을 포함하는 전극조립체(100); 상기 전극조립체(100) 상에 위치하는 가스확산층(200)(GDL); 및 상기 전극조립체(100) 및 가스확산층(200)을 수용하고 유체 투과성이 있는 외장재(300);를 포함한다. 여기서, "수용"이라 함은 상기 전극조립체(100) 전체를 상기 외장재(300)로 모두 감싸는 것을 의미한다. 바람직하게는, 본 발명의 파우치형 금속공기전지(10)는 이에 포함되어 있는 가스확산층(200)이 상기 전극조립체(100)와 맞닿는 확산부(210); 및 상기 확산부(210)로부터 연장 형성된 돌출부(220)를 포함할 수 있다.
상기 확산부(210)의 길이와 상기 돌출부(220)의 길이의 비가 1:0.2 내지 1:0.4일 수 있다. 상기 길이의 비가 1 : 0.2 미만이면 전극 조립체가 인가된 압력에 의해 가스 확산층을 막을 수 있는 단점이 있고, 1 : 0.4를 초과하면 가스 확산층의 면적, 무게가 증가됨으로 셀 에너지 밀도를 저하시킬 수 있는 단점이 있다. 즉, 확산부(210) 대비 상기 길이의 비를 갖는 돌출부(220)에 의해 상기 전극조립체(100)와 상기 가스확산층(200) 간에 단차가 생기고, 상기 가스확산층(200), 전극조립체(100) 및 외장재(300)로 구획되는 공간이 형성되는 것을 특징으로 한다. 이에 따라, 본 발명에 따른 파우치형 금속공기전지(10)는 이에 포함된 가스확산층(200) 중 돌출부(220)가 압력 인가 영역에서 벗어나 있으므로, 돌출부(220)로 형성된 단차로 인해 형성된 가스확산층(200), 전극조립체(100) 및 외장재(300)로 구획되는 공간에 의해, 외장재(300)로부터 선택적으로 투과된 산소는 가스확산층(200)에 유입되고, 가스확산층(200)(GDL)의 확산부(210)를 통해 전극조립체(100)로 유입될 수 있으므로 압력에 따른 접촉저항이 개선될 수 있다.
본 발명에 따른 파우치형 금속공기전지(10)는 상기 확산부(210) 및 돌출부(220)의 길이의 비를 갖는 가스확산층(200)을 포함하면, 0.59~1.3kgf/cm2의 압력이 인가되는 상태에서도 초기 구동조건과 구동재현성을 확보할 수 있는 특징이 있다. 상기 압력이 0.59kgf/cm2 미만이면 전극들간 접촉이 잘 이루어지지 않아 접촉 저항이 증가 될 단점이 있고, 01.3kgf/cm2의 압력을 초과하면 가스확산층에 과하게 눌려져 외부산소가 가스 확산층을 통해 양극층 내부로 유입되기 어려운 단점이 있다. 즉, 외부 압력 인가로 셀 내부의 전해질(400)이 전극조립체(100) 밖으로 나오게 되더라도, 본 발명에 따른 파우치형 금속공기전지는, 가스확산층(200)의 돌출부(220)에 의해 생긴 단차로 인해, 가스확산층(200), 전극조립체(100) 및 외장재(300)로 구획되는 공간까지 닿지 않게 설계되므로 상기 공간 부분에 해당하는 외장재(300) 내 다수의 기공(310)이 막히지 않게 되는 바, 산소가 선택적으로 투과될 수 있어 압력에 따른 접촉저항이 개선될 뿐만 아니라 본 발명에 따른 파우치형 금속공기전지(10)의 초기 구동조건과 구동재현성을 확보할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 파우치형 금속공기전지(10)는 양극층(110), 음극층(130) 및 상기 양극층(110)과 음극층(130) 사이에 위치하는 분리막(120)을 포함하는 전극조립체(100)가 복수 개로 적층된 스택; 서로 인접한 상기 전극조립체(100) 사이 및 상기 스택의 양 끝단 중 적어도 어느 한 곳 이상에 위치하는 가스확산층(200); 및 상기 전극조립체(100) 및 가스확산층(200)을 수용하고 유체 투과성이 있는 외장재(300);를 포함한다. 바람직하게는, 본 발명의 파우치형 금속공기전지(10)는 이에 포함되어 있는 가스확산층(200)이 상기 전극조립체(100)와 맞닿는 확산부(210); 및 상기 확산부(210)로부터 연장 형성된 돌출부(220)를 포함한다. 도 2b는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 파우치형 금속공기전지(10)를 개략적으로 도시한 단면도이다. 이를 참조하면, 상기 전극조립체(100)가 4개로 적층된 스택을 포함하고, 상기 가스확산층(200)은 서로 인접한 상기 전극조립체(100) 사이에 위치할 수 있다. 즉, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 파우치형 금속공기전지(10)는 다수의 전극조립체(100)가 적층된 스택구조로 구성될 수 있으므로, 전지의 충방전 성능을 보다 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 파우치형 금속공기전지(10)는 양극층(110), 음극층(130) 및 상기 양극층(110)과 음극층(130) 사이에 위치하는 분리막(120)을 포함하는 전극조립체(100); 상기 전극조립체(100) 상에 위치하는 가스확산층(200)(GDL); 및 상기 전극조립체(100) 및 가스확산층(200)을 수용하고 유체 투과성이 있는 외장재(300);를 포함하고, 상기 가스확산층(200)은 상기 전극조립체(100)와 맞닿는 확산부(210); 및 상기 확산부(210)로부터 연장 형성된 돌출부(220)를 포함하고, 상기 돌출부(220)에 의해 상기 전극조립체(100)와 상기 가스확산층(200) 간에 단차가 생기고, 상기 가스확산층(200), 전극조립체(100) 및 외장재(300)로 구획되는 공간이 형성되는 것을 특징으로 하며, 바람직하게는 상기 가스확산층(200)은 2 이상의 돌출부(220)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 가스확산층(200)은 파우치형 금속공기전지를 제조 요구 사양에 따라 다양한 형상으로 제작될 수 있고, 바람직하게는 삼각형, 사각형, 직사각형, 오각형, 육각형 등의 다각형일 수 있다. 이때, 상기 가스확산층(200)(GDL)의 돌출부(220)는 가스확산층(200)이 다각형일 경우, 이를 이루는 선분이 다각형의 중심으로부터 확장하는 방향으로 2이상의 부분일 수 있다. 도 3a는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 파우치형 금속공기전지(10)를 개략적으로 도시한 단면도이다. 이를 참조하면, 상부의 가스확산층(200) 형상은 사각형일 때, 평행하는 선분이 확장하는 방향으로 확장하여 돌출부(220)가 2부분인 것을 나타낸 것이다. 다만 이에 한정되는 것은 아니고, 나머지 2선분도 확장하여 최대 돌출부(220)가 4부분일 수 있다. 따라서, 또 다른 일 실시예에 따른 파우치형 금속공기전지(10)는 이에 포함된 가스확산층(200)의 돌출부(220)가 2 이상의 부분일 수 있으므로, 2 이상의 돌출부(220)로 형성된 단차로 인해 형성된 가스확산층(200), 전극조립체(100) 및 외장재(300)로 구획되는 공간을 더욱 더 효율적으로 확보할 수 있고, 상기 공간을 통해 산소가 선택적으로 투과될 수 있으므로 압력에 따른 접촉저항이 개선될 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 파우치형 금속공기전지(10)는 양극층(110), 음극층(130) 및 상기 양극층(110)과 음극층(130) 사이에 위치하는 분리막(120)을 포함하는 전극조립체(100)가 복수 개로 적층된 스택; 서로 인접한 상기 전극조립체(100) 사이 및 상기 스택의 양 끝단 중 적어도 어느 한 곳 이상에 위치하고, 2 이상의 돌출부(220)를 포함하는 가스확산층(200); 및 상기 전극조립체(100) 및 가스확산층(200)을 수용하고 유체 투과성이 있는 외장재(300);를 포함한다. 바람직하게는, 본 발명의 파우치형 금속공기전지(10)는 이에 포함되어 있는 가스확산층(200)이 상기 전극조립체(100)와 맞닿는 확산부(210); 및 상기 확산부(210)로부터 연장 형성된, 2 이상의 돌출부(220)를 포함한다. 도 3b는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 파우치형 금속공기전지(10)를 개략적으로 도시한 단면도이다. 이를 참조하면, 상기 전극조립체(100)가 4개로 적층된 스택을 포함하고, 상기 가스확산층(200)은 돌출부(220) 2부분을 포함하고, 서로 인접한 상기 전극조립체(100) 사이에 위치할 수 있다. 즉, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 파우치형 금속공기전지(10)는 다수의 전극조립체(100)가 적층된 스택구조로 구성될 수 있을 뿐 아니라, 2 이상의 돌출부(220)로 형성된 단차로 인해 형성된 가스확산층(200), 전극조립체(100) 및 외장재(300)로 구획되는 공간을 더욱 더 효율적으로 확보할 수 있으므로, 전지의 충방전 성능을 보다 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.
본 발명에 따른 파우치형 금속공기전지(10)는 양극층(110), 음극층(130) 및 상기 양극층(110)과 음극층(130) 사이에 위치하는 분리막(120)을 포함하는 전극조립체(100); 상기 전극조립체(100) 상에 위치하는 가스확산층(200); 및 상기 전극조립체(100) 및 가스확산층(200)을 수용하고 유체 투과성이 있는 외장재(300);를 포함한다. 바람직하게는, 상기 가스확산층(200)은 상기 전극조립체(100)와 맞닿는 확산부(210); 및 상기 확산부(210)로부터 연장 형성된 돌출부(220)를 포함한다.
본 발명에 따른 전극조립체(100)는 전기를 발생할 수 있는 기본 셀 단위일 수 있다. 상기 전극조립체(100)는 양극층(110), 음극층(130) 및 상기 양극층(110)과 음극층(130) 사이에 위치하는 분리막(120)을 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 양극층(110)은 가스확산층(200)의 확산부(210) 상에 위치할 수 있고, 집전체를 더 포함할 수 있으나, 바람직하게는, 상기 가스확산층(200)의 확산부(210) 상에 위치한 양극층(110)은 집전체를 포함하지 않을 수 있다. 상기 양극층(110)의 구체적인 재질은 카본블랙(Carbon Black), 환원된 산화그래핀(Reduced Oxide Graphene), 탄소나노튜브(Carbon Nanotube), 아세틸렌블랙(Acetylene　Black)을 포함할 수 있고, 특정 재질로 제한되지 않으나, 바람직하게는, 탄소계열 소재를 포함할 수 있다. 이는 탄소재는 가볍고, 값싼 소재로 리튬공기전지의 에너지밀도와 경제성을 개선하는데 크게 기여하기 때문이다. 또한, 상기 양극층(110)에 포함되는 촉매로는 산소 환원 반응(Oxygen reduction reaction), 산소 산화 반응(Oxygen evolution reaction) 시킬 수 있는 금속(Pd, Pt, Ru, RuO, Se, Au 등) 니켈(Nickel), 금(Au) 및 은(Ag)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 특정 금속을 포함하는 것으로 제한되지 아니한다. 상기 양극층(110)에 포함될 수 있는 집전체는 스테인레스, 알루미늄 및 니켈로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 전도성 금속을 포함할 수 있고, 특정 성분으로 제한되지 않으나, 바람직하게는, 다공성의 알루미늄을 포함할 수 있다. 이는 알루미늄이 전자전도도가 높고, 가벼운 소재로 리튬이온전지에 주로 사용하는 재질이기에, 다공성 알루미늄(메쉬, 폼구조)는 리튬공기전지에서 필요한 공기유입이 가능하고 전자전도 역할을 하기 때문이다. 본 발명에 따른 음극층(130)은 음극활성층(131), 및 집전체(132)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다. 상기 음극층(130)의 음극활성층(131)은 리튬금속, 나트륨, 및 마그네슘으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속을 포함할 수 있고, 특정 금속을 포함하는 것으로 제한되지 않으나, 바람직하게는 리튬원소를 포함한 전극을 포함할 수 있다. 이는 리튬원소가 가장 전위가 낮고, 가벼워 금속공기전지의 에너지밀도를 크게 향상시킬 수 있기 때문이다. 상기 음극층(130)에 포함될 수 있는 집전체(132)는 양극층(110)에 포함될 수 있는 집전체와 동일하거나 다를 수 있다. 본 발명에 따른 분리막(120)은 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리프로필렌(Polypropylene) 및 유리섬유(GlassFiber)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 고분자 필름인 것일 수 있다. 또한 상기 분리막(120)은 상기 고분자 필름에 리튬염; 및 유기용매;로 이루어진 전해질(400)이 함침된 것일 수 있다. 상기 리튬염은 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, LiC(SO2CF3)3 및 LiNO3로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 유기용매는 테트라에틸렌 글리콜(Tetraethylene Glycol), 디메틸에테르(Dimthyl Ether), 디메틸아세트아미드(Dimethylaceamide) 및 디메틸술폭시드(Dimethyl Sulfoxide)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 바람직하게는 상기 전해질(400)로는 테트라에틸렌 글리콜(Tetraethylene Glycol), 디메틸에테르(Dimethylaceamide)에 1M의 LiTFSI이 혼합된 전해질(400)이거나 디메틸아세트아미드(Dimethylaceamide)에 1M의 LiNO3이 혼합된 것을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 가스확산층(200)은 다공성 전자전도층으로 다공성 금속기재를 포함할 수 있다. 상기 다공성 금속기재는 니켈 폼(Ni foam), 알루미늄 메쉬(AI mesh), 및 스테인레스 메쉬(sus mesh)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 특정 종류를 포함하는 것으로 제한되지 않으나, 바람직하게는 다공성의 알루미늄을 포함할 수 있다. 이는 알루미늄이 전자전도도가 높고, 가벼운 소재로 리튬이온전지에 주로 사용하는 재질이기에, 다공성 알루미늄(메쉬, 폼구조)는 리튬공기전지에서 필요한 공기유입이 가능하고 전자전도 역할을 하기 때문이다.
본 발명에 따른 외장재(300)는 복수 개의 기공(310)을 포함하되, 대기 중의 수분 또는 이산화탄소와 같은 가스의 유입은 방지하고 산소만을 선택적으로 투과할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 아니한다. 본 발명에 따른 외장재(300)는 산소만 선택적으로 투과시킬 수 있는 재질을 사용할 수 있고, 바람직하게는 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethyleneterephthalate, PET), 고밀도 폴리에틸렌(High　Density　Polyethylene,　HDPE), 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene) 및 폴리메틸메타크릴레이트(Polymethylmethacrylate)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 재질을 포함할 수 있다. 또한, 상기 외장재(300)는 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethyleneterephthalate, PET), 고밀도 폴리에틸렌(High　Density　Polyethylene,　HDPE), 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene) 및 폴리메틸메타크릴레이트(Polymethylmethacrylate)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 고분자가 혼합된 금속유기구조체(MetalOrganic Framework) 투과막일 수 있다. 상기와 같은 재질은 소수성 고분자막으로서 대기 중의 수분을 차단하고 얇고 유연하여 압축 성형이 가능한 이점이 있다. 또한, 상기 외장재(300)는 상기 외장재(300) 일면에 수지층을 더 형성시킬 수 있다. 상기 수지층에 포함되는 소재는 본 발명과 관련된 기술분야의 통상의 소재를 포함할 수 있고, 특정 소재를 포함하는 것으로 제한되지 아니한다. 본 발명에 따른 외장재(300)는 수지층을 일면에 더 포함시킴에 따라, 외장재(300)와 전극조립체(100)의 접착력을 향상시킬 수 있고, 본 발명에 따른 파우치형 금속공기전지에 압력을 인가한 경우에도 전해질(400) 누출과 휘발을 막을 수 있는 장점이 있다.
이하 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1 - 확산부(210)와 돌출부(220)의 길이의 비가 1:0.2인 가스확산층(200)을 포함하는 파우치형 금속공기전지
양극층(110)으로는 탄소나노튜브 종이(3 x 5cm2)를 사용하였다. 음극층(130) 중 음극활성층(131)으로는 두께가 100μm인 리튬금속(3 x 5cm2)을 사용하고, 집전체(132)로는 구리를 사용하였다. 분리막(120)은 dimethylacetamide 에 1M의 LiNO3이 혼합된 전해질(400)이 함침된 Polyethylene (3.2 x 5.2_cm2) 및 Polypropylene을 사용하였다. 가스확산층(200)은 Nickel foam(3.6 x 5.0mm2)을 사용하였다. 상기 도 2a의 파우치형 금속공기전지(10)와 동일한 구조로 제조하였다. 구체적으로, 상기 가스확산층(200) 일면에 양극층(110), 분리막(120), 음극활성층(131), 집전체(132)가 차례로 적층된 전극조립체(100)를 제조하였다. 이때, 가스확산층(200)의 확산부(210)와 돌출부(220)의 길이의 비는 1 : 0.2 였다. 그 다음, 상기 가스확산층(200)의 상단부 및 전극조립체(100)의 하단부를 수용하는 외장재(300)로 실링하여 파우치형 금속공기전지(10)를 제조하였다. 이때, 외장재(300)는 PET로 이루어진 것을 사용하였다. 상기 외장재(300)는 초미세가공 레이져(펄스레이저로 펨토초레이저 또는 자외선 레이저)를 이용하여 1μm의 크기로 복수개의 기공(310)을 천공하였다.
실시예 2 - 확산부(210)와 돌출부(220)의 길이의 비가 1:0.4인 가스확산층(200)을 포함하는 파우치형 금속공기전지
실시예 1과 비교하였을 때, 가스확산층(200)의 확산부(210)와 돌출부(220)의 길이의 비가 1 : 0.2 대신 1:0.4 인 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 파우치형 금속공기전지를 제조하였다.
비교예 1 -돌출부(220)가 없는 가스확산층(200)을 포함하는 파우치형 금속공기전지
실시예 1과 비교하였을 때, 가스확산층(200) 내 확산부(210)만 포함하고 있고 돌출부(220)가 없는 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 파우치형 금속공기전지를 제조하였다.
비교예 2 - 확산부(210)와 돌출부(220)의 길이의 비가 1:0.4인 가스확산층(200)을 포함하는 파우치형 금속공기전지
실시예 1과 비교하였을 때, 가스확산층(200)의 확산부(210)와 돌출부(220)의 길이의 비가 1 : 0.2 대신 1:0.6인 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 파우치형 금속공기전지를 제조하였다.
실험예 - 가스확산층(200)의 확산부(210) 및 돌출부(220)의 길이의 비와 압력에 따른 파우치형 금속공기전지의 용량 발현 비교
상기 실시예 1~2 및 비교예 1~2에 따른 파우치형 금속공기전지를 제조하고 외부압력에 따른 용량 발현을 확인하고 그 결과를 표 1에 나타내었다.
용량 발현 외부압력(kgf/cm2)
비교예 및 실시예 0.59 0.98 1.3
비교예 1 1 mAh/cm2 0 mAh/cm2 0 mAh/cm2
실시예 1 4 mAh/cm2 3 mAh/cm2 2 mAh/cm2
실시예 2 26 mAh/cm2 24 mAh/cm2 22 mAh/cm2
비교예 2 25 mAh/cm2 24 mAh/cm2 24 mAh/cm2
표 1을 참조하면, 본 발명에 따른 파우치형 금속공기전지에 인가되는 외부 압력이 증가할수록, 접촉저항이 줄어들어 리튬이온/전자 전도에 유리하겠지만, 과한 외부압력은 가스확산층(200)의 측면에 따른 산소 확산경로를 조립체의 눌림 또는 전해질(400)의 스퀴즈 아웃(squeeze out)에 의한 외장재(300)(산소투과필름) 기공(310)을 차단하게되어 산소유입이 어려워 방전생성물을 형성하기 어려워 방전용량이 적어진다는 것을 확인할 수 있다.또한, 비교예 1과 같이 가스확산층(200)에 돌출부(220)를 포함하지 않고, 확산부(210)만을 포함하고 있는 경우, 도 4 및 표 1에 나타난 바와 같이, 셀 구동이 거의 힘들다는 점을 확인할 수 있었다.
한편, 실시예 1 및 실시예 2와 같이 가스확산층(200)에 돌출부(220)를 확산부(210) 대비0.2~0.4의 길이 비율로 포함하고 있는 금속공기전지의 경우, 외부압력과 무관하게 확장되어 적정한 길이의 돌출부(220)를 포함하고 있는 가스확산층(200)에 의해 전해질(400) 스퀴즈 아웃(squeeze out)되어 침범범위에 벗어나지 않고, 전극조립체(100) 내 음극활성층(131)에 의해 산소가 확산될 수 있는 최소한의 범위를 방해받지 않으므로 충분한 산소 유입이 가능해져 정상적인 ORR(방전)구동/작동한다는 것을 확인할 수 있었다.
반면, 실시예 3과 같이 가스확산층(200)에 돌출부(220)를 확산부(210) 대비 0.6의 길이 비율로 포함하고 있는 금속공기전지의 경우, 실시예 2와 달라지는 외부압력에 대비하여 거의 동일한 방전 용량을 보이는 것으로, 과도한 길이를 갖는 돌출부(220)를 포함하는 가스확산층(200)을 포함하는 것은 에너지 밀도 측면에서 비효율적이라는 것도 확인할 수 있었다.
결과적으로, 외부 압력 인가로 셀 내부의 전해질(400)이 전극조립체(100) 밖으로 나오게 되더라도, 본 발명에 따른 파우치형 금속공기전지는, 가스확산층(200)의 돌출부(220)에 의해 생긴 단차로 인해, 가스확산층(200), 전극조립체(100) 및 외장재(300)로 구획되는 공간까지 닿지 않게 설계되므로 상기 공간 부분에 해당하는 외장재(300) 내 다수의 기공(310)이 막히지 않게 되는 바, 외장재(300)로부터 선택적으로 투과된 산소는 가스확산층(200)에 유입되고, 가스확산층(200)의 확산부(210)를 통해 전극조립체(100)로 유입될 수 있으므로, 압력에 따른 접촉저항이 개선될 뿐만 아니라 본 발명에 따른 파우치형 금속공기전지의 초기 구동조건과 구동재현성을 확보할 수 있다는 장점이 있다.
1, 10 : 파우치형 금속공기전지
100 : 전극조립체
110 : 양극층, 120 : 분리막, 130 : 음극층
131 : 음극활성층, 132 : 집전체
200 : 가스확산층
210 : 확산부, 220 : 돌출부
300 : 외장재, 310 : 기공,
400 : 전해질

Claims (16)

  1. 양극층(110), 음극층(130) 및 상기 양극층(110)과 음극층(130) 사이에 위치하는 분리막(120)을 포함하는 전극조립체(100);
    상기 전극조립체(100) 상에 위치하는 가스확산층(200)(GDL); 및
    상기 전극조립체(100) 및 가스확산층(200)을 수용하고 유체 투과성이 있는 외장재(300);를 포함하고,
    상기 가스확산층(200)은 상기 전극조립체(100)와 맞닿는 확산부(210); 및 상기 확산부(210)로부터 연장 형성된 돌출부(220)를 포함하는 파우치형 금속공기전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 돌출부(220)에 의해 상기 전극조립체(100)와 상기 가스확산층(200) 간에 단차가 생기고, 상기 가스확산층(200), 전극조립체(100) 및 외장재(300)로 구획되는 공간이 형성되는 것을 특징으로 하는 파우치형 금속공기전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가스확산층(200)은 2 이상의 돌출부(220)를 포함하는 것인 파우치형 금속공기전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전극조립체(100)가 복수 개로 적층된 스택을 포함하고,
    상기 가스확산층(200)은 서로 인접한 상기 전극조립체(100) 사이 및 상기 스택의 양 끝단 중 적어도 어느 한 곳 이상에 위치하는 파우치형 금속공기전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 확산부(210)의 길이와 상기 돌출부(220)의 길이의 비가 1:0.2 내지 1:0.4인 것인 파우치형 금속공기전지.
  6. 제1항에 있어서,
    0.59~1.3kgf/cm2의 압력이 인가되는 상태에서 작동하는 파우치형 금속공기전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 가스확산층(200)의 확산부(210)은 양극층(110) 상에 위치하는 것인 파우치형 금속공기전지
  8. 제1항에 있어서,
    상기 가스확산층(200)은 다공성 금속기재를 포함하는 파우치형 금속공기전지.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 다공성 금속기재는 니켈 폼(Ni foam), 알루미늄 메쉬(AI mesh), 및 스테인레스 메쉬(sus mesh)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 파우치형 금속공기전지.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 양극층(110)은 탄소종이(Carbon paper), 카본블랙(Carbon Black), 환원된 산화그래핀(Reduced Oxide Graphene), 탄소나노튜브(Carbon Nanotube), 및 아세틸렌블랙(Acetylene　Black)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 파우치형 금속공기전지.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 양극층(110)은 니켈(Nickel), 금(Au) 및 은(Ag), 루비듐(Ru), 백금(Pt)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 촉매를 포함하는 것인 파우치형 금속공기전지.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 외장재(300)는 복수 개의 기공(310)을 포함하는 것인 파우치형 금속공기전지.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 외장재(300)는 산소를 선택적으로 투과할 수 있는 것인 파우치형 금속공기전지.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 외장재(300)로부터 투과된 산소는 가스확산층(200)(GDL)에 유입되고, 가스확산층(200)(GDL)의 확산부(210)를 통해 전극조립체(100)로 유입되는 것인 파우치형 금속공기전지.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 외장재(300)는 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethyleneterephthalate, PET), 고밀도 폴리에틸렌(High　Density　Polyethylene,　HDPE), 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene) 및 폴리메틸메타크릴레이트(Polymethylmethacrylate)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 재질을 포함하는 파우치형 금속공기전지.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 외장재(300)는 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethyleneterephthalate, PET), 고밀도 폴리에틸렌(High　Density　Polyethylene,　HDPE), 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene) 및 폴리메틸메타크릴레이트(Polymethylmethacrylate)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 고분자가 혼합된 금속유기구조체(Metal Organic Framework) 투과막인 것인 파우치형 금속공기전지.
KR1020200066534A 2020-06-02 2020-06-02 파우치형 금속공기전지 KR20210149465A (ko)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200066534A KR20210149465A (ko) 2020-06-02 2020-06-02 파우치형 금속공기전지
US17/095,527 US11404736B2 (en) 2020-06-02 2020-11-11 Pouch type metal-air battery
DE102020129897.8A DE102020129897A1 (de) 2020-06-02 2020-11-12 Beutelartige metall-luft-batterie
CN202011307983.5A CN113764694A (zh) 2020-06-02 2020-11-20 袋型金属空气电池

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200066534A KR20210149465A (ko) 2020-06-02 2020-06-02 파우치형 금속공기전지

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20210149465A true KR20210149465A (ko) 2021-12-09

Family

ID=78509150

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200066534A KR20210149465A (ko) 2020-06-02 2020-06-02 파우치형 금속공기전지

Country Status (4)

Country Link
US (1) US11404736B2 (ko)
KR (1) KR20210149465A (ko)
CN (1) CN113764694A (ko)
DE (1) DE102020129897A1 (ko)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11813962B2 (en) * 2020-10-09 2023-11-14 Our Next Energy, Inc. Supplying power to an electric vehicle
CN114724862A (zh) * 2022-03-11 2022-07-08 上海师范大学 一种柔性自支撑多功能界面ac@pvdf电极材料及其制备方法和应用

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160131606A (ko) 2015-05-08 2016-11-16 주식회사 엘지화학 코인셀 타입의 리튬 공기 전지

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5733677A (en) * 1997-05-19 1998-03-31 Aer Energy Resources, Inc. Metal-air electrochemical cell with oxygen reservoir
US6632557B1 (en) * 1999-10-26 2003-10-14 The Gillette Company Cathodes for metal air electrochemical cells
US20040241537A1 (en) * 2003-03-28 2004-12-02 Tetsuo Okuyama Air battery
JP5450962B2 (ja) * 2008-02-01 2014-03-26 日本ゴア株式会社 膜電極組立体の製造方法
US8481187B2 (en) * 2009-09-10 2013-07-09 Battelle Memorial Institute High-energy metal air batteries
FR2977081B1 (fr) * 2011-06-24 2014-10-24 Commissariat Energie Atomique Electrode a diffusion gazeuse de grande capacite
US8980485B2 (en) * 2011-12-30 2015-03-17 Itn Energy Systems, Inc. Rechargeable, thin-film, all solid-state metal-air battery
FR3018396A1 (fr) * 2014-03-04 2015-09-11 Commissariat Energie Atomique Procede de fabrication d'une cellule electrochimique elementaire a electrode a gaz du type metal-gaz et cellule associee
KR102475887B1 (ko) * 2015-07-27 2022-12-08 삼성전자주식회사 금속 공기 전지 및 이에 구비된 양극 전류 집전체
KR102654517B1 (ko) 2018-07-23 2024-04-03 현대자동차주식회사 파우치형 금속공기전지

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160131606A (ko) 2015-05-08 2016-11-16 주식회사 엘지화학 코인셀 타입의 리튬 공기 전지

Also Published As

Publication number Publication date
DE102020129897A1 (de) 2021-12-02
CN113764694A (zh) 2021-12-07
US11404736B2 (en) 2022-08-02
US20210376412A1 (en) 2021-12-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4094265B2 (ja) 燃料電池発電装置とそれを用いた装置
EP2264825B1 (en) Air secondary battery and method for manufacturing the same
US3650837A (en) Secondary metal/air cell
KR102654517B1 (ko) 파우치형 금속공기전지
JP2002343378A (ja) 燃料電池，燃料電池発電装置及びそれを用いた機器
JP2009538509A (ja) 燃料電池の熱及び水の管理装置並びに管理方法
US11444347B2 (en) Three-dimensional rechargeable battery with solid-state electrolyte
KR20210149465A (ko) 파우치형 금속공기전지
WO2019097830A1 (ja) 空気電池用正極及び空気電池
JP2004319464A (ja) 空気電池
US3533845A (en) Low-current,low-capacity metal/air battery
US7638227B2 (en) Fuel cell having stack structure
JP7117662B2 (ja) 空気電池用正極及び空気電池
JPH1131515A (ja) 高分子電解質膜−ガス拡散電極体およびその製造方法
JP2008091248A (ja) 大容量二次電池
KR102703265B1 (ko) 폴딩형 리튬공기전지 및 그 제조방법
KR20210071240A (ko) 폴딩형 리튬공기전지 및 그 제조방법
JP2007335199A (ja) チューブ状固体高分子型燃料電池、及びチューブ状固体高分子型燃料電池の製造方法
US3953237A (en) Electric energy sources such as fuel cells and batteries
KR20160031830A (ko) 금속-공기 전지
US3660888A (en) Process for making electrical energy sources
JP3902609B2 (ja) 燃料電池発電装置とそれを用いた装置
KR20200141306A (ko) 리튬공기전지용 적층체 및 이를 이용한 파우치형 리튬공기전지
JP2004265872A (ja) 燃料電池，燃料電池発電装置及びそれを用いた機器
US4565754A (en) Electrode for organic battery