WO2012102500A2 - 공기 금속 이차 전지 유닛 및 이를 포함하는 공기 금속 이차 전지 모듈 - Google Patents

공기 금속 이차 전지 유닛 및 이를 포함하는 공기 금속 이차 전지 모듈 Download PDF

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WO2012102500A2
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류병훈
공재경
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주식회사 이엠따블유에너지
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    • 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
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    • 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
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    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
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    • 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

Definitions

  • the present invention relates to an air metal secondary battery unit and an air metal secondary battery module including the same. More particularly, the present invention relates to an air metal secondary battery module including at least one air metal secondary battery unit and an air metal secondary battery unit capable of discharging and charging.
  • Electrochemical power sources are devices in which electrical energy can be generated by electrochemical reactions.
  • the apparatus includes air metal cells such as air zinc cells and air aluminum cells.
  • the air metal battery adopts a cathode made of a metal which is converted into a metal oxide during discharge, and an air cathode film which generates hydroxide ions in contact with oxygen in the air as a transparent membrane containing water molecules as the anode.
  • Such air metal cells have many advantages over conventional hydrogen fuel cells.
  • the fuel such as zinc can be abundantly present as a metal or an oxide thereof, there is an advantage that the energy supply provided from the air metal cell is not visually exhausted.
  • the air metal cell can be used to be electrically recharged and can deliver an output voltage (1 to 4.5 Volts) higher than that of conventional fuel cells ( ⁇ 0.8 V). .
  • the air metal battery capable of being discharged and charged is called an air metal secondary battery, and the air metal secondary battery reacts with oxygen supplied to air or another source with an air anode membrane functioning as a cathode during discharge as shown in the following formula.
  • the hydroxide ions generated according to the above formula move to the zinc gel, which is the negative electrode gel of the air metal secondary battery, to form zinc hydroxide on the surface of the zinc gel.
  • the zinc hydroxide then decomposes into zinc oxide and releases water to form an alkaline aqueous solution.
  • This reaction can be represented by the following formula.
  • the air metal secondary battery is discharged to supply electrical energy to the outside. Then, when the air metal secondary battery reaches the discharge limit and the supply of electrical energy to the outside is stopped, it is possible to reuse by charging the electric.
  • the moisture in the negative electrode gel decreases, so that the negative electrode gel, that is, the mixture of the electrolyte and the zinc metal is cured, thereby making it impossible to reuse the air metal secondary battery.
  • the case of the air metal secondary battery accommodating the negative electrode gel, the air cathode membrane, and the negative electrode current collector is expanded due to the oxygen generated inside the air metal secondary battery.
  • At least one air metal secondary battery unit and the aqueous solution formed with a water intake portion for taking in the aqueous solution for replenishing the negative electrode gel and a gas outlet for discharging the gas generated during charging An object of the present invention is to provide an air metal secondary battery module which supplies an air metal secondary battery and discharges gas generated in at least one air metal secondary battery to the outside during charging.
  • At least one metal air secondary battery unit each formed with a water intake portion for taking in the aqueous solution and a gas outlet for discharging the gas generated during charging;
  • An aqueous solution storage unit for storing the aqueous solution;
  • An aqueous solution supply unit connecting at least one intake unit and the aqueous solution storage unit; It is connected to one or more gas outlets to provide an air metal secondary battery module comprising a gas discharge unit for discharging the gas discharged from the gas outlet to the outside.
  • Each of the at least one metal air secondary battery unit includes a battery case having the water intake part and the gas outlet, a negative electrode gel that is accommodated in the battery case and receives the aqueous solution from the water intake part to replenish moisture discharged during discharge. And an air cathode film accommodated in the battery case, a gasket interposed between the anode gel and the air cathode film, and a cathode current collector interposed between the inner wall of the battery case and the cathode gel. can do.
  • the gas discharge part may include a gas discharge pipe, at least one branch pipe branched from the gas discharge pipe and connected to the at least one gas discharge port, and a pressure reducing device connected to at least one of one end and the other end of the gas discharge pipe.
  • the pressure reducing device may be any one of a fan and a vacuum pump.
  • the one or more air metal secondary battery units are arranged at regular intervals apart.
  • the air metal secondary battery module accommodates the at least one air metal secondary battery unit, the aqueous solution storage unit, the aqueous solution supply unit and the gas discharge unit, and exposes at least one of one end and the other end of the gas discharge unit to the outside, and partially It may further include a module case formed in the opening and closing portion.
  • the negative electrode gel may be a zinc gel.
  • a battery case including a water intake unit for taking in an aqueous solution and a gas outlet for discharging gas generated during charging; A negative electrode gel contained in the battery case and receiving the aqueous solution from the water intake unit to replenish moisture discharged during discharge; An air cathode film accommodated in the battery case; And a gasket accommodated in the battery case, the gasket interposed between the negative electrode gel and the air positive electrode film.
  • the battery case may include: a lower case forming the water intake part and the gas outlet, and accommodating the negative electrode gel, the air anode film, and the gasket, and having at least one opening formed in a portion of the surface contacting the air cathode film; And an upper case sealing the lower case.
  • the metal air secondary battery unit may be accommodated in the battery case, and may further include a negative electrode current collector interposed between the upper case and the negative electrode gel.
  • the upper case and the air anode layer may form a hole for connecting a terminal or an electric wire.
  • the present invention since it is possible to prevent the expansion of the battery case due to the negative electrode curing and gas generation due to the discharge and charging of one or more metal air secondary battery unit, it is possible to modularize the metal air secondary battery to generate a large amount of electrical energy, such as car batteries There is an effect that can be commercialized in the field of need.
  • 1 to 4 is a schematic view showing a pneumatic metal secondary battery module according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is an exploded perspective view of an air metal secondary battery unit according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view showing a lower case of the air metal secondary battery unit according to the embodiment of the present invention.
  • 1 to 4 is a block diagram showing an air metal secondary battery module according to an embodiment of the present invention.
  • the air metal secondary battery module 100 includes one or more air metal secondary battery units 110, an aqueous solution storage unit 120, an aqueous solution supply unit 130, and a gas discharge unit 140.
  • One or more air metal secondary battery units 110 form a water intake unit for taking in an aqueous solution and a gas outlet for discharging gas generated during charging. Detailed description thereof will be made with reference to FIG. 5.
  • one or more air metal secondary battery units 110 may be arranged at regular intervals.
  • the aqueous solution storage unit 120 stores an aqueous solution to be supplied to one or more air metal secondary batteries.
  • the aqueous solution is preferably water, but is not necessarily limited thereto.
  • the aqueous solution supply unit 130 connects the intake unit and the aqueous solution storage unit 120 respectively formed in the one or more air metal secondary battery units 110.
  • the aqueous solution supply unit 130 is an aqueous solution supply pipe 132 is connected to the aqueous solution storage unit 120, as shown in Figure 2, the one or more pipelines in the aqueous solution supply pipe 132 is connected to each of the one or more intake section .
  • the gas discharge unit 140 is connected to one or more gas outlets to discharge the gas discharged from the gas outlets to the outside.
  • the gas may include only oxygen or impurities other than oxygen.
  • the gas discharge unit 140 is one or more pipes branched from the gas discharge pipe 142 is connected to each of the one or more gas outlets, the decompression device may be connected to at least one of the one end and the other end of the gas discharge pipe 142. have.
  • the reason for connecting the decompression device is to reduce the pressure inside the one or more air metal secondary battery units 110 and the internal air pressure of the at least one branched pipe.
  • the pressure of the internal air pressure of the one or more air metal secondary battery units 110 and the branched one or more pipes is reduced so that the gas can be quickly discharged from the one or more gas outlets by the Bernoulli principle.
  • the decompression device is a vacuum pump (not shown) connected to at least one of a fan (Fan) installed in at least one of the one end and the other end of the gas discharge line 142 and the other end of the gas discharge line (142). It can be either.
  • the air metal secondary battery module 100 accommodates one or more air metal secondary battery units 110, the aqueous solution storage unit 120, the aqueous solution supply unit 130, and the gas discharge unit as illustrated in FIGS. 3 and 4.
  • the gas discharge unit 140 may be exposed to the outside, and may further include a module case 150 having an opening and closing part 152 open and close at a portion as shown in FIG. 4.
  • FIG. 5 is an exploded perspective view of an air metal secondary battery unit according to an embodiment of the present invention.
  • the air metal secondary battery unit 500 may include a battery case including a lower case 510 and an upper case 520, a negative electrode gel (not shown), an air anode film 530, and a gasket 540. ) And a negative electrode current collector (not shown).
  • the battery case forms a water intake unit 512 for collecting an aqueous solution and a gas outlet 514 for discharging the gas generated during charging.
  • the water intake part 512 is formed in one space of the lower case 510
  • the gas outlet 514 is formed at one end of the lower case 510
  • the upper case 520 opens the lower case 510. It is sealed.
  • one or more holes may be formed in the upper case 520 to connect a terminal or an electric wire to a negative electrode current collector (not shown).
  • one or more air metal secondary battery units 110 as shown in FIG. can be arranged at regular intervals.
  • the lower case 510 accommodates a cathode gel (not shown), an air anode film 530, and a gasket 540 in the other space, and has an opening 516 in a portion of the surface contacting the air cathode film 530.
  • a cathode gel not shown
  • an air anode film 530 a cathode film 530
  • a gasket 540 in the other space, and has an opening 516 in a portion of the surface contacting the air cathode film 530.
  • One or more may be formed.
  • the reason for forming one or more openings 516 in the lower case 510 is to allow air to flow through the air anode film 530.
  • a negative electrode gel (not shown) is a mixture of a gel metal powder and an electrolyte, and functions as a negative electrode.
  • the negative electrode gel (not shown) may be any one of the negative electrode active material including a zinc gel.
  • the negative electrode gel (not shown) is accommodated in the battery case, and is supplied with an aqueous solution from the water intake unit 512 to replenish moisture discharged during discharge.
  • the air cathode membrane 530 may include a hydrophobic porous membrane, a carbon current collector membrane, and a hydrophilic separator, and is accommodated in a battery case.
  • at least one hole for connecting the terminal or the wire may be formed in the air anode layer 530.
  • the gasket 540 is accommodated in the battery case, and is interposed between the negative electrode gel (not shown) and the air positive electrode film 530 to fix and fix the air positive electrode film 530 to the lower case 510. To prevent leakage.
  • the negative electrode current collector (not shown) is accommodated in the battery case, is interposed between the upper case 520 and the negative electrode gel (not shown), and receives electrons from the negative electrode gel (not shown) to deliver to the outside.
  • the negative electrode current collector may be any one of a conductive structure such as a conductive net, a conductive film, and a rivet.
  • the air metal secondary battery module 100 and the air metal secondary battery unit 500 according to the embodiment of the present invention remarkably increase the curing rate of the negative electrode gel because the aqueous solution is supplied when the moisture decreases in the negative electrode gel.
  • the gas case 514 formed in the battery case and the gas discharge part 140 of the air metal secondary battery module 100 may be expanded and damaged due to the gas generated inside the battery case during charging. It can be prevented.

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Abstract

본 발명은 공기 금속 이차 전지 유닛 및 이를 포함하는 공기 금속 이차 전지 모듈에 관한 것이다. 본 발명은 수용액을 취수하는 취수부 및 충전시 발생하는 가스를 배출하기 위한 가스 배출구를 각각 형성한 하나 이상의 금속 공기 이차 전지 유닛; 상기 수용액을 저장하는 수용액 저장부; 하나 이상의 상기 취수부와 상기 수용액 저장부를 연결하는 수용액 공급부; 하나 이상의 상기 가스 배출구와 연결되어 상기 가스 배출구로부터 배출된 상기 가스를 외부로 배출하는 가스 배출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 금속 이차 전지 모듈을 제공한다. 본 발명에 의하면, 하나 이상의 금속 공기 이차 전지 유닛의 방전 및 충전에 따른 음극 겔 경화 및 가스 발생에 따른 전지 케이스의 팽창을 예방할 수 있으므로, 금속 공기 이차 전지를 모듈화하여 자동차 배터리 등 대용량의 전기 에너지를 필요로 하는 분야에 상용화될 수 있는 효과가 있다.

Description

공기 금속 이차 전지 유닛 및 이를 포함하는 공기 금속 이차 전지 모듈
본 발명은 공기 금속 이차 전지 유닛 및 이를 포함하는 공기 금속 이차 전지 모듈에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 방전 및 충전이 가능한 공기 금속 이차 전지 유닛 및 공기 금속 이차 전지 유닛을 하나 이상 포함하는 공기 금속 이차 전지 모듈에 관한 것이다.
전기 화학 전력원은 전기 에너지가 전기화학 반응에 의해서 생성될 수 있는 장치이다. 이 장치는 공기 아연 전지 및 공기 알루미늄 전지 등과 같은 공기 금속 전지를 포함한다. 공기 금속 전지는 방전중에 금속산화물로 변환되는 금속으로 이루어진 음극을 채용하고, 양극으로는 물 분자를 포함하고 있는 투과성의 막으로서, 공기 중의 산소와 접촉하여 수산화 이온을 발생하는 공기 양극막을 채용한다.
이러한, 공기 금속 전지는 종래의 수소 연료 전지에 비해 많은 장점들이 있다. 특히, 아연과 같은 연료가 금속이나 그 산화물로서 풍부하게 존재할 수 있기 때문에 공기 금속 전지로부터 제공된 에너지 공급이 가시적으로 고갈되지 않는 장점이 있다. 또한, 종래의 수소 연료 전지들은 재충진이 요구되는데 반해 공기 금속 전지는 전기적으로 재충전하여 사용할 수 있고, 통상적인 연료 전지들(<0.8V)보다 높은 출력전압(1∼4.5Volts)을 전달할 수 있다.
이와 같이 방전 및 충전이 가능한 공기 금속 전지를 공기 금속 이차 전지라고 하며, 공기 금속 이차 전지는 방전시 양극 기능을 하는 공기 양극막이 공기 또는 다른 공급원으로 공급된 산소와 아래의 화학식과 같이 반응한다.
화학식 1
Figure PCTKR2012000300-appb-C000001
상기 화학식에 따라 발생한 수산화 이온은 공기 금속 이차 전지의 음극 겔인 아연 겔로 이동하여 아연 겔의 표면 상에 수산화 아연이 형성된다. 이후, 수산화 아연은 아연 산화물로 분해되고 물을 방출하여 알칼리수용액이 된다. 이러한 반응은 다음의 화학식으로 나타낼 수 있다.
화학식 2
Figure PCTKR2012000300-appb-C000002
상기와 같은 반응에 의해 공기 금속 이차 전지는 방전을 하여 외부에 전기 에너지를 공급하게 된다. 이후, 공기 금속 이차 전지가 방전 한계에 도달하여 외부로의 전기 에너지 공급이 중단되면, 전기적 충전을 함으로써 재사용이 가능하게 된다.
하지만, 상기와 같이 공기 금속 이차 전지의 방전 및 충전 과정이 반복되면 음극 겔 내의 수분이 감소하여 음극 겔, 즉 전해질과 아연 금속의 혼합물이 경화되어 공기 금속 이차 전지의 재사용이 불가능하게 되는 문제점이 있다.
또한, 공기 금속 이차 전지의 충전시에는 산화 아연(ZnO)에 음의 전하를 가지는 전자(2e-)가 공급되면 아연 이온(Zn2+)이 아연으로 환원됨과 아울러 산소 이온(O2-)이 아연 이온으로부터 분리된다. 아연 이온으로부터 분리된 산소 이온은 공기 금속 이차 전지의 음극 집전체를 통과하면서 산소(O2)로 환원된다.
이와 같이 공기 금속 이차 전지의 충전시 내부에서 발생하는 산소로 인해 음극 겔, 공기 양극막, 음극 집전체 등을 수용하는 공기 금속 이차 전지의 케이스가 팽창하게 되어 케이스가 파손될 수 있는 문제점도 있다.
한편, 최근 들어 친환경 에너지가 각광을 받으면서 하나 이상의 공기 금속 이차 전지를 연결하여 전지 모듈을 대용량의 전기 에너지를 필요로 하는 자동차 배터리 등에 사용하는 모듈화에 대한 연구 개발이 꾸준히 이뤄지고 있지만, 상기와 같은 문제점들을 해결하지 못하면 상용화가 불가능할 수 있다.
전술한 문제점을 해결하기 위해 본 발명은, 음극 겔에 수분을 보충하기 위한 수용액을 취수하는 취수부 및 충전시 발생하는 가스를 배출하기 위한 가스 배출구를 형성한 공기 금속 이차 전지 유닛 및 수용액을 하나 이상의 공기 금속 이차 전지에 공급하고, 충전시 하나 이상의 공기 금속 이차 전지에서 발생한 가스를 외부로 배출하는 공기 금속 이차 전지 모듈을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 수용액을 취수하는 취수부 및 충전시 발생하는 가스를 배출하기 위한 가스 배출구를 각각 형성한 하나 이상의 금속 공기 이차 전지 유닛; 상기 수용액을 저장하는 수용액 저장부; 하나 이상의 상기 취수부와 상기 수용액 저장부를 연결하는 수용액 공급부; 하나 이상의 상기 가스 배출구와 연결되어 상기 가스 배출구로부터 배출된 상기 가스를 외부로 배출하는 가스 배출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 금속 이차 전지 모듈을 제공한다.
상기 하나 이상의 금속 공기 이차 전지 유닛 각각은 상기 취수부 및 상기 가스 배출구를 형성한 전지 케이스, 상기 전지 케이스 내에 수용되되, 방전시 배출된 수분을 보충하기 위해 상기 취수부로부터 상기 수용액을 공급받는 음극 겔, 상기 전지 케이스 내에 수용되는 공기 양극막, 상기 전지 케이스 내에 수용되되, 상기 음극 겔 및 상기 공기 양극막 사이에 개재되는 가스켓 및 상기 전지 케이스의 내벽 및 상기 음극 겔 사이에 개재되는 음극 집전체를 포함할 수 있다.
상기 가스 배출부는 가스 배출 관로, 상기 가스 배출 관로로부터 분기되어 상기 하나 이상의 가스 배출구와 연결되는 하나 이상의 분기 관로 및 상기 가스 배출 관로의 일단 및 타단 중 적어도 하나에 연결되는 감압 장치를 포함할 수 있다.
상기 감압 장치는 팬(Fan) 및 진공 펌프 중 어느 하나일 수 있다.
상기 하나 이상의 공기 금속 이차 전지 유닛은 일정 간격 이격하여 배열된다.
상기 공기 금속 이차 전지 모듈은 상기 하나 이상의 공기 금속 이차 전지 유닛, 상기 수용액 저장부, 상기 수용액 공급부 및 상기 가스 배출부를 수용하되, 상기 가스 배출부의 일단 및 타단 중 적어도 하나를 외부로 노출되도록 하고, 일부분에 개폐 가능한 개폐부를 형성한 모듈 케이스를 더 포함할 수 있다.
상기 음극 겔은 아연 겔일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적에 의하면, 수용액을 취수하는 취수부 및 충전시 발생하는 가스를 배출하기 위한 가스 배출구를 형성한 전지 케이스; 상기 전지 케이스 내에 수용되되, 방전시 배출된 수분을 보충하기 위해 상기 취수부로부터 상기 수용액을 공급받는 음극 겔; 상기 전지 케이스 내에 수용되는 공기 양극막; 및 상기 전지 케이스 내에 수용되되, 상기 음극 겔 및 상기 공기 양극막 사이에 개재되는 가스켓을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 공기 이차 전지 유닛을 제공한다.
상기 전지 케이스는 상기 취수부 및 상기 가스 배출구를 형성하고, 상기 음극 겔, 상기 공기 양극막 및 상기 가스켓을 수용하되, 상기 공기 양극막과 접하는 면의 일부분에 개구가 하나 이상 형성된 하부 케이스; 및 상기 하부 케이스를 밀폐하는 상부 케이스를 포함할 수 있다.
상기 금속 공기 이차 전지 유닛은 상기 전지 케이스 내에 수용되되, 상기 상부 케이스 및 상기 음극 겔 사이에 개재되는 음극 집전체를 더 포함할 수 있다.
상기 상부 케이스 및 상기 공기 양극막은 단자 또는 전선을 연결하기 위한 홀을 형성할 수 있다.
본 발명에 따르면, 하나 이상의 금속 공기 이차 전지 유닛의 방전 및 충전에 따른 음극 겔 경화 및 가스 발생에 따른 전지 케이스의 팽창을 예방할 수 있으므로, 금속 공기 이차 전지를 모듈화하여 자동차 배터리 등 대용량의 전기 에너지를 필요로 하는 분야에 상용화될 수 있는 효과가 있다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 공기 금속 이차 전지 모듈을 나타낸 구성도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 공기 금속 이차 전지 유닛의 분해 사시도,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 공기 금속 이차 전지 유닛의 하부케이스를 나타낸 도면이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 공기 금속 이차 전지 모듈을 나타낸 구성도이다.
본 발명의 실시예에 따른 공기 금속 이차 전지 모듈(100)은 하나 이상의 공기 금속 이차 전지 유닛(110), 수용액 저장부(120), 수용액 공급부(130), 가스 배출부(140)를 포함한다.
하나 이상의 공기 금속 이차 전지 유닛(110)은 수용액을 취수하는 취수부 및 충전시 발생하는 가스를 배출하기 위한 가스 배출구를 형성하고 있다. 이에 대한 자세한 설명은 도 5에 대한 설명에서 하도록 한다.
본 발명에서 하나 이상의 공기 금속 이차 전지 유닛(110)은 일정 간격 이격하여 배열될 수 있다.
수용액 저장부(120)는 하나 이상의 공기 금속 이차 전지에 공급할 수용액을 저장한다. 여기서, 수용액은 물인 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
수용액 공급부(130)는 하나 이상의 공기 금속 이차 전지 유닛(110)에 각각 형성된 취수부와 수용액 저장부(120)를 연결한다. 여기서, 수용액 공급부(130)는 도 2와 같이 수용액 저장부(120)에 수용액 공급 관로(132)가 연결되고, 수용액 공급 관로(132)에서 하나 이상의 관로가 분기되어 하나 이상의 취수부와 각각 연결된다.
가스 배출부(140)는 하나 이상의 가스 배출구와 연결되어 가스 배출구로부터 배출된 가스를 외부로 배출한다. 여기서, 가스는 산소만을 포함하거나 산소 이외의 불순물을 포함할 수 있다.
한편, 가스 배출부(140)는 가스 배출 관로(142)에서 하나 이상의 관로가 분기되어 하나 이상의 가스 배출구와 각각 연결되고, 가스 배출 관로(142)의 일단 및 타단 중 적어도 하나에 감압 장치가 연결될 수 있다. 여기서 감압 장치를 연결하는 이유는 하나 이상의 공기 금속 이차 전지 유닛(110) 내부 및 분기된 하나 이상의 관로의 내부 기압을 감압하기 위해서이다.
본 발명에서 하나 이상의 공기 금속 이차 전지 유닛(110) 내부 및 분기된 하나 이상의 관로의 내부 기압을 감압하는 이유는 베르누이 원리에 의해 하나 이상의 가스 배출구로부터 가스를 신속하게 빠져나올 수 있도록 하기 위해서이다.
본 발명에서 감압 장치는 가스 배출 관로(142)의 일단 및 타단 중 적어도 하나에 설치하는 팬(Fan) 및 가스 배출 관로(142)의 일단 및 타단 중 적어도 하나와 연결되는 진공 펌프(미도시) 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명에서 공기 금속 이차 전지 모듈(100)은 도 3 및 도 4와 같이 하나 이상의 공기 금속 이차 전지 유닛(110), 수용액 저장부(120), 수용액 공급부(130) 및 (140)가스 배출부를 수용하되, 가스 배출부(140)의 일단 및 타단 중 적어도 하나를 외부로 노출되도록 하고, 도 4와 같이 일부분에 개폐 가능한 개폐부(152)를 형성한 모듈 케이스(150)를 더 포함할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 공기 금속 이차 전지 유닛의 분해 사시도이다.
본 발명의 실시예에 따른 공기 금속 이차 전지 유닛(500)은 하부 케이스(510) 및 상부 케이스(520)를 포함하는 전지 케이스, 음극 겔(미도시), 공기 양극막(530), 가스켓(540) 및 음극 집전체(미도시)을 포함한다.
전지 케이스는 수용액을 취수하는 취수부(512) 및 충전시 발생하는 가스를 배출하기 위한 가스 배출구(514)를 형성한다.
다시 말해서, 하부 케이스(510)에 일측 공간에 취수부(512)가 형성되고, 하부 케이스(510)의 일단에는 가스 배출구(514)가 형성되고, 상부 케이스(520)가 하부 케이스(510)를 밀폐하는 것이다. 여기서, 상부 케이스(520)에는 단자 또는 전선을 음극 집전체(미도시)에 연결하기 위한 홀을 하나 이상 형성할 수 있다.
또한, 전지 케이스, 즉 하부 케이스(510) 및 상부 케이스(520)의 테두리 아래, 위에 일정 길이를 갖는 봉을 끼울 수 있는 고정 홀을 형성함으로써, 도 1과 같이 하나 이상의 공기 금속 이차 전지 유닛(110)을 일정 간격으로 이격하여 배열할 수 있다.
본 발명에서 하부 케이스(510)는 타측 공간에 음극 겔(미도시), 공기 양극막(530) 및 가스켓(540)을 수용하되, 공기 양극막(530)과 접하는 면의 일부분에 개구(516)가 하나 이상 형성될 수 있다. 여기서, 하부 케이스(510)에 개구(516)를 하나 이상 형성하는 이유는 공기가 공기 양극막(530)으로 유통될 수 있도록 하기 위해서이다.
음극 겔(미도시)은 겔 상태의 금속 분말과 전해질을 혼합한 것으로써, 음극으로 기능한다. 여기서, 음극 겔(미도시)은 아연 겔을 포함하는 음극 활물질 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명에서 음극 겔(미도시)은 전지 케이스 내에 수용되되, 방전시 배출된 수분을 보충하기 위해 취수부(512)로부터 수용액을 공급받는다.
공기 양극막(530)은 소수성 다공막, 탄소 집전체막 및 친수성 분리막을 포함할 수 있고, 전지 케이스 내에 수용된다. 여기서, 공기 양극막(530)에는 단자 또는 전선을 연결하기 위한 홀을 하나 이상 형성할 수 있다.
가스켓(540)은 전지 케이스 내에 수용되되, 음극 겔(미도시) 및 공기 양극막(530) 사이에 개재되어, 공기 양극막(530)을 하부 케이스(510)에 밀착 고정하고 음극 겔(미도시)의 누액을 방지한다.
음극 집전체(미도시)는 전지 케이스 내에 수용되되, 상부 케이스(520) 및 음극 겔(미도시) 사이에 개재되어, 음극 겔(미도시)로부터 전자를 전달받아 외부로 전달한다. 여기서, 음극 집전체(미도시)는 도전성 망, 도전성 막 및 리벳 등의 도전성 구조체 중 어느 하나일 수 있다.
상기와 같이 본 발명의 실시예에 따른 공기 금속 이차 전지 모듈(100) 및 공기 금속 이차 전지 유닛(500)은 방전에 따라 음극 겔에서 수분이 감소하면 수용액을 공급하기 때문에 음극 겔의 경화 속도를 현저하게 감소시키고, 전지 케이스에 형성된 가스 배출구(514) 및 공기 금속 이차 전지 모듈(100)의 가스 배출부(140)를 통해 충전시 전지 케이스 내부에서 발생하는 가스로 인해 전지 케이스가 팽창 및 파손되는 것을 방지할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시 예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.
따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (11)

  1. 수용액을 취수하는 취수부 및 충전시 발생하는 가스를 배출하기 위한 가스 배출구를 각각 형성한 하나 이상의 금속 공기 이차 전지 유닛;
    상기 수용액을 저장하는 수용액 저장부;
    하나 이상의 상기 취수부와 상기 수용액 저장부를 연결하는 수용액 공급부;
    하나 이상의 상기 가스 배출구와 연결되어 상기 가스 배출구로부터 배출된 상기 가스를 외부로 배출하는 가스 배출부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 금속 이차 전지 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 하나 이상의 금속 공기 이차 전지 유닛 각각은
    상기 취수부 및 상기 가스 배출구를 형성한 전지 케이스;
    상기 전지 케이스 내에 수용되되, 방전시 배출된 수분을 보충하기 위해 상기 취수부로부터 상기 수용액을 공급받는 음극 겔;
    상기 전지 케이스 내에 수용되는 공기 양극막;
    상기 전지 케이스 내에 수용되되, 상기 음극 겔 및 상기 공기 양극막 사이에 개재되는 가스켓; 및
    상기 전지 케이스의 내벽 및 상기 음극 겔 사이에 개재되는 음극 집전체
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 금속 이차 전지 모듈.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 가스 배출부는
    가스 배출 관로;
    상기 가스 배출 관로로부터 분기되어 상기 하나 이상의 가스 배출구와 연결되는 하나 이상의 분기 관로; 및
    상기 가스 배출 관로의 일단 및 타단 중 적어도 하나에 연결되는 감압 장치
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 금속 이차 전지 모듈.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 감압 장치는 팬(Fan) 및 진공 펌프 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 공기 금속 이차 전지 모듈.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 공기 금속 이차 전지 유닛은 일정 간격 이격하여 배열되는 것을 특징으로 하는 공기 금속 이차 전지 모듈.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 공기 금속 이차 전지 유닛, 상기 수용액 저장부, 상기 수용액 공급부 및 상기 가스 배출부를 수용하되, 상기 가스 배출부의 일단 및 타단 중 적어도 하나를 외부로 노출되도록 하고, 일부분에 개폐 가능한 개폐부를 형성한 모듈 케이스
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 금속 이차 전지 모듈.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 음극 겔은 아연 겔인 것을 특징으로 하는 공기 금속 이차 전지 모듈.
  8. 수용액을 취수하는 취수부 및 충전시 발생하는 가스를 배출하기 위한 가스 배출구를 형성한 전지 케이스;
    상기 전지 케이스 내에 수용되되, 방전시 배출된 수분을 보충하기 위해 상기 취수부로부터 상기 수용액을 공급받는 음극 겔;
    상기 전지 케이스 내에 수용되는 공기 양극막; 및
    상기 전지 케이스 내에 수용되되, 상기 음극 겔 및 상기 공기 양극막 사이에 개재되는 가스켓
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 공기 이차 전지 유닛.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 전지 케이스는
    상기 취수부 및 상기 가스 배출구를 형성하고, 상기 음극 겔, 상기 공기 양극막 및 상기 가스켓을 수용하되, 상기 공기 양극막과 접하는 면의 일부분이 개방된 하부 케이스; 및
    상기 하부 케이스를 밀폐하는 상부 케이스
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 공기 이차 전지 유닛.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 전지 케이스 내에 수용되되, 상기 상부 케이스 및 상기 음극 겔 사이에 개재되는 음극 집전체
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 공기 이차 전지 유닛.
  11. 제 9 항에 있어서
    상기 상부 케이스 및 상기 공기 양극막은 단자 또는 전선을 연결하기 위한 홀을 형성한 것을 특징으로 하는 금속 공기 이차 전지 유닛.
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