WO2018048002A1 - Liquid metal battery - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a liquid metal battery, and more particularly to a liquid metal battery that can improve the electrochemical stability.
- Liquid metal batteries is a battery that can provide a high energy density and power density, attracting attention as a next-generation battery for storing a large amount of electrical energy, such as in the energy storage system (ESS).
- ESS energy storage system
- the liquid metal battery uses high density electricity by ion exchange through the active material and electrolyte in the liquid by using the difference in density of the liquid anode, the liquid electrolyte and the liquid cathode and the immiscible property. Capacity can be implemented.
- the problem to be solved by the present invention is to provide a liquid metal battery with improved electrochemical stability and electrical properties.
- an aspect of the present invention provides a liquid metal battery.
- the liquid metal cell is connected to the solid electrolyte through a liquid anode, a solid electrolyte disposed on the liquid anode, a liquid cathode disposed on the solid electrolyte, a positive electrode current collector in contact with the liquid anode, and the liquid cathode.
- a negative electrode current collector having a spring shape.
- the negative electrode current collector may be configured to maintain contact between the solid electrolyte and the liquid positive electrode when the liquid positive electrode expands or contracts in a depth direction.
- the negative electrode current collector may include a plurality of springs connected to the solid electrolyte to provide an elastic force against a volume change of the liquid positive electrode.
- the solid electrolyte may have a curved shape between the liquid anode and the liquid cathode.
- the solid electrolyte may include a flat portion parallel to the surface of the liquid cathode, and a plurality of recesses bent upward or downward from the flat portion.
- the thickness of the recess may be less than or equal to the thickness of the flat portion.
- the positive electrode current collector may accommodate the liquid positive electrode, the solid electrolyte and the liquid negative electrode.
- the solid electrolyte may extend upwardly to surround the liquid negative electrode between the liquid negative electrode and the positive electrode current collector.
- One of the inner side of the positive electrode current collector and the outer side of the solid electrolyte is provided with a protrusion for limiting the volume change of the liquid positive electrode, the other of the inner side of the positive electrode current collector and the outer side of the solid electrolyte
- a recess may be formed in the protrusion to accommodate the protrusion.
- the liquid positive electrode may be further disposed between the solid electrolyte and the positive electrode current collector.
- the liquid positive electrode may be sealed by the solid electrolyte and the positive electrode current collector.
- the positive electrode current collector may have a spring shape passing through the liquid positive electrode and connected to the solid electrolyte.
- the negative electrode current collector and the positive electrode current collector may each have a plurality of spring shapes.
- the elastic modulus of the spring of the positive electrode current collector may be the same as the elastic modulus of the spring of the negative electrode current collector.
- the liquid negative electrode and the liquid positive electrode can be sufficiently separated, As a result, self-discharge can be reduced.
- the solid electrolyte can be moved in close contact with the liquid positive electrode and the liquid negative electrode according to the change in the depth direction due to the volume expansion and contraction of the liquid positive electrode. And it is possible to improve the electrochemical stability at the time of driving while sealing the cathode.
- the solid electrolyte has a curved shape between the liquid anode and the liquid cathode, the surface area of the solid electrolyte capable of ion migration can be increased, thereby increasing the charge / discharge rate of the liquid metal battery.
- the elastic movement of the solid electrolyte may be smoothed according to the volume change of the liquid positive electrode and the negative electrode, and the surface area collected in the liquid negative electrode may be increased.
- the electric capacity of the liquid metal battery can be improved.
- the spring-shaped positive electrode current collector is further connected to the solid electrolyte through the liquid positive electrode, thereby increasing the positive electrode current collecting area and maintaining contact between the liquid positive electrode and the solid electrolyte according to the volume change of the liquid positive electrode. .
- FIG. 1 is a cross-sectional view showing a liquid metal battery in one embodiment of the present invention.
- FIG. 2 is a partial perspective view illustrating the liquid metal battery of FIG. 1.
- 3A and 3B are cross-sectional views illustrating movement of a solid electrolyte when driving a liquid metal battery according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 4 is a cross-sectional view showing a solid electrolyte of a liquid metal battery according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a liquid metal battery according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a liquid metal battery according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 7 is a cross-sectional view showing a liquid metal battery according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating a liquid metal battery according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 9 is a cross-sectional view showing a liquid metal battery according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 1 is a cross-sectional view showing a liquid metal battery in one embodiment of the present invention.
- FIG. 2 is a partial perspective view illustrating the liquid metal battery of FIG. 1.
- the liquid metal battery according to the present embodiment includes a positive electrode 100, an electrolyte 200, a negative electrode 300, a positive electrode current collector 150, and a negative electrode current collector 350.
- the liquid metal battery may further include a vacuum valve 400 and a current collector protection part 370.
- the positive electrode 100 and the negative electrode 300 When the liquid metal battery is driven, i.e., charged or discharged, the positive electrode 100 and the negative electrode 300 have a liquid state, and the electrolyte 200 is kept in a solid state. At this time, the solid electrolyte 200 may have a density greater than that of the liquid anode 100, but the solid electrolyte 200 is supported by the negative electrode current collector 350 connected thereto, such that the liquid anode 100 and The liquid cathode 300 may be separated and positioned on the liquid anode 100.
- the liquid anode 100 may include a metal of Group II-VI.
- the liquid anode 100 may include at least one selected from the group consisting of Al, Zn, Ga, Cd, In, Sn, Sb, Te, Hg, Ti, Pb, Bi, and alloys thereof.
- the liquid anode 100 has a greater density than the liquid cathode 300 and may have a melting point of 1000 ° C. or less.
- the melting point of the liquid anode 100 may be about 253 ° C. Accordingly, the liquid metal battery can be driven even in a low temperature (300 ° C or less) environment.
- the liquid cathode 300 may include an alkali metal or an alkaline earth metal.
- the liquid cathode 300 may include at least one selected from the group consisting of Li, Na, Mg, K, Ca, Rb, Sr, Cs, Ba, and alloys thereof.
- the liquid cathode 300 has a smaller density than the liquid anode 100 and may have a melting point of 1000 ° C. or less.
- the liquid metal battery may be driven at a melting point of about 180 ° C. even in a low temperature (300 ° C. or less) environment.
- the solid electrolyte 200 may separate the liquid anode 100 and the liquid cathode 300.
- the solid electrolyte 200 is disposed between the liquid anode 100 and the liquid cathode 300.
- the solid electrolyte 200 is connected to the negative electrode current collector 350 having a spring shape and supported by the negative electrode current collector 350 so as to be held on the liquid positive electrode 100.
- the solid electrolyte 200 may seal the liquid positive electrode 100 together with the positive electrode current collector 150. As described below, the position of the solid electrolyte 200 may be moved up and down as the liquid anode 100 is expanded or contracted in the depth direction according to the driving of the liquid metal battery.
- the melting point of the solid electrolyte 200 may be much higher than the driving temperature of the liquid metal cell.
- the solid electrolyte 200 may include a material having an ion conductivity while melting point exceeds 1000 ° C., such as beta-alumina, CaF 2, or the like.
- the solid electrolyte 200 may have a predetermined thickness such that metal ions from the liquid cathode 300 are not transferred to the liquid anode 100 when charging the liquid metal battery.
- the solid electrolyte 200 may have a thickness of 0.1 mm to 10 mm.
- the thickness of the solid electrolyte 200 is less than 0.1 mm, metal ions from the liquid cathode 300 may be transferred to the liquid anode 100 to cause self-discharging, and the solid electrolyte 200 If the thickness is greater than 10 mm, the ion migration distance between the liquid anode 100 and the liquid cathode 300 is increased, thereby reducing the capacitance of the liquid metal battery.
- the thickness of the solid electrolyte 200 may be thinner than the thickness set so as not to self-discharging when the liquid metal battery has a liquid electrolyte.
- the metal ions from the liquid cathode are infiltrated into the liquid electrolyte and then moved to the liquid anode, so that self discharge is generated.
- the electrolyte 200 in the solid state since the electrolyte 200 in the solid state is used during operation, the amount of the metal ions that are infiltrated from the liquid cathode 300 is greatly reduced, so that the metal ions by the solid electrolyte 200 Movement of the liquid metal battery may be prevented even if the solid electrolyte 200 has a thin thickness.
- the solid electrolyte 200 not only separates the liquid anode 100 and the liquid cathode 300, but also surrounds the liquid cathode 300 between the liquid cathode 300 and the liquid current collector 150. May be further extended upwards.
- the volume of the liquid cathode 300 may also expand or contract. A portion extending upward of the solid electrolyte 200 may be expanded in the solid electrolyte 200 even if the volume of the liquid cathode 300 expands.
- the accommodated liquid negative electrode 300 may have an appropriate height so as not to overflow the outside of the receiving space of the solid electrolyte 200.
- the liquid anode 100 leaks through a gap between the liquid anode 100 and the cathode current collector 150 when the volume of the liquid anode 100 is expanded, thereby causing the liquid metal to leak.
- the risk of shorting the battery can be prevented, and the liquid positive electrode 100 can be more tightly sealed.
- the positive electrode current collector 150 may accommodate the liquid positive electrode 100, the solid electrolyte 200, and the liquid negative electrode 300, and may at least partially accommodate the negative electrode current collector 350.
- the liquid positive electrode 100, the solid electrolyte 200, and the liquid negative electrode 300 may be sealed in the positive electrode current collector 150.
- an empty space 410 may be positioned on the liquid cathode 300 to accommodate a volume change of the liquid anode 100 and / or the liquid cathode 300.
- the empty space 410 may be maintained in a vacuum state by removing the gas remaining through the vacuum valve 400. As a result, a small amount of gases such as Ar, O 2 , and H 2 O remaining in the empty space 410 may be prevented from being reduced as the battery is reacted with the liquid cathode 300 and oxidized.
- the negative electrode current collector 350 may have a spring shape, at least a part of which is immersed in the liquid negative electrode 300 and connected to the solid electrolyte 200.
- the negative electrode current collector 350 supports the solid electrolyte 200 to be disposed on the liquid positive electrode 100, while maintaining the contact between the liquid positive electrode 100 and the solid electrolyte 200 when the volume of the liquid positive electrode expands. It may be elastically contracted to raise 200, and may be elastically stretched to lower the solid electrolyte 200 while maintaining contact between the liquid anode 100 and the solid electrolyte 200 when the volume of the liquid anode is contracted. have. In this case, since the liquid cathode 300 is disposed in the receiving space of the solid electrolyte 200, the contact with the solid electrolyte 200 is always maintained regardless of the volume expansion and contraction of the liquid anode 100.
- the contact between the solid electrolyte 200 and the liquid anode 100 is maintained even when the volume of the liquid anode 100 expands or contracts, such that the ion movement distance through the solid electrolyte 200 is increased. It can be kept constant, and thus the electrical characteristics of the liquid metal battery can be maintained.
- the current collector protection unit 370 may include an insulating material, and may partially wrap the outer surface of the negative electrode current collector 350 to prevent a short circuit with the positive electrode current collector 100.
- 3A and 3B are cross-sectional views illustrating movement of a solid electrolyte when driving a liquid metal battery according to an embodiment of the present invention.
- 3A and 3B only the liquid anode 100, the solid electrolyte 200, and the liquid cathode 300 are briefly illustrated for convenience of description.
- FIG. 3A the state just before the liquid metal battery is discharged is shown.
- the molten metal constituting the liquid cathode 300 when the liquid metal battery is being discharged (discharging), the molten metal constituting the liquid cathode 300, a metal cation (50) and an electron (e -) is dissociated by, e (e -) is
- the negative electrode current collector 350 is transferred to an external circuit terminal, and the metal cation 50 may move to the liquid positive electrode 100 through the solid electrolyte 200.
- the composition of the liquid anode 100 may be changed to a liquid alloy containing the metal cation 50 from the liquid cathode 300.
- the volume of the liquid anode 100 starts to increase.
- the liquid anode 100 may expand in the depth direction, and the solid electrolyte 200 may move upward.
- the solid electrolyte 200 is moved upward by the elastic contraction of the negative electrode current collector 350, so that the contact with the liquid positive electrode 100 can be maintained well.
- FIG. 3B the state just before the liquid metal battery is charged is illustrated.
- electrons provided through the negative electrode current collector 350 from an external circuit terminal are dissociated from the liquid alloy included in the liquid anode 100 to be solid electrolyte (
- the volume of the liquid cathode 300 is increased, the volume of the liquid anode 100 is reduced.
- the liquid anode 100 may shrink in the depth direction, and the solid electrolyte 200 may move downward.
- the solid electrolyte 200 is moved downward by its own density and elastic extension of the negative electrode current collector 350, so that the contact with the liquid positive electrode 100 can be maintained well.
- FIG. 4 is a cross-sectional view showing a solid electrolyte of a liquid metal battery according to an embodiment of the present invention.
- the solid electrolyte 200 of the liquid metal battery may have a curved shape between the liquid anode 100 and the liquid cathode 300.
- the solid electrolyte 200 may include a flat portion 201 parallel to the surface of the liquid cathode 300, and a plurality of recesses 203 bent upward or downward from the flat portion 201.
- the depression 203 is formed to increase the ion transport area of the liquid anode 100 and the liquid cathode 300 sandwiching the solid electrolyte 200, and the thickness of the depression 203 is the flat portion 201. It may be less than or equal to the thickness of. This is because when the thickness of the recessed portion 203 is thicker than the flat portion 201, the effect of increasing the ion transport area of the liquid anode 100 and the liquid cathode 300 with the solid electrolyte 200 therebetween becomes small.
- the solid electrolyte 200 includes the depression 203 that is bent upward or downward, an area in which the ions 50 may move between the liquid anode 100 and the liquid cathode 300 may be increased.
- electrical characteristics such as charge and discharge rates of the liquid metal battery including the solid electrolyte 200 may be improved.
- the negative electrode current collector 350 in which the electrons 70 are collected may be connected to the flat portion 350 to stably provide an elastic force with respect to the vertical movement of the solid electrolyte 200.
- stress is concentrated on the recessed portion to which the negative electrode current collector 350 is connected, and the recessed portion may be formed by repeated vertical movement of the solid electrolyte 200. This is because self-discharge may be caused by damage to 203).
- the depressions 203 that are bent downward from the flat portion 201 of the solid electrolyte 200 to a predetermined height H are shown.
- the solid electrolyte 200 may be formed to have a plurality of depressions 203 arranged entirely without the flat portion 201, or one U-shaped curved portion 201 of the solid electrolyte 200 may be curved.
- the depression 203 may be formed.
- FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a liquid metal battery according to an embodiment of the present invention.
- a predetermined space may be defined between a vertically extending side of the positive electrode current collector 150 and a vertically extending side of the solid electrolyte 200. Accordingly, during volume expansion and contraction of the liquid anode 100, the liquid anode 100 may contact the side of the solid electrolyte 200 as well as the lower portion of the solid electrolyte 200. However, the height A in which the expanded liquid anode 100 is in contact with the side of the solid electrolyte 200 may not exceed the height of the side of the solid electrolyte 200.
- the ion transport area can be increased, and the electrical characteristics of the liquid metal battery are improved. Can be.
- FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a liquid metal battery according to an embodiment of the present invention.
- the liquid metal battery according to the present embodiment is the same as the embodiment shown in FIG. 1 except that the negative electrode current collector has a plurality of spring shapes 350a, 350b, and 350c, and therefore, the same component may be used. The description is omitted.
- the negative electrode current collector 350 since the negative electrode current collector 350 has a plurality of springs 350a, 350b, and 350c shapes, a current collecting area through which electrons dissociated in the liquid negative electrode 300 can be greatly increased. . In detail, since the negative electrode current collector 350 has a plurality of spring shapes, the surface area of the portion immersed in the liquid negative electrode 300 may be increased, thereby improving electrical characteristics such as capacitance of the liquid metal battery. Can be.
- the vertical movement of the solid electrolyte 200 may be more smoothly performed due to elastic elongation and elastic contraction.
- the contact with the solid electrolyte 200 according to the volume change of may be better maintained.
- FIG. 7 is a cross-sectional view showing a liquid metal battery according to an embodiment of the present invention.
- the liquid metal battery according to the present embodiment is the same as the embodiment shown in FIG. 1 except that the cathode current collector 150 further has a spring shape 170 connected to the solid electrolyte 200. Do.
- the positive electrode current collector 150 has a spring shape 170 connected to the solid electrolyte, thereby increasing the current collecting area of the positive electrode current collector 150 in contact with the liquid positive electrode 100, as well as the solid electrolyte. Elastic elongation and contraction with respect to 200 can be made more gentle. For example, when it is difficult to support the solid electrolyte 200 only by the spring of the negative electrode current collector 350, the spring 170 of the positive electrode current collector 150 connected to the lower portion of the solid electrolyte 200 is elastically stretched. By further supporting the solid electrolyte 200, the vertical movement of the solid electrolyte 200 may be smoother. According to an embodiment, the spring 170 of the positive electrode current collector 150 and the spring 350 of the negative electrode current collector have substantially the same elastic modulus, so that the elastic movement of the solid electrolyte 200 may be more smoothly performed. .
- FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating a liquid metal battery according to an embodiment of the present invention.
- the current collecting area of the negative electrode current collector 350 and the current collecting area of the positive electrode current collector 170 may respectively increase, and accordingly, the electrical capacity such as the capacitance of the liquid metal battery is increased. Properties can be improved.
- the upper and lower portions of the solid electrolyte 200 respectively, by supporting a plurality of springs by elastic expansion and elastic contraction, the vertical movement of the solid electrolyte 200 can be smoothed.
- FIG. 9 is a cross-sectional view showing a liquid metal battery according to an embodiment of the present invention.
- the protrusion 210 is formed on the outer surface of the solid electrolyte 200, and the protrusion 210 is accommodated on the inner surface of the positive electrode current collector 150. Except that the recess 151 is formed, it is the same as the embodiment shown in FIG.
- the liquid positive electrode 100 of the liquid metal cell may partially leak into a gap between the side of the solid electrolyte 200 and the positive electrode current collector 150 according to volume expansion and contraction.
- the liquid leaks along the side of the solid electrolyte 200 by the protrusion 210 formed on the outer surface of the solid electrolyte 200 and the recess 151 formed on the inner surface of the positive electrode current collector 150.
- the protrusion 210 moves up and down in the space R of the recess 151 and is caught by the top or bottom of the recess 151, the volume expansion of the liquid anode 100 is within a predetermined range. Can be adjusted.
- the protrusion 210 of the solid electrolyte 200 and the recess 151 of the positive electrode current collector 150 the liquid anode 100 surrounded by the solid electrolyte 200 and the positive electrode current collector 150 is more visible. It can be securely sealed.
- the support force by the locking may be further provided so that the solid electrolyte 200 may be raised or lowered more stably on the liquid anode 100.
- the protrusion 210 is formed on the outer surface of the solid electrolyte 200, and the recess 151 is formed on the inner surface of the positive electrode current collector 150.
- a recessed portion may be formed on the outer side of the solid electrolyte 200, and a protrusion may be formed on the inner side of the positive electrode current collector.
- an insulation protection part (not shown) may be further disposed between the outer side of the solid electrolyte 200 and the inner side of the positive electrode current collector 150.
- the outer side of the solid electrolyte 200, the positive electrode current collector ( A protrusion may be formed on at least one of the inner side of the 150 and the insulation protection unit, and a recessed portion may be formed on at least the other.
- the liquid metal cell includes a solid electrolyte, thereby reducing the metal ions of the liquid negative electrode infiltrated into the electrolyte to sufficiently separate the liquid negative electrode and the liquid positive electrode, thereby reducing self-discharge. You can.
- the solid electrolyte can be moved in close contact with the liquid positive electrode and the liquid negative electrode according to the change in the depth direction due to the volume expansion and contraction of the liquid positive electrode. And it is possible to improve the electrochemical stability at the time of driving while sealing the cathode.
- the solid electrolyte has a curved shape between the liquid anode and the liquid cathode, the surface area of the solid electrolyte capable of ion migration can be increased, thereby increasing the charge / discharge rate of the liquid metal battery.
- the elastic movement of the solid electrolyte may be smoothed according to the volume change of the liquid positive electrode and the negative electrode, and the surface area collected in the liquid negative electrode may be increased.
- the capacitance of the liquid metal battery can be improved.
- the spring-shaped positive electrode current collector is further connected to the solid electrolyte through the liquid positive electrode, thereby increasing the positive electrode current collecting area and maintaining contact between the liquid positive electrode and the solid electrolyte according to the volume change of the liquid positive electrode. .
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Abstract
Description
본 발명은 액체금속전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기화학적 안정도를 향상시킬 수 있는 액체금속전지에 관한 것이다.The present invention relates to a liquid metal battery, and more particularly to a liquid metal battery that can improve the electrochemical stability.
액체금속전지(liquid metal battery)는 높은 에너지 밀도 및 전력 밀도를 제공할 수 있는 전지로서, ESS(energy storage system)등에서와 같이 대용량의 전기에너지를 저장하기 위한 차세대 전지로 주목 받고 있다. 액체금속전지는 약 450℃의 고온에서 동작되는 경우, 액체 양극, 액체 전해질 및 액체 음극의 밀도 차이와 서로 혼합되지 않는(immiscible) 특성을 이용하여 액상의 활물질 및 전해질을 통한 이온 교환에 의해 높은 전기용량을 구현할 수 있다.Liquid metal batteries (liquid metal battery) is a battery that can provide a high energy density and power density, attracting attention as a next-generation battery for storing a large amount of electrical energy, such as in the energy storage system (ESS). When the liquid metal battery is operated at a high temperature of about 450 ° C., the liquid metal battery uses high density electricity by ion exchange through the active material and electrolyte in the liquid by using the difference in density of the liquid anode, the liquid electrolyte and the liquid cathode and the immiscible property. Capacity can be implemented.
그러나, 액체금속전지가 구동되는 고온 환경에서는 액체 음극으로부터의 이온들이 액체 전해질 내부에 침윤됨에 따라, 액체 전해질에 의해 액체 음극과 액체 양극이 완전하게 분리되지 않기 때문에, 충전(charging) 동작시에도 침윤된 음극 이온들이 액체 양극과 반응하는 자가방전(self-discharging)의 문제가 있으며, 액체 음극에 포함되는 이온 함량이 일정 수준 이상으로 많은 경우에도 자가방전이 일어나는 문제가 있다.However, in the high temperature environment in which the liquid metal battery is driven, as the ions from the liquid negative electrode are infiltrated into the liquid electrolyte, the liquid negative electrode and the liquid positive electrode are not completely separated by the liquid electrolyte, and therefore, infiltrate during the charging operation. There is a problem of self-discharging in which the negative ions react with the liquid anode, and self-discharge occurs even when the amount of ions contained in the liquid negative electrode is higher than a predetermined level.
이러한 자가방전을 방지하기 위해 액체 전해질의 두께를 증가시키는 경우, 전지 내부의 저항이 증가하고 전기용량이 감소하는 단점이 있으며, 액체 양극, 액체 전해질 및 액체 음극이 자가방전되지 않으면서도 전기용량이 증가될 수 있는 액체금속전지의 적절한 두께 범위를 찾기 어려운 문제가 있다.When the thickness of the liquid electrolyte is increased in order to prevent such self discharge, there is a disadvantage in that the resistance inside the battery is increased and the capacitance is decreased. There is a problem that it is difficult to find an appropriate thickness range of the liquid metal battery.
또한, 액체금속전지가 450℃ 내외의 고온에서 구동됨에 따라, 진공 중에 잔류하는 미량의 Ar, O2, H2O 등의 기체들이 반응성 높은 고온의 액체 전극과 반응하여 액체 전극이 산화되어 전기용량을 감소시키며, 전지 구동 환경인 고온에서 요구되는 높은 수준의 밀봉(sealing)이 실질적으로 어려운 기술적 한계가 있다.In addition, as the liquid metal battery is driven at a high temperature of about 450 ° C., a small amount of gases such as Ar, O 2 , H 2 O remaining in the vacuum reacts with the highly reactive high temperature liquid electrode, and the liquid electrode is oxidized, thereby causing the capacitance. And a high level of sealing required at high temperature, which is a battery driving environment, is substantially difficult.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전기화학적 안정도 및 전기적 특성을 향상시킨 액체금속전지를 제공하는 것이다.The problem to be solved by the present invention is to provide a liquid metal battery with improved electrochemical stability and electrical properties.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 측면은 액체금속전지를 제공한다. 상기 액체금속전지는 액체 양극, 상기 액체 양극 상에 배치되는 고체전해질, 상기 고체전해질 상에 배치되는 액체 음극, 상기 액체 양극에 접하는 양극 집전체, 및 상기 액체 음극을 관통하여 상기 고체전해질에 연결되는 스프링 형상을 갖는 음극 집전체를 포함한다.In order to solve the above problems, an aspect of the present invention provides a liquid metal battery. The liquid metal cell is connected to the solid electrolyte through a liquid anode, a solid electrolyte disposed on the liquid anode, a liquid cathode disposed on the solid electrolyte, a positive electrode current collector in contact with the liquid anode, and the liquid cathode. And a negative electrode current collector having a spring shape.
상기 음극 집전체는, 상기 액체 양극이 깊이 방향으로 팽창되거나 수축되는 경우, 상기 고체전해질과 상기 액체 양극 사이의 접촉을 유지시키도록 구성될 수 있다.The negative electrode current collector may be configured to maintain contact between the solid electrolyte and the liquid positive electrode when the liquid positive electrode expands or contracts in a depth direction.
상기 음극 집전체는 상기 액체 양극의 부피 변화에 대해 탄성력을 제공하도록 상기 고체전해질에 연결되는 복수의 스프링을 포함할 수 있다.The negative electrode current collector may include a plurality of springs connected to the solid electrolyte to provide an elastic force against a volume change of the liquid positive electrode.
상기 고체전해질은 상기 액체 양극 및 액체 음극 사이에서 굴곡된 형상을 가질 수 있다.The solid electrolyte may have a curved shape between the liquid anode and the liquid cathode.
상기 고체전해질은 상기 액체 음극의 표면과 나란한 평탄부, 및 상기 평탄부로부터 상부 또는 하부로 굴곡되는 복수의 함몰부를 포함할 수 있다.The solid electrolyte may include a flat portion parallel to the surface of the liquid cathode, and a plurality of recesses bent upward or downward from the flat portion.
상기 함몰부의 두께는 상기 평탄부의 두께와 같거나 그보다 작을 수 있다.The thickness of the recess may be less than or equal to the thickness of the flat portion.
상기 양극 집전체는 상기 액체 양극, 상기 고체전해질 및 상기 액체 음극을 수용할 수 있다.The positive electrode current collector may accommodate the liquid positive electrode, the solid electrolyte and the liquid negative electrode.
상기 고체전해질은 상기 액체 음극 및 상기 양극 집전체의 사이에서 상기 액체 음극을 둘러싸도록 상부로 연장될 수 있다.The solid electrolyte may extend upwardly to surround the liquid negative electrode between the liquid negative electrode and the positive electrode current collector.
상기 양극 집전체의 내측면 및 상기 고체전해질의 외측면 중 어느 하나에는 상기 액체 양극의 부피 변화를 제한하기 위한 돌출부가 형성되고, 상기 양극 집전체의 내측면 및 상기 고체전해질의 외측면 중 다른 하나에는 상기 돌출부를 수용하기 위한 리세스부가 형성될 수 있다.One of the inner side of the positive electrode current collector and the outer side of the solid electrolyte is provided with a protrusion for limiting the volume change of the liquid positive electrode, the other of the inner side of the positive electrode current collector and the outer side of the solid electrolyte A recess may be formed in the protrusion to accommodate the protrusion.
상기 액체 양극은 상기 고체전해질 및 상기 양극 집전체의 사이에 더 배치될 수 있다.The liquid positive electrode may be further disposed between the solid electrolyte and the positive electrode current collector.
상기 액체 양극은 상기 고체전해질 및 상기 양극 집전체에 의해 밀봉될 수 있다.The liquid positive electrode may be sealed by the solid electrolyte and the positive electrode current collector.
상기 양극 집전체는, 상기 액체 양극을 관통하여 상기 고체전해질에 연결되는 스프링 형상을 가질 수 있다.The positive electrode current collector may have a spring shape passing through the liquid positive electrode and connected to the solid electrolyte.
상기 음극 집전체 및 양극 집전체는 각각, 복수의 스프링 형상을 가질 수 있다.The negative electrode current collector and the positive electrode current collector may each have a plurality of spring shapes.
상기 양극 집전체의 스프링의 탄성 계수는, 상기 음극 집전체의 스프링의 탄성 계수와 동일할 수 있다.The elastic modulus of the spring of the positive electrode current collector may be the same as the elastic modulus of the spring of the negative electrode current collector.
본 발명에 따르면, 액체금속전지의 양극, 전해질 및 음극을 모두 액상(all-liquid)으로 구동하는 대신, 전해질로서 얇은 두께의 고체전해질을 사용함으로써, 액체 음극과 액체 양극을 충분히 분리시킬 수 있고, 그에 따라 자가방전을 감소시킬 수 있다.According to the present invention, instead of driving all of the positive electrode, the electrolyte and the negative electrode of the liquid metal battery into an all-liquid, by using a thin solid electrolyte as the electrolyte, the liquid negative electrode and the liquid positive electrode can be sufficiently separated, As a result, self-discharge can be reduced.
또한, 음극 집전체가 스프링 형상으로 고체전해질에 연결됨에 따라, 액체 양극의 부피 팽창 및 수축에 따른 깊이 방향의 변화에 대하여 고체전해질을 액체 양극 및 액체 음극에 밀착하여 이동시킬 수 있고, 그에 따라 양극 및 음극을 밀봉시키면서도 구동 시의 전기화학적 안정성을 향상시킬 수 있다.In addition, as the negative electrode current collector is connected to the solid electrolyte in a spring shape, the solid electrolyte can be moved in close contact with the liquid positive electrode and the liquid negative electrode according to the change in the depth direction due to the volume expansion and contraction of the liquid positive electrode. And it is possible to improve the electrochemical stability at the time of driving while sealing the cathode.
또한, 고체전해질이 액체 양극 및 액체 음극 사이에서 굴곡된 형상을 가짐으로써, 이온 이동이 가능한 고체전해질의 표면적을 증가시킬 수 있고, 그에 따라 액체금속전지의 충방전 속도를 증가시킬 수 있다.In addition, since the solid electrolyte has a curved shape between the liquid anode and the liquid cathode, the surface area of the solid electrolyte capable of ion migration can be increased, thereby increasing the charge / discharge rate of the liquid metal battery.
또한, 고체전해질에 대해 복수의 스프링 형상을 갖는 음극 집전체가 연결됨에 따라 액체 양극 및 음극의 부피 변화에 따른 고체전해질의 탄성 이동을 완만하게 할 수 있고, 액체 음극 내에서 집전되는 표면적을 증가시켜, 액체금속전지의 전기 용량을 향상시킬 수 있다.In addition, as the negative electrode current collector having a plurality of spring shapes is connected to the solid electrolyte, the elastic movement of the solid electrolyte may be smoothed according to the volume change of the liquid positive electrode and the negative electrode, and the surface area collected in the liquid negative electrode may be increased. In addition, the electric capacity of the liquid metal battery can be improved.
또한, 고체전해질에 대해 액체 양극을 통해 스프링 형상의 양극 집전체가 더 연결됨으로써, 양극 집전 면적을 보다 증가시킬 수 있으며, 액체 양극의 부피 변화에 따른 액체 양극과 고체전해질의 접촉을 유지시킬 수 있다.In addition, the spring-shaped positive electrode current collector is further connected to the solid electrolyte through the liquid positive electrode, thereby increasing the positive electrode current collecting area and maintaining contact between the liquid positive electrode and the solid electrolyte according to the volume change of the liquid positive electrode. .
다만, 발명의 효과는 상기에서 언급한 효과로 제한되지 아니하며, 언급되지 않은 또 다른 효과들을 하기의 기재로부터 당업자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.However, the effects of the invention are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 액체금속전지를 도시한 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a liquid metal battery in one embodiment of the present invention.
도 2는 도 1의 액체금속전지를 도시한 부분 사시도이다.FIG. 2 is a partial perspective view illustrating the liquid metal battery of FIG. 1.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체금속전지의 구동 시 고체전해질의 이동을 도시한 단면도들이다.3A and 3B are cross-sectional views illustrating movement of a solid electrolyte when driving a liquid metal battery according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체금속전지의 고체전해질을 도시한 단면도이다.4 is a cross-sectional view showing a solid electrolyte of a liquid metal battery according to an embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체금속전지를 도시한 단면도이다.5 is a cross-sectional view illustrating a liquid metal battery according to an embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체금속전지를 도시한 단면도이다.6 is a cross-sectional view illustrating a liquid metal battery according to an embodiment of the present invention.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체금속전지를 도시한 단면도이다.7 is a cross-sectional view showing a liquid metal battery according to an embodiment of the present invention.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체금속전지를 도시한 단면도이다.8 is a cross-sectional view illustrating a liquid metal battery according to an embodiment of the present invention.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체금속전지를 도시한 단면도이다.9 is a cross-sectional view showing a liquid metal battery according to an embodiment of the present invention.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings in order to describe the present invention in more detail. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms.
도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장 또는 축소된 것일 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참고번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.In the drawings, the thicknesses of layers and regions may be exaggerated or reduced for clarity. Like reference numerals denote like elements throughout the specification.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 액체금속전지를 도시한 단면도이다. 도 2는 도 1의 액체금속전지를 도시한 부분 사시도이다.1 is a cross-sectional view showing a liquid metal battery in one embodiment of the present invention. FIG. 2 is a partial perspective view illustrating the liquid metal battery of FIG. 1.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 액체금속전지는 양극(100), 전해질(200), 음극(300), 양극 집전체(150) 및 음극 집전체(350)를 포함한다. 액체금속전지는 진공 밸브(400) 및 집전체 보호부(370)를 더 포함할 수 있다.1 and 2, the liquid metal battery according to the present embodiment includes a
액체금속전지가 구동될 때, 즉, 충전 또는 방전될 때, 양극(100) 및 음극(300)은 액체 상태를 가지고, 전해질(200)은 고체 상태로 유지된다. 이때, 고체전해질(200)은 액체 양극(100)의 밀도보다 더 큰 밀도를 가질 수 있으나, 고체전해질(200)은 그에 연결되는 음극 집전체(350)에 의해 지지되어, 액체 양극(100) 및 액체 음극(300)을 구분시킨 채, 액체 양극(100) 상에 위치될 수 있다.When the liquid metal battery is driven, i.e., charged or discharged, the
액체 양극(100)은 II-VI족의 금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 액체 양극(100)은 Al, Zn, Ga, Cd, In, Sn, Sb, Te, Hg, Ti, Pb, Bi 및 이들의 합금으로 구성되는 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 액체 양극(100)은 액체 음극(300)보다 더 큰 밀도를 가지며, 1000℃ 이하의 녹는점을 가질 수 있다. 예를 들어, 액체 양극(100)이 Sb-Pb의 합금을 포함하는 경우, 액체 양극(100)의 녹는점은 약 253℃일 수 있다. 이에 따라, 액체금속전지가 저온(300℃ 이하) 환경에서도 구동될 수 있다.The
액체 음극(300)은 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 액체 음극(300)은 Li, Na, Mg, K, Ca, Rb, Sr, Cs, Ba 및 이들의 합금으로 구성되는 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 액체 음극(300)은 액체 양극(100)보다 더 작은 밀도를 가지고, 1000℃ 이하의 녹는점을 가질 수 있다. 예를 들어, 액체 음극(300)이 Li을 포함하는 경우, 녹는점이 약 180℃으로서 저온(300℃ 이하) 환경에서도 액체금속전지가 구동될 수 있다.The
고체전해질(200)은 액체 양극(100) 및 액체 음극(300)을 분리(separation)할 수 있다. 고체전해질(200)은 액체 양극(100) 및 액체 음극(300) 사이에 배치된다. 고체전해질(200)은 스프링 형상을 갖는 음극 집전체(350)에 연결되며, 음극 집전체(350)에 의해 액체 양극(100) 상에 유지되도록 지지된다. 고체전해질(200)은 양극 집전체(150)와 함께 액체 양극(100)을 밀봉시킬 수 있다. 이하 상술되지만, 고체전해질(200)의 위치는 액체금속전지의 구동에 따라 액체 양극(100)이 깊이 방향으로 팽창 또는 수축됨에 따라 위아래로 이동될 수 있다. 이 경우, 고체전해질(200)에 연결되고 탄성력을 제공하는 음극 집전체(350)에 의해 고체전해질(200)의 위치가 상하로 이동됨에 따라 액체 양극(100)과 고체전해질(200)의 접촉이 유지될 수 있다.The
고체전해질(200)의 녹는점은 액체금속전지의 구동 온도보다 훨씬 높을 수 있다. 예를 들어, 고체전해질(200)은 beta-alumina, CaF2 등과 같이, 녹는점이 1000℃를 초과하면서 이온전도도를 갖는 재질을 포함할 수 있다.The melting point of the
고체전해질(200)은 액체금속전지의 충전(charging) 시, 액체 음극(300)으로부터의 금속 이온이 액체 양극(100)에 전달되지 않도록 소정의 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 고체전해질(200)은 0.1 mm 내지 10 mm의 두께를 가질 수 있다. 고체전해질(200)의 두께가 0.1 mm보다 작으면 액체 음극(300)으로부터의 금속 이온이 액체 양극(100)으로 전달되어 자가방전(self-discharging)되는 문제가 발생할 수 있으며, 고체전해질(200)의 두께가 10 mm보다 크면 액체 양극(100) 및 액체 음극(300) 사이의 이온 이동거리가 증가하여 액체금속전지의 전기용량이 감소될 수 있다.The
한편, 고체전해질(200)의 두께는, 액체금속전지가 액체 전해질을 갖는 경우에 자가방전(self-discharging)되지 않도록 설정되는 두께보다 얇을 수 있다. 액체금속전지가 액체 전해질을 갖는 경우, 액체 전해질의 두께가 얇으면 액체 음극으로부터의 금속 이온이 액체 전해질에 침윤되어 있다가 액체 양극으로 이동되어 자가방전이 발생되므로 일정 수준 이상의 두께를 가져야만 한다. 그러나, 본 실시예에 따른 액체금속전지에서는 구동 시, 고체 상태의 전해질(200)이 사용되므로, 액체 음극(300)으로부터 침윤되는 금속 이온의 양이 크게 감소하여 고체전해질(200)에 의한 금속 이온의 이동이 감소되며, 고체전해질(200)이 얇은 두께를 갖더라도 액체금속전지의 자가방전이 방지될 수 있다.On the other hand, the thickness of the
본 실시예에서, 고체전해질(200)은 액체 양극(100) 및 액체 음극(300)을 분리시킬 뿐만 아니라, 액체 음극(300) 및 액체 집전체(150)의 사이에서 액체 음극(300)을 둘러싸도록 상부로 더 연장될 수 있다. 액체금속전지의 구동 시, 액체 음극(300)의 부피 또한 팽창하거나 수축할 수 있는데, 고체전해질(200)의 상부로 연장된 부분은 액체 음극(300)의 부피가 팽창하더라도 고체전해질(200) 내에 수용된 액체 음극(300)이 고체전해질(200)의 수용 공간 외부로 가득 차 넘치지 않도록 적절한 높이를 가질 수 있다. 또한, 이로 인해, 액체금속전지의 구동 시, 액체 양극(100)의 부피가 팽창될 때 액체 양극(100)과 양극 집전체(150) 사이의 틈을 통해 액체 양극(100)이 누설되어 액체금속전지가 단락(short)될 위험을 방지할 수 있으며, 액체 양극(100)을 보다 견고히 밀봉할 수 있다.In this embodiment, the
양극 집전체(150)는 액체 양극(100), 고체전해질(200) 및 액체 음극(300)을 수용할 수 있으며, 음극 집전체(350)를 적어도 부분적으로 수용할 수 있다. 실시예에 따라, 액체 양극(100), 고체전해질(200) 및 액체 음극(300)은 양극 집전체(150) 내에 밀봉될 수 있다. 이 경우, 액체 음극(300) 상에는 액체 양극(100) 및/또는 액체 음극(300)의 부피 변화를 수용하기 위한 빈 공간(410)이 위치될 수 있다. 상기 빈 공간(410)은 진공 밸브(400)를 통해 잔류하는 기체들이 제거되어 진공 상태로 유지될 수 있다. 그에 따라, 빈 공간(410) 내에 잔류하는 미량의 Ar, O2, H2O 등의 기체들이 액체 음극(300)과 반응하여 산화됨에 따라 전지의 전기용량이 감소되는 것을 방지할 수 있다.The positive electrode
음극 집전체(350)는 적어도 일부가 액체 음극(300) 내에 침지(immerse)되어 고체전해질(200)에 연결되는, 스프링 형상을 가질 수 있다. 음극 집전체(350)는 고체전해질(200)이 액체 양극(100) 위에 배치되도록 지지하면서도, 액체 양극의 부피가 팽창할 때에는 액체 양극(100)과 고체전해질(200)의 접촉을 유지시키면서 고체전해질(200)을 상승시키도록 탄성 수축될 수 있고, 액체 양극의 부피가 수축될 때에는 액체 양극(100)과 고체전해질(200)의 접촉을 유지시키면서 고체전해질(200)을 하강시키도록 탄성 신장될 수 있다. 이때, 액체 음극(300)은 고체전해질(200)의 수용 공간 내에 배치되므로, 액체 양극(100)의 부피 팽창 및 수축에 관계없이 고체전해질(200)과의 접촉이 항상 유지된다.The negative electrode
이와 같이, 액체금속전지의 구동 시, 액체 양극(100)의 부피가 팽창하거나 수축하더라도 고체전해질(200)과 액체 양극(100)의 접촉이 유지됨으로써, 고체전해질(200)을 통한 이온 이동거리가 일정하게 유지될 수 있고, 그에 따라 액체금속전지의 전기적 특성이 유지될 수 있다.As such, when the liquid metal battery is driven, the contact between the
한편, 집전체 보호부(370)는 절연 재질을 포함하며, 음극 집전체(350)의 외면을 부분적으로 감싸 양극 집전체(100)와의 단락을 방지할 수 있다.On the other hand, the current
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체금속전지의 구동 시 고체전해질의 이동을 도시한 단면도들이다. 도 3a 및 도 3b에서는 설명의 편의를 위해 액체 양극(100), 고체전해질(200) 및 액체 음극(300)만 간략하게 도시되었다.3A and 3B are cross-sectional views illustrating movement of a solid electrolyte when driving a liquid metal battery according to an embodiment of the present invention. 3A and 3B, only the
도 3a에서는 액체금속전지가 방전되기 직전의 상태가 도시되었다. 도 3a를 참조하면, 액체금속전지가 방전(discharging)되는 경우, 액체 음극(300)을 구성하는 용융된 금속이 금속 양이온(50) 및 전자(e-)로 해리되어, 전자(e-)는 음극 집전체(350)를 통해 외부의 회로 단자로 전달되며, 금속 양이온(50)은 고체전해질(200)을 통해 액체 양극(100)으로 이동할 수 있다. 이에 따라, 액체 양극(100)의 조성은 액체 음극(300)으로부터의 금속 양이온(50)이 포함된 액체 합금으로 변경될 수 있다. 이때, 액체 양극(100)에 금속 양이온(50)이 전달되어 합금 반응이 일어남에 따라 액체 양극(100)의 부피가 증가하기 시작한다. 액체 양극(100)의 부피가 증가됨에 따라 액체 양극(100)이 깊이 방향으로 팽창되고, 고체전해질(200)이 상향 이동될 수 있다. 이때, 고체전해질(200)은 음극 집전체(350)의 탄성 수축에 의해 상향 이동됨으로써, 액체 양극(100)과의 접촉이 잘 유지될 수 있다.In FIG. 3A, the state just before the liquid metal battery is discharged is shown. Referring to Figure 3a, when the liquid metal battery is being discharged (discharging), the molten metal constituting the
도 3b에서는 액체금속전지가 충전되기 직전의 상태가 도시되었다. 도 3b를 참조하면, 액체금속전지가 충전(charging)되는 경우, 외부의 회로 단자로부터 음극 집전체(350)를 통해 제공된 전자가, 액체 양극(100)에 포함된 액체 합금으로부터 해리되어 고체전해질(200)을 통해 이동된 금속 양이온(50)과 결합됨에 따라, 액체 음극(300)의 부피가 증가하게 되고, 액체 양극(100)의 부피가 감소하게 된다. 액체 양극(100)의 부피가 감소함에 따라 액체 양극(100)이 깊이 방향으로 수축되고, 고체전해질(200)이 하향 이동될 수 있다. 이때, 고체전해질(200)은 자체 밀도 및 음극 집전체(350)의 탄성 신장에 의해 하향 이동됨으로써, 액체 양극(100)과의 접촉이 잘 유지될 수 있다.In FIG. 3B, the state just before the liquid metal battery is charged is illustrated. Referring to FIG. 3B, when the liquid metal cell is charged, electrons provided through the negative electrode
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체금속전지의 고체전해질을 도시한 단면도이다.4 is a cross-sectional view showing a solid electrolyte of a liquid metal battery according to an embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 액체금속전지의 고체전해질(200)은 액체 양극(100) 및 액체 음극(300) 사이에서, 굴곡된 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 고체전해질(200)은 액체 음극(300)의 표면과 나란한 평탄부(201)와, 평탄부(201)로부터 상부 또는 하부로 굴곡되는 복수의 함몰부(203)를 포함할 수 있다. 함몰부(203)는 고체전해질(200)을 사이에 두는 액체 양극(100) 및 액체 음극(300)의 이온 이동 면적을 증가시키기 위해 형성된 것으로, 함몰부(203)의 두께는 평탄부(201)의 두께와 같거나 그보다 작을 수 있다. 함몰부(203)의 두께가 평탄부(201)보다 두꺼운 경우, 고체전해질(200)을 사이에 둔 액체 양극(100) 및 액체 음극(300)의 이온 이동 면적의 증가 효과가 작아지기 때문이다.Referring to FIG. 4, the
이처럼, 고체전해질(200)이 상부 또는 하부로 굴곡되는 함몰부(203)를 포함함으로써, 액체 양극(100) 및 액체 음극(300) 사이에서 이온(50)이 이동할 수 있는 면적이 증가될 수 있고, 고체전해질(200)을 포함한 액체금속전지의 충방전 속도 등의 전기적 특성이 향상될 수 있다. 이 경우, 전자(70)들이 집전되는 음극 집전체(350)는 평탄부(350)에 연결되어, 고체전해질(200)의 상하 방향의 이동에 대해 탄성력을 안정적으로 제공할 수 있다. 음극 집전체(350)가 함몰부(203)에 연결되는 경우에는, 음극 집전체(350)가 연결되는 함몰 부분에 응력이 집중되어, 고체전해질(200)의 반복된 상하 운동에 의해 함몰부(203)가 손상됨으로써 자가방전이 야기될 수 있기 때문이다.As such, since the
도 4에서는 고체전해질(200)의 평탄부(201)로부터 소정의 높이(H)로 하향 굴곡되는 함몰부(203)들이 도시되었으나, 이는 예시적인 것으로서, 다른 실시예들에서, 함몰부(203)들 모두는 액체 음극(300)이 위치된 상부로 굴곡되거나, 일부는 상부로 굴곡되고 일부는 하부로 굴곡될 수 있다. 또는, 고체전해질(200)은 평탄부(201) 없이 전체적으로 배열되는 복수의 함몰부(203)를 갖도록 형성되거나, 고체전해질(200)의 평탄부(201) 자체가 만곡된 하나의 U-자형의 함몰부(203)를 형성할 수 있다.In FIG. 4, the
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체금속전지를 도시한 단면도이다.5 is a cross-sectional view illustrating a liquid metal battery according to an embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, 본 실시예에서 액체금속전지는 양극 집전체(150)의 수직 연장되는 측부와 고체전해질(200)의 수직 연장되는 측부 사이에 소정의 공간이 정의될 수 있다. 이에 따라, 액체 양극(100)의 부피 팽창 및 수축 시, 고체전해질(200)의 하부뿐만 아니라, 고체전해질(200)의 측부에도 액체 양극(100)이 접촉할 수 있다. 다만, 팽창된 액체 양극(100)이 고체전해질(200)의 측부에 접하는 높이(A)는 고체전해질(200)의 측부의 높이를 넘지 못한다. 본 실시예에서, 고체전해질(200)의 하부 및 측부를 사이에 두고 액체 양극(100) 및 액체 음극(300)이 접함으로써, 이온 이동 면적이 증가될 수 있고, 액체금속전지의 전기적 특성이 향상될 수 있다.Referring to FIG. 5, in the liquid metal battery according to the present embodiment, a predetermined space may be defined between a vertically extending side of the positive electrode
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체금속전지를 도시한 단면도이다.6 is a cross-sectional view illustrating a liquid metal battery according to an embodiment of the present invention.
도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 액체금속전지는 음극 집전체가 복수의 스프링 형상(350a, 350b, 350c)을 갖는 것을 제외하면 도 1에 도시된 실시예와 동일하므로, 동일한 구성요소에 대한 설명은 생략한다.Referring to FIG. 6, the liquid metal battery according to the present embodiment is the same as the embodiment shown in FIG. 1 except that the negative electrode current collector has a plurality of
본 실시예에서, 음극 집전체(350)가 복수의 스프링(350a, 350b, 350c) 형상을 가짐으로써, 액체 음극(300) 내에서 해리되는 전자가 집전될 수 있는 집전 면적이 크게 증가될 수 있다. 구체적으로, 음극 집전체(350)가 복수의 스프링 형상을 가짐으로써, 액체 음극(300) 내에 침지되는 부분의 표면적이 증가될 수 있고, 그로 인해 액체금속전지의 전기용량 등의 전기적 특성이 향상될 수 있다.In the present embodiment, since the negative electrode
또한, 음극 집전체(350)가 갖는 스프링 형상이 복수 개로 증가함에 따라, 탄성 신장 및 탄성 수축에 따른 고체전해질(200)의 상하 이동이 보다 완만하게 수행될 수 있으며, 그로 인해 액체 양극(100)의 부피 변화에 따른 고체전해질(200)과의 접촉이 더욱 잘 유지시킬 수 있다.In addition, as the spring shape of the negative electrode
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체금속전지를 도시한 단면도이다.7 is a cross-sectional view showing a liquid metal battery according to an embodiment of the present invention.
도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 액체금속전지는 양극 집전체(150)가 고체전해질(200)에 연결되는 스프링 형상(170)을 더 갖는 것을 제외하면 도 1에 도시된 실시예와 동일하다.Referring to FIG. 7, the liquid metal battery according to the present embodiment is the same as the embodiment shown in FIG. 1 except that the cathode
본 실시예에서, 양극 집전체(150)가 고체전해질에 연결되는 스프링 형상(170)을 가짐으로써, 액체 양극(100)과 접하는 양극 집전체(150)의 집전 면적이 증가될 뿐만 아니라, 고체전해질(200)에 대한 탄성 신장 및 수축이 보다 완만하게 이뤄질 수 있다. 예를 들어, 음극 집전체(350)의 스프링만으로 고체전해질(200)을 지지하기 어려운 경우, 고체전해질(200)의 하부에 연결되는 양극 집전체(150)의 스프링(170)이 탄성 신축에 의해 고체전해질(200)을 더 지지함으로써, 고체전해질(200)의 상하 이동이 보다 완만해질 수 있다. 실시예에 따라, 양극 집전체(150)의 스프링(170) 및 음극 집전체의 스프링(350)이 실질적으로 동일한 탄성 계수를 가짐으로써, 고체전해질(200)의 탄성 이동이 보다 완만하게 이뤄질 수 있다.In the present embodiment, the positive electrode
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체금속전지를 도시한 단면도이다.8 is a cross-sectional view illustrating a liquid metal battery according to an embodiment of the present invention.
도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 액체금속전지는 양극 집전체(150)의 스프링 형상(170a, 170b, 170c) 및 음극 집전체의 스프링 형상(350a, 350b)이 복수인 점을 제외하면, 도 7에 도시된 실시예와 동일하다.Referring to FIG. 8, in the liquid metal battery according to the present embodiment, except that the spring shapes 170a, 170b and 170c of the positive electrode
본 실시예에서, 스프링이 복수로 증가함에 따라, 음극 집전체(350)의 집전 면적과 양극 집전체(170)의 집전 면적이 각각 증가할 수 있고, 그에 따라 액체금속전지의 전기용량 등의 전기적 특성이 향상될 수 있다.In the present embodiment, as the spring is increased in plural, the current collecting area of the negative electrode
또한, 고체전해질(200)의 상부 및 하부에서 각각, 복수의 스프링들이 탄성 신장 및 탄성 수축에 의해 지지함으로써, 고체전해질(200)의 상하 이동이 완만해질 수 있다.In addition, the upper and lower portions of the
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체금속전지를 도시한 단면도이다.9 is a cross-sectional view showing a liquid metal battery according to an embodiment of the present invention.
도 9를 참조하면, 본 실시예에 따른 액체금속전지는 고체전해질(200)의 외측면에 돌출부(210)가 형성되고, 양극 집전체(150)의 내측면에 돌출부(210)를 수용하는 리세스(recess)부(151)가 형성된 점을 제외하면, 도 1에 도시된 실시예와 동일하다.Referring to FIG. 9, in the liquid metal battery according to the present exemplary embodiment, the
도 1의 실시예에서, 액체금속전지의 액체 양극(100)은 부피 팽창 및 수축에 따라 고체전해질(200)의 측부 및 양극 집전체(150) 사이의 틈으로 부분적으로 누설될 수 있는데, 본 실시예에서는 고체전해질(200)의 외측면에 형성된 돌출부(210)와, 양극 집전체(150)의 내측면에 형성된 리세스부(151)에 의해, 고체전해질(200)의 측부를 따라 누설되는 액체 양극이 이동해야 하는 길이가 증가됨으로써, 액체 양극(100)의 누설이 보다 확실하게 방지될 수 있다. 또한, 리세스부(151)의 공간(R) 내에서 돌출부(210)가 상하 이동하다가 리세스부(151)의 상단 또는 하단에 의해 걸림으로써, 액체 양극(100)의 부피 팽창이 일정 범위 내에서 조절될 수 있다. 이러한 고체전해질(200)의 돌출부(210) 및 양극 집전체(150)의 리세스부(151)에 의해, 고체전해질(200) 및 양극 집전체(150)에 의해 둘러싸인 액체 양극(100)이 보다 확실하게 밀봉될 수 있다.In the embodiment of FIG. 1, the liquid
또한, 액체 양극(100)의 부피 팽창 및 수축 시, 리세스부(151)의 상단 또는 하단에 돌출부(210)가 걸리게 함으로써, 고체전해질(200)에 연결된 음극 집전체(350)에 의한 탄성 지지뿐만 아니라, 걸림에 의한 지지력이 더 제공되어 고체전해질(200)이 액체 양극(100) 상에서 보다 안정적으로 상승 또는 하강될 수 있다.In addition, when the volume expansion and contraction of the
한편, 도 9에서는 고체전해질(200)의 외측면에 돌출부(210)가 형성되고, 양극 집전체(150)의 내측면에 리세스부(151)가 형성되는 것으로 도시되었으나, 이는 예시적인 것으로서, 그와 반대로, 고체전해질(200)의 외측면에 리세스부가 형성되고, 양극 집전체의 내측면에 돌출부가 형성될 수도 있다. 또한, 고체전해질(200)의 외측부 및 양극 집전체(150)의 내측부 사이에 절연 보호부(미도시됨)가 더 배치될 수 있으며, 이 경우, 고체전해질(200)의 외측부, 양극 집전체(150)의 내측부, 및 절연 보호부 중 적어도 어느 하나에 돌출부가, 적어도 다른 하나에 리세스부가 형성될 수도 있다.Meanwhile, in FIG. 9, the
이상에서와 같이, 본 발명에 따르면, 액체금속전지가 고체전해질을 포함함으로써, 전해질로 침윤되는 액체 음극의 금속 이온을 감소시켜 액체 음극과 액체 양극을 충분히 분리시킬 수 있고, 그에 따라 자가방전을 감소시킬 수 있다.As described above, according to the present invention, the liquid metal cell includes a solid electrolyte, thereby reducing the metal ions of the liquid negative electrode infiltrated into the electrolyte to sufficiently separate the liquid negative electrode and the liquid positive electrode, thereby reducing self-discharge. You can.
또한, 음극 집전체가 스프링 형상으로 고체전해질에 연결됨에 따라, 액체 양극의 부피 팽창 및 수축에 따른 깊이 방향의 변화에 대하여 고체전해질을 액체 양극 및 액체 음극에 밀착하여 이동시킬 수 있고, 그에 따라 양극 및 음극을 밀봉시키면서도 구동 시의 전기화학적 안정성을 향상시킬 수 있다.In addition, as the negative electrode current collector is connected to the solid electrolyte in a spring shape, the solid electrolyte can be moved in close contact with the liquid positive electrode and the liquid negative electrode according to the change in the depth direction due to the volume expansion and contraction of the liquid positive electrode. And it is possible to improve the electrochemical stability at the time of driving while sealing the cathode.
또한, 고체전해질이 액체 양극 및 액체 음극 사이에서 굴곡된 형상을 가짐으로써, 이온 이동이 가능한 고체전해질의 표면적을 증가시킬 수 있고, 그에 따라 액체금속전지의 충방전 속도를 증가시킬 수 있다.In addition, since the solid electrolyte has a curved shape between the liquid anode and the liquid cathode, the surface area of the solid electrolyte capable of ion migration can be increased, thereby increasing the charge / discharge rate of the liquid metal battery.
또한, 고체전해질에 대해 복수의 스프링 형상을 갖는 음극 집전체가 연결됨에 따라 액체 양극 및 음극의 부피 변화에 따른 고체전해질의 탄성 이동을 완만하게 할 수 있고, 액체 음극 내에서 집전되는 표면적을 증가시켜, 액체금속전지의 전기용량을 향상시킬 수 있다.In addition, as the negative electrode current collector having a plurality of spring shapes is connected to the solid electrolyte, the elastic movement of the solid electrolyte may be smoothed according to the volume change of the liquid positive electrode and the negative electrode, and the surface area collected in the liquid negative electrode may be increased. In addition, the capacitance of the liquid metal battery can be improved.
또한, 고체전해질에 대해 액체 양극을 통해 스프링 형상의 양극 집전체가 더 연결됨으로써, 양극 집전 면적을 보다 증가시킬 수 있으며, 액체 양극의 부피 변화에 따른 액체 양극과 고체전해질의 접촉을 유지시킬 수 있다.In addition, the spring-shaped positive electrode current collector is further connected to the solid electrolyte through the liquid positive electrode, thereby increasing the positive electrode current collecting area and maintaining contact between the liquid positive electrode and the solid electrolyte according to the volume change of the liquid positive electrode. .
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.On the other hand, the embodiments of the present invention disclosed in the specification and drawings are merely presented specific examples to aid understanding, and are not intended to limit the scope of the present invention. It is apparent to those skilled in the art that other modifications based on the technical idea of the present invention can be carried out in addition to the embodiments disclosed herein.
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN110429271A (en) * | 2019-08-12 | 2019-11-08 | 易航时代(北京)科技有限公司 | A kind of high temperature fluent metal lithium battery and preparation method thereof |
| CN113594558A (en) * | 2021-07-06 | 2021-11-02 | 华中科技大学 | Liquid metal battery and preparation method thereof |
Families Citing this family (1)
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|---|---|---|---|---|
| KR102232831B1 (en) | 2020-05-21 | 2021-03-26 | 국방과학연구소 | Liquid metal battery and energy storage device comprising the same |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3922176A (en) * | 1973-01-03 | 1975-11-25 | Electricity Council | Electrochemical cells having a liquid alkali metal electrode |
| JPH06349520A (en) * | 1993-06-03 | 1994-12-22 | Hitachi Ltd | Method for producing beta-alumina solid electrolyte tube and high temperature secondary battery using the same |
| US20110014503A1 (en) * | 2009-07-20 | 2011-01-20 | David Bradwell | Alkaline earth metal ion battery |
| US20120129056A1 (en) * | 2010-03-12 | 2012-05-24 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Negative electrode material for battery, negative electrode precursor material for battery, and battery |
| CN103280604B (en) * | 2013-05-14 | 2015-06-10 | 清华大学 | Liquid energy storage battery monomer structure with floating body electrolytes |
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3922176A (en) * | 1973-01-03 | 1975-11-25 | Electricity Council | Electrochemical cells having a liquid alkali metal electrode |
| JPH06349520A (en) * | 1993-06-03 | 1994-12-22 | Hitachi Ltd | Method for producing beta-alumina solid electrolyte tube and high temperature secondary battery using the same |
| US20110014503A1 (en) * | 2009-07-20 | 2011-01-20 | David Bradwell | Alkaline earth metal ion battery |
| US20120129056A1 (en) * | 2010-03-12 | 2012-05-24 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Negative electrode material for battery, negative electrode precursor material for battery, and battery |
| CN103280604B (en) * | 2013-05-14 | 2015-06-10 | 清华大学 | Liquid energy storage battery monomer structure with floating body electrolytes |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110429271A (en) * | 2019-08-12 | 2019-11-08 | 易航时代(北京)科技有限公司 | A kind of high temperature fluent metal lithium battery and preparation method thereof |
| CN110429271B (en) * | 2019-08-12 | 2021-02-05 | 易航时代(北京)科技有限公司 | High-temperature liquid metal lithium battery and preparation method thereof |
| CN113594558A (en) * | 2021-07-06 | 2021-11-02 | 华中科技大学 | Liquid metal battery and preparation method thereof |
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