KR101775312B1 - 복합전극을 이용한 공기호흡형 전지 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복합전극을 이용한 공기호흡형 전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 양극 활물질에 탄소재료를 혼합하여 제조한 복합양극과, 순수 리튬을 고체전해질을 이용하여 밀봉하여 제조한 복합음극과, 상기 복합양극과 상기 복합음극의 사이에 배치한 분리막을 포함한다.
본 발명은 기존의 리튬-공기전지 또는 리튬전지에 비해 높은 에너지 밀도 및 출력밀도를 나타낼 수 있고, 대기 환경하에서 리튬-공기전지를 사용할 수 있어 리튬-공기전지의 활용도와 적용성을 극대화할 수 있는 이점이 있다.

Description

복합전극을 이용한 공기호흡형 전지 및 그 제조방법{AIR-BREATHING USING BATTERY HYBRID ELECTRODES AND MANUFACTURE METHOD THEREOF}
본 발명은 복합전극을 이용한 공기호흡형 전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 대기환경하에서 또는 공기가 없는 환경에서도 선택적인 공기호흡 또는 리튬전지 반응을 통해 고출력, 고에너지 밀도를 가지도록 하는 복합전극을 이용한 공기호흡형 전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
화석연료 소비 증가에 따른 이산화탄소 배출을 저감하기 위해 전기 자동차 및 하이브리드 자동차의 보급이 확대되고 있다. 현재 리튬-이온전지가 가지는 비에너지(150~200Wh/kg)의 한계로 인해 전기 자동차의 장거리 주행이 어려운 실정이다.
장거리 운행을 위해서는 대용량전지가 자동차에 탑재되어야 하지만 자동차 판매가격이 상승하기 때문에 전기 자동차 보급을 위해서는 기존의 이차전지보다 6~7배 정도 큰 에너지 밀도를 갖는 이차전지가 필요하다. 이에 따라 리튬-이온전지 보다 3000Wh/kg 이상으로 큰 에너지 밀도를 갖는 리튬-공기전지가 주목받고 있다.
이러한 리튬-공기전지의 상용화를 목적으로 전지의 효율 향상, 충/방전 특성향상, 공기 중 수분 및 이산화탄소 등에 의한 음극의 안전과 오염방지를 위한 연구가 이루어지고 있다. 또한, 리튬-공기전지의 경우 순수 리튬을 사용하고 공기를 양극으로 사용하기 때문에 높은 에너지 밀도를 나타낼 수 있다.
하지만, 리튬은 공기 중 소량의 수분과도 산화반응을 일으키고 수분이 있을 경우 폭발할 수 있는 위험한 물질이므로 수분이 거의 없는 환경에서만 취급 가능하다.
따라서, 리튬-공기전지는 완벽하게 공기 중 수분을 차단시키지 못할 경우 보관 중 또는 사용중의 성능저하를 피할 수 없다.
공기호흡형 리튬-공기전지의 경우 우수한 에너지 밀도를 가지고 있으나 출력밀도가 낮은 문제점이 있다. 이는 리튬과 공기 중 산소가 반응하여 양극인 탄소 공극 내에 Li2O2 또는 Li2O 같은 산화물을 생성시키는 느린 고유반응에 기인한다.
리튬-공기전지의 성능 향상을 위해 전극 및 전해질 재료 개발 또는 촉매 개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으나, 리튬-공기전지의 특성상 양극은 원활한 공기의 공급이 이루어져야 하고, 동시에 음극 및 전해질 등의 전지 구성 요소들은 공기와 원천적으로 차폐되어야 하므로 전지 구조의 단순화 및 경량화가 어렵고 그 형태가 매우 한정적이다.
대부분의 리튬-공기전지의 경우 기존의 금속-공기전지와 유사한 형태인 파우치형, 원통형, 코인형 등으로 형성되며, 양극 부분에만 공기가 통할 수 있도록 구멍을 뚫어놓은 형태를 벗어나지 못하고 있다.
따라서, 공기 중 수분과의 완벽한 차폐가 불가능하여 실제 대기 환경에서 사용하기에는 여러 가지 제약이 따르고 있어 상용화에는 걸림돌이 되고 있다.
특허문헌 1: 공개특허공보 제10-2016-0029319호(2016.03.15 공개)
본 발명의 목적은 대기환경하에서 또는 공기가 없는 환경에서도 선택적인 공기호흡 또는 리튬전지 반응을 통해 고출력, 고에너지 밀도를 가지도록 하며, 리튬을 고체전해질로 완벽히 밀봉 적용함으로써 대기 환경하에서 리튬-공기전지를 사용할 수 있도록 한 복합전극을 이용한 공기호흡형 전지 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명의 일실시예에 따른 복합전극을 이용한 공기호흡형 전지는, 양극 활물질에 탄소재료를 혼합하여 제조한 복합양극; 순수 리튬을 고체전해질 및 전지케이스로 밀봉하여 제조한 복합음극; 및 상기 복합양극과 상기 복합음극의 사이에 배치한 분리막;을 포함하고, 상기 복합음극은, 상기 고체전해질 내에 상기 순수 리튬을 포함하고, 상기 순수 리튬과 상기 고체전해질 사이에 완충용 액체전해질을 채우며, 접착제가 도포된 상기 전지케이스로 밀봉하고, 상기 접착제를 건조시켜 제조하며, 상기 고체전해질은, 표면에 인, 질소, 니켈 원소 중 선택된 1종 이상을 이용하여 플라즈마 코팅시키는 것을 특징으로 한다.
상기 복합양극은 공기확산층이 적층된 공기호흡형 복합양극이며, 상기 공기확산층에 양극 단자가 연결되는 양극 집전체가 적층되고, 상기 복합음극에 음극 단자가 연결되는 음극 집전체가 포함된다.
상기 양극 활물질은 CFX, V2O5, MnO2, 그라파이트, 흑연계 재료 중 선택된 1종 이상이고, 상기 복합양극 전체 중량 대비 10~80 중량%로 포함된다.
상기 탄소재료는 활성탄소, 그래핀, 탄소 나노섬유, 카본블랙, 환원 그래핀 산화물 중 선택된 1종 이상이고, 상기 복합양극 전체 중량 대비 10~80 중량%로 포함된다.
상기 복합양극에 전도성 첨가제가 더 포함되며, 상기 전도성 첨가제는 활성탄, 카본나노튜브(CNT), 그래핀(Graphene) 중 선택된 1종 이상이고, 상기 복합양극 전체 중량 대비 0 초과 5 중량% 이하로 포함된다.
상기 복합양극에 바인더가 더 포함된다.
상기 고체전해질은 LISICON계, NASICON계, LATP 중 선택된 1종이다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 복합전극을 이용한 공기호흡형 전지의 제조 방법은, 양극 활물질에 탄소재료를 혼합하여 복합양극을 제조하는 단계; 순수 리튬을 고체전해질 및 전지케이스로 밀봉하여 복합음극을 제조하는 단계; 및 상기 복합음극에 분리막 및 복합양극을 적층하여 고정하는 단계를 포함하고, 상기 순수 리튬을 고체전해질 및 전지케이스로 밀봉하여 복합음극을 제조하는 단계는, 고체전해질 내에 순수 리튬을 포함하고, 상기 순수 리튬과 상기 고체전해질 사이에 완충용 액체전해질을 채우며, 접착제가 도포된 전지케이스로 밀봉하는 단계; 및 상기 접착제를 건조시키는 단계를 포함하며, 상기 고체전해질의 표면에 인, 질소, 니켈 원소 중 선택된 1종 이상을 이용하여 플라즈마 코팅시키는 단계를 더 포함한다.
상기 양극 활물질에 탄소재료를 혼합하여 복합양극을 제조하는 단계 후, 상기 복합양극에 공기확산층을 적층하여 상기 복합양극을 공기호흡형 복합양극으로 제조하는 단계와 상기 복합양극에 양극 집전체 및 양극 단자를 연결하는 단계를 더 포함한다.
상기 양극 활물질에 탄소재료를 혼합하여 복합양극을 제조하는 단계에서, 바인더가 더 포함된다.
상기 양극 활물질에 탄소재료를 혼합하여 복합양극을 제조하는 단계에서, 전도성 첨가제가 더 포함되며, 상기 전도성 첨가제는 상기 복합양극 전체 중량 대비 0 초과 5 중량% 이하 범위로 포함된다.
삭제
상기 상부가 개방되게 형성된 고체전해질 내에 순수 리튬을 포함하고 상기 순수 리튬과 상기 고체전해질 사이에 완충용 액체전해질을 채우는 단계는, 상기 순수 리튬에 음극 집전체 및 음극 단자를 연결하는 단계를 더 포함한다.
삭제
상기 고체전해질은 LISICON계, NASICON계, LATP 중 선택된 1종이고, 10㎛~100㎛ 두께 범위를 적용한다.
본 발명은 공기가 없는 환경에서는 복합양극의 양극 활물질이 리튬과의 전기화학반응을 수행하고, 대기환경하에서는 복합양극의 탄소재료가 리튬-공기전지 반응을 담당하는 선택적 공기호흡형 전지이므로 기존의 리튬-공기전지 또는 리튬전지에 비해 높은 에너지 밀도 및 출력밀도를 나타낼 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 순수 리튬이 고체전해질 및 전지케이스에 의해 완벽히 밀봉된 복합음극 구조를 가지므로 대기 환경하에서 리튬-공기전지를 사용할 수 있어 기존 산소 분위기에서만 사용할 수 있었던 리튬-공기전지의 활용도와 적용성을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 복합전극을 이용한 공기호흡형 전지를 보인 도면.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 의한 복합전극을 이용한 공기호흡형 전지를 보인 도면.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 복합전극을 이용한 공기호흡형 전지(10,10a)는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 양극 활물질(21)에 탄소재료(23)를 혼합하여 제조한 복합양극(20)과, 순수 리튬(31)을 고체전해질(33a,33b) 및 전지케이스(33c)로 밀봉하여 제조한 복합음극(30)과, 복합양극(20)과 복합음극(30)의 사이에 배치되는 분리막(40)을 포함하는 구조로 된다.
또한, 복합양극(20)에 전자 이동을 위한 양극 집전체(50)가 적층되고 양극 집전체(50)에 양극 단자(51)가 연결되며, 복합음극(30)에 전자 이동을 위한 음극 집전체(60)가 포함되고 음극 집전체(60)에 음극 단자(61)가 연결되는 구조로 된다.
양극 활물질(21)은 복합양극(20)에서 리튬과 전지화학반응을 담당한다.
양극 활물질(21)은 CFX(x=0.5~1.5), V2O5, MnO2, 그라파이트(graphite), 흑연계 재료 중 선택된 1종 이상이 포함된다.
양극 활물질(21)은 복합양극 전체 중량 대비 10~80 중량%로 포함된다.
양극 활물질(21)은 10 중량% 미만으로 포함되면 공기가 없는 환경에서 출력 특성이 떨어지고, 80 중량%를 초과하면 전기전도도가 낮아져 성능이 저하될 수 있다. 양극 활물질(21)은 고출력 특성을 위해 복합양극 전체 중량 대비 20~30 중량%로 포함되는 것이 더 바람직하다.
탄소재료(23)는 복합양극(20)에서 리튬-공기전지의 반응을 담당한다.
탄소재료(23)는 활성탄소, 그래핀, 탄소 나노섬유, 카본블랙, 환원 그래핀 산화물 중 선택된 1종 이상이 포함된다.
탄소재료(23)는 복합양극 전체 중량 대비 10~80 중량%로 포함된다.
탄소재료(23)는 10 중량% 미만으로 포함되면 에너지 밀도가 감소되고, 80 중량%를 초과하면 고출력 특성 및 공기가 없는 환경에서 성능이 저하된다. 탄소재료(23)는 고출력 특성을 위해 복합양극 전체 중량 대비 20~30 중량%로 포함되는 것이 더 바람직하다.
복합양극(20)은 바인더(25)가 더 포함될 수 있다. 바인더(25)는 복합양극을 제조하는 과정에서 양극 활물질(21)이 전극형태를 유지하고 제조가 용이하도록 하기 위한 것이다.
바인더(25)는 리튬전지의 양극 바인더로 주로 사용되는 PVDF(polyvinylidenefluoride)계 또는 PTFE(polytetrafluorethylene)계를 사용하는 것이 바람직하다.
복합양극(20)는 전기적 전도성을 향상시키기 위해 전도성 첨가제를 포함할 수 있다.
전도성 첨가제는 활성탄, 카본나노튜브(CNT), 그래핀(Graphene) 중 선택된 1종 이상이 포함될 수 있으며, 복합양극 전체 중량 대비 0 초과 5 중량% 이하로 포함될 수 있다.
리튬전지 및 리튬-공기전지는 출력이 떨어지는 단점이 있는데 전도성 첨가제를 미량 포함하면 양극 내 전기전도도를 높여 전압을 높임으로써 출력을 높일 수 있다. 그런데 전도성 첨가제는 밀도가 낮은 물질이므로 5 중량%를 초과하여 첨가되면 양극의 부피가 급격이 증가하여 전극 두께를 증가시키고 결국 저항을 높이게 되므로 고출력 특성이 낮아진다.
전지는 전극 두께가 얇을수록 저항이 낮아지고 고출력 특성이 좋아진다. 따라서 전도성 첨가제는 전기적 전도성 향상 효과를 최적화하기 위해 1 중량% 이하로 포함되는 것이 더 바람직하다.
복합양극(20)은 공기확산층(Air Diffusion Layer, ADL)(20)을 더 포함한다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 복합양극(20)은 공기확산층(27)이 적층된 공기호흡형 복합양극일 수 있다.
공기확산층(27)은 외부 공기를 양극에 공급한다.
공기확산층(27)은 외부에서 공급되는 공기 중의 산소를 전기화학반응에 이용하기 위한 것이다.
공기확산층(27)은 기계적 특성 및 내열성이 우수하고 내부에 공기가 통과할 수 있는 기공이 있는 것을 사용한다. 예를 들어, 공기확산층(27)은 대기 환경에서 적용시 공기가 통과할 수 있도록 부직포, 탄소 부직포, 탄소 시트 등의 다공질재료로 된다.
복합양극(20)에서 공기확산층(27)에 양극 집전체(50)가 적층되고, 양극 집전체(50)에 양극 단자가 연결된다. 양극 집전체(50) 및 양극 단자(51)는 전자의 이동을 위한 것이다.
복합음극(30)은 순수 리튬(31)이 음극 활물질로 작용한다. 리튬은 순도가 높은 순수 리튬을 사용하는 것이 음극 활물질로서 가장 높은 이론적 용량을 나타낸다. 리튬은 가볍고 다른 알칼리금속 대비 단위 무게당 큰 에너지 밀도를 얻을 수 있다. 또한, 리튬이온은 다른 알칼리금속이온의 크기보다 작기 때문에 전극물질을 구성하고 있는 격자 사이로 이동하는 것도 용이하다.
복합음극(30)은 고체전해질(33)과 순수 리튬(31) 사이에 유기계 전해질을 포함한다. 유기계 전해질은 순수 리튬의 이온전도성을 향상시키고 순수 리튬(31)과 고체전해질(33)의 접촉저항을 감소시키며 순수 리튬(31)과 고체전해질(33)의 완충 역할을 한다.
순수 리튬(31)은 수분과의 반응성이 매우 커 외부로 노출되면 안전성 문제가 발생하므로 고체전해질(33a,33b) 및 전지케이스(33c)로 밀봉한다.
고체전해질(33a,33b)은 강산 또는 강염기 환경에서 안정성을 가지고 이온전도성이 우수한 것을 사용한다. 이온전도성이 우수한 고체전해질의 예로서, LISICON계, NASICON계, LATP 중 선택된 1종을 사용할 수 있다.
고체전해질(33a,33b)은 10㎛~100㎛ 두께를 적용한다. 고체전해질(33a,33b)은 두께가 10㎛ 미만이면 기계적 강도가 낮아지고 100㎛를 초과하면 두께 증가에 따른 이온전도도가 낮아져 전기화학적 특성이 감소할 수 있다.
고체전해질(33a,33b) 및 전지케이스(33c) 표면에 인, 질소, 니켈 원소 중 선택된 1종 이상의 원소를 플라즈마 코팅할 수 있다. 이는 방전 중 고체 전해액의 산도 변화와 순수 리튬과의 장기접촉에 따른 고체전해질의 부식반응 방지를 위한 것이다.
고체전해질(33a,33b) 및 전지케이스(33c) 내에 순수 리튬을 완벽하게 밀봉하기 위해 산 및 염기에 대한 내화학성이 우수한 접착제를 사용한다.
전지케이스(33c)는 플라스틱, 파우치셀 재료, 금속재료로 제조된 것일 수 있다.
음극 집전체(60)는 순수 리튬(31) 사이에 포함되고 음극 단자(61)가 연결된다. 음극 집전체(60) 및 음극 단자(61)는 전자의 이동을 위한 것이다.
분리막(40)은 복합양극(20)과 복합음극(30)을 분리하여 전극 간 직접 접촉을 방지하기 위한 것이다. 분리막(40)은 리튬이온전지에서 일반적으로 사용되는 LiBS(lithium ion battery separator)가 사용될 수 있다.
분리막(40)은 삭제되어도 무방하다. 이 경우 고체전해질이 분리막 역할을 동시에 담당하게 된다.
한편, 공기확산층(27)을 포함하는 복합양극(20)은 복합음극(30)을 기준으로 양측에 대칭되게 배치할 수 있다. 이 경우 복합음극의 양면을 모두 사용해 전기화학반응을 하므로 방전특성을 향상시키고 전지 효율이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.
상술한 복합전극을 이용한 공기호흡형 전지 제조방법은, 양극 활물질(21)에 탄소재료(23)를 혼합하여 복합양극(20)을 제조하는 단계와, 순수 리튬(31)을 고체전해질(33a,33b) 및 전지케이스(33c)로 밀봉하여 복합음극(30)을 제조하는 단계와, 복합음극(30)에 분리막(40) 및 복합양극(20)을 적층하여 고정하는 단계를 포함한다.
양극 활물질(21)에 탄소재료(23)를 혼합하여 복합양극(20)을 제조하는 단계는, 리튬과의 전기화학반응을 담당하는 양극 활물질(21)을 리튬-공기전지 반응을 담당하는 탄소재료(23)와 혼합한다. 양극 활물질(21)과 탄소재료(23)의 혼합 과정에서 바인더(25)를 포함하여 양극 활물질(21)이 전극형태를 유지하고 제조가 용이하도록 한다.
양극 활물질(21)은 CFx, V2O5, MnO2, 그라파이트, 흑연계 재료 중 선택된 1종 이상을 포함하며, 복합양극(20) 전체 중량 대비 10~80 중량%로 포함한다.
탄소재료(23)는 활성탄소, 그래핀, 탄소 나노섬유, 카본블랙, 환원 그래핀 산화물 중 선택된 1종 이상을 포함하고, 복합양극 전체 중량 대비 10~80 중량%로 포함한다.
바인더(25)는 PVDF계 또는 PTFE계를 사용한다.
양극 활물질(21), 탄소재료(23), 바인더(25)를 혼합한 복합양극(20)을 전극으로 만들기 위해 박막화 한다. 예를 들어, 박막화는 양극 활물질(21), 탄소재료(23), 바인더(25)를 혼합한 복합양극(20)을 양극 집전체(50)에 얇게 코팅할 수 있다.(도 1 참조)
복합양극(20)이 제조된 후에는 복합양극(20)에 공기확산층(27)을 적층한다.
공기확산층(27)이 포함되는 경우 공기확산층(27)에 양극 활물질(21), 탄소재료(23), 바인더(25)를 혼합한 복합양극(20)을 얇게 코팅하고, 공기확산층(27)에 양극 집전체(50)를 적층할 수 있다.(도 2 참조), 이 경우 공기확산층이 양극으로 작용한다.
양극 집전체(50)에 양극 단자(51)를 연결한다. 양극 단자(51)는 양극 집전체(50)와 전기적으로 연결되게 용접 등의 공정으로 연결된다.
양극 활물질(21)에 탄소재료(23)를 혼합하여 복합양극(20)을 제조하는 단계에서, 전도성 첨가제를 더 포함할 수 있다. 이때, 전도성 첨가제는 복합양극 전체 중량 대비 0 초과 5 중량% 이하 범위로 포함한다.
순수 리튬(31)을 고체전해질(33a,33b) 및 전지케이스(33c)로 밀봉하여 복합음극(30)을 제조하는 단계는, 고체전해질(33a,33b) 내에 순수 리튬(31)을 포함하고 순수 리튬(31)과 고체전해질(33a,33b) 사이에 완충용 액체전해질을 채우고 접착제가 도포된 금속재질의 전지케이스(33c)로 완벽히 밀봉하는 단계와, 접착제를 건조시키는 단계를 포함한다.
구체적으로, 순수 리튬(31)을 고체전해질(33a,33b) 및 전지케이스(33c)로 밀봉하여 복합음극(30)을 제조하는 단계에서 순수 리튬(31)을 고체전해질(33a)과 접착제를 이용해 상부가 개방된 'ㄷ' 형상의 금속재질의 전지케이스(33c) 사이에 적층하고, 고체전해질(33a) 사이의 순수 리튬(31)에 완충용 액체전해질을 채운 후 접착제를 도포한 고체전해질(33b)로 그 상부를 완벽히 밀봉한다.
다음으로, 고체전해질(33a,33b)이 파손되지 않을 정도의 압력을 가하면서 복합음극(30)의 접착제가 완벽히 경화 또는 건조되도록 한다. 이후 복합음극(30)에 분리막(40)과 미리 제조한 복합양극(20)을 적층하고 접착제 등으로 양측을 전지케이스(33c)에 고정하여 최종 공기호흡형 전지를 제조한다.
고체전해질(33a,33b)은 LISICON계, NASICON계, LATP 중 선택된 1종을 사용하고, 10㎛~100㎛ 두께 범위를 적용한다.
전지케이스(33c)는 플라스틱, 파우치셀 재료, 금속재료를 사용한다.
순수 리튬(31)을 고체전해질(33c)로 밀봉하기 전, 순수 리튬(31) 사이에는 음극 집전체(60)를 적층 배치하고 음극 집전체(60)는 음극 단자(61)와 연결한다.
음극 집전체(60) 및 음극 단자(61)는 전도성이 우수한 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 복합음극(30)에서 순수 리튬(31)이 공기 중에 노출되는 것을 방지하기 위해 후술할 고체전해질(33a,33b) 및 전지케이스(33c)의 코팅시 순수 리튬(31)의 표면이 외부와 완전히 차단되도록 코팅한다.
고체전해질(33a,33b) 사이의 완충용 액체전해질은 유기계 전해질을 넣어 리튬의 이온전도성을 향상시키고 순수 리튬(31)과 고체전해질(33a,33b)의 접촉저항을 감소시키며, 순수 리튬과 고체전해질의 완충역할을 하도록 한다.
추가적으로, 고체전해질(33a,33b) 및 전지케이스(33c)의 표면은 순수 리튬과의 부식반응 방지를 위하여 인, 질소 및 니켈 원소 중 선택된 1종 이상으로 프라즈마 코팅할 수 있다.
상술한 방법에 의해 제조된 복합전극은 공기가 없는 환경에서는 복합양극의 양극 활물질이 리튬과의 전기화학반응을 수행하고, 대기환경하에서는 복합양극의 탄소재료가 리튬-공기전지 반응을 담당하는 선택적 공기호흡형 전지이므로 공기가 없는 환경 및 고출력 에너지를 요구할 경우 전지의 용량과 작동시간 및 작동환경을 증대시켜 전지의 에너지 및 출력밀도를 증대시킬 수 있다.
또한, 순수 리튬을 사용한 리튬전지 반응을 통해 고출력, 고에너지 밀도를 가질 수 있다.
또한, 순수 리튬이 고체전해질 및 전지케이스에 의해 밀봉된 구조를 가지는 복합음극은 공기 중 수분과 이산화탄소가 순수 리튬과 반응하여 용량의 감소 및 부반응이 일어나는 것을 원천적으로 차단시키므로 기존 리튬-공기전지가 가지는 작동환경의 제약을 벗어나 고온 다습한 환경에서도 사용이 가능하여 우수한 에너지 밀도를 달성할 수 있다.
구체적으로, 리튬-공기전지의 공기극으로 사용되는 양극에 탄소재료와 더불어 공기 또는 산소가 없는 환경에서 리튬과 전기화학반응을 통해 전기를 생성시킬 수 있는 양극 활물질을 탄소재료와 혼합하여 사용하는 복합양극을 사용하는 것과, 음극으로 순수 리튬을 수분이나 이산화탄소로부터 보호하고 리튬이온만을 투과시킬 수 있는 고체전해질을 이용하여 완벽히 밀봉하여 적용함으로써 대기 환경하에서 리튬-공기전지를 사용할 수 있다.
그에 따라, 공기가 없는 환경 또는 고출력이 필요한 경우 양극 활물질과 순수 리튬의 반응을 통해 전기를 생성시키고, 공기가 존재하는 환경 및 저출력의 에너지를 필요로 하는 경우 탄소재료와 리튬이 리튬-공기전지로서 작동해 기존 알려진 리튬-공기전지 및 리튬 일차전지에 비해 높은 에너지 밀도 및 출력밀도를 나타낼 수 있다.
또한, 음극으로 공기 중 수분이나 이산화탄소가 통과하지 않고 리튬이온만이 투과할 수 있는 고체전해질로 완벽히 밀봉하여 적용하므로 대기 환경하에서 리튬-공기전지를 사용할 수 있어 기존 산소분위기에서만 사용할 수 있었던 리튬-공기전지의 활용도 및 적용성을 극대화시킬 수 있다.
본 발명은 도면과 명세서에 최적의 실시예들이 개시되었다. 여기서, 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 발명은 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면, 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 권리범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10, 10a: 공기호흡형 전지 20: 복합양극
21: 양극 활물질 23: 탄소재료
25: 바인더 27: 공기확산층
30: 복합음극 31: 순수 리튬
33a,33b: 고체전해질 33c: 전지케이스
50: 양극 집전체 51: 양극 단자
60: 음극 집전체 61: 음극 단자

Claims (17)

  1. 양극 활물질에 탄소재료를 혼합하여 제조한 복합양극;
    순수 리튬을 고체전해질 및 전지케이스로 밀봉하여 제조한 복합음극; 및
    상기 복합양극과 상기 복합음극의 사이에 배치한 분리막;을 포함하고,
    상기 복합음극은,
    상기 고체전해질 내에 상기 순수 리튬을 포함하고, 상기 순수 리튬과 상기 고체전해질 사이에 완충용 액체전해질을 채우며, 접착제가 도포된 상기 전지케이스로 밀봉하고, 상기 접착제를 건조시켜 제조하며,
    상기 고체전해질은,
    표면에 인, 질소, 니켈 원소 중 선택된 1종 이상을 이용하여 플라즈마 코팅시키는 것을 특징으로 하는 복합전극을 이용한 공기호흡형 전지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 복합양극은 공기확산층이 적층된 공기호흡형 복합양극이며,
    상기 공기확산층에 양극 단자가 연결되는 양극 집전체가 적층되고,
    상기 복합음극에 음극 단자가 연결되는 음극 집전체가 포함되는 것을 특징으로 하는 복합전극을 이용한 공기호흡형 전지.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 양극 활물질은 CFx(x=0.5~1.5), V2O5, MnO2, 그라파이트, 흑연계 재료 중 선택된 1종 이상이고, 상기 복합양극 전체 중량 대비 10~80 중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 복합전극을 이용한 공기호흡형 전지.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄소재료는 활성탄소, 그래핀, 탄소 나노섬유, 카본블랙, 환원 그래핀 산화물 중 선택된 1종 이상이고, 상기 복합양극 전체 중량 대비 10~80 중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 복합전극을 이용한 공기호흡형 전지.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 복합양극에 전도성 첨가제가 더 포함되며,
    상기 전도성 첨가제는 활성탄, 카본나노튜브(CNT), 그래핀(Graphene) 중 선택된 1종 이상이고, 상기 복합양극 전체 중량 대비 0 초과 5 중량% 이하로 포함되는 것을 특징으로 하는 복합전극을 이용한 공기호흡형 전지.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 복합양극에 바인더가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 복합전극을 이용한 공기호흡형 전지.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 고체전해질은 LISICON계, NASICON계, LATP 중 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 복합전극을 이용한 공기호흡형 전지.
  8. 양극 활물질에 탄소재료를 혼합하여 복합양극을 제조하는 단계;
    순수 리튬을 고체전해질 및 전지케이스로 밀봉하여 복합음극을 제조하는 단계; 및
    상기 복합음극에 분리막 및 복합양극을 적층하여 고정하는 단계를 포함하고,
    상기 순수 리튬을 고체전해질 및 전지케이스로 밀봉하여 복합음극을 제조하는 단계는, 고체전해질 내에 순수 리튬을 포함하고, 상기 순수 리튬과 상기 고체전해질 사이에 완충용 액체전해질을 채우며, 접착제가 도포된 전지케이스로 밀봉하는 단계; 및 상기 접착제를 건조시키는 단계를 포함하며,
    상기 고체전해질의 표면에 인, 질소, 니켈 원소 중 선택된 1종 이상을 이용하여 플라즈마 코팅시키는 단계를 더 포함하는 복합전극을 이용한 공기호흡형 전지 제조방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 양극 활물질에 탄소재료를 혼합하여 복합양극을 제조하는 단계 후,
    상기 복합양극에 공기확산층을 적층하여 상기 복합양극을 공기호흡형 복합양극으로 제조하는 단계; 및
    상기 복합양극에 양극 집전체 및 양극 단자를 연결하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합전극을 이용한 공기호흡형 전지 제조방법.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 양극 활물질에 탄소재료를 혼합하여 복합양극을 제조하는 단계에서,
    바인더가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 복합전극을 이용한 공기호흡형 전지 제조방법.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 양극 활물질에 탄소재료를 혼합하여 복합양극을 제조하는 단계에서,
    전도성 첨가제가 더 포함되며, 상기 전도성 첨가제는 상기 복합양극 전체 중량 대비 0 초과 5 중량% 이하 범위로 포함되는 것을 특징으로 하는 공기호흡형 전지 제조방법.
  12. 삭제
  13. 청구항 8에 있어서,
    상기 고체전해질 내에 순수 리튬을 포함하고 상기 순수 리튬과 상기 고체전해질 사이에 완충용 액체전해질을 채우는 단계는,
    상기 순수 리튬에 음극 집전체 및 음극 단자를 연결하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공기호흡형 전지 제조방법.
  14. 삭제
  15. 청구항 8에 있어서,
    상기 양극 활물질은 CFx(x=0.5~1.5), V2O5, MnO2, 그라파이트, 흑연계 재료 중 선택된 1종 이상이고, 상기 복합양극 전체 중량 대비 10~80 중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 복합전극을 이용한 공기호흡형 전지 제조방법.
  16. 청구항 8에 있어서,
    상기 탄소재료는 활성탄소, 그래핀, 탄소 나노섬유, 카본블랙, 환원 그래핀 산화물 중 선택된 1종 이상이고, 상기 복합양극 전체 중량 대비 10~80 중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 복합전극을 이용한 공기호흡형 전지 제조방법.
  17. 청구항 8에 있어서,
    상기 고체전해질은 LISICON계, NASICON계, LATP 중 선택된 1종이고,
    10㎛~100㎛ 두께 범위를 적용하는 것을 특징으로 하는 복합전극을 이용한 공기호흡형 전지 제조방법.
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