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KR20150135918A - 금속-공기 전지 셀, 금속-공기 전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

금속-공기 전지 셀, 금속-공기 전지 및 그 제조 방법 Download PDF

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KR20150135918A
KR20150135918A KR1020140063110A KR20140063110A KR20150135918A KR 20150135918 A KR20150135918 A KR 20150135918A KR 1020140063110 A KR1020140063110 A KR 1020140063110A KR 20140063110 A KR20140063110 A KR 20140063110A KR 20150135918 A KR20150135918 A KR 20150135918A
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KR
South Korea
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layer
metal
negative electrode
channel
air battery
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Application number
KR1020140063110A
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권혁재
고정식
마상복
이현철
김태영
이동준
임동민
Original Assignee
삼성전자주식회사
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Publication date
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Priority to US14/721,067 priority patent/US20150340747A1/en
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Abstract

공기의 공급이 용이하고 에너지 밀도가 향상된 금속-공기 전지 셀을 개시한다. 개시된 금속-공기 전지 셀에 따르면, 음극 금속층; 상기 음극 금속층 위에 배치된 음극 전해질막; 산소를 활 물질(active material)로 사용하는 것으로, 상기 음극 전해질막 위에 배치된 양극층; 및 상기 양극층 위에 배치되는 것으로, 상기 양극층의 적층 방향과 교차하는 방향으로 연장된 복수의 채널 구조물들을 가지는 채널층;을 포함할 수 있다.

Description

금속-공기 전지 셀, 금속-공기 전지 및 그 제조 방법{Metal-air battery cell, metal-air battery and method of fabricating the same}
개시된 실시예들은 금속-공기 전지 셀, 금속-공기 전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 양극에 공기의 공급이 용이하고 에너지 밀도가 향상된 금속-공기 전지 셀, 금속-공기 전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
금속-공기 전지는 복수의 금속-공기 전지 셀을 포함하며, 각각의 금속-공기전지 셀은 이온의 흡장/방출이 가능한 음극과 공기 중의 산소를 활물질로서 사용하는 양극을 포함한다. 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 공기 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.
양극에 공기의 공급이 용이하고 에너지 밀도가 향상된 금속-공기 전지 셀, 금속-공기 전지 및 그 제조 방법을 제공한다.
일 유형에 따른 금속-공기 전지 셀은,
음극 금속층;
상기 음극 금속층 위에 배치된 음극 전해질막;
산소를 활 물질(active material)로 사용하는 것으로, 상기 음극 전해질막 위에 배치된 양극층; 및
상기 양극층 위에 배치되는 것으로, 상기 양극층의 적층 방향과 교차하는 방향으로 연장된 복수의 채널 구조물들을 가지는 채널층;을 포함할 수 있다.
상기 복수의 채널 구조물들 각각은, 상기 양극층의 상부 표면으로부터 멀어지는 방향으로 볼록할 수 있다.
상기 양극층의 상부 표면과 상기 채널 구조물의 내면에 의해 캐비티가 정의될 수 있다.
상기 캐비티의 단면 형상은, 다각 형상, 반원 형상, 파형 중 어느 하나일 수 있다.
상기 금속-공기 전지 셀은, 상기 음극 금속층 아래에 배치된 제2 음극 금속층; 상기 제2 음극 금속층 아래에 배치된 제2 음극 전해질막; 및 산소를 활 물질로 사용하는 것으로, 상기 제2 음극 전해질막 아래에 배치된 제2 양극층;을 더 포함할 수 있다.
상기 음극 금속층, 음극 전해질막, 양극층 및 채널층은, 상기 채널층 위에 상기 음극 금속층이 배치되도록, 구부러질 수 있다.
상기 음극 금속층, 음극 전해질막, 양극층 및 채널층은, 롤 형상을 가지도록감겨질 수 있다.
상기 음극 금속층, 음극 전해질막 및 양극층은, 상기 양극층이 상기 채널층의 상부와 접촉되도록 상기 채널층 위로 구부러질 수 있다.
상기 채널층은, 상기 채널 구조물의 연장 방향으로의 양 단부 중 적어도 하나의 단부가 외부로 노출될 수 있다.
상기 채널층의 표면에는, 산소를 활 물질로 사용하는 서브 양극층이 형성될 수 있다.
상기 음극 전해질막은, 산소를 차단하면서 금속 이온에 대해 전도성을 가지는 분리막과, 금속 이온을 전달하기 위한 전해질을 더 포함할 수 있다.
상기 채널층은 다공성 구조를 가질 수 있다.
다른 유형에 따른 금속-공기 전지는, 적어도 제1, 제2 금속-공기 전지 셀을 포함하는 금속-공기 전지로서, 상기 제1, 제2 금속-공기 전지 셀 각각은,
음극 금속층과,
상기 음극 금속층 위에 배치된 음극 전해질막과,
산소를 활 물질(active material)로 사용하는 것으로, 상기 음극 전해질막 위에 배치된 양극층과,
상기 양극층 위에 배치되는 것으로, 상기 양극층의 적층 방향과 교차하는 방향으로 연장된 복수의 채널 구조물들을 가지는 채널층을 포함할 수 있다.
상기 제1 금속-공기 전지 셀의 채널층 위에, 상기 제2 금속-공기 전지 셀의 음극 금속층이 배치될 수 있다.
상기 제1 금속-공기 전지 셀의 채널층과 상기 제2 금속-공기 전지 셀의 음극 금속층 사이에 배치된 산소 차단층을 더 포함할 수 있다.
상기 제1, 제2 금속-공기 전지 셀 각각은, 상기 음극 금속층 아래에 배치된 제2 음극 금속층; 상기 제2 음극 금속층 아래에 배치된 제2 음극 전해질막; 및 산소를 활 물질로 사용하는 것으로, 상기 제2 음극 전해질막 아래에 배치된 제2 양극층;을 더 포함할 수 있다.
상기 제1, 제2 금속-공기 전지 셀 각각은, 상기 채널층 위에 상기 음극 금속층이 배치되도록, 상기 음극 금속층, 음극 전해질막, 양극층 및 채널층이 감겨질 수 있다.
또 다른 유형에 따른 금속-공기 전지 셀의 제조 방법은,
음극 금속층 위에 음극 전해질막을 배치하는 단계;
상기 음극 전해질막 위에 산소를 활 물질(active material)로 사용하는 양극층을 배치하는 단계; 및
상기 양극층의 적층 방향과 교차하는 방향으로 연장된 복수의 채널 구조물들을 가지는 채널층을 상기 양극층 위에 배치하는 단계;를 포함할 수 있다.
금속-공기 전지 셀의 제조방법은, 산소를 활 물질로 사용하는 제2 양극층 위에 제2 음극 전해질막을 배치하는 단계; 및 상기 제2 음극 전해질막 위에 제2 음극 금속층 및 상기 음극 금속층을 배치하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 채널층 위에 상기 음극 금속층이 배치되도록, 상기 음극 금속층, 음극 전해질막, 양극층 및 채널층을 구부리는 단계;를 더 포함할 수 있다.
개시된 실시예에 따른 금속-공기 전지 셀은 양극층의 적층 방향과 교차하는 방향으로 연장된 복수의 채널 구조물을 가지는 채널층을 양극층 상에 배치함으로써, 양극층이 산소와의 접촉을 원활히 유지하면서도 두께 증가를 최소화할 수 있다. 그에 따라, 소정의 면적 내에 배치될 수 있는 금속-공기 전지 셀의 개수를 증가시킬 수 있으며, 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 금속-공기 전지 셀의 구조를 개략적으로 보이는 사시도이며,
도 2는 도 1의 일부를 확대 도시한 도면이다.
도 3은 도 2의 캐비티의 변형 실시예들을 나타낸 도면이다.
도 4는 채널층에 서브 양극층이 배치된 금속-공기 전지 셀의 일 실시예를 나타낸 것이다.
도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속-공기 전지 셀의 다른 실시예를 나타낸 단면도이다.
도 6은 음극 금속층의 하부에 산소가 접촉하는 것을 방지하기 위한 금속-공기 전지 셀의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 도 1에 따른 금속-공기 전지 셀이 구부러진 일 예를 나타낸 것이다.
도 8a 및 도 8b는 도 1에 따른 금속-공기 전지 셀이 구부러진 다른 예를 나타낸 것이다.
도 9, 10, 11a는 금속-공기 전지 셀을 구성하는 층들 중 음극 금속층, 음극 전해질막, 양극층이 구부러진 실시예들을 나타낸 것이며, 도 11b는 도 11a의 금속-공기 전지 셀의 단면도이다.
도 12는 도 1에 따른 복수의 금속-공기 전지 셀을 포함하는 금속-공기 전지의 일 실시예를 나타낸 것이며,
도 13은 도 5에 따른 복수의 금속-공기 전지 셀을 포함하는 금속-공기 전지의 일 실시예를 나타낸 것이다.
도 14는 도 7a에 따른 금속-공기 전지 셀이 복수 개 적층된 금속-공기 전지를 예시한 것이다.
도 15는 도 9에 따른 금속-공기 전지 셀을 포함한 금속-공기 전지를 예시한 것이다.
도 16은 도 10에 따른 금속-공기 전지 셀을 포함한 금속-공기 전지를 예시한 것이다.
도 17a 내지 도 17c는 도 1에 도시된 금속-공기 전지 셀을 제작하는 과정을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 18a 내지 도 18e는 도 5에 도시된 금속-공기 전지 셀을 제작하는 과정을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 19a 및 도 19b는 도 17c에 도시된 금속-공기 전지 셀의 형상을 변형시키는 과정의 일 예를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 금속-공기 전지 셀, 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 금속-공기 전지 셀(10)의 구조를 개략적으로 보이는 사시도이며, 도 2는 도 1의 일부인 A1을 확대 도시한 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 금속-공기 전지 셀(10)은 음극 금속층(11), 음극 금속층(11) 위에 배치된 음극 전해질막(12), 음극 전해질막(12) 위에 배치된 양극층(13) 및 양극층(13) 위에 배치된 채널층(14)을 포함할 수 있다.
음극 금속층(11)은 금속 이온을 흡장/방출하는 기능을 수행한다. 음극 금속층(11)은, 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 고분자계 전해질, 무기계 전해질 또는 이들을 혼합한 복합 전해질을 포함하는 고체상일 수 있으며, 구부러질 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 구부러질 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.
양극층(13)은 금속 이온의 전도를 위한 전해질, 산소의 산화/환원을 위한 촉매(catalyst), 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. 도전성 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.
채널층(14)은 양극층(13)과 접촉하는 공기 흐름을 제공하는 것으로서, 복수의 채널 구조물(15)들을 가질 수 있다. 복수의 채널 구조물(15)들 각각은, 서로 독립적인 채널을 형성할 수 있으며, 양극층(13)의 적층 방향(z방향)과 교차하는 방향으로 연장될 수 있다. 예를 들어, 채널 구조물(15)은 도 1과 같이 y방향을 따라 직선으로 연장될 있다. 그러나, 채널 구조물(15)의 연장 태양은 이에 한정되지 않으며, 곡선으로 연장될 수도 있다. 복수의 채널 구조물(15)들은 적층 방향(z방향) 및 채널 구조물(15)의 연장 방향(y방향)과 수직인 방향(x방향)으로 배열될 수 있다. 예로서, 채널층(14)은 물결 모양으로 주름이 잡힐 수 있다(corrugated).
복수의 채널 구조물(15)들 각각은 양극층(13)의 상부 표면(131)으로부터 멀어지는 방향(z방향)으로 볼록할 수 있다. 볼록한 채널 구조물(15)의 내면(151)과 양극층(13)의 상부 표면(131)에 의해 캐비티(C)가 정의된다. 캐비티(C)의 연장 방향은 채널 구조물(15)의 연장 방향과 일치한다. 캐비티(C)의 연장 방향으로의 선단 및 후단 중 적어도 하나를 통해 외부로부터 공기가 유입될 수 있다. 또한, 채널층(14)의 재질에 따라, 채널층(14)을 관통하여 외부로부터 캐비티(C)로 공기가 유입될 수 있다.
캐비티(C)로 유입된 공기는 양극층(13)의 상부 표면(131)과 직접 접촉할 수 있다. 유입된 공기에는 산소가 포함된다. 그에 따라, 채널층(14)을 통해 유입된 공기에 의해, 양극층(13)에서의 원활한 산소 접촉이 발생할 수 있다.
상기와 같이, 채널층(14)을 이용하여, 양극층(13)에 산소를 원활하게 공급할 수 있기 때문에, 채널층(14) 상부에 공기 흐름을 위한 별도의 공간을 마련할 필요가 없게 된다. 즉, 채널층(14) 상부에 다른 금속-공기 전지 셀(10)이 접촉하도록 배치될 수 있다. 그리하여, 동일한 면적에 집적될 수 있는 금속-공기 전지 셀(10)의 개수를 증가시킬 수 있다.
또한, 채널층(14)에 의해 금속-공기 전지 셀(10)의 방열 기능이 향상될 수 있다. 양극층(13)의 산화 반응이 일어나는 과정에서 열이 발생될 수 있다. 본 실시예에 따르면, 채널층(14)의 캐비티(C)를 통해 양극층(13)과 직접 접촉하는 공기 흐름이 발생할 수 있기 때문에, 양극층(13)의 과열을 방지할 수 있다.
캐비티(C)의 단면 형상은 볼록한 형상이라면 다양하게 변형될 수 있다. 일 예로서, 도 2와 같이 캐비티(C)의 단면 형상은 반원 형상일 수 있다. 다른 예로서, 캐비티(C1, C2, C3)의 단면 형상은, 도 3a 내지 도 3c에 도시된 것처럼, 삼각형, 사다리꼴 등 다각 형상이거나 파형(wave-form)일 수 있다. 상술한 실시예들에서는 복수의 캐비티(C, C1, C2, C3)의 형상이 동일한 경우를 예시하였으나, 그에 한정되지 않으며, 복수의 캐비티(C, C1, C2, C3) 중 일부가 나머지와 크기 또는 형상이 다를 수 있다.
채널층(14)의 재질은, 상술한 채널 구조물(15)의 형상을 유지할 수 있다면 어떠한 재질이라도 이용 가능하다. 일 예로서, 채널층(14)은 다공성 구조를 가지는 금속, 세라믹, 폴리머, 탄소 소재, 경량금속들 중 적어도 하나를 포함할 수 있거나 이들을 복합제조로 형성하여 사용할 수 있다. 채널층(14)이 다공성 구조를 가짐으로써, 채널층(14)은 대기 중의 산소를 흡수하여 캐비티(C)로 원활하게 확산시킬 수 있다. 다공성 구조를 가지는 금속으로서, 스펀지 형태의 발포 금속이나 금속 섬유 매트가 사용될 수 있다. 다공성 탄소 소재로서, 탄소 섬유를 사용한 카본 페이퍼(carbon paper), 카본 직물(carbon cloth), 카본 펠트(carbon felt)가 사용될 수 있다. 다공성 세라믹으로서, 마그네슘-알루미늄 실리케이트(magnesium-aluminium silicate)가 사용될 수 있다. 다공성 폴리머로서 다공성 폴리에틸렌, 다공성 폴리프로필렌이 사용될 수 있다. 경량금속으로서, 니켈로 제작된 니켈메쉬(mesh)나 유연성이 강조되는 폴리머와 니켈메쉬(mesh)로 복합제조된 형태가 사용될 수 있다.
채널층(14)의 적어도 일부 표면에는, 산소를 활 물질로 사용하는 서브 양극층(17a, 17b)이 형성될 수 있다. 도 4는 채널층(14)에 서브 양극층(17a, 17b)이 배치된 금속-공기 전지 셀(10a)의 일 실시예를 나타낸 것이다. 도 4를 참조하면, 산소를 활 물질로 사용하는 서브 양극층(17a, 17b)이 채널층(14)의 내면(151) 및 외면(152)에 배치될 수 있다. 서브 양극층(17a, 17b)을 형성함으로써, 금속-공기 전지 셀(10a)에서 산소와의 접촉 면적을 구조적으로 증가시킬 수 있다. 서브 양극층(17a, 17b)과 양극층(13)은 직접 접촉되며, 전기적으로 연결될 수 있다.
서브 양극층(17a, 17b)은, 금속 이온의 전도를 위한 전해질, 산소의 산화/환원을 위한 촉매, 도전성 재료 및 바인더를 포함할 수 있다. 채널층(14)과 서브 양극층(17a, 17b)은 하나의 층으로 형성될 수 있지만, 도 4와 같이 각각 별개의 층으로 형성될 수도 있다. 예를 들어, 상술한 전해질, 촉매, 도전성 재료 및 바인더를 혼합한 후 용매를 첨가하여 양극 슬러리를 제조하고, 채널층(14) 위에 도포하여 건조함으로써 서브 양극층(17a, 17b)을 형성할 수 있다. 서브 양극층(17a, 17b)의 재질은 양극층(13)과 재질과 동일할 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 채널층(14)은 금속-공기 전지 셀(10)의 충전/방전 과정에서 두께 변화에 대한 버퍼로서 기능을 수행할 수 있다.
금속-공기 전지 셀(10)에서, 양극층(13) 또는 음극 금속층(11) 중 적어도 하나는 충전/방전 과정에서 두께가 변할 수 있다. 음극 금속층(11)은 방전 과정에서 두께가 얇아질 수 있으며, 반대로 충전 과정에서 두께가 두꺼워질 수 있다. 양극층(13)은 방전 과정에서 두께가 두꺼워질 수 있으며, 반대로 충전 과정에서 두께가 얇아질 수 있다.
상기와 같이 충전 또는 방전 과정에서 음극 금속층(11), 양극층(13) 중 적어도 하나의 두께가 변화할 때, 채널층(14)은, 금속-공기 전지 셀(10)의 두께 변화를 보완하기 위하여 채널층(14)의 높이(h)가 변형될 수 있다. 여기서, 채널층(14)의 높이(h)는 양극층(13)의 상부 표면(131)으로부터 채널층(14)의 상부 꼭지점까지의 거리를 의미한다. 채널층(14)의 높이(h)가 변형됨으로써, 음극 금속층(11)에서 금속 덴드라이트가 발생하는 것을 억제할 수 있다.
채널층(14)은 그 구조상 높이 변형이 쉬울 수 있다. 채널층(14)은 캐비티(C)를 형성하는 복수의 채널 구조물(15)들을 포함하기 때문에, 평평한 구조에 비해, 상대적으로 높이(h)가 쉽게 변형될 수 있다.
채널층(14)은 탄성력을 가지는 탄성 소재를 사용할 수 있다. 그에 따라, 재질 자체의 특성에 의해 채널층(14)은 더욱 쉽게 높이가 변형될 수 있다. 탄성 소재의 예로서, 탄성 폴리머가 사용될 수 있다. 탄성 폴리머에는 불화 폴리비닐리덴(polyvinylidene fluoride)(PVDF), 불화 비닐리덴(vinyilidene fluoride)과 헥사플루오로프로필렌(hexafluoropropylene)(PVDF-HFP)의 코폴리머, 스티렌/부타디엔(SBR) 코폴리머, 폴리에틸렌 산화물(POE), 에틸렌 산화물의 코폴리머, 또는 이들 폴리머의 혼합물이 포함될 수 있다. 이외에 탄성을 가지며 구조물을 형성할 수 있는 소재 (금속와이어(기억형상합금), 금속메쉬, 고무 등)에 한정되지는 않는다.
도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속-공기 전지 셀(20)의 다른 실시예를 나타낸 단면도이다. 도 5에 따른 금속-공기 전지 셀(20)에서, 도 2에 개시된 금속-공기 전지 셀(10)과 동일한 구성은 동일한 도면 부호를 사용하였으며, 이에 대한 중복 설명은 생략한다.
도 5를 참조하면, 금속-공기 전지 셀(20)은, 음극 금속층(11)의 아래에 배치된 제2 음극 금속층(21), 제2 음극 금속층(21) 아래에 배치된 제2 음극 전해질막(22) 및 제2 음극 전해질막(22) 아래에 배치된 제2 양극층(23)을 더 포함할 수 있다.
제2 음극 금속층(21)은, 금속 이온을 흡장/방출하는 기능을 수행한다. 제2 음극 금속층(21)은, 예를 들어 리튬(Li), 나트륨(Na), 아연(Zn), 칼륨(K), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 철(Fe), 알루미늄(Al) 또는 이들의 합금을 사용할 수 있다. 제2 음극 금속층(21)은, 음극 금속층(11)과 별도의 층으로 구성될 수도 있으나, 이에 한정되지 않으며, 음극 금속층(11)과 일체로 형성될 수도 있다.
제2 음극 전해질막(22)은 금속 이온을 제2 양극층(23)으로 전달하는 역할을 한다. 이를 위해, 제2 음극 전해질막(22)은 금속염을 용매에 용해하여 형성된 전해질을 포함할 수 있다. 전해질은 통상적으로 고분자계 전해질, 무기계 전해질 또는 이들을 혼합한 복합 전해질을 포함하는 고체상일 수 있으며, 구부러질 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, 제2 음극 전해질막(22)은 산소의 투과를 방지하면서 금속 이온에 대해 전도성을 갖는 분리막을 더 포함할 수 있다. 분리막은 구부러질 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, 제2 음극 전해질막(22)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 제2 음극 전해질막(22)을 형성할 수 있다. 제2 음극 전해질막(22)은 음극 전해질막(12)과 동일한 재질일 수 있다.
제2 양극층(23)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, 제2 음극 전해질막(22)에 도포하여 건조함으로써 제2 양극층(23)을 형성할 수 있다.
음극 금속층(11)의 상부에는 음극 전해질막(12)이 배치되며, 음극 금속층(11)의 하부에는 제2 음극 금속층(21) 및 제2 음극 전해질막(22)이 배치됨으로써, 산소가 음극 금속층(11)과 접촉하는 것을 차단할 수 있다.
도 6은 음극 금속층(11)의 하부에 산소가 접촉하는 것을 방지하기 위한 금속-공기 전지 셀(10b)의 다른 실시예를 나타낸 도면이다. 도 6을 참조하면, 음극 금속층(11)의 아래에는 산소 차단층(16)이 배치될 수 있다. 산소 차단층(16)은 산소의 투과를 방지하는 기능을 수행한다. 즉, 음극 금속층(11)의 아래에 배치된 산소 차단층(16)에 의해, 음극 금속층(11)의 하부에 산소가 접촉하는 것을 방지할 수 있다. 산소 차단층(16)의 재질의 예로서, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate)이 사용될 수 있다.
한편, 상기 도 1 내지 도 6에서는, 금속-공기 전지 셀(10, 10a, 10b, 20)이 평평한 형상을 가진 예를 중심으로 설명하였다. 그러나, 금속-공기 전지 셀(10, 10a, 10b, 20)의 전체 형상은 이에 한정되지 않으며, 금속-공기 전지 셀(10, 10a, 10b, 20)을 구성하는 층들 중 적어도 일부가 구부러질 수 있다.
금속-공기 전지 셀(10, 10a, 10b, 20)을 구성하는 층들 중 적어도 일부가 구부러지는 일 예로서, 금속-공기 전지 셀(10, 10a, 10b, 20)을 구성하는 음극 금속층(11), 음극 전해질막(12), 양극층(13) 및 채널층(14)이 모두 구부러질 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 도 1에 따른 금속-공기 전지 셀(10)이 구부러진 일 예를 나타낸 것이다. 도 7a 및 도 7b를 참조하면, 금속-공기 전지 셀(30a)은 음극 금속층(11), 음극 전해질막(12), 양극층(13) 및 채널층(14)이 구부러져 감겨질 수 있다.
예를 들어, 금속-공기 전지 셀(30a)의 음극 금속층(11), 음극 전해질막(12), 양극층(13) 및 채널층(14)은, 채널층(14) 위에 음극 금속층(11)이 배치되도록 구부러질 수 있다. 그에 따라, 채널층(14) 위에 음극 금속층(11)의 하부 표면(111)이 배치될 수 있다. 금속-공기 전지 셀(30a, 30b)은, 도 7a와 채널층(14)이 외곽에 배치되도록 감겨지거나, 도 7b와 같이 음극 금속층(11)이 외곽에 배치되도록 감겨질 수 있다. 음극 금속층(11), 음극 전해질막(12), 양극층(13) 및 채널층(14)은, 롤 형상을 가지도록 감겨질 수 있다. 그에 따라, 금속-공기 전지 셀(30a, 30b)은 롤 형상을 가질 수 있다. 다만, 롤 형상은 도 7a, 7b와 같이 원 기둥 형상일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 금속 공기 전지 셀(30c, 30d)의 롤 형상은, 도 8a, 8b과 같이, 삼각 기둥 형상, 사각 기둥 형상 등의 다각 기둥 형상일 수도 있다. 도 8a, 8b에서 금속-공기 전지 셀(30c, 30d)의 각 층은 도 7a와 동일하므로, 각 층에 대한 구체적인 도시는 생략한다.
다시 도 7a를 참조하면, 음극 금속층(11)과 채널층(14) 사이에는, 산소를 차단하는 산소 차단층(16)이 배치될 수 있다. 산소 차단층(16)을 이용하여, 채널층(14)에 유입된 공기에 포함된 산소와 음극 금속층(11)이 접촉하는 것을 방지할 수 있다.
롤 형태의 금속-공기 전지 셀(30a)의 외측에는 형상 유지 필름(18)이 감겨질 수 있다. 형상 유지 필름(18)은, 충전/ 방전 과정에서 음극 금속층(11), 양극층(13)의 두께가 변화하더라도 금속-공기 전지 셀(30a)의 형상을 유지할 수 있다. 이를 통해, 음극 금속층(11)에서 금속 덴드라이트(dendrite)의 발생을 억제할 수 있다.
금속-공기 전지 셀을 구성하는 층들 중 적어도 일부가 구부러지는 다른 예로서, 금속-공기 전지 셀(40a, 40b, 40c)을 구성하는 층들 중 일부가 구부러질 수 있다. 예를 들어, 금속-공기 전지 셀(40a, 40b, 40c)을 구성하는 층들 중 음극 금속층(11), 음극 전해질막(12) 및 양극층(13)이 구부러질 수 있다.
도 9, 10, 11a는 금속-공기 전지 셀(40a, 40b, 40c)을 구성하는 층들 중 음극 금속층(11), 음극 전해질막(12), 양극층(13)이 구부러진 실시예들을 나타낸 것이다. 도 11b는 도 11a의 금속-공기 전지 셀(40c)의 단면도이다. 도 9, 10 및 도 11a에서는, 양극층(13)이 채널층(14) 상부와 접촉되도록, 음극 금속층(11), 음극 전해질막(12), 양극층(13)이 채널층(14) 위로 구부러진다.
도 9를 참조하면, 금속-공기 전지 셀(40a)의 음극 금속층(11), 음극 전해질막(12) 및 양극층(13)은 채널층(14)의 하부, 우측, 상부 3면을 감싸도록 구부러질 수 있다. 여기서, 채널층(14)의 하부는 채널 구조물(15)의 최하 지점들을 연결한 가상의 면을 의미하며, 상부는 채널 구조물(15)의 최상 지점들을 연결한 가상의 면을 의미한다. 양극층(13) 위에 채널층(14)을 부분적으로 배치한 다음, 양극층(13)이 채널층(14)의 상부와 접촉하도록 채널층(14) 위로 음극 금속층(11), 음극 전해질막(12) 및 양극층(13)을 구부릴 수 있다. 이러한 구조에서는 채널층(14)의 연장 방향의 선단 및 후단은 물론 좌측이 외부에 개방될 수 있다.
도 10을 참조하면, 음극 금속층(11), 음극 전해질막(12), 양극층(13)은 채널층(14)의 하부, 우측, 상부, 좌측 4면을 둘러싸도록 구부러질 수 있다. 이를 통해, 채널층(14)은 채널 구조물(15)의 연장 방향으로의 선단 및 후단이 외부에 개방될 수 있다
도 11a 및 도 11b를 참조하면, 음극 금속층(11), 음극 전해질막(12) 및 양극층(13)은 채널층(14)의 상부, 하부 및 채널 구조물(15)의 연장 방향으로의 일 단부를 감싸도록 구부러진다. 이를 통해, 채널층(14)은 채널 구조물(15)의 연장 방향으로의 다른 일 단부가 외부에 개방될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 금속-공기 전지(1)는 복수 개의 금속-공기 전지 셀(10)을 포함한다. 금속-공기 전지(1)는, 정해진 면적에서 집적되는 금속-공기 전지 셀(10)의 개수에 따라, 에너지 밀도가 달라질 수 있다. 이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 금속-공기 전지(1)에서 복수의 금속-공기 전지 셀(10)이 어떻게 집적되는지에 대하여 구체적으로 살펴본다. 금속-공기 전지 셀(10)은 도 2에 도시된 금속-공기 전지 셀(10)에 한정되지 않으며, 도 4 내지 도 11a에 도시된 금속-공기 전지 셀(10a, 10b, 20, 30a, 30b, 30c, 30d, 40a, 40b, 40c)일 수 있다.
도 12는 도 1에 따른 복수의 금속-공기 전지 셀(10)을 포함하는 금속-공기 전지(1)의 일 실시예를 나타낸 것이며, 도 13은 도 5에 따른 복수의 금속-공기 전지 셀(20)을 포함하는 금속-공기 전지(2)의 일 실시예를 나타낸 것이다. 도 12 및 도 13에서는 2개의 금속-공기 전지 셀(10, 20)을 예시하였으나, 금속-공기 전지 셀(10, 20)의 개수는 여기에 한정되는 것은 아니며, 3개 이상의 금속-공기 전지 셀(10, 20)이 유사한 방식으로 배열될 수 있음은 물론이다.
도 12을 참조하면, 금속-공기 전지(1)는 제1 금속-공기 전지 셀(10), 제2 금속-공기 전지 셀(10)을 포함한다. 제1 금속-공기 전지 셀(10) 위에 제2 금속-공기 전지 셀(10)이 배치된다. 제1, 제2 금속-공기 전지 셀(10, 10) 각각은, 상술한 음극 금속층(11), 음극 전해질막(12), 양극층(13) 및 채널층(14)을 포함한다.
제1 금속-공기 전지 셀(10)의 채널층(14) 상에 제2 금속-공기 전지 셀(10)이 배치될 수 있다. 제1 금속-공기 전지 셀(10)의 채널층(14) 상에는 공기 흐름을 위한 별도의 공간을 마련할 필요가 없기 때문에, 제1 금속-공기 전지 셀(10)의 채널층(14) 상에 제2 금속-공기 전지 셀(10)을 바로 적층할 수 있다.
제1 금속-공기 전지 셀(10)의 채널층(14)과 제2 금속-공기 전지 셀(10)의 음극 금속층(11) 사이에는 산소 차단층(16)이 배치될 수 있다. 산소 차단층(16)이 산소를 포함한 공기가 제1 금속-공기 전지 셀(10)의 채널층(14)으로부터 제2 금속-공기 전지 셀(10)의 음극 금속층(11)으로 전달되는 것을 차단한다. 그에 따라, 음극 금속층(11)과 산소의 접촉을 최소화할 수 있다.
도 13을 참조하면, 제1 금속-공기 전지 셀(20) 위에 제2 금속-공기 전지 셀(20)이 배치될 수 있다. 제1, 제2 금속-공기 전지 셀(20, 20)의 각 층은 채널층(14), 양극층(13), 음극 전해질막(12), 음극 금속층(11), 제2 음극 금속층(21), 제2 음극 전해질막(22) 및 제2 양극층(23)을 포함한다. 음극 금속층(11) 및 제2 음극 금속층(21)의 하부에 제2 음극 전해질막(22)과 제2 양극층(23)을 배치되기 때문에, 음극 금속층(11) 및 제2 음극 금속층(21)이 채널층(14)을 통해 이동하는 공기 중의 산소와 직접 접촉되지 않는다. 이 경우, 도 12와 달리 산소 차단층(16)을 사용하지 않고도, 음극 금속층(11)의 산화를 방지할 수 있다.
도 14는 도 7a에 따른 금속-공기 전지 셀(30a)이 복수 개 적층된 금속-공기 전지(3)를 예시한 것이다. 도 14를 참조하면, 복수 개의 금속-공기 전지 셀(30a)은 채널 구조물(15)의 연장 방향으로 선단 및 후단 중 적어도 하나가 외부에 노출되도록 적층될 수 있다. 예를 들어, 감겨진 형태의 금속-공기 전지 셀(30a)은 측면 중 적어도 일부가 서로 접촉하도록 배치될 수 있다.
도 15는 도 9에 따른 금속-공기 전지 셀(40a)을 포함한 금속-공기 전지(4a)를 예시한 것이다. 도 15를 참조하면, 금속-공기 전지(4a)는 복수, 예를 들어 2개의 채널층(14)을 포함하며, 음극 금속층(11), 음극 전해질막(12) 및 양극층(13)은 채널층(14)의 3면을 둘러싸도록 구부러진다. 예를 들어, 양극층(13) 위에 채널층(14)을 부분적으로 배치한 다음, 양극층(13)이 채널층(14)의 상부와 접촉하도록 채널층(14) 위로 음극 금속층(11), 음극 전해질막(12) 및 양극층(13)을 구부릴 수 있다.
그런 후에, 양극층(13)이 상부를 향하도록 음극 금속층(11), 음극 전해질막(12) 및 양극층(13)을 다시 180도 방향으로 반대로 접는다. 접혀진 양극층(13) 위로 다른 채널층(14)을 더 배치하고, 양극층(13)이 채널층(14)의 상부와 접촉하도록 채널층(14) 위로 음극 금속층(11), 음극 전해질막(12) 및 양극층(13)을 구부린다.
이러한 금속-공기 전지(4a)의 구조에서, 금속-공기 전지(4a)의 우측에서는 음극 금속층(11)만이 보이게 되며, 금속-공기 전지(4a)의 좌측에서는 음극 전해질막(12), 양극층(13) 및 채널층(14)이 노출될 수 있다. 따라서, 양극층(13)에서의 산화/환원 반응에 필요한 산소는 채널층(14)의 연장방향의 선단, 후단 및 좌측으로부터 흡수되어 양극층(13)의 전체 영역에 공급될 수 있다.
도 16은 도 10에 따른 금속-공기 전지 셀(40b)을 포함한 금속-공기 전지(4b)를 예시한 것이다. 도 16을 참조하면, 금속-공기 전지(4b)는 복수의 금속-공기 전지 셀(40b)을 포함한다. 복수의 금속-공기 전지 셀(40b)은 외측에 배치된 음극 금속층(11)이 서로 접촉하도록 적층될 수 있다. 적층된 복수의 금속-공기 전지 셀(40b)을 둘러싸는 외장재(19)가 배치될 수 있다. 외장재(19)는 외측에 배치된 음극 금속층(11)이 산화되는 것을 방지할 수 있다. 외장재(19)로 포장할 때, 금속-공기 전지 셀(40b)의 대부분은 외장재(19)에 의해 가리게 되지만, 채널층(14)의 채널 구조물(15)의 연장방향으로의 선단 및 후단 중 적어도 하나는 외부에 노출될 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따르면, 금속-공기 전지에서 셀의 개수의 증가와 관계 없이 양극층(13)에 산소 공급이 용이할 수 있다.
도 17a 내지 도 17c는 도 1에 도시된 금속-공기 전지 셀(10)을 제작하는 과정을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 17a를 참조하면, 음극 금속층(11) 위에 음극 전해질막(12)을 배치한다. 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 구부러질 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 구부러질 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 17b에 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 17c에 도시된 바와 같이, 양극층(13) 위에 복수의 채널구조물을 가지도록 형성된 채널층(14)을 배치한다.
채널층(14)은 양극층(13)과 접촉하는 공기 흐름을 제공하는 것으로서, 복수의 채널 구조물(15)들을 가질 수 있다. 복수의 채널 구조물(15)들 각각은, 양극층(13)의 적층 방향(z방향)과 교차하는 방향, 예를 들어 y방향으로 연장될 있다. 복수의 채널 구조물(15)들은 적층 방향(z방향) 및 채널 구조물(15)의 연장 방향(y방향)과 수직인 방향(x방향)으로 배열될 수 있다. 예로서, 채널층(14)은 물결 모양으로 주름이 잡힐 수 있다(corrugated).
복수의 채널 구조물(15)들 각각은 양극층(13)의 상부 표면(131)으로부터 멀어지는 방향으로 볼록할 수 있다. 볼록한 채널 구조물(15)의 내면(151)과 양극층(13)의 상부 표면(131)에 의해 캐비티(C)가 정의된다. 캐비티(C)의 연장 방향은 채널 구조물(15)의 연장 방향과 일치한다. 캐비티(C)의 연장 방향으로의 선단 및 후단 중 적어도 하나를 통해 외부로부터 공기가 유입될 수 있다. 또한, 채널층(14)의 재질에 따라, 채널층(14)을 관통하여 외부로부터 캐비티(C)로 공기가 유입될 수 있다.
캐비티(C)의 단면 형상은 반원 형상일 수 있다. 그러나, 캐비티(C)의 단면 형상은 볼록한 형상이라면 다양하게 변형될 수 있다. 예로서, 캐비티(C1, C2, C3)의 단면 형상은, 도 3a 내지 도 3c에 도시된 것처럼, 삼각형, 사다리꼴 등 다각 형상이거나 파형(wave-form)일 수 있다.
채널층(14)의 재질은, 상술한 채널 구조물(15)의 형상을 유지할 수 있다면 어떠한 재질이라도 이용 가능하다. 일 예로서, 채널층(14)은 다공성 구조를 가지는 금속, 세라믹, 폴리머, 탄소 소재, 경량금속들 중 적어도 하나를 포함할 수 있거나 이들을 복합제조로 형성하여 사용할 수 있다. 채널층(14)이 다공성 구조를 가짐으로써, 채널층(14)은 대기 중의 산소를 흡수하여 캐비티(C)로 원활하게 확산시킬 수 있다. 다공성 구조를 가지는 금속으로서, 스펀지 형태의 발포 금속이나 금속 섬유 매트가 사용될 수 있다. 다공성 탄소 소재로서, 탄소 섬유를 사용한 카본 페이퍼(carbon paper), 카본 직물(carbon cloth), 카본 펠트(carbon felt)가 사용될 수 있다. 다공성 세라믹으로서, 마그네슘-알루미늄 실리케이트(magnesium-aluminium silicate)가 사용될 수 있다. 다공성 폴리머로서 다공성 폴리에틸렌, 다공성 폴리프로필렌이 사용될 수 있다. 경량금속으로서, 니켈로 제작된 니켈메쉬(mesh)나 유연성이 강조되는 폴리머와 니켈메쉬(mesh)로 복합제조된 형태가 사용될 수 있다.
음극 금속층(11)의 하면에는 도 6과 같이 산소 차단층(16)이 배치될 수 있다. 산소 차단층(16)을 배치함으로써, 음극 금속층(11)이 대기 중에 노출되는 것을 방지할 수 있다.
도 18a 내지 도 18e는 도 5에 도시된 금속-공기 전지 셀(20)을 제작하는 과정을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 18a를 참조하면, 제2 양극층(23) 위에 제2 음극 전해질막(22)을 배치한다.
제2 양극층(23)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, 제2 음극 전해질막(22)에 도포하여 건조함으로써 제2 양극층(23)을 형성할 수 있다.
제2 음극 전해질막(22)은 금속염을 용매에 용해하여 형성된 전해질을 포함할 수 있다. 전해질은 통상적으로 고분자계 전해질, 무기계 전해질 또는 이들을 혼합한 복합 전해질을 포함하는 고체상일 수 있으며, 구부러질 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, 제2 음극 전해질막(22)은 산소의 투과를 방지하면서 금속 이온에 대해 전도성을 갖는 분리막을 더 포함할 수 있다. 분리막은 구부러질 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, 제2 음극 전해질막(22)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 제2 음극 전해질막(22)을 형성할 수 있다. 제2 음극 전해질막(22)은 음극 전해질막(12)과 동일한 재질일 수 있다.
도 18b를 참조하면, 제2 음극 전해질막(22) 위에 제2 음극 금속층(21) 및 음극 금속층(11)을 배치한다.
제2 음극 금속층(21) 및 음극 금속층(11)은, 금속 이온을 흡장/방출하는 기능을 수행한다. 제2 음극 금속층(21) 및 음극 금속층(11)은, 예를 들어 리튬(Li), 나트륨(Na), 아연(Zn), 칼륨(K), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 철(Fe), 알루미늄(Al) 또는 이들의 합금을 사용할 수 있다. 제2 음극 금속층(21)과 음극 금속층(11)은, 별도의 층으로 구성될 수도 있으나, 이에 한정되지 않으며, 일체로 형성될 수도 있다.
다음으로, 도 18c 내지 도 18e에 도시된 바와 같이, 음극 금속층(11) 위에 음극 전해질막(12), 양극층(13), 채널층(14)을 순차적으로 배치할 수 있다. 이는 도 17a 내지 도 17c의 과정과 유사하므로, 중복 설명은 생략한다.
한편, 도 17a 내지 도 17c 또는 도 18a 내지 도 18e에 의한 금속-공기 전지 셀(10, 20)을 제작하는 과정 이후에, 금속-공기 전지 셀(10, 20)의 형상을 변형시키는 과정이 추가될 수 있다.
도 19a 및 도 19b는 도 17c에 도시된 금속-공기 전지 셀(10)의 형상을 변형시키는 과정의 일 예를 개략적으로 나타내는 단면도이다. 도 19a 및 도 19b를 참조하여, 채널층(14) 위에 음극 금속층(11)이 배치되도록 음극 금속층(11), 음극 전해질막(12), 양극층(13) 및 채널층(14)을 구부리는 과정을 설명한다.
먼저 채널층(14)이 서로 접촉되도록 음극 금속층(11), 음극 전해질막(12), 양극층(13) 및 채널층(14)을 구부린다. 다음으로, 채널층(14)과 음극 금속층(11)이 접촉하도록, 음극 금속층(11), 음극 전해질막(12), 양극층(13) 및 채널층(14)을 구부린다. 여기서, 채널층(14)과 음극 금속층(11)의 접촉은, 채널층(14)과 음극 금속층(11)이 직접 접촉하는 경우는 물론, 음극 금속층(11)에 산소 차단층(16)이 배치될 경우, 산소 차단층(16)에 의해 채널층(14)과 음극 금속층(11)이 간접 접촉하는 경우를 포함한다.
이와 같이, 채널층(14)과 음극 금속층(11)이 접촉하도록 금속-공기 전지 셀(10)을 계속 감아, 도 7a와 같은 롤 형태를 가지는 금속-공기 전지 셀(30a)을 제작할 수 있다. 다만, 금속-공기 전지 셀(30a)을 감는 방향은 필요에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 도 7b에 도시된 것처럼, 음극 금속층(11)이 서로 접촉하는 방향으로 음극 금속층(11), 음극 전해질막(12), 양극층(13) 및 채널층(14)을 구부려 금속-공기 전지 셀(30b)을 감을 수도 있다.
상기와 같이 금속-공기 전지 셀(10)의 형상을 변형시키는 과정은, 도 18e의 금속-공기 전지 셀(20)의 형상을 변형시키는 과정에서도 동일하게 적용될 수 있다.
한편, 상술한 실시예에서는, 양극층(13) 위 전체에 채널층(14)을 형성한 예를 중심으로 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 도 9 내지 도 11a와 같이, 양극층(13) 위 일부에 채널층(14)을 형성한 후, 채널층(14)의 적어도 3면을 감싸도록 음극 금속층(11), 음극 전해질막(12) 및 양극층(13)을 구부려, 금속-공기 전지 셀(40a, 40b, 40c)의 형상을 변형시킬 수도 있다.
지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 금속-공기 전지 셀(10, 10a, 10b, 20, 30a, 30b, 30c, 30d, 40a, 40b, 40c), 금속-공기 전지(1, 2, 3, 4a, 4b) 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.
1, 2, 3, 4a. 4b...금속-공기 전지
10, 10a, 10b, 20, 30a, 30b, 30c, 30d, 40a, 40b, 40c...금속-공기 전지 셀
11...음극 금속층 12...음극 전해질막
13...양극층 14, 14a, 14b, 14c...채널층
15...채널 구조물 16...산소 차단층
17a, 17b...서브 양극층 18...형상 유지 필름
19...외장재 21...제2 음극 금속층
22...제2 음극 전해질막 23...제2 양극층

Claims (20)

  1. 음극 금속층;
    상기 음극 금속층 위에 배치된 음극 전해질막;
    산소를 활 물질(active material)로 사용하는 것으로, 상기 음극 전해질막 위에 배치된 양극층; 및
    상기 양극층 위에 배치되는 것으로, 상기 양극층의 적층 방향과 교차하는 방향으로 연장된 복수의 채널 구조물들을 가지는 채널층;을 포함하는 금속-공기 전지 셀.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 채널 구조물들 각각은, 상기 양극층의 상부 표면으로부터 멀어지는 방향으로 볼록한 금속-공기 전지 셀.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 양극층의 상부 표면과 상기 채널 구조물의 내면에 의해 캐비티가 정의되는 금속-공기 전지 셀.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 캐비티의 단면 형상은,
    다각 형상, 반원 형상, 파형 중 어느 하나인 금속-공기 전지 셀.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 음극 금속층 아래에 배치된 제2 음극 금속층;
    상기 제2 음극 금속층 아래에 배치된 제2 음극 전해질막; 및
    산소를 활 물질로 사용하는 것으로, 상기 제2 음극 전해질막 아래에 배치된 제2 양극층;을 더 포함하는 금속-공기 전지 셀.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 음극 금속층, 음극 전해질막, 양극층 및 채널층은, 상기 채널층 위에 상기 음극 금속층이 배치되도록, 구부러진 금속-공기 전지 셀.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 음극 금속층, 음극 전해질막, 양극층 및 채널층은, 롤 형상을 가지도록감겨진 금속-공기 전지 셀.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 음극 금속층, 음극 전해질막 및 양극층은, 상기 양극층이 상기 채널층의 상부와 접촉되도록 상기 채널층 위로 구부러진 금속-공기 전지 셀.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 채널층은, 상기 채널 구조물의 연장 방향으로의 양 단부 중 적어도 하나의 단부가 외부로 노출되는 금속-공기 전지 셀.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 채널층의 표면에는, 산소를 활 물질로 사용하는 서브 양극층이 형성된 금속-공기 전지 셀.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 음극 전해질막은,
    산소를 차단하면서 금속 이온에 대해 전도성을 가지는 분리막과, 금속 이온을 전달하기 위한 전해질을 더 포함하는 금속-공기 전지 셀.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 채널층은 다공성 구조를 가지는 금속-공기 전지 셀.
  13. 적어도 제1, 제2 금속-공기 전지 셀을 포함하는 금속-공기 전지로서,
    상기 제1, 제2 금속-공기 전지 셀 각각은,
    음극 금속층과,
    상기 음극 금속층 위에 배치된 음극 전해질막과,
    산소를 활 물질(active material)로 사용하는 것으로, 상기 음극 전해질막 위에 배치된 양극층과,
    상기 양극층 위에 배치되는 것으로, 상기 양극층의 적층 방향과 교차하는 방향으로 연장된 복수의 채널 구조물들을 가지는 채널층을 포함하는, 금속-공기 전지.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 금속-공기 전지 셀의 채널층 위에, 상기 제2 금속-공기 전지 셀의 음극 금속층이 배치된 금속-공기 전지.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1 금속-공기 전지 셀의 채널층과 상기 제2 금속-공기 전지 셀의 음극 금속층 사이에 배치된 산소 차단층을 더 포함하는 금속-공기 전지.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 제1, 제2 금속-공기 전지 셀 각각은,
    상기 음극 금속층 아래에 배치된 제2 음극 금속층;
    상기 제2 음극 금속층 아래에 배치된 제2 음극 전해질막; 및
    산소를 활 물질로 사용하는 것으로, 상기 제2 음극 전해질막 아래에 배치된 제2 양극층;을 더 포함하는 금속-공기 전지.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 제1, 제2 금속-공기 전지 셀 각각은,
    상기 채널층 위에 상기 음극 금속층이 배치되도록, 상기 음극 금속층, 음극 전해질막, 양극층 및 채널층이 감겨진 금속-공기 전지.
  18. 음극 금속층 위에 음극 전해질막을 배치하는 단계;
    상기 음극 전해질막 위에 산소를 활 물질(active material)로 사용하는 양극층을 배치하는 단계;
    상기 양극층의 적층 방향과 교차하는 방향으로 연장된 복수의 채널 구조물들을 가지는 채널층을 상기 양극층 위에 배치하는 단계;를 포함하는 금속-공기 전지셀의 제조방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    산소를 활 물질로 사용하는 제2 양극층 위에 제2 음극 전해질막을 배치하는 단계;
    상기 제2 음극 전해질막 위에 제2 음극 금속층 및 상기 음극 금속층을 배치하는 단계;를 더 포함하는 금속-공기 전지 셀의 제조방법.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 채널층 위에 상기 음극 금속층이 배치되도록, 상기 음극 금속층, 음극 전해질막, 양극층 및 채널층을 구부리는 단계;를 더 포함하는 금속-공기 전지 셀의 제조방법.
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