KR101762287B1 - Lithium air battery and method for manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리튬을 포함하는 음극; 다공성 탄소를 포함하는 촉매, 바인더 및 가스 확산층을 포함하는 양극; 및 음극에서 발생된 리튬 이온을 양극으로 전달하는 전해질;을 포함하는 리튬 공기 전지에 관한 것이다. 본 발명의 리튬 공기 전지는 기공이 크고, 3차원적으로 연결된 다공성 탄소를 양극에 적용하여 낮은 과전압, 우수한 속도 특성, 높은 에너지 효율 및 높은 싸이클 안정성을 가질 수 있다. 또한, 이와 같은 리튬 공기 전지의 제조방법을 제공할 수 있다.The present invention relates to an anode comprising lithium; A cathode comprising a catalyst comprising porous carbon, a binder and a gas diffusion layer; And an electrolyte for transferring lithium ions generated in the negative electrode to the positive electrode. The lithium air battery of the present invention can have low overvoltage, excellent speed characteristics, high energy efficiency, and high cycle stability by applying porous carbon having a large pore and three-dimensionally connected to the anode. Further, a method for manufacturing such a lithium air battery can be provided.

Description

리튬 공기 전지 및 그의 제조방법{LITHIUM AIR BATTERY AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a lithium-

본 발명은 리튬 공기 전지 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기공이 크고, 3차원적으로 연결된 다공성 탄소를 포함하는 리튬 공기 전지 및 그의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a lithium air battery and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a lithium air battery including a porous carbon having a large pore and three-dimensionally connected thereto, and a method of manufacturing the same.

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 전지의 대용량화 및 고에너지 밀도화가 요구되고 있다. 그러나 현재 리튬 이온 전지는 전지 용량에 제약이 있어 장거리 주행이 곤란한 단점이 있다. 따라서 이론상 리튬 이온 전지보다 대용량이며 고에너지 밀도를 가진 리튬 공기 전지가 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 due to the limited battery capacity. Therefore, lithium air cells, which are theoretically larger in capacity and higher in energy density than lithium ion batteries, are attracting attention.

일반적으로, 리튬 공기 전지는 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.Generally, a lithium air battery is provided with a cathode capable of adsorbing and releasing lithium ions, a positive electrode containing oxygen as a positive electrode active material and containing a redox catalyst for oxygen, and a lithium ion conductive medium between the positive electrode and the negative electrode do.

리튬 공기 전지는 이론 에너지 밀도가 3,000Wh/kg 이상이며, 이는 리튬 이온 전지보다 대략 10배의 에너지 밀도에 해당된다. 아울러, 리튬 공기 전지는 친환경적이며, 리튬 이온 전지보다 개선된 안전성을 제공할 수 있다.Lithium air cells have a theoretical energy density of over 3,000 Wh / kg, which is about 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.

리튬 공기 전지는 공기 중의 산소를 활물질로 이용한 양극을 갖는 전지로, 양극에 있어서 산소의 산화 환원 반응을 행함에 따라 전지를 충방전 할 수 있는 전지이다.A lithium air battery is a battery having a positive electrode which uses 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.

종래의 리튬 공기 전지는 방전과정 중 양극에서 생성되는 비전도성, 고상의 Li2O2로 인해 높은 과전압, 열등한 속도 특성, 낮은 에너지 효율 및 낮은 싸이클 안정성을 나타내었다. 이로 인해, 충방전 시의 에너지 효율이 리튬 이온 전지에 비하여 현저히 낮았다. 따라서 충방전 시의 에너지 효율이 향상된 리튬 공기 전지가 요구되는 실정이다.Conventional lithium-ion batteries exhibit non-conductive, non-conductive, high overvoltage, poor speed characteristics, low energy efficiency and low cycle stability due to solid Li 2 O 2 during the discharge process. As a result, the energy efficiency at the time of charging and discharging was significantly lower than that of the lithium ion battery. Therefore, there is a need for a lithium ion battery having improved energy efficiency during charging and discharging.

상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 미국공개특허 제2012-0028164호는 전해질의 화학적 특성을 개선한 리튬 공기 전지를 개시하고 있다. 그러나, 리튬 공기 전지의 충방전 성능을 향상시키는 데 한계가 있으며 결합이 견고하지 못하여 내구성이 저하되는 단점이 있다.In order to solve the above-described problems, US-A-2008-0028164 discloses a lithium air battery in which the chemical properties of the electrolyte are improved. However, there is a limitation in improving the charging / discharging performance of the lithium air battery, and there is a disadvantage in that durability is deteriorated due to insufficient bonding.

또한, Super P등의 전도성 탄소를 이용한 양극 촉매를 적용하여 리튬 공기 전지의 에너지 효율을 개선하는 연구도 진행되고 있다. 하지만 Super P 탄소 촉매의 경우 산소환원반응에는 뛰어난 활성을 나타내지만, 충전 시에는 촉매활성이 크게 나타나지 않아 리튬 공기 전지의 Li2O2로 인한 높은 과전압, 열등한 속도 특성, 낮은 에너지 효율 및 낮은 싸이클 안정성을 충분히 개선하지 못하고 있는 문제점이 있다.In addition, studies have been made to improve the energy efficiency of lithium air cells by applying a positive electrode catalyst using conductive carbon such as Super P. However, the Super P carbon catalyst exhibits excellent activity in the oxygen reduction reaction, but the catalyst activity is not remarkably exhibited at the time of charging. Therefore, the lithium ion battery has high overvoltage due to Li 2 O 2 , inferior speed characteristics, low energy efficiency and low cycle stability It is not possible to sufficiently improve the performance.

본 발명의 목적은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로 기공이 크고, 3차원적으로 연결된 다공성 탄소를 양극에 적용하여 낮은 과전압, 우수한 속도 특성, 높은 에너지 효율 및 높은 싸이클 안정성을 갖는 리튬 공기 전지를 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to provide a lithium air battery having a low overvoltage, an excellent speed characteristic, a high energy efficiency and a high cycle stability by applying porous carbon having a large pore and three dimensionally connected to the anode to solve the above problems There is.

본 발명의 다른 목적은 이와 같은 리튬 공기 전지의 제조방법을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing such a lithium air battery.

본 발명의 일 측면에 따르면, According to an aspect of the present invention,

리튬을 포함하는 음극; 다공성 탄소를 포함하는 촉매, 바인더 및 가스 확산층을 포함하는 양극; 및 상기 음극에서 발생된 리튬 이온을 양극으로 전달하는 전해질;을 포함하는 리튬 공기 전지가 제공된다.A negative electrode comprising lithium; A cathode comprising a catalyst comprising porous carbon, a binder and a gas diffusion layer; And an electrolyte for transferring the lithium ions generated in the negative electrode to the positive electrode.

상기 다공성 탄소가 탄소 골격과 상기 탄소 골격의 연결에 의해 형성된 10 내지 50 nm의 직경을 갖는 메조기공을 포함할 수 있다. The porous carbon may include mesopores having a diameter of 10 to 50 nm formed by linking the carbon skeleton and the carbon skeleton.

상기 메조기공이 20 내지 30 nm의 직경을 가질 수 있다. The mesopore can have a diameter of 20 to 30 nm.

상기 메조기공이 상기 다공성 탄소에서 3차원적으로 연결될 수 있다. The mesopores may be three-dimensionally connected to the porous carbon.

상기 다공성 탄소가 상기 탄소 골격에 위치하고, 1 내지 10 nm의 직경을 가질 수 있다. The porous carbon is located in the carbon skeleton and may have a diameter of 1 to 10 nm.

상기 다공성 탄소의 BET 표면적이 500 내지 1,200 m2/g일 수 있다. The BET surface area of the porous carbon may be 500 to 1,200 m < 2 > / g.

상기 다공성 탄소가 MSU-F-C(Michigan state University-F-C)를 포함할 수 있다. The porous carbon may comprise MSU-F-C (Michigan State University-F-C).

상기 다공성 탄소를 포함하는 촉매가 카본 블랙, 덴카 블랙, DLC(Diamond Like Carbon), 활성카본(Activated carbon), 흑연(Graphite), 하드 카본, 소프트 카본, 슈퍼 피(super P), 켓젠 블랙(ketjen black) 및 불칸 XC-72(Vulcan XC-72) 중에서 선택된 1종 이상의 양극 촉매를 추가로 포함할 수 있다. The porous carbon-containing catalyst may be at least one selected from the group consisting of carbon black, denka black, DLC (diamond like carbon), activated carbon, graphite, hard carbon, soft carbon, super P, black) and Vulcan XC-72 (Vulcan XC-72).

상기 양극 촉매가 카본 블랙일 수 있다. The anode catalyst may be carbon black.

상기 다공성 탄소를 포함하는 촉매는 상기 양극 촉매가 상기 다공성 탄소 100 중량부에 대하여 30 내지 100 중량부일 수 있다. In the catalyst containing the porous carbon, the anode catalyst may be 30 to 100 parts by weight based on 100 parts by weight of the porous carbon.

상기 가스 확산층이 카본 페이퍼(carbon paper), 스테인리스 스틸 메쉬(stainless steel mesh) 및 나노포러스 골드(nanoporous gold) 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다. The gas diffusion layer may be any one selected from carbon paper, stainless steel mesh, and nanoporous gold.

상기 바인더가 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF, polyvinylidene fluoride), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene), 폴리트리플루오로스티렌술폰산(poly trifluorostyrene sulfonic acid) 및 나피온 117 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. The binder may include at least one selected from polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene, polytrifluorostyrene sulfonic acid, and Nafion 117 .

상기 전해질이 리튬염 및 유기용매를 포함할 수 있다. The electrolyte may include a lithium salt and an organic solvent.

상기 리튬염이 리튬 트리플루오로메탄설포네이트(lithium trifluoromethanesulfonate), 리튬 트리비스플루오로메탄설폰이미드(lithium Bis(trifluoromethane)sulfonimide), 리튬 퍼클로레이트(lithium perclorate), 리튬 헥사플루오로아제네이트(LiAsF6), LiPF6, LiBF4, 테트라알킬암모늄, 리튬 나이트레이트(lithium nitrate, LiNO3), 리튬 설페이트(lithium sulfate, Li2SO4) 및 리튬 아이오다이드(lithium iodide, LiI) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. The lithium salt is selected from the group consisting of lithium trifluoromethanesulfonate, lithium bis (trifluoromethane) sulfonimide, lithium perchlorate, lithium hexafluoroethane (LiAsF 6 ), LiPF 6 , LiBF 4 , tetraalkylammonium, lithium nitrate (LiNO 3 ), lithium sulfate (Li 2 SO 4 ) and lithium iodide (LiI) . ≪ / RTI >

상기 유기용매가 테트라에틸렌글라이콜 디메틸에테르(TEGDME, G4), 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 에틸메틸 카보네이트(EMC), 1,2-디메톡시에탄(DME), ?-부티로락톤(GBL), 테트라하이드로푸란(THF), 1,3-디옥솔란(DOXL), 디메틸에테르(DEE), 메틸 프로피오네이트(MP), 설포란(sulfolane, S), 디메틸설폭사이드(DMSO), 아세토니트릴(AN), 트리에틸렌글라이콜 디메틸에테르(G3) 및 디에틸렌글라이콜 디메틸에테르(DEGDME) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. The organic solvent is selected from the group consisting of tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME, G4), ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (DME),? -Butyrolactone (GBL), tetrahydrofuran (THF), 1,3-dioxolane (DOXL), dimethyl ether (DEE), methyl propionate (DMSO), acetonitrile (AN), triethylene glycol dimethyl ether (G3), and diethylene glycol dimethyl ether (DEGDME) in the presence of at least one selected from the group consisting of sulfolane (S), dimethylsulfoxide .

본 발명의 다른 또 하나의 측면에 따르면,According to another aspect of the present invention,

(a) 소수성 고분자블록과 친수성 고분자블록을 포함하는 다중블록공중합체, 실리카 전구체, 및 유기용매를 포함하는 혼합용액을 반응시키는 단계; (b) 단계 (a)의 결과물을 공기 분위기 하에서 열처리하여 실리카를 제조하는 단계; (c) 상기 실리카, 알루미늄 전구체 및 유기용매를 포함하는 혼합물을 제조하고, 유기용매를 증발시키는 단계; (d) 단계 (c)의 결과물을 공기 분위기 하에서 열처리하여 알루미늄 실리카 복합체를 제조하는 단계; (e) 상기 알루미늄 실리카 복합체 및 탄소 전구체를 혼합한 후, 반응시키는 단계; (f) 단계 (e)의 결과물을 불활성 기체 분위기 하에서 열처리하는 단계; 및 (g) 단계 (f)의 결과물을 불산과 접촉시키는 단계;를 포함하는 양극의 제조방법을 포함하는 리튬 공기 전지의 제조방법이 제공된다.(a) reacting a mixed solution comprising a multiblock copolymer comprising a hydrophobic polymer block and a hydrophilic polymer block, a silica precursor, and an organic solvent; (b) heat treating the resultant product of step (a) in an air atmosphere to produce silica; (c) preparing a mixture comprising the silica, the aluminum precursor and the organic solvent, and evaporating the organic solvent; (d) subjecting the resultant of step (c) to heat treatment in an air atmosphere to produce an aluminum-silica composite; (e) mixing the aluminum-silica complex and the carbon precursor and reacting them; (f) heat treating the result of step (e) in an inert gas atmosphere; And (g) contacting the resultant of step (f) with hydrofluoric acid.

상기 다중블록공중합체가 폴리에틸렌옥사이드-폴리프로필렌옥사이드-폴리에틸렌옥사이드 블록공중합체, 폴리에틸렌옥사이드-폴리스티렌-폴리에틸렌옥사이드 블록공중합체, 폴리에틸렌옥사이드-폴리이소프렌-폴리에틸렌옥사이드 블록공중합체, 폴리이미드-폴리스티렌-폴리에틸렌옥사이드 블록공중합체, 폴리스티렌-폴리에틸렌옥사이드-폴리스티렌 블록공중합체, 폴리에틸렌옥사이드-폴리스티렌 블록공중합체, 폴리에틸렌옥사이드-폴리이미드 블록공중합체 및 폴리(4-비닐피리딘)-폴리스티렌 블록공중합체 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다. Wherein the multiblock copolymer is selected from the group consisting of polyethylene oxide-polypropylene oxide-polyethylene oxide block copolymer, polyethylene oxide-polystyrene-polyethylene oxide block copolymer, polyethylene oxide-polyisoprene-polyethylene oxide block copolymer, polyimide- A poly (ethylene oxide) -polystyrene block copolymer, a polyethylene oxide-poly (styrene) block copolymer, a polyethylene oxide-polyimide block copolymer and a poly (4-vinylpyridine) -polystyrene block copolymer.

상기 실리카 전구체가 소듐실리케이트, 테트라에틸오르소실리케이트, n-옥타데실트리메톡실란, 디글리세릴실란(diglycerylsilane), 테트라메틸오르소실리케이트(tetramethylorthosilicate), 메틸 트리에톡시실란(methyl triethoxysilane), 메틸 트리메톡시실란(methyl trimethoxysilane), 비닐 트리메톡시실란(vinyl trimethoxysilane) 및 3-아미노프로필 트리메톡시실란(3-aminopropyl trimethoxysilane) 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다. Wherein the silica precursor is selected from the group consisting of sodium silicate, tetraethylorthosilicate, n-octadecyltrimethoxysilane, diglycerylsilane, tetramethylorthosilicate, methyl triethoxysilane, methyltriethoxysilane, It may be at least one selected from the group consisting of methyl trimethoxysilane, vinyl trimethoxysilane and 3-aminopropyl trimethoxysilane.

상기 알루미늄 전구체가 염화알루미늄육수화물(AlCl3ㆍ6H2O), 알루미늄 아세틸아세토네이트(aluminum acetylacetonate) 및 알루미늄 트리-세크-부톡사이드(aluminum tri-sec-butoxide) 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다. The aluminum precursor may be at least one selected from aluminum chloride hexahydrate (AlCl 3 .6H 2 O), aluminum acetylacetonate and aluminum tri-sec-butoxide.

상기 탄소 전구체가 푸르푸릴 알코올(furfuryl alcohol), 레졸(resol), 푸르푸릴 아민(furfuryl amine), 수크로스(sucrose), 글루코스(glucose), 도파민(dopamine), 페놀(phenol), 페난트렌(phenanthrene), 폴리아크로나이트릴(poly acronitrile) 및 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol) 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다. Wherein the carbon precursor is selected from the group consisting of furfuryl alcohol, resol, furfuryl amine, sucrose, glucose, dopamine, phenol, phenanthrene ), Polyacronitrile, and polyvinyl alcohol. [0031] The term " polyvinyl alcohol "

본 발명의 리튬 공기 전지는 기공이 크고, 3차원적으로 연결된 다공성 탄소를 양극에 적용하여 낮은 과전압, 우수한 속도 특성, 높은 에너지 효율 및 높은 싸이클 안정성을 가질 수 있다.The lithium air battery of the present invention can have low overvoltage, excellent speed characteristics, high energy efficiency, and high cycle stability by applying porous carbon having a large pore and three-dimensionally connected to the anode.

도 1은 본 발명의 다공성 탄소와 종래의 다공성 탄소를 충전 및 방전한 후를 개략적으로 나타낸 개략도이다.
도 2는 제조예 1에 따라 제조된 MSU-F-C 및 제조예 2에 따라 제조된 CMK-3의 표면적, 기공 크기 및 부피를 측정한 실험 결과이다.
도 3은 제조예 1에 따라 제조된 MSU-F-C 및 제조예 2에 따라 제조된 CMK-3의 TEM 사진이다.
도 4는 소자실시예 2, 소자비교예 1 및 소자비교예 3에 따라 제조된 리튬 공기 전지의 전류밀도에 따른 방전용량을 측정한 결과이다.
도 5는 실시예 2, 비교예 1 및 비교예 3에 따라 제조된 양극의 전류밀도에 따른 충/방전 과전압을 측정한 결과이다.
도 6은 소자실시예 1 및 소자비교예 2에 따라 제조된 리튬 공기 전지의 방전 전과 후, EIS를 측정한 결과이다.
도 7은 소자실시예 2, 소자비교예 1 및 소자비교예 3에 따라 제조된 리튬 공기 전지의 싸이클 특성을 측정한 결과이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic view schematically showing the state after charging and discharging the porous carbon of the present invention and the conventional porous carbon; FIG.
FIG. 2 shows experimental results of surface area, pore size and volume of MSU-FC prepared according to Preparation Example 1 and CMK-3 prepared according to Preparation Example 2.
3 is a TEM photograph of MSU-FC prepared according to Preparation Example 1 and CMK-3 prepared according to Preparation Example 2. FIG.
4 shows the results of measurement of the discharge capacity according to the current density of the lithium air battery manufactured according to the device example 2, the device comparison example 1, and the device comparison example 3. As shown in Fig.
FIG. 5 is a graph showing the results of measurement of charging / discharging overvoltage according to the current density of the anode manufactured according to Example 2, Comparative Example 1, and Comparative Example 3. FIG.
6 shows the results of measurement of EIS before and after the discharge of the lithium air cell produced according to the element embodiment 1 and the element comparison example 2. Fig.
7 shows the results of measurement of the cycle characteristics of the lithium air battery produced according to the device example 2, the device comparative example 1, and the device comparative example 3. Fig.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하도록 한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention.

그러나, 이하의 설명은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.However, the following description does not limit the present invention to specific embodiments. In the following description of the present invention, detailed description of related arts will be omitted if it is determined that the gist of the present invention may be blurred .

본원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, the terms "comprises ", or" having ", and the like, specify that the presence of stated features, integers, steps, operations, elements, or combinations thereof, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, or combinations thereof.

이하, 본 발명의 리튬 공기 전지에 대해 상세히 설명하도록 한다. Hereinafter, the lithium air battery of the present invention will be described in detail.

본 발명의 리튬 공기 전지는 리튬을 포함하는 음극, 다공성 탄소를 포함하는 촉매, 바인더 및 가스 확산층을 포함하는 양극 및 상기 음극에서 발생된 리튬 이온을 양극으로 전달하는 전해질을 포함할 수 있다. The lithium air battery of the present invention may include a cathode including lithium, a catalyst containing porous carbon, a cathode including a binder and a gas diffusion layer, and an electrolyte for transferring lithium ions generated in the cathode to the anode.

도 1은 본 발명의 다공성 탄소(MSU-F-C)와 종래의 다공성 탄소(CMK-3)를 각각 높은 전류 밀도와 낮은 전류 밀도 하에서 충전 및 방전한 후를 개략적으로 나타낸 개략도이다. 여기서, 본 발명의 다공성 탄소는 MSU-F-C, 종래의 다공성 탄소는 CMK-3인 것으로 예시하였으나, 본 발명의 범위가 여기에 한정되지 않는다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic view schematically showing the state after filling and discharging the porous carbon (MSU-F-C) and the conventional porous carbon (CMK-3) of the present invention at a high current density and a low current density, respectively. Here, the porous carbon of the present invention is MSU-F-C and the conventional porous carbon is CMK-3. However, the scope of the present invention is not limited thereto.

도 1을 참조하면, 낮은 전류 밀도에서는 방전과정 중 양극에서 생성되는 비전도성, 고상의 Li2O2가 다공성 탄소의 표면에 얇게 쌓여 기공을 막지 않아 본 발명의 다공성 탄소(MSU-F-C)와 종래의 다공성 탄소(CMK-3) 모두 다공성 탄소의 내부까지 반응이 일어날 수 있다. Referring to FIG. 1, at low current density, the non-conductive, solid Li 2 O 2 produced in the anode during the discharge process is deposited on the surface of the porous carbon thinly to prevent pores, Of the porous carbon (CMK-3) can react to the inside of the porous carbon.

이에 반하여, 높은 전류 밀도에서는 Li2O2가 다공성 탄소의 표면에 두껍게 쌓여 기공의 크기가 작은 종래의 다공성 탄소의 경우, Li2O2가 기공을 막아 다공성 탄소의 내부까지 반응이 일어날 수 없어 촉매의 효율이 떨어질 수 있다.On the other hand, in the high current density of Li 2 O 2 stacked thickly on the surface of the porous carbon for the size of the pore small conventional porous carbon, Li 2 O 2 can take place this reaction prevents the pores to the inside of the porous carbon no catalyst Can be reduced.

따라서, 리튬 공기 전지에 적용되는 다공성 탄소는 기공의 크기가 비교적 크고, 3차원적으로 연결된 구조를 갖는 것이 바람직할 수 있다. Accordingly, the porous carbon to be applied to the lithium air battery may have a relatively large pore size and preferably have a three-dimensionally connected structure.

본 발명의 다공성 탄소는 탄소 골격과 상기 탄소 골격의 연결에 의해 형성된 10 내지 50 nm의 직경을 갖는 메조기공을 포함할 수 있다.The porous carbon of the present invention may include mesopores having a diameter of 10 to 50 nm formed by linking the carbon skeleton and the carbon skeleton.

상기 메조기공은 바람직하게는 15 nm 내지 40 nm, 더욱 바람직하게는 20 nm 내지 30 nm의 직경을 가질 수 있다.The mesopores may have a diameter of preferably 15 nm to 40 nm, more preferably 20 nm to 30 nm.

상기 다공성 탄소는 상기 탄소 골격에 위치하고, 1 내지 10 nm의 직경을 갖는 마이크로 기공을 포함할 수 있으며, 상기 마이크로 기공은 바람직하게는 3 nm 내지 7 nm, 더욱 바람직하게는 4 nm 내지 5 nm의 직경을 가질 수 있다.The porous carbon may be located in the carbon skeleton and may include micropores having a diameter of 1 to 10 nm. The micropores preferably have a diameter of 3 nm to 7 nm, more preferably 4 nm to 5 nm Lt; / RTI >

상기 다공성 탄소는 BET 표면적이 500 내지 1,200 m2/g일 수 있고, 바람직하게는 600 내지 1,100 m2/g, 더욱 바람직하게는 700 내지 1,000 m2/g일 수 있다.The porous carbon may have a BET surface area of 500 to 1,200 m 2 / g, preferably 600 to 1,100 m 2 / g, more preferably 700 to 1,000 m 2 / g.

상기 메조기공의 부피가 1.5 내지 3 cm3/g일 수 있고, 바람직하게는 1.6 내지 2.6 cm3/g, 더욱 바람직하게는 1.7 내지 2.2 cm3/g일 수 있다.The mesopore volume may be in the range of 1.5 to 3 cm 3 / g, preferably 1.6 to 2.6 cm 3 / g, more preferably 1.7 to 2.2 cm 3 / g.

상기 다공성 탄소는 바람직하게는 MSU-F-C(Michigan state University-F-C)를 포함할 수 있다. The porous carbon preferably comprises MSU-F-C (Michigan State University-F-C).

또한, 경우에 따라 상기 다공성 탄소를 포함하는 촉매가 상기 다공성 탄소 이외에 카본 블랙, 덴카 블랙, DLC(Diamond Like Carbon), 활성카본(Activated carbon), 흑연(Graphite), 하드 카본, 소프트 카본, 슈퍼 피(super P), 켓젠 블랙(ketjen black), 불칸 XC-72(Vulcan XC-72) 등의 양극 촉매를 추가로 포함할 수 있으며, 바람직하게는 카본 블랙을 추가로 포함할 수 있다. In some cases, the porous carbon-containing catalyst may contain at least one of carbon black, denka black, DLC (diamond like carbon), activated carbon, graphite, hard carbon, soft carbon, (P), ketjen black, Vulcan XC-72 (Vulcan XC-72), and the like, preferably carbon black.

상기 다공성 탄소를 포함하는 촉매는 상기 양극 촉매가 상기 다공성 탄소 100 중량부에 대하여 30 내지 100 중량부일 수 있으며, 바람직하게는 40 내지 95 중량부, 더욱 바람직하게는 50 내지 90 중량부일 수 있다.The catalyst containing the porous carbon may be 30 to 100 parts by weight, preferably 40 to 95 parts by weight, more preferably 50 to 90 parts by weight, based on 100 parts by weight of the porous carbon.

상기 가스 확산층은 카본 페이퍼(carbon paper), 스테인리스 스틸 메쉬(stainless steel mesh), 나노포러스 골드(nanoporous gold) 등이 가능하며, 바람직하게는 카본 페이퍼일 수 있다.The gas diffusion layer may be carbon paper, stainless steel mesh, nanoporous gold, or the like, preferably carbon paper.

상기 바인더는 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF, polyvinylidene fluoride), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene), 폴리트리플루오로스티렌술폰산(poly trifluorostyrene sulfonic acid), 나피온 117 등이 가능하며, 바람직하게는 폴리비닐리덴 플루오라이드일 수 있다.The binder may be polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene, polytrifluorostyrene sulfonic acid, Nafion 117, etc. Preferably, the binder is polyvinyl Lt; / RTI > fluoride.

상기 전해질은 리튬염 및 유기용매를 포함할 수 있다. The electrolyte may include a lithium salt and an organic solvent.

상기 리튬염은 리튬 트리플루오로메탄설포네이트(lithium trifluoromethanesulfonate), 리튬 트리비스플루오로메탄설폰이미드(lithium Bis(trifluoromethane)sulfonimide), 리튬 퍼클로레이트(lithium perclorate), 리튬 헥사플루오로아제네이트(LiAsF6), LiPF6, LiBF4, 테트라알킬암모늄, 리튬 나이트레이트(lithium nitrate, LiNO3), 리튬 설페이트(lithium sulfate, Li2SO4), 리튬 아이오다이드(lithium iodide, LiI) 등이 가능하며, 바람직하게는 리튬 트리플루오로메탄설포네이트일 수 있다.The lithium salt is selected from the group consisting of lithium trifluoromethanesulfonate, lithium bis (trifluoromethane) sulfonimide, lithium perchlorate, lithium hexafluoroethane (LiAsF 6 ), LiPF 6 , LiBF 4 , tetraalkylammonium, lithium nitrate (LiNO 3 ), lithium sulfate (Li 2 SO 4 ), lithium iodide (LiI) And preferably lithium trifluoromethane sulfonate.

상기 유기용매는 테트라에틸렌글라이콜 디메틸에테르(TEGDME, G4), 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 에틸메틸 카보네이트(EMC), 1,2-디메톡시에탄(DME), γ-부티로락톤(GBL), 테트라하이드로푸란(THF), 1,3-디옥솔란(DOXL), 디메틸에테르(DEE), 메틸 프로피오네이트(MP), 설포란(sulfolane, S), 디메틸설폭사이드(DMSO), 아세토니트릴(AN), 트리에틸렌글라이콜 디메틸에테르(G3), 디에틸렌글라이콜 디메틸에테르(DEGDME) 등을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 테트라에틸렌글라이콜 디메틸에테르를 포함할 수 있다. The organic solvent is selected from the group consisting of tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME, G4), ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate Dimethoxyethane (DME),? -Butyrolactone (GBL), tetrahydrofuran (THF), 1,3-dioxolane (DOXL), dimethyl ether (DEE), methyl propionate May include sulfolane (S), dimethylsulfoxide (DMSO), acetonitrile (AN), triethylene glycol dimethyl ether (G3), diethylene glycol dimethyl ether (DEGDME) Lt; RTI ID = 0.0 > tetraethylene < / RTI > glycol dimethyl ether.

또한, 본 발명은 상술한 리튬 공기 전지의 제조방법을 제공한다.The present invention also provides a method for manufacturing the above-described lithium air battery.

본 발명의 리튬 공기 전지의 제조방법은 아래에서 상세히 설명할 양극의 제조방법을 포함할 수 있다. The method of manufacturing the lithium air battery of the present invention may include a method of manufacturing the positive electrode to be described in detail below.

상기 양극의 제조방법은 먼저, 소수성 고분자블록과 친수성 고분자블록을 포함하는 다중블록공중합체, 실리카 전구체, 및 유기용매를 포함하는 혼합용액을 반응시킨다(단계 a).In the method of preparing the anode, a mixed solution containing a multiblock copolymer including a hydrophobic polymer block and a hydrophilic polymer block, a silica precursor, and an organic solvent is reacted (step a).

상기 소수성 고분자블록과 친수성 고분자블록을 포함하는 다중블록공중합체는 이중블록공중합체 또는 삼중블록공중합체일 수 있다.The multiblock copolymer comprising the hydrophobic polymer block and the hydrophilic polymer block may be a double block copolymer or a triblock copolymer.

상기 다중블록공중합체는 폴리에틸렌옥사이드-폴리프로필렌옥사이드-폴리에틸렌옥사이드 블록공중합체, 폴리에틸렌옥사이드-폴리스티렌-폴리에틸렌옥사이드 블록공중합체, 폴리에틸렌옥사이드-폴리이소프렌-폴리에틸렌옥사이드 블록공중합체, 폴리이미드-폴리스티렌-폴리에틸렌옥사이드 블록공중합체, 폴리스티렌-폴리에틸렌옥사이드-폴리스티렌 블록공중합체, 폴리에틸렌옥사이드-폴리스티렌 블록공중합체, 폴리에틸렌옥사이드-폴리이미드 블록공중합체, 폴리(4-비닐피리딘)-폴리스티렌 블록공중합체 등이 가능하나, 바람직하게는 폴리에틸렌옥사이드-폴리프로필렌옥사이드-폴리에틸렌옥사이드 블록공중합체일 수 있다.The multiblock copolymer may be selected from the group consisting of polyethylene oxide-polypropylene oxide-polyethylene oxide block copolymer, polyethylene oxide-polystyrene-polyethylene oxide block copolymer, polyethylene oxide-polyisoprene-polyethylene oxide block copolymer, polyimide-polystyrene- (4-vinylpyridine) -polystyrene block copolymer and the like can be used, but it is preferable to use a poly (ethylene oxide) -polystyrene block copolymer such as polyethylene oxide-polystyrene block copolymer, polyethylene oxide-polystyrene block copolymer, polyethylene oxide- Polyethylene oxide-polypropylene oxide-polyethylene oxide block copolymer.

상기 실리카 전구체는 소듐실리케이트, 테트라에틸오르소실리케이트, n-옥타데실트리메톡실란, 디글리세릴실란(diglycerylsilane), 테트라메틸오르소실리케이트(tetramethylorthosilicate), 메틸 트리에톡시실란(methyl triethoxysilane), 메틸 트리메톡시실란(methyl trimethoxysilane), 비닐 트리메톡시실란(vinyl trimethoxysilane), 3-아미노프로필 트리메톡시실란(3-aminopropyl trimethoxysilane) 등이 가능하나, 바람직하게는 소듐실리케이트일 수 있다. The silica precursor may be selected from the group consisting of sodium silicate, tetraethylorthosilicate, n-octadecyltrimethoxysilane, diglycerylsilane, tetramethylorthosilicate, methyl triethoxysilane, methyltriethoxysilane, Methyl trimethoxysilane, vinyl trimethoxysilane, 3-aminopropyl trimethoxysilane and the like can be used, but sodium silicate can be preferably used.

상기 유기용매는 트리메틸벤젠, 1-부탄올, n-헥산(n-hexane), n-헵탄(n-heptane), 쿠멘(cumene) 등이 가능하나, 바람직하게는 트리메틸벤젠일 수 있다. The organic solvent may be trimethylbenzene, 1-butanol, n-hexane, n-heptane, cumene or the like, preferably trimethylbenzene.

다음으로, 단계 (a)의 결과물을 공기 분위기 하에서 열처리하여 실리카를 제조한다(단계 b).Next, the resultant product of step (a) is heat-treated in an air atmosphere to produce silica (step b).

상기 열처리는 400 내지 800℃에서 수행될 수 있으며, 바람직하게는 450 내지 700℃, 더욱 바람직하게는 500 내지 600℃에서 수행될 수 있다.The heat treatment may be performed at 400 to 800 ° C, preferably at 450 to 700 ° C, more preferably at 500 to 600 ° C.

상기 열처리 온도에서 수행될 때, 상기 열처리는 3 내지 5시간 동안 수행될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 열처리 온도에 따라 열처리 시간은 달라질 수 있다.When performed at the heat treatment temperature, the heat treatment may be performed for 3 to 5 hours, but is not limited thereto. The heat treatment time may vary depending on the heat treatment temperature.

다음으로, 상기 실리카, 알루미늄 전구체 및 유기용매를 포함하는 혼합물을 제조하고, 유기용매를 증발시킨다(단계 c).Next, a mixture comprising the silica, the aluminum precursor and the organic solvent is prepared and the organic solvent is evaporated (step c).

상기 알루미늄 전구체는 염화알루미늄육수화물(AlCl3ㆍ6H2O), 알루미늄 아세틸아세토네이트(aluminum acetylacetonate), 알루미늄 트리-세크-부톡사이드(aluminum tri-sec-butoxide) 등이 가능하며, 바람직하게는 염화알루미늄육수화물일 수 있다. The aluminum precursor may be aluminum chloride hexahydrate (AlCl 3 .6H 2 O), aluminum acetylacetonate, aluminum tri-sec-butoxide and the like, Aluminum hexahydrate.

상기 유기용매가 에탄올, 메탄올, 물, 아세톤, 아세토나이트릴, 테트라하이드로퓨란, 디메톡시퓨란 등이 가능하나, 바람직하게는 에탄올일 수 있다. The organic solvent may be ethanol, methanol, water, acetone, acetonitrile, tetrahydrofuran, dimethoxyfuran and the like, preferably ethanol.

다음으로, 단계 (c)의 결과물을 공기 분위기 하에서 열처리하여 알루미늄 실리카 복합체를 제조한다(단계 d).Next, the resultant product of step (c) is heat-treated in an air atmosphere to prepare an aluminum-silica composite (step d).

상기 열처리는 400 내지 800℃에서 수행될 수 있으며, 바람직하게는 450 내지 700℃, 더욱 바람직하게는 500 내지 600℃에서 수행될 수 있다.The heat treatment may be performed at 400 to 800 ° C, preferably at 450 to 700 ° C, more preferably at 500 to 600 ° C.

상기 열처리 온도에서 수행될 때, 상기 열처리는 3 내지 5시간 동안 수행될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 열처리 온도에 따라 열처리 시간은 달라질 수 있다.When performed at the heat treatment temperature, the heat treatment may be performed for 3 to 5 hours, but is not limited thereto. The heat treatment time may vary depending on the heat treatment temperature.

다음으로, 상기 알루미늄 실리카 복합체 및 탄소 전구체를 혼합한 후, 반응시킨다(단계 e).Next, the aluminum-silica composite and the carbon precursor are mixed and reacted (step e).

상기 탄소 전구체는 푸르푸릴 알코올(furfuryl alcohol), 레졸(resol), 푸르푸릴 아민(furfuryl amine), 수크로스(sucrose), 글루코스(glucose), 도파민(dopamine), 페놀(phenol), 페난트렌(phenanthrene), 폴리아크로나이트릴(poly acronitrile), 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol) 등이 가능하나, 바람직하게는 푸르푸릴 알코올일 수 있다.The carbon precursor may be selected from the group consisting of furfuryl alcohol, resol, furfuryl amine, sucrose, glucose, dopamine, phenol, phenanthrene ), Polyacronitrile, polyvinyl alcohol, and the like, but may preferably be furfuryl alcohol.

상기 탄소 전구체의 양은 상기 알루미늄 실리카 복합체의 기공의 부피와 같도록 하는 것이 바람직하다. 이때, 산 촉매를 추가로 첨가할 수 있다.The amount of the carbon precursor is preferably equal to the volume of the pores of the aluminum-silica composite. At this time, an acid catalyst may be further added.

상기 산 촉매는 디카르복실산일 수 있고, 구체적으로 Oxalic acid, Malonic acid, Succinic acid, Glutaric acid, Adipic acid, Pimelic acid, Suberic acid, Azelaic acid, Sebacic acid 등이 가능하나, 바람직하게는 Oxalic acid일 수 있다.The acid catalyst may be a dicarboxylic acid. Specific examples thereof include oxalic acid, malonic acid, succinic acid, glutaric acid, adipic acid, pimelic acid, suberic acid, azelaic acid and sebacic acid. .

다음으로, 단계 (e)의 결과물을 불활성 기체 분위기 하에서 열처리한다(단계 f).Next, the result of step (e) is heat treated in an inert gas atmosphere (step f).

상기 불활성 기체는 질소, 아르곤, 헬륨, 크립톤 또는 네온 기체를 포함할 수 있다. The inert gas may include nitrogen, argon, helium, krypton or neon gas.

상기 열처리는 400 내지 1,000℃에서 수행될 수 있으며, 바람직하게는 500 내지 950℃, 더욱 바람직하게는 600 내지 900℃에서 수행될 수 있다.The heat treatment may be performed at 400 to 1,000 ° C, preferably 500 to 950 ° C, more preferably 600 to 900 ° C.

상기 열처리 온도에서 수행될 때, 상기 열처리는 1 내지 3시간 동안 수행될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 열처리 온도에 따라 열처리 시간은 달라질 수 있다.When performed at the heat treatment temperature, the heat treatment may be performed for 1 to 3 hours, but is not limited thereto. The heat treatment time may vary depending on the heat treatment temperature.

마지막으로, 단계 (f)의 결과물을 불산과 접촉시킨다(단계 c).Finally, the result of step (f) is contacted with hydrofluoric acid (step c).

상기 접촉에 의해 알루미늄 및 실리카가 에칭되어 다공성 탄소를 제조할 수 있으며, 상기 다공성 탄소를 적용한 양극을 제조할 수 있다. Aluminum and silica are etched by the contact to produce porous carbon, and the porous carbon-coated anode can be produced.

또한, 상기 양극을 적용하여 리튬 공기 전지를 제조할 수 있다. In addition, a lithium air battery can be manufactured by applying the positive electrode.

[실시예][Example]

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 설명하도록 한다. 그러나 이는 예시를 위한 것으로서 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. However, this is for illustrative purposes only, and thus the scope of the present invention is not limited thereto.

제조예Manufacturing example 1:  One: MSUMSU -F-C의 제조Preparation of -F-C

먼저, Pluronic P-123 9.7 g을 증류수 200 mL에 용해시키고, 아세트산 4.43 mL를 첨가한 후, 온도를 60℃로 유지하였다. 상기 Pluronic P-123은 PEO-PPO-PEO 블록공중합체(폴리에틸렌옥사이드-폴리프로필렌옥사이드-폴리에틸렌옥사이드 블록공중합체)로서 양쪽에 Ethylene Oxide 단위체가 20개, 가운데에 Propylene Oxide 단위체가 70개 연결되어있는 고분자이다. 다음으로, 1,3,5-트리메틸벤젠(TMB, 1,3,5-Trimethylbenzene) 5.67 mL를 첨가하고, 1시간 동안 교반하여 P-123 용액을 제조하였다. 규산나트륨(Sodium silicate) 16 mL와 증류수 200 mL를 섞은 후, 상기 P-123 용액을 첨가하고, 60℃에서 20시간 동안 교반하여 혼합 용액을 제조하였다. 상기 혼합 용액을 100℃로 24시간 동안 유지한 후, 필터링하여 침전물을 거르고, 상기 침전물을 에탄올 200 mL와 염산 5 mL가 섞인 용액에 넣었다. 상기 용액을 필터링하여 다시 침전물을 거르고, 상기 침전물을 550℃의 공기 분위기에서 4시간 동안 열처리하여 MSU-F-Si를 제조하였다. First, 9.7 g of Pluronic P-123 was dissolved in 200 mL of distilled water, 4.43 mL of acetic acid was added, and then the temperature was maintained at 60 占 폚. Pluronic P-123 is a PEO-PPO-PEO block copolymer (polyethylene oxide-polypropylene oxide-polyethylene oxide block copolymer) in which 20 ethylene oxide units and 70 propylene oxide units are connected on both sides to be. Then, 5.67 mL of 1,3,5-trimethylbenzene (TMB, 1,3,5-trimethylbenzene) was added and stirred for 1 hour to prepare a P-123 solution. 16 mL of sodium silicate and 200 mL of distilled water were mixed, and then the above P-123 solution was added and stirred at 60 ° C for 20 hours to prepare a mixed solution. The mixed solution was maintained at 100 DEG C for 24 hours, filtered to filter out the precipitate, and the precipitate was added to a solution containing 200 mL of ethanol and 5 mL of hydrochloric acid. The solution was filtered again, the precipitate was filtered, and the precipitate was heat-treated for 4 hours in an air atmosphere at 550 ° C to prepare MSU-F-Si.

상기 MSU-F-Si 6 g 당 AlCl3ㆍ6H2O 1.25 g과 혼합한 후, 에탄올 100 mL에 용해시키고, 서서히 에탄올을 증발시켜 침전물을 얻었다. 상기 침전물을 550℃의 공기 분위기에서 4시간 동안 열처리하여 Al-MSU-F-Si를 제조하였다. The mixture was mixed with 1.25 g of AlCl 3 .6H 2 O per 6 g of the MSU-F-Si, dissolved in 100 mL of ethanol, and the ethanol was slowly evaporated to obtain a precipitate. The precipitate was heat-treated for 4 hours in an air atmosphere at 550 ° C to produce Al-MSU-F-Si.

Al-MSU-F-Si의 기공 부피를 측정하여, 그 부피에 알맞게 푸르푸릴 알코올(furfuryl alcohol)을 고르게 섞어 혼합물을 제조하였다. 상기 혼합물을 진공 상태에서 30분 동안 두고, 이 후, 진공 상태에서 8시간 동안 85℃를 유지하였다. 다음으로, 850℃의 질소 분위기에서 2시간 동안 열처리 하여 열처리된 혼합물을 제조하였다. 상기 열처리된 혼합물을 증류수 200 mL, 에탄올 200 mL 및 불산 20 mL 를 섞은 용액에 넣어 3시간 동안 에칭하였다. 다음으로, 상기 용액을 필터링하여 걸러준 뒤 건조시켜 MSU-F-C를 제조하였다. The pore volume of Al-MSU-F-Si was measured, and the mixture was evenly mixed with furfuryl alcohol so as to match the volume. The mixture was left under vacuum for 30 minutes and then held at 85 [deg.] C for 8 hours under vacuum. Next, the heat-treated mixture was heat-treated at 850 ° C for 2 hours in a nitrogen atmosphere. The heat-treated mixture was put in a solution of 200 mL of distilled water, 200 mL of ethanol and 20 mL of hydrofluoric acid, and the mixture was etched for 3 hours. Next, the solution was filtered and filtered, and then dried to prepare MSU-F-C.

제조예Manufacturing example 2:  2: CMKCMK -3의 제조-3 production

Pluronic P-123 8 g을 증류수 210 mL과 염산 40 mL를 섞은 용액에 용해시키고, 40℃에서 고르게 섞이도록 교반하였다. 다음으로, TEOS(Tetraethoxyorthosilicate) 18.2 mL를 첨가하고 24시간 동안 두어 혼합 용액을 제조하였다. 상기 혼합 용액을 24 시간 동안 100℃를 유지시켜준 후, 필터링하여 침전물을 얻었다. 상기 침전물을 550℃의 공기 분위기에서, 4 시간 동안 열처리하여 SBA-15를 제조하였다. 8 g of Pluronic P-123 was dissolved in a solution of 210 ml of distilled water and 40 ml of hydrochloric acid, and the mixture was stirred evenly at 40 ° C. Next, 18.2 mL of TEOS (tetraethoxyorthosilicate) was added and the mixture was allowed to stand for 24 hours. The mixed solution was maintained at 100 캜 for 24 hours, and then filtered to obtain a precipitate. The precipitate was subjected to heat treatment in an air atmosphere at 550 캜 for 4 hours to prepare SBA-15.

SBA-15의 기공 부피를 측정하고, 총 기공 부피와 동일하도록 푸르푸릴 알코올과 옥살산(oxalic acid)의 혼합 용액을 준비하였다(푸르푸릴 알코올과 옥살산의 몰비율은 200:1). 상기 혼합 용액과 SBA-15를 고르게 섞어준 후 30분 동안 진공 상태를 유지시켜 혼합물을 제조하였다. 다음으로, 상기 혼합물을 85℃의 진공 상태를 24시간 동안 유지시켜 준 후, 850℃의 질소 분위기에서 2시간 동안 열처리 하여 열처리된 혼합물을 제조하였다. 상기 열처리된 혼합물을 증류수 200 mL, 에탄올 200 mL 및 불산 20 mL 를 섞은 용액에 넣어 3시간 동안 에칭하였다. 다음으로, 상기 용액을 필터링하여 걸러준 뒤 건조시켜 CMK-3를 제조하였다. The pore volume of SBA-15 was measured, and a mixed solution of furfuryl alcohol and oxalic acid was prepared so that the total pore volume was the same (molar ratio of furfuryl alcohol to oxalic acid was 200: 1). The mixed solution and SBA-15 were evenly mixed and kept in a vacuum for 30 minutes to prepare a mixture. Next, the mixture was held in a vacuum state at 85 캜 for 24 hours, and then heat-treated at 850 캜 in a nitrogen atmosphere for 2 hours to prepare a heat-treated mixture. The heat-treated mixture was put in a solution of 200 mL of distilled water, 200 mL of ethanol and 20 mL of hydrofluoric acid, and the mixture was etched for 3 hours. Next, the solution was filtered and sieved, followed by drying to produce CMK-3.

실시예Example 1: 양극의 제조( 1: Preparation of positive electrode ( MSUMSU -F-C)-F-C)

카본 페이퍼(carbon paper)를 직경 15mm가 되도록 잘라 준비하였다. 제조예 1에 따라 제조된 MSU-F-C를 탄소 촉매로 준비하였다. 상기 탄소 촉매와 바인더인 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF, polyvinylidene fluoride)를 9:1의 비율로 섞고, NMP(N-Methyl-2-pyrrolidone)에 용해시켜 탄소 촉매 용액을 제조하였다. 상기 카본 페이퍼 상에 상기 탄소 촉매 용액을 0.7mg 올리고 110℃에서 건조시켜 NMP를 제거함으로써 양극을 제조하였다. Carbon paper was cut and prepared to have a diameter of 15 mm. MSU-F-C prepared according to Preparation Example 1 was prepared as a carbon catalyst. The carbon catalyst and the binder polyvinylidene fluoride (PVDF) were mixed in a ratio of 9: 1 and dissolved in NMP (N-methyl-2-pyrrolidone) to prepare a carbon catalyst solution. 0.7 mg of the carbon catalyst solution was placed on the carbon paper, and dried at 110 캜 to remove NMP, thereby preparing a positive electrode.

실시예Example 2: 양극의 제조( 2: Preparation of positive electrode ( MSUMSU -F-C+-F-C + SPSP ))

탄소 촉매로 제조예 1에 따라 제조된 MSU-F-C와 Super P(SP)를 2:1의 비율로 섞어 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 양극을 제조하였다. A positive electrode was prepared in the same manner as in Example 1 except that MSU-F-C prepared in Preparation Example 1 and Super P (SP) were mixed in a ratio of 2: 1.

소자실시예Device Example 1: 리튬 공기 전지의 제조( 1: Manufacture of lithium air cell MSUMSU -F-C)-F-C)

테트라에틸렌글라이콜 디메틸에테르(TEGDME)와 리튬 트리플루오로메탄설포네이트(lithium trifluoromethanesulfonate)를 1:4의 몰비율로 혼합하여 전해질을 제조하였다. Tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME) and lithium trifluoromethanesulfonate were mixed at a molar ratio of 1: 4 to prepare an electrolyte.

리튬 포일을 3겹 겹쳐서 직경 16mm가 되도록 잘라 음극을 준비하였다. Three layers of lithium foil were stacked and cut to a diameter of 16 mm to prepare a negative electrode.

실시예 1에 따라 제조된 양극, 상기 음극 및 GFC 분리막(glass microfiber filter, Whatman 사)을 사용하고, 상기 전해질을 주입하여 2032 규격의 코인 셀을 제조하였다.A 2032 coin cell was prepared using the positive electrode prepared in Example 1, the negative electrode and a GFC separator (glass microfiber filter, Whatman Co.), and the electrolyte was injected.

소자실시예Device Example 2: 리튬 공기 전지의 제조( 2: Preparation of Lithium Air Cell MSUMSU -F-C+-F-C + SPSP ))

실시예 1에 따라 제조된 양극 대신에 실시예 2에 따라 제조된 양극을 사용한 것을 제외하고는 소자실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 공기 전지를 제조하였다. A lithium air cell was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the anode prepared in Example 2 was used instead of the anode prepared in Example 1.

비교예Comparative Example 1: 양극의 제조( 1: Preparation of positive electrode ( SPSP ))

제조예 1에 따라 제조된 MSU-F-C 대신에 Super P(SP)를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 양극을 제조하였다. A positive electrode was prepared in the same manner as in Example 1, except that Super P (SP) was used instead of MSU-F-C prepared according to Preparation Example 1.

비교예Comparative Example 2: 양극의 제조( 2: Preparation of positive electrode ( CMKCMK -3)-3)

제조예 1에 따라 제조된 MSU-F-C 대신에 제조예 2에 따라 제조된 CMK-3을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 양극을 제조하였다. A positive electrode was prepared in the same manner as in Example 1, except that CMK-3 prepared in Preparation Example 2 was used instead of MSU-F-C prepared in Preparation Example 1.

비교예Comparative Example 3: 양극의 제조( 3: Preparation of positive electrode ( CMKCMK -3+-3+ SPSP ))

탄소 촉매로 제조예 2에 따라 제조된 CMK-3와 Super P(SP)를 2:1의 비율로 섞어 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 양극을 제조하였다.A positive electrode was prepared in the same manner as in Example 1, except that CMK-3 prepared in Preparation Example 2 and Super P (SP) were mixed in a ratio of 2: 1.

소자비교예Device comparison example 1: 리튬 공기 전지의 제조( 1: Manufacture of lithium air cell SPSP ))

실시예 1에 따라 제조된 양극 대신에 비교예 1에 따라 제조된 양극을 사용한 것을 제외하고는 소자실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 공기 전지를 제조하였다.A lithium air cell was produced in the same manner as in Example 1 except that the positive electrode prepared in Comparative Example 1 was used instead of the positive electrode prepared in Example 1.

소자비교예Device comparison example 2: 리튬 공기 전지의 제조( 2: Preparation of Lithium Air Cell CMKCMK -3)-3)

실시예 1에 따라 제조된 양극 대신에 비교예 2에 따라 제조된 양극을 사용한 것을 제외하고는 소자실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 공기 전지를 제조하였다.A lithium air cell was produced in the same manner as in Example 1 except that the positive electrode prepared in Comparative Example 2 was used instead of the positive electrode prepared in Example 1.

소자비교예Device comparison example 3: 리튬 공기 전지의 제조( 3: Manufacture of Lithium Air Battery CMKCMK -3+-3+ SPSP ))

실시예 1에 따라 제조된 양극 대신에 비교예 3에 따라 제조된 양극을 사용한 것을 제외하고는 소자실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 공기 전지를 제조하였다.A lithium air cell was produced in the same manner as in Example 1 except that the positive electrode prepared in Comparative Example 3 was used instead of the positive electrode prepared in Example 1.

[시험예][Test Example]

시험예Test Example 1: 탄소 촉매 확인 1: Carbon catalyst identification

도 2의 (a)는 제조예 1에 따라 제조된 MSU-F-C 및 제조예 2에 따라 제조된 CMK-3의 질소 등온 흡착/탈착 실험 결과이고, 도 2의 (b)는 기공 크기 및 부피를 나타낸 것이고, 도 3은 TEM 사진이다.2 (a) shows the results of nitrogen adsorption / desorption experiments of MSU-FC prepared according to Preparation Example 1 and CMK-3 prepared according to Preparation Example 2, and FIG. 2 (b) And Fig. 3 is a TEM photograph.

도 2의 (a) 및 (b)를 참조하면, 제조예 1에 따라 제조된 MSU-F-C는 기공의 크기가 30 nm, 기공의 부피가 1.86 cm3/g, 표면적이 863 m2/g로 나타났다. 또한, 5 nm 정도의 작은 기공이 생성되었다. 제조예 2에 따라 제조된 CMK-3는 기공의 크기가 3.3 nm, 기공의 부피가 1.25 cm3/g, 표면적이 1,180 m2/g로 나타났다. 2 (a) and 2 (b), MSU-FC prepared according to Preparation Example 1 had a pore size of 30 nm, a pore volume of 1.86 cm 3 / g, and a surface area of 863 m 2 / g appear. Small pores of about 5 nm were also generated. CMK-3 prepared according to Production Example 2 had a pore size of 3.3 nm, a pore volume of 1.25 cm 3 / g, and a surface area of 1,180 m 2 / g.

도 3을 참조하면, 제조예 1에 따라 제조된 MSU-F-C는 기공이 3차원적으로 연결된 촉매이고, 제조예 2에 따라 제조된 CMK-3는 기공이 2차원적인 채널 형태인 것으로 나타났다. Referring to FIG. 3, MSU-F-C prepared in Preparation Example 1 is a catalyst in which pores are three-dimensionally connected, and CMK-3 prepared in Preparation Example 2 has a pore structure in a two-dimensional channel form.

따라서, 제조예 1에 따라 제조된 MSU-F-C가 제조예 2에 따라 제조된 CMK-3 보다 표면적은 작으나 기공의 크기가 약 10배 큰 것을 알 수 있었다. Thus, it can be seen that the surface area of MSU-F-C prepared according to Preparation Example 1 is smaller than that of CMK-3 prepared according to Preparation Example 2, but the pore size is about 10 times larger.

시험예Test Example 2: 전류밀도에 따른 방전용량 측정 2: Measurement of discharge capacity according to current density

도 4는 소자실시예 2, 소자비교예 1 및 소자비교예 3에 따라 제조된 리튬 공기 전지의 전류밀도에 따른 방전용량을 측정한 결과이다. 4 shows the results of measurement of the discharge capacity according to the current density of the lithium air battery manufactured according to the device example 2, the device comparison example 1, and the device comparison example 3. As shown in Fig.

도 4를 참조하면, 약 500 mA/g 이하의 낮은 전류 밀도에서는 표면적이 가장 넓은 CMK-3 탄소 촉매를 포함하는 소자비교예 3에 따라 제조된 리튬 공기 전지가 가장 높은 방전 용량을 나타냈다. 그러나, 전류 밀도가 점차 상승할수록 소자비교예 3에 따라 제조된 리튬 공기 전지(CMK-3+SP)는 방전 용량의 감소가 커져, 결국 1000 mA/g 이상의 높은 전류 밀도부턴 소자실시예 2에 따라 제조된 리튬 공기 전지(MSU-F-C+SP)가 가장 높은 방전 용량을 갖는 것으로 나타났다. Referring to FIG. 4, a lithium air battery manufactured according to Comparative Example 3, which includes the CMK-3 carbon catalyst having the largest surface area at a low current density of about 500 mA / g or less, exhibited the highest discharge capacity. However, as the current density gradually increases, the lithium-air battery (CMK-3 + SP) manufactured according to Comparative Example 3 has a large decrease in discharge capacity. As a result, according to Example 2 of the current density higher than 1000 mA / The produced lithium air battery (MSU-F-C + SP) showed the highest discharge capacity.

따라서, 소자실시예 2에 따라 제조된 리튬 공기 전지(MSU-F-C+SP)가 높은 전류 밀도에서 가장 높은 방전 용량을 갖는 것을 확인할 수 있었다. 이는 상기 리튬 공기 전지의 MSU-F-C 탄소 촉매가 3차원적으로 연결된 비교적 큰 기공을 갖고 있기 때문으로 판단된다. Therefore, it was confirmed that the lithium air battery (MSU-F-C + SP) manufactured according to the second embodiment had the highest discharge capacity at a high current density. This is presumably because the MSU-F-C carbon catalyst of the lithium air cell has relatively large pores connected three-dimensionally.

시험예 3: 전류밀도에 따른 충/방전 과전압 측정Test Example 3: Charge / discharge overvoltage measurement according to current density

도 5의 (a)는 실시예 2, 비교예 1 및 비교예 3에 따라 제조된 양극의 전류밀도에 따른 방전 과전압을 측정한 결과이고, (b)는 충전 과전압을 측정한 결과이다. FIG. 5 (a) shows the result of measuring the discharge overvoltage according to the current density of the anode manufactured according to Example 2, Comparative Example 1, and Comparative Example 3, and (b) is a result of measuring the charging overvoltage.

방전용량은 1,000 mAh/g 이라는 한정된 용량까지만 방전시킨 후, 다시 같은 용량만큼 충전시켜 그에 따른 과전압을 측정하였다. 상기 과전압은 충방전 과정에서 일어나는 반응과 리튬의 산화환원 반응 사이의 이론적 포텐셜 차이인 3 V와 실제 충전 및 방전 포텐셜의 차이를 나타내는 것으로, 과전압이 낮을수록 우수한 효율을 나타낸다.The discharging capacity was discharged to a limited capacity of 1,000 mAh / g, and the same capacity was again charged to measure the over-voltage. The overvoltage indicates the difference between the theoretical potential difference between the reaction occurring in the charging and discharging process and the redox reaction of lithium and the actual charging and discharging potential. The lower the overvoltage, the better the efficiency.

도 5의 (a) 및 (b)를 참조하면, 약 500 mA/g 이하의 낮은 전류 밀도에서는 비교예 3에 따라 제조된 양극(CMK-3+SP)의 충전 과전압 및 방전 과전압이 모두 가장 낮은 것으로 나타났다. 그러나, 전류 밀도가 점차 상승할수록 비교예 3에 따라 제조된 양극(CMK-3+SP)은 충전 과전압 및 방전 과전압이 모두 커져, 결국 1,000 mA/g 이상의 높은 전류 밀도부턴 실시예 2에 따라 제조된 양극(MSU-F-C+SP)이 가장 낮은 충전 과전압 및 방전 과전압을 갖는 것으로 나타났다. 5 (a) and 5 (b), the charge overpotential and discharge overpotential of the anode (CMK-3 + SP) prepared according to Comparative Example 3 at the low current density of about 500 mA / Respectively. However, as the current density gradually increased, the positive electrode (CMK-3 + SP) prepared in accordance with Comparative Example 3 increased in both the charging overpotential and the discharge overpotential, resulting in a high current density of 1,000 mA / The anode (MSU-F-C + SP) has the lowest charge overvoltage and discharge overvoltage.

따라서, 실시예 2에 따라 제조된 양극(MSU-F-C+SP)이 높은 전류밀도에서 낮은 충전 과전압 및 방전 과전압을 가짐으로써 가장 우수한 효율을 나타낼 것으로 예상된다. Therefore, it is expected that the anode (MSU-F-C + SP) produced according to Example 2 has the best efficiency by having low charge over-discharge and discharge over-voltage at high current density.

시험예 4: Electrochemical Impedence Spectroscopy(EIS) 측정Test Example 4: Electrochemical Impedence Spectroscopy (EIS) Measurement

도 6은 소자실시예 1 및 소자비교예 2에 따라 제조된 리튬 공기 전지의 방전 전과 후, EIS를 측정한 결과를 나타낸 것이다. 각각의 리튬 공기 전지들은 1,000 mAh/g씩 방전시켜주었다.6 shows the results of measurement of EIS before and after the discharge of the lithium air battery produced according to the element embodiment 1 and the element comparison example 2. Fig. Each lithium air cell was discharged at 1,000 mAh / g.

도 6을 참조하면, 방전 전의 소자실시예 1에 따라 제조된 리튬 공기 전지(MSU-F-C before discharge)는 소자비교예 2에 따라 제조된 리튬 공기 전지(CMK-3 before discharge)에 비해 보다 더 높은 진동수에서 피크를 가졌으며, 이는 소자실시예 1에 따라 제조된 리튬 공기 전지 내에서의 물질전달이 소자비교예 2에 따라 제조된 리튬 공기 전지보다 더 빠른 것을 나타낸다. 또한, 방전 후 리튬 공기 전지의 EIS 측정 결과, 소자비교예 2에 따라 제조된 리튬 공기 전지(CMK-3 after discharge)가 소자실시예 1에 따라 제조된 리튬 공기 전지(MSU-F-C after discharge) 보다 큰 폭으로 피크 진동수가 감소하며, 이 또한 소자실시예 1에 따라 제조된 리튬 공기 전지 내에서의 물질전달이 소자비교예 2에 따라 제조된 리튬 공기 전지보다 더 빠른 것을 나타낸다.6, a lithium ion battery (MSU-FC before discharge) manufactured according to Example 1 of the pre-discharge device is higher than a lithium air battery (CMK-3 before discharge) manufactured according to Comparative Example 2 , Which indicates that the mass transfer in the lithium air cell produced according to the Device Example 1 is faster than the lithium air cell made according to the Device Comparative Example 2. [ As a result of the EIS measurement of the lithium air battery after discharging, the lithium air battery (CMK-3 after discharge) manufactured according to the comparative example 2 was higher than the lithium air battery (MSU-FC after discharge) The peak frequency is greatly reduced and this also indicates that the mass transfer in the lithium air cell produced according to the Device Example 1 is faster than the lithium air cell made according to the Device Comparative Example 2. [

따라서, 소자실시예 1에 따라 제조된 리튬 공기 전지가 리튬 공기 전지 내에서의 물질전달 능력이 더 우수한 것을 알 수 있었다. 이는 제조예 2에 따라 제조된 CMK-3는 기공이 좁고, 2차원적인 채널 형태인데 반해, 제조예 1에 따라 제조된 MSU-F-C는 기공이 비교적 크고, 3차원적으로 연결된 촉매이기 때문에 방전에도 불구하고 물질이 촉매 내로 전달되는 능력이 더 좋은 것으로 판단된다. Therefore, it was found that the lithium air cell manufactured according to the Embodiment Example 1 is superior in the mass transfer ability in the lithium air cell. This is because the CMU-3 prepared according to Preparation Example 2 has a narrow pore and a two-dimensional channel shape, whereas the MSU-FC prepared according to Preparation Example 1 has a relatively large pore and is a three- However, the ability of the material to transfer into the catalyst is considered to be better.

시험예Test Example 5:  5: 싸이클Cycle 특성 확인 Identify characteristics

소자실시예 2, 소자비교예 1 및 소자비교예 3에 따라 제조된 리튬 공기 전지의 싸이클 특성을 측정하여 도 7의 (a)에 나타내었고, 싸이클을 돌려 더 이상 용량이 나오지 않는 리튬 공기 전지를 뜯어 오래된 양극은 새로운 음극과, 오래된 음극은 새로운 양극과 붙여 새로운 전지를 만들어 싸이클 특성을 측정하여 도 7의 (b) 및 (c)에 나타내었다. 전류 밀도는 500 mA/g으로 실험하였으며, 1,000 mAh/g까지 방전한 후 충전해주는 방식으로 실험하였다.The cyclic characteristics of the lithium air cells manufactured according to the device example 2, the device comparison example 1 and the device comparative example 3 were measured and shown in Fig. 7 (a), and the cycle was turned to turn the lithium air battery 7 (b) and 7 (c) show the results of measuring the cycle characteristics by forming a new anode by attaching a new anode and a new cathode by attaching a new cathode to a new anode. The current density was 500 mA / g, and it was tested by discharging to 1,000 mAh / g.

도 7의 (a)를 참조하면, 소자실시예 2에 따라 제조된 리튬 공기 전지(MSU-F-C+SP)의 싸이클 특성이 가장 우수한 것으로 나타났다. 이에 반하여, 소자비교예 1 및 소자비교예 3에 따라 제조된 리튬 공기 전지(Super P, CMK-3+SP)는 비교적 싸이클 특성이 떨어지는 것으로 나타났다. Referring to FIG. 7 (a), the cycle characteristics of the lithium air battery (MSU-F-C + SP) manufactured according to the second embodiment were the most excellent. On the contrary, the lithium air battery (Super P, CMK-3 + SP) manufactured according to the device comparison example 1 and the device comparison example 3 showed relatively low cycle characteristics.

도 7의 (b) 및 (c)를 참조하면, 싸이클을 돌려 더 이상 용량이 나오지 않는 소자실시예 2에 따라 제조된 리튬 공기 전지(used MSU-F-C+SP cathode)는 다시 수십 싸이클이 돌아갔으나, 소자비교예 1 및 소자비교예 3에 따라 제조된 리튬 공기 전지(Super P, CMK-3+SP)는 싸이클이 다시 돌아가지 않는 것을 알 수 있었다. Referring to FIGS. 7 (b) and 7 (c), a lithium air battery (used MSU-F-C + SP cathode) manufactured according to the Embodiment 2 of the present invention, , But it was found that the cycle did not return to the lithium air battery (Super P, CMK-3 + SP) manufactured according to the device comparison example 1 and the device comparison example 3.

따라서, 소자실시예 2에 따라 제조된 리튬 공기 전지는 기공이 비교적 크고, 3차원적으로 연결된 촉매인 MSU-F-C를 포함함으로써, 더 우수한 싸이클 특성을 나타내는 것으로 판단된다.Therefore, it was judged that the lithium air cell produced according to the second embodiment of the present invention exhibited better cycle characteristics by including MSU-F-C, which is a relatively large pore and a three-dimensionally connected catalyst.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than the detailed description and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents are to be construed as being included within the scope of the present invention do.

Claims (20)

리튬을 포함하는 음극;
다공성 탄소를 포함하는 촉매, 바인더 및 가스 확산층을 포함하는 양극; 및
상기 음극에서 발생된 리튬 이온을 양극으로 전달하는 전해질;을 포함하고,
상기 다공성 탄소가 3차원적 탄소 골격과 상기 탄소 골격의 연결에 의해 형성된 10 내지 50 nm의 직경을 갖는 메조기공을 포함하고,
상기 메조기공이 상기 다공성 탄소에서 3차원적으로 연결되고,
상기 다공성 탄소가 1 내지 10 nm의 직경을 갖는 마이크로 기공을 포함하고, 상기 마이크로 기공이 상기 탄소 골격에 위치하고,
상기 다공성 탄소의 BET 표면적이 700 내지 1,200 m2/g인 것인,
리튬 공기 전지.
A negative electrode comprising lithium;
A cathode comprising a catalyst comprising porous carbon, a binder and a gas diffusion layer; And
And an electrolyte for transferring lithium ions generated in the negative electrode to the positive electrode,
Wherein the porous carbon comprises mesopores having a diameter of 10 to 50 nm formed by the connection of the three-dimensional carbon skeleton and the carbon skeleton,
The mesopores are three-dimensionally connected to the porous carbon,
Wherein the porous carbon comprises micropores having a diameter of 1 to 10 nm, the micropores are located in the carbon framework,
Wherein the porous carbon has a BET surface area of 700 to 1,200 m < 2 > / g.
Lithium air battery.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 메조기공이 20 내지 30nm의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 리튬 공기 전지.
The method according to claim 1,
Wherein the mesopores have a diameter of 20 to 30 nm.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 다공성 탄소가 MSU-F-C(Michigan state University-F-C)를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 공기 전지.
The method according to claim 1,
Wherein the porous carbon comprises MSU-FC (Michigan state University-FC).
제1항에 있어서,
상기 다공성 탄소를 포함하는 촉매가 카본 블랙, 덴카 블랙, DLC(Diamond Like Carbon), 활성카본(Activated carbon), 흑연(Graphite), 하드 카본, 소프트 카본, 슈퍼 피(super P), 켓젠 블랙(ketjen black) 및 불칸 XC-72(Vulcan XC-72) 중에서 선택된 1종 이상의 양극 촉매를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 공기 전지.
The method according to claim 1,
The porous carbon-containing catalyst may be at least one selected from the group consisting of carbon black, denka black, DLC (diamond like carbon), activated carbon, graphite, hard carbon, soft carbon, super P, black) and Vulcan XC-72 (Vulcan XC-72). < IMAGE >
제8항에 있어서,
상기 양극 촉매가 카본 블랙인 것을 특징으로 하는 리튬 공기 전지.
9. The method of claim 8,
Wherein the positive electrode catalyst is carbon black.
제8항에 있어서,
상기 다공성 탄소를 포함하는 촉매는 상기 양극 촉매가 상기 다공성 탄소 100 중량부에 대하여 30 내지 100 중량부인 것을 특징으로 하는 리튬 공기 전지.
9. The method of claim 8,
Wherein the catalyst comprising the porous carbon is such that the amount of the positive electrode catalyst is 30 to 100 parts by weight based on 100 parts by weight of the porous carbon.
제1항에 있어서,
상기 가스 확산층이 카본 페이퍼(carbon paper), 스테인리스 스틸 메쉬(stainless steel mesh) 및 나노포러스 골드(nanoporous gold) 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 리튬 공기 전지.
The method according to claim 1,
Wherein the gas diffusion layer is any one selected from the group consisting of carbon paper, stainless steel mesh, and nanoporous gold.
제1항에 있어서,
상기 바인더가 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF, polyvinylidene fluoride), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene), 폴리트리플루오로스티렌술폰산(poly trifluorostyrene sulfonic acid) 및 나피온 117 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 공기 전지.
The method according to claim 1,
Characterized in that the binder comprises at least one selected from the group consisting of polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene, polytrifluorostyrene sulfonic acid and Nafion 117 .
제1항에 있어서,
상기 전해질이 리튬염 및 유기용매를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 공기 전지.
The method according to claim 1,
Wherein the electrolyte comprises a lithium salt and an organic solvent.
제13항에 있어서,
상기 리튬염이 리튬 트리플루오로메탄설포네이트(lithium trifluoromethanesulfonate), 리튬 트리비스플루오로메탄설폰이미드(lithium Bis(trifluoromethane)sulfonimide), 리튬 퍼클로레이트(lithium perclorate), 리튬 헥사플루오로아제네이트(LiAsF6), LiPF6, LiBF4, 테트라알킬암모늄, 리튬 나이트레이트(lithium nitrate, LiNO3), 리튬 설페이트(lithium sulfate, Li2SO4) 및 리튬 아이오다이드(lithium iodide, LiI) 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 공기 전지.
14. The method of claim 13,
The lithium salt is selected from the group consisting of lithium trifluoromethanesulfonate, lithium bis (trifluoromethane) sulfonimide, lithium perchlorate, lithium hexafluoroethane (LiAsF 6 ), LiPF 6 , LiBF 4 , tetraalkylammonium, lithium nitrate (LiNO 3 ), lithium sulfate (Li 2 SO 4 ) and lithium iodide (LiI) And a lithium ion battery.
제13항에 있어서,
상기 유기용매가 테트라에틸렌글라이콜 디메틸에테르(TEGDME, G4), 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 에틸메틸 카보네이트(EMC), 1,2-디메톡시에탄(DME), γ-부티로락톤(GBL), 테트라하이드로푸란(THF), 1,3-디옥솔란(DOXL), 디메틸에테르(DEE), 메틸 프로피오네이트(MP), 설포란(sulfolane, S), 디메틸설폭사이드(DMSO), 아세토니트릴(AN), 트리에틸렌글라이콜 디메틸에테르(G3) 및 디에틸렌글라이콜 디메틸에테르(DEGDME) 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 공기 전지.
14. The method of claim 13,
The organic solvent is selected from the group consisting of tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME, G4), ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate Dimethoxyethane (DME),? -Butyrolactone (GBL), tetrahydrofuran (THF), 1,3-dioxolane (DOXL), dimethyl ether (DEE), methyl propionate And at least one member selected from the group consisting of sulfolane (S), dimethylsulfoxide (DMSO), acetonitrile (AN), triethylene glycol dimethyl ether (G3) and diethylene glycol dimethyl ether Lt; / RTI > air cell.
(a) 소수성 고분자블록과 친수성 고분자블록을 포함하는 다중블록공중합체, 실리카 전구체, 및 유기용매를 포함하는 혼합용액을 반응시키는 단계;
(b) 단계 (a)의 결과물을 공기 분위기 하에서 열처리하여 실리카를 제조하는 단계;
(c) 상기 실리카, 알루미늄 전구체 및 유기용매를 포함하는 혼합물을 제조하고, 유기용매를 증발시키는 단계;
(d) 단계 (c)의 결과물을 공기 분위기 하에서 열처리하여 알루미늄 실리카 복합체를 제조하는 단계;
(e) 상기 알루미늄 실리카 복합체 및 탄소 전구체를 혼합한 후, 반응시키는 단계;
(f) 단계 (e)의 결과물을 불활성 기체 분위기 하에서 열처리하는 단계; 및
(g) 단계 (f)의 결과물을 불산과 접촉시키켜 다공성 탄소를 제조하는 단계; 를 포함하고
상기 다공성 탄소가 3차원적 탄소 골격과 상기 탄소 골격의 연결에 의해 형성된 10 내지 50 nm의 직경을 갖는 메조기공을 포함하고,
상기 메조기공이 상기 다공성 탄소에서 3차원적으로 연결되고,
상기 다공성 탄소가 1 내지 10 nm의 직경을 갖는 마이크로 기공을 포함하고, 상기 마이크로 기공이 상기 탄소 골격에 위치하고,
상기 다공성 탄소의 BET 표면적이 700 내지 1,200 m2/g인 것인,
양극의 제조방법을 포함하는 리튬 공기 전지의 제조방법.
(a) reacting a mixed solution comprising a multiblock copolymer comprising a hydrophobic polymer block and a hydrophilic polymer block, a silica precursor, and an organic solvent;
(b) heat treating the resultant product of step (a) in an air atmosphere to produce silica;
(c) preparing a mixture comprising the silica, the aluminum precursor and the organic solvent, and evaporating the organic solvent;
(d) subjecting the resultant of step (c) to heat treatment in an air atmosphere to produce an aluminum-silica composite;
(e) mixing the aluminum-silica complex and the carbon precursor and reacting them;
(f) heat treating the result of step (e) in an inert gas atmosphere; And
(g) contacting the resultant of step (f) with hydrofluoric acid to produce porous carbon; Including the
Wherein the porous carbon comprises mesopores having a diameter of 10 to 50 nm formed by the connection of the three-dimensional carbon skeleton and the carbon skeleton,
The mesopores are three-dimensionally connected to the porous carbon,
Wherein the porous carbon comprises micropores having a diameter of 1 to 10 nm, the micropores are located in the carbon framework,
Wherein the porous carbon has a BET surface area of 700 to 1,200 m < 2 > / g.
A method for manufacturing a lithium air battery, comprising the steps of:
제16항에 있어서,
상기 다중블록공중합체가 폴리에틸렌옥사이드-폴리프로필렌옥사이드-폴리에틸렌옥사이드 블록공중합체, 폴리에틸렌옥사이드-폴리스티렌-폴리에틸렌옥사이드 블록공중합체, 폴리에틸렌옥사이드-폴리이소프렌-폴리에틸렌옥사이드 블록공중합체, 폴리이미드-폴리스티렌-폴리에틸렌옥사이드 블록공중합체, 폴리스티렌-폴리에틸렌옥사이드-폴리스티렌 블록공중합체, 폴리에틸렌옥사이드-폴리스티렌 블록공중합체, 폴리에틸렌옥사이드-폴리이미드 블록공중합체 및 폴리(4-비닐피리딘)-폴리스티렌 블록공중합체 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 리튬 공기 전지의 제조방법.
17. The method of claim 16,
Wherein the multiblock copolymer is selected from the group consisting of polyethylene oxide-polypropylene oxide-polyethylene oxide block copolymer, polyethylene oxide-polystyrene-polyethylene oxide block copolymer, polyethylene oxide-polyisoprene-polyethylene oxide block copolymer, polyimide- (4-vinylpyridine) -polystyrene block copolymer. The polyolefin resin composition according to any one of (1) to (4), wherein the polyolefin block copolymer is selected from the group consisting of a polystyrene block copolymer, a polystyrene block copolymer, a polystyrene block copolymer, a polystyrene block copolymer, Wherein the lithium ion battery is a lithium ion battery.
제16항에 있어서,
상기 실리카 전구체가 소듐실리케이트, 테트라에틸오르소실리케이트, n-옥타데실트리메톡실란, 디글리세릴실란(diglycerylsilane), 테트라메틸오르소실리케이트(tetramethylorthosilicate), 메틸 트리에톡시실란(methyl triethoxysilane), 메틸 트리메톡시실란(methyl trimethoxysilane), 비닐 트리메톡시실란(vinyl trimethoxysilane) 및 3-아미노프로필 트리메톡시실란(3-aminopropyl trimethoxysilane) 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 리튬 공기 전지의 제조방법.
17. The method of claim 16,
Wherein the silica precursor is selected from the group consisting of sodium silicate, tetraethylorthosilicate, n-octadecyltrimethoxysilane, diglycerylsilane, tetramethylorthosilicate, methyl triethoxysilane, Wherein the electrolyte is at least one selected from the group consisting of methyl trimethoxysilane, vinyl trimethoxysilane and 3-aminopropyl trimethoxysilane.
제16항에 있어서,
상기 알루미늄 전구체가 염화알루미늄육수화물(AlCl3ㆍ6H2O), 알루미늄 아세틸아세토네이트(aluminum acetylacetonate) 및 알루미늄 트리-세크-부톡사이드(aluminum tri-sec-butoxide) 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 리튬 공기 전지의 제조방법.
17. The method of claim 16,
Wherein the aluminum precursor is at least one selected from aluminum chloride hexahydrate (AlCl 3 .6H 2 O), aluminum acetylacetonate and aluminum tri-sec-butoxide. A method of manufacturing a lithium air cell.
제16항에 있어서,
상기 탄소 전구체가 푸르푸릴 알코올(furfuryl alcohol), 레졸(resol), 푸르푸릴 아민(furfuryl amine), 수크로스(sucrose), 글루코스(glucose), 도파민(dopamine), 페놀(phenol), 페난트렌(phenanthrene), 폴리아크로나이트릴(poly acronitrile) 및 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol) 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 리튬 공기 전지의 제조방법.
17. The method of claim 16,
Wherein the carbon precursor is selected from the group consisting of furfuryl alcohol, resol, furfuryl amine, sucrose, glucose, dopamine, phenol, phenanthrene ), Polyacronitrile, and polyvinyl alcohol. ≪ RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI >
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