KR20220101490A - 금속-공기 전지 및 금속-공기 전지의 작동방법 - Google Patents

금속-공기 전지 및 금속-공기 전지의 작동방법 Download PDF

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Abstract

금속-공기 전지에 관해 개시되어 있다. 개시된 금속-공기 전지는 금속의 산화와 산소 및 물의 환원을 이용하여 전기를 생성하는 전지 셀 모듈, 상기 전지 셀 모듈에 수증기를 공급하는 수증기 공급부, 상기 수증기 공급부에 제1 유량의 수분을 공급하는 수분 저장부 및 상기 전지 셀 모듈로부터 회수된 수증기를 응축시켜 상기 수증기 공급부에 제2 유량의 수분을 공급하는 응축부를 포함할 수 있다.

Description

금속-공기 전지 및 금속-공기 전지의 작동방법 {Metal air battery and operation method of the metal air battery}
개시된 실시예들은 이차 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속-공기 전지 및 금속-공기 전지의 작동 방법에 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.
양극과 고체 전해질의 낮은 금속 이온 전도도 및 전자 전도도와 큰 계면저항으로 발생되는 문제점을 해결하기 위해 방전 과정에서 첨가제로서 수증기를 전지 셀 모듈에 유입시킬 수 있다. 충방전을 반복하는 과정에서 수증기를 계속 유입시킬 경우, 금속-공기 전지의 총 중량이 증가하여 에너지 밀도가 저하될 수 있다.
우수한 충방전 특성을 구비하는 금속-공기 전지 및 금속-공기 전지의 작동 방법을 제공한다.
금속 이온 전도도 및 전자 전도도를 향상시키고 계면저항을 감소시킬 수 있는 전고체 금속-공기 전지 및 금속-공기 전지의 작동 방법을 제공한다.
우수한 에너지 밀도를 구비할 수 있는 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, 상기 수증기 공급부에 제1 유량의 수분을 공급하는 수분 저장부 및 상기 전지 셀 모듈로부터 회수된 수증기를 응축시켜 상기 수증기 공급부에 제2 유량의 수분을 공급하는 응축부를 포함하는 금속 공기 전지를 제공할 수 있다.
상기 제2 유량은 상기 응축부의 회수율에 따라 결정되며, 상기 제1 유량은 상기 제2 유량이 감소함에 따라 증가할 수 있다.
상기 응축부의 회수율은 0.5 이상 1 미만이며, 상기 수분 저장부는 1kWh당 0.1 L이상 6.0 L이하의 수분을 저장할 수 있다.
상기 수분 저장부로부터 상기 수증기 공급부로 연통되는 상기 제1 유량의 수분의 유동을 단속하는 제1 유체 단속부를 더 포함할 수 있다.
상기 응축부로부터 상기 수증기 공급부로 전달되는 수분의 상기 제2 유량에 따라 상기 제1 유체 단속부의 개폐 여부를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 전지 셀 모듈에서 수증기를 회수하기 위해 상기 전지 셀 모듈에 음압을 인가하는 펌프를 더 포함할 수 있다.
외부로부터 공급된 공기를 정화하여 상기 전지 셀 모듈로 정화된 공기를 제공하는 공기 정화 모듈을 더 포함할 수 있다.
상기 전지 셀 모듈은, 금속을 포함하는 음극부, 산소 및 물을 활물질로 사용하는 양극부 및 상기 음극부와 상기 양극부 사이에 배치되는 고체 전해질층:을 포함할 수 있다.
상기 양극부는 다공성의 복합전도성 물질을 포함하며, 상기 복합전도성 물질은 LTO (lithium titanium oxide), LMO(lithium manganese oxide), LCO(lithium cobalt oxide), LMNO(lithium manganese nickel oxide), NMC(lithium nickel manganese cobalt oxide), LNO(lithium nickel oxide), LFP(lithium iron phosphate), LFMP(lithium iron manganese phosphate), LLTO (Lithium lanthanum titanium oxide), LATP (Lithium aluminum titanium phosphate), LLMnO (Lithium lanthanum manganese oxide), LLRuO (Lithium lanthanum ruthenium oxide) 및 이들의 환원물질들 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 복합전도성 물질은 perovskite, anti-perovskite, layered structure, spinel 및 NASICON type 중 어느 하나의 구조를 갖는 무기물을 포함할 수 있다.
상기 고체 전해질층은 금속 이온 전도성 물질을 포함할 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, 수분 저장부로부터 수증기 공급부로 제1 유량의 수분을 공급하는 단계, 상기 공기 정화 모듈 및 상기 수증기 공급부로부터 상기 전지 셀 모듈에 상기 정화된 공기 및 수증기를 공급하는 단계, 상기 전지 셀 모듈로부터 응축부로 수증기를 회수하는 단계 및 상기 응축부로부터 상기 수증기 공급부로 제2 유량의 수분을 공급하는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 수증기 공급부로부터 상기 전지 셀 모듈에 공급되는 상기 수증기의 유량은 상기 수분 저장부로부터 공급되는 상기 제1 유량의 수분 및 상기 응축부로부터 공급되는 상기 제2 유량의 수분의 합에 의해 결정될 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 제2 유량은 상기 응축부의 회수율에 따라 결정되며, 상기 제1 유량은 상기 제2 유량이 감소함에 따라 증가할 수 있다.
상기 수분 저장부로부터 상기 수증기 공급부로 연통되는 상기 제1 유량의 수분의 유동을 단속하는 제1 유체 단속부; 를 더 포함하며, 상기 제1 유체 단속부의 개폐 여부는 상기 응축부로부터 상기 수증기 공급부로 전달되는 수분의 상기 제2 유량에 따라 결정될 수 있다.
상기 응축부의 회수율은 0.5 이상 1 미만이며, 상기 수분 저장부는 1kWh당 0.1 L이상 6.0 L이하의 수분을 저장할 수 있다.
상기 전지 셀 모듈에서 수증기를 회수하기 위해 상기 전지 셀 모듈에 음압을 인가하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 양극부는 다공성의 복합전도성 물질을 포함하며, 상기 복합전도성 물질은 LTO (lithium titanium oxide), LMO(lithium manganese oxide), LCO(lithium cobalt oxide), LMNO(lithium manganese nickel oxide), NMC(lithium nickel manganese cobalt oxide), LNO(lithium nickel oxide), LFP(lithium iron phosphate), LFMP(lithium iron manganese phosphate), LLTO (Lithium lanthanum titanium oxide), LATP (Lithium aluminum titanium phosphate), LLMnO (Lithium lanthanum manganese oxide), LLRuO (Lithium lanthanum ruthenium oxide) 및 이들의 환원물질들 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 복합전도성 물질은 perovskite, anti-perovskite, layered structure, spinel 및 NASICON type 중 어느 하나의 구조를 갖는 무기물을 포함할 수 있다.
상기 고체 전해질층은 금속 이온 전도성 물질을 포함할 수 있다.
우수한 성능을 갖는 금속-공기 전지 및 금속-공기 전지의 작동 방법을 구현할 수 있다. 우수한 충방전 특성을 갖는 금속-공기 전지 및 금속-공기 전지의 작동 방법을 구현할 수 있다. 수증기를 첨가하여 금속 이온 전도도 및 전자 전도도를 향상시키고 계면저항을 감소시킬 수 있는 전고체 금속-공기 전지 및 금속-공기 전지의 작동 방법을 제공할 수 있다. 에너지 밀도가 개선된 금속-공기 전지 및 금속-공기 전지의 작동 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 일 예시에 따른 금속 공기 전지의 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시된 전지 셀의 개략도이다.
도 3은 비교예에 따른 금속-공기 전지의 개략도이다.
도 4는 예시적인 일 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예에 따른 금속-공기 전지의 성능을 시험하기 위한 구성을 보여주는 단면도이다.
도 5a 및 도 5b는 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예에 따른 전기화학적 모듈에 대한 시뮬레이션 결과를 보여주는 그래프이다.
도 6은 일 예시에 따른 금속 공기 전지(1)의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
도 7은 일 예시에 따른 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 개략도이며, 도 2는 도 1에 도시된 전지 셀의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 일 예시에 따른 금속 공기 전지(1)는 전지 셀 모듈(10), 공기 정화 모듈(20), 수증기 공급부(30), 응축부(40) 및 수분 저장부(50)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 음극 집전체(110), 음극부(120), 양극부(130), 고체 전해질층(140) 및 양극 집전체(150)을 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면, 음극집전체(anode current collector)(110)는 후술하게 될 음극부(120)에 접촉도록 배치될 수 있다. 음극집전체(110)는 음극부(120)의 하면에 구비될 수 있다. 따라서, 음극부(120)는 음극집전체(110)와 고체 전해질층(140) 사이에 배치될 수 있다. 음극집전체(110)는, 예컨대, 스테인레스 스틸(stainless steel)(SUS)을 포함하거나, 그 밖에 다른 도전체를 포함할 수 있다. 음극집전체는 음극부의 일부로 여길 수 있다.
음극부(120)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(120)는 리튬(Li)을 포함할 수 있다. 이 경우, 음극부(120)는 리튬, 리튬 기반의 합금, 리튬 삽입 화합물(lithium intercalating compound) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 음극부(120)가 리튬을 포함하는 경우, 본 실시예에 따른 금속-공기 전지는 '리튬-공기 전지'라고 할 수 있다.
양극부(130)는 공기 중의 산소(O2)와 수증기(H2O)를 활물질로 사용하는 전극부일 수 있다. 음극부(120)로부터 제공된 금속 이온과 양극부(130)로 제공된 가스(즉, 산소) 및 수증기의 전기화학 반응을 위해, 양극부(130)는 금속 이온 및 전자의 이동 통로를 제공할 수 있다.
본 실시예에 따른 금속-공기 전지가 리튬-공기 전지인 경우, 방전시 양극부(130)에서 다음과 같은 전기화학 반응이 일어날 수 있다.
4Li+ + O2 + 2H2O + 4e- → 4LiOH
음극부(120)로부터 제공된 리튬 이온(Li+)과 대기(공기)로부터 제공된 산소(O2)와 수증기(H2O)가 양극부(130)의 표면에서 전자(e-)와 함께 결합(반응)하여 수산화리튬(LiOH)을 생성할 수 있다. 이때, 양극부(130)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.
앞서 언급한 바와 같이, 양극부(130)는 금속 이온(Li+) 및 전자(e-)의 이동 통로를 제공할 수 있다. 일 예로서, 양극부(130)의 양이온 전도도(cation conductivity)와 전자 전도도(electron conductivity)는 각각 10-5 S cm-1, 10-4 S cm-1 이상일 수 있다. 또한, 일 예로서, 양극부(130)는 전자 전도 및 이온 전도가 모두 가능한 다공성의 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.
구체적인 예로, 복합전도성 물질은 LTO (lithium titanium oxide), LMO(lithium manganese oxide), LCO(lithium cobalt oxide), LMNO(lithium manganese nickel oxide), NMC(lithium nickel manganese cobalt oxide), LNO(lithium nickel oxide), LFP(lithium iron phosphate), LFMP(lithium iron manganese phosphate), LLTO (Lithium lanthanum titanium oxide), LATP (Lithium aluminum titanium phosphate), LLMnO (Lithium lanthanum manganese oxide), LLRuO (Lithium lanthanum ruthenium oxide) 및 이들의 환원물질들 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 필요에 따라서, 상기한 물질들의 조성비나 도펀트를 조절함으로써, 이온 전도 및 전자 전도 특성을 적절히 제어할 수 있다. 그러나 여기서 제시한 구체적인 물질들은 예시적인 것이고, 그 밖에 다양한 물질이 복합전도성 물질로 적용될 수 있다. 또한, 복합전도성 물질은 perovskite, anti-perovskite, layered structure, spinel 및 NASICON type 중 어느 하나의 구조를 가질 수 있다. 복합전도성 물질은 금속 원소를 포함하는 무기물 기반의 고체 화합물일 수 있다. 또한, 복합전도성 물질은 비탄소계(non-carbon-based) 물질일 수 있다.
고체 전해질층(140)은 음극부(120)로부터 제공된 금속 이온의 이동 통로를 제공할 수 있다. 일 예로서, 고체 전해질층(140)은 금속 이온 전도성 물질을 포함할 수 있다.
구체적인 예로, 금속 이온 전도성 물질은 리폰계(LiPON, lithium phosphorous oxynitride), 가넷계(LLZO, lithium lanthanum zirconium oxide), 페로브스카이트계(LLTO, lithium lanthanum titanium oxide), NASICON계(LATP, lithium aluminum, titanium phosphate), LISICON계(lithium zinc germanium oxide) 물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일 예로서, 도면에 도시되지 아니하였으나, 음극부(120)와 고체 전해질층(140) 사이에 안정한 계면 형성을 위해 음극 전해질층이 포함될 수도 있다.
상술한 바와 같이 양극부(130)에 포함된 복합전도성 물질과 고체 전해질층(140)에 포함된 금속 이온 전도성 물질은 무기물 기반의 고체 화합물일 수 있다. 따라서, 양극부(130)와 고체 전해질층(140)은 유기계 전해질을 포함하지 않는 전극, 즉, 유기 전해질-프리(organic electrolyte-free)한 전극일 수 있다. 또한, 양극부(130)는 액체 전해질을 포함하지 않는 전극, 즉, 액체 전해질-프리(liquid electrolyte-free)한 전극일 수 있다.
도 2에 도시하지 않았으나, 대기 중의 산소를 흡수하여 양극부(130)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(130)가 가스확산층의 역할을 함께 수행할 수 있도록 다공성 구조 또는 그와 유사한 구조로 제작될 수도 있다. 이 경우, 가스확산층은 생략될 수 있다.
양극집전체(cathode current collector)(150)는 가스확산층에 접촉하도록 배치될 수 있다. 일 예로서, 양극집전체(150)는, 예컨대, 스테인레스 스틸(stainless steel)(SUS)을 포함할 수 있다. 이 경우, 양극집전체(150)의 SUS는 공기(가스)의 투과를 위한 메쉬(mesh) 구조를 가질 수 있다. 양극집전체(150)의 물질은 스테인레스 스틸(SUS)로 한정되지 않고 다양하게 변화될 수 있다. 가스확산층을 사용하지 않는 경우, 양극집전체(150)는 양극부(130)에 접촉될 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 공기 정화 모듈(20)은 공기 중의 수분 및 이산화탄소와 같은 불순물을 제거하여 공기를 정화시키고, 정화된 공기(dry O2)를 전지 셀 모듈(10)에 공급할 수 있다. 공기 정화 모듈(20)은 전지 셀 모듈(10)과 직접 유체 연통(fluid communication)되도록 배치될 수 있다. 일 예시에 따른, 공기 정화 모듈(20)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.
도 2와 관련하여 서술한 바와 같이, 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.
전지 셀(100)이 액체 전해질-프리한 전고체 금속-공기 전지로 구현되는 경우, 양극부(130)와 고체 전해질층(140)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 금속 이온 전도도 및 전자 전도도를 향상시키고 계면저항을 감소시킬 수 있는 첨가제, 예를 들어 수증기를 공급할 필요성이 있다.
수증기 공급부(30)는 양극부(130)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(30)는 금속-공기 전지의 충방전 속도에 따라 수증기(H2O)를 공급하는 속도를 조절할 수 있다.
수증기 공급부(30)를 통해 공급된 수증기(H2O)는 양극부(130)의 표면에 부착되어 금속 이온 전도도 및 전자 전도도를 향상시키고 계면저항을 감소시킬 수 있다. 또한 수증기 공급부(30)를 통해 공급된 수증기(H2O)는, 방전 과정에서 공기 정화 모듈(20)로부터 제공된 정화된 공기(dry O2)와 함께 양극부(130)의 표면에서 전자(e-)와 결합(반응)하여 수산화리튬(LiOH)을 생성하거나 충전 과정에서 수산화리튬(LiOH)으로부터 분해되어 수증기(H2O)로 복귀될 수 있다.
상술한 바와 같이, 일 예시에 따른 금속-공기 전지(1)에서는, 정화된 공기(dry O2)와 함께 수증기(H2O)가 양극부(130)로 공급됨에 따라 금속 이온 전도도 및 전자 전도도를 향상시키고 계면저항을 감소시킴으로써, 금속 이온(Li+)과 전자(e-)의 이동이 보다 용이하게 이루어질 수 있다. 따라서, 전지의 성능 향상/유지 및 수명 연장에 매우 유리할 수 있다.
응축부(40)는 전지 셀 모듈(10)로부터 회수된 수증기를 응축시켜 수증기 공급부(30)로 공급할 수 있다. 일 예로서, 응축부(40)는 기체 상태의 수증기를 액체 상태의 물로 전환시킬 수 있는 컨텐서(condenser)일 수 있다. 다만, 본 개시가 이에 제한되는 것은 아니며, 전지 셀 모듈(10)로부터 회수된 수증기(H2O)를 응축시킬 수 있는 임의의 구성이 배치될 수도 있다.
상술한 바와 같이, 전지 셀 모듈(10)에서 충전 과정이 진행되는 동안, 방전 생성물인 수산화리튬(LiOH)가 분해되어 수증기(H2O)가 생성될 수 있다. 응축부(40)는 전지 셀 모듈(10)에 생성된 수증기(H2O)를 회수하여 수분(H2O)으로 응축시킨 후, 수증기 공급부(30)로 제공할 수 있다. 본 명세서에서 수분(H2O)은 기체 상태의 수증기 또는 액체 상태의 물 중 하나 이상의 상태를 의미한다. 즉, 수분(H2O)은 기체 상태의 수증기만 포함된 상태, 액체 상태의 물만 포함된 상태 또는 기체 상태의 수증기와 액체 상태의 물이 혼합된 상태 중 하나를 의미할 수 있다.
수증기 공급부(30)로 제공된 수분(H2O)은 방전 과정에서 전지 셀 모듈(10)로 제공되어 재사용될 수 있다. 충전 및 방전 과정에서 수증기(H2O)가 재사용됨에 따라, 반복하여 진행되는 충방전 사이클에서, 금속-공기 전지(1)에 제공되어야 하는 수증기(H2O)의 양이 절감될 수 있다. 이에 따라 금속-공기 전지(1)의 에너지 밀도 또한 증가될 수 있다.
일 예시에 따르면, 응축부(40)는 소정의 회수율을 구비할 수 있다. 본 명세서에서 회수율은 전지 셀 모듈(10)로부터 응축부(40)로 유입된 수증기의 유량에 대해 응축부(40)가 수증기 공급부(30)로 제공한 수분의 유량의 비율로 정의한다. 일 예로서, 응축부(40)가 컨덴서(condenser)인 경우, 응축부(40)는 100% 미만의 회수율을 구비할 수 있다. 이에 따라 전지 셀 모듈(10)로부터 공급된 수증기(H2O) 중 일부만이 수분(H2O)으로 응축되어 수증기 공급부(30)로 제공될 수 있다. 예를 들어, 응축부(40)의 회수율이 100% 미만인 경우, 수증기 공급부(30)로부터 전지 셀 모듈(10)로 공급되는 수증기(H2O)의 유량은, 응축부(40)로부터 수증기 공급부(30)로 제공되는 수분의 제2 유량(W2) 보다 클 수 있다. 충방전 사이클이 지속됨에 따라 부족해지는 수증기(H2O)의 유량을 보충하기 위해 별도의 수분 저장부(50)가 배치될 수 있다.
수분 저장부(50)는 응축부(40)로부터 회수되지 못한 수분(H2O)을 보충하여 제공할 수 있는 수분 공급부이다. 일 예시에 따른 수분 저장부(50)는 수증기 공급부(30)에 제1 유량(W1)의 수분을 공급할 수 있다. 일 예로서, 수분 저장부(50)는 소정의 수분을 저장할 수 있는 저장 탱크일 수 있다. 이때, 수분 저장부(50)의 저장 용량은 금속-공기 전지(1)의 에너지 용량 및 응축부(40)의 회수율에 따라 결정될 수 있다.
상술한 바와 같이, 응축부(40)는 100% 미만의 회수율을 구비할 수 있으며, 이에 따라 응축부(40)로부터 수증기 공급부(30)로 제공되는 수증기의 제2 유량(W2)이 일정하지 않을 수 있다. 본 명세서에서 응축부(40)의 회수율은, 전지 셀 모듈(10)로 공급되는 수증기(H2O)의 질량에 대한 응축부(40)로부터 응축되어 수증기 공급부(30)로 제공되는 수분의 질량의 비율로 정의한다. 수분 저장부(50)는 응축부(40)로부터 수증기 공급부(30)로 제공되는 수증기의 감소량을 보충하기 위한 것이므로, 수분 저장부(50)로부터 수증기 공급부(30)로 제공되는 수분의 제1 유량(W1)은 수증기의 제2 유량(W2)이 감소함에 따라 증가할 수 있다. 또한, 수분 저장부(50)로부터 수증기 공급부(30)로 제공되는 수분의 제1 유량(W1)은 수증기의 제2 유량(W2)이 증가함에 따라 감소할 수 있다. 즉, 수분 저장부(50)로부터 수증기 공급부(30)로 제공되는 수분의 제1 유량(W1)과 응축부(40)로부터 수증기 공급부(30)로 제공되는 수증기의 제2 유량(W2)은 상호 반비례 할 수 있다. 일 예로서, 응축부(40)가 0.5이상 1미만의 회수율을 구비하는 경우, 수분 저장부(50)는, 금속 공기 전지(1)의 출력 에너지 1kWh당 0.1 L이상 6.0 L이하의 수분을 저장할 수 있다. 이에 따라 수증기 공급부(30)로 유입되는 수분의 양은 일정하게 유지될 수 있으며, 전지 셀 모듈(10)로 일정한 유량의 수증기(H2O)가 공급될 수 있다.
도 3은 비교예에 따른 금속-공기 전지의 개략도이다. 도 4는 예시적인 일 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예에 따른 금속-공기 전지의 성능을 시험하기 위한 구성을 보여주는 단면도이다. 본 구조는 금속-공기 전지의 성능 평가를 위한 실험용 구조일 수 있다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 실시예 1은 도 1에 도시된 구성과 실질적으로 동일한 구성을 구비하며, 응축부(40)의 회수율이 99%일 수 있다. 실시예 2는 도 1에 도시된 구성과 실질적으로 동일한 구성을 구비하며, 응축부(40)의 회수율이 95%일 수 있다. 실시예 3은 도 1에 도시된 구성과 실질적으로 동일한 구성을 구비하며, 응축부(40)의 회수율이 90%일 수 있다. 비교예에 따른 금속-공기 전지는 전지 셀 모듈(10), 공기 정화 모듈(20) 및 수증기 공급부(30)를 포함할 수 있다. 응축부(40) 및 수분 저장부(50)를 구비하지 않는 부분을 제외한 나머지 구성은 도 1에 도시된 구성과 실질적으로 동일하므로, 여기서는 서술을 생략한다.
도 1, 도 3 및 도 4를 참조하면, 실시예 1 내지 실시예 3 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(120)가 구비될 수 있다. 음극부(120) 상에 반응억제층(191)이 차례로 구비될 수 있다. 반응억제층(191)은 음극부(120)와 고체 전해질층(140) 사이에 개재된 것으로, 이들 사이의 반응을 억제/방지하는 역할을 할 수 있다. 반응억제층(191)은 이온 전도 기능을 가질 수 있다.
양극부(130) 및 고체 전해질층(140)은 반응억제층(191) 상에 배치될 수 있다. 양극부(130) 및 고체 전해질층(140)은 복수의 공극을 포함하는 구조를 가질 수 있다. 이때, 양극부(130)와 고체 전해질층(140) 사이에는 POEM(Poly(oxyethylene methacrylate)을 포함하는 고분자 접착층(미도시)이 배치될 수 있다. 양극부(130) 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(130)로 공급하는 역할을 할 수 있다. 비교예에서 가스확산층(193)은 복수의 개구영역(H1)에 인접하게 배치되어 산소(dry O2)를 양극부(130)로 공급하는 역할을 할 수 있다. 구체적인 예로, 음극부(120)은 Li을 포함할 수 있고, 양극부(130)는 LTO (lithium titanium oxide; Li4Ti5O12)를 포함할 수 있고, 고체 전해질층(140)은 LATP (lithium aluminum titanium phosphate)를 포함할 수 있다. 도전층(192)은 Au를 포함할 수 있다.
도 1, 도 3 및 도 4를 참조하여 설명한 금속-공기 전지에 대하여 정화된 공기(dry O2) 및 수증기(H20)가 양극부(130) 표면에서 환원/산화되고, 이때 수분이 소모되는 양을 충방전 실험을 반복하여 실험적으로 확인하였다. 이를 위해 응축부(40)가 배치되지 않은 비교예 또는 응축부(40)의 회수율이 상이한 실시예들에서, 수분 소모량 평가를 진행하였다. 또한, 금속-공기 전지에 대하여 충방전 실험을 반복해서 진행함으로써, 전지의 순환성(cyclability)을 평가하였다.
도 5a 및 도 5b는 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예에 따른 전기화학적 모듈에 대한 시뮬레이션 결과를 보여주는 그래프이다.
도 1, 도 3 및 도 4를 참조하면, 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예에서 금속 공기 전지(1)에 포함된 전지 셀에서 작동 온도를 40도로 설정하고, 상대습도가 100% 가 되도록 수증기(H20) 및 산소(O2)를 공급하고, 일정한 정전류로 충방전 사이클을 수행하며, 수증기 공급부(30)로부터 전지 셀 모듈(10)에 동일한 유량의 수증기가 공급되었다. 이때, 실시예 1에 구비된 응축부(40)는 99%의 회수율을 구비하고, 실시예 2에 구비된 응축부(40)는 95%의 회수율을 구비하고, 실시예 3에 구비된 응축부(40)는 90%의 회수율을 구비하며, 비교예에서는 응축부(40)를 구비하지 않으므로 0%의 회수율을 구비한다. 수증기 공급부(30)로부터 전지 셀 모듈(10)에 동일한 유량의 수증기가 공급될 수 있도록, 수분 저장부(50)는 응축부(40)에서 회수되지 않은 수분을 수증기 공급부(30)에 전달한다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 실시예와 비교예에서 상대습도가 100% 가 되도록 수증기(H20) 및 정화된 공기(dry O2)를 공급하고 1 μA/cm2의 정전류로 충방전 사이클을 진행하는 경우, 충방전 사이클마다 소정의 수분이 소모된다. 100 kWh 용량의 금속 공기 전지의 1회 방전시 필요한 수분은 11.2L이며, 응축부(40)가 배치되지 아니한 비교예의 경우, 전지 셀 모듈(10)로부터 수증기를 회수할 수 없으므로, 충방전 사이클이 진행될 때마다 수분 저장부(50)에서 수증기 공급부(30)로 11.2L의 수분이 공급되어야 한다. 이에 따라 비교예의 경우 100회 충방전 사이클이 진행되는 동안 11200L의 수분이 수분 저장부(50)로부터 수증기 공급부(30)로 제공되어야 함을 알 수 있다.
반면, 99%의 회수율을 구비한 응축부(40)가 배치된 실시예 1의 경우, 응축부(40)로부터 0.112L의 수분을 제외한 11.088L의 수분이 회수될 수 있다. 이에 따라 수분 저장부(50)로부터 1회 사이클 별로 수증기 공급부(30)로 0.112L의 수분이 추가적으로 공급되어야 한다. 따라서, 실시예 1의 경우 100회 충방전 사이클이 진행되는 동안 최초 1회 공급되는 11.2L와 11.088L의 수분이 추가적으로 공급되어야 하므로, 수분 저장부(50)는 22.288L의 수분을 저장해야 함을 알 수 있다.
95%의 회수율을 구비한 응축부(40)가 배치된 실시예 2의 경우, 응축부(40)로부터 0.56L의 수분을 제외한 10.64L의 수분이 회수될 수 있다. 이에 따라 수분 저장부(50)로부터 1회 사이클 별로 수증기 공급부(30)로 0.56L의 수분이 추가적으로 공급되어야 한다. 따라서 실시예 2의 경우 100회 충방전 사이클이 진행되는 동안 최초 1회 공급되는 11.2L와 55.44L의 수분이 추가적으로 공급되어야 하므로, 수분 저장부(50)는 66.64 L의 수분을 저장해야 함을 알 수 있다.
90%의 회수율을 구비한 응축부(40)가 배치된 실시예 3의 경우, 응축부(40)로부터 1.12L의 수분을 제외한 10.08L의 수분이 회수될 수 있다. 이에 따라 수분 저장부(50)로부터 1회 사이클 별로 수증기 공급부(30)로 1.12L의 수분이 공급되어야 한다. 따라서 실시예 3의 경우 100회 충방전 사이클이 진행되는 동안 최초 1회 공급되는 11.2L와 110.88L의 수분이 추가적으로 공급되어야 하므로, 수분 저장부(50)는 122.08 L의 수분을 저장해야 함을 알 수 있다.
또한, 도 5b를 참조하면, 응축부(40) 회수율에 따른 금속-공기 전지(1)의 에너지 밀도의 변화량을 확인할 수 있다. 금속-공기 전지(1)의 에너지밀도는 금속-공기 전지의 용량을 총 무게로 나누어 계산된다. 실시예 1 내지 실시예 3에 따라 충방전이 가능한 100 kWh 금속-공기 전지(1)에서 응축부(40)의 회수율이 99%, 95%, 90%로 감소함에 따라, 에너지밀도가 648.8 Wh/kg, 503.9Wh/kg, 393.9 Wh/kg으로 감소함을 알 수 있다. 이를 통해 높은 에너지밀도의 금속-공기전지(1)를 구현하기 위해서는 높은 회수율을 구비하는 응측부(40)가 필요함을 확인할 수 있다.
실시예와 비교예를 확인하면, 응축부(40)를 구비하는 경우, 충방전에 따라 수분 저장부(50)로부터 수증기 공급부(30)로 제공되어야 하는 수분의 유량이 감소함을 확인할 수 있다. 또한, 실시예 1 내지 실시예 3을 비교하면, 응축부(40)의 회수율이 상승할수록 수분 저장부(50)로부터 수증기 공급부(30)로 제공되어야 하는 수분의 유량이 감소함을 확인할 수 있다. 이에 따라 회수율이 높은 응축부(40)를 구비하는 경우, 동일한 에너지 용량을 구비하는 금속-공기 전지(1)에서 더 적은 양의 수분이 수분 저장부(50)에 저장될 수 있으므로 에너지 밀도가 개선되는 결과를 확인할 수 있다. 따라서, 실시예에 따른 금속-공기 전지(1)는 전지의 성능 향상 및 수명 연장에 유리할 수 있다. 이하에서는 응축부(40)의 회수율 변화에 따라 수분 저장부(50)로부터 수증기 공급부(30)로 공급되는 제1 유량(W1)의 수분량을 조정할 수 있는 금속-공기 전지(1)에 대해 서술한다.
도 6은 일 예시에 따른 금속 공기 전지(1)의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다. 전지 셀 모듈(10), 공기 정화 모듈(20), 수증기 공급부(30), 응축부(40) 및 수분 저장부(50)와 관련된 사항은 도 1 및 도 2에서 서술하였던 내용과 실질적으로 동일하므로 설명의 편의상 여기서는 서술을 생략한다.
제어부(60)는 후술하게 될 제1 유체 단속부(80) 및 제2 유체 단속부(90)의 단속 시간 및 해제 시간에 대한 제어 신호를 제1 유체 단속부(80) 및 제2 유체 단속부(90)에 전달하여 제1 유체 단속부(80) 및 제2 유체 단속부(90)의 단속 시간 및 해제 시간을 제어할 수 있는 제어 장치이다. 이때, 제1 유체 단속부(80)에 대한 제어신호는 응축부(40)로부터 수증기 공급부(30)로 전달되는 수분의 제2 유량(W2)에 의해 결정될 수 있다. 일 예로서, 제어부(60)는 금속 공기 전지(1)의 전반적인 기능 및 동작을 제어하는 프로세서, 금속 공기 전지(1)의 동작을 위한 프로그램과, 이에 필요한 데이터가 저장될 수 있는 메모리 및 입력부와 출력부를 포함하는 사용자 인터페이스를 포함할 수 있다.
펌프(70)는 전지 셀 모듈(10)에 음압을 인가하여 전지 셀 모듈(10)로부터 수증기를 응축부(40)로 전달할 수 있다. 일 예시에 따르면, 펌프(70)가 작동하는 경우, 충전 과정에서 양극부(130)로부터 생성되는 수증기는 전지 셀 모듈(10)로부터 배출되어 응축부(40)로 회수될 수 있다.
제1 유체 단속부(80)는 수분 저장부(50)와 수증기 공급부(30) 사이에 배치되어 수분 저장부(50)와 수증기 공급부(30) 사이에서 발생되는 유체 연통을 단속할 수 있는 차단장치이다. 예를 들어 제1 유체 단속부(80)는 체크 밸브 또는 전자 구동식 개폐 밸브로 형성될 수 있으며, 이에 따라 수분 저장부(50)로부터 수증기 공급부(30)로 연통되는 제1 유량(W1)의 수분의 유동을 단속할 수 있다.
일 예로서, 수분 저장부(50)와 수증기 공급부(30) 사이에 체크 밸브가 배치되는 경우, 수분 저장부(50)로부터 수증기 공급부(30)로 수분이 전달되는 반면, 수증기 공급부(30)로부터 방출되는 수분은 체크 밸브에 의해 단속되어 수분 저장부(50)로 전달될 수 없다.
제2 유체 단속부(90)는 수증기 공급부(30)로부터 전지 셀 모듈(10)로 전달되는 유체 연통을 단속할 수 있는 차단장치이다. 예를 들어 제2 유체 단속부(90)는 수증기 공급부(30)의 배출부에 배치되어 전지 셀 모듈(10)로 전달되는 수증기의 유체 연통을 단속할 수 있다. 일 예로서 제2 유체 단속부(90)는 체크 밸브 또는 전자 구동식 개폐 밸브일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 응축부(40)의 자체의 회수율은 고정되도록 설정될 수 있으나, 전지 셀 모듈(10)의 방전 상태에 따라 응축부(40)에서 회수되는 수증기의 유량이 변화될 수 있다. 예를 들어 응축부(40)의 회수율은 제조 설정에 따라 99%로 고정될 수 있으나, 전지 셀 모듈(10)의 충방전이 반복됨에 따라 전지 셀 모듈(10) 내부에 상태가 변화하여 응축부(40)에서 회수되는 수증기의 유량이 변화될 수 있다.
응축부(40)에서 회수되는 수증기의 유량이 변화함에 따라 응축부(40)에서 수증기 공급부(30)로 전달되는 수분의 제1 유량(W1) 또한 변화될 수 있다.
수증기 공급부(30)에서 전지 셀 모듈(10)로 전달되는 수증기의 유량은 일정해야 하기 때문에, 응축부(40)에서 수증기 공급부(30)로 전달되는 수분의 제1 유량(W1)이 변화하는 경우, 수분 저장부(50)에서 수증기 공급부(30)로 전달되는 수분의 제2 유량(W2) 또한 변화될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 제어부(60)는 측정 장치(미도시)를 이용하여 응축부(40)에서 수증기 공급부(30)로 전달되는 수분의 제1 유량(W1)을 감지할 수 있으며, 제1 유량(W1)의 변화에 따라 제1 유체 단속부(80)의 개폐 주기를 변화시키는 제어 신호를 송신할 수 있다. 이에 따라 수분 저장부(50)에서는 제1 유량(W1)의 변화에 대응하여 변화된 제2 유량(W2)의 수분을 수증기 공급부(30)에 전달할 수 있다. 따라서, 수증기 공급부(30)는 응축부(40)에서 회수되는 수분의 유량에 관계없이 일정한 유량의 수증기를 전지 셀 모듈(10)로 공급할 수 있다.
도 7은 일 예시에 따른 금속-공기 전지의 작동 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 단계 110에서, 공기 정화 모듈(20)로 외부 공기(Air)가 유입될 수 있으며, 공기 정화 모듈(20)은 외부 공기에 포함된 불순물을 제거하여 외부 공기(Air)를 정화할 수 있다. 일 예로서, 공기 정화 모듈(20)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(dry O2)를 생성할 수 있다. 이때, 정화된 공기(dry O2)는 수증기(H20)가 제거된 상태일 건조한 산소 상태일 수 있다. 또한, 공기 정화 모듈(20)로부터 제거된 수증기(H20)는 수증기 공급부(30)로 제공될 수 있다.
단계 120에서, 수분 저장부(50)로부터 수증기 공급부(30)로 제1 유량(W1)의 수분을 공급할 수 있다. 일 예로서, 수분 저장부(50)는 전지 셀 모듈(10)의 방전 과정에서 첨가제로 사용될 수 있는 수증기(H2O)를 저장할 수 있는 저장부이다. 이에 따라 수분 저장부(50)는 방전 과정에서 필요한 제1 유량(W1)의 수분을 수증기 공급부(30)로 공급할 수 있다.
단계 130에서, 공기 정화 모듈(20) 및 수증기 공급부(30)로부터 전지 셀 모듈(10)에 상기 정화된 공기(dry O2) 및 수증기(H20)를 공급할 수 있다. 일 예로서, 공기 정화 모듈(20) 로부터 전지 셀 모듈(10)로 정화된 공기(dry O2)가 공급되고, 수증기 공급부(30)로부터 수증기(H20)가 공급되는 경우, 전지 셀 모듈(10)에는 수증기가 포함된 정화된 공기(H20 + O2; A2)가 공급될 수 있다. 전지 셀 모듈(10)에 수증기가 포함된 정화된 공기(H20 + O2; A2)가 공급되어 금속-공기 전지(1)가 방전되는 경우, 수증기 및 산소를 활물질로 사용하는 양극부(130)에 수증기가 포함된 정화된 공기(H20 + O2; 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 응축부(40)로 수증기를 회수할 수 있다. 일 예로서, 금속-공기 전지(1)가 충전되는 경우, 상술한 반응식에서 확인할 수 있는 바와 같이, 양극부(130)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 응축부(40)를 통해 회수될 수 있다. 이때, 펌프(70)는 전지 셀 모듈(10)에 음압을 인가하여 충전과정에서 생성된 수증기(H20)를 응축부(40)로 전달할 수 있다. 또한, 금속-공기 전지(1)의 충전과정에서 생성된 산소(02)는 전지 셀 모듈(10)을 통해 외부로 배출될 수 있다.
단계 150에서, 응축부(40)로부터 수증기 공급부(30)로 제2 유량(W2)의 수분을 공급할 수 있다. 금속-공기 전지(1)의 충전과정에서, 전지 셀 모듈(10)에 생성된 수증기(H20)는 응축부(40)를 통해 회수될 수 있다. 이때, 응축부(40)는 전지 셀 모듈(10)에 생성된 수증기(H20)를 응축하여 제2 유량(W2)의 수분을 수증기 공급부(30)로 전달할 수 있다. 이에 따라 응축부(40)에 회수된 수증기는 수증기 공급부(30)로 전달되어 재사용될 수 있다. 이에 따라 수증기 공급부(30)로부터 전지 셀 모듈(10)에 공급되는 수증기(H20)의 유량은 수분 저장부(50)로부터 공급되는 제1 유량(W1)의 수분 및 응축부(40)로부터 공급되는 제2 유량(W2)의 수분의 합에 의해 결정될 수 있다.
일 예시에 따르면, 응축부(40)로부터 공급되는 제2 유량(W2)은 응축부(40)의 회수율에 따라 결정될 수 있다. 또한, 수증기 공급부(30)로부터 전지 셀 모듈(10)에 공급되는 수증기(H20)의 유량이 일정한 경우, 수분 저장부(50)로부터 공급되는 제1 유량(W1)과 응축부(40)로부터 공급되는 제2 유량(W2)은 상호 반비례할 수 있다. 따라서, 응축부(40)로부터 공급되는 제2 유량(W2)이 변화하는 경우, 수분 저장부(50)로부터 공급되는 제1 유량(W1) 또한 변화할 수 있다. 일 예로서, 제1 유체 단속부(80)는 수분 저장부(50)로부터 공급되는 제1 유량(W1)을 단속하여 조정할 수 있다.
또한 일 예시에 따르면, 공기정화모듈(20)로부터 제거된 제3 유량(W3)의 수분을 수증기 공급부(30)로 추가적으로 전달할 수 있다. 이에 따라 공기정화모듈(20)로부터 제거된 수증기는 수증기 공급부(30)로 전달되어 재사용될 수 있다. 이에 따라 수증기 공급부(30)로부터 전지 셀 모듈(10)에 공급되는 수증기(H20)의 유량은 수분 저장부(50)로부터 공급되는 제1 유량(W1)의 수분, 응축부(40)로부터 공급되는 제2 유량(W2) 및 공기정화모듈(20)로부터 제거된 제3 유량(W2)의 수분의 합에 의해 결정될 수도 있다. 이에 따라 수분 저장부(50)로부터 공급되는 수분의 제1 유량(W1)이 감소되어 수분 저장부(50)에 저장되는 수분의 양이 감소될 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: 공기 정화 모듈
30: 공급부
40: 응축부
50: 수분 저장부
60: 제어부
70: 펌프
80: 제1 유체 단속부
90: 제2 유체 단속부
100: 전지 셀
110: 음극집전체
120: 음극부
130: 양극부
140: 고체 전해질층
150: 양극집전체

Claims (20)

  1. 금속의 산화와 산소 및 물의 환원을 이용하여 전기를 생성하는 전지 셀 모듈;
    상기 전지 셀 모듈에 수증기를 공급하는 수증기 공급부;
    상기 수증기 공급부에 제1 유량의 수분을 공급하는 수분 저장부; 및
    상기 전지 셀 모듈로부터 회수된 수증기를 응축시켜 상기 수증기 공급부에 제2 유량의 수분을 공급하는 응축부;를 포함하는,
    금속 공기 전지.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 유량은 상기 응축부의 회수율에 따라 결정되며, 상기 제1 유량은 상기 제2 유량이 감소함에 따라 증가하는,
    금속-공기 전지.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 응축부의 회수율은 0.5 이상 1 미만이며, 상기 수분 저장부는 1kWh당 0.1 L이상 6.0 L이하의 수분을 저장하는,
    금속-공기 전지.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 수분 저장부로부터 상기 수증기 공급부로 연통되는 상기 제1 유량의 수분의 유동을 단속하는 제1 유체 단속부; 를 더 포함하는,
    금속-공기 전지.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 응축부로부터 상기 수증기 공급부로 전달되는 수분의 상기 제2 유량에 따라 상기 제1 유체 단속부의 개폐 여부를 제어하는 제어부;를 더 포함하는,
    금속-공기 전지.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 전지 셀 모듈에서 수증기를 회수하기 위해 상기 전지 셀 모듈에 음압을 인가하는 펌프를 더 포함하는,
    금속-공기 전지.
  7. 제1 항에 있어서,
    외부로부터 공급된 공기를 정화하여 상기 전지 셀 모듈로 정화된 공기를 제공하는 공기 정화 모듈;을 더 포함하는
    금속-공기 전지.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 전지 셀 모듈은,
    금속을 포함하는 음극부;
    산소 및 물을 활물질로 사용하는 양극부; 및
    상기 음극부와 상기 양극부 사이에 배치되는 고체 전해질층:을 포함하는,
    금속-공기 전지.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 양극부는 다공성의 복합전도성 물질을 포함하며,
    상기 복합전도성 물질은 LTO (lithium titanium oxide), LMO(lithium manganese oxide), LCO(lithium cobalt oxide), LMNO(lithium manganese nickel oxide), NMC(lithium nickel manganese cobalt oxide), LNO(lithium nickel oxide), LFP(lithium iron phosphate), LFMP(lithium iron manganese phosphate), LLTO (Lithium lanthanum titanium oxide), LATP (Lithium aluminum titanium phosphate), LLMnO (Lithium lanthanum manganese oxide), LLRuO (Lithium lanthanum ruthenium oxide) 및 이들의 환원물질들 중 적어도 하나를 포함하는,
    금속-공기 전지.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 복합전도성 물질은 perovskite, anti-perovskite, layered structure, spinel 및 NASICON type 중 어느 하나의 구조를 갖는 무기물을 포함하는
    금속-공기 전지.
  11. 제8 항에 있어서,
    상기 고체 전해질층은 금속 이온 전도성 물질을 포함하는,
    금속-공기 전지.
  12. 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;
    수분 저장부로부터 수증기 공급부로 제1 유량의 수분을 공급하는 단계;
    상기 공기 정화 모듈 및 상기 수증기 공급부로부터 상기 전지 셀 모듈에 상기 정화된 공기 및 수증기를 공급하는 단계;
    상기 전지 셀 모듈로부터 응축부로 수증기를 회수하는 단계; 및
    상기 응축부로부터 상기 수증기 공급부로 제2 유량의 수분을 공급하는 단계;를 포함하며,
    상기 수증기 공급부로부터 상기 전지 셀 모듈에 공급되는 상기 수증기의 유량은 상기 수분 저장부로부터 공급되는 상기 제1 유량의 수분 및 상기 응축부로부터 공급되는 상기 제2 유량의 수분의 합에 의해 결정되는,
    금속-공기 전지의 작동 방법.
  13. 제12 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.
  14. 제12 항에 있어서,
    상기 제2 유량은 상기 응축부의 회수율에 따라 결정되며, 상기 제1 유량은 상기 제2 유량이 감소함에 따라 증가하는,
    금속-공기 전지의 작동 방법.
  15. 제12 항에 있어서,
    상기 수분 저장부로부터 상기 수증기 공급부로 연통되는 상기 제1 유량의 수분의 유동을 단속하는 제1 유체 단속부; 를 더 포함하며,
    상기 제1 유체 단속부의 개폐 여부는 상기 응축부로부터 상기 수증기 공급부로 전달되는 수분의 상기 제2 유량에 따라 결정되는,
    금속-공기 전지의 작동 방법.
  16. 제14 항에 있어서,
    상기 응축부의 회수율은 0.5이상 1 미만이며, 상기 수분 저장부는 1kWh당 0.1 L이상 6.0 L이하의 수분을 저장하는,
    금속-공기 전지의 작동 방법.
  17. 제12 항에 있어서,
    상기 전지 셀 모듈에서 수증기를 회수하기 위해 상기 전지 셀 모듈에 음압을 인가하는 단계를 더 포함하는,
    금속-공기 전지의 작동 방법.
  18. 제 12 항에 있어서,
    상기 양극부는 다공성의 복합전도성 물질을 포함하며,
    상기 복합전도성 물질은 LTO (lithium titanium oxide), LMO(lithium manganese oxide), LCO(lithium cobalt oxide), LMNO(lithium manganese nickel oxide), NMC(lithium nickel manganese cobalt oxide), LNO(lithium nickel oxide), LFP(lithium iron phosphate), LFMP(lithium iron manganese phosphate), LLTO (Lithium lanthanum titanium oxide), LATP (Lithium aluminum titanium phosphate), LLMnO (Lithium lanthanum manganese oxide), LLRuO (Lithium lanthanum ruthenium oxide) 및 이들의 환원물질들 중 적어도 하나를 포함하는,
    금속-공기 전지의 작동 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 복합전도성 물질은 perovskite, anti-perovskite, layered structure, spinel 및 NASICON type 중 어느 하나의 구조를 갖는 무기물을 포함하는
    금속-공기 전지의 작동 방법.
  20. 제12 항에 있어서,
    상기 고체 전해질층은 금속 이온 전도성 물질을 포함하는,
    금속-공기 전지의 작동 방법.
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