KR101849828B1 - 금속 공기 전지용 분리막, 이를 포함하는 금속 공기 전지, 금속 공기 전지용 분리막의 제조방법 및 금속 공기 전지의 제조방법 - Google Patents

금속 공기 전지용 분리막, 이를 포함하는 금속 공기 전지, 금속 공기 전지용 분리막의 제조방법 및 금속 공기 전지의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 명세서는 금속 공기 전지용 분리막, 이를 포함하는 금속 공기 전지, 금속 공기 전지용 분리막의 제조방법 및 금속 공기 전지의 제조방법에 관한 것이다.

Description

금속 공기 전지용 분리막, 이를 포함하는 금속 공기 전지, 금속 공기 전지용 분리막의 제조방법 및 금속 공기 전지의 제조방법{SEPARATOR FOR METAL AIR BATTERY, METAL AIR BATTERY INCLUDING THE SAME, MANUFACTURING METHOD OF SEPARATOR FOR METAL AIR BATTERY AND MANUFACTURING METHOD OF METAL AIR BATTERY}
본 명세서는 2014년 06월 13일에 한국 특허청에 제출된 한국 특허출원 제10-2014-0072486호의 출원일의 이익을 주장하며, 그 내용은 전부 본 명세서에 포함된다.
본 명세서는 금속 공기 전지용 분리막, 이를 포함하는 금속 공기 전지, 금속 공기 전지용 분리막의 제조방법 및 금속 공기 전지의 제조방법에 관한 것이다.
전자 기기에 대한 전력 공급을 위한 수단으로 전지(battery)가 널리 사용되고 있다. 특히, 이차 전지는 현재 노트북, 휴대폰, 자동차 등을 포함하는 산업 전반에 영향력을 미치고 있다. 최근 스마트 기기의 붐이 일어나고 있으며, 실제 사용시 가장 불편한 것이 사용 시간이므로, 고용량 전지의 개발이 요구되고 있다.
이러한 요구에 따라 금속 전지를 대체할 수 있는 기술로서 금속 공기 전지에 대한 연구 개발이 시도되고 있다.
이하에서는 주로 리튬 공기 전지에 대하여 구체적으로 설명하지만, 그 외 금속 공기 전지도 유사한 원리로 작용한다.
리튬 공기 전지란 음극과 양극 재료로 각각 리튬과 공기를 사용하는 전지로 방전시에는 음극의 리튬 금속이 산화되고 양극의 공기 중의 산소가 환원되면서 화학에너지가 전기에너지로 변환되고, 충전시에는 반대로 작동하는 원리를 이용한다.
상기 리튬 공기 전지는 양극, 음극과 양극과 음극 사이에 구비된 전해질 및 분리막으로 구성된다.
이중에서도 분리막은 리튬 공기 전지의 안정성 및 성능에 큰 영향을 미치는 요소로서, 전해질에 대한 우수한 투과 성능을 나타낼 수 있도록 미세 구멍 구조를 구비한 다공성 기재가 사용되어 오고 있다.
그러나, 불완전한 충방전으로 인하여 발생하는 리튬 덴드라이트(dendrite)가 분리막의 기공을 통해 양극에 도달하게 되고, 이로 인하여 전지 내부 단락(internal short-circuit)을 일으킬 수 있다. 이러한 리튬 덴드라이트로 인한 전지 내부 단락은, 전지 안정성 확보에 가장 큰 위협 요소로 꼽히고 있다.
한국 공개 특허 제10-2013-0001170호
본 명세서는 금속 공기 전지용 분리막, 이를 포함하는 금속 공기 전지, 금속 공기 전지용 분리막의 제조방법 및 금속 공기 전지의 제조방법을 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태는 분리막 본체, 및 상기 분리막 본체의 적어도 일면에 구비된 촉매를 포함하는 다공성층을 포함하는 것인 금속 공기 전지용 분리막을 제공한다.
본 명세서의 또 하나의 실시상태는 양극; 음극; 및 상기 양극과 음극 사이에 구비된 상기 금속 공기 전지용 분리막과 전해질을 포함하는 것인 금속 공기 전지를 제공한다.
또 다른 실시상태에 있어서, 상기 촉매는 산소 환원 반응 또는 산소 산화 반응을 원활하게 하는 재료를 포함한다.
본 명세서의 또 하나의 실시상태는 분리막 본체의 적어도 일면에 촉매를 포함하는 조성물을 코팅하는 단계를 포함하는 금속 공기 전지용 분리막의 제조방법을 제공한다.
본 명세서의 또 하나의 실시상태는 양극, 음극 및 전술한 금속 공기 전지용 분리막을 조립하는 단계 및 상기 양극과 음극 사이에 전해질을 주입하는 단계를 포함하는 금속 공기 전지의 제조방법을 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 금속 공기 전지용 분리막은 전지의 반응성을 향상시키고, 금속 덴드라이트에 기인한 전지 내부 단락을 방지할 수 있다.
따라서, 상기 분리막을 포함하는 금속 공기 전지는 과전압 저하 및 향상된 사이클(cycle)특성을 가질 수 있다.
도 1은 본 명세서의 일 실시상태에 따른 분리막 본체 표면에 촉매가 구비되어 다공성층을 이루고 있는 모습을 보여주고 있다.
도 2는 금속 공기 전지의 일 예인 리튬 공기 전지의 모식도를 나타낸 것이다.
도 3은 본 명세서의 일 실시상태에 따른 금속 공기 전지의 구조를 개략적으로 나타난 도이다.
도 4는 실시예 및 비교예에 따른 리튬 공기 전지의 충방전 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 5는 실시예 및 비교예에 따른 리튬 공기 전지의 충ㆍ방전에 따른 사이클 수명 변화를 나타낸 그래프이다.
하기에서는 본 발명의 실시상태들을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외의 부분에 대한 설명은 본 발명의 요지를 흐트리지 않도록 생략될 것이라는 것에 유의하여야 한다.
또한, 다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 기술 및 과학적 용어를 포함하는 모든 용어는 본 출원이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하 본 명세서에 대하여 더욱 상세히 설명한다. 다만, 이에 의해 발명의 범위가 정해지는 것은 아니다.
본 명세서의 하나의 실시상태에 따른 금속 공기 전지용 분리막은 분리막 본체, 및 상기 분리막 본체의 적어도 일면에 구비된 촉매를 포함하는 다공성층을 포함한다. 분리막 본체에 구비된 촉매를 포함하는 다공성층은 전극 표면에서 발생하는 전기화학 반응에 참여하여 반응의 과전압을 줄여주며, 이로 인하여 상기 분리막을 포함하는 전지의 사이클 수명을 개선시키는 장점이 있다.
상기 분리막 본체로서는, 당 기술분야에서 금속 공기 전지용 분리막으로 사용된 것이라면 특별히 제한되지 않고 사용될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속 공기 전지용 분리막은 리튬 공기 전지용 분리막이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 분리막 본체는 다공성 기재로 이루어질 수 있으며, 다공성 기재는 고밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 선형저밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리에스테르, 폴리아세탈, 폴리카보네이트, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리에테르케톤, 폴리에테르설폰, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리페닐렌설파이드 및 폴리에틸렌나프텔렌으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 1종 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물로 형성될 수 있다. 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 분리막 본체로서 유리섬유(glass fiber) 계열, 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP) 또는 폴리에틸렌과 폴리프로필렌의 공중합체가 사용될 수 있다.
본 명세서에 있어서, 상기 촉매란, 금속 공기 전지의 충전 또는 방전의 반응속도를 제어하는 데 적용되는 재료를 의미한다. 예컨대, 상기 촉매는 산소 환원 반응 또는 산소 산화 반응 촉진 재료를 포함할 수 있다. 상기 촉매가 산소 환원 반응 또는 산소 산화 반응을 원활하게 한다는 관점에서, 상기 촉매를 포함하는 다공성층은 분리막 본체의 공기극을 향하는 면에 구비되는 것이 바람직하다.
상기 촉매는 입자 형태로 존재할 수 있으며, 상기 입자는 다공성일 수도 있다.
상기 촉매의 예로는 금속 또는 금속 산화물이 있다. 상기 촉매로 사용될 수 있는 금속으로는 Au, Ag, Pt, Pd, Ir, Os, Rh 및 Ru와 같은 귀금속이 사용될 수 있으며, 금속 산화물로는 Co3O4, Al2O3 및 MnO2 등이 사용될 수 있다. 상기 촉매로는 단독 물질이 사용될 수도 있고, 2종 이상의 물질이 함께 사용될 수도 있다.
한편, 상기 분리막이 리튬 공기 전지에 포함될 경우, Pt, Ag 및 Ru 등의 귀금속 촉매가 사용될 수 있으며, 비용 등 경제적 측면에서 Co3O4 및 MnO2 등의 금속 산화물을 사용하는 것이 바람직하다.
촉매로서 금속 또는 금속 산화물을 사용할 경우, 금속 또는 금속 산화물은 전자를 받고 내어주는 전자 이동도가 높아 촉매에서 우선적으로 산소환원반응(ORR, oxygen reduction reaction) 및 산소발생반응(OER, oxygen evolution reaction)이 발생하게 된다. 또한, 촉매에서의 반응 키네틱스(kinetics)가 빠르기 때문에 전체적인 전극의 반응속도가 증가한다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 다공성층은 촉매 이외에 바인더를 더 포함한다. 바인더는 촉매가 유기적으로 연결될 수 있도록 도와주는 역할을 한다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 바인더는 다공성층 중 30% 미만의 무게질량비를 가진다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 촉매는 다공성층 총 중량에 대하여 70 중량% 이상으로 포함된다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 촉매의 비표면적은 0.1m2/g 내지 100m2/g일 수 있다. 또 하나의 실시상태에 따르면, 상기 촉매의 비표면적은 1m2/g 내지 100m2/g일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 다공성층의 두께는 30nm 내지 100㎛일 수 있다. 또한, 상기 다공성층의 두께는 1㎛ 내지 30㎛일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 다공성층의 기공도는 50 % 이상일 수 있다. 이 경우 반응면적 증가에 따른 방전용량이 증대되고 반응물의 분해반응이 용이한 장점이 있다.
상기 다공성층의 기공도는 50 % 이상일 수 있고, 필요에 따라 상기 다공성층의 기공도는 80 % 이상일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 다공성층은 분리막 본체의 적어도 일면에 촉매를 포함하는 조성물을 코팅함으로써 제조될 수 있다. 이 때, 상기 조성물은 촉매 이외에 용매를 포함할 수 있으며, 용매의 종류는 당 기술분야에 알려진 것이라면 제한없이 채용될 수 있다. 상기 용매의 비제한적인 예로는 N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone, NMP)를 들 수 있다. 상기 조성물은 필요에 따라 바인더를 추가로 포함할 수 있으며, 상기 바인더의 비제한적인 예로는 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVdF)를 들 수 있다.
상기 조성물을 코팅하는 방법으로는 특별히 한정되지 않으며, 당 기술분야에 알려져 있는 방법을 이용할 수 있다. 예컨대, 감압여과법, 딥핑법, 스크린프린팅법 등이 사용될 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.
상기 분리막 본체에 상기 조성물을 코팅할 때 상기 촉매 자체를 다공성 입자를 사용하거나, 조성물의 점성을 이용하거나, 또는 첨가제를 사용함으로써, 다공성을 부여할 수 있다.
상기 분리막 본체에 상기 조성물을 코팅한 후에, 100℃ 이상 150℃ 이하의 온도에서 건조할 수 있다. 상기 건조는 진공 건조일 수 있다. 100℃ 미만일 경우 수분을 완전히 증발시키기 어려우며 전극 내 잔여 수분은 전극 성능에 악영향을 줄 수 있다.
상기 분리막 본체에 상기 조성물을 코팅한 후에, 12시간 이상 건조하는 과정이 진행될 수 있다.
상기 분리막 본체에 상기 조성물을 코팅한 후에, 100℃ 이상 150℃ 이하의 온도에서 12시간 이상 진공 건조하는 과정이 진행될 수 있다.
본 명세서의 또 하나의 실시상태는 전술한 금속 공기 전지용 분리막을 포함하는 금속 공기 전지를 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 금속 공기 전지의 음극 활물질은 리튬, 아연, 마그네슘 또는 알루미늄이 될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속 공기 전지는 리튬 공기 전지일 수 있다.
또 다른 일 실시상태는 전술한 금속 공기 전지용 분리막을 포함하는 금속 공기 이차 전지를 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속 공기 이차 전지는 리튬 공기 이차 전지일 수 있다.
본 명세서의 실시상태에 따른 금속 공기 전지는 전술한 실시상태들에 따른 분리막을 포함하는 것을 제외하고는, 금속 공기 전지의 통상적인 구성을 가질 수 있다. 예컨대, 상기 금속 공기 전지는 양극; 음극; 및 상기 양극과 음극 사이에 구비된 분리막 및 전해질을 포함한다. 이 때, 상기 분리막의 일면에만 촉매를 포함하는 다공성층이 구비되어 있다면, 다공성층이 양극(공기극)을 향하도록 배치되는 것이 바람직하다.
도 3에서 본 명세서의 일 실시상태에 따른 금속 공기 전지의 구조를 개략적으로 나타내었다.
상기 양극, 음극 및 전해질은 당 기술분야에 알려져 있는 것들을 사용할 수 있다.
상기 음극은 방전시에 금속 이온을 방출하고, 충전시에 금속 이온을 수용할 수 있고, 상기 양극은 방전시에 산소를 환원하며, 충전시에 산소를 방출할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 음극은 음극 활성 물질로서, 리튬 금속, 리튬 금속 기반의 합금, 리튬 화합물 및 리튬 삽입(intercalation) 물질로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함 할 수 있다.
상기 리튬 금속 기반의 합금은 예를 들어, 리튬과 Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Al 및 Sn으로 이루어지는 군에서 선택되는 금속의 합금이나, 이에 의하여 한정되지 않는다.
상기 리튬 화합물은 리튬 이온과 반응하여 가역적으로 리튬 함유 화합물을 형성할 수 있는 물질로 형성되고, 리튬 이온과 반응하여 리튬 함유 화합물을 형성할 수 있는 물질은 예를 들어, 산화주석, 티타늄나이트레이트, 또는 리콘일 수 있다.
상기 리튬 삽입 물질이란 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션 또는 디인터칼레이션할 수 있는 물질을 의미하며, 예를 들어, 결정질 탄소, 비정질 탄소 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
상기 음극의 두께는 특별히 한정하지 않으나, 상기 음극의 두께는 50㎛ 이상일 수 있다. 상기 음극의 두께의 상한치는 특별히 한정하지 않고 두꺼울수록 좋으나, 상용화 가능성을 고려할 때, 상기 음극의 두께는 50㎛ 내지 500㎛일 수 있다.
상기 양극은 산소를 활물질로 사용하며, 양극으로서는 도전성 재료가 사용될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 도전성 재료는 다공성이다.
상기 양극은 다공성을 갖는 탄소계 재료, 금속성 도전성 재료, 유기 도전성 재료 등이 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 다공성 및 도전성을 갖는 것이라면 제한 없이 사용될 수 있다. 상기 탄소계 재료는 예를 들어, 카본 블랙류, 그래파이트류, 탄소섬유류, 그라핀류, 활성탄류 등이 사용될 수 있다. 또한, 금속성 도전성 재료로는 금속 섬유, 금속 메쉬 등이 사용될 수 있고, 구리, 은, 알루미늄, 니켈 등의 금속성 분말을 포함할 수 있다. 유기 도전성 재료로는 폴리페닐렌유도체 등이 사용될 수 있다. 상기 도전성 재료들은 단독 또는 혼합하여 사용될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 양극은 바인더를 추가적으로 포함할 수 있다. 상기 바인더는 열경화성 수지 또는 열가소성 수지를 포함할 수 있다. 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로 에틸렌, 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체, 프로필렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체, 에틸렌-아크릴산 공중합체 등을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있으나, 이에 의하여 한정되는 것은 아니다.
상기 양극의 두께는 특별히 한정하지 않으나, 상기 양극의 두께는 10㎛ 내지 100㎛일 수 있다. 구체적으로 상기 양극의 두께는 20㎛ 내지 60㎛일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 전해질은 이온화 가능한 리튬염 및 유기 용매를 포함하는 비수성 전해질이다.
예를 들어, 상기 비수성 전해질의 용매는 에틸렌카보네이트(EC), 프로필렌카보네이트(PC)등의 카보네이트, 디에틸카보네이트 등의 쇄상 카보네이트, 1,2-디옥산 등의 에테르류, 아세토니트릴 등의 니트릴류, 아미드류 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이들 중 하나 또는 복수개를 조합하여 사용할 수 있다.
또한, 상기 리튬염으로는 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiN(SO2C2F5)2, Li(CF3SO2)2N, LiC4F9SO3, LiClO4, LiAlO2, LiAlCl4, LiF, LiBr, LiCl, LiI 및 LiB(C2O4)2, LiCF3SO3, LiN(SO2CF3)2(Li-TFSI), LiN(SO2C2F5)2 및 LiC(SO2CF3)3으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 리튬염의 농도는 0.1 내지 2.0M 범위 내에서 사용할 수 있다. 리튬염의 농도가 상기 범위에 포함되면, 전해질이 적절한 전도도 및 점도를 가지므로, 우수한 전해질 성능을 나타낼 수 있고, 리튬 이온이 효과적으로 이동할 수 있다.
상기 금속 공기 전지의 형태는 제한되지 않으며, 예를 들어, 코인형, 평판형, 원통형, 뿔형, 버튼형, 시트형 또는 적층형일 수 있다. 또한, 전기 자동차 등 대형 전지에 적용하는 것도 가능하다.
상기 금속 공기 전지는 금속 1차 전지, 금속 2차 전지에 모두 사용 가능하다. 또한, 전기 자동차 등에 이용하는 대형 전지에도 적용할 수 있다.
본 명세서의 또 하나의 실시상태는 분리막 본체의 적어도 일면에 촉매를 포함하는 조성물을 코팅하는 단계를 포함하는 전술한 금속 공기 전지용 분리막의 제조방법을 제공한다.
본 명세서의 또 하나의 실시상태는 전술한 금속 공기 전지용 분리막을 조립하는 단계 및 상기 양극과 음극 사이에 전해질을 주입하는 단계를 포함하는 금속 공기 전지의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 명세서를 구체적으로 설명하기 위해 실시예 및 비교예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 본 명세서의 범위는 아래에 상술하는 실시예들에 한정되는 것은 아니다.
<실시예>
1. 분리막 제작
비표면적이 1m2/g 내지 10m2/g인 촉매 MnO2(Sigma Aldrich 社)와 바인더 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF)를 80:20의 중량비(wt.%)로 섞은 후, 용매 N-메틸-2-피롤리돈(NMP)을 고형분 대비 10%를 추가하여 촉매 슬러리를 제작하였다. 이 후, 유리섬유(G/F) 분리막(Whatman 社)의 일면에 촉매 슬러리를 닥터블레이드 코팅법으로 코팅하여 일정한 막을 형성시키고, 120℃ 진공 오븐에서 12시간 건조시켜 촉매를 포함하는 다공성층이 구비된 분리막을 제작하였다. 이때, 다공성층의 기공도는 62%이며, 다공성층의 두께는 50㎛ 내지 60㎛이었다.
2. 양극(공기극) 제작
Ketjen black 600JD 탄소소재와 바인더 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF)를 80:20의 중량비(wt.%)로 섞은 후, 용매 N-메틸-2-피롤리돈(NMP)을 고형분 대비 2000% 추가하여 양극 슬러리를 제작하였다. 이후, 19phi 지름으로 타발된 카본 페이퍼(carbon paper, Toray 社 TGP-H-030) 위에 양극 슬러리를 코팅하고 120℃ 진공 오븐에서 12시간동안 건조시켜 양극을 제작하였다. 로딩양은 0.5mg/cm2이고, 양극 두께는 20㎛이다.
3. 전해액 및 음극
전해액은 1M LiTFSI 전해염과 테트라에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(tetraethylene glycol dimethyl ether, TEGDME) 용매를 혼합하여 10ppm 미만 수준의 수분을 가지도록 수분 처리하여 사용하였다. 음극의 경우, 150㎛ 두께의 리튬 금속을 16phi의 크기로 타발하여 사용하였다.
<비교예>
실시예에서 사용한 유리섬유(G/F) 분리막에 별다른 처리없이 그대로 사용한 것을 제외하고는 동일한 양극, 전해액 및 음극을 사용하였다.
<실험예>
전기화학 실험은 2032 코인셀을 사용하여 진행되었으며, 외부 산소를 유입하기 위한 홀(hole)이 가공된 코인셀을 사용하였다. 실험은 자체 제작된 별도의 키트(kit)에 코인셀을 넣고 진행하였다. 금속 공기 전지의 충ㆍ방전은 1,000mAh/gc으로 용량을 제한하여 전지 사이클(cycle) 수명을 확인하였으며, 전류는 100 mAh/gc으로 인가하여 주었다. 전압은 2 V 내지 4.5 V 영역대에서 제한되어 진행하였다.
상기 제작된 코인셀을 충ㆍ방전 진행한 결과 하기 도 4와 같은 충ㆍ방전 곡선을 얻을 수 있었다. 도 4를 구체적으로 살펴보면, 초기 충ㆍ방전 곡선의 경우 비교예와 실시예의 충ㆍ방전 곡선은 큰 개형 차이를 보이지 않았으며, 오히려 비교예가 충전 과전압이 조금 낮은 것을 확인하였다. 그러나, 사이클이 진행되면서 실시예의 초기 중전과전압이 급격히 낮아지는 것을 알 수 있으며, 비교예의 경우에도 다소 낮아지긴 하였으나, 그 정도의 차이가 크다. 실시예 및 비교예 모두 도 4에 도시된 10번째 사이클과 같은 충ㆍ방전 개형으로 사이클 수명이 지속적으로 진행됨을 확인하였다.
실시예 및 비교예에 따라 제작된 코인셀의 사이클 수명은 하기 도 5의 그래프로 나타내었다. 1,000mAh/gc의 용량으로 충ㆍ방전을 진행한 경우, 용량 유지는 비교예보다 실시예가 3배 가량 높게 나타났으며, 비교예의 경우 용량 퇴화가 지속적으로 일어나는 것에 반해 실시예의 경우 일정 사이클까지는 효율(=충전용량/방전용량×100)이 100%로 유지되는 것을 확인하였다.
결과적으로, 촉매를 포함하는 다공성층을 포함하는 분리막을 사용한 실시예의 경우, 별다른 처리없이 종래의 유리섬유 분리막을 사용한 경우에 비해 과전압 저하 및 사이클 수명 개선 효과를 보임을 확인할 수 있다.
10: 음극
11: 음극 집전체
12: 음극 활성층
20: 양극
21: 양극 집전체
22: 양극 활성층
30: 분리막

Claims (14)

  1. 양극; 음극; 및 상기 양극과 음극 사이에 구비된 금속 공기 전지용 분리막과 전해질을 포함하는 것인 금속 공기 전지로서,
    상기 금속 공기 전지용 분리막은
    분리막 본체, 및
    상기 분리막 본체의 적어도 일면에 구비된 촉매를 포함하는 다공성층을 포함하는 것인 금속 공기 전지용 분리막으로서,
    상기 다공성층이 촉매 이외에 바인더를 더 포함하는 것이고,
    상기 바인더는 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF)이고,
    상기 다공성층의 기공도가 50% 이상이고,
    상기 다공성층의 두께는 30nm 내지 100㎛이고,
    상기 분리막의 다공성층이 양극을 향하도록 배치된 것인 금속 공기 전지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 촉매는 산소 환원 반응 또는 산소 산화 반응 촉진 재료를 포함하는 것인 금속 공기 전지.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 촉매는 Au, Ag, Pt, Pd, Ir, Os, Rh, Ru, Co3O4, Al2O3 및 MnO2로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것인 금속 공기 전지.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 촉매의 함량은 다공성층의 총 중량에 대하여 70 중량% 이상인 것인 금속 공기 전지.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 촉매의 비표면적이 0.1m2/g 내지 100m2/g인 것인 금속 공기 전지.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 청구항 1에 있어서, 상기 금속 공기 전지는 리튬 공기 전지인 것인 금속 공기 전지.
  13. 삭제
  14. 양극, 음극 및 금속 공기 전지용 분리막을 조립하는 단계; 및 상기 양극과 음극 사이에 전해질을 주입하는 단계를 포함하는 것인 청구항 1, 2, 3, 5 및 6 중 어느 하나의 항에 따른 금속 공기 전지의 제조방법.
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