KR101581349B1 - Lithium air battery - Google Patents
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Abstract
본 발명은 리튬 에어 배터리에 관한 것으로서, 전해질과 접촉되며 공기 중의 산소를 활물질로 사용하는 양극의 촉매층에 리튬 이온이 통과될 수 있는 멤브레인을 결합하여 충방전이 반복되더라도 촉매층이 탈락되지 않도록 하고, 폴리올레핀계 미세다공막을 적용하여 수계전해질 용매의 증발을 억제하여, 리튬 에어 배터리의 충방전의 반복에 따른 성능저하를 방지하고 수명을 연장시킬 수 있는 리튬 에어 배터리에 관한 것이다.The present invention relates to a lithium-ion battery, and more particularly, to a lithium-ion battery which comprises a membrane that is in contact with an electrolyte and is capable of passing lithium ions through a catalyst layer of an anode using oxygen in the air as an active material, Based microporous membrane to inhibit the evaporation of the aqueous electrolyte solvent to prevent performance deterioration caused by repetition of charging and discharging of the lithium ion battery and to prolong the life of the lithium ion battery.
Description
본 발명은 리튬 에어 배터리에 관한 것으로서, 충방전의 반복에 따른 성능저하를 방지하고 수명을 연장시킬 수 있는 리튬 에어 배터리에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE
최근, 화석연료의 소비에 따른 이산화탄소 배출량의 증가 및 원유가격의 급격한 변동 등을 배경으로 자동차의 에너지원은 가솔린 및 경유에서 전기에너지로 전환하는 기술개발이 주목을 받고 있다. 전기 자동차의 실용화는 진행되고 있으며, 장거리 주행을 위해서는 축전지인 리튬 이온 배터리의 대용량화 및 고에너지 밀도화가 요구되고 있다. 그러나 현재 리튬 이온 배터리는 배터리 용량에 제약이 있어 장거리 주행이 곤란한 단점이 있다. 따라서 이론상 리튬 이온 배터리보다 대용량이며 고에너지 밀도를 가진 리튬 에어 배터리가 주목을 받고 있다.In recent years, the development of technologies for converting automobile energy sources from gasoline and light oil to electrical energy has been attracting attention, in light of an increase in carbon dioxide emissions due to the consumption of fossil fuels and a rapid change in crude oil prices. Electric vehicles have been put into practical use. For long-distance driving, it is required to increase the capacity and energy density of lithium-ion batteries, which are storage batteries. However, current lithium ion batteries have a disadvantage in that it is difficult to travel long distances because of limited battery capacity. Therefore, a lithium ion battery having a larger capacity and a higher energy density than the lithium ion battery is theoretically attracting attention.
일반적으로, 리튬 에어 배터리는 리튬 이온의 흡착 및 방출이 가능한 음극, 공기 중의 산소를 양극 활물질로 하여 산소의 산화 환원 촉매를 포함하는 양극을 구비하고, 상기 양극과 음극 사이에 리튬 이온 전도성 매체를 구비한다. 즉, 리튬 에어 배터리는 공기 중의 산소를 활물질로 이용한 양극을 갖는 전지로, 양극에 있어서 산소의 산화 환원 반응을 행함에 따라 전지를 충방전 할 수 있는 전지이다.Generally, a lithium-air battery includes a cathode capable of adsorbing and releasing lithium ions, and an anode including oxygen-reducing catalyst with oxygen in the air as a cathode active material, and a lithium ion conductive medium is provided between the anode and the cathode do. That is, the lithium air battery is a battery having a positive electrode using oxygen in the air as an active material, and is capable of charging and discharging the battery by performing oxidation-reduction reaction of oxygen in the positive electrode.
이러한 리튬 에어 배터리는 이론 에너지 밀도가 3000Wh/kg 이상이며, 이는 리튬 이온 배터리보다 대략 10배의 에너지 밀도에 해당된다. 아울러, 리튬 공기 전지는 친환경적이며, 리튬 이온 배터리보다 개선된 안전성을 제공할 수 있다.These lithium-ion batteries have a theoretical energy density of 3000Wh / kg or more, which corresponds to approximately 10 times the energy density of lithium-ion batteries. In addition, lithium air cells are environmentally friendly and can provide improved safety over lithium-ion batteries.
그런데 종래의 리튬 에어 배터리는 충방전이 반복됨에 따라 양극의 촉매층이 탈락되고, 고체전해질과 양극(Porous air-cathode) 사이에 사용되는 수계전해질의 용매가 증발되어 리튬 에어 배터리의 성능이 저하되고 수명이 단축되는 문제점이 있다.However, as the conventional lithium-ion battery is repeatedly charged and discharged, the catalyst layer of the anode is detached, the solvent of the water-based electrolyte used between the solid electrolyte and the anode is evaporated to deteriorate the performance of the lithium- There is a problem that this is shortened.
이와 관련된 종래 기술로는 미국공개특허(US 2012/0028164)인 "리튬 에어 배터리"가 개시되어 있다.
A related art related to this is disclosed in US Patent Publication (US 2012/0028164), "Lithium Air Battery ".
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 리튬 에어 배터리의 양극을 구성하는 촉매층이 탈락되지 않도록 하고, 수계전해질 용매의 증발을 억제하여 내구성을 향상시킴으로써, 성능저하를 방지하고 수명을 연장시킬 수 있는 리튬 에어 배터리를 제공하는 것이다.
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been conceived in order to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a lithium ion battery in which deterioration of a catalyst layer constituting an anode of a lithium air battery is prevented, evaporation of an aqueous electrolyte solvent is suppressed, And the life of the battery can be prolonged.
본 발명의 리튬 에어 배터리는, 리튬금속을 포함하는 제1전극부; 일측이 공기와 접촉되는 기체확산층, 상기 기체확산층의 타측에 형성되는 촉매층 및 상기 촉매층에 결합되어 리튬 이온이 통과되는 멤브레인을 포함하며, 상기 제1전극부와 이격되어 형성되는 제2전극부; 및 상기 제1전극부와 제2전극부 사이에 구비되는 전해질부; 를 포함한다.A lithium air battery of the present invention comprises: a first electrode portion including lithium metal; A second electrode part including a gas diffusion layer having one side in contact with air, a catalyst layer formed on the other side of the gas diffusion layer, and a membrane coupled to the catalyst layer to allow lithium ions to pass therethrough, the second electrode part being spaced apart from the first electrode part; And an electrolyte unit disposed between the first electrode unit and the second electrode unit. .
또한, 상기 전해질부는, 상기 제1전극부의 일측에 밀착되며 유기계전해질을 함유한 분리막, 상기 분리막의 일측에 밀착되는 고체전해질 및 상기 고체전해질과 제2전극부 사이에 구비되는 수계전해질을 포함한다.The electrolyte unit may include a separation membrane which is in contact with one side of the first electrode unit and contains an organic electrolyte, a solid electrolyte which is in close contact with one side of the separation membrane, and an aqueous electrolyte which is provided between the solid electrolyte and the second electrode.
또한, 상기 제2전극부는 기체확산층의 일측에 결합되는 폴리올레핀계 미세다공막을 더 포함한다.The second electrode portion may further include a polyolefin-based microporous membrane coupled to one side of the gas diffusion layer.
그리고 본 발명의 리튬 에어 배터리는, 상측이 개방된 공간부가 구비되는 제1하우징 및 상기 제1하우징의 상부에 배치되어 상기 제1하우징의 공간부를 밀폐하며 하측이 개방된 공기 수용부와 상기 공기 수용부에 연통되는 통기공이 형성되는 제2하우징을 포함하는 하우징부;를 더 포함하며, 상기 제1전극부는 제1하우징의 공간부에 수용되고, 상기 제2전극부는 제2하우징의 공기 수용부 하측에 결합되어 상기 제1전극부와 이격되게 형성되되, 상기 제2전극부는 상측에 기체확산층이 배치되고 하측에 멤브레인이 배치되도록 결합되며, 상기 전해질부는 제1하우징의 공간부에 구비되어 상기 제1전극부와 제2전극부 사이에 구비된다.The lithium air battery of the present invention comprises a first housing having a space portion opened at an upper side thereof and an air accommodating portion disposed at an upper portion of the first housing to seal the space portion of the first housing and open downward, The first electrode portion is received in the space portion of the first housing, and the second electrode portion is received in the air receiving portion of the second housing, and the second electrode portion is received in the air receiving portion of the second housing, Wherein the first electrode part and the second electrode part are coupled to each other to be spaced apart from the first electrode part, the gas diffusion layer is disposed on the second electrode part, and the membrane is disposed on the lower side, and the electrolyte part is provided in the space part of the first housing, And is provided between the first electrode portion and the second electrode portion.
또한, 상기 전해질부는, 상기 제1전극부의 상측에 밀착되며 유기계전해질을 함유한 분리막, 상기 분리막의 상측에 밀착되는 고체전해질, 상기 고체전해질과 제2전극부 사이에 구비되는 수계전해질 및 상기 고체전해질의 상측에 구비되며 상하를 관통하는 수용홀이 형성되는 수용체를 포함하며, 상기 수용체는 고체전해질, 분리막 및 제1전극부를 상기 공간부에 밀착시킨다.The electrolyte portion may include a separation membrane which is in close contact with the upper portion of the first electrode portion and contains an organic electrolyte, a solid electrolyte closely adhered to the upper portion of the separation membrane, an aqueous electrolyte provided between the solid electrolyte and the second electrode portion, And a receptacle formed on the upper side of the first electrode and having a receiving hole penetrating the upper and the lower, wherein the receptacle closely adheres the solid electrolyte, the separation membrane, and the first electrode portion to the space portion.
또한, 상기 하우징부는, 상기 제1하우징과 제2하우징 사이에 개재되며 상하를 관통하는 고정홀이 형성되어 상기 고정홀에 제2전극부가 고정되는 제3하우징을 더 포함한다.The housing unit may further include a third housing having a fixing hole formed between the first housing and the second housing and passing through the fixing hole and fixing the second electrode unit to the fixing hole.
또한, 상기 멤브레인은 술포닉 애시드 그룹(sulfonic acid group)이 포함되는 다공성막으로 형성된다.Also, the membrane is formed of a porous membrane containing a sulfonic acid group.
또한, 상기 멤브레인은 다공성 재질의 폴리퍼플루오로술폰산(PFSA; Polyperfluorosulfonic acid) 수지로 형성된다.In addition, the membrane is formed of a porous polyperfluorosulfonic acid (PFSA) resin.
또한, 상기 멤브레인은 폴리퍼플루오로술폰산(PFSA) 수지를 가열 및 압착하여 상기 촉매층에 밀착되도록 형성되거나, 폴리퍼플루오로술폰산(PFSA) 수지 용액을 사용하여 딥 코팅(dip-coating) 방법으로 상기 촉매층에 밀착 형성된다.
The membrane may be formed to be in close contact with the catalyst layer by heating and pressing a polyperfluorosulfonic acid (PFSA) resin, or may be formed by a dip-coating method using a polyperfluorosulfonic acid (PFSA) And is formed in close contact with the catalyst layer.
본 발명의 리튬 에어 배터리는 전해질과 접촉되며 공기 중의 산소를 활물질로 사용하는 양극에 소수성의 폴리올레핀계 미세다공막과 리튬 이온이 통과될 수 있는 멤브레인을 결합하여 충방전이 반복되더라도 촉매층이 탈락되지 않고, 수계전해질 용매의 증발을 억제하여, 리튬 에어 배터리의 충방전의 반복에 따른 성능저하를 방지할 수 있으며 수명을 연장시킬 수 있는 장점이 있다.
The lithium-air battery of the present invention comprises a porous polyolefin microporous membrane, which is in contact with an electrolyte and uses oxygen in the air as an active material, and a membrane capable of passing lithium ions through the electrolyte membrane. , Evaporation of the aqueous electrolyte solvent is suppressed, performance deterioration due to repetition of charging and discharging of the lithium ion battery can be prevented, and life can be prolonged.
도 1은 본 발명의 리튬 에어 배터리를 나타낸 개념도.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 에어 배터리의 조립사시도 및 분해사시도.
도 4는 도 2의 AA'방향 단면도.
도 5는 초기상태의 백금과 바인더가 혼합된 촉매층의 표면을 나타낸 사진.
도 6은 도 5의 촉매층이 충방전 주기가 200번 경과하였을 때의 사진.
도 7은 초기상태의 백금과 바인더가 혼합된 촉매층 및 기체확산층의 단면을 나타낸 사진.
도 8은 도 7의 촉매층이 충방전 주기가 200번 경과하였을 때의 촉매층의 입자가 탈락된 상태를 나타낸 단면 사진.
도 9는 폴리올레핀계 미세다공막의 표면 사진.
도 10은 도 9의 미세다공막의 단면 사진.
도 11은 폴리올레핀계 미세다공막과 Nafion 멤브레인을 사용하지 않은 양극 (Porous air-cathode)이 적용된 리튬 에어 배터리의 충방전주기 그래프.
도 12는 Nafion 멤브레인이 적용되지 않았으나, 폴리올레핀계 미세다공막은 적용된 양극(Porous air-cathode)이 사용된 리튬 에어 배터리의 충방전주기 그래프.
도 13은 Nafion 멤브레인과 폴리올레핀계 미세다공막이 모두 적용된 양극(Porous air-cathode)이 사용된 리튬 에어 배터리(sample 1)의 충방전주기 그래프.
도 14는 sample 1의 충방전 에너지 그래프.
도 15는 sample 1의 충방전 에너지 효율 그래프.
도 16은 Nafion 멤브레인과 폴리올레핀계 미세다공막이 모두 적용된 양극(Porous air-cathode)이 사용된 리튬 에어 배터리(sample 2)의 충방전주기 그래프.
도 17은 sample 2의 충방전 에너지 그래프.
도 18은 sample 2의 충방전 에너지 효율 그래프.
도 19는 Nafion 멤브레인이 없는 양극이 적용된 리튬 에어 배터리 경우의 수계전해질과, Nafion 멤브레인이 있는 양극이 적용된 리튬 에어 배터리 경우의 수계전해질의 수십 주기 후의 변색 정도를 비교하여 나타낸 사진.
도 20은 Nafion 멤브레인과 폴리올레핀계 미세다공막이 모두 적용된 양극(Porous air-cathode)이 사용된 리튬 에어 배터리의 421회 충방전주기 그래프.
도 21은 도 20의 리튬 에어 배터리의 충방전 에너지 그래프.
도 22는 도 20의 리튬 에어 배터리의 충방전 에너지 효율 그래프.1 is a conceptual view showing a lithium air battery of the present invention.
2 and 3 are an assembled perspective view and an exploded perspective view of a lithium ion battery according to an embodiment of the present invention;
4 is a sectional view taken along line AA 'in Fig.
5 is a photograph showing the surface of a catalyst layer in which platinum and a binder are mixed in an initial state.
FIG. 6 is a photograph of the catalyst layer of FIG. 5 when the charge / discharge cycle of the catalyst layer has elapsed 200 times. FIG.
7 is a photograph showing a cross section of a catalyst layer and a gas diffusion layer in which platinum and a binder are mixed in an initial state.
8 is a cross-sectional view showing a state in which particles of the catalyst layer are removed when the charge / discharge cycle of the catalyst layer of FIG. 7 has elapsed 200 times.
9 is a photograph of the surface of the polyolefin-based microporous membrane.
10 is a cross-sectional photograph of the microporous membrane of FIG.
11 is a graph showing the charging / discharging cycle of a lithium-ion battery to which a polyolefin-based microporous membrane and a porous air-cathode without a Nafion membrane are applied.
FIG. 12 is a graph showing the charging / discharging cycle of a lithium-ion battery in which a porous anode is applied to a polyolefin-based microporous membrane, to which a Nafion membrane is not applied.
13 is a graph showing a charge / discharge cycle of a lithium-ion battery (sample 1) using a porous air-cathode having both a Nafion membrane and a polyolefin-based microporous membrane.
FIG. 14 is a graph of charge / discharge energy of
15 is a graph of charge / discharge energy efficiency of
16 is a graph showing a charge / discharge cycle of a lithium-ion battery (sample 2) using a porous air-cathode having both a Nafion membrane and a polyolefin-based microporous membrane.
17 is a charge / discharge energy graph of
18 is a graph of charge-discharge energy efficiency of
19 is a photograph showing a comparison of the discoloration degree after several cycles of the aqueous electrolyte in the case of the lithium air battery in which the anode without the Nafion membrane is applied and the aqueous electrolyte in the case of the lithium air battery in which the anode with the Nafion membrane is applied.
FIG. 20 is a graph showing a 421 charge / discharge cycle of a lithium-ion battery using a porous air-cathode in which both a Nafion membrane and a polyolefin-based microporous membrane are used.
FIG. 21 is a graph of charge / discharge energy of the lithium ion battery of FIG. 20; FIG.
FIG. 22 is a graph showing charge / discharge energy efficiency of the lithium ion battery of FIG. 20;
이하, 상기한 바와 같은 본 발명의 리튬 에어 배터리를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, the lithium-ion battery of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 리튬 에어 배터리를 나타낸 개념도이며, 도 2 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 에어 배터리를 나타낸 조립사시도, 분해사시도 및 단면도이다.FIG. 1 is a conceptual view illustrating a lithium-ion battery of the present invention, and FIGS. 2 to 4 are an assembled perspective view, an exploded perspective view, and a cross-sectional view of a lithium-ion battery according to an embodiment of the present invention.
도시된 바와 같이 본 발명에 따른 리튬 에어 배터리(1000)는, 리튬금속(210)을 포함하는 제1전극부(200); 일측이 공기와 접촉되는 기체확산층(311), 상기 기체확산층(311)의 타측에 형성되는 촉매층(312), 상기 촉매층(312)에 결합되어 리튬 이온이 통과되는 멤브레인(313) 및 상기 기체확산층(311)의 일측에 결합되는 폴리올레핀계 미세다공막(314)을 포함하며, 상기 제1전극부(200)와 이격되어 형성되는 제2전극부(300); 및 상기 제1전극부(200)와 제2전극부(300) 사이에 있으며, 상기 제1전극부(200)의 일측에 밀착되며 유기계전해질을 함유한 분리막(410), 상기 분리막(410)의 일측에 밀착되는 고체전해질(420) 및 상기 고체전해질(420)과 제2전극부(300) 사이에 있는 수계전해질(450)을 포함하는 전해질부(400); 를 포함하며, 상기 폴리올레핀계 미세다공막(314), 기체확산층(311), 촉매층(312) 및 멤브레인(313)이 차례로 적층 형성되어, 상기 폴리올레핀계 미세다공막(314)이 공기와 접촉되며 상기 멤브레인(313)이 수계전해질(450)과 접촉되도록 배치될 수 있다.As shown in the figure, a
우선, 본 발명의 리튬 에어 배터리(1000)는 크게 제1전극부(200), 제2전극부(300) 및 전해질부(400)로 구성된다.First, the
제1전극부(200)는 리튬이온을 저장 방출 가능한 리튬금속(210)을 포함하며, 바인더를 더 포함할 수 있다. 리튬금속(210)은 일례로 리튬금속, 리튬금속 기반의 합금 또는 리튬 삽입 화합물(lithium intercalating compound) 등이 사용될 수 있으며, 수분 등에 대한 내구성을 향상시키기 위해서 리튬합금을 사용하는 것이 바람직하다. 바인더로서는 일례로 폴리불화비닐리덴(PVdF), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 등을 들 수 있으며, 바인더의 함량은 특별히 한정된 것은 아니며 예를 들어 30중량% 이하일 수 있으며, 보다 구체적으로는 1 내지 10중량%일 수 있다.The
제2전극부(300)는, 일측이 공기와 접촉되는 기체확산층(311, Gas Diffusion Layer, GDL), 촉매층(312) 및 멤브레인(313)으로 구성되며, 제2전극부(300)는 제1전극부(200)와 이격되게 형성된다. 이때, 도 1과 같이 제2전극부(300)는 제1전극부(200)와 마주보는 면에 멤브레인(313)이 배치되도록 구성되어, 기체확산층(311)의 일측에 촉매층(312)이 형성되고 촉매층(312)의 일측에 멤브레인(313)이 결합되어 제2전극부(300)가 형성된다. 그리하여 공기가 기체확산층(311)을 통해 확산되어, 촉매층(312)에서 리튬이온과 공기 중의 산소와 산화환원 반응을 일으킬 수 있도록 구성된다.The
이때, 제2전극부(300)는 활물질로서 공기 중의 산소가 사용되고, 산소 및 리튬이온이 이동할 수 있는 공극을 갖는 도전성 재료를 포함할 수 있으며, 촉매층(312)은 백금(Pt)과 바인더를 혼합하여 도포 또는 코팅되어 형성될 수 있다. 즉, 촉매, 도전성 재료 및 바인더를 혼합한 후, 기체확산층(혹은 카본 페이퍼)(311) 상에 프레스 성형하거나 또는 아세톤, 메틸에틸케톤, N-메틸-2-피롤리돈 등의 유기 용제에, 촉매, 도전 재료, 바인더를 혼합하여 용해 또는 분산시켜 슬러리를 조정하여, 이것을 기체확산층(311) 상에 그라비아 코팅, 블레이드 코팅, 콤마 코팅, 딥 코팅 등의 방법에 따라서 도포하고, 이어서, 유기 용제를 휘산 시킨 후, 프레스 함으로써 촉매층(312)을 형성할 수 있다.At this time, the
그리고 도전성 재료는 일례로 탄소재료, 금속 섬유 등의 도전성 섬유, 구리, 은, 니켈, 알루미늄 등의 금속 분말, 폴리페닐렌 유도체 등의 유기 도전성 재료를 사용할 수 있다. 탄소재료로는 카본 블랙, 흑연, 활성탄, 카본 나노튜브, 탄소섬유 등을 사용할 수 있으며, 방향족고리화합물을 포함하는 합성수지, 석유피치 등을 소성하여 얻어진 메조포러스 카본을 사용할 수 있다.As the conductive material, for example, conductive materials such as carbon materials and metal fibers, metal powders such as copper, silver, nickel and aluminum, and organic conductive materials such as polyphenylene derivatives can be used. As the carbon material, carbon black, graphite, activated carbon, carbon nanotubes, carbon fibers and the like can be used, and a synthetic resin containing an aromatic ring compound and mesoporous carbon obtained by calcining a petroleum pitch can be used.
전해질부(400)는 전해질부(400)는 제1전극부(200)와 제2전극부(300) 사이에 구비되어 리튬 이온이 이동될 수 있도록 구성된다.In the
그리하여 리튬금속(210)을 포함하는 제1전극부(200)는 음극(애노드, anode)이 되고, 제2전극부(300)는 양극(캐쏘드, cathode)이 되며, 제1전극부(200)와 제2전극부(300) 사이에 전해질부(400)가 구비되어 리튬 에어 배터리(1000)가 구성된다.The
이때, 리튬 에어 배터리(1000)는 충전 및 방전 시, 제2전극부(300)의 기체확산층(311)을 통해 공기가 확산되어 촉매층(312)에서 공기 중의 산소와 리튬 이온이 산화환원 반응을 일으키고, 충전 및 방전이 반복되면 촉매층(312)에 균열이 발생하여 촉매층(312)을 형성하는 입자(백금, 바인더 및 도전성 물질)들이 기체확산층(311)에서 전해질부(400) 쪽으로 떨어져나갈 수 있다. 이로 인해 리튬 에어 배터리의 성능이 저하되고 수명이 단축될 수 있다.At this time, when the
여기에서 본 발명의 리튬 에어 배터리(1000)는, 제2전극부(300)의 촉매층(312)에 리튬 이온은 통과되며 촉매층(312)의 입자들이 떨어져나가는 것을 방지할 수 있는 멤브레인(313)이 결합되므로, 충전 및 방전이 반복되더라도 리튬 에어 배터리의 성능 저하를 방지할 수 있으며 수명을 연장시킬 수 있는 장점이 있다.The
도 5 및 도 6은 초기상태와 충방전 주기가 200번 경과하였을 때의 백금과 바인더가 혼합된 촉매층의 표면을 나타낸 전자주사현미경(SEM) 사진이며, 도 7 및 도 8은 초기상태와 충방전 주기가 200번 경과하였을 때의 기체확산층 및 촉매층의 단면을 나타낸 전자주사현미경(SEM) 사진이다.5 and 6 are electron micrograph (SEM) photographs showing the surface of a catalyst layer in which platinum and a binder are mixed in an initial state and a charge / discharge cycle of 200 passes, and FIGS. 7 and 8 are photographs (SEM) photograph showing a cross section of the gas diffusion layer and the catalyst layer when the cycle has passed 200 times.
즉, 도 6과 같이 충방전이 반복된 후에는 촉매층(312)에 균열이 발생하고, 이로 인해 도 8과 같이 기체확산층(311)에서 촉매층(312)의 일부(타원형 표시 부분)가 탈락되어 떨어져 나간 것을 알 수 있으며, 이는 아래의 표 1과 같이 유도결합형 플라즈마 발광 분석법(ICP; Inductively coupled plasma automic emission spectroscopy)을 통해 측정된 전해질부에 혼입된 백금(Pt) 촉매의 함량에서도, 충방전의 반복에 따라 촉매층에서 백금 촉매가 떨어져 나감을 알 수 있다.That is, after the charge and discharge are repeated as shown in FIG. 6, cracks are generated in the
표 1은 촉매층(312)의 백금 질량분율이 각각 10wt%, 40wt%인 리튬 에어 배터리에 대하여, 충방전의 반복 후 ICP로 분석한 수계전해액의 단위 중량당 함유된 백금의 질량(mg/kg)을 나타낸 것이다.Table 1 shows the mass (mg / kg) of platinum contained per unit weight of the aqueous electrolyte solution analyzed by ICP after repetition of charging and discharging for lithium air batteries having platinum mass fractions of 10 wt% and 40 wt% Lt; / RTI >
그리하여 본 발명에서는 촉매층(312)에 결합되는 멤브레인(313)에 의해 촉매층(312)이 탈락되는 것을 방지할 수 있어 리튬 에어 배터리의 성능 저하를 방지할 수 있고 수명을 연장시킬 수 있다.Thus, according to the present invention, the
그리고 상기 전해질부(400)는, 상기 제1전극부(200)의 일측에 밀착되며 유기계전해질을 함유한 분리막(410), 상기 분리막(410)의 일측에 밀착되는 고체전해질(420) 및 상기 고체전해질(420)과 제2전극부(300) 사이에 구비되는 수계전해질(450)을 포함할 수 있다.The
그리하여 리튬 에어 배터리의 전기 화학적 특성 및 충방전 성능을 향상시킬 수 있다. 이때, 수계전해질(450)과 제2전극부(300)의 촉매층(312) 사이에 멤브레인(313)이 배치되어 촉매층(312)에 멤브레인(313)이 결합되므로, 충방전의 반복에 의해 촉매층(312)이 탈락되지 않아 수계전해질(450) 쪽으로 촉매층(312) 입자들이 혼입되는 것을 방지할 수 있다.Thus, the electrochemical characteristics and the charge / discharge performance of the lithium air battery can be improved. Since the
여기에서 유기계전해질, 고체전해질(420) 및 수계전해질(450)에 대해서는 이하의 본 발명에 따른 리튬 에어 배터리의 일 실시예에서 보다 상세하게 설명하기로 한다.Here, the organic electrolyte, the
또한, 상기 제2전극부(300)는 기체확산층(311)의 일측에 결합되는 폴리올레핀계 미세다공막(314)을 더 포함한다.The
즉, 기체확산층(311)의 일측에 폴리올레핀계 미세다공막(314)이 결합되어, 수계전해질(450)의 용매가 증발되는 것이 억제되어, 충방전이 반복되더라도 리튬 에어 배터리의 성능 저하를 방지할 수 있으며 수명을 연장시킬 수 있다.That is, the polyolefin-based
그리고 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 에어 배터리(1000)는, 상측이 개방된 공간부(111)가 구비되는 제1하우징(110) 및 상기 제1하우징(110)의 상부에 배치되어 상기 제1하우징(110)의 공간부(111)를 밀폐하며 하측이 개방된 공기 수용부(122)와 상기 공기 수용부(122)에 연통되는 통기공(121)이 형성되는 제2하우징(120)을 포함하는 하우징부(100); 상기 제1하우징(110)의 공간부(111)에 수용되는 리튬금속(210)을 포함하는 제1전극부(200); 상기 제2하우징(120)의 공기 수용부(122) 하측에 결합되어 상기 제1전극부(200)와 이격되게 형성되며, 상측에 기체확산층(311)이 배치되고 상기 기체확산층(311)의 하측에 촉매층(312)이 형성되며 상기 촉매층(312)의 하측에 리튬 이온이 통과되는 멤브레인(313)이 형성되는 제2전극부(300); 및 상기 제1하우징(110)의 공간부(111)에 구비되며 상기 제1전극부(200)와 제2전극부(300) 사이에 구비되는 전해질부(400); 를 포함한다.A
즉, 도 2 내지 도 4와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 에어 배터리(1000)는 크게 하우징부(100)의 내부에 제1전극부(200), 제2전극부(300) 및 전해질부(400)가 구비된다.2 to 4, a
하우징부(100)는 제1하우징(110) 및 제2하우징(120)을 포함한다. 제1하우징(110)은 원판 형상으로 내부에 공간부(111)가 구비되며, 공간부(111)는 상측이 개방되도록 형성된다. 그리고 제2하우징(120)은 원판 형상으로 형성되고, 제1하우징(110)의 상부에 배치되어 제1하우징(110)의 공간부(111)가 밀폐되도록 결합된다. 이때, 제2하우징(120)은 하측에 공기 수용부(122)가 형성되고 공기 수용부(122)에 연통되도록 통기공(121)이 형성되어, 통기공(121)을 통해 외부의 공기가 공기 수용부(122)로 유입 및 배출될 수 있다. 통기공(121)은 하나 또는 다수개가 형성될 수 있으며 공기가 공기 수용부(122)로 유입 및 유출될 수 있도록 다양한 형태로 형성될 수 있다.The
그리고 제2하우징(120)은 일측에 제1하우징(110)과의 결합을 위한 제1고정부(127)가 형성되며, 제1결합부(128)가 제1고정부(127)에 삽입되어 제2하우징(120)과 제1하우징(110)이 결합될 수 있다. 본 발명의 제1실시예에 따른 제2하우징(120)의 제1고정부(127)는 관통공으로 형성되고, 제1결합부(128)는 볼트로 형성되며, 제1하우징(110)에는 제1고정부(127)에 대응되는 위치에 암나사로 형성되는 결합공(112)이 형성되어, 제1결합부(128)가 제1고정부(127)를 관통하여 결합공(112)에 결합됨으로써 제1하우징(110)과 제2하우징(120)이 결합될 수 있다. 이때, 제1하우징(110)과 제2하우징(120)은 나사결합 이외에도 끼워 맞춤, 용접 또는 리벳팅 등 다양한 형태로 결합될 수 있다.A first fixing
제1전극부(200)는 리튬금속(210)을 포함하며, 제1하우징(110)의 공간부(111)에 리튬금속(210)이 수용된다.The
제2전극부(300)는, 제2하우징(120)의 공기 수용부(122)의 개방된 하측을 밀폐하도록 결합되되, 상측에 기체확산층(311)이 위치되고 그 하측에 촉매층(312)이 형성되며 그 하측에 멤브레인(313)이 결합될 수 있다. 그리하여 공기 수용부(122)에 수용되는 공기가 기체확산층(311)을 통해 확산되어, 촉매층(312)에서 리튬이온과 공기 중의 산소와 산화환원 반응을 일으킬 수 있도록 구성된다.The
전해질부(400)는 제1하우징(110)의 공간부(111)에 구비되며 제1전극부(200)의 상부에 배치된다. 즉, 전해질부(400)는 제1전극부(200)와 제2전극부(300) 사이에 구비되어 리튬 이온이 이동될 수 있도록 구성된다.The
즉, 리튬금속(210)을 포함하는 제1전극부(200)는 음극(애노드, anode)이 되고 제2전극부(300)는 양극(캐쏘드, cathode)이 되며 제1전극부(200)와 제2전극부(300) 사이에 전해질부(400)가 구비되어 리튬 에어 배터리가 구성된다.That is, the
그리하여 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 에어 배터리(1000)는 충방전이 반복되더라도 제2전극부(300)의 촉매층(312) 하측에 결합되는 멤브레인(313)에 의해 전해질부(400)로 촉매층(312)의 입자가 떨어져나가는 것을 방지할 수 있어, 리튬 에어 배터리의 성능 저하를 방지할 수 있고 수명을 연장시킬 수 있다.The
이때, 상기 전해질부(400)는, 상기 제1전극부(200)의 상측에 밀착되며 유기계전해질을 함유한 분리막(410), 상기 분리막(410)의 상측에 밀착되는 고체전해질(420) 및 상기 고체전해질(420)과 제2전극부(300) 사이에 구비되는 수계전해질(450)을 포함할 수 있다. 그리하여 리튬 에어 배터리의 전기 화학적 특성 및 충방전 성능을 향상시킬 수 있다.The
또한, 상기 제2전극부(300)는 기체확산층(311)의 상측에 결합되는 폴리올레핀계 미세다공막(314)을 더 포함하여, 폴리올레핀계 미세다공막(314)이 수계전해질(450) 용매의 증발을 억제할 수 있다. 또한, 폴리올레핀계 미세다공막은 기공의 크기가 매우 작으며(약 10nm), 소수성(hydrophobic)이므로 수계전해질(450)의 용매인 수분의 증발을 억제하는데 효과가 크다.The
또한, 상기 전해질부(400)는, 상기 고체전해질(420)의 상측에 구비되며 상하를 관통하는 수용홀(431)이 형성되는 수용체(430)를 더 포함하며, 상기 수용체는 고체전해질(420), 분리막(410) 및 제1전극부(200)를 상기 공간부에 밀착시키도록 구성될 수 있다.The
즉, 수용체(430)는 도 4와 같이 제2하우징(120)에 의해 상측 테두리 부분이 눌리게 되고, 수용체(430)에 의해 고체전해질(420), 분리막(410) 및 제1전극부(200)가 공간부(111) 바닥면에 밀착 고정될 수 있다. 이때, 수용체(430)는 중앙부에 상하를 관통하도록 수용홀(431)이 형성되어, 수계전해질(450)이 수용홀(431)을 통해 고체전해질(420)과 접촉되어 리튬 이온은 이동될 수 있도록 구성된다.4, the upper edge of the
그리하여 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 에어 배터리(1000)는 전해질부(400), 제1전극부(200) 및 제1하우징(110)의 접촉 저항이 줄어들어 리튬 에어 배터리의 효율 및 성능이 향상될 뿐 아니라, 리튬 에어 배터리의 수명이 길어지는 장점이 있다.Thus, the
이때, 리튬금속(210)의 하측에는 그물망 형태의 집전체(220)가 구비될 수 있으며, 이는 제1하우징(110)의 공간부(111)에 수용되는 리튬금속(210), 전해질부(400) 및 제1하우징(110)이 밀착되도록 하기 위해 리튬금속(210)의 하측에 집전체(220)가 구비될 수 있으며, 이때 집전체(220)는 탄성이 있는 그물망 형태로 구성되어 리튬금속(210)과 전해질부(400)가 반응에 가장 유리한 상태로 접촉되도록 할 수 있다. 즉, 제1하우징(110)의 공간부(111)에 수용되는 집전체(220), 리튬금속(210) 및 전해질부(400)가 제2하우징(120)의 결합에 의해 밀착되어 접촉 저항을 더욱 줄일 수 있다. 그리고 집전체(220)의 재질은 구리, 스테인리스, 니켈 등이 사용될 수 있다.The
또한, 상기 전해질부(400)는, 상기 제1전극부(200)가 공간부(111)에 수용되어 밀폐되도록 하는 제1밀폐부(440)를 더 포함할 수 있다.The
이는, 전해질부(400)의 테두리부에 제1밀폐부(440)가 개재된 후 제1하우징(110)과 제2하우징(120)의 결합에 의해, 제1전극부(200)가 전해질부(400)와 제1밀폐부(440)에 의해 공간부(111) 내에 밀폐되도록 구성되는 것이다. 즉, 제1전극부(200)로 수계전해질(450)이 유입되지 않도록 하여, 리튬금속(210)의 부식을 방지함으로써 리튬 에어 배터리의 성능 및 수명을 향상시킬 수 있다.This is because the
이때, 도시된 바와 같이 전해질부(400)의 고체전해질(420) 하측 테두리부와 수용체(430)의 상측 테두리부에 각각 오링(O-ring)과 같은 제1밀폐부(440)를 형성하여, 제1전극부(200)를 공간부(111) 내에 밀폐시키는 밀폐력이 향상되도록 할 수 있다. 그리고 유기전해질을 함유한 분리막(410) 또한 고제전해질(420)과 제1밀폐부(440)에 의해 밀폐될 수 있다.A
또한, 상기 하우징부(100)는, 상기 제1하우징(110)과 제2하우징(120) 사이에 개재되며 상하를 관통하는 고정홀(131)이 형성되어 상기 고정홀(131)에 제2전극부(300)가 고정되는 제3하우징(130)을 더 포함할 수 있다.The
이는, 도 3 및 도 4와 같이 제1하우징(110)과 제2하우징(120) 사이에 제3하우징(130)이 개재되어 밀착되는 것이다. 이때, 제1하우징(110)의 공간부(111)에 제1전극부(200)와 전해질부(400)가 수용된 후 제3하우징(130)을 상측에서 결합하여 전해질부(400), 제1전극부(200) 및 제1하우징(110)의 공간부(111) 바닥면이 밀착되도록 결합될 수 있으며, 제1하우징(110)과 제3하우징(130)은 볼트로 형성되는 제2결합부(133)와 제1하우징(110)에 형성되는 암나사산이 형성되는 결합공(112)에 의해 나사결합 될 수 있다. 여기에서 제3하우징(130)에는 제2결합부(133)가 관통되도록 관통홀로 형성되는 제2고정부(132)가 형성되고, 제2고정부(132)는 상측이 경사지도록 형성되며 제2결합부(133)는 접시머리 볼트로 형성되어 제2결합부(133)의 상측 머리 부분이 제3하우징(130)의 상면보다 위로 돌출되지 않도록 형성되어 제3하우징(130)의 상측에 제2하우징(120)을 밀착 결합하기 용이하도록 할 수 있다.3 and 4, the
그 후 제3하우징(130)의 상측에 제2하우징(120)이 밀착 결합되며, 제3하우징(130)에는 관통공(134)이 형성되어 제1결합부(128)가 제1고정부(127) 및 관통공(134)을 관통하여 제1하우징(110)의 결합공(112)에 나사 결합될 수 있다.The
이때, 제3하우징(130)에는 고정홀(131)이 형성되고 고정홀(131)의 상측 테두리부와 제2하우징(120) 사이에 제2전극부(300)의 테두리가 밀착되어 고정된다. 이때, 고정홀(131)의 상측 테두리부는 도시된 바와 같이 경사지게 형성될 수도 있으며 단턱이 형성되어 단턱에 제2전극부(300)의 테두리가 안치되어 고정될 수도 있다. 또한, 고정홀(131)에는 수계전해질(450)이 수용될 수 있어 제1전극부(200)와 제2전극부(300) 사이에 이온의 이동이 가능하도록 구성된다.At this time, a fixing
그리하여 제1하우징(110), 제2하우징(120) 및 제3하우징(130)이 견고하게 결합되어 밀착될 수 있고, 제1전극부(200) 및 전해질부(400)의 밀착력이 향상될 수 있으며, 제2전극부(300)의 결합 및 고정이 용이해지는 장점이 있다.As a result, the
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 에어 배터리(1000)는 하우징부(100)가 제1하우징(110), 제2하우징(120) 및 제3하우징(130)으로 구성되어, 상부가 개방되며 공간부가 넓게 형성된 종래의 리튬 에어 배터리에 비해 밀폐성이 우수하며, 내구성이 향상되는 장점이 있다.That is, in the
또한, 상기 멤브레인(313)은 술포닉 애시드 그룹(sulfonic acid group)이 포함되는 다공성막으로 형성될 수 있으며, 보다 바람직하게는 다공성 재질의 폴리퍼플루오로술폰산(PFSA; Polyperfluorosulfonic acid; 상품명 Nafion) 수지로 형성될 수 있다. 그리고 상기 멤브레인(313)은 가열 및 압착되어 상기 촉매층에 밀착될 수 있다. 또한 폴리퍼플루오로술폰산(PFSA) 수지 용액(resin solution)을 사용하여 딥 코팅(dip-coating) 방법으로 멤브레인(313)이 형성될 수도 있다. 폴리퍼플루오로술폰산(PFSA) 멤브레인은 양자(proton, H+, 수소이온)-전도성(conducting)이며(전도도:conductivity: 0.1 S/cm), 분자 구조상 친수성 술폰 그룹 (Hydrophilic sulfonyl group)과 소수성기 플루오르 뼈대(hydrophobic fluorinated backbones)로 이루어져 있다. 따라서 친수성기가 있고, 양자 전도성 특성은 Li+이온을 통과시키며, 산소와 물의 반응에 필요한 물을 흡수하여 리튬-공기의 작동을 원활하게 하며, 본 발명에서 목적하는 바 백금(Pt) 촉매층의 보호에 적절한 멤브레인이다.The
즉, 멤브레인(313)은 촉매층(312) 입자의 탈락을 방지하면서도 리튬 이온의 이동이 가능한 재질로 형성될 수 있으며, 이는 리튬 에어 배터리의 성능 측면에서 가장 바람직하다.That is, the
또한, 상기 멤브레인(313)은 가열 및 압착되어 상기 촉매층(312)에 밀착될 수 있다. 즉, 촉매층(312)에 멤브레인(313)을 고온으로 가열 및 압착하여 촉매층(312)과 멤브레인(313)의 결합력을 향상시켜, 충방전의 반복에 따른 촉매층(312) 입자의 탈락을 더욱 확실하게 차단할 수 있다.In addition, the
그리고 여기에서 수계전해질(450)은 Lithium Acetate dihydrate (C2H3LiO2, Sigma-Aldrich), Lithium Chloride (LiCl, Sigma-Aldrich), Lithium hydroxide (LiOH, Sigma-Aldrich)의 염을 1몰 농도로 D.I. Water에 용해시킨 것을 사용할 수 있다. 수계전해질(450)은 이온성 액체 즉, 하기 화학식 1로 표시되는 화합물 및 이들의 혼합물로부터도 선택될 수 있다.Here, the
[화학식 1] [Chemical Formula 1]
X+Y- X + Y -
[상기 화학식 1에서,[In the above formula (1)
X+는 이미다조리움이온, 피라졸리늄이온, 피리디늄이온, 피롤리듐이온, 암모늄이온, 포스포늄이온 또는 설포늄이온이고; Y-는 (CF3SO2)2N-, (FSO2)SN-, BF4 -, PF6 -, AlCl4 -, halogen-, CH3CO2 -, CF3CO2 -, CH3SO4 -, CF3SO3 -, (CF3SO2)N-, NO3 -, SbF6 -, MePhSO3 -, (CF3SO2)3C- 또는 (R")2PO2 -(여기서 R"은 C1-C5의 알킬이다.)이다.]X + is an imidazolium ion, a pyrazolinium ion, a pyridinium ion, a pyrrolidium ion, an ammonium ion, a phosphonium ion or a sulfonium ion; Y - is (CF 3 SO 2) 2 N -, (FSO 2) SN -, BF 4 -, PF 6 -, AlCl 4 -, halogen -, CH 3 CO 2 -, CF 3 CO 2 -, CH 3 SO 4 -, CF 3 SO 3 - , (CF 3 SO 2) N -, NO 3 -, SbF 6 -, MePhSO 3 -, (CF 3 SO 2) 3 C - or (R ") 2 PO 2 - ( wherein R "is C1-C5 alkyl).
상기 화학식 1에서 양이온(X+)은 다음의 표 2로 예시될 수 있다.The cation (X + ) in the above formula (1) can be illustrated by the following Table 2.
(X+)Cation structure
(X + )
(X+)Cation structure
(X + )
상기 표에서 R1내지 R20및 R은 (C1-C20)알킬, (C2-C20)알케닐 또는 (C2-C20)알키닐이며, 상기 알킬, 알케닐 및 알키닐은 하이드록시, 아미노, -SO3H,-COOH,(C1-C5)알킬, (C1-C5)알콕시, Si(R21)(R22)(R23)(R21, R22및 R23은 서로 독립적으로 수소 또는 (C1-C5)알킬, (C1-C5)알콕시이다.)에서 선택되는 하나이상으로 더 치환될 수 있다.Wherein R 1 to R 20 and R are (C 1 -C 20) alkyl, (C 2 -C 20) alkenyl or (C 2 -C 20) alkynyl, wherein said alkyl, alkenyl and alkynyl are each independently selected from the group consisting of hydroxy, SO 3 H, -COOH, (C1 -C5) alkyl, (C1-C5) alkoxy, Si (R 21) (R 22) (R 23) (
상기 화학식 1에서 음이온(Y-)종류는 다음의 표 3으로 예시될 수 있다.The type of anion (Y - ) in the above formula (1) can be illustrated by the following Table 3.
(Y-)Anion
(Y - )
수계전해질의 일례로는 1-메틸-3-에틸 이미다조리움 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드, 1-메틸-3-프로필 이미다조리움비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드, 1-메틸-3-알릴 이미다조리움비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드, 1-메틸-3-에틸 이미다조리움비스(플루오로술포닐)이미드, 1-메틸-3-프로필 이미다조리움비스(플루오로술포닐)이미드, 1-메틸-3-알릴 이미다조리움비스(플루오로술포닐)이미드, 1-메틸-1-프로필 피롤리듐 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드, 1-메틸-1-알릴 피롤리듐 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드, 1-메틸-1-프로필 피롤리듐 (플루오로술포닐)이미드, 1-메틸-1-알릴 피롤리듐 (플루오로술포닐)이미드, 1-부틸-3-메틸이미다조리움클로라이드, 1-부틸-3-메틸이미다조리움 디부틸포스페이트, 1-부틸-3-메틸이미다조리움 디시안아미드, 1-부틸-3-메틸이미다조리움 헥사프루오로안티모네이트, 1-부틸-3-메틸이미다조리움 헥사프루오로포스페이트, 1-부틸-3-메틸이미다조리움 하이드로겐카보네이트, 1-부틸-3-메틸이미다조리움 하이드로겐설페이트, 1-부틸-3-메틸이미다조리움 메틸설페이트, 1-부틸-3-메틸이미다조리움 테트라클로로알루미네이트, 1-부틸-3-메틸이미다조리움 테트라클로로보레이트, 1-부틸-3-메틸이미다조리움 티오시아네이트, 1-도데실-3-메틸이미다조리움 아이오다이드, 1-에틸-2,3-디메틸이미다조리움 클로라이드, 1-에틸-3-메틸이미다조리움 브로마이드, 1-에틸-3-메틸이미다조리움 클로라이드, 1-에틸-3-메틸이미다조리움 헥사플루오로포스페이트, 1-에틸-3-메틸이미다조리움 테트라플루오로보레이트, 1-헥실-3-메틸이미다조리움 테트라플루오로보레이트, 1-부틸-4-메틸피리디움 클로라이드, 1-부틸-4-메틸피리디움 테트라플루오로보레이트, 1-부틸-4-메틸피리디움 헥사프루오로포스페이트, 벤질디메틸테트라데실암모니움 클로라이드, 테트라헵틸암모니움 클로라이드, 테트라키스(데실)암모니움 브로마이드, 트리부틸메틸암모니움 클로라이드, 테트라헥실암모니움 아이오다이드, 테트라부틸포스포니움 클로라이드, 테트라부틸포스포니움 테트라프루오로보레이트, 트리이소부틸메틸포스포니움 토실레이트 1-부틸-1-메틸피롤리디니움, 1-부틸-1-메틸피롤리디움 브로마이드,1-부틸-1-메틸피롤리디움 테트라플루오로보레이트, 1-아릴-3-메틸이미다조리움 브로마이드, 1-아릴-3-메틸이미다조리움 클로라이드 , 1-벤질-3-메틸이미다조리움 헥사플루오로포스페이트, 1-벤질-3-메틸이미다조리움 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드, 1-부틸-3-메틸이미다조리움 디부틸 포스페이트, 1-(3-시아노프로필)-3-메틸이미다조리움 비스(트리풀루오로메틸설포닐)아마이드, 1,3-디메틸이미다조리움 디메틸 포스페이트, 1-에틸-2,3-디메틸이미다조리움 에틸 설페이트 등이 있으며, 바람직하게는 1-에틸-3-메틸이미다조리움 알루미늄 클로라이드, 1-부틸-4-메틸피리디움 헥사플루오로포스페이트, 벤질디메틸테트라데실알루미늄 클로라이드, 트리부틸메틸알루미늄 클로라이드, 테트라부틸포스피늄 테트라플루오로보레이트, 1-부틸-1-메틸피롤리디움 클로라이드, 1-부틸-3-메틸이미다조리움 테트라클로로알루미네이트, 1-부틸-4-메틸피리디움 클로라이드, 1-부틸-4-메틸피리디움 테트라플루오로보레이트 등이 포함된다.Examples of the aqueous electrolyte include 1-methyl-3-ethylimidazolium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide, 1-methyl-3-propylimidazolium bis (trifluoromethanesulfonyl) 1-methyl-3-allyl imidazolium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide, 1-methyl-3-ethylimidazolium bis (fluorosulfonyl) imide, Methyl-3-allyl imidazolium bis (fluorosulfonyl) imide, 1-methyl-1-propylpyrrolidium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide, Imide, 1-methyl-1-allyl pyrrolidium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide, 1-methyl-1-propylpyrrolidium (fluorosulfonyl) imide, Butyl-3-methylimidazoium chloride, 1-butyl-3-methylimidazolium dibutyl phosphate, 1-butyl- An Ami Butyl-3-methylimidazolium hexafluoroantimonate, 1-butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate, 1-butyl-3-methylimidazoliumhydrogen Butyl-3-methylimidazolium methylsulfate, 1-butyl-3-methylimidazolium tetrachloroaluminate, 1-butyl Methylimidazolium tetrachloroborate, 1-butyl-3-methylimidazolium thiocyanate, 1-dodecyl-3-methylimidazolium iodide, 1-ethyl-2,3 Methylimidazolium bromide, 1-ethyl-3-methylimidazolium chloride, 1-ethyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate, 1-ethyl- 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate, 1-hexyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate, 1-butyl- Butyl-4-methylpyridinium hexafluorophosphate, benzyldimethyltetradecylammonium chloride, tetraheptylammonium chloride, tetrakis (decyl ) Ammonium bromide, tributylmethylammonium chloride, tetrahexylammonium iodide, tetrabutylphosphonium chloride, tetrabutylphosphonium tetrafluoroborate, triisobutylmethylphosphonium tosylate 1-butyl 1-butyl-1-methylpyrrolidium bromide, 1-butyl-1-methylpyrrolidinium tetrafluoroborate, 1-aryl-3-methylimidazolium bromide, 1 3-methylimidazoium chloride, 1-benzyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate, 1-benzyl-3-methylimidazoium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide , chapter 1 3-methylimidazolium dibutyl phosphate, 1- (3-cyanopropyl) -3-methylimidazolium bis (trifluoromethylsulfonyl) amide, 1,3-dimethylimidazo Ethyl-2,3-dimethylimidazolium ethylsulfate, and the like, preferably 1-ethyl-3-methylimidazolium aluminum chloride, 1-butyl-4-methylpyridium hexa Butyl-1-methylpyrrolidium chloride, 1-butyl-3-methylimidazolium tetrachloride, tetrabutylphosphonium tetrafluoroborate, 1-butyl-4-methylpyridinium chloride, 1-butyl-4-methylpyridinium tetrafluoroborate, and the like.
수계전해질은 바람직하게 높은 이온 전도도와 우수한 전기특성을 나타내는 점도를 가지기 위한 측면에서 하기 화학식 2 또는 3으로 표시되는 양이온을 포함할 수 있다.The water-based electrolyte may preferably contain a cation represented by the following formula (2) or (3) in order to have a viscosity that exhibits a high ionic conductivity and excellent electrical characteristics.
[화학식 2](2)
[화학식 3](3)
[상기 화학식 2 내지 3에서,[In the
R1내지 R4는 (C1-C20)알킬, (C2-C20)알케닐 또는 (C2-C20)알키닐이며,R 1 to R 4 are (C 1 -C 20) alkyl, (C 2 -C 20) alkenyl or (C 2 -C 20) alkynyl,
상기 알킬, 알케닐 및 알키닐은 하이드록시, 아미노, -SO3H, -COOH, (C1-C5)알킬, (C1-C5)알콕시, Si(R21)(R22)(R23)(R21, R22 및 R23은 서로 독립적으로 수소 또는 (C1-C5)알킬, (C1-C5)알콕시이다.)에서 선택되는 하나이상으로 더 치환될 수 있다.]It said alkyl, alkenyl, and alkynyl is optionally substituted with hydroxy, amino, -SO 3 H, -COOH, ( C1-C5) alkyl, (C1-C5) alkoxy, Si (R 21) (R 22) (R 23) ( R 21 , R 22 and R 23 are each independently of the other hydrogen or (C 1 -C 5) alkyl, (C 1 -C 5) alkoxy.
보다 바람직하게는 수계전해질은 하기 구조에서 선택되는 화합물을 하나이상 포함할 수 있다.More preferably, the aqueous electrolyte may contain at least one compound selected from the following structures.
수계전해질은 LiPF6, LiTFSI(Lithium bis(fluorosulfonly)imide), LiBF4, LiClO4, LiSbF6, LiAsF6, LiN(SO2C2F5)2, LiN(CF3SO2)2, LiN(SO3C2F5)2, LiCF3SO3, LiC4F9SO3, LiC6H5SO3, LiSCN, LiAlO2, LiAlCl4, LiN(CxF2x+1SO2)(CyF2y+1SO2)(여기서, x 및 y는 자연수임), LiCl, LiI 및 LiB(C2O4)2로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 리튬염을 포함할 수 있으며, 리튬염은 생성된 Li2O2가 다공질공기극의 표면에서 연속적인 반응을 저해하지 않고 이온전도도를 증가시키기 위한 측면에서 0.025 내지 1몰의 농도로 존재할 수 있다.Water-based electrolyte is LiPF 6, LiTFSI (Lithium bis ( fluorosulfonly) imide),
그리고 분리막(410)에 함유되는 유기전해질은 비수계 전해질로 물을 포함하지 않는 유기용매를 사용할 수 있으며, 비수계 유기용매로는 카보네이트계, 에스테르계, 에테르계, 케톤계, 유기황(organosulfur)계 용매, 유기인(organophosphorous)계 용매 또는 비양성자성 용매를 사용할 수 있다.The organic electrolyte contained in the
카보네이트계 용매로는 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 에틸메틸 카보네이트(EMC), 디프로필 카보네이트(DPC), 메틸프로필 카보네이트(MPC), 에틸프로필 카보네이트(EPC), 메틸에틸 카보네이트(MEC), 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 플루오로에틸렌 카보네이트(FEC), 부틸렌 카보네이트(BC) 등이 사용될 수 있으며, 에스테르계 용매로는 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, n-프로필 아세테이트, 디메틸아세테이트, 메틸프로피오네이트, 에틸프로피오네이트, γ-부티로락톤, 데카놀라이드(decanolide), 발레로락톤, 메발로노락톤(mevalonolactone), 카프로락톤(caprolactone), 등이 사용될 수 있다.Examples of the carbonate solvent include dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC), dipropyl carbonate (DPC), methyl propyl carbonate (MPC), ethyl propyl carbonate (EPC) MEC), ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), fluoroethylene carbonate (FEC), and butylene carbonate (BC) may be used. As ester solvents, methyl acetate, ethyl acetate, , Dimethylacetate, methyl propionate, ethyl propionate, gamma -butyrolactone, decanolide, valerolactone, mevalonolactone, caprolactone, etc. may be used .
에테르계 용매로는 디부틸 에테르, 테트라글라임, 디글라임, 디메톡시에탄, 2-메틸테트라히드로퓨란, 테트라히드로퓨란등이 사용될 수 있으며, 케톤계 용매로는 시클로헥사논 등이 사용될 수 있다.As the ether-based solvent, dibutyl ether, tetraglyme, diglyme, dimethoxyethane, 2-methyltetrahydrofuran, tetrahydrofuran and the like can be used. As the ketone solvent, cyclohexanone and the like can be used.
또한 유기황계 및 유기인계 용매로는 메탄설포닐클로라이드(methanesulfonyl chloride)와 p-트리클로로-n-디클로로포스포릴모노포스파젠(p-Trichloro-n-dichlorophosphorylmonophosphazene) 등이 사용될 수 있으며, 비양성자성 용매로는 R'CN(R'은 탄소수 2 내지 20의 직쇄상, 분지상, 또는 환 구조의 탄화수소기이며, 이중결합 방향 환 또는 에테르 결합을 포함할 수 있음) 등의 니트릴류, 디메틸포름아미드 등의 아미드류, 1,3-디옥솔란 등의 디옥솔란류 설포란(sulfolane)류 등이 사용될 수 있다.Examples of the organic sulfur-based and organic phosphorus-based solvents include methanesulfonyl chloride and p-trichloro-n-dichlorophosphorylmonophosphazene, and aprotic solvents Include nitriles such as R'CN (wherein R 'is a linear, branched, or cyclic hydrocarbon group having 2 to 20 carbon atoms and may include a double bond aromatic ring or an ether bond), dimethylformamide Dioxolane such as amide of 1,3-dioxolane, and sulfolane of 1,3-dioxolane.
비수계 유기용매는 단독으로 또는 둘 이상 혼합하여 사용할 수 있으며, 둘 이상 혼합하여 사용하는 경우의 혼합 비율은 목적하는 전지 성능에 따라 적절하게 조절할 수 있고, 이는 당업자가 이해될 수 있는 범위이다.The non-aqueous organic solvents may be used singly or in combination of two or more. When two or more of them are used in combination, the mixing ratio may be suitably adjusted according to the performance of the desired battery, which is a range understood by those skilled in the art.
이때, 비수계 유기용매는 리튬염을 포함할 수 있으며, 리튬염은 유기 용매에 용해되어, 전지 내에서 리튬이온의 공급원으로 작용할 수 있으며, 예를 들어 음극과 리튬 이온 전도성 고체전해질(420) 사이의 리튬 이온의 이동을 촉진하는 역할을 할 수 있다.The non-aqueous organic solvent may include a lithium salt. The lithium salt may be dissolved in an organic solvent to act as a source of lithium ions in the battery. For example, the non-aqueous organic solvent may include, for example, Of lithium ions.
리튬염으로는 수계전해질에 포함되는 리튬염과 동일하거나 상이할 수 있으며, LiPF6, LiTFSI(Lithium bis(fluorosulfonly)imide), LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiN(SO2C2F5)2, Li(CF3SO2)2N, LiC4F9SO3, LiClO4, LiAlO2, LiAlCl4, LiN(CxF2x+1SO2)(CyF2y+1SO2)(여기서, x 및 y는 자연수임), LiF, LiBr, LiCl, LiI 및 LiB(C2O4)2(리튬 비스옥살레이토 보레이트(lithium bis(oxalato) borate; LiBOB)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 사용할 수 있다.The lithium salt may be the same or different from the lithium salt contained in the aqueous electrolyte and may be LiPF 6 , LiTFSI (lithium bis (fluorosulfonyl) imide), LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2, Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, LiC 4
리튬염의 농도는 0.1 내지 2.0몰 범위 내에서 사용할 수 있다. 리튬염의 농도가 상기 범위에 포함되면, 전해질이 적절한 전도도 및 점도를 가지므로, 우수한 전해질 성능을 나타낼 수 있고, 리튬 이온이 효과적으로 이동할 수 있다. 비수계 유기용매는 리튬염 이외에도 다른 금속염을 추가로 포함할 수 있으며, 일례로 AlCl3, MgCl2, NaCl, KCl, NaBr, KBr, CaCl2 등이 있다.The concentration of the lithium salt can be used within the range of 0.1 to 2.0 moles. When the concentration of the lithium salt is within the above range, the electrolyte has appropriate conductivity and viscosity, and therefore, it can exhibit excellent electrolyte performance, and lithium ions can effectively move. The non-aqueous organic solvent may further include a metal salt in addition to the lithium salt. Examples of the non-aqueous organic solvent include AlCl 3 , MgCl 2 , NaCl, KCl, NaBr, KBr and CaCl 2 .
고체전해질(420)은 리튬이온 전도성 고체 전해질막을 의미하며, 수계전해질 내에 포함된 물이 음극에 포함된 리튬과 직접적으로 반응하지 못하도록 보호하는 보호막 역할을 수행할 수 있다. 이와 같은 리튬 이온 전도성 고체전해질(420)은 일례로 리튬이온 전도성 글래스, 리튬 이온 전도성 결정(세라믹 또는 글래스-세라믹) 또는 이들의 혼합물을 함유하는 무기물질 등이 있다.The
이하, 본 발명은 하기 도면 및 실시예에 의하여 보다 더 잘 이해될 수 있으며, 하기 도면 및 실시예는 본 발명의 예시 목적을 위한 것으로서 본 발명의 보호 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The invention will be better understood by reference to the following drawings and examples, which are for the purpose of illustrating the invention and are not intended to limit the scope of protection of the invention.
[제조예1] Nafion coated air-cathode의 제조
[Preparation Example 1] Preparation of Nafion coated air-cathode
Nafion membrane을 이용한 hot pressing methodHot pressing method using Nafion membrane
Nafion perfluorinated membrane(N-115 혹은 N-117, Sigma-Aldrich)를 사용되는 air cathode의 직경보다 다소 크게 punch를 사용하여 자른다(예를들어 직경 1.5cm의 air cathode인 경우에 직경 1.7cm). Air cathode의 백금(Pt) 촉매층이 Nafion membrane에 접촉하도록 하여 순차적으로 올려놓은 후 release film bag에 넣는다. 다음으로 준비된 release film bag을 hot press를 이용하여 100 kg/cm2의 압력의 압력으로 3분간 유지한다. 이때 hot press의 온도는 135oC를 유지한다. 이때 Air cathode의 microstructure변화를 유도하기 위하여 압력 및 온도, 그리고 유지 시간을 변화시킬 수 있다.
Cut the Nafion perfluorinated membrane (N-115 or N-117, Sigma-Aldrich) using a punch somewhat larger than the diameter of the air cathode used (eg 1.7 cm in diameter for an air cathode with a diameter of 1.5 cm). The Pt (Pt) catalyst layer of the air cathode is brought into contact with the Nafion membrane and placed in a release film bag. Next, the prepared release film bag is maintained at a pressure of 100 kg / cm 2 for 3 minutes using a hot press. The temperature of the hot press is maintained at 135 ° C. At this time, pressure, temperature, and holding time can be changed to induce the microstructure change of the air cathode.
Nafion resin solution을 이용한 Dip coating methodDip coating method using Nafion resin solution
Nafion perfulorinated resin, aqueous dispersion(10wt% in H2O, Sigma-Aldrich)를 Petri dish에 air-cathode의 크기에 따라 적정량(직경 1.5cm의 air cathode 의 경우 100 mL)을 넣은 후 Air cathode의 백금(Pt)층이 완전히 잠기도록 한 후 5 분내지 10분을 유지한다. 이후 상온의 fume hood 내의 laminar flow에서 24시간 동안 건조시킨다. 본 제조예에서 사용된 Nafion resin은 고농도의 resin solution(예를 들어 30wt% in H2O)이 사용될 수 있으며, dipping 및 drying 과정은 air cathode의 백금 촉매층에 최종적으로 생성되길 원하는 Nafion film의 두께 및 microstructure에 따라 1 ~ 2 회 혹은 다수 반복될 수 있다.
Nafion perfulorinated resin, aqueous dispersion (10 wt% in H 2 O, Sigma-Aldrich) was added to the Petri dish according to the size of the air-cathode (100 mL for an air cathode with a diameter of 1.5 cm) Pt < / RTI > layer is fully submerged and maintained for 5 to 10 minutes. It is then dried in a laminar flow in a fume hood at room temperature for 24 hours. The Nafion resin used in this example can be a high concentration resin solution (for example, 30 wt% in H 2 O), and the dipping and drying process can be carried out using the thickness of the Nafion film desired to be finally produced in the platinum catalyst layer of the air cathode Depending on the microstructure, it can be repeated one or two or more times.
[제조예2] 폴리올레핀계 복합 미세다공막(혹은 분리막)의 제조[Preparation Example 2] Preparation of polyolefin-based composite microporous membrane (or separation membrane)
본 리튬-공기전지에 전해액의 증발을 억제하고자 사용된 폴리올레핀계 복합 미세다공막(혹은 분리막)은 고분자 바인더와 무기입자를 포함한 다공막으로서, 고분자 바인더는 수용성 고분자와 비수용성 고분자를 동시에 사용하며, 수용성 고분자와 비수용성 고분자의 함량을 조절하여 내열성, 접착력, 수분함량의 최적화를 가능하게 하는 특징이 있다.
The polyolefin-based composite microporous membrane (or separation membrane) used for suppressing the evaporation of the electrolyte solution in the present lithium-air battery is a porous membrane containing a polymeric binder and inorganic particles. The polymeric binder uses a water-soluble polymer and a water- The content of the water-soluble polymer and the water-insoluble polymer can be controlled to optimize heat resistance, adhesion, and moisture content.
제조 방법 1
폴리올레핀계 미세다공막의 제조를 위해 중량평균분자량이 3.8×105인 고밀도폴리에틸렌을 사용하였다. 다일루언트로는 디부틸 프탈레이트와 40 동점도가 160cSt인 파라핀 오일을 1:2로 혼합 사용하였으며, 폴리에틸렌과 다일루언트의 함량은 각각 30중량%, 70중량%이었다. 상기 조성물을 T-다이가 장착된 이축 컴파운더를 이용하여 240℃로 압출하고 170℃로 설정된 구간을 통과하여 단일상으로 존재하는 폴리에틸렌과 다일루언트의 상분리를 유발하고 캐스팅롤을 이용하여 시트를 제조하였다. 축차 2축 연신기를 사용하여 제조된 시트를 종/횡방향으로 연신온도 128℃에서 각각 6배 연신 하였으며, 연신 후 열고정 온도는 128℃이였으며, 열고정 폭은 1-1.2-1.1로 제조되었다. 제조된 폴리에틸렌 미세다공막의 최종두께는 16㎛, 기체투과도(Gurley)는 130sec 이며 기공닫힘온도는 140℃이다.High-density polyethylene having a weight average molecular weight of 3.8 x 10 5 was used for the production of a polyolefin-based microporous membrane. As the diluent, dibutyl phthalate and paraffin oil having a kinetic viscosity of 40 cSt were mixed at a ratio of 1: 2, and the content of polyethylene and diluent was 30 wt% and 70 wt%, respectively. The composition was extruded at 240 ° C using a biaxial compounder equipped with a T-die, passed through a section set at 170 ° C to induce phase separation of polyethylene and diluent present in a single phase, . The sheet produced by using the continuous biaxial stretching machine was stretched 6 times at a stretching temperature of 128 占 폚 in longitudinal / transverse direction, and the heat fixing temperature after stretching was 128 占 폚 and the heat fixing width was made at 1-1.2-1.1 . The final thickness of the prepared polyethylene microporous membrane was 16 탆, the gas permeability (gurley) was 130 sec, and the pore closing temperature was 140 캜.
상기의 방법으로 제작된 폴리올레핀계 미세다공막을 사용하여 용융온도가 220℃이고 비누화도가 98%인 폴리비닐알콜 2.6wt%와 Tg가 -45℃인 Acrylic latex를 고형분 3.1wt%(Rovene 6050)가 되도록 사용하고, Al2O3(평균입경 0.4㎛)분말 47wt%를 Deionized water에 용해시켜 제조하였다. Die코팅 방식을 사용하여 폴리올레핀계 미세다공막 단면에 도포한 뒤, 60℃ 오븐에서 일정한 풍량을 가하여 용매를 제거/건조하고, 최종적으로 두께 4.2um의 코팅층을 갖는 폴리올레핀계 복합 미세다공막을 제조하였다.Polyvinyl alcohol (2.6 wt%) having a melting point of 220 ° C. and a saponification degree of 98% and Acrylic latex having a Tg of -45 ° C. were mixed with 3.1 wt% (Rovene 6050) of solid content using the polyolefin microporous membrane prepared by the above- , And 47 wt% of Al 2 O 3 (average particle size of 0.4 μm) powder was dissolved in Deionized water. Die coating method was used to coat the cross section of the polyolefin-based microporous membrane, and then a certain amount of air was added in an oven at 60 ° C to remove / dry the solvent. Finally, a polyolefin-based composite microporous membrane having a thickness of 4.2 .mu.m was prepared.
해당 방법으로 제작된 폴리올레핀계 복합 미세다공막의 표면 사진을 도 9에 단면 사진을 도 10에 나타내었다.FIG. 9 is a photograph of the surface of the polyolefin composite microporous membrane manufactured by the method, and FIG. 10 is a cross-sectional view thereof.
제조 방법 2
폴리올레핀계 미세다공막의 제조를 위해 중량평균분자량이 3.8×105인 고밀도폴리에틸렌을 사용하였고, 다일루언트로는 디부틸 프탈레이트와 40 동점도가 160cSt인 파라핀 오일을 1:2로 혼합 사용하였으며, 폴리에틸렌과 다일루언트의 함량은 각각 25중량%, 75중량%이었다. 상기 조성물을 T-다이가 장착된 이축 컴파운더를 이용하여 240℃로 압출하고 170℃로 설정된 구간을 통과하여 단일상으로 존재하는 폴리에틸렌과 다일루언트의 상분리를 유발하고 캐스팅롤을 이용하여 시트를 제조하였다. 축차 2축 연신기를 사용하여 제조된 시트를 종/횡방향으로 연신온도 128℃에서 각각 7배 연신 하였으며, 연신 후 열고정 온도는 126℃이였으며, 열고정 폭은 1-1.2-1.2로 제조되었다. 제조된 폴리에틸렌 미세다공막의 최종두께는 9㎛ 기체투과도(Gurley)는 110sec 이며 기공닫힘온도는 139℃이다.High density polyethylene having a weight average molecular weight of 3.8 x 10 5 was used for the production of a polyolefin microporous membrane, dibutyl phthalate and paraffin oil having a kinetic viscosity of 160 cSt were mixed in a ratio of 1: 2, And the content of the diluent was 25 wt% and 75 wt%, respectively. The composition was extruded at 240 ° C using a biaxial compounder equipped with a T-die, passed through a section set at 170 ° C to induce phase separation of polyethylene and diluent present in a single phase, . The sheet produced by using the continuous biaxial stretching machine was stretched 7 times at a stretching temperature of 128 占 폚 in longitudinal / transverse directions, a heat fixing temperature after stretching was 126 占 폚, and a heat fixing width of 1-1.2-1.2 . The final thickness of the prepared polyethylene microporous membrane was 9 탆, the gas permeability (Gurley) was 110 sec, and the pore closing temperature was 139 캜.
상기에 기재된 폴리올레핀계 미세다공막에 용융온도가 225℃이고 비누화도가 97.5%인 Silanol-폴리비닐알콜 공중합체 0.5wt%와 Tg가 -24℃인 Carboxylated Stylene butadiene Latex 1.5%(Rovene 4305)에 종횡비가10~20인 판상형 Al2O3(평균입경 1.5㎛)분말 22wt%를 Deionized water에 용해시켜 제조하였다. Micro-gravure코팅 방식을 사용하여 폴리올레핀계 미세다공막의 단면에 도포한 뒤, 60℃ 오븐에서 일정한 풍량을 가하여 용매를 제거/건조하고, 최종적으로 두께 3.5um의 코팅층을 갖는 폴리올레핀계 복합 미세다공막을 제조하였다.To the polyolefin-based microporous membrane described above, 0.5% by weight of a silanol-polyvinyl alcohol copolymer having a melting temperature of 225 ° C and a saponification degree of 97.5% and 1.5% by weight of Carboxylated Styrene butadiene latex having a Tg of -24 ° C (Rovene 4305) Was prepared by dissolving 22 wt% of plate-like Al 2 O 3 (average particle diameter 1.5 탆) powder of 10 to 20 in Deionized water. After coating on the cross section of the polyolefin microporous membrane using a micro-gravure coating method, the solvent was removed / dried by applying a constant air volume in an oven at 60 ° C, and finally a polyolefin composite microporous membrane .
제조 방법 3Production Method 3
상기 제조 방법1을 사용하여 제작된 폴리올레핀계 미세다공막을 사용하였고, 용융온도가 220℃이고 비누화도가 99%인 폴리비닐알콜을 0.6wt%와 Tg가 -45℃인 Acrylic latex를 4.0wt%%(Rovene 6050)에 Al2O3(평균입경 0.6㎛)분말 40wt%를 Deionized water에 용해시켜 제조하였다. Die코팅 방식을 사용하여 폴리올레핀계 미세다공막 단면에 도포한 뒤, 60℃ 오븐에서 일정한 풍량을 가하여 용매를 제거/건조하고, 최종적으로 두께 2.5um의 코팅층을 갖는 폴리올레핀계 복합 미세다공막을 제조하였다.
A polyolefin microporous membrane prepared using the above-mentioned
[실시예 1] 리튬 공기 전지의 제조[Example 1] Production of lithium air cell
리튬염으로 LiCH3COOH (Lithium Acetic Acid, molar mass = 102.02g/mol, Sigma-Aldrich), LiCl (Lithium Chloride, molar mass = 42.39 g/mol, Sigma-Aldrich), LiOH (Lithium Hydroxide, molar mass = 23.95 g/mol, Sigma-Aldrich)를 각각 16.3g, 6.8g, 3.8g을 l 리터(liter, L)의 D.I. water에 용해시켜 각각의 1M 농도의 수계 전해액을 제조하여 제2전해질로 준비하였다. 음극으로 리튬 금속 박막을 사용하였으며, 상기 리튬 금속 박막상에 배치되는 세퍼레이터로서 폴리프로필렌(SKI, F305CHP, 525HV)을 사용하였다. 다공질공기극으로 Nafion coated air-cathode를 제조예1에 기술한 것과 같은 방법으로 제조하였다. 기본 공기극으로서 백금촉매층을 가진 가스확산층(Pt 10wt%, Fuel Earth, EP1019)을 사용하였다. 전해액의 증발을 억제하기 위해 사용된 폴리올레핀계 복합 미세다공막(SKI, F305CHP, 525HV)은 제조예 2에 의해 만들어진 것이 사용되었다.LiCH 3 COOH (Lithium Acetic Acid, molar mass = 102.02 g / mol, Sigma-Aldrich), LiCl (Lithium Chloride, molar mass = 42.39 g / mol, Sigma- 16.3g, 6.8g, and 3.8g were dissolved in 1 liter (liters, L) of DI water to prepare a 1M aqueous electrolyte solution, respectively, to prepare a second electrolyte. A lithium metal thin film was used as a cathode, and polypropylene (SKI, F305CHP, 525HV) was used as a separator disposed on the lithium metal thin film. A Nafion coated air-cathode was prepared as a porous cathode in the same manner as described in Preparation Example 1. A gas diffusion layer (
스테인레스 케이스에 리튬 금속 박막 음극을 설치하고 상기 음극에 대향하는 측에 1 M의 LiTFSi in EC:DMC = 1:1, 1M의 LiTFSi in EC:PC = 1:1, 1M의 LiPF6 in EC:DEC = 1:1의 유기계전해질을 준비하여, 이중 하나를 주액한 세퍼레이터를 설치하고, 그 위에 고체 전해질막(OHARA, AG-01)을 설치하고 그 상부에 준비된 수계전해질이 주입된 수용체를 설치하고 양극을 음극에 대향하도록 세팅하였다. 이어서, 양극 상에 carbon paper washer를 배치하고, 그 위에 제2하우징(120)이 억눌러 셀을 고정시켜 리튬 공기 전지를 제조하였다. 수계전해질로 1M LiCH3COOH in D.I. water, 유기계전해질로 분리막과의 wettability가 좋은 1M LiTFSi in EC:DMC = 1:1을 사용하였으며, 나머지 자재는 상기 기술된 것과 동일한 재료가 사용되었다.A lithium metal thin film cathode was provided on the stainless steel case and a 1 M LiTFSi in EC: DMC = 1: 1, 1 M LiTFSi in EC: PC = 1: 1 and 1 M LiPF 6 in EC: DEC (OHARA, AG-01) was provided on the separator, and a receiver in which a water-based electrolyte prepared in the upper part was installed was installed. A positive electrode Was set so as to face the cathode. Next, a carbon paper washer was disposed on the anode, and the
상기 기술된 방법으로 제조된 리튬-공기 전지의 충방전 특성을 평가하고자 25℃, 1atm에서 0.25mA/cm2의 정전류 모드(constant current mode)로 일정시간 24분 동안 방전 및 충전하였다.To evaluate the charge-discharge characteristics of the lithium-air cell manufactured by the above-described method, the battery was discharged and charged at a constant current mode of 0.25 mA / cm < 2 > at 25 DEG C and 1 atm for 24 minutes.
[실시예 2][Example 2]
실시예 1에서 폴리올레핀계 미세다공막을 사용하여 수계전해질의 증발은 억제한 것과, 그렇지 않은 경우를 비교한 것이다. 또한 그 효과를 분명히 비교하기 위해서 Nafion 막이 적용되지 않은 다공질 공기극을 사용하였으며, 분위기도 대기(ambient air)가 아닌 수분이 0.6ppm이하인 pure O2 gas (상대습도 0%)를 리튬 에어 배터리의 통기공(121)을 통하여 5 ~ 10ccm을 흘리면서 제조된 리튬 에어 배터리의 충방전 특성을 평가하였다. 충방전시험 결과를 도 11, 도 12 및 표 4에 나타내었다. 폴리올레핀계 미세다공막을 air-cathode에 적용하여 제조된 리튬 에어 배터리의 수명이 현저히 향상되었다.In Example 1, the evaporation of the water-based electrolyte was suppressed by using a polyolefin-based microporous membrane, and the results were compared. In addition, it uses a porous air electrode Nafion film is not applied in order to clearly compare the effects, atmosphere air (ambient air) is not moisture is 0.6ppm or less pure O 2 gas vent of the (
[실시예 3][Example 3]
실시예 1에서 N-117 Nafion membrane을 사용하여 제조예 1의 hot pressing 방법으로 Nafion coating을 하고, 폴리올레핀계 미세다공막을 적용한 air-cathode를 제조하여 리튬 에어 배터리에 사용한 경우이다. 두 개(sample 1과 sample 2)의 리튬공기 전지의 50회 충방전 결과, 충방전 에너지 변화 및 충방전 에너지 효율을 도 13 내지 도 18에 보였으며, discharge energy retention rate을 표 5와 표 6에 보였다. Nafion Membrane이 적용된 air-cathode가 안정적이며 우수한 배터리 성능을 보임을 알 수 있다. 또한 도 19에 보인 것과 같이 Nafion coating을 적용한 경우에 백금(Pt) 촉매층이 서서히 박리되는 것을 완전히 차단하여 50 사이클 충방전 후에도 박리된 백금(Pt) 촉매층으로 인한 수계전해질의 변색이 전혀 발생하지 않았다.In Example 1, N-ion coating was performed using the N-117 Nafion membrane according to the hot pressing method of Preparation Example 1, and an air-cathode using a polyolefin microporous membrane was prepared and used in a lithium air battery. The results of 50 charge / discharge cycles of the lithium ion battery of the two samples (
[실시예 4][Example 4]
실시예 1에서 제조예 1의 dip coating 방법으로 Nafion coating을 하고, 폴리올레핀계 미세다공막을 적용한 air-cathode를 제조하여 리튬-공기 전지에 사용한 경우이다. 리튬공기 전지의 421회 충방전 결과, 충방전 에너지 변화 및 충방전 에너지 효율을 도 19 내지 도 21에 보였으며, discharge energy retention rate을 표 7에 보였다. Nafion dip coating 방식으로 적용되었을 때 우수한 배터리 성능, 특히 매우 향상된 사이클 수명을 나타내었다.In Example 1, Nafion coating was performed by the dip coating method of Production Example 1, and an air-cathode using a polyolefin-based microporous membrane was prepared and used in a lithium-air battery. The results of the 421 charge / discharge cycles of the lithium air cell, the charge / discharge energy change and the charge / discharge energy efficiency are shown in FIGS. 19 to 21, and the discharge energy retention rate is shown in Table 7. When applied with Nafion dip coating method, it showed excellent battery performance, especially very improved cycle life.
본 발명의 리튬 공기 전지는 상기 실시예 1 내지 4에서 보이는 바와 같이 Nafion coating은 백금(Pt) 촉매층이 서서히 박리되는 것을 막아주고 폴리올레핀계 미세다공막은 수계전해질 용매의 증발을 억제하여 배터리 성능이 매우 향상된 것을 알 수 있다. 대기 분위기에서 421 사이클의 우수한 사이클 수명을 확보할 수 있으며, 방전 에너지 보유율(discharge energy retention rate)도 매우 높은 것을 알 수 있다.In the lithium air battery of the present invention, as shown in Examples 1 to 4, the Nafion coating prevents the platinum (Pt) catalyst layer from being slowly peeled off, and the polyolefin-based microporous membrane inhibits the evaporation of the aqueous electrolyte solvent, It can be seen that it is improved. It can be seen that an excellent cycle life of 421 cycles can be secured in an atmospheric environment, and a discharge energy retention rate is also very high.
더구나 음극으로 리튬 금속을 사용하는 경우 수분의 영향으로 종래에는 수십 사이클 이상 수명을 확보하기 어려웠으나, 본 발명의 리튬 공기 전지는 구조상 전기적인 단락(short circuit)이 방지되고, 수분의 침투를 근복적으로 차단하여 우수한 사이클 수명이 확보되었다.In addition, when lithium metal is used as the cathode, it is difficult to secure a lifetime of several tens of cycles or more in the past due to the influence of water. However, the lithium air battery of the present invention is prevented from electrical short circuit, To ensure excellent cycle life.
또한 본 발명의 리튬 에어 배터리는 이온성 액체를 수계전해질로 사용하는 경우, 특히 FSI나 TFSI 의 음이온을 갖는 이온성 액체를 수계전해질로 채용해 리튬과의 분해반응으로 인한 열화를 감소시켜 우수한 충방전 특성을 나타내었다. 이런 경우 일반적인 Half-cell의 경우조차 최소 4 시간에서 12시간의 안정화 시간이 요구되고 있음에 반해 본 발명의 리튬 에어 배터리는 30분 내지 1시간의 짧은 안정화 시간을 가진다.The lithium-ion battery of the present invention employs an ionic liquid having anions such as FSI and TFSI as an aqueous electrolyte when the ionic liquid is used as an aqueous electrolyte, thereby reducing the deterioration due to the decomposition reaction with lithium, Respectively. In this case, a stabilization time of at least 4 hours to 12 hours is required even in a general half-cell, whereas the lithium-ion battery of the present invention has a short stabilization time of 30 minutes to 1 hour.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. It goes without saying that various modifications can be made.
1000 : 리튬 에어 배터리
100 : 하우징부
110 : 제1하우징
111 : 공간부 112 : 결합공
120 : 제2하우징 121 : 통기공
122 : 공기 수용부 127 : 제1고정부
128 : 제1결합부
130 : 제3하우징 131 : 고정홀
132 : 제2고정부 133 : 제2결합부
134 : 관통공
200 : 제1전극부
210 : 리튬금속 220 : 집전체
300 : 제2전극부
311 : 기체확산층 312 : 촉매층
313 : 멤브레인 314 : 폴리올레핀계 미세다공막
400 : 전해질부
410 : 분리막(유기계전해질) 420 : 고체전해질
430 : 수용체 431 : 수용홀
440 : 제1밀폐부 450 : 수계전해질1000: Lithium air battery
100: housing part
110: first housing
111: space part 112: engaging hole
120: second housing 121: vent hole
122: air receiving portion 127: first fixing portion
128:
130: third housing 131: fixing hole
132: second fixing portion 133: second coupling portion
134: Through hole
200: first electrode portion
210: lithium metal 220: collector
300: second electrode portion
311: gas diffusion layer 312: catalyst layer
313: Membrane 314: Polyolefin-based microporous membrane
400: electrolyte part
410: separator (organic electrolyte) 420: solid electrolyte
430: Receptor 431: Receiving hole
440: first closure 450: aqueous electrolyte
Claims (9)
일측이 공기와 접촉되는 기체확산층, 상기 기체확산층의 타측에 형성되는 촉매층, 상기 촉매층에 결합되어 리튬 이온이 통과되는 멤브레인 및 상기 기체확산층의 일측에 결합되는 폴리올레핀계 미세다공막을 포함하며, 상기 제1전극부와 이격되어 형성되는 제2전극부; 및
상기 제1전극부와 제2전극부 사이에 있으며, 상기 제1전극부의 일측에 밀착되며 유기계전해질을 함유한 분리막, 상기 분리막의 일측에 밀착되는 고체전해질 및 상기 고체전해질과 제2전극부 사이에 있는 수계전해질을 포함하는 전해질부; 를 포함하며,
상기 폴리올레핀계 미세다공막, 기체확산층, 촉매층 및 멤브레인이 차례로 적층 형성되어, 상기 폴리올레핀계 미세다공막이 공기와 접촉되며 상기 멤브레인이 수계전해질과 접촉되도록 배치되는 리튬 에어 배터리.
A first electrode portion including a lithium metal;
A catalyst layer formed on the other side of the gas diffusion layer, a membrane coupled to the catalyst layer to pass lithium ions, and a polyolefin microporous membrane bonded to one side of the gas diffusion layer, wherein the first diffusion layer, A second electrode part spaced apart from the electrode part; And
A separator interposed between the first electrode unit and the second electrode unit, the separator being in close contact with one side of the first electrode unit and containing an organic electrolyte, a solid electrolyte adhered to one side of the separator, and a separator interposed between the solid electrolyte and the second electrode unit. An electrolyte part including a water-based electrolyte; / RTI >
Wherein the polyolefin-based microporous membrane, the gas diffusion layer, the catalyst layer, and the membrane are laminated in order, and the polyolefin-based microporous membrane is in contact with air and the membrane is in contact with the aqueous electrolyte.
상측이 개방된 공간부가 구비되는 제1하우징 및 상기 제1하우징의 상부에 배치되어 상기 제1하우징의 공간부를 밀폐하며 하측이 개방된 공기 수용부와 상기 공기 수용부에 연통되는 통기공이 형성되는 제2하우징을 포함하는 하우징부;를 더 포함하며,
상기 제1전극부는 제1하우징의 공간부에 수용되고,
상기 제2전극부는 제2하우징의 공기 수용부 하측에 결합되어 상기 제1전극부와 이격되게 형성되되, 상기 제2전극부는 상측에 기체확산층이 배치되고 하측에 멤브레인이 배치되도록 결합되며,
상기 전해질부는 제1하우징의 공간부에 있으며 상기 제1전극부와 제2전극부 사이에 있는 리튬 에어 배터리.
The method according to claim 1,
The air conditioner according to any one of claims 1 to 3, wherein the air conditioner comprises: a first housing having a space portion opened on the upper side and an air receiving portion disposed on the upper portion of the first housing to seal the space portion of the first housing, And a housing portion including a second housing,
The first electrode portion is accommodated in a space portion of the first housing,
The second electrode part is coupled to the lower part of the air receiving part of the second housing and is spaced apart from the first electrode part. The second electrode part is coupled with the gas diffusion layer on the upper side and the membrane on the lower side,
Wherein the electrolyte portion is in a space portion of the first housing and is between the first electrode portion and the second electrode portion.
상기 전해질부는, 상기 제1전극부의 상측에 밀착되며 유기계전해질을 함유한 분리막, 상기 분리막의 상측에 밀착되는 고체전해질, 상기 고체전해질과 제2전극부 사이에 구비되는 수계전해질 및 상기 고체전해질의 상측에 구비되며 상하를 관통하는 수용홀이 형성되는 수용체를 포함하며,
상기 수용체는 고체전해질, 분리막 및 제1전극부를 상기 공간부에 밀착시키는 리튬 에어 배터리.
5. The method of claim 4,
The electrolyte part may include a separator membrane which is in close contact with the upper side of the first electrode part and contains an organic electrolyte, a solid electrolyte which is in close contact with the upper side of the separator, an aqueous electrolyte which is provided between the solid electrolyte and the second electrode part, And a receiver having a receiving hole penetrating the upper and lower portions,
Wherein the solid electrolyte, the separation membrane, and the first electrode portion are brought into close contact with the space portion.
상기 하우징부는, 상기 제1하우징과 제2하우징 사이에 개재되며 상하를 관통하는 고정홀이 형성되어 상기 고정홀에 제2전극부가 고정되는 제3하우징을 더 포함하는 리튬 에어 배터리.
5. The method of claim 4,
Wherein the housing part further comprises a third housing interposed between the first housing and the second housing and having a fixing hole penetrating the fixing part, the third housing being fixed to the fixing hole.
상기 멤브레인은 술포닉 애시드 그룹(sulfonic acid group)이 포함되는 다공성막인 리튬 에어 배터리.
The method according to any one of claims 1, 4, 5, and 6,
Wherein the membrane is a porous membrane including a sulfonic acid group.
상기 멤브레인은 다공성 재질의 폴리퍼플루오로술폰산(PFSA; Polyperfluorosulfonic acid) 수지로 형성되는 리튬 에어 배터리.
8. The method of claim 7,
Wherein the membrane is formed of a porous polyperfluorosulfonic acid (PFSA) resin.
상기 멤브레인은 폴리퍼플루오로술폰산(PFSA) 수지를 가열 및 압착하여 상기 촉매층에 밀착되도록 형성되거나, 폴리퍼플루오로술폰산(PFSA) 수지 용액을 사용하여 딥 코팅(dip-coating) 방법으로 상기 촉매층에 밀착 형성되는 리튬 에어 배터리.9. The method of claim 8,
The membrane may be formed to be in close contact with the catalyst layer by heating and pressing a polyperfluorosulfonic acid (PFSA) resin, or may be formed by a dip-coating method using a polyperfluorosulfonic acid (PFSA) Lithium air battery formed closely.
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