Processing

Please wait...

Settings

Settings

1. WO2017138740 - ZINC-AIR SECONDARY BATTERY

Document

명세서

발명의 명칭

기술분야

1  

배경기술

2   3   4   5   6   7   8   9   10   11  

발명의 상세한 설명

기술적 과제

12  

과제 해결 수단

13   14   15  

발명의 효과

16  

도면의 간단한 설명

17   18  

발명의 실시를 위한 형태

19   20   21   22   23   24   25   26   27   28   29   30   31   32   33   34   35   36   37   38   39   40   41   42   43   44   45   46   47   48   49   50   51   52   53   54   55   56   57   58   59   60   61   62   63   64   65   66   67   68   69   70  

청구범위

1   2   3   4  

도면

1   2  

명세서

발명의 명칭 : 공기-아연 이차전지

기술분야

[1]
본 발명은 양극 측에 칼륨 이온이 석출되는 것을 방지할 수 있는 공기-아연 이차전지에 관한 것이다.

배경기술

[2]
일반적으로 전지는 음극(anode)과 양극(cathode), 이들 사이에 분리막(separator)을 개재시켜 조립하는데, 이때 전지의 양 전극 사이에 위치하는 분리막은 양극과 음극이 직접 접촉하여 내부 단락되는 것을 방지하는 부재로서, 전지 내 이온 통로일 뿐만 아니라 전지의 안전성 향상에 중요한 역할을 한다.
[3]
[4]
공기-아연 전지는 양극, 분리막, 전해액 및 음극을 포함하여 구성된다. 먼저, 상기 양극은 탄소층, 탄소층의 내부에 형성되는 금속 메쉬 형태의 양극 집전체 및 탄소층의 상부에 형성되는 테프론층을 포함한다.
[5]
또한, 상기 탄소층의 하부에 분리막이 개재되며, 분리막과 일정 간격 이격하여 상기 음극의 음극 집전체가 형성된다.
[6]
전해액은 아연(Zn), 수산화 칼륨(KOH) 및 물(H2O)이 혼합된 슬러리 형태로 형성되어 분리막과 음극 집전체의 사이에 수용된다. 이때, 상기 전해액이 분리막을 통과하여 탄소층의 일부를 함침하여 기액 계면을 이루게 된다.
[7]
상기와 같이 구성되는 공기-아연 전지는 전해액에 함유된 아연이 공기 중의 산소와 반응하여 산화아연으로 변화할 때 생성되는 전자의 이동에 의해 작동하게 된다.
[8]
[9]
상기와 같은 종래의 공기-아연 전지는 분리막의 다수의 통공을 통해 전해액이 탄소층의 일부를 함침하고 있는데, 이때 전해액에 함유된 수산화 칼륨이 공기 중의 산소와 반응하여 석출된다. 이에 의해, 탄소층이 파괴되어 공기-아연 전지의 성능이 저하되는 문제점이 있었다.
[10]
또한, 공기-아연 전지 충전 시 산소가 양극 쪽으로 이동되는데 양극 쪽으로 이동된 산소와 수산화 칼륨이 반응하여 석출되므로 공기 아연 전지를 이차전지로 사용하기 어려운 문제점이 있었다.
[11]

발명의 상세한 설명

기술적 과제

[12]
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 전해질에 함유된 칼륨 이온이 양극에서 석출되는 것을 억제할 수 있는 공기-아연 이차전지를 제공하는 것이다.

과제 해결 수단

[13]
본 발명의 일 양태는 공기-아연 이차전지에 관한 것으로, 보다 구체적으로 양극; 음극; 상기 양극 및 음극 사이에 개재되는 분리막; 및 상기 음극과 분리막 사이에 수용되고, 양극의 일부를 함침하는 전해액;을 포함하되, 상기 분리막의 적어도 한 쪽 면에 칼륨이온(K +) 확산 방지층이 형성되어 있다.
[14]
[15]
본 발명의 다른 양태는 공기-아연 이차전지에 관한 것으로, 보다 구체적으로 양극; 음극; 상기 양극 및 음극 사이에 개재되는 분리막; 및 상기 음극과 분리막 사이에 수용되고, 양극의 일부를 함침하는 전해액;을 포함하되, 상기 양극은 공기확산층 및 탄소층이 순차적으로 적층되어 있고, 상기 탄소층의 분리막과 마주보는 쪽 면에 칼륨이온(K +) 확산 방지층이 형성되어 있다.

발명의 효과

[16]
본 발명에 의하면 분리막 또는 탄소층에 칼륨이온(K +) 확산 방지층이 형성되어 있어, 전해액 내의 칼륨 이온이 양극의 탄소층 내로 진입하는 것을 효과적으로 방지할 수 있으며, 이에 따라 칼륨 이온의 석출에 의한 탄소층의 파괴를 방지할 수 있어 공기-아연 이차전지의 성능 저하를 최소화할 수 있는 효과가 있다.

도면의 간단한 설명

[17]
도 1은 본 발명에 따른 공기 아연 전지의 일예에 대한 구조를 도시한 것이다.
[18]
도 2는 본 발명에 따른 공기-아연 이차전지의 다른 예에 대한 구조를 도시한 것이다.

발명의 실시를 위한 형태

[19]
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
[20]
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
[21]
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
[22]
[23]
본 발명의 일 양태는 공기-아연 이차전지에 관한 것으로, 보다 구체적으로 양극; 음극; 상기 양극 및 음극 사이에 개재되는 분리막; 및 상기 음극과 분리막 사이에 수용되고, 양극의 일부를 함침하는 전해액;을 포함하되, 상기 분리막의 적어도 한 쪽 면에 칼륨이온(K +) 확산 방지층이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
[24]
[25]
본 발명에서 상기 양극은 통상적으로 알려진 바와 같이 공기확산층, 탄소층 및 양극 집전체로 이루어져 있으며, 상기 공기확산층은 외부 공기 중의 수분 및 이산화탄소가 전지 내로 유입되는 것을 차단하여 공기-아연 이차전지의 수명을 연장하기 위하여 테프론 등과 같은 소수성 막 소재로 이루어진 것이 바람직하고, 상기 탄소층은 유입되는 산소와 반응하여 하기 화학식 1의 반응을 일으키며, 상기 양극 집전체는 상기 탄소층의 화학반응을 통해 생성된 전자를 집전하는 것으로서 금속과 같은 도전성 소재로 이루어진 메쉬 구조인 것이 바람직하다.
[26]
[27]
[화학식 1]
[28]
O 2 + 2H 2O + 4e - ↔ 4OH -
[29]
[30]
본 발명에서 상기 음극은 음극 집전체로 구성되며, 상기 음극인 음극 집전체와 분리막 사이에 전해액이 수용된다. 상기 전해액은 아연(Zn), 수산화 칼륨(KOH) 및 물(H 2O)이 혼합된 슬러리 형태로 되어 있으며, 상기 전해액은 분리막을 통과하여 상기 탄소층의 일부를 함침하면서 기액 계면을 이루게 된다. 상기 음극 집전체는 수용되어 있는 전해액이 하기 화학식 2의 반응을 일으킴으로써 음극으로서 기능한다.
[31]
[32]
[화학식 2]
[33]
Zn + 2OH - ↔ Zn(OH) 2 + 2e -
[34]
Zn + OH - ↔ ZnO + H 2O + 2e -
[35]
[36]
본 발명에서 상기 분리막은 상기 양극과 음극 간 단락을 방지하기 위하여 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 것으로, 상기 양극의 탄소층에서 산소와 화학반응을 통해 발생한 수산화 이온을 음극으로 전달하는 역할도 해야 하므로, 폴리프로필렌(Polypropylene) 등과 같은 이온 투과성을 가지는 소재로 이루어진 것이 바람직하다.
[37]
본 발명에서 상기 분리막은 복수의 통공이 형성되어 있는 다공성 분리막으로서, 전해액 내의 칼륨 이온(K +)이 양극 측으로 이동하는 것을 방지하기 위하여 상기 분리막의 적어도 한 쪽 면에 칼륨이온(K +) 확산 방지층이 형성되어 있는 것이 바람직할 수 있다.
[38]
[39]
본 발명에서 상기 칼륨이온(K +) 확산 방지층은 칼륨이온에 대한 확산 차단 특성을 가지는 물질이라면 어떠한 것이라도 사용가능하나, 전해액 내의 수산화 칼륨(KOH)과 반응하지 않는 산화티탄, 산화지르코늄 및 산화주석으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상인 것 바람직하다.
[40]
[41]
또한, 상기 칼륨이온(K +) 확산 방지층은 스퍼터링 증착 또는 화학 기상 증착(CVD) 등의 공정에 의해 상기 분리막의 한쪽 면 또는 양쪽 면에 형성할 수 있다.
[42]
[43]
본 발명의 일 양태에 따른 공기-아연 전지는 분리막의 적어도 한 쪽 면에 칼륨이온(K +) 확산 방지층이 형성되어 있어, 전해액 내의 칼륨 이온이 상기 분리막을 통과하지 못하게 되어 상기 칼륨 이온이 양극 측으로 이동하여 석출되는 것을 안정적으로 차단할 수 있으며, 이에 따라 칼륨 이온의 석출에 의한 탄소층의 파괴를 방지할 수 있고, 결과적으로 공기-아연 이차전지의 성능 저하를 최소화할 수 있게 된다.
[44]
[45]
본 발명의 다른 양태는 공기-아연 이차전지에 관한 것으로, 보다 구체적으로 양극; 음극; 상기 양극 및 음극 사이에 개재되는 분리막; 및 상기 음극과 분리막 사이에 수용되고, 양극의 일부를 함침하는 전해액;을 포함하되, 상기 양극은 공기확산층 및 탄소층이 순차적으로 적층되어 있고, 상기 탄소층의 분리막과 마주보는 쪽 면에 칼륨이온(K +) 확산 방지층이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
[46]
[47]
본 발명의 다른 양태에서 상기 칼륨이온(K +) 확산 방지층은 전해액 내의 칼륨 이온(K +)이 양극 측으로 진입하는 것을 방지하기 위하여 상기 양극 중 탄소층의 분리막과 마주보는 쪽 면에 칼륨이온(K +) 확산 방지층이 형성되어 있는 것이 바람직할 수 있다.
[48]
[49]
상기 칼륨이온(K +) 확산 방지층은 칼륨이온에 대한 확산 차단 특성을 가지는 물질이라면 어떠한 것이라도 사용가능하나, 전해액 내의 수산화 칼륨(KOH)과 반응하지 않는 산화티탄, 산화지르코늄 및 산화주석으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상인 것 바람직하다.
[50]
[51]
또한, 상기 칼륨이온(K +) 확산 방지층은 스퍼터링 증착 또는 화학 기상 증착(CVD) 등의 공정을 통해 탄소층의 표면에 형성될 수 있다.
[52]
[53]
본 발명의 다른 양태에 따른 공기-아연 전지는 양극 중 탄소층의 분리막과 마주보는 쪽 면에 칼륨이온(K +) 확산 방지층이 형성되어 있어, 전해액 내의 칼륨 이온이 상기 탄소층의 최외각 면을 통과하지 못하게 되어 상기 칼륨 이온이 탄소층으로 이동하여 석출되는 것을 안정적으로 차단할 수 있으며, 이에 따라 칼륨 이온의 석출에 의한 탄소층의 파괴를 방지할 수 있고, 결과적으로 공기-아연 이차전지의 성능 저하를 최소화할 수 있게 된다.
[54]
[55]
이하에서는 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 도면에 도시된 일예를 통해 설명하다. 하지만, 하기 도면에 도시된 일예는 본 발명을 설명하기 위한 예시에 지나지 않으며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니다.
[56]
[57]
도 1은 본 발명에 따른 공기-아연 이차전지의 일예에 대한 구조를 도시한 것으로, 도 1에 의하면 본 발명에 따른 공기-아연 이차전지는 양극, 분리막(40), 전해액(50) 및 음극 집전체(60)를 포함하여 구성된다.
[58]
먼저, 상기 양극은 탄소층(20), 탄소층(20)의 내부에 형성되는 금속 메쉬 형태의 양극 집전체(30) 및 탄소층(20)의 상부에 형성되는 테프론층(10)을 포함한다.
[59]
그리고, 탄소층(20)의 하부에 분리막(40)이 개재되며, 상기 분리막(40)과 일정 간격 이격하여 음극인 음극 집전체(60)가 형성된다.
[60]
전해액(50)은 아연(Zn), 수산화 칼륨(KOH) 및 물(H 2O)이 혼합된 슬러리 형태로 형성되어 분리막(40)과 음극인 음극 집전체(60)의 사이에 수용된다. 이때, 상기 전해액(50)이 상기 분리막(40)을 통과하여 탄소층(20)의 일부를 함침하여 기액 계면(21)을 이루게 된다.
[61]
[62]
도 1에 의하면, 칼륨이온(K +) 확산 방지층(70)이 분리막(40)의 일측 면에 형성되어 있으며, 상기 분리막(40)에 형성되어 있는 칼륨이온(K +) 확산 방지층(70)에 의해 전해액(50) 내에 존재하는 칼륨 이온(K +)이 상기 분리막(40)을 통과하지 못하게 되며, 이에 따라 칼륨 이온의 석출에 의한 탄소층(20)의 파괴를 방지할 수 있다.
[63]
[64]
도 2는 본 발명에 따른 공기-아연 이차전지의 다른 예에 대한 구조를 도시한 것으로, 도 2에 의하면 테프론층(10), 탄소층(20), 양극 집전체(30), 분리막(40), 전해액(50) 및 음극 집전체(60)에 관한 기본적인 구조는 상기 도 1의 공기-아연 이차전지와 동일하다.
[65]
[66]
도 2에 의하면, 칼륨이온(K +) 확산 방지층(70)이 탄소층(20)의 분리막(40)과 마주보는 쪽 면에 형성되어 있으며, 상기 탄소층(20)의 최외각 면에 형성되어 있는 칼륨이온(K +) 확산 방지층(70)에 의해 전해액(50) 내에 존재하는 칼륨 이온(K +)이 상기 탄소층(20) 내로 진입하지 못하게 되며, 이에 따라 칼륨 이온의 석출에 의한 탄소층(20)의 파괴를 억제할 수 있다.
[67]
[68]
이상에 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 본 발명의 범위는 상기의 상세한 설명보다는 후술할 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
[69]
[70]

청구범위

[청구항 1]
양극; 음극; 상기 양극 및 음극 사이에 개재되는 분리막; 및 상기 음극, 분리막 및 양극의 일부를 함침하는 전해액;을 포함하되, 상기 분리막의 적어도 한 쪽 면에 칼륨이온(K +) 확산 방지층이 형성되어 있는 공기-아연 이차 전지.
[청구항 2]
제 1항에 있어서, 상기 칼륨이온(K +) 확산 방지층은 산화티탄, 산화지르코늄 및 산화주석으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 공기-아연 이차전지.
[청구항 3]
양극; 음극; 상기 양극 및 음극 사이에 개재되는 분리막; 및 상기 음극, 분리막 및 양극의 일부를 함침하는 전해액;을 포함하되, 상기 양극은 공기확산층 및 탄소층이 순차적으로 적층되어 있고, 상기 탄소층의 분리막과 마주보는 쪽 면에 칼륨이온(K +) 확산 방지층이 형성되어 있는 공기-아연 이차 전지.
[청구항 4]
제 3항에 있어서, 상기 칼륨이온(K +) 확산 방지층은 산화티탄, 산화지르코늄 및 산화주석으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 공기-아연 이차전지.

도면

[도1]

[도2]