본 특허는 일정 조성비로 혼합된 금속 합금폼이 롤투롤(roll-to-roll) 공정에 의해 압착 가공되면서 대량생산이 가능한 열전지 음극 제조방법에 관한 기술임

• 본 특허는 열전지의 안정성과 용량을 향상시킨 기술로 전지교체가 어렵거나 장기간 교체없이 비상대기용으로 사용하는 분야에 적용 가능함

∨에너지 시추장비 시추중 측정∨차세대 전원용 에너지 모듈, 리튬전지 음극재료

∨혹한기 환경에서의 비상전원 장치

• 리튬-실리콘 합금 및 액체 리튬전극의 단점을 보완하고 이를 대체할 수 있는 열전지 음극물질에 대한 기술의 개발이 필요함

• 열전지 음극의 제조시 금속합금 폼의 조성을 설계하여 가압환경에서의 변형을 줄이고 반응성을 낮춰 안정성 및 방전성능을 향상시킬 수 있으며, 제조시 롤투롤 공정을 도입함으로써 연속적인 공정에 의해 대량생산이 가능함

• 금속합금 폼을 풀어서 이송수단에 공급하는 제1롤러, 용융된 리튬이 담긴 용기, 금속 합금 폼에 함침된 리튬을 급냉시키는 아르곤 분사기, 리튬이 함침된 금속합금폼을 일정 두께를 갖도록 압착하여 가공하는 프레스 롤러 및 금속합금 폼을 회수하여 되감는 제2롤러로 구성됨

• 제1롤러에 감겨 있던 금속합금 폼이 이송 수단에 공급되어 400℃이하의 리튬용탕을 통과하면 공극 내로 리튬이 함침되고, 함침된 리튬이 아르곤 분사기를 통과할 때 아르곤을 분사하여 급랭시킴으로써 질화물의 형성을 방지함

• 그 후 연속적으로 리튬이 함침된 금속 합금 폼을 압착하여 가공하면 일정 두께를 갖게 되고 제2롤러로 회수하여 감겨지고, 아르곤 분사 이후에는 프레스롤러에 의해 리튬이 함침된 금속 합금폼을 소정 두께로 압착 가공하면서 목표 두께로 가공되고, 가압환경에서 조립됨

• 열전지는 화약 열원을 이용한 것으로, 상온에서 이온 전도성이 없는 고체 전해질을 사용하여 성능의 열화 및 자가 방전(self discharge)을 차단하는 방식을 채택하고 있음

• 열전지는 그 사용 목적의 특수성으로 인해 전 세계적으로 정부의 통제 하에서 극히 일부의 업체에서 제작하고 있는 상황임

• 주요 업체로는 미국의 Eagle Picher Technologies, LLC와 ENSER Corporation이 있으며, 프랑스의 Aero Spatiale Battery와 영국의 Missiles & Space Batteries 등에서 열전지 생산시설을 보유하고 있는 것으로 확인됨

• 열전지는 열에 의해 활성화되는 비축형 전지로 가혹한 저장환경 및 장시간 저장 요구조건을 만족하기 위해 고안되었으며, 신관, 미사일, 포탄 등 다양한 군 응용 분야에서 짧은 시간동안 고출력을 제공하기 위해 사용되고 있음

• 또한 전장산업의 지속적인 성장으로 인해 접근하기 어렵고, 장기간 저장하며 대체할 수 있는 비상전원 분야에서 수요가 증가하고 있는 추세임

• 리튬배터리 음극재료의 글로벌 시장 크기는 2017년 기준 5조 6666억이지만, 2024년 예상되는 시장 크기는 65조 3326억원으로 상당히 높은 성장이 전망됨

• 리튬 음극 제조에 금속 합금폼 및 롤투롤 기술을 적용하게 되면, 송유관 모니터링과 원유시추장비의 비상용 전원, 차세대 전원용 열전지 모듈의 제조 생산성과 품질 안정성을 향상시킬 수 있을 것으로 기대됨