KR101232263B1 - 리튬-공기 전지용 탄소계 양극 및 이의 제조 방법 - Google Patents

리튬-공기 전지용 탄소계 양극 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 리튬-공기 전지용 탄소계 양극에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연속상의 다공성 집전체(current collector), 및 표면적이 500 내지 2000 ㎡/g이고 공극량이 0.5 내지 5 ㎤/g인 탄소 분말과 바인더 수지를 포함하며, 상기 집전체의 공극 내에 포함되는 조성물을 포함하는 리튬-공기 전지용 탄소계 양극; 상기 탄소 전극의 제조 방법; 및 상기 탄소계 양극을 포함하는 리튬-공기 전지에 관한 것이다.
본 발명에 따른 탄소계 양극은 리튬의 산화반응이 원활하게 일어날 수 있는 최적의 공극을 제공함에 따라, 이를 포함하는 리튬-공기 전지는 방전 성능이 안정적이며, 에너지 밀도가 높고, 이론 방전 용량에 가까운 성능을 발현할 수 있는 장점이 있다.

Description

리튬-공기 전지용 탄소계 양극 및 이의 제조 방법{CARBON-BASED CATHODE FOR LITHIUM-AIR BATTERY AND PREPARATION METHOD THEREOF}
본 발명은 리튬-공기 전지용 탄소계 양극 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 EV(electric vehicles), HEV(hybrid electric vehicles), PHEV(plug-in hybrid electric vehicles) 등에 대한 관심이 증가하면서, 그에 적합한 고용량 이차전지에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
이전에는 LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, LiMnO2 등의 양극 활물질을 사용한 리튬이온 이차전지에 대한 연구가 주를 이루었으나, 에너지 밀도 및 안정성이 떨어지는 문제점이 있다. 이에 리튬이온 이차전지의 양극 활물질에 비하여 이론 전기용량이 약 5~10 배 높은 리튬-공기 전지(또는 리튬-산소 전지)가 주목받고 있다.
리튬-공기 전지는 일반적으로 리튬 금속(음극)/유기 전해액/공기극(양극)의 구성을 가지며, 상기 공기극은 통상적으로 다공질 카본, 금속 산화물 및 바인더 수지 등으로 구성되어 있다. 이러한 리튬-공기 전지는 리튬 금속의 산화에 의한 산화리튬의 생성과 환원에 의한 리튬 금속의 석출의 반복에 의해 충전과 방전을 가능하게 하는 것이다.
그런데, 상기 리튬-공기 전지는 사용 과정에서 상기 다공질 카본의 공극 내에 산화리튬이 석출되어 공극을 막게 되고, 그에 따라 공기(산소)와 접촉을 할 수 없게 되어 방전 성능이 점차 떨어지는 문제점이 있다.
그에 따라, 이론 방전 용량을 발현할 수 있는 리튬-공기 전지를 개발하기 위해 다양한 연구가 이루어지고 있으나, 그 정도가 아직 미흡한 실정이다.
이에 본 발명은 에너지 밀도가 높고 이론 방전 용량에 가까운 성능을 발현할 수 있는 리튬-공기 전지용 탄소계 양극을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 탄소계 양극의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 탄소계 양극을 포함하는 리튬-공기 전지를 제공하기 위한 것이다.
본 발명은, 일 구현예에 따라,
연속상의 다공성 집전체(current collector); 및
표면적이 500 내지 2000 ㎡/g이고 공극량이 0.5 내지 5 ㎤/g인 탄소 분말과 바인더 수지를 포함하며, 상기 집전체의 공극 내에 포함되는 조성물
을 포함하는 리튬-공기 전지용 탄소계 양극을 제공한다.
여기서, 상기 조성물은 바인더 수지 100 중량부에 대하여, 탄소 분말 100 내지 450 중량부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 바인더 수지는 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리테트라플루오로에틸렌 및 폴리트리플루오로스티렌술폰산으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
또한, 상기 집전체는 3차원 니켈 폼(nickel foam)일 수 있다.
또한, 상기 집전체는 기공 밀도가 500 내지 680 ppi인 것일 수 있다.
또한, 상기 조성물은 전해 이산화망간, α-이산화망간, β-이산화망간, 및 γ-이상화망간으로 이루이전 군에서 선택되는 1종 이상의 촉매을 더욱 포함할 수 있다. 이때, 상기 촉매는 바인더 수지 100 중량부에 대하여 100 내지 400 중량부로 포함될 수 있다.
한편 본 발명은, 다른 구현예에 따라,
표면적이 500 내지 2000 ㎡/g이고 공극량이 0.5 내지 5 ㎤/g인 탄소 분말과 바인더 수지를 포함하는 조성물을 준비하는 단계;
상기 조성물을 다공성 집전체(current collector)의 공극 내부에 주입하는 단계; 및
상기 조성물을 포함하는 집전체를 건조하는 단계
를 포함하는 상기 리튬-공기 전지용 탄소계 양극의 제조 방법을 제공한다.
여기서, 상기 조성물을 준비하는 단계는, 탄소 분말과 바인더 수지를 포함하는 조성물을 균질화기에 투입하고, 3000 내지 6000 rpm 하에서 5 내지 120 분간 교반하는 방법으로 수행할 수 있다.
또한, 상기 조성물을 다공성 집전체의 공극 내부에 주입하는 단계는, 상기 조성물에 집전체를 침지하여 1 내지 20 분간 초음파 처리하는 방법으로 수행할 수 있다.
또한, 상기 조성물을 포함하는 집전체를 건조하는 단계는, 70 내지 120 ℃의 진공 오븐 하에서 10 내지 36 시간 동안 건조하는 방법으로 수행할 수 있다.
한편 본 발명은, 또 다른 구현예에 따라, 전술한 탄소계 양극을 포함하는 리튬-공기 전지를 제공한다.
본 발명에 따른 탄소계 양극은 리튬의 산화반응이 원활하게 일어날 수 있는 최적의 공극을 제공함에 따라, 이를 포함하는 리튬-공기 전지는 방전 성능이 안정적이며, 에너지 밀도가 높고, 이론 방전 용량에 가까운 성능을 발현할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 리튬-공기 전지용 탄소계 양극의 형상을 확대 촬영한 전자주사현미경(SEM) 사진이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 리튬-공기 전지의 방전 용량을 측정한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 리튬-공기 전지용 탄소계 양극, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 리튬-공기 전지에 대하여 설명하기로 한다.
본 발명자들은 리튬-공기 전지에 대한 연구를 거듭하는 과정에서, 최적의 표면적 및 공극량을 갖는 탄소 분말을 특정 함량 범위로 사용한 탄소계 양극을 사용할 경우, 리튬의 산화반응이 원활하게 일어날 수 있는 최적의 공극을 제공할 수 있으며, 이를 통해 안정적인 방전 성능을 나타내면서도 이론 방전 용량에 가까운 성능을 발현할 수 있음을 확인하여, 이를 토대로 본 발명을 완성하였다.
이와 같은 본 발명은, 일 구현 예에 따라,
연속상의 다공성 집전체(current collector); 및
표면적이 500 내지 2000 ㎡/g이고 공극량이 0.5 내지 5 ㎤/g인 탄소 분말과 바인더 수지를 포함하며, 상기 집전체의 공극 내에 포함되는 조성물
을 포함하는 리튬-공기 전지용 탄소계 양극을 제공한다.
본 발명에 따른 탄소계 양극은 리튬-공기 전지에 사용되는 공기극으로서, 도 1의 (b)와 같이 연속상의 다공성 집전체(current collector)의 내부에 탄소 분말과 바인더 수지를 포함하는 조성물이 건조된 상태로 포함(결합)되어 있는 구조를 갖는다.
여기서, 상기 다공성 집전체(current collector)는 전극의 치수 안정성을 확보함과 동시에, 활물질인 탄소 분말과의 접촉 저항을 낮추고, 전기 전도도를 향상시키는 역할을 한다.
본 발명에 있어서, 상기 다공성 집전체로는 3차원의 금속 폼(metallic foam)을 사용하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 알루미늄 폼(aluminum foam) 또는 니켈 폼(nickel foam)일 수 있다.
이때, 다공성 집전체에 따른 상기 효과를 발현할 수 있도록 하기 위하여, 상기 다공성 집전체는 기공 밀도가 500 내지 680 ppi(pores per inch), 바람직하게는 500 내지 650 ppi, 보다 바람직하게는 500 내지 600 ppi인 것일 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 리튬-공기 전지용 탄소계 양극은 탄소 분말과 바인더 수지를 포함하는 조성물을 포함한다.
상기 조성물은 전술한 다공성 집전체의 내부에 건조된 상태로 포함(결합)된다.
특히, 상기 조성물에 포함되는 탄소 분말은 단위 중량당 표면적이 500 내지 2000 ㎡/g, 바람직하게는 650 내지 2000 ㎡/g, 보다 바람직하게는 800 내지 2000 ㎡/g인 것일 수 있다. 또한, 상기 탄소 분말은 단위 중량당 공극량이 0.5 내지 5 ㎤/g, 바람직하게는 1 내지 5 ㎤/g, 보다 바람직하게는 1.5 내지 5 ㎤/g인 것일 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 탄소계 양극에 요구되는 최소한의 방전 성능이 발현될 수 있도록 하기 위하여, 상기 탄소 분말은 단위 중량당 표면적이 500 ㎡/g 이상이고, 단위 중량당 공극량이 0.5 ㎤/g 이상인 것이 바람직하다. 또한, 상기 탄소 분말은 표면적과 공극량이 클수록 우수한 물성을 나타낼 수 있어 유리하다.
또한, 상기 조성물에 포함되는 바인더 수지는 상기 탄소 분말을 집전체 내부에 안정적으로 결합시키기 위한 성분이다.
이때, 상기 바인더 수지는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 전도성 고분자일 수 있으며; 바람직하게는 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리테트라플루오로에틸렌 및 폴리트리플루오로스티렌술폰산으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있고; 보다 바람직하게는 폴리비닐리덴플루오라이드일 수 있다.
특히, 본 발명에 따르면, 상기 조성물은 바인더 수지 100 중량부에 대하여, 탄소 분말 100 내지 450 중량부, 바람직하게는 100 내지 400 중량부, 보다 바람직하게는 150 내지 400 중량부를 포함할 수 있다. 즉, 도 1의 (b)와 같이, 상기 조성물은 탄소 분말이 뭉쳐진 상태로 집전체의 공극 내에 결합되는데, 상기 탄소 분말이 집전체의 공극 내에 결합된 형성의 차이에 따라 외부에서 전지에 공급되는 공기의 양에 달라질 수 있고, 나아가 방전 성능에 직접적인 영향을 미치게 된다.
따라서, 본 발명에서 요구하는 최소한의 방전 성능을 나타낼 수 있도록 하기 위하여, 상기 조성물은 바인더 수지 100 중량부에 대하여 탄소 분말을 10 중량부 이상 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 탄소 분말이 과량으로 포함될 경우, 탄소 분말의 뭉침 정도가 심해져 집전체의 공극을 틀어막는 현상이 발생하게 되고, 그에 따라 방전 성능이 떨어지게 되는데, 이러한 현상을 방지하기 위하여, 상기 조성물은 바인더 수지 100 중량부에 대하여 탄소 분말을 450 중량부 이하로 포함하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 조성물은 촉매 성분을 더욱 포함할 수 있다.
상기 촉매는 리튬의 산화 환원 반응을 촉진함으로써 보다 높은 충방전 성능을 나타날 수 있도록 하는 성분이다.
상기 촉매로는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 것을 사용할 수 있으므로, 그 종류를 특별히 제한하지 않는다.
다만, 바람직하게는, 상기 촉매는 전해 이산화망간, α-이산화망간, β-이산화망간, 및 γ-이상화망간으로 이루이전 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있으며; 보다 바람직하게는 전해 이산화망간일 수 있다.
이때, 상기 촉매의 함량은 촉매의 첨가에 따른 최소한의 효과와 첨가 효율 등을 고려하여 결정할 수 있으며, 바람직하게는 상기 바인더 수지 100 중량부에 대하여 상기 촉매 100 내지 400 중량부, 보다 바람직하게는 150 내지 300 중량부로 포함될 수 있다.
또한, 상기 조성물은 전술한 성분들 이외에도, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적으로 사용되는 첨가제를 더욱 포함할 수 있다. 이때, 상기 첨가제의 함량은 본 발명에 따른 탄소계 양극의 물성을 저하시키지 않는 범위 내에서 다양하게 결정할 수 있으므로 특별히 제한하지 않는다.
한편 본 발명은, 다른 구현 예에 따라,
표면적이 500 내지 2000 ㎡/g이고 공극량이 0.5 내지 5 ㎤/g인 탄소 분말과 바인더 수지를 포함하는 조성물을 준비하는 단계;
상기 조성물을 다공성 집전체(current collector)의 공극 내부에 주입하는 단계; 및
상기 조성물을 포함하는 집전체를 건조하는 단계
를 포함하는 상기 리튬-공기 전지용 탄소계 양극의 제조 방법을 제공한다.
이하, 상기 제조 방법에 포함될 수 있는 각 단계에 대해여 보다 상세히 설명한다. 다만, 상기 집전체, 탄소 분말 및 바인더 수지의 물성, 종류 및 함량 등은 앞서 설명한 바와 같으므로, 이에 대해서는 전술한 내용으로 갈음한다.
먼저, 탄소 분말과 바인더 수지를 포함하는 조성물을 준비하는 단계를 수행할 수 있다.
이때, 상기 바인더 수지는 N-메틸피롤로돈(NMP) 등 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 용매에 용융된 상태의 것을 사용할 수 있다. 또한, 보다 원활한 혼합을 위하여, 아세톤 등 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 용매를 더욱 첨가할 수 있다.
상기 바인더 수지에 탄소 분말을 첨가한 후, 보다 안정적인 혼합을 위하여 약 1 내지 30 분 동안 초음파 처리(sonication)를 행할 수 있다. 그 후, 상기 조성물을 균질화기(homogenizer)에 투입하고, 3000 내지 6000 rpm 하에서 5 내지 120 분간 교반하는 방법으로 수행할 수 있다. 즉, 상기 바인더 수지와 탄소 분말의 충분한 혼합을 유도함과 동시에, 과도한 교반으로 조성물이 건조해지는 것을 방지하기 위하여, 상기 조건 하에서 교반하는 것이 바람직하다.
상기 조성물의 준비 단계 이후에, 상기 조성물을 다공성 집전체의 공극 내부에 주입하는 단계를 수행할 수 있다.
이때, 상기 주입 단계는 상기 조성물에 집전체를 침지하여 1 내지 20 분간 초음파 처리하는 방법으로 수행할 수 있다. 즉, 상기 초음파 처리를 통해 상기 조성물이 집전체의 공극 내부에 고르게 침투할 수 있도록 유도함으로써, 안정적인 성능을 갖는 탄소계 양극을 제조할 수 있다.
또한, 상기 주입 단계 이후에, 상기 조성물을 포함하는 집전체를 건조하는 단계를 수행할 수 있다. 상기 건조 단계는 상기 조성물에 포함되어 있는 용매를 증발시켜 탄소 분말을 집전체의 공극 내부에 결합시키는(달라붙게 하는) 단계이다.
본 발명에 있어서, 상기 건조 단계는 70 내지 120 ℃의 진공 오븐 하에서 10 내지 36 시간 동안 건조하는 방법으로 수행할 수 있다. 즉, 조성물의 충분한 건조에 요구되는 최소한의 조건을 부여함과 동시에, 과도한 건조로 인한 기계적 물성의 저하 현상을 방지하기 위하여, 상기 건조 단계는 전술한 범위의 조건 하에서 수행하는 것이 바람직하다.
또한, 전술한 단계들 이외에도, 상기 각 단계의 이전 또는 이후에 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적으로 수행될 수 있는 단계를 더욱 포함하는 방법으로 수행할 수 있으므로, 전술한 단계들만으로 본 발명의 제조 방법을 한정하는 것은 아니다.
한편 본 발명은, 또 다른 구현예에 따라, 전술한 탄소계 양극을 포함하는 리튬-공기 전지를 제공한다.
상기 리튬-공기 전지는 리튬 금속인 음극, 본 발명에 따른 탄소계 양극(공기극) 및 상기 음극과 양극 사이에 충진된 유기 전해액을 포함할 수 있다.
이때, 상기 음극과 유기 전해액은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 것일 수 있으므로, 그 구성을 특별히 한정하지 않는다.
본 발명에 따른 상기 리튬-공기 전지는 리튬의 산화반응이 원활하게 일어날 수 있는 최적의 공극을 제공하는 탄소계 양극을 포함함에 따라, 방전 성능이 안정적이며, 에너지 밀도가 높고, 이론 방전 용량에 가까운 성능을 발현할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 리튬-공기 전지는 EV(electric vehicles), HEV(hybrid electric vehicles), PHEV(plug-in hybrid electric vehicles) 등에 요구되는 고성능 이차전지 분야에서 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예들을 제시한다. 그러나 하기의 실시예들은 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명을 이들만으로 한정하는 것은 아니다.
[ 실시예 및 비교예 ]
탄소계 양극의 제조
하기 표 2에 나타낸 바와 같이, 하기 표 1에 기재된 탄소 분말 0.1~0.9 g, N-메틸피롤리돈(NMP) 9.8 g, 및 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF) 0.16 g을 혼합하였다. 단, 실시예 7에는 촉매로 전해 이산화망간(Electrolytic manganese dioxide, EMD) 0.4 g을 더욱 첨가하였다.
상기 혼합물에 아세톤 9.8 g을 첨가한 후, 약 2 분 동안 초음파 처리하였고, 균질화기를 이용하여 교반하였다(교반 조건: 교반 시간 40 분, 속도 5000 rpm).
교반 후 얻은 슬러리에 디스크 형태인 니켈 폼(기공 밀도: 580 ppi, 제조사: PORETECH)을 넣고 약 5 분 동안 초음파 처리하여, 니켈 폼의 공극 내부에 슬러리가 충분히 침투하도록 하였다.
그 후, 상기 슬러리를 포함하는 집전체를 약 90 ℃의 오븐에서 약 12 시간 동안 진공 건조하여 탄소계 양극을 제조하였다.
상품명 (제조사) 표면적 (㎡/g) 공극량 (㎤/g)
Ketjen black EC600JD
(MITSUBISH CHEMICAL CO,LTD.)		 1325 2.47
Ketjen black EC300JD
(MITSUBISH CHEMICAL CO,LTD.)		 890 1.98
Super P (TIMCAL) 62 0.32
Denka black (DENKA) 60 0.23
Ensaco 250G (TIMCAL) 62 0.18
구 분 탄소 분말 바인더 수지
(PVDF)		 비 고
상품명 첨가량
실시예 1 EC600JD 0.2 0.16 -
실시예 2 EC600JD 0.3 0.16 -
실시예 3 EC600JD 0.4 0.16 -
실시예 4 EC600JD 0.5 0.16 -
실시예 5 EC600JD 0.6 0.16 -
실시예 6 EC600JD 0.7 0.16 -
실시예 7 EC600JD 0.4 0.16 EMD 0.4 g
실시예 8 EC300JD 0.4 0.16 -
비교예 1 EC600JD 0.1 0.16 -
비교예 2 EC600JD 0.8 0.16 -
비교예 3 EC600JD 0.9 0.16 -
비교예 4 Super P 0.4 0.16 -
비교예 5 Denka black 0.4 0.16 -
비교예 6 Ensaco 250G 0.4 0.16 -
리튬-공기 전지의 제조
다음과 같은 양극, 음극, 분리막 및 전해액을 사용하여 변형된 2032 코인 타입(coin type) 전지 세트를 구성하여 반전지(half cell)를 제조하였다.
- 양극: 실시예 1~8 및 비교예 1~6에 따른 각각의 탄소계 양극
- 음극: 리튬(Li) 금속
- 분리막: 셀가드 2500 (제조사: CELGARD)
- 전해액: 1M LiPF6-EC:DMC:EMC
여기서, 변형된 2032 코인 타입 전지 세트는 양극 캡 중앙에 지름 0.5 mm 크기의 구멍을 뚫은 것이다. 이때, 전지의 제조는 수분의 영향을 최소화하기 위하여 이슬점이 약 -100 ℃인 드라이 룸에서 이루어졌고, 전해액이 탄소 분말에 잘 스며들도록 하기 위하여 전지 제조 후 2 시간 동안 방치하였다.
[ 시험예 ]
1. 탄소계 양극의 형상 관찰
전자주사현미경(모델명: SNE-1500M, 제조사: SEC)을 이용하여, 실시예 4, 비교예 1 및 비교예 2에 따른 탄소계 양극의 형상을 확대 촬영하였으며, 그 결과를 도 1에 나타내었다. 이때, 도 1의 (a)는 비교예 1, (b)는 실시예 4, (c)는 비교예 2에 대한 사진이다.
도 1을 통해 알 수 있는 바와 같이, (a) 비교예 1은 탄소 분말이 뭉치지 못하고 니켈 폼에 달라 붙어 있었으며, (c) 비교예 2는 탄소 분말의 양이 많아 뭉쳐 있는 탄소 분말이 니켈 폼의 공극을 틀어 막는 것을 확인하였다. 그에 비하여, (b) 실시예 4는 탄소 분말이 적절히 뭉쳐진 상태로 니켈 폼에 붙어 있는 것을 확인할 수 있었다.
2. 리튬-공기 전지에 대한 전기적 특성 측정
(측정 준비)
: 실시예 1~8 및 비교예 1~6에 따른 각각의 탄소계 양극을 포함하는 리튬-공기 전지에 대하여, 충방전 시험기(모델명: MACCOR 4000, 제조사: Maccor inc.)를 이용하여, 온도 25 ℃, 전류밀도 0.1 mA/㎠, 컷-오프(cut-off) 1.5-4.3 V의 조건으로 전기적 특성을 측정하였다. 이때, 전지에 순수한 산소를 유입시키기 위하여, 가스 주입구와 배출구 이외에는 가스가 새지 않는 박스 안에 전지를 놓고 테스트하였다.
(탄소 분말 첨가량에 따른 전기적 특성 측정)
: 탄소 분말의 종류가 동일하고, 그 함량을 달리한 실시예 1~6 및 비교예 1~3의 양극을 포함하는 전지에 대하여, 상기 방법으로 전기적 특성을 측정하였으며, 첫 번째 싸이클의 방전 용량 측정 그래프를 도 2에 나타내었다.
도 2를 통해 알 수 있는 바와 같이, 탄소 분말의 함량이 0.4 g인 실시예 3의 경우 방전 용량이 약 2600 mAh/g으로 가장 우수한 전기적 특성을 나타내었다. 그에 비하여, 탄소 분말의 함량이 바람직한 범위를 벗어나는 비교예 1~3의 경우 방전 용량이 떨어지는 것으로 나타났다.
(탄소 분말의 물성에 따른 전기적 특성 측정)
: 탄소 분말의 함량은 동일하고, 그 종류를 달리한 실시예 3, 실시예 8 및 비교예 4~6의 양극을 포함하는 전지에 대하여, 상기 방법으로 전기적 특성을 측정하였으며, 첫 번째 싸이클의 방전 용량 측정 그래프를 도 3에 나타내었다.
도 3을 통해 알 수 있는 바와 같이, 탄소 분말의 표면적 및 공극량이 바람직한 범위를 벗어나는 비교예 4~6의 경우 방전 용량이 약 580 mAh/g ~ 956 mAh/g으로 나타났다. 그에 비하여, 실시예 3 및 실시예 8의 경우 방전 용량이 각각 약 2600 mAh/g과 약 2150.5 mAh/g로 높게 나타나, 비교예 4~6과 현저한 차이를 나타내었다.
(촉매의 첨가 여부에 따른 전기적 특성 측정)
: 탄소 분말의 종류 및 함량은 동일하고, 촉매 첨가 여부를 달리한 실시예 3 및 실시예 7의 양극을 포함하는 전지에 대하여, 상기 방법으로 전기적 특성을 측정하였으며, 첫 번째 싸이클의 방전 용량 측정 그래프를 도 4에 나타내었다.
도 4를 통해 알 수 있는 바와 같이, 촉매를 첨가하지 않은 실시예 3의 경우 방전 용량이 약 2600 mAh/g이었으나, 촉매를 첨가하여 제조한 실시예 7의 경우 방전 용량이 약 4307 mAh/g으로 매우 높게 나타남을 확인하였다.

Claims (13)

  1. 연속상의 다공성 집전체(current collector); 및
    상기 다공성 집전체의 공극 내에 포함되며, 표면적이 500 내지 2000 ㎡/g이고 공극량이 0.5 내지 5 ㎤/g인 탄소 분말과 바인더 수지를 포함하는 조성물
    을 포함하는 리튬-공기 전지용 탄소계 양극.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 조성물은 바인더 수지 100 중량부에 대하여, 탄소 분말 100 내지 450 중량부를 포함하는 리튬-공기 전지용 탄소계 양극.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 바인더 수지는 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리테트라플루오로에틸렌 및 폴리트리플루오로스티렌술폰산으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 리튬-공기 전지용 탄소계 양극.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 집전체는 3차원 니켈 폼(nickel foam)인 리튬-공기 전지용 탄소계 양극.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 집전체는 기공 밀도가 500 내지 680 ppi인 리튬-공기 전지용 탄소계 양극.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 조성물은 전해 이산화망간, α-이산화망간, β-이산화망간, 및 γ-이상화망간으로 이루이전 군에서 선택되는 1종 이상의 촉매을 더욱 포함하는 리튬-공기 전지용 탄소계 양극.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 조성물은 바인더 수지 100 중량부에 대하여, 상기 촉매 100 내지 400 중량부를 더욱 포함하는 리튬-공기 전지용 탄소계 양극.
  8. 표면적이 500 내지 2000 ㎡/g이고 공극량이 0.5 내지 5 ㎤/g인 탄소 분말과 바인더 수지를 포함하는 조성물을 준비하는 단계;
    상기 조성물을 다공성 집전체(current collector)의 공극 내부에 주입하는 단계; 및
    상기 조성물을 포함하는 집전체를 건조하는 단계
    를 포함하는 제 1 항에 따른 리튬-공기 전지용 탄소계 양극의 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 조성물은 바인더 수지 100 중량부에 대하여, 탄소 분말 10 내지 500 중량부를 포함하는 리튬-공기 전지용 탄소계 양극의 제조 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 조성물을 준비하는 단계는, 탄소 분말과 바인더 수지를 포함하는 조성물을 균질화기에 투입하고, 3000 내지 6000 rpm 하에서 5 내지 120 분간 교반하는 방법으로 수행하는 리튬-공기 전지용 탄소계 양극의 제조 방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 조성물을 다공성 집전체의 공극 내부에 주입하는 단계는, 상기 조성물에 집전체를 침지하여 1 내지 20 분간 초음파 처리하는 방법으로 수행하는 리튬-공기 전지용 탄소계 양극의 제조 방법.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 조성물을 포함하는 집전체를 건조하는 단계는, 70 내지 120 ℃의 진공 오븐 하에서 10 내지 36 시간 동안 건조하는 방법으로 수행하는 리튬-공기 전지용 탄소계 양극의 제조 방법.
  13. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 탄소계 양극을 포함하는 리튬-공기 전지.
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