KR101622092B1 - Cathode Active Material for Metal-Air Cell and Metal-Air Cell Comprising The Same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 금속 공기 전지용 양극재 및 이를 포함하는 금속 공기 전지에 관한 것이다.
본 발명에 따른 양극재는, 다공성 카본 입자 또는 다공성 카본 구조체의 표면의 일부 또는 전부에 금속 촉매 층이 형성되어 있으므로, 산소 기체의 느린 산화, 환원 반응속도를 향상시킬 수 있다.
따라서, 본 발명은, 단순히 귀금속 촉매와 다공성 카본을 혼합하는 경우에 비해 산소 기체의 전기화학 반응을 더욱 촉진시킬 수 있는 동시에 나노 다공성 금을 양극으로 사용하는 경우에 비해, 상대적으로 질량당 에너지 밀도가 높고, 저렴한 금속-공기 전지용 양극을 제공할 수 있는 효과가 있다.
The present invention relates to a cathode material for a metal air cell and a metal air cell including the cathode material.
The cathode material according to the present invention can improve the slow oxidation and reduction reaction rate of the oxygen gas since the metal catalyst layer is formed on part or all of the surfaces of the porous carbon particles or the porous carbon structure.
Therefore, the present invention can accelerate the electrochemical reaction of the oxygen gas more simply than the case of mixing the noble metal catalyst and the porous carbon, and at the same time, the energy density per mass is relatively higher than that in the case of using the nanoporous gold as the anode It is possible to provide a high-cost, low-cost metal-air battery anode.

Description

금속 공기 전지용 양극재 및 이를 포함하는 금속 공기 전지 {Cathode Active Material for Metal-Air Cell and Metal-Air Cell Comprising The Same}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a cathode material for a metal air cell,

본 발명은 금속 공기 전지용 양극재 및 이를 포함하는 금속 공기 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a cathode material for a metal air cell and a metal air cell including the cathode material.

휴대용 전자기기의 소형화, 고집적화와 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV)와 전기자동차의 개발에 따라 높은 에너지 밀도를 나타내는 이차전지가 요구된다.2. Description of the Related Art [0002] A secondary battery exhibiting a high energy density is required due to miniaturization and high integration of portable electronic devices and development of hybrid electric vehicles (HEV) and electric vehicles.

현재 상용화된 리튬 이온 전지는 기술적 문제에 의해 제한된 에너지 밀도만이 이용되고 있어서 보다 높은 에너지 밀도를 갖는 금속-공기 전지 개발이 주목받고 있다. Currently, commercially available lithium ion batteries use only a limited energy density due to technical problems, and thus the development of metal-air batteries having higher energy density is attracting attention.

리튬 이온 전지의 용량은, 양극 및 음극 소재의 이론용량에 의해 제한을 받지만, 금속-공기 전지는 양극으로 공기를 사용하기 때문에 에너지 밀도가 크게 높아진다. The capacity of the lithium ion battery is limited by the theoretical capacity of the anode and cathode materials, but since the metal-air battery uses air as the anode, the energy density is greatly increased.

금속-공기 전지는 금속 연료극(음극)과 산소 공기극(양극)으로 구성되어 있다. 방전 시, 금속 연료극의 산화로 인해 금속 이온이 형성되고, 생성된 금속 이온은 전해질을 가로질러 산소 공기극으로 이동하게 된다. Metal-air cells consist of a metal anode (cathode) and an oxygen cathode (anode). During the discharge, metal ions are formed due to oxidation of the metal anode, and the generated metal ions move to the oxygen cathode across the electrolyte.

산소 공기극에서는, 외부의 산소가 산소 공기극의 공극 내부의 전해질에 용해되어 환원된다. 비수계 금속-공기 전지의 경우, 환원된 산소가 전해질로부터 전달된 금속 이온과 결합하여 금속 산화물을 형성한다. In the oxygen air electrode, the external oxygen is dissolved in the electrolyte inside the pores of the oxygen electrode and reduced. In the case of a non-aqueous metal-air battery, the reduced oxygen combines with metal ions transferred from the electrolyte to form metal oxides.

수계 전해질의 경우, 물이 방전 반응에 수반되어 금속 수산화물을 형성한다.In the case of aqueous electrolytes, water is involved in the discharge reaction to form metal hydroxides.

금속-공기 전지는, 높은 에너지 밀도를 가짐에도 불구하고, 실질적으로는 이론적 에너지 밀도 전부를 구현하는데 어려움이 있다. Metal-air cells, although having a high energy density, have difficulty practically implementing all of the theoretical energy density.

대표적으로, 산소 기체의 느린 산화환원 반응속도로 인해 충방전이 원활히 일어나지 않으며, 리튬 이온 전지와 달리 외부의 공기가 드나들 수 있는 개방형 구조를 취하기 때문에 외부 공기의 불순물(수분 및 이산화탄소 등)이 유입되어 부반응을 일으키는 결과 비가역 용량이 증가하고, 전해액의 휘발이 일어나 성능이 급격히 저하되는 문제가 있다. Typically, charging and discharging do not occur smoothly due to the slow oxidation and reduction reaction rate of oxygen gas, and unlike a lithium ion battery, an open structure that allows external air to flow is taken, so that impurities (water and carbon dioxide, etc.) As a result, the irreversible capacity increases and volatilization of the electrolytic solution occurs, resulting in a problem that the performance deteriorates rapidly.

따라서, 금속-공기 전지의 양극은 다공성의 전도성 매트릭스 구조를 취해야 하며, 이 구조 안에서 방전 생성물이 형성되어야 한다. Thus, the anode of the metal-air battery should have a porous, conductive matrix structure in which discharge products must be formed.

산소 기체의 전기화학 반응을 촉진시키기 위한 종래기술로는, 다공성카본과 금 또는 백금과 같은 귀금속 촉매를 혼합하여 양극재로 사용하거나, 나노 다공성 금을 양극으로 사용하는 기술이 있다.Conventional techniques for promoting the electrochemical reaction of oxygen gas include a technique of mixing porous carbon with a noble metal catalyst such as gold or platinum to use as a cathode material, or using nanoporous gold as an anode.

그러나, 다공성 카본과 촉매를 단순히 혼합하여 양극재로 사용하는 것만으로는, 산소 기체의 전기화학 반응을 촉진시키는데 한계가 있었다. 또한, 나노 다공성 금을 양극으로 사용하는 경우에는, 낮은 에너지 밀도와 전극 가격이 비싸다는 한계가 있었다.However, merely mixing the porous carbon and the catalyst and using them as a cathode material has a limitation in promoting the electrochemical reaction of oxygen gas. In addition, when nanoporous gold is used as an anode, there is a limit in that an energy density and an electrode price are expensive.

본 출원의 발명자들은, 다공성 카본 입자의 표면에 귀금속 촉매를 포함하는 코팅층을 형성하는 경우, 단순히 귀금속 촉매와 다공성 카본을 혼합하는 경우에 비해 산소 기체의 전기화학 반응을 더욱 촉진시킬 수 있는 동시에 나노 다공성 금을 양극으로 사용하는 경우에 비해, 상대적으로 질량당 에너지 밀도가 높고, 저렴한 금속-공기 전지용 양극을 제공할 수 있을 것이라는 발상에서 본 발명을 완성하기에 이르렀다.The inventors of the present application have found that when a coating layer containing a noble metal catalyst is formed on the surface of porous carbon particles, the electrochemical reaction of oxygen gas can be further promoted as compared with the case of simply mixing the noble metal catalyst and the porous carbon, The present invention has been accomplished based on the idea that, compared with the case where gold is used as an anode, an energy density per mass is relatively high and an anode for an inexpensive metal-air battery can be provided.

따라서, 본 발명에 따른 금속-공기 전지용 양극재는, Accordingly, the cathode material for a metal-air battery according to the present invention,

다공성 카본 입자; 또는 다공성 카본 입자들이 응집되어 있는 구조의 다공성 카본 구조체; 및 Porous carbon particles; Or a porous carbon structure having a structure in which porous carbon particles are aggregated; And

상기 다공성 카본 입자 또는 다공성 카본 구조체의 표면에 형성되어 있고, 산소 기체의 산화, 환원 반응의 활성화 에너지를 낮추는 금속 촉매 층;으로 이루어진 것을 특징으로 한다.And a metal catalyst layer formed on the surfaces of the porous carbon particles or the porous carbon structure and lowering the activation energy of the oxidation and reduction reactions of the oxygen gas.

금속-공기 전지는, 방전 시 산소환원반응(Oxygen Reduction Reaction; ORR)을 수반하고, 충전 시 산소산화반응(Oxygen Evolution Reaction; OER)을 수반한다. 따라서, 금속-공기 전지의 2차 전지화를 위해서는 산소환원반응과 산소발생반응에 동시에 활성을 띠어야 한다. Metal-air batteries are accompanied by an Oxygen Reduction Reaction (ORR) during discharging and accompanied by Oxygen Evolution Reaction (OER) during charging. Therefore, for the secondary battery of a metal-air battery, oxygen reduction reaction and oxygen generation reaction must be simultaneously active.

따라서, 상기 금속 촉매는, 산소환원반응과 산소발생반응에 모두 활성을 띠어야 한다. 이러한 금속 촉매는, 금, 은, 및 백금족 금속으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 합금일 수 있고, 상기 백금족 금속은, 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 파라듐(Pd), 및 백금(Pt)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 합금일 수 있다.Therefore, the metal catalyst should be active in both the oxygen reduction reaction and the oxygen generation reaction. The metal catalyst may be one or two or more alloys selected from the group consisting of gold, silver and platinum group metals. The platinum group metals may be selected from the group consisting of ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd) (Pt). ≪ / RTI >

상기한 금속 촉매들로 이루어진 금속 촉매 층은, 다공성 카본 입자의 표면의 전부 또는 일부에 형성되어 있을 수 있고, 다공성 카본 구조체의 표면의 전부 또는 일부에 형성되어 있을 수 있다. The metal catalyst layer composed of the metal catalysts may be formed on all or a part of the surface of the porous carbon particles, and may be formed on all or a part of the surface of the porous carbon structure.

표면의 전부 또는 일부에 금속 촉매 층이 형성되어 있는 다공성 카본 구조체는, 다공성 카본 입자들이 응집된 상태에서, 금속 촉매 층이 형성된 것일 수도 있고, 표면의 전부 또는 일부에 금속 촉매 층이 형성되어 있는 다공성 카본 입자들이 응집된 것일 수도 있다.The porous carbon structure in which the metal catalyst layer is formed on all or a part of the surface may be formed with the metal catalyst layer in the aggregated state of the porous carbon particles and may have a porous structure in which the metal catalyst layer is formed on all or a part of the surface The carbon particles may be agglomerated.

본 발명의 비제한적인 일 실시예에서, 카본 구조체는 카본 페이퍼일수 있고, 상기 카본 구조체는 일반적으로 다공성이며, 전기전도도가 높고 공극이 랜덤하게 존재하기 때문에 반응물인 산소의 흐름을 원활하게 도와주고, 무게가 가볍기 때문에 금속공기전지의 전극으로 사용하기에 적합하다.In one non-limiting embodiment of the present invention, the carbon structure may be a carbon paper, the carbon structure is generally porous, has a high electrical conductivity and is randomly present, Due to its light weight, it is suitable for use as an electrode in metal air cells.

본 발명의 하나의 구체적인 실시예에서, 상기 금속 촉매 층은, 다공성 카본 입자의 표면 전부에 형성되어 있을 수 있다. 또한, 본 발명의 다른 하나의 구체적인 실시예에서, 상기 금속 촉매 층은, 다공성 카본 구조체의 표면 전부에 형성되어 있을 수 있다. In one specific embodiment of the present invention, the metal catalyst layer may be formed on the entire surface of the porous carbon particles. Further, in another specific embodiment of the present invention, the metal catalyst layer may be formed on the entire surface of the porous carbon structure.

상기 금속 촉매 층은, 2 내지 20 nm 의 두께로 다공성 카본 입자 또는 다공성 카본 구조체의 표면의 전부 또는 일부에 형성되어 있을 수 있다. 상기 촉매층이 2 nm 미만인 경우에는, 균일하게 다공성 카본입자 및 카본 구조체에 도포되기 어려우며, 공정상의 문제가 존재하게 된다. 또한, 20 nm 초과 시에는 다량의 금속 촉매가 사용되게 되어 가격적 불리함이 발생하고, 질량당 에너지 밀도가 감소하게 되는 문제가 있다. The metal catalyst layer may have a thickness of 2 to 20 nm and may be formed on all or a part of the surfaces of the porous carbon particles or the porous carbon structure. When the catalyst layer is less than 2 nm, it is difficult to uniformly coat the porous carbon particles and the carbon structure, resulting in a process problem. Also, when the thickness exceeds 20 nm, a large amount of metal catalyst is used, resulting in cost disadvantage and energy density per mass is reduced.

상기 금속 촉매 층은, 무전해 도금법, 전기 도금법, 기상 증착법, 화학적 합성 법 등 당업계에서 공지된 방법으로 다공성 카본 입자 또는 다공성 카본 구조체의 표면에 형성될 수 있고, 셀의 질량당 에너지 밀도, 가격 경쟁력 등을 고려하여 금속 촉매 층의 두께를 결정할 수 있다.The metal catalyst layer may be formed on the surface of the porous carbon particles or the porous carbon structure by a method known in the art such as an electroless plating method, an electroplating method, a vapor deposition method, a chemical synthesis method, The thickness of the metal catalyst layer can be determined in consideration of competitiveness and the like.

상기 다공성 카본은, 규칙적 또는 불규칙적인 구조를 지니며 일정하지 않은 미세공들을 지니고 있다. 대표적인 물질로는, 활성탄소를 들 수 있고, 활성탄소에서는, 미세흑연이 2차원 또는 3차원적으로 고차구조를 가지고, 그러한 공극이 세공이 된다. The porous carbon has a regular or irregular structure and non-uniform micropores. Representative materials include activated carbon. In activated carbon, fine graphite has a two-dimensional or three-dimensional higher-order structure, and such voids become pores.

세공의 크기는, 미세공(< 2 nm), 중간공(2 ~ 50 nm) 또는 거대공(> 50 nm)일 수 있고, 본 발명의 구체적인 하나의 실시예에서, 세공의 크기는 2 내지 50 nm(메조포러스(mesoporus) 구조) 일 수 있고, 다공도는 20 내지 45 % 일 수 있다. The size of the pores may be micropores (<2 nm), median (2-50 nm) or macropores (> 50 nm), and in one specific embodiment of the present invention, nm (mesoporous structure), and the porosity may be 20 to 45%.

상기한 다공성 카본 입자들이 응집되어 다공성 카본 구조체를 이룰 수 있고, 다공성 카본 입자들 사이에는, 공극이 형성되어 있을 수 있다. 본 발명에 따른 하나의 구체적인 실시예에서, 다공성 카본 구조체의 공극률은 20 내지 45 % 일 수 있다. The porous carbon particles may be aggregated to form a porous carbon structure, and voids may be formed between the porous carbon particles. In one specific embodiment according to the present invention, the porosity of the porous carbon structure may be 20 to 45%.

본 발명은, 또한, 상기한 양극재를 포함하는 금속-공기 전지를 제공한다. 상기 금속-공기 전지는, 양극, 음극 및 전해질을 포함하고 있을 수 있고, 전해질의 종류에 따라, 분리막을 포함하고 있을 수 있다. The present invention also provides a metal-air battery including the above-mentioned cathode material. The metal-air battery may include an anode, a cathode, and an electrolyte, and may include a separator depending on the type of the electrolyte.

상기 금속-공기 전지는, 음극 활물질로서 이용되는 활성 금속의 종류에 따라 구분될 수 있다. The metal-air battery may be classified according to the kind of the active metal used as the negative electrode active material.

예를 들어, 상기 활성 금속은 마그네슘, 알루미늄, 아연, 철, 카드뮴, 납, 리튬, 나트륨으로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있고, 이 경우, 상기 금속-공기 전지는, 순서대로, 마그네슘-공기 전지, 알루미늄-공기 전지, 아연-공기 전지, 철-공기 전지, 카드뮴-공기 전지, 리튬-공기 전지, 나트륨-공기 전지일 수 있다. For example, the active metal may be selected from the group consisting of magnesium, aluminum, zinc, iron, cadmium, lead, lithium, and sodium. In this case, the metal- , Aluminum-air cells, zinc-air cells, iron-air cells, cadmium-air cells, lithium-air cells and sodium-air cells.

상기 금속 공기 전지는, 충방전이 가능한 이차전지일 수 있고, 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원 또는 전력 저장장치의 전원 등으로 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The metal air battery may be a rechargeable secondary battery, and may be used as a power source of an electric vehicle (EV), a hybrid electric vehicle (HEV), or a power source of a power storage device, but is not limited thereto.

상기 양극은, 음극에 비해 상대적으로 두께가 얇은 판상의 전극으로서, 본 발명의 하나의 구체적인 실시예에 따라, 별도로 제조한 바인더 용액에 상기한 양극재를 넣고 교반하여 슬러리를 제조한 후, 이를 집전체에 도포하는 방법으로 제조할 수 있다.The positive electrode is a plate-shaped electrode having a relatively thinner thickness than the negative electrode. According to one specific embodiment of the present invention, the above-mentioned positive electrode material is put into a separately prepared binder solution and stirred to prepare a slurry. And then the whole is applied.

상기 바인더 용액 제조 과정은, 바인더를 용매에 분산 또는 용해시켜 바인더 용액을 제조하는 과정이다. The binder solution preparation process is a process of dispersing or dissolving the binder in a solvent to prepare a binder solution.

상기 바인더는, 당해 업계에서 공지된 모든 바인더들일 수 있고, 구체적으로는, 폴리불화비닐리덴(polyvinylidene fluoride, PVdF) 또는 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTFE)을 포함하는 불소 수지계 바인더, 스티렌-부타디엔 고무, 아크릴로니트릴-부티디엔 고무, 스티렌-이소프렌 고무를 포함하는 고무계 바인더, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈를 포함하는 셀룰로오스계 바인더, 폴리 알코올계 바인더, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌을 포함하는 폴리 올레핀계 바인더, 폴리 이미드계 바인더, 폴리 에스테르계 바인더 홍합 접착제, 실란계 바인더로 이루어진 군에서 선택된 하나 또는 2 종 이상의 바인더들의 혼합물이거나 공중합체일 수 있다. The binder may be any binder known in the art and specifically includes a fluororesin binder including polyvinylidene fluoride (PVdF) or polytetrafluoroethylene (PTFE), a binder such as styrene-butadiene But are not limited to, cellulose-based binders including carboxymethylcellulose (CMC), starch, hydroxypropylcellulose, regenerated cellulose, poly Or a mixture or copolymer of one or more binders selected from the group consisting of polyolefin binders, polyolefin binders, polyimide binders, polyester-based binder mussel adhesives, and silane-based binders, .

상기 용매는, 바인더의 종류에 따라 선택적으로 사용될 수 있고, 예를 들어, 이소프로필 알코올, N-메틸피롤리돈(NMP), 아세톤 등의 유기 용매와 물 등이 사용될 수 있다.The solvent can be selectively used depending on the type of the binder. For example, organic solvents such as isopropyl alcohol, N-methylpyrrolidone (NMP), and acetone and water can be used.

구체적으로, PVdF를 NMP(N-methyl pyrrolidone)에 분산 또는 용해시키거나, SBR(Styrene-Butadiene Rubber)/CMC(Carboxy Methyl Cellulose)를 물에 분산 또는 용해시켜 바인더 용액을 제조할 수도 있다. Specifically, a binder solution may be prepared by dispersing or dissolving PVdF in NMP (N-methyl pyrrolidone) or dispersing or dissolving SBR (Styrene-Butadiene Rubber) / CMC (Carboxy Methyl Cellulose) in water.

상기 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. The current collector is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing a chemical change in the battery. For example, the current collector may be made of copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, sintered carbon, a surface of copper or stainless steel A surface treated with carbon, nickel, titanium, silver or the like, an aluminum-cadmium alloy, or the like can be used.

집전체는, 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극재의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일 등의 다양한 형태로 사용될 수 있다. 또한, 공기유로를 형성하기 위해, 메쉬(mesh), 다공질체, 격자(grid), 발포체, 부직포체 등의 구조로 이루어진 것일 수 있다. The current collector may have fine unevenness on the surface to enhance the bonding force of the cathode material, and may be used in various forms such as a film, a sheet, and a foil. In addition, in order to form an air flow path, it may be made of a mesh, a porous body, a grid, a foam, a nonwoven fabric, or the like.

본 발명의 구체적인 하나의 실시예에서, 상기 집전체는, 카본 페이퍼(carbon paper) 및 메쉬형의 금속 호일일 수 있다. 경우에 따라서는 전지 케이스 자체가 집전체의 기능을 할 수 있다. In one specific embodiment of the present invention, the collector may be a carbon paper and a mesh-like metal foil. In some cases, the battery case itself can function as a current collector.

상기 슬러리를 집전체 상에 코팅하는 방법은, 슬리러를 집전체 위에 분배시킨 후 닥터 블레이드(doctor blade) 등을 사용하여 균일하게 분산시키는 방법, 다이 캐스팅(die casting), 콤마 코팅(comma coating), 스크린 프린팅(screen printing) 등의 방법 등을 들 수 있다. 또한, 별도의 기재(substrate) 위에 성형한 후 프레싱 또는 라미네이션 방법에 의해 슬러리를 집전체와 접합시킬 수도 있다. The method of coating the slurry on the current collector may include a method of uniformly dispersing the slurry on a current collector using a doctor blade or the like, a die casting method, a comma coating method, , Screen printing, and the like. Alternatively, the slurry may be bonded to the current collector by molding on a separate substrate, followed by pressing or lamination.

슬러리 코팅 공정 이후에는, 건조 및 압연 과정이 더 포함될 수 있다. After the slurry coating process, a drying and rolling process may be further included.

상기 건조 공정은, 집전체에 코팅된 슬러리를 건조하기 위하여 슬러리 내의 용매 및 수분을 제거하는 과정으로, 구체적인 실시예에서, 50 내지 200℃의 진공 오븐에서 1 일 이내로 건조할 수 있다. 상기 건조 과정 이후에는, 냉각 과정을 더 포함할 수 있고, 상기 냉각 과정은 실온까지 서냉(slow cooling)하는 것일 수 있다. The drying process is a process of removing the solvent and moisture in the slurry to dry the slurry coated on the current collector. In a specific example, the drying process may be performed within one day in a vacuum oven at 50 to 200 ° C. The drying process may further include a cooling process, and the cooling process may be a slow cooling process to a room temperature.

건조 공정 이후에, 양극의 용량 밀도를 높이고 집전체와 양극재들 간의 접착성을 증가시키기 위해서, 고온 가열된 2개의 롤 사이로 양극을 통과시켜 원하는 두께로 압축하는 압연 공정을 더 수행할 수 있다.After the drying step, in order to increase the capacity density of the positive electrode and increase the adhesion between the current collector and the positive electrode materials, a rolling process may be further performed in which the positive electrode is passed between two rolls heated at high temperature to compress the desired thickness.

상기 음극은, 활성 금속만으로 이루어진 것일 수도 있고, 활성 금속을 포함하고 있는 것일 수도 있다. The negative electrode may be composed of only an active metal, or may contain an active metal.

구체적으로, 음극 활물질이 활성 금속판이거나, 활성 금속을 함유하는 합금판인 경우에는, 금속판 또는 합금판 자체가 음극으로 작용할 수 있다.Specifically, when the negative electrode active material is an active metal plate or an alloy plate containing an active metal, the metal plate or the alloy plate itself may act as a negative electrode.

음극 활물질이, 활성 금속의 분말 형태이거나, 활성 금속을 함유하는 합금의 분말이거나, 활성 금속을 함유하는 화합물인 경우에는, 양극과 동일한 방법으로 음극을 제조할 수 있다. 상기 화합물은, 예를 들어, 리튬 원소를 함유하는 금속 산화물 또는 질화물, 또는 리튬 티타늄 옥사이드 등일 수 있다.When the negative electrode active material is a powder of an active metal, a powder of an alloy containing an active metal, or a compound containing an active metal, the negative electrode can be produced in the same manner as the positive electrode. The compound may be, for example, a metal oxide or nitride containing lithium element, lithium titanium oxide, or the like.

경우에 따라서는, 상기 음극은, 도전재 등을 포함하고 있을 수 있다. In some cases, the negative electrode may include a conductive material or the like.

상기 도전재는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다. The conductive material is not particularly limited as long as it has electrical conductivity without causing chemical changes in the battery, for example, graphite such as natural graphite or artificial graphite; Carbon black such as carbon black, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black; Conductive fibers such as carbon fiber and metal fiber; Metal powders such as carbon fluoride, aluminum, and nickel powder; Conductive whiskey such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives and the like can be used.

상기 전해질은, 수계 전해액 및 비수계 전해질 등이 사용될 수 있다. 비수계 전해질로는 금속 염 및 유기 용매를 포함하는 비수계 전해액 또는 고체 전해질, 겔 전해질을 이용할 수 있다. As the electrolyte, an aqueous electrolyte and a non-aqueous electrolyte may be used. As the non-aqueous electrolyte, a non-aqueous liquid electrolyte, a solid electrolyte, and a gel electrolyte including a metal salt and an organic solvent may be used.

상기 금속 염은, 금속-공기 전지의 종류에 따라 다르고, 예를 들어, 리튬-공기 전지의 경우, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, LiSCN, LiC(CF3SO2)3, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등의 리튬 염이 사용될 수 있다.The metal salt varies depending on the kind of the metal-air battery. For example, in the case of a lithium-air battery, LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4 , LiBF 4 , LiB 10 Cl 10 , LiPF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2, LiAsF 6 , LiSbF 6, LiAlCl 4, CH 3 SO 3 Li, CF 3 SO 3 Li, LiSCN, LiC (CF 3 SO 2) 3, (CF 3 SO 2) 2 NLi, chloroborane lithium , Lithium salt of lower aliphatic carboxylic acid lithium, lithium 4-phenylborate, imide and the like can be used.

상기 비수 전해액에는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 1,2-디에톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 4-메틸-1,3-디옥센, 디에틸에테르, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.Examples of the nonaqueous electrolyte include N-methyl-2-pyrrolidinone, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, tetrahydroxyfuran, 2-methyltetrahydrofuran, dimethylsulfoxide, 1,3-dioxolane, 4 Methyl-1,3-dioxane, diethyl ether, formamide, dimethyl formamide, dioxolane, acetonitrile, nitromethane, methyl formate, methyl acetate, triester phosphate, trimethoxymethane, dioxolane derivative An aprotic organic solvent such as sulfolane, methylsulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, propylene carbonate derivative, tetrahydrofuran derivative, ether, methyl pyrophosphate and ethyl propionate can be used have.

유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.The organic solid electrolyte includes, for example, a polyethylene derivative, a polyethylene oxide derivative, a polypropylene oxide derivative, a phosphate ester polymer, an agitation lysine, a polyester sulfide, a polyvinyl alcohol, a polyvinylidene fluoride, A polymer including an acid dissociation group, and the like can be used.

무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.Examples of the inorganic solid electrolyte include Li 3 N, LiI, Li 5 NI 2 , Li 3 N-LiI-LiOH, LiSiO 4 , LiSiO 4 -LiI-LiOH, Li 2 SiS 3 , Li 4 SiO 4 , Li 4 SiO 4 -LiI-LiOH, Li 3 PO 4 -Li 2 S-SiS 2, and the like can be used.

겔 전해질은, 비수계 전해액에 폴리머를 첨가하여 겔화시킨 것이다. 상기 폴리머는, 폴리에틸렌 옥시드(Polyethylene oxid)(PEO),폴리 아크릴 니트릴(poly acryl nitrile)(PAN)또는 폴리 메틸 메타크릴레이트(poly methyl methacrylate)(PMMA)등 일 수 있다.The gel electrolyte is obtained by adding a polymer to a non-aqueous liquid electrolyte and gelation. The polymer may be polyethylene oxide (PEO), polyacrylonitrile (PAN) or poly methyl methacrylate (PMMA).

상기 수계 전해액은, 물에 금속 염을 첨가한 것일 수 있다. 구체적으로, 리튬-공기 전지의 경우에는, 상기한 리튬 염의 수용액일 수도 있다.The aqueous electrolytic solution may be a metal salt added to water. Specifically, in the case of a lithium-air battery, it may be an aqueous solution of the above lithium salt.

또한, 아연-공기 전지의 경우에는, 알칼리 수용액일 수 있다. 상기 알칼리 수용액은 수산화칼륨(KOH) 수용액을 사용하나, 특별히 제한되는 것은 아니며, 경우에 따라서는 수산화나트륨(NaOH) 수용액, 및 수산화암모늄(NH4OH) 수용액 등을 사용할 수 있다. In the case of a zinc-air battery, it may be an aqueous alkaline solution. The aqueous alkali solution may be an aqueous solution of potassium hydroxide (KOH), but is not particularly limited. In some cases, an aqueous solution of sodium hydroxide (NaOH) and an aqueous solution of ammonium hydroxide (NH 4 OH) may be used.

바람직하게는, 상기 수산화물은 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH), 수산화암모늄(NH4OH)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.Preferably, the hydroxide may be at least one selected from the group consisting of potassium hydroxide (KOH), sodium (NaOH), ammonium hydroxide (NH 4 OH) hydroxide.

상기 분리막은 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포; 크라프트지 등이 사용된다. 현재 시판중인 대표적인 예로는 셀가드 계열(CelgardR 2400, 2300(Hoechest Celanese Corp. 제품), 폴리프로필렌 분리막(Ube Industries Ltd. 제품 또는 Pall RAI사 제품), 폴리에틸렌 계열(Tonen 또는 Entek) 등이 있다. The separator is made of an insulating thin film having high ion permeability and mechanical strength. The pore diameter of the separator is generally 0.01 to 10 mu m and the thickness is generally 5 to 300 mu m. Such separation membranes include, for example, olefinic polymers such as polypropylene, which are chemically resistant and hydrophobic; A sheet or nonwoven fabric made of glass fiber, polyethylene or the like; Kraft paper and the like are used. Representative examples currently on the market include Celgard R 2400, 2300 (from Hoechest Celanese Corp.), polypropylene separator (from Ube Industries Ltd. or Pall RAI), and polyethylene series (from Tonen or Entek).

경우에 따라서, 상기 분리막 위에는 전지의 안정성을 높이기 위하여 겔 폴리머 전해질이 코팅될 수 있다. 이러한 겔 폴리머의 대표적인 예로는 폴리에틸렌옥사이드, 폴리비닐리덴플루라이드, 폴리아크릴로나이트릴 등을 들 수 있다. In some cases, a gel polymer electrolyte may be coated on the separation membrane to increase the stability of the cell. Representative examples of such a gel polymer include polyethylene oxide, polyvinylidene fluoride, and polyacrylonitrile.

금속-공기 전지의 구조 내지 제조방법 등은 당업계에 공지되어 있으므로, 이하 자세한 설명은 생략하기로 한다. The structure and manufacturing method of the metal-air battery are well known in the art, and a detailed description thereof will be omitted.

본 발명에 따른 양극재는, 다공성 카본 입자 또는 다공성 카본 구조체의 표면의 일부 또는 전부에 금속 촉매 층이 형성되어 있으므로, 산소 기체의 느린 산화, 환원 반응속도를 향상시킬 수 있다. The cathode material according to the present invention can improve the slow oxidation and reduction reaction rate of the oxygen gas since the metal catalyst layer is formed on part or all of the surfaces of the porous carbon particles or the porous carbon structure.

따라서, 본 발명은, 단순히 귀금속 촉매와 다공성 카본을 혼합하는 경우에 비해 산소 기체의 전기화학 반응을 더욱 촉진시킬 수 있는 동시에 나노 다공성 금을 양극으로 사용하는 경우에 비해, 상대적으로 질량당 에너지 밀도가 높고, 저렴한 금속-공기 전지용 양극을 제공할 수 있는 효과가 있다.Therefore, the present invention can accelerate the electrochemical reaction of the oxygen gas more simply than the case of mixing the noble metal catalyst and the porous carbon, and at the same time, the energy density per mass is relatively higher than that in the case of using the nanoporous gold as the anode It is possible to provide a high-cost, low-cost metal-air battery anode.

도 1은, 본 발명의 비제한적인 실시예와 비교예의 수명 특성을 비교한 그래프이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a graph comparing life characteristics of non-limiting examples of the present invention and comparative examples.

이하, 본 발명에 따른 일부 실시예들을 참조하여 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to some embodiments thereof, but the scope of the present invention is not limited thereto.

<실시예><Examples>

무전해 도금법([X. Ma et al., Materials Chemistry and Physics, 97(2006) 351-356]을 참고)을 이용하여 카본 페이퍼의 표면 전부에 금 입자를 균일하게 박막으로 형성시키고 공기극으로 사용하였다. 음극으로 리튬 금속, 전해액으로 1M의 LiTFSi가 포함된 TEGDME를 사용하였으며, 분리막은 glass fiber를 전해액에 담지하여 사용하였다. 상기 공기극, 음극, 분리막을 코인형태로 타발하여 2032 코일셀을 제작하였다. Gold particles were uniformly formed as a thin film on the entire surface of the carbon paper using an electroless plating method (see X. Ma et al., Materials Chemistry and Physics, 97 (2006) 351-356) . Lithium metal as cathode, TEGDME containing 1M LiTFSi as electrolyte was used, and the separator was used with glass fiber in electrolyte. The air electrode, negative electrode and separator were coiled in a coin shape to fabricate 2032 coil cells.

<비교예><Comparative Example>

카본 입자만으로 구성된 공기극을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 코인셀을 제작하였다.
A coin cell was fabricated in the same manner as in Example 1, except that an air electrode composed of only carbon particles was used.

<실험예><Experimental Example>

실시예와 비교예의 전지의 수명 특성을 비교하였다. 도 1을 참고하면, 비교예의 전지의 경우, 초기 방전용량이 560 mAh/g으로 측정되었고, 실시예의 전지의 경우, 초기 방전용량이 670 mAh/g으로 측정되었음을 확인할 수 있었다. 즉, 초기 방전용량이 향상되는 것을 확인하였다. 또한, 비교예의 전지에 비해 실시예의 전지는 싸이클 특성이 매우 향상됨을 확인할 수 있었다. The life characteristics of the batteries of Examples and Comparative Examples were compared. Referring to FIG. 1, in the case of the battery of the comparative example, the initial discharge capacity was measured at 560 mAh / g, and in the case of the battery of the Example, the initial discharge capacity was measured at 670 mAh / g. That is, it was confirmed that the initial discharge capacity was improved. In addition, it was confirmed that the cell characteristics of the batteries of the Examples were significantly improved as compared with the batteries of the Comparative Examples.

금이 가진 산소기체의 산화/환원 반응에 대한 촉매 특성이 전극의 성능을 향상시켰다고 볼 수 있으며, 전극 전체를 금으로 사용하는 것보다는 적은 양의 금으로 전극을 만들어 성능을 향상시킬 수 있으므로, 가격적인 장점 및 전극무게 대비 용량도 증가하게 된다. 용량값이 문헌값에 비해 작은 것은 음극인 리튬 금속을 160 um 두께의 얇은 호일을 사용하였기 때문이다. 리튬 금속 호일을 두꺼운 것을 사용할수록 전극 용량이 증가한다 ([Il Chan Jang et al., J. Power Source, In Press, (2013)] 참고).
The catalytic properties of the oxidation / reduction reaction of the oxygen gas with gold improves the performance of the electrode. Since the electrode can be made of a small amount of gold rather than the entire electrode, And an increase in capacitance to electrode weight. The reason why the capacity value is smaller than the document value is that a thin lithium metal foil having a thickness of 160 μm is used as a negative electrode. The thicker lithium metal foil increases the electrode capacity (see Il Chan Jang et al., J. Power Source, In Press, (2013)).

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다. Those skilled in the art will appreciate that various modifications, additions and substitutions are possible, without departing from the scope and spirit of the invention as disclosed in the accompanying claims.

Claims (17)

다공성 카본 입자; 및
상기 다공성 카본 입자의 표면에 형성되어 있고, 산소 기체의 산화, 환원 반응의 활성화 에너지를 낮추는 금속 촉매 층;
으로 이루어지며, 상기 금속 촉매 층의 두께는 2 내지 20 nm 인 양극재; 및 집전체를 포함하고 있고,
상기 집전체는 공기유로를 형성하기 위해, 메쉬(mesh), 다공질체, 격자(grid), 발포체, 또는 부직포체의 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 금속-공기 전지용 양극.
Porous carbon particles; And
A metal catalyst layer formed on the surface of the porous carbon particles and lowering the activation energy of oxidation and reduction reactions of oxygen gas;
Wherein the metal catalyst layer has a thickness of 2 to 20 nm; And a current collector,
Wherein the current collector comprises a structure of a mesh, a porous body, a grid, a foam, or a nonwoven fabric so as to form an air flow path.
다공성 카본 입자들이 응집되어 있는 구조의 다공성 카본 구조체; 및
상기 다공성 카본 입자의 표면에 형성되어 있고, 산소 기체의 산화, 환원 반응의 활성화 에너지를 낮추는 금속 촉매 층;
으로 이루어지며, 상기 금속 촉매 층의 두께는 2 내지 20 nm 인 양극재; 및 집전체를 포함하고 있고,
상기 집전체는 공기유로를 형성하기 위해, 메쉬(mesh), 다공질체, 격자(grid), 발포체, 또는 부직포체의 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 금속-공기 전지용 양극.
A porous carbon structure having a structure in which porous carbon particles are aggregated; And
A metal catalyst layer formed on the surface of the porous carbon particles and lowering the activation energy of oxidation and reduction reactions of oxygen gas;
Wherein the metal catalyst layer has a thickness of 2 to 20 nm; And a current collector,
Wherein the current collector comprises a structure of a mesh, a porous body, a grid, a foam, or a nonwoven fabric so as to form an air flow path.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 금속 촉매는, 산소환원반응과 산소발생반응에 동시에 활성을 띠는 것을 특징으로 하는 금속-공기 전지용 양극.3. The anode for a metal-air battery according to claim 1 or 2, wherein the metal catalyst is simultaneously active in an oxygen reduction reaction and an oxygen generation reaction. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 금속 촉매는, 금, 은, 및 백금족 금속으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 합금인 것을 특징으로 하는 금속-공기 전지용 양극.The positive electrode for a metal-air battery according to claim 1 or 2, wherein the metal catalyst is one or two or more alloys selected from the group consisting of gold, silver, and platinum group metals. 제 4 항에 있어서, 상기 백금족 금속은, 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 파라듐(Pd), 및 백금(Pt)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 합금인 것을 특징으로 하는 금속-공기 전지용 양극. 5. The metal-organic electroluminescent device according to claim 4, wherein the platinum group metal is one or two or more alloys selected from the group consisting of ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), and platinum (Pt) Anode for air cells. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 다공성 카본 입자는 세공들의 평균크기가 2 내지 50 nm 인 것을 특징으로 하는 금속-공기 전지용 양극.3. The anode for a metal-air battery according to claim 1 or 2, wherein the porous carbon particles have an average size of pores of 2 to 50 nm. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 다공성 카본 입자는 다공도가 20 내지 45 % 인 것을 특징으로 하는 금속-공기 전지용 양극.The positive electrode for a metal-air battery according to claim 1 or 2, wherein the porous carbon particles have a porosity of 20 to 45%. 제 2 항에 있어서, 상기 다공성 카본 구조체는 공극률이 20 내지 45 % 인 것을 특징으로 하는 금속-공기 전지용 양극. The positive electrode for a metal-air battery according to claim 2, wherein the porous carbon structure has a porosity of 20 to 45%. 삭제delete 제 1 항에 있어서, 상기 금속 촉매 층은, 다공성 카본 입자의 표면의 전부 또는 일부에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 금속-공기 전지용 양극.The positive electrode for a metal-air battery according to claim 1, wherein the metal catalyst layer is formed on all or a part of the surface of the porous carbon particles. 제 2 항에 있어서, 상기 금속 촉매 층은, 다공성 카본 입자의 표면의 전부 또는 일부에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 금속-공기 전지용 양극.The positive electrode for a metal-air battery according to claim 2, wherein the metal catalyst layer is formed on all or a part of the surface of the porous carbon particles. 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 양극; 음극; 및 전해질을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 금속-공기 전지.A cathode according to claim 1 or 2; cathode; And an electrolyte. &Lt; Desc / Clms Page number 24 &gt; 제 12 항에 있어서, 분리막을 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 금속-공기 전지.The metal-air battery according to claim 12, further comprising a separator. 제 12 항에 있어서, 상기 음극은, 활성 금속 박막으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 금속-공기 전지.13. The metal-air battery of claim 12, wherein the negative electrode comprises an active metal thin film. 제 12 항에 있어서, 상기 음극은, 활성 금속을 함유하는 합금 또는 화합물인 것을 특징으로 금속-공기 전지.13. The metal-air battery according to claim 12, wherein the negative electrode is an alloy or a compound containing an active metal. 제 12 항에 있어서, 상기 활성 금속은, 마그네슘, 알루미늄, 아연, 철, 카드뮴, 납, 리튬, 나트륨으로 이루어진 군에서 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 금속-공기 전지.13. The metal-air battery according to claim 12, wherein the active metal is one selected from the group consisting of magnesium, aluminum, zinc, iron, cadmium, lead, lithium and sodium. 다공성 카본 입자들이 응집되어 있는 구조의 다공성 카본 구조체; 및
상기 다공성 카본 입자의 표면에 형성되어 있고, 산소 기체의 산화, 환원 반응의 활성화 에너지를 낮추는 금속 촉매 층;
으로 이루어지며, 상기 금속 촉매 층의 두께는 2 내지 20 nm 이고,
상기 다공성 카본 구조체는 카본 페이퍼이며,
상기 카본 페이퍼는 공기유로를 형성하기 위해, 메쉬(mesh), 다공질체, 격자(grid), 발포체, 또는 부직포체의 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 금속-공기 전지용 양극.
A porous carbon structure having a structure in which porous carbon particles are aggregated; And
A metal catalyst layer formed on the surface of the porous carbon particles and lowering the activation energy of oxidation and reduction reactions of oxygen gas;
The thickness of the metal catalyst layer is 2 to 20 nm,
The porous carbon structure is carbon paper,
Wherein the carbon paper comprises a structure of a mesh, a porous body, a grid, a foam, or a nonwoven fabric so as to form an air flow path.
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