KR101628555B1 - 리튬공기전지용 양극 - Google Patents

리튬공기전지용 양극 Download PDF

Info

Publication number
KR101628555B1
KR101628555B1 KR1020140172479A KR20140172479A KR101628555B1 KR 101628555 B1 KR101628555 B1 KR 101628555B1 KR 1020140172479 A KR1020140172479 A KR 1020140172479A KR 20140172479 A KR20140172479 A KR 20140172479A KR 101628555 B1 KR101628555 B1 KR 101628555B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
bipolar
bipolar material
imidazolium
positive electrode
hydrophobic
Prior art date
Application number
KR1020140172479A
Other languages
English (en)
Inventor
김태영
김원근
김동희
류경한
Original Assignee
현대자동차주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 현대자동차주식회사 filed Critical 현대자동차주식회사
Priority to KR1020140172479A priority Critical patent/KR101628555B1/ko
Priority to US14/867,601 priority patent/US20160164080A1/en
Priority to CN201510680786.0A priority patent/CN105680051B/zh
Priority to DE102015220317.4A priority patent/DE102015220317B4/de
Application granted granted Critical
Publication of KR101628555B1 publication Critical patent/KR101628555B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M12/00—Hybrid cells; Manufacture thereof
    • H01M12/02—Details
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M12/00—Hybrid cells; Manufacture thereof
    • H01M12/04—Hybrid cells; Manufacture thereof composed of a half-cell of the fuel-cell type and of a half-cell of the primary-cell type
    • H01M12/06—Hybrid cells; Manufacture thereof composed of a half-cell of the fuel-cell type and of a half-cell of the primary-cell type with one metallic and one gaseous electrode
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M12/00—Hybrid cells; Manufacture thereof
    • H01M12/08—Hybrid cells; Manufacture thereof composed of a half-cell of a fuel-cell type and a half-cell of the secondary-cell type
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8647—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells consisting of more than one material, e.g. consisting of composites
    • H01M4/8657—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells consisting of more than one material, e.g. consisting of composites layered
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/96—Carbon-based electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/22—Fuel cells in which the fuel is based on materials comprising carbon or oxygen or hydrogen and other elements; Fuel cells in which the fuel is based on materials comprising only elements other than carbon, oxygen or hydrogen
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Hybrid Cells (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)

Abstract

본 발명은 리튬공기전지용 양극에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 양극의 표면에 친수성이온과 소수성이온으로 구성된 양극성물질을 코팅하여 양극성물질층을 형성함으로써 상기 양극에 함침된 전해질의 휘발을 억제할 수 있고, 외부로부터의 수분의 유입을 방지할 수 있어 수명특성이 향상된 리튬공기전지용 양극에 관한 것이다.

Description

리튬공기전지용 양극{AN ANODE OF LITIUM-AIR BATTERY}
본 발명은 리튬공기전지용 양극에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 양극의 표면에 친수성이온과 소수성이온으로 구성된 양극성물질을 코팅하여 양극성물질층을 형성함으로써 상기 양극에 함침된 전해질의 휘발을 억제할 수 있고, 외부로부터의 수분의 유입을 방지할 수 있어 수명특성이 향상된 리튬공기전지용 양극에 관한 것이다.
지속적인 경제성장 속에 화석연료의 고갈, 고유가, 환경오염으로 인한 지구온난화에 따른 대책 마련을 위해 신재생 에너지의 개발뿐만 아니라 효율적인 에너지 사용을 위한 에너지 저장기술에 관한 관심이 세계적으로 급증하고 있다. 현재 97%에 달하는 에너지 해외의존도를 갖고 있는 한국은 교토의정서 2차 공약기간(2013∼2017년)에 온실가스 감축의무 부담이 심각할 것으로 보이며 이와 함께 의무 불이행 시 나타나는 환경 부담금 지불과 같은 경제적 불이익이 예상된다.
이에 따라 효율적인 에너지 사용을 위한 에너지 저장기술 개발은 앞으로 한국 경제의 미래를 좌우할 중요한 사업으로 평가받고 있으며 이는 에너지 해외의존도를 축소하여 에너지 안보를 확보할 수 있다는 점에서 차세대 산업으로 급성장이 예상된다.
따라서 이러한 문제점들을 개선하기 위해선 높은 에너지밀도를 갖는 전지 시스템에 대한 기술 개발이 필요하며, 이에 대한 해결책으로 미국, 일본 등 선진국에서는 리튬공기전지 개발에 관심을 가지기 시작하였다.
리튬공기전지는 공기 중의 산소를 무제한으로 공급 받기 때문에 비표면적이 넣은 공기극을 통해 많은 양의 에너지를 저장할 수 있어 에너지 밀도가 큰 장점이 있다. 리튬 금속의 에너지 밀도는 11140 Wh/kg으로 가솔린 및 디젤 연료의 에너지 밀도에 근접하며 가벼운 산소를 외부로부터 공급받아 전지가 작동하므로 이론적으로 매우 높은 에너지 밀도를 얻을 수 있다. 리튬공기전지의 이론 에너지 밀도를 계산해 보면 현재의 차세대 이차전지 후보군 중 가장 큰 이론 에너지 밀도인 3500 Wh/kg를 나타내어 리튬이온전지에 비해 약 10배 정도 높은 에너지 밀도를 나타내고 있다.
리튬공기전지는 음극으로 리튬을 사용하고, 양극(공기극)은 활물질로 공기 중의 산소를 이용하는 전지 시스템으로써, 음극에서는 리튬의 산화 및 환원 반응 양극에서는 외부로부터 유입되는 산소의 환원 및 산화 반응이 일어난다.
구체적으로, 이하 화학식 1 및 2를 참조하면, 리튬공기전지는 방전 반응시 음극의 리튬금속이 산화되어 리튬이온과 전자가 생성되고 리튬이온은 전해질을 통해, 전자는 외부 도선 또는 집전체를 통해 양극으로 이동하게 된다. 외부 공기에 포함된 산소는 양극으로 유입되어 상기 전자에 의해 환원되어 Li2O2가 형성된다. 충전 반응은 이와 반대의 반응으로 진행된다.
[화학식 1]
(음극) : Li → Li+ + e-
[화학식 2]
(양극) : O2 + 2Li+ + 2e- → Li2O2
상기 화학식 2를 참조하면, 리튬과 산소가 반응하여 리튬산화물(Li2O2)이 생성되는데 이러한 반응은 고체(도전재)-액체(전해질)-기체(산소)의 3상 계면에서 일어나므로 3상 계면이 적절하게 존재해야 전지의 방전 및 충전이 원활하게 일어나기 때문에, 이를 적절히 조절하는 것이 리튬공기전지에 있어서 가장 중요한 이슈로 연구되고 있는 실정이다.
한편 공기(산소)의 순환이 반드시 필요한 리튬공기전지에 액체 전해질을 사용할 경우 반응이 진행됨에 따라 전해액이 휘발되는 문제가 있고, 상기와 같은 반응이 활발히 일어날 수 있도록 전해질을 반응 사이트로 공급하는데 어려움이 있다.
이에 따라 전해질의 종류를 유기계가 아닌 고체형, 하이브리드형 전해질로 대체하고자 하는 연구가 진행되었으나, 유기계 리튬공기전지에 비해 구조가 복잡하고, 에너지 밀도가 낮은 단점 등이 있다는 한계를 극복하지 못하고 있다.
따라서 유기 전해질의 휘발을 방지하고, 3상 계면이 적절히 공급될 수 있는 리튬공기전지의 개발이 절실히 필요한 실정이다.
1.일본공개특허 제2014-022281호 2.일본공개특허 제2012-054039호 3.일본공개특허 제2014-075243호
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 전해질의 휘발을 억제할 수 있고 반응이 일어나는 반응 사이트로 전해질을 원활하게 공급할 수 있는 리튬공기전지용 양극을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적들에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 목적은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여 다음과 같은 구성을 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따른 리튬공기전지용 양극은 구조체와, 상기 구조체에 코팅되는 탄소재와, 상기 구조체의 표면에 양극성물질이 고분자 브러쉬 구조로 부착되어 형성되는 양극성물질층을 포함하고, 상기 양극성물질은 상기 구조체의 표면측을 향하는 소수성이온과, 고분자 브러쉬 구조 내에서 상기 소수성이온과 반대측에 위치하는 친수성이온을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 구현예에 있어서, 상기 친수성이온은 탄소수가 1 내지 15인 알킬기에 의하여 치환되거나 치환되지 않은 이미다졸륨, 피라졸륨, 트리아졸륨, 티아졸륨, 옥사졸륨, 피리다지늄, 피리미디늄, 피라지늄, 암모늄, 포스포늄, 피리디늄, 피롤리디늄 및 이들의 혼합체로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 구현예에 있어서, 상기 친수성이온은 에틸메틸-이미다졸륨, 부틸메틸-이미다졸륨, 헥실메틸-이미다졸륨, 옥틸메틸-이미다졸륨, 에틸디메틸-이미다졸륨, 부틸디메틸-이미다졸륨, 헥실디메틸-이미다졸륨, 옥틸디메틸-이미다졸륨 및 이들의 혼합체로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 구현예에 있어서, 상기 소수성이온은 PF6 -, BF4 -, CF3SO3 -, N(CF3SO2)2-, N(C2F5SO2)2 -, C(CF2SO2)3- 및 이들의 혼합체로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 구현예에 있어서, 상기 양극성물질층은 상기 구조체의 일면 또는 양면에 부착되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 구현예에 있어서, 상기 양극성물질층은 상기 양극성물질을 상기 구조체의 표면에 딥코팅, 다이코팅, 롤코팅, 콤마코팅 및 이들의 혼합 방식 중 어느 하나의 방법으로 코팅하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 구현예는 상기 구조체의 표면에 상기 양극성물질이 부착된 뒤, 상기 구조체에 상기 탄소재가 코팅되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 구현예는 상기 구조체에 상기 탄소재가 코팅된 뒤, 상기 구조체의 표면에 상기 양극성물질이 부착되는 것을 특징으로 한다.
상기 구성을 포함하는 본 발명에 따른 리튬공기전지용 양극은 다음과 같은 효과를 갖는다.
본 발명은 양극성물질의 친수성이온이 전해질의 휘발을 억제하여 전해질의 사용량이 감소하고, 원가절감 및 경제성이 향상된 리튬공기전지용 양극을 제공할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 양극 내부에 적절한 양의 전해질이 함유되므로 3상 계면(반응 사이트)가 충분히 제공됨으로써 전지반응의 효율이 증가된 리튬공기전지용 양극을 제공할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 양극성물질의 소수성이온이 외부(공기유로)로부터 유입되는 수분을 차단하여 제습효과가 있는 리튬공기전지용 양극을 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 리튬공기전지용 양극의 구성을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 양극성물질층의 형성위치에 대한 일실시예와 다른 실시예를 설명하기 위한 참고도이다.
도 3은 친수성이온이 전해질의 휘발을 억제하는 것을 설명하기 위한 참고도이다.
도 4는 소수성이온이 외부의 수분의 침투를 방지하는 것을 설명하기 위한 참고도이다.
도 5는 본 발명에 따른 리튬공기전지의 구성을 개략적으로 도시한 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다. 다만, 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 리튬공기전지용 양극(이하, '양극')은 구조체(11), 상기 구조체(11)에 코팅되는 탄소재(13) 및 상기 구조체(11)의 표면에 양극성물질이 고분자 브러쉬 구조로 부착되어 형성되는 양극성물질층(15)을 포함한다.
상기 구조체(11)는 양극의 골조를 이루는 구성으로, 다양한 형상을 가질 수 있으나 넓은 표면적을 가질 수 있도록 시트(Sheet)형상을 가지는 것이 바람직할 수 있다.
상기 구조체(11)는 그 내부 및 외부에 후술할 탄소재(13)가 코팅되지만, 이에 더해 양극의 도전성을 좀 더 향상시키기 위하여 카본 시트(Carbon sheet), 니켈 메쉬(Nickel mesh), 니켈 폼(Nikel foam), 알루미늄 메쉬(Aluminium mesh), 알루미늄 폼(Aluminium foam) 등의 금속 시트, 메쉬 또는 폼 형태의 구조체를 사용하는 것이 바람직할 수 있다.
상기 탄소재(13)는 양극에 도전성을 부여하는 도전재의 역할을 하는 구성으로, 상기 화학식 1에 의해 발생한 전자가 집전체 또는 외부도선을 통해 양극으로 이동하였을 때, 양극 내에 상기 전자가 머무를 수 있도록 하여 3상 계면(반응 사이트)에 전자를 공급하게 된다.
상기 탄소재(13)는 양극 내로 유입되는 산소, 리튬이온 및 전자가 반응하는 공간이므로 큰 비표면적을 가지는 것이 바람직할 수 있다. 따라서 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 탄소섬유, 탄소나노튜브, 다공성 탄소(Ordered Mesoporous Carbon) 또는 이들의 조합 등을 사용할 수 있다.
상기 탄소재(13)는 상기 구조체와의 결착력의 향상을 위해 바인더와 함께 상기 구조체에 코팅될 수 있다. 상기 바인더는 폴리비닐알콜, 카르복시메틸셀룰로즈, 히드록시프로필셀룰로즈, 디아세틸셀룰로즈, 폴리비닐클로라이드, 카르복실화된 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 에틸렌 옥사이드를 포함하는 폴리머, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 러버, 에폭시 수지, 나일론 등을 사용할 수 있다.(임의로 기재해 보았습니다. 확인해보시고 옳지 않다면 수정해 주시기 바랍니다. 또한 이외에도 사용될 수 있는 물질 등이 있다면 추가 기재해 주시기 바랍니다)
상기 양극성물질층(15)은 상기 구조체(11)의 표면에 양극성물질이 고분자 브러쉬(brush) 구조로 부착되어 형성되는 구성으로, 상기 구조체의 표면에 일종의 막을 형성함으로써 상기 구조체(또는 상기 탄소재가 코팅된 구조체)에 함침된 전해질(40)이 휘발되는 것을 억제할 수 있다.
상기 양극성물질은 본 발명에서 양쪽성 이온(Zwitterion)을 의미하며, 양쪽성 이온은 아미노산(NH2-R-COOH)처럼 한 분자 내에 산성기(-COOH) 및 염기성기(-NH2)가 존재하는 이온을 의미할 수 있다.
양쪽성 이온은 용액 중에서는 NH3 +-R-COO-와 같이 H+가 이동하여 분자 내의 상이한 위치에 다른 부호의 전하를 갖게 되어 전기적 쌍극자가 생성되므로, 한 분자 내에서 친수성의 성질과 소수성의 성질을 발현할 수 있게 된다.
따라서 상기 양극성물질도 상기 구조체의 표면측을 향하는 소수성이온(151)과, 상기 소수성이온과 반대측에 위치하는 친수성이온(153)을 포함할 수 있다.
상기 구조체(11), 탄소재(13) 및 전해질(40)은 모두 유기물로써 소수성의 성질을 가지므로, 같은 극성을 가지는 물질은 서로 잘 섞이고 다른 극성을 가지는 물질은 서로 섞이지 않는 특성에 의해, 상기 양극성물질이 상기 구조체에 접하게 되면 소수성이온(151)은 상기 구조체(11)의 표면측에 위치하게 되는 반면에 친수성이온(153)은 상기 구조체(11)와 멀리 떨어지려고 한다. 따라서 상기 양극성물질의 각 분자는 도 1과 같은 고분자 브러쉬 구조를 가질 수 있다.
상기 양극성물질의 각 분자들은 유사한 위치에 같은 종류의 전하를 가지게 되므로 서로를 밀쳐내는 특성을 가지게 된다. 따라서 상기 구조체의 표면으로부터 뻗어나오게 되어 일종의 솔(brush)과 같은 구조를 이루게 된다.
상기 양극성물질의 어느 하나의 분자에 포함되어 있는 친수성이온을 예로 들면, 상기 양극성물질층이 강하게 눌리더라도 상기 구조체와는 극성이 다르기 때문에 섞이지 않게 되고, 인접한 다른 분자와는 같은 위치에 같은 종류의 전하를 가지기 때문에 반발하게 되므로, 고분자 브러쉬의 각 분자들은 서로 섞이거나 꼬이지 않고 도 1과 같은 구조를 유지할 수 있다.
상기 양극성물질을 부착할 때, 상기 소수성이온(151)이 상기 구조체의 표면에서 같은 극성 물질인 구조체(11), 탄소재(13) 또는 전해질(40)과 접하게 되므로, 별도의 바인더를 추가할 필요가 없어 공정효율 및 경제성이 향상될 수 있다.
도 1을 참조하면, 상기 구조체(11)의 상측의 빈 공간(구체적으로는 양극성물질층(15)의 윗공간)은 상기 양극으로 공기가 유입되는 통로인 공기유로의 역할을 겸하고 있는데, 종래의 리튬이온전지는 상기 공기유로를 통해 양극 내에 함침되어 있는 전해질(40)이 휘발하는 문제점이 있었다.
본 발명은 도 1에 도시된 바와 같이 상기 공기유로와 전해질 사이에 친수성이온(153)이 위치하게 되므로 소수성인 전해질(40)이 휘발되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 다른 극성끼리는 잘 섞이지 않는 특성에 의해 상기 친수성이온(153)이 상기 전해질(40)에 대해 일종의 피막으로서의 기능을 수행할 수 있다.
상기 친수성이온(153)은 탄소수가 1 내지 15인 알킬기에 의하여 치환되거나 치환되지 않은 이미다졸륨, 피라졸륨, 트리아졸륨, 티아졸륨, 옥사졸륨, 피리다지늄, 피리미디늄, 피라지늄, 암모늄, 포스포늄, 피리디늄, 피롤리디늄 또는 이들의 혼합체 중 어느 하나일 수 있고, 바람직하게는 에틸메틸-이미다졸륨, 부틸메틸-이미다졸륨, 헥실메틸-이미다졸륨, 옥틸메틸-이미다졸륨, 에틸디메틸-이미다졸륨, 부틸디메틸-이미다졸륨, 헥실디메틸-이미다졸륨, 옥틸디메틸-이미다졸륨 또는 이들의 혼합체 중 어느 하나일 수 있다.
상기 소수성이온(151)은 PF6 -, BF4 -, CF3SO3 -, N(CF3SO2)2-, N(C2F5SO2)2 -, C(CF2SO2)3- 또는 이들의 혼합체 중 어느 하나일 수 있다.
따라서 상기 양극성물질은 상기 친수성이온 및 소수성이온을 포함한다면 어떠한 물질(이온)이더라도 사용할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 리튬공기전지용 양극은 상기 구조체의 표면에 상기 양극성물질을 부착하여 양극성물질층을 형성한 뒤, 상기 탄소재를 상기 구조체에 코팅하여 제작될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 리튬공기전지용 양극은 상기 구조체에 먼저 상기 탄소재를 코팅한 뒤, 상기 구조체의 표면에 상기 양극성물질을 부착하여 양극성물질층을 형성하는 방법으로 제작될 수도 있다.
전술한 바와 같이 상기 양극성물질을 상기 구조체의 표면에 부착하면 자발적으로 고분자 브러쉬 구조를 취하게 되므로 탄소재의 코팅과 순서를 바꾸어도 도 1과 같은 양극을 동일하게 제조할 수 있다. 따라서 제조환경, 공정조건 등에 따라 제작방식을 최적화할 수 있어 공정효율을 향상시킬 수 있다.
상기 양극성물질을 상기 구조체의 표면에 부착할 수 있으면 어떠한 방법도 사용될 수 있으나, 공정이 단순해지고 상기 구조체에 고르게 분산되어 부착될 수 있도록 상기 양극성물질을 상기 구조체에 코팅하는 방법을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 구체적으로는 양극성물질을 용매에 용해 또는 분산시켜 제조한 용액으로 구조체의 표면을 코팅한 뒤 용매를 제거하는 방식을 사용할 수 있다. 따라서 상기 양극성물질은 딥코팅, 다이코팅, 롤코팅, 콤마코팅 또는 이들의 혼합 방식 중 어느 하나의 방법으로 상기 구조체의 표면에 코팅될 수 있다.
리튬공기전지의 종류, 크기 등에 따라 상기 양극성물질층(15)은 도 2의 (a)와 같이 상기 구조체(11)의 일면에만 형성될 수도 있고, 도 2의 (b)와 같이 상기 구조체(11)의 양면에 모두 형성될 수 있다.
본 발명은 도 3과 같이 친수성이온(153)이 상기 구조체(11)를 에워싸는 일종의 피막 역할을 하여 소수성인 전해질(40)이 휘발되는 것을 억제하므로, 리튬공기전지에 함침하는 전해질(40)의 양을 늘리지 않아도 장수명 및 고방전용량의 리튬공기전지를 제공할 수 있다.
또한 전해질(40)의 사용량을 줄일 수 있으므로 원가절감 및 경제성이 향상된 리튬공기전지를 제공할 수도 있다.
이에 더하여, 상기 전해질(40)이 휘발되지 않고 상기 양극 내에 함침되어 있으므로 충전 및 방전 반응이 일어날 수 있는 3상 계면(반응 사이트)가 충분히 제공되므로 전지반응의 효율이 증가된 리튬공기전지를 제공할 수 있다.
본 발명은 도 4와 같이 소수성이온(151)이 상기 구조체(11)의 표면에 부착되어 있으므로 공기유로를 통해 수분이 양극 내로 유입되는 것을 방지할 수 있어 수분에 의한 전지의 고장 등을 미연에 막을 수 있는 리튬공기전지를 제공할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 제시한다. 다만 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것이며, 이로써 본 발명이 제한되는 것은 아니다.
실시예
(1) 양극의 제조
1) 도 5를 참조하면, 탄소재(13)인 케첸 블랙(Ketjen black)을 바인더인 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdf)와 7 : 3 중량 비율로 혼합하여 슬러리로 제조한 뒤, 구조체(11)인 카본 시트(Carbon sheet)에 닥터블레이드를 이용하여 코팅하였다. 그 뒤 상기 구조체(11)를 100℃의 진공오븐에서 3시간 건조하였다.
2) 양극성물질인 시아노에틸풀루란(Cyanoethyl pullulan)을 아세톤에 녹여 3% 시아노에틸풀루란 용액을 제조한 뒤, 상기 용액에 건조를 마친 상기 구조체를 함침하여, 상기 시아노에틸풀루란을 3 g/m2으로 로딩한 양극성물질층(15)을 포함하는 양극을 제조하였다.
(2) 리튬공기전지의 제조
1) 상기 양극에 분리막(20), 음극(30)을 차례로 조립한 뒤, 전해질(40)을 함침하여 도 5와 같은 리튬공기전지를 제조하였다. 이 때 상기 양극의 양극성물질층(15)이 외부로 드러나도록 상기 양극을 조립하였다.
상기 분리막은 직경이 16φ인 Glass filter(Whatman 社)를 사용하였고, 상기 음극은 두께 500㎛, 직경 16φ인 리튬 호일을 사용하였으며, 상기 전해질은 TEGDME(Tetraethylene glycol dimethyl ether) 용매에 LiTFSI 리튬염을 1M 용해하여 제조한 뒤 60㎖를 함침하였다.
2) 상기 리튬공기전지를 코인셀로 조립하였으며, 코인셀 캡 부분에는 외부로부터 공기가 유입될 수 있도록 공기 구멍으로 3홀이 존재하는 캡을 사용하였다. 양극성물질층이 공기 구멍 쪽을 향하도록 하여 조립하였다.
비교예 1
양극성물질층을 포함하지 않는 코인셀 형태의 리튬공기전지를 제조하였다. 양극성물질층이 없다는 점을 제외하고는 상기 실시예와 동일한 방법으로 리튬공기전지를 제조하였다.
비교예 2
양극성물질층 대신에 폴리올레핀계 필름 차단막을 포함하는 코인셀 형태의 리튬공기전지를 제조하였다. 양극성물질층을 폴리올레핀계 필름 차단막으로 대체한 점을 제외하고는 상기 실시예와 동일한 방법으로 리튬공기전지를 제조하였다.
측정예
상기 실시예 및 비교예 1, 2에 의해 제조된 리튬공기전지에 대한 충방전 실험을 수행하였다. 용량 컷오프 조건이 유지되는 용량에서의 각 리튬공기전지의 수명 사이클 수를 확인하였다. 충방전 실험은 상온에서 제작된 리튬공기전지의 양극 단위면적당 용량 5 mAh/cm2 기준으로 방전심도 20% 수준(1 mAh/cm2 용량 컷오프 조건)에서, 전류밀도 385 mAh/cm2의 정전류-정전압 충전(4.3 V cut-off) 및 정전류 방전(2.0 V cut-off)을 반복하는 방식으로 수행하였다. 그 결과는 이하의 표 1과 같다.
조건 수명 평가 (사이클 수)
비교예1 차단막 없음 9 Cycle
비교예2 필름 차단막 19 Cycle
실시예 양극성물질층 95 Cycle
상기 표 1을 참조하면, 실시예는 비교예 1 및 2와 비교하여 수명 사이클의 수가 10배, 5배 높은 수치를 보이는 것을 확인할 수 있다.
따라서 상기 측정예에 의해 본 발명에 따른 리튬공기전지는 양극성물질층을 포함하여 전해질의 휘발을 억제할 수 있고, 외부로부터의 수분의 침투를 방지할 수 있으므로, 종래의 리튬공기전지와 비교해 수명 특성에서 큰 효과를 나타낸다는 것을 확인할 수 있었다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
11:구조체
13:탄소재
15:양극성물질층
151:소수성이온
153:친수성이온
20:분리막
30:음극
40:전해질

Claims (9)

  1. 구조체와,
    상기 구조체에 코팅되는 탄소재와,
    상기 구조체의 표면에 양극성물질이 고분자 브러쉬 구조로 부착되어 형성되는 양극성물질층을 포함하고,
    상기 양극성물질은 상기 구조체의 표면측을 향하는 소수성이온과, 고분자 브러쉬 구조 내에서 상기 소수성이온과 반대측에 위치하는 친수성이온을 포함하며,
    상기 양극성물질을 유기용매에 분산시킨 용액으로 상기 구조체의 표면을 코팅하여 상기 양극성물질층을 형성함으로써, 상기 양극성물질층이 상기 소수성이온으로 구성된 소수성 계면과, 상기 친수성이온으로 구성된 친수성 계면을 포함하도록 하는 것을 특징으로 하는 리튬공기전지용 양극.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 친수성이온은 탄소수가 1 내지 15인 알킬기에 의하여 치환되거나 치환되지 않은 이미다졸륨, 피라졸륨, 트리아졸륨, 티아졸륨, 옥사졸륨, 피리다지늄, 피리미디늄, 피라지늄, 암모늄, 포스포늄, 피리디늄, 피롤리디늄 및 이들의 혼합체로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 리튬공기전지용 양극.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 친수성이온은 에틸메틸-이미다졸륨, 부틸메틸-이미다졸륨, 헥실메틸-이미다졸륨, 옥틸메틸-이미다졸륨, 에틸디메틸-이미다졸륨, 부틸디메틸-이미다졸륨, 헥실디메틸-이미다졸륨, 옥틸디메틸-이미다졸륨 및 이들의 혼합체로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 리튬공기전지용 양극.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 소수성이온은 PF6 -, BF4 -, CF3SO3 -, N(CF3SO2)2-, N(C2F5SO2)2 -, C(CF2SO2)3- 및 이들의 혼합체로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 리튬공기전지용 양극.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 양극성물질층은 상기 구조체의 일면 또는 양면에 부착되는 리튬공기전지용 양극.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 양극성물질층은 상기 양극성물질을 상기 구조체의 표면에 딥코팅, 다이코팅, 롤코팅, 콤마코팅 및 이들의 혼합 방식 중 어느 하나의 방법으로 코팅하여 형성되는 리튬공기전지용 양극.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 구조체의 표면에 상기 양극성물질이 부착된 뒤, 상기 구조체에 상기 탄소재가 코팅되는 리튬공기전지용 양극.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 구조체에 상기 탄소재가 코팅된 뒤, 상기 구조체의 표면에 상기 양극성물질이 부착되는 리튬공기전지용 양극.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항의 양극을 포함하는 리튬공기전지.
KR1020140172479A 2014-12-03 2014-12-03 리튬공기전지용 양극 KR101628555B1 (ko)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140172479A KR101628555B1 (ko) 2014-12-03 2014-12-03 리튬공기전지용 양극
US14/867,601 US20160164080A1 (en) 2014-12-03 2015-09-28 Cathode for litium-air battery
CN201510680786.0A CN105680051B (zh) 2014-12-03 2015-10-19 用于锂-空气电池的阴极
DE102015220317.4A DE102015220317B4 (de) 2014-12-03 2015-10-19 Kathode für lithium-luft-batterie und lithium-luft-batterie umfassend dieselbe

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140172479A KR101628555B1 (ko) 2014-12-03 2014-12-03 리튬공기전지용 양극

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101628555B1 true KR101628555B1 (ko) 2016-06-08

Family

ID=55974898

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020140172479A KR101628555B1 (ko) 2014-12-03 2014-12-03 리튬공기전지용 양극

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20160164080A1 (ko)
KR (1) KR101628555B1 (ko)
CN (1) CN105680051B (ko)
DE (1) DE102015220317B4 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107706427A (zh) * 2016-08-08 2018-02-16 三星电子株式会社 用于金属空气电池的正极、包括其的金属空气电池、和制备用于金属空气电池的正极的方法

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102477372B1 (ko) 2016-04-01 2022-12-13 놈스 테크놀로지스, 인크. 인을 함유하는 개질된 이온성 액체
EP4106070A1 (en) 2017-07-17 2022-12-21 Nohms Technologies, Inc. Phosphorus-containing electrolytes

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012054039A (ja) 2010-08-31 2012-03-15 Toyota Motor Corp 金属空気電池用発電要素及びその製造方法、並びに金属空気電池
KR20120100939A (ko) * 2009-10-29 2012-09-12 소니 주식회사 리튬 공기 전지
JP2014022281A (ja) * 2012-07-20 2014-02-03 National Institute Of Advanced Industrial & Technology 電解質としてイオン性液体、空気極としてカーボンを分散したイオン性ゲルを用いたリチウム−空気二次電池
KR20140022281A (ko) 2012-08-14 2014-02-24 나현아 탈부착 가능한 필기구 보관 걸이 및 이를 보관하기 위한 필기구 거치대
KR20140066517A (ko) * 2012-11-23 2014-06-02 에스케이이노베이션 주식회사 리튬 공기 전지
KR20140075243A (ko) 2012-12-11 2014-06-19 조승훈 놀이용 입체매트

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI258238B (en) * 2003-11-05 2006-07-11 Lg Chemical Ltd Functional polymer film-coated electrode and electrochemical device using the same
JP5553072B2 (ja) * 2010-01-12 2014-07-16 トヨタ自動車株式会社 液状の疎水性相転移物質およびそれを用いた電池
CN102157763A (zh) * 2011-03-09 2011-08-17 哈尔滨工业大学 锂/空气电池
US20130115527A1 (en) * 2011-11-03 2013-05-09 Savannah River Nuclear Solutions, Llc Rechargeable lithium air batteries

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20120100939A (ko) * 2009-10-29 2012-09-12 소니 주식회사 리튬 공기 전지
JP2012054039A (ja) 2010-08-31 2012-03-15 Toyota Motor Corp 金属空気電池用発電要素及びその製造方法、並びに金属空気電池
JP2014022281A (ja) * 2012-07-20 2014-02-03 National Institute Of Advanced Industrial & Technology 電解質としてイオン性液体、空気極としてカーボンを分散したイオン性ゲルを用いたリチウム−空気二次電池
KR20140022281A (ko) 2012-08-14 2014-02-24 나현아 탈부착 가능한 필기구 보관 걸이 및 이를 보관하기 위한 필기구 거치대
KR20140066517A (ko) * 2012-11-23 2014-06-02 에스케이이노베이션 주식회사 리튬 공기 전지
KR20140075243A (ko) 2012-12-11 2014-06-19 조승훈 놀이용 입체매트

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107706427A (zh) * 2016-08-08 2018-02-16 三星电子株式会社 用于金属空气电池的正极、包括其的金属空气电池、和制备用于金属空气电池的正极的方法
US11258068B2 (en) 2016-08-08 2022-02-22 Samsung Electronics Co., Ltd. Positive electrode for metal air battery, metal air battery including the same, and method of preparing the positive electrode for metal air battery
CN107706427B (zh) * 2016-08-08 2022-04-26 三星电子株式会社 用于金属空气电池的正极、包括其的金属空气电池、和制备用于金属空气电池的正极的方法

Also Published As

Publication number Publication date
US20160164080A1 (en) 2016-06-09
CN105680051B (zh) 2020-03-03
CN105680051A (zh) 2016-06-15
DE102015220317A1 (de) 2016-06-09
DE102015220317B4 (de) 2022-10-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104662705B (zh) 具有低自放电、高循环寿命和性能的碱金属‑硫族元素电池
Guo et al. Advanced lithium metal–carbon nanotube composite anode for high-performance lithium–oxygen batteries
Kim et al. Metal-free hybrid seawater fuel cell with an ether-based electrolyte
JP6436874B2 (ja) リチウム空気電気化学セル、リチウム空気電気化学セルを含む電池、およびその電池を備える車両
CN104752661B (zh) 用于锂-硫二次电池的隔膜
JP6650444B2 (ja) 全バナジウム硫酸酸性レドックスフローバッテリーシステム
CN103384929A (zh) 碱金属-空气液流电池
CN105762406A (zh) 一种有机型锌离子二次电池
KR101628555B1 (ko) 리튬공기전지용 양극
ITUB20152701A1 (it) Batteria Li/O2 semi-solida a flusso
CN105745727A (zh) 电容器及其制造方法
KR101771330B1 (ko) 전해질 및 이를 포함하는 이차 전지
US9799919B2 (en) In-situ magnesium-metal generated rechargeable magnesium battery
JP2019133914A (ja) ビス（フルオロスルホニル）イミド塩電解質及びイオン液体システムを有する水系電解質、並びにこの電解質システムを用いた電池
CN106463803A (zh) 锂空气电池组
AU2018452488B2 (en) Electrochemical device for storing energy
CN109616603B (zh) 隔膜、隔膜的制备方法及应用隔膜的装置
US20140038026A1 (en) Energy store with separator
US11404700B2 (en) Positive electrode for lithium air batteries with excellent stability, method of manufacturing the same, and lithium air battery including the same
KR101684015B1 (ko) 리튬공기전지용 양극 및 이의 제조방법
JP6077929B2 (ja) ナトリウム二次電池
JP6875818B2 (ja) 電解液ならびにそれを用いた電気化学デバイス
CN106129406B (zh) 一种光伏储能锂离子电池
CN208422697U (zh) 高能量电池电容及电源包
Herndon Composite Gel Polymer Electrolytes for Extended Cyclability of Lithium-Oxygen Batteries

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190528

Year of fee payment: 4