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KR102207921B1 - 접이식 구조를 갖는 금속-공기 전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

접이식 구조를 갖는 금속-공기 전지 및 그 제조 방법 Download PDF

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KR102207921B1
KR102207921B1 KR1020130140083A KR20130140083A KR102207921B1 KR 102207921 B1 KR102207921 B1 KR 102207921B1 KR 1020130140083 A KR1020130140083 A KR 1020130140083A KR 20130140083 A KR20130140083 A KR 20130140083A KR 102207921 B1 KR102207921 B1 KR 102207921B1
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Abstract

공기의 공급이 용이하고 에너지 밀도가 향상된 접이식 구조를 갖는 금속-공기 전지를 개시한다. 개시된 금속-공기 전지에 따르면, 음극 금속층, 음극 전해질막 및 양극층은 양극층이 기체확산층의 상부 표면과 접촉하도록 기체확산층 위로 절곡되어 있는 구조를 갖는다. 따라서, 음극 금속, 음극 전해질, 및 양극을 지그재그 형태로 반복적으로 접는 방식으로 셀의 개수를 증가시킬 수 있으며, 셀의 개수가 증가하더라도 기체 확산층의 일부는 한상 외부에 개방될 수 있으므로 산소의 공급이 용이할 수 있다.

Description

접이식 구조를 갖는 금속-공기 전지 및 그 제조 방법 {Metal-air battery having folded structure and method of fabricating the same}
개시된 실시예들은 금속-공기 전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 공기의 공급이 용이하고 에너지 밀도가 향상된 접이식 구조를 갖는 금속-공기 전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
금속-공기 전지는 이온의 흡장/방출이 가능한 음극과 공기 중의 산소를 활물질로서 사용하는 양극을 포함하는 전지이다. 금속-공기 전지의 경우, 양극에서는 외부로부터 유입되는 산소의 환원/산화 반응이 일어나고 음극에서는 금속의 산화/환원 반응이 일어나며 이때 발생하는 화학적 에너지를 전기적 에너지로 추출한다. 예를 들어, 금속-공기 전지는 방전 시에 산소를 흡수하고 충전 시에는 산소를 방출한다. 이와 같이 금속-공기 전지가 대기 중에 존재하는 산소를 이용하기 때문에, 전지의 에너지 밀도를 비약적으로 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 금속-공기 전지는 기존의 리튬 이온 전지의 에너지 밀도보다 수배 이상 높은 에너지 밀도를 가질 수 있다.
또한, 금속-공기 전지는 이상 고온에 의한 발화 가능성이 낮기 때문에 뛰어난 안정성을 가지며, 중금속을 사용할 필요가 없이 산소의 흡수/방출만으로 동작하기 때문에 환경 오염을 일으킬 가능성도 낮다. 이러한 다양한 장점으로 인해, 현재 금속-공기 전지에 대한 많은 연구가 이루어지고 있다.
공기의 공급이 용이하고 에너지 밀도가 향상된 접이식 구조를 갖는 금속-공기 전지 및 그 제조 방법을 제공한다.
일 유형에 따른 금속-공기 전지는, 음극 금속층; 상기 음극 금속층 위에 배치된 음극 전해질막; 산소를 활물질로 사용하는 것으로, 상기 음극 전해질막 위에 배치된 양극층; 및 상기 양극층 위에 부분적으로 배치된 기체확산층;을 포함할 수 있으며, 여기서 상기 음극 금속층, 음극 전해질막 및 양극층은 상기 양극층이 상기 기체확산층의 상부 표면과 접촉하도록 상기 기체확산층 위로 절곡되어 있고, 상기 기체확산층의 일 측면이 외부로 노출될 수 있다.
상기 금속-공기 전지는 다수의 기체확산층들을 포함하며, 상기 음극 금속층, 음극 전해질막 및 양극층은 상기 양극층이 상기 다수의 기체확산층들의 하부 및 상부 표면과 각각 접촉하도록 반복적으로 절곡될 수 있다.
인접한 2개의 기체확산층 사이에서, 상기 음극 금속층이 아래 위로 포개지고 상기 양극층이 인접한 2개의 기체확산층과 각각 접촉하도록 상기 음극 금속층, 음극 전해질막 및 양극층이 180도 절곡될 수 있다.
상기 다수의 기체확산층들의 동일한 측면이 항상 외부로 개방될 수 있다.
상기 금속-공기 전지는 상기 절곡되어 있는 음극 금속층의 절곡부와 접촉하도록 배치된 음극 집전체를 더 포함할 수 있다.
상기 음극 집전체는 상기 음극 금속층, 음극 전해질막, 양극층 및 기체확산층의 층 방향에 수직한 방향으로 연장될 수 있다.
상기 금속-공기 전지의 전체 무게 중에서 상기 음극 집전체의 무게 비중은 예를 들어 10%보다 작을 수 있다.
상기 금속-공기 전지는, 상기 기체확산층의 노출된 측면을 제외하고 상기 음극 금속층, 음극 전해질막, 양극층 및 기체확산층의 나머지 외부 표면들을 둘러싸는 외장재를 더 포함할 수 있다.
상기 음극 집전체는 상기 외장재의 내부에서 상기 음극 금속층과 외장재 사이에 위치할 수 있다.
상기 기체확산층의 노출된 측면의 단부가 상기 음극 금속층, 음극 전해질막 및 양극층보다 돌출될 수 있다.
상기 금속-공기 전지는 상기 기체확산층의 돌출된 단부에 연결되어 있는 양극 집전체를 더 포함할 수 있다.
상기 음극 전해질막은 산소를 차단하면서 금속 이온에 대해 전도성을 갖는 분리막 및 금속 이온을 전달하기 위한 전해질을 포함할 수 있다.
상기 분리막은 다공성 필름을 포함하며, 상기 전해질은 상기 다공성 필름의 기공들 내에 함침되어 있을 수 있다.
다른 유형에 따른 금속-공기 전지는, 음극 금속층; 상기 음극 금속층 위에 배치된 음극 전해질막; 산소를 활물질로 사용하는 것으로, 상기 음극 전해질막 위에 부분적으로 배치된 제 1 양극층; 상기 제 1 양극층 위에 배치된 기체확산층; 및 상기 기체확산층 위에 배치된 제 2 양극층;을 포함할 수 있으며, 여기서 상기 음극 금속층과 음극 전해질막은 상기 음극 전해질막이 상기 제 2 양극층의 상부 표면과 접촉하도록 상기 제 2 양극층 위로 절곡되어 있고, 상기 기체확산층의 일 측면이 외부로 노출될 수 있다.
상기 제 1 양극층과 제 2 양극층은 상기 기체확산층의 하부 표면과 상부 표면에 각각 코팅되어 있을 수 있다.
상기 금속-공기 전지는 하부 표면과 상부 표면에 상기 제 1 양극층과 제 2 양극층이 각각 코팅되어 있는 다수의 기체확산층들을 포함할 수 있으며, 상기 음극 금속층과 음극 전해질막은 상기 음극 전해질막이 상기 제 1 양극층 및 제 2 양극층과 각각 접촉하도록 반복적으로 절곡될 수 있다.
인접한 2개의 기체확산층 사이에서, 상기 음극 금속층이 아래 위로 포개지고 상기 음극 전해질막이 상기 제 1 양극층 및 제 2 양극층과 각각 접촉하도록 상기 음극 금속층과 음극 전해질막이 180도 절곡될 수 있다.
또 다른 유형에 따른 금속-공기 전지의 제조 방법은, 음극 금속층 위에 음극 전해질막을 배치하는 단계; 상기 음극 전해질막 위에 산소를 활물질로 사용하는 양극층을 배치하는 단계; 상기 양극층 위에 부분적으로 기체확산층을 배치하는 단계; 및 상기 양극층이 상기 기체확산층의 상부 표면과 접촉하도록 상기 음극 금속층, 음극 전해질막 및 양극층을 상기 기체확산층 위로 절곡하는 단계;를 포함할 수 있으며, 여기서 상기 기체확산층의 일 측면이 외부로 노출될 수 있다.
상기 금속-공기 전지의 제조 방법은, 상기 음극 금속층이 아래 위로 포개지고 상기 양극층이 상부로 노출되도록 상기 음극 금속층, 음극 전해질막 및 양극층을 180도 절곡하는 단계; 상기 양극층 위에 부분적으로 추가적인 기체확산층을 배치하는 단계; 및 상기 양극층이 상기 추가적인 기체확산층의 상부 표면과 접촉하도록 상기 음극 금속층, 음극 전해질막 및 양극층을 상기 추가적인 기체확산층 위로 절곡하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
또 다른 유형에 따른 금속-공기 전지의 제조 방법은, 음극 금속층 위에 음극 전해질막을 배치하는 단계; 하부 표면과 상부 표면에 제 1 양극층과 제 2 양극층이 각각 코팅되어 있는 기체확산층을 마련하는 단계; 상기 기체확산층의 하부 표면에 있는 제 1 양극층이 상기 음극 전해질막과 접촉하도록 상기 음극 전해질막 위에 부분적으로 기체확산층을 배치하는 단계; 및 상기 음극 전해질막이 상기 기체확산층의 상부 표면에 있는 제 2 양극층과 접촉하도록 상기 음극 금속층과 음극 전해질막을 상기 기체확산층 위로 절곡하는 단계;를 포함할 수 있으며, 여기서 상기 기체확산층의 일 측면이 외부로 노출될 수 있다.
상기 금속-공기 전지의 제조 방법은, 상기 음극 금속층이 아래 위로 포개지고 상기 음극 전해질막이 상부로 노출되도록 상기 음극 금속층과 음극 전해질막을 180도 절곡하는 단계; 하부 표면과 상부 표면에 제 1 양극층과 제 2 양극층이 각각 코팅되어 있는 추가적인 기체확산층을 상기 음극 전해질막 위에 부분적으로 배치하는 단계; 및 상기 음극 전해질막이 상기 추가적인 기체확산층의 상부 표면에 있는 제 2 양극층과 접촉하도록 상기 음극 금속층과 음극 전해질막을 상기 추가적인 기체확산층 위로 절곡하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
개시된 실시예에 따른 접이식 구조를 갖는 금속-공기 전지는 음극 금속, 음극 전해질, 및 양극을 지그재그 형태로 반복적으로 접는 방식으로 셀의 개수를 증가시킬 수 있다. 따라서, 셀의 개수가 증가하더라도 기체 확산층의 일부는 항상 외부에 개방될 수 있으므로, 다수의 2차원 평면셀을 수직으로 적층하는 방식에 비하여 산소의 공급이 용이할 수 있다. 또한 개시된 실시예에 따른 접이식 구조를 갖는 금속-공기 전지는 2차원 평면셀을 수직으로 적층하는 방식에 비하여 향상된 에너지 밀도를 가질 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 접이식 구조를 갖는 금속-공기 전지의 구조를 개략적으로 보이는 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 금속-공기 전지의 하나의 셀의 구조를 개략적으로 보이는 사시도이다.
도 3 및 도 4는 도 1에 도시된 금속-공기 전지를 이용하여 셀의 개수를 증가시킨 구조를 개략적으로 보이는 사시도이다.
도 5는 도 1에 도시된 금속-공기 전지에 음극 집전체와 외장재를 더 장착한 상태를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 6은 다른 실시예에 따른 금속-공기 전지의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 금속-공기 전지의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 8a 내지 도 8e는 도 1에 도시된 금속-공기 전지를 제작하는 과정을 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 9a 내지 도 9c는 도 7에 도시된 금속-공기 전지를 제작하는 과정을 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 10은 비교예에 따른 2차원 평면셀 형태의 금속-공기 전지의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 11 및 도 12는 도 1에 도시된 금속-공기 전지의 에너지 밀도를 보이는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 접이식 구조를 갖는 금속-공기 전지 및 그 제조 방법에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 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 따른 접이식 구조를 갖는 금속-공기 전지(10)의 구조를 개략적으로 보이는 사시도이다. 도 1을 참조하면, 금속-공기 전지(10)는 음극 금속층(11), 음극 전해질막(12), 양극층(13) 및 적어도 하나의 기체확산층(14a, 14b)을 포함할 수 있다. 여기서, 음극 금속층(11), 음극 전해질막(12) 및 양극층(13)은 기체확산층(14a, 14b)의 3면을 둘러싸도록 절곡되어 있다. 예를 들어, 양극층(13) 위에 제 1 기체확산층(14a)을 부분적으로 배치한 다음, 양극층(13)이 제 1 기체확산층(14a)의 상부 표면과 접촉하도록 제 1 기체확산층(14a) 위로 음극 금속층(11), 음극 전해질막(12) 및 양극층(13)을 절곡시킬 수 있다.
또한 그런 후에는, 양극층(13)이 상부로 향하도록 음극 금속층(11), 음극 전해질막(12) 및 양극층(13)을 다시 180도 방향으로 반대로 접은 다음, 양극층(13) 위에 추가적인 제 2 기체확산층(14b)을 더 배치하고, 양극층(13)이 제 2 기체확산층(14b)의 상부 표면과 접촉하도록 제 2 기체확산층(14b) 위로 음극 금속층(11), 음극 전해질막(12) 및 양극층(13)을 절곡시킬 수 있다. 이러한 금속-공기 전지(10)의 구조에서, 도 1에 도시된 바와 같이, 금속-공기 전지(10)의 우측에서는 음극 금속층(11)만이 보이게 되며, 금속-공기 전지(10)의 좌측에서는 음극 전해질막(12), 양극층(13) 및 기체확산층(14a, 14b)이 노출될 수 있다. 따라서, 양극층(13)에서의 산화/환원 반응에 필요한 산소는 기체확산층(14a, 14b)의 좌측으로부터 흡수되어 양극층(13)의 전체 영역으로 공급될 수 있다.
도 1에는 본 실시예에 따른 금속-공기 전지(10)의 접이식 구조를 이해하기 쉽게 설명하기 위하여 2개의 기체확산층(14a, 14b)이 도시되어 있다. 그러나, 본 실시예에 따른 금속-공기 전지(10)의 기본적인 하나의 셀은, 도 2에 도시된 바와 같이, 하나의 기체확산층(14a)의 3개면을 음극 금속층(11), 음극 전해질막(12) 및 양극층(13)이 둘러싸는 구조를 가질 수 있다. 따라서, 도 1에 도시된 금속-공기 전지(10)는 2개의 셀들을 접이식으로 포함하고 있는 것으로 볼 수 있다.
상술한 방식으로, 양극층(13) 위에 기체확산층(14a, 14b)을 배치하고 음극 금속층(11), 음극 전해질막(12) 및 양극층(13)을 절곡시키는 과정을 반복함으로써, 금속-공기 전지(10)의 셀의 개수를 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 도 3은 도 1에 도시된 금속-공기 전지(10)를 이용하여 셀의 개수를 증가시킨 구조를 개략적으로 보이는 사시도이다. 본 실시예에 따르면, 양극층(13) 위에 기체확산층(14a, 14b)을 배치하고 음극 금속층(11), 음극 전해질막(12) 및 양극층(13)을 절곡시키는 과정을 반복하여 셀의 개수를 증가시키더라도, 도 3에 도시된 것처럼, 기체 확산층(14a, 14b)의 일부는 항상 외부에 개방될 수 있다. 예를 들어, 도 3에서 정면으로 보이는 기체 확산층(14a, 14b)의 일부면은 금속-공기 전지(10)를 외장재(16, 도 5 참조)로 포장할 때 외장재(16)에 의해 가리게 되지만, 도 3에서 기체 확산층(14a, 14b)의 좌측에 보이지 않는 면은 금속-공기 전지(10)를 외장재(16)로 포장하더라도 항상 외부에 노출될 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따르면, 금속-공기 전지(10)에서 셀의 개수의 증가와 관계 없이 양극층(13)으로의 산소 공급이 용이할 수 있다.
도 3에서는 음극 금속층(11), 음극 전해질막(12) 및 양극층(13)들을 사행(蛇行)으로 절곡시키는 과정을 다수회 반복하여 셀의 개수를 증가시키는 예를 보이고 있다. 그러나, 다른 방식으로 셀의 개수를 증가시키는 것도 가능하다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 도 1에 도시된 2개 셀을 갖는 금속-공기 전지(10)를 다수회 적층함으로써 금속-공기 전지(10)의 셀의 개수를 증가시킬 수도 있다. 또한, 도 2에 도시된 1개 셀을 갖는 금속-공기 전지(10)를 다수회 적층함으로써 셀의 개수를 증가시키는 것도 가능하다.
도 5는 도 1에 도시된 금속-공기 전지(10)에 음극 집전체(15)와 외장재(16)를 더 장착한 상태를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 5를 참조하면, 음극 금속층(11)이 절곡되어 있는 금속-공기 전지(10)의 우측 영역에 음극 금속층(11)의 절곡부와 접촉하도록 음극 집전체(15)가 배치되어 있다. 음극 집전체(15)는 예를 들어 구리(Cu)와 같은 전도성 금속의 박막으로 형성될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 이러한 음극 집전체(15)는 음극 금속층(11), 음극 전해질막(12), 양극층(13) 및 기체확산층(14a, 14b)의 층 방향에 수직한 방향으로 연장될 수 있다. 음극 집전체(15)가 셀의 개수와 관계 없이 절곡되지 않고 수직 방향을 따라 평탄하게 연장되기 때문에, 음극 집전체(15)의 재료가 절감되고 금속-공기 전지(10)에서 음극 집전체(15)가 차지하는 비중이 작아질 수 있다. 예를 들어, 외장재(16)를 제외한 금속-공기 전지(10)의 전체 무게 중에서 음극 집전체(15)의 무게 비중은 10% 이하, 또는 5% 이하일 수 있다.
그리고, 금속-공기 전지(10)의 하부면, 우측면 및 상부면을 파우치 필름과 같은 외장재(16)로 둘러쌀 수 있다. 도 5의 단면도에는 도시되지 않았지만, 상기 외장재(16)는 금속-공기 전지(10)의 정면과 배면도 역시 둘러쌀 수 있다. 즉, 좌측면을 제외한 금속-공기 전지(10)의 5면이 외장재(16)에 의해 둘러싸이게 된다. 즉, 외장재(16)는 기체확산층(14a, 14b)의 노출된 측면을 제외하고, 음극 금속층(11), 음극 전해질막(12), 양극층(13) 및 기체확산층(14a, 14b)의 나머지 외부 표면들을 둘러쌀 수 있다. 외장재(16)로 금속-공기 전지(10)를 둘러싸면, 음극 집전체(15)는 외장재(16)의 내부에서 음극 금속층(11)과 외장재(16) 사이에 위치하게 된다. 외장재(15)가 금속-공기 전지(10)의 좌측면을 둘러싸고 있지 않기 때문에, 금속-공기 전지(10)의 좌측으로 기체확산층(14a, 14b)이 외부에 노출될 수 있다.
도 6은 다른 실시예에 따른 금속-공기 전지(10)의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 앞서 설명한 실시예에서 기체확산층(14a, 14b)의 노출된 좌측 단부는 음극 금속층(11), 음극 전해질막(12) 및 양극층(13)의 좌측 표면과 일치하도록 형성되어 있다. 그러나 도 6에 도시된 바와 같이, 기체확산층(14a, 14b)은 그의 노출된 좌측 단부가 음극 금속층(11), 음극 전해질막(12) 및 양극층(13)의 좌측 표면으로부터 돌출되도록 형성될 수도 있다. 따라서 기체확산층(14a, 14b)의 더욱 넓은 면적이 외부의 공기와 접촉함으로써 양극층(13)으로의 산소의 공급을 더욱 원활하게 할 수 있다. 또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 기체확산층(14a, 14b)의 돌출된 단부에 양극 집전체(17)를 연결함으로써 양극층(13)으로부터 용이하게 전류를 인출할 수 있다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 금속-공기 전지(20)의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 앞서 설명한 실시예에서는 기체확산층(14a, 14b)이 양극층(13)과 별도로 형성되어 있어서, 음극 금속층(11), 음극 전해질막(12) 및 양극층(13)이 기체확산층(14a, 14b)의 3면을 둘러싸도록 절곡되었다. 그러나, 도 7에 도시된 실시예에서는 기체확산층(14a, 14b)과 양극층(13a, 13b)이 일체로 형성될 수도 있다. 예를 들어, 기체확산층(14a, 14b)의 하부 표면에 제 1 양극층(13a)이 코팅되고 상부 표면에 제 2 양극층(13b)이 각각 코팅될 수 있다. 이 경우, 도 7에 도시된 바와 같이, 음극 금속층(11)과 음극 전해질막(12)은 제 1 양극층(13a)의 하부면과 제 2 양극층(13b)의 상부면을 둘러싸도록 절곡되어 있다. 예를 들어, 제 1 양극층(13a)과 제 2 양극층(13b)이 코팅된 제 1 기체확산층(14a)을 음극 전해질막(12) 위에 부분적으로 배치한 다음, 음극 전해질막(12)이 제 2 양극층(13b)의 상부 표면과 접촉하도록 제 2 양극층(13b) 위로 음극 금속층(11)과 음극 전해질막(12)을 절곡시킬 수 있다.
또한 그런 후에는, 음극 전해질막(12)이 상부로 향하도록 음극 금속층(11)과 음극 전해질막(12)을 다시 180도 방향으로 반대로 접은 다음, 음극 전해질막(12) 위에 추가적인 제 2 기체확산층(14b)을 더 배치할 수 있다. 제 2 기체확산층(14b)의 하부 표면과 상부 표면에도 제 1 양극층(13a)과 제 2 양극층(13b)이 각각 코팅되어 있어서, 제 1 양극층(13a)이 음극 전해질막(12)과 접촉하게 된다. 그리고, 음극 전해질막(12)이 제 2 기체확산층(14b)의 상부 표면에 있는 제 2 양극층(13b)과 접촉하도록 제 2 양극층(13b) 위로 음극 금속층(11)과 음극 전해질막(12)을 다시 절곡시킬 수 있다.
도 8a 내지 도 8e는 도 1에 도시된 금속-공기 전지(10)를 제작하는 과정을 개략적으로 나타내는 단면도이고, 도 9a 내지 도 9c는 도 7에 도시된 금속-공기 전지(20)를 제작하는 과정을 개략적으로 나타내는 단면도이다. 이하, 도 8a 내지 도 9c를 참조하여 상술한 금속-공기 전지(10, 20)를 제작하기 위한 방법에 대해 상세하게 설명한다.
먼저 도 8a를 참조하면, 음극 금속층(11) 위에 음극 전해질막(12)을 부착한다. 음극 금속층(11)과 음극 전해질막(12)을 각각 별도로 형성한 후 서로 부착하는 것도 가능하며, 또는 음극 금속층(11) 위에 음극 전해질막(12)을 직접 형성하는 것도 가능하다.
음극 금속층(11)은 금속 이온을 흡장/방출하는 역할을 하는 것으로, 예를 들어 리튬(Li), 나트륨(Na), 아연(Zn), 칼륨(K), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 철(Fe), 알루미늄(Al) 또는 이들의 합금을 사용할 수 있다.
음극 전해질막(12)은 금속 이온을 양극층(13)으로 전달하는 역할을 한다. 이를 위해, 음극 전해질막(12)은 금속염을 용매에 용해하여 형성된 전해질을 포함할 수 있다. 전해질은 통상적으로 고분자계 전해질, 무기계 전해질 또는 이들을 혼합한 복합 전해질을 포함하는 고체상일 수 있으며, 후술하는 공정을 위해 휘어질 수 있도록 제조된다. 예를 들어, 금속염으로는 LiN(SO2CF2CF3)2, LiN(SO2C2F5)2, LiClO4, LiBF4, LiPF6, LiSbF6, LiAsF6, LiCF3SO3, LiN(SO2CF3)2, LiC(SO2CF3)3, LiN(SO3CF3)2, LiC4F9SO3, LiAlCl4 또는 LiTFSI(Lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide) 등과 같은 리튬염을 사용할 수 있으며, 상술한 리튬염에 AlCl3, MgCl2, NaCl, KCl, NaBr, KBr, CaCl2 등과 같은 다른 금속염을 더 추가할 수도 있다. 용매는 이러한 리튬염 및 금속염을 용해시킬 수 있는 어떠한 재료라도 사용될 수 있다.
또한, 음극 전해질막(12)은 산소의 투과를 방지하면서 금속 이온에 대해 전도성을 갖는 분리막을 더 포함할 수 있다. 분리막은 휘어질 수 있는 고분자계 분리막을 사용할 수 있다. 예를 들어, 분리막으로는 폴리프로필렌 소재의 부직포나 폴리페닐렌 설파이드 소재의 부직포 등의 고분자 부직포, 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌 등의 올레핀계 수지의 다공성 필름 등을 사용할 수 있다. 이러한 분리막과 전해질이 각각 별개의 층으로 형성될 수도 있지만, 음극 전해질막(12)은 다공성 분리막의 기공들 내에 전해질을 함침시켜 하나의 층으로 형성될 수도 있다. 예를 들어, 폴리에틸렌옥사이드(Polyethylene oxide; PEO)와 LiTFSI을 혼합하여 형성된 전해질을 다공성 분리막의 기공들 내에 함침시켜 음극 전해질막(12)을 형성할 수 있다.
다음으로, 도 8b에 도시된 바와 같이, 음극 전해질막(12) 위에 양극층(13)을 도포한다. 양극층(13)은 금속 이온의 전도를 위한 전해질, 산소의 산화/환원을 위한 촉매, 도전성 재료 및 바인더를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상술한 전해질, 촉매, 도전성 재료 및 바인더를 혼합한 후 용매를 첨가하여 양극 슬러리를 제조하고, 음극 전해질막(12) 위에 도포하여 건조함으로써 양극층(13)을 형성할 수 있다.
여기서, 전해질은 앞서 설명한 리튬염 또는 금속염을 포함할 수 있다. 도선성 재료로는 예를 들어 다공성을 갖는 탄소계 재료, 도전성 금속 재료, 또는 도전성 유기 재료 등을 사용하거나 이들을 혼합하여 사용할 수 있다. 예컨대, 탄소계 재료로서는 카본 블랙, 그래파이트, 그래핀, 활성탄, 탄소섬유, 탄소나노튜브 등을 사용할 수 있다. 도전성 금속 재료는 예를 들어 금속 분말의 형태로 사용할 수 있다. 촉매로는, 예를 들어, 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag) 등을 사용할 수 있으며, 또는 망간(Mn), 니켈(Ni), 코발트(Co) 등의 산화물을 사용할 수도 있다. 또한, 바인더로는, 예를 들어, 폴리테트라플루오로 에틸렌(PTFE), 폴리프로필렌, 폴리불화비닐리덴(PVDF), 폴리에틸렌, 스티렌-부타디엔 고무 등을 사용할 수 있다.
이어서, 도 8c에 도시된 바와 같이, 양극층(13) 위에 부분적으로 제 1 기체확산층(14a)을 배치한다. 여기서, 제 1 기체확산층(14a)은 대기 중의 산소를 흡수하여 양극층(13)에 제공하는 역할을 한다. 이를 위해 제 1 기체확산층(14a)은 외부의 산소를 원활하게 확산시킬 수 있도록 다공성 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 탄소 섬유를 사용한 카본 페이퍼(carbon paper), 카본 직물(carbon cloth), 카본 펠트(carbon felt), 또는 스펀지상의 발포 금속이나 금속 섬유 매트를 사용하여 제 1 기체확산층(14a)을 형성할 수 있다.
제 1 기체확산층(14a)을 양극층(13) 위에 배치한 후, 제 1 기체확산층(14a)의 한 측면에 양극층(13)이 간극 없이 접촉할 수 있도록 음극 금속층(11), 음극 전해질막(12) 및 양극층(13)을 수직으로 절곡한다. 예를 들어, 제 1 기체확산층(14a)에 의해 덮이지 않은 음극 금속층(11), 음극 전해질막(12) 및 양극층(13)의 나머지 부분을 절곡하여 수직으로 세울 수 있다.
그런 후, 도 8d에 도시된 바와 같이, 수직으로 세워진 음극 금속층(11), 음극 전해질막(12) 및 양극층(13)을 제 1 기체확산층(14a)의 상부 표면 위로 절곡하여, 양극층(13)이 제 1 기체확산층(14a)의 상부 표면과 간극 없이 접촉하도록 할 수 있다. 그리고, 제 1 기체확산층(14a)의 아래 쪽에 있는 음극 금속층(11), 음극 전해질막(12) 및 양극층(13)의 끝단과 일치하는 위치에서, 제 1 기체확산층(14a) 위의 음극 금속층(11), 음극 전해질막(12) 및 양극층(13)을 다시 수직으로 세울 수 있다.
마지막으로, 도 8e를 참조하면, 수직으로 세워진 음극 금속층(11), 음극 전해질막(12) 및 양극층(13)을 다시 180도 방향으로 반대로 접는다. 그러면 음극 금속층(11)이 접혀서 아래 위로 포개지게 되며, 양극층(13)이 상부로 노출된다. 그런 다음, 노출된 양극층(13) 위에 추가적인 제 2 기체확산층(14b)을 더 배치할 수 있다. 그리고, 도 8c 및 도 8d에서 설명한 것과 마찬가지로, 제 2 기체확산층(14b) 위로 음극 금속층(11), 음극 전해질막(12) 및 양극층(13)을 절곡시킬 수 있다.
도 8a 내지 도 8e에는 금속-공기 전지(10)가 예시적으로 2개의 기체확산층(14a, 14b)을 포함하는 것으로 도시되어 있지만, 본 실시예는 이에 한정되는 것이 아니다. 금속-공기 전지(10)는 필요에 따라 단지 하나의 기체확산층(14a, 14b)만을 사용할 수도 있으며, 또는 3개의 이상의 기체확산층(14a, 14b)을 사용하는 것도 가능하다. 필요한 기체확산층(14a, 14b)의 개수에 따라 도 8a 내지 도 8e에 도시된 과정을 반복한 후에, 가장 위에 배치된 기체확산층의 상부 표면을 덮고 남은 음극 금속층(11), 음극 전해질막(12) 및 양극층(13)을 절단함으로써 금속-공기 전지(10)를 완성할 수 있다. 예를 들어, 다수의 기체확산층(14a, 14b)의 하부 표면과 상부 표면에 양극층(13)이 각각 접촉하도록 음극 금속층(11), 음극 전해질막(12) 및 양극층(13)이 반복적으로 절곡될 수 있다. 여기서, 인접한 두 기체확산층(14a, 14b) 사이에서는, 음극 금속층(11)이 아래 위로 포개지고 양극층(13)이 두 기체확산층(14a, 14b)과 접촉하도록 음극 금속층(11), 음극 전해질막(12) 및 양극층(13)이 180도 절곡되어 있다. 그러면, 다수의 기체확산층(14a, 14b)들의 동일한 측면이 외부로 개방될 수 있다.
한편, 도 7에 도시된 금속-공기 전지(20)를 제작하기 위하여, 먼저 도 8a에서 설명한 바와 같이, 음극 금속층(11) 위에 음극 전해질막(12)을 부착한다. 그리고, 도 9a에 도시된 바와 같이, 양극층(13a, 13b)이 코팅된 제 1 기체확산층(14a)을 마련한다. 예를 들어, 상술한 전해질, 촉매, 도전성 재료 및 바인더를 혼합한 후 용매를 첨가하여 제조한 양극 슬러리를 제 1 기체확산층(14a)의 하부 표면과 상부 표면에 도포하여 건조함으로써 양극층(13a, 13b)을 형성할 수 있다. 음극 전해질막(12)이 부착된 음극 금속층(11)을 마련하는 단계와 양극층(13a, 13b)이 코팅된 제 1 기체확산층(14a)을 마련하는 단계는 순차적일 필요는 없다.
그리고, 도 9b에 도시된 바와 같이, 음극 전해질막(12) 위에 부분적으로 제 1 기체확산층(14a)을 배치한다. 그러면 제 1 기체확산층(14a)의 하부 표면에 있는 제 1 양극층(13a)이 음극 전해질막(12)과 접촉하게 된다. 그런 다음, 제 1 기체확산층(14a)의 한 측면에 음극 전해질막(12)이 간극 없이 접촉할 수 있도록 음극 금속층(11)과 음극 전해질막(12)을 수직으로 절곡한다. 즉, 제 1 기체확산층(14a)에 의해 덮이지 않은 음극 금속층(11)과 음극 전해질막(12)의 나머지 부분을 절곡하여 수직으로 세울 수 있다.
이어서, 도 9c를 참조하면, 수직으로 세워진 음극 금속층(11)과 음극 전해질막(12)을 제 1 기체확산층(14a)의 상부 표면 위로 절곡하여, 음극 전해질막(12)이 제 1 기체확산층(14a)의 상부 표면에 있는 제 2 양극층(13b)과 간극 없이 접촉하도록 할 수 있다. 그리고, 제 1 기체확산층(14a)의 아래 쪽에 있는 음극 금속층(11)과 음극 전해질막(12)의 끝단과 일치하는 위치에서, 제 1 기체확산층(14a) 위의 음극 금속층(11)과 음극 전해질막(12)을 다시 수직으로 세운 후, 수직으로 세워진 음극 금속층(11)과 음극 전해질막(12)을 다시 180도 방향으로 반대로 접는다. 그러면 음극 금속층(11)이 접혀서 아래 위로 포개지게 되며, 음극 전해질막(12)이 상부로 노출된다.
그런 다음, 노출된 음극 전해질막(12) 위에 추가적인 제 2 기체확산층(14b)을 더 배치할 수 있다. 제 2 기체확산층(14b)의 하부 표면과 상부 표면에도 제 1 및 제 2 양극층(13a, 13b)이 각각 코팅되어 있다. 그리고, 앞서 설명한 것과 마찬가지로, 제 2 기체확산층(14b) 위로 음극 금속층(11)과 음극 전해질막(12)을 절곡시킬 수 있다. 이러한 방식으로, 필요한 기체확산층(14a, 14b)의 개수에 따라 도 9b 및 도 9c에 도시된 과정을 반복한 후에, 가장 위에 배치된 기체확산층의 상부 표면을 덮고 남은 음극 금속층(11)과 음극 전해질막(12)을 절단함으로써 금속-공기 전지(20)를 완성할 수 있다. 예를 들어, 다수의 기체확산층(14a, 14b)의 하부 표면과 상부 표면에 각각 배치된 제 1 및 제 2 양극층(13a, 13b)에 음극 전해질막(12)이 각각 접촉하도록 음극 금속층(11)과 음극 전해질막(12)이 반복적으로 절곡될 수 있다. 여기서, 인접한 두 기체확산층(14a, 14b) 사이에서는, 음극 금속층(11)이 아래 위로 포개지고 음극 전해질막(12)이 제 1 및 제 2 양극층(13a, 13b)과 접촉하도록 음극 금속층(11)과 음극 전해질막(12)이 180도 절곡되어 있다. 그러면, 다수의 기체확산층(14a, 14b)들의 동일한 측면이 외부로 개방될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 실시예에 따른 금속-공기 전지(10, 20)의 경우, 외장재(16)를 제외한 금속-공기 전지(10, 20)의 전체 무게 중에서 음극 집전체(15)의 무게 비중이 작다. 따라서, 본 실시예에 따른 금속-공기 전지(10, 20)의 에너지 밀도(Wh/kg)가 크게 향상될 수 있다. 예를 들어, 도 11 및 도 12는 도 1에 도시된 금속-공기 전지(10)의 에너지 밀도를 비교예와 비교하여 보이는 그래프이며, 도 10은 도 11 및 도 12의 그래프에서 사용된 비교예에 따른 2차원 평면셀 형태의 금속-공기 전지(30)의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다. 도 11 및 도 12의 그래프에서 본 실시예에 따른 금속-공기 전지(10)의 반응 면적과 비교예에 따른 금속-공기 전지(30)의 반응 면적은 모두 4㎠로 동일하다.
도 10을 참조하면, 비교예에 따른 2차원 평면셀 형태의 금속-공기 전지(30)는 예를 들어, 음극 금속층(31), 음극 전해질막(32), 산소를 차단하면서 금속 이온에 대해 전도성을 갖는 분리막(33), 양극층(34), 기체확산층(35) 및 기체확산층(35)의 상부 표면만을 제외하고 금속-공기 전지(30)의 나머지 부분을 둘러싸는 외장재(36)를 포함할 수 있다. 이러한 2차원 평면셀 형태의 금속-공기 전지(30)의 경우, 다수의 셀들을 수직으로 적층하면 아래 쪽에 있는 셀들로의 산소 공급이 원활하지 않을 수 있다. 또한, 금속-공기 전지(30)의 전체 무게 중에서 전류를 인출하기 위한 집전체(도시되지 않음)의 무게 비중이 거의 50%에 가깝기 때문에, 에너지 밀도에 기여하는 음극 금속층(11), 음극 전해질막(12) 및 양극층(13)을 합한 무게의 비중이 작다. 예컨대, 비교예에 따른 금속-공기 전지(30)에서 음극 금속층(11), 음극 전해질막(12) 및 양극층(13)을 합한 무게의 비중은 약 35% 미만일 수 있다. 반면, 본 실시예에 따른 금속-공기 전지(10, 20)의 경우에는 음극 금속층(11), 음극 전해질막(12) 및 양극층(13)을 합한 무게의 비중이 약 80%에 가깝기 때문에 에너지 밀도가 향상될 수 있다.
예를 들어, 도 11의 그래프를 참조하면, 외장재를 포함한 에너지 밀도와 외장재를 제외한 에너지 밀도에서 모두, 본 실시예에 따른 금속-공기 전지(10)의 에너지 밀도가 비교예에 따른 금속-공기 전지(30)의 에너지 밀도에 비해 약 2배 정도 향상된 것을 알 수 있다. 또한, 도 12의 그래프를 참조하면, 비교예에 따른 금속-공기 전지(30)의 경우에는 셀의 개수를 증가시키더라도 에너지 밀도에는 거의 변화가 없는 반면에, 본 실시예에 따른 금속-공기 전지(10)의 경우에는 셀의 개수가 증가함에 따라 에너지 밀도도 증가한다는 것을 알 수 있다. 예를 들어, 셀의 개수가 1개인 경우에는, 본 실시예에 따른 금속-공기 전지(10)의 에너지 밀도가 비교예에 따른 금속-공기 전지(30)의 에너지 밀도보다 약 2배 정도 높다. 그러나, 셀의 개수가 20개인 경우에는, 본 실시예에 따른 금속-공기 전지(10)의 에너지 밀도가 비교예에 따른 금속-공기 전지(30)의 에너지 밀도보다 약 3배 이상 높아진다는 것을 알 수 있다.
지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 접이식 구조를 갖는 금속-공기 전지 및 그 제조 방법에 대한 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.
10, 20.....금속-공기 전지 11.....음극 금속층
12.....음극 전해질막 13, 13a, 13b.....양극층
14a, 14b.....기체확산층 15.....음극 집전체
16.....외장재 17.....양극 집전체

Claims (25)

  1. 음극 금속층;
    상기 음극 금속층 위에 배치된 음극 전해질막;
    산소를 활물질로 사용하는 것으로, 상기 음극 전해질막 위에 배치된 양극층;
    상기 양극층 위에 부분적으로 배치된 기체확산층; 및
    상기 음극 금속층에 접촉하는 음극 집전체;를 포함하며,
    상기 음극 금속층, 음극 전해질막 및 양극층은 상기 양극층이 상기 기체확산층의 상부 표면과 접촉하도록 상기 기체확산층 위로 절곡되어 있고,
    상기 기체확산층의 일 측면이 외부로 노출되어 있으며,
    상기 음극 집전체는 상기 음극 금속층의 절곡되어 있는 일부 표면과 접촉하도록 배치되며 상기 기체확산층의 상부 표면에 수직한 방향을 따라 연장되는 금속-공기 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    다수의 기체확산층들을 포함하며,
    상기 음극 금속층, 음극 전해질막 및 양극층은 상기 양극층이 상기 다수의 기체확산층들의 하부 및 상부 표면과 각각 접촉하도록 반복적으로 절곡되어 있는 금속-공기 전지.
  3. 제 2 항에 있어서,
    인접한 2개의 기체확산층 사이에서, 상기 음극 금속층이 아래 위로 포개지고 상기 양극층이 인접한 2개의 기체확산층과 각각 접촉하도록 상기 음극 금속층, 음극 전해질막 및 양극층이 180도 절곡되어 있는 금속-공기 전지.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 다수의 기체확산층들의 동일한 측면이 항상 외부로 개방되어 있는 금속-공기 전지.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 음극 집전체는 상기 음극 금속층, 음극 전해질막, 양극층 및 기체확산층의 층 방향에 수직한 방향으로 연장되어 있는 금속-공기 전지.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속-공기 전지의 전체 무게 중에서 상기 음극 집전체의 무게 비중은 10%보다 작은 금속-공기 전지.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 기체확산층의 노출된 측면을 제외하고, 상기 음극 금속층, 음극 전해질막, 양극층 및 기체확산층의 나머지 외부 표면들을 둘러싸는 외장재를 더 포함하는 금속-공기 전지.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 음극 집전체는 상기 외장재의 내부에서 상기 음극 금속층과 외장재 사이에 위치하는 금속-공기 전지.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 기체확산층의 노출된 측면의 단부가 상기 음극 금속층, 음극 전해질막 및 양극층보다 돌출되어 있는 금속-공기 전지.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 기체확산층의 돌출된 단부에 연결되어 있는 양극 집전체를 더 포함하는 금속-공기 전지.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 음극 전해질막은 산소를 차단하면서 금속 이온에 대해 전도성을 갖는 분리막 및 금속 이온을 전달하기 위한 전해질을 포함하는 금속-공기 전지.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 분리막은 다공성 필름을 포함하며, 상기 전해질은 상기 다공성 필름의 기공들 내에 함침되어 있는 금속-공기 전지.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
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  20. 삭제
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  22. 음극 금속층 위에 음극 전해질막을 배치하는 단계;
    상기 음극 전해질막 위에 산소를 활물질로 사용하는 양극층을 배치하는 단계;
    상기 양극층 위에 부분적으로 기체확산층을 배치하는 단계;
    상기 양극층이 상기 기체확산층의 상부 표면과 접촉하도록 상기 음극 금속층, 음극 전해질막 및 양극층을 상기 기체확산층 위로 절곡하는 단계; 및
    상기 음극 금속층의 절곡되어 있는 일부 표면과 접촉하며 상기 기체확산층의 상부 표면에 수직한 방향을 따라 연장되는 음극 집전체를 배치하는 단계;를 포함하며,
    상기 기체확산층의 일 측면이 외부로 노출되어 있는 금속-공기 전지의 제조 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 음극 금속층이 아래 위로 포개지고 상기 양극층이 상부로 노출되도록 상기 음극 금속층, 음극 전해질막 및 양극층을 180도 절곡하는 단계;
    상기 양극층 위에 부분적으로 추가적인 기체확산층을 배치하는 단계; 및
    상기 양극층이 상기 추가적인 기체확산층의 상부 표면과 접촉하도록 상기 음극 금속층, 음극 전해질막 및 양극층을 상기 추가적인 기체확산층 위로 절곡하는 단계;를 더 포함하는 금속-공기 전지의 제조 방법.
  24. 삭제
  25. 삭제
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