KR101887534B1 - The method for charging of lithium air battery module - Google Patents
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Abstract
리튬 공기 전지의 충전 방법을 제공한다. 본 리튬 공기 전지의 충전 방법은, 상기 리튬 공기 전지를 충전하는 단계; 및 기준값 이하의 전류로 상기 리튬 공기 전지를 방전하는 단계;를 포함한다. A method of charging a lithium air battery is provided. The charging method of the present lithium ion battery includes the steps of charging the lithium ion battery; And discharging the lithium air battery with a current equal to or lower than a reference value.
Description
본 개시는 리튬 공기 전지 및 리튬 공기 전지의 충전 방법에 관한 것이다.The present disclosure relates to a lithium air battery and a charging method for a lithium air battery.
리튬 공기 전지는 리튬 이온의 흡장/방출이 가능한 음극, 공기 중의 산소를 양극 활물질로 하여 산소의 산화 환원 촉매를 포함하는 양극을 구비하고, 상기 양극과 음극 사이에 리튬 이온 전도성 매체를 구비한 것이 알려져 있다.It is known that a lithium air battery has a cathode capable of intercalating / deintercalating lithium ions, a cathode containing oxygen as an anode active material and containing an oxidation-reduction catalyst of oxygen, and a lithium ion conductive medium between the anode and the cathode have.
상기 리튬 공기 전지의 이론 에너지 밀도는 3000Wh/kg 이상이며, 이는 리튬 이온 전지보다 대략 10배의 에너지 밀도에 해당한다. 아울러, 리튬 공기 전지는 친환경적이며, 리튬 이온 전지보다 개선된 안전성을 제공할 수 있어 많은 개발이 이루어지고 있다.The theoretical energy density of the lithium air battery is 3000Wh / kg or more, which corresponds to about ten times the energy density of a lithium ion battery. In addition, lithium air cells are environmentally friendly, and many developments are being made to provide improved safety over lithium ion batteries.
종래의 리튬 공기 전지는 충방전시 높은 과전압에 의하여 분극이 발생하여 충방전시의 에너지 효율이 리튬이온전지에 비하여 현저히 낮았다.In the conventional lithium air battery, polarization is generated due to high overvoltage during charging and discharging, and energy efficiency during charging and discharging is significantly lower than that of a lithium ion battery.
상기 충방전 과전압을 낮추기 위하여 다양한 촉매가 사용되었으나 충방전 과전압의 감소가 충분하지 못하였다. 따라서, 상기 충방전 과전압을 감소시켜 충방전 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 방법이 요구된다.Various catalysts have been used to lower the charge / discharge overvoltage but the charge and discharge overvoltage has not been sufficiently reduced. Therefore, there is a need for a method capable of reducing the charge / discharge overvoltage to improve the charge-discharge energy efficiency.
본 개시는 충방전 과전압이 감소됨에 의하여 에너지 효율이 현저히 향상된 리튬 공기 전지 및 그 충전 방법을 제공한다. The present disclosure provides a lithium air battery in which energy efficiency is remarkably improved due to a decrease in charge / discharge overvoltage, and a charging method thereof.
본 발명의 일 유형에 따르는 리튬 공기 전지의 충전 방법은, 상기 리튬 공기 전지를 충전하는 단계; 및 기준값 이하의 전류로 상기 리튬 공기 전지를 방전하는 단계;를 포함한다.According to one aspect of the present invention, a method of charging a lithium ion battery includes the steps of charging the lithium ion battery; And discharging the lithium air battery with a current equal to or lower than a reference value.
그리고, 상기 기준값은 부하를 통해 상기 리튬 공기 전지가 방전할 때의 최소 전류이하일 수 있다.The reference value may be less than or equal to a minimum current when the lithium ion battery discharges through the load.
또한, 상기 충전하는 단계는, 정전류로 상기 리튬 공기 전지의 전압이 기준 전압에 도달할 때까지 충전하는 단계; 및 상기 리튬 공기 전지의 전압이 기준 전압에 도달하면, 상기 기준 전압에서 상기 리튬 공기 전지의 전류가 기준 전류가 될때까지 충전하는 단계;를 포함할 수 있다.The charging step may include charging the lithium ion battery until the voltage of the lithium ion battery reaches a reference voltage with a constant current; And charging the lithium ion battery until the voltage of the lithium ion battery reaches a reference voltage until the current of the lithium ion battery reaches a reference current at the reference voltage.
그리고, 상기 기준값은 상기 기준 전류이하일 수 있다.The reference value may be equal to or less than the reference current.
또한, 상기 기준값은 상기 정전류와 상기 기준 전류의 사이의 값일 수 있다.Also, the reference value may be a value between the constant current and the reference current.
그리고, 상기 기준값은 0.5mA/cm2이하일 수 있다.The reference value may be 0.5 mA / cm 2 or less.
또한, 상기 방전 단계는, 상기 리튬 공기 전지의 용량이 기준 용량이 될때까지 상기 리튬 공기 전지를 방전할 수 있다. Also, the discharging may discharge the lithium ion battery until the capacity of the lithium ion battery becomes the reference capacity.
그리고, 상기 리튬 공기 전지는, 리튬을 포함하는 음극,산소를 양극 활물질로 사용하는 양극 및 유기계 전해질을 포함하며, 상기 유기계 전해질이 전기화학 반응에 수반되는 전자를 흡장 방출할 수 있는 유기화합물을 포함할 수 있다. The lithium air battery includes a cathode including lithium, a cathode using oxygen as a cathode active material, and an organic electrolyte. The organic electrolyte includes an organic compound capable of absorbing and desorbing electrons involved in an electrochemical reaction can do.
또한, 상기 유기화합물이 공액구조(conjugated system)를 포함할 수 있다.In addition, the organic compound may include a conjugated system.
그리고, 상기 유기화합물이 방향족 탄화수소고리를 포함할 수 있다.And, the organic compound may include an aromatic hydrocarbon ring.
또한, 상기 유기화합물이 퀴논계 화합물을 포함할 수 있다.In addition, the organic compound may include a quinone compound.
그리고, 상기 유기화합물은, 1,2-벤조퀴논, 1,4-벤조퀴논, 1,2-나프토퀴논, 2,3- 나프토퀴논, 1,4-나프토퀴논, 1,2-안트라퀴논, 2,3-안트라퀴논, 1,4-안트라퀴논, 9,10-안트라퀴논, 1,2-파이렌디온, 4,5-파이렌디온, 1,2-코로넨디온, 1,2,5,6-코로넨테트라논, 및 1,2,5,6,9,10-코로넨헥사논 클로라닐(chloranil, tetrachloro-p-benzoquinone), 로손(Lawsone, 2-Hydroxy-1,4-naphthoquinone), DDQ (2,3-Dichloro-5,6-dicyano-1,4-benzoquinone), 테트라플루오로-1,4-벤조퀴논, 7,7,8,8-테트라시아노퀴노디메탄, 및 2,3,5,6-테트라플루오로-7,7,8,8-테트라시아노퀴노디메탄으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.The organic compound may be at least one selected from the group consisting of 1,2-benzoquinone, 1,4-benzoquinone, 1,2-naphthoquinone, 2,3-naphthoquinone, Quinone, 2,3-anthraquinone, 1,4-anthraquinone, 9,10-anthraquinone, 1,2-pyrenedione, 4,5- pyrenedione, 1,2- , 5,6-coronenetetranone, and 1,2,5,6,9,10-choloranil (tetrachloro- p -benzoquinone), Lawson, 2-Hydroxy-1,4 -naphthoquinone, DDQ (2,3-Dichloro-5,6-dicyano-1,4-benzoquinone), tetrafluoro-1,4-benzoquinone, 7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane , And 2,3,5,6-tetrafluoro-7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane.
또한, 상기 유기계 전해질이 알칼리금속 또는 알칼리토금속의 염을 포함할 수 있다.In addition, the organic electrolyte may include a salt of an alkali metal or an alkaline earth metal.
그리고, 상기 음극은, 리튬 금속, 리튬 금속 기반의 합금, 또는 리튬 삽입 화합물 (lithium intercalating compound)을 포함하는 포함할 수 있다.The negative electrode may include lithium metal, a lithium metal-based alloy, or a lithium intercalating compound.
또한, 상기 양극이 도전성 재료를 포함할 수 있다.Further, the anode may include a conductive material.
그리고, 상기 도전성 재료가 다공성 탄소계 재료를 포함할 수 있다. The conductive material may include a porous carbon-based material.
개시된 리튬 공기 전지는 유기계 전해질이 전기화학 반응에 수반되는 전자를 흡장 방출할 수 있는 유기화합물을 포함함에 의하여 리튬 공기 전지의 충방전 과전압이 감소되고 에너지 효율이 향상된다.The disclosed lithium air battery includes an organic compound capable of intercalating and deintercalating electrons involved in an electrochemical reaction of the organic electrolyte, thereby reducing the charging / discharging overvoltage of the lithium air battery and improving energy efficiency.
개시된 리튬 공기 전지를 충전할 때 사전 방전함으로써 방전시의 활성 계면을 확보할 수 있다. It is possible to ensure an active interface at the time of discharge by pre-discharging when charging the disclosed lithium ion battery.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 공기 전지를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 리튬 공기 전지의 구조를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 공기 전지를 포함한 배터리 팩의 모식도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 리튬 공기 전지를 포함하는 배터리 팩의 충전 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 5는 사전 방전이 없는 경우 전압 이익을 측정한 결과이다.
도 6은 사전 방전이 있는 경우 전압 이익을 측정한 결과이다. FIG. 1 is a view schematically showing a lithium air battery according to an embodiment of the present invention.
2 shows a structure of a lithium ion battery according to another embodiment.
3 is a schematic view of a battery pack including a lithium ion battery according to an embodiment of the present invention.
4 is a flowchart illustrating a charging method of a battery pack including a lithium ion battery according to an embodiment of the present invention.
5 shows the result of measuring the voltage gain in the absence of the pre-discharge.
FIG. 6 shows the result of measuring the voltage gain when there is a pre-discharge.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 개시된 리튬 공기 전지에 대해서 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서, 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성 요소의 크기는 설명의 명료성과 편의성을 위해서 과장되어 있을 수 있다.Hereinafter, the disclosed lithium air battery will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following drawings, like reference numerals refer to like elements, and the size of each element in the drawings may be exaggerated for clarity and convenience of explanation.
본 명세서에서 사용되는 용어인 "공기(air)"는 대기 공기로 제한되는 것은 아니며, 산소를 포함하는 기체의 조합, 또는 순수 산소 기체를 포함할 수 있다. 이러한 용어 "공기"에 대한 넓은 정의가 모든 용도, 예를 들어 공기 전지, 공기 양극 등에 적용될 수 있다.As used herein, the term "air" is not meant to be limited to atmospheric air, but may include a combination of gases containing oxygen, or pure oxygen gas. This broad definition of the term "air" can be applied to all applications, such as air cells, air bubbles, and the like.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 공기 전지(10)를 모식적으로 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 리튬 공기 전지(10)는 공기 중의 산소를 양극 활물질로 하며 산소의 산화 환원 촉매를 포함하는 양극(11), 리튬 이온의 흡장/방출이 가능한 음극(12), 및 양극(11)과 음극(12) 사이에 리튬 이온 전도성 매체인 제1 전해질 (13)을 포함한다. FIG. 1 is a diagram schematically showing a lithium-
양극(11)은 제1 집전체(미도시)상에 형성되며, 산소를 활물질로 한다. 그리고 음극(12)은 제2 집전체(미도시)상에 형성되며 리튬의 저장/방출이 가능하다. 집전체로서는 산소의 확산을 신속하게 하기 위하여 망상 또는 메시모양 등의 다공체를 이용할 수 있으며, 스테인레스강, 니켈, 알루미늄 등의 다공성 금속판을 사용할 수 있으나 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 집전체로 사용될 수 있는 것이라면 모두 가능하다. 상기 집전체는 산화물 방지하기 위하여 내산화성의 금속 또는 합금 피막으로 피복될 수 있다.The
한편, 산소를 양극 활물질로 사용하는 양극(11)으로서는 도전성 재료가 사용될 수 있다. 상기 도전성 재료는 다공성일 수 있다. 따라서, 양극 활물질로서 상기 다공성 및 도전성을 갖는 것이라면 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어 다공성을 갖는 탄소계 재료를 사용할 수 있다. 이와 같은 탄소계 재료로서는 카본 블랙류, 그래파이트류, 그라펜류, 활성탄류, 탄소섬유류 등을 사용할 수 있다. 또한, 상기 양극 활물질로서 금속 섬유, 금속 메쉬 등의 금속성 도전성 재료를 사용할 수 있다. 또한, 상기 양극 활물질로서 구리, 은, 니켈, 알루미늄 등의 금속성 분말을 사용할 수 있다. 폴리리페닐렌 유도체 등의 유기 도전성 재료를 사용할 수 있다. 상기 도전성 재료들은 단독 또는 혼합하여 사용될 수 있다.On the other hand, as the
상기 양극(11)에는 산소의 산화/환원을 위한 촉매가 첨가될 수 있으며, 이와 같은 촉매로서는 백금, 금, 은, 팔라듐, 루테늄, 로듐, 오스뮴과 같은 귀금속계 촉매, 망간산화물, 철산화물, 코발트산화물, 니켈산화물 등과 같은 산화물계 촉매, 또는 코발트 프탈로시아닌과 같은 유기금속계 촉매를 사용할 수 있으나, 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 산소의 산화/환원 촉매로 사용될 수 있는 것이라면 모두 가능하다.A catalyst for oxidation / reduction of oxygen may be added to the
또한, 상기 촉매는 담체에 담지될 수 있다. 상기 담체는 산화물, 제올라이트, 점토계 광물, 카본 등일 수 있다. 상기 산화물은 알루미나, 실리카, 산화지르코늄, 이산화티탄 등의 산화물을 하나 이상 포함할 수 있다. Ce, Pr, Sm, Eu, Tb, Tm, Yb, Sb, Bi, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Nb, Mo 및 W로부터 선택되는 하나 이상의 금속을 포함하는 산화물일 수 있다. 상기 카본은 케첸블랙, 아세틸렌 블랙, 태널 블랙, 램프 블랙 등의 카본 블랙류, 천연 흑연, 인조 흑연, 팽창 흑연 등의 흑연류, 활성탄류, 탄소 섬유류 등일 수 있으나, 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 담체로 사용될 수 있는 것이라면 모두 가능하다.In addition, the catalyst may be supported on a carrier. The carrier may be an oxide, zeolite, clay minerals, carbon, or the like. The oxide may include one or more oxides such as alumina, silica, zirconium oxide, and titanium dioxide. Or an oxide comprising at least one metal selected from Ce, Pr, Sm, Eu, Tb, Tm, Yb, Sb, Bi, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, . The carbon may be carbon black such as Ketjen black, acetylene black, tan black, lamp black, graphite such as natural graphite, artificial graphite and expanded graphite, activated carbon, carbon fiber and the like, Anything that can be used as a carrier in the field is possible.
상기 양극(11)은 바인더를 추가적으로 포함할 수 있다. 상기 바인더는 열가소성 수지 또는 열경화성 수지를 포함할 수 있다. 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로 에틸렌(PTFE), 폴리불화비닐리덴(PVDF), 스티렌-부타디엔 고무, 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체, 불화비닐리덴-헥사플루오로프로필렌 공중합체, 불화비닐리덴-클로로트리플루오로에틸렌 공중합체, 에틸렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체, 폴리클로로트리플루오로에틸렌, 불화비니리덴-펜타프루오로 프로필렌 공중하체, 프로필렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체, 에틸렌-클로로트리플루오로에틸렌 공중합체, 불화비닐리덴-헥사플루오로프로필렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체, 불화비닐리덴-퍼플루오로메틸비닐에테르-테트라플루오로 에틸렌 공중합체, 에틸렌-아크릴산 공중합제 등을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있으나, 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 바인더로 사용될 수 있는 것이라면 모두 가능하다.The
상기 양극(11)은 예를 들어 상기 산소 산화/환원 촉매, 도전성 재료 및 바인더를 혼합한 후 적당한 용매를 첨가하여 양극 슬러리를 제조한 후 집전체 표면에 도포 및 건조하거나, 선택적으로 전극밀도의 향상을 위하여 집전체에 압축성형하여 제조할 수 있다. 또한, 상기 양극(11)은 선택적으로 리튬산화물을 포함할 수 있다. 또한, 선택적으로 상기 산소 산화/환원 촉매는 생략될 수 있다.For example, the
상기 리튬을 흡장 및 방출할 수 있는 음극(12)은 리튬 금속, 리튬 금속 기반의 합금 또는 Li을 흡장, 방출할 수 있는 물질을 포함하지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 음극(12)이 리튬 공기 전지(10)의 용량을 결정한다. 상기 리튬 금속 기반의 합금은 예를 들어 알루미늄, 주석, 마그네슘, 인듐, 칼슘, 게르마늄, 안티몬, 비스무스, 납 등과 리튬의 합금 등일 수 있다.The
제2 전해질(25)(13)은 수계 전해질 또는 비수계 전해질일 수 있다. 또는 제2 전해질(25)(13)은 수계 전해질과 비수계 전해질의 혼합으로 형성될 수 있다. 제2 전해질(25)(13)이 수계 전해질인 경우 하기 반응식 1과 같은 반응 메커니즘을 나타낸다.The second electrolytes (25) and (13) may be an aqueous electrolyte or a non-aqueous electrolyte. Or the
[반응식 1][Reaction Scheme 1]
4Li + O2 + 2H2O -> 4LiOH E o =3.45V4Li + O 2 + 2H 2 O -> 4LiOH E o = 3.45 V
그리고, And,
제2 전해질(25)(13)이 비수계 전해질인 경우, 하기 반응식 2과 같은 반응 메커니즘을 나타낼 수 있다.When the second electrolyte (25) (13) is a non-aqueous electrolyte, the reaction mechanism as shown in the following reaction formula (2) can be shown.
[반응식 2][Reaction Scheme 2]
4Li + O2 ↔ 2Li2O E o =2.91V4Li + O 2 ↔ 2Li 2 O E o = 2.91V
2Li + O2 ↔ Li2O2 E o =3.10V2Li + O 2 ↔ Li 2 O 2 E o = 3.10 V
상기 비수계 전해질은 비양성자성 용매를 포함할 수 있다. 상기 비양성자성 용매로는, 예를 들어, 카보네이트계, 에스테르계, 에테르계, 케톤계, 아민계 또는 포스핀계 용매가 사용될 수 있다. The non-aqueous electrolyte may include an aprotic solvent. As the aprotic solvent, for example, a carbonate-based, ester-based, ether-based, ketone-based, amine-based or phosphine-based solvent may be used.
또한, 비양성자성 용매로는 R-CN(R은 탄소수 2~20의 직쇄상, 분지상, 또는 환 구조의 탄화수소기이며, 이중결합 방향 환 또는 에테르 결합을 포함할 수 있음) 등의 니트릴류, 디메틸포름아미드 등의 아미드류, 1,3-디옥솔란 등의 디옥솔란류 술포란(sulfolane)류 등도 사용될 수 있다.Examples of the aprotic solvent include nitriles such as R-CN (R is a linear, branched, or cyclic hydrocarbon group having 2 to 20 carbon atoms and may include a double bond aromatic ring or an ether bond) , Amides such as dimethylformamide, dioxolanes such as 1,3-dioxolane, sulfolanes, and the like.
상기 비양성자성 용매로는 각 용매가 단독으로 또는 2 이상의 용매가 혼합되어 사용될 수 있다.As the aprotic solvent, each solvent may be used alone or in combination of two or more solvents.
또한, 상기 비수계 전해질은 이온성 액체를 포함할 수 있다. 상기 이온성 액체로는 직쇄상 또는 분지상의 치환 또는 비치환된 암모늄, 이미다졸륨, 피롤리디늄, 피페리디늄 양이온과 PF6 -, BF4 -, CF3SO3 -, (CF3SO2)2N-, (C2F5SO2)2N-, (CN)2N- 등의 음이온으로 구성된 화합물이 사용될 수 있다.In addition, the non-aqueous electrolyte may include an ionic liquid. Examples of the ionic liquid include linear or branched substituted or unsubstituted ammonium, imidazolium, pyrrolidinium, piperidinium cations and PF 6 - , BF 4 - , CF 3 SO 3 - , (CF 3 SO 2) 2 N -, (C 2 F 5 SO 2) 2 N -, (CN) 2 N - may be used are compounds composed of an anion, such as.
상기 비수계 전해질은 알칼리금속 및/또는 알칼리토금속의 염을 포함할 수 있다. 상기 알칼리금속 및/또는 알칼리토금속의 염은 유기 용매에 용해되어, 전지(10) 내에서 알칼리금속 및/또는 알칼리토금속 이온의 공급원으로 작용할 수 있다. 상기 알칼리금속 및/또는 알칼리토금속의 염은, 예를 들어, 양극(11)과 음극(12) 사이의 알칼리금속 및/또는 알칼리토금속 이온의 이동을 촉진하는 역할을 수행할 수 있다.The non-aqueous electrolyte may comprise a salt of an alkali metal and / or an alkaline earth metal. The salt of the alkali metal and / or alkaline earth metal is dissolved in an organic solvent and can act as a source of alkali metal and / or alkaline earth metal ions in the
상기 비수계 전해질에 포함된 상기 염의 음이온은 PF6 -, BF4 -, SbF6 -, AsF6 -, C4F9SO3 -, ClO4 -, AlO2 -, AlCl4 -, CxF2x +1SO3 - (여기서, x는 자연수임), (CxF2x+1SO2)(CyF2y+1SO2)N- (여기서, x 및 y는 각각 자연수임), 및 할라이드로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.The salt anion contained in the non-aqueous electrolyte is PF 6 -, BF 4 -, SbF 6 -, AsF 6 -, C 4 F 9 SO 3 -, ClO 4 -, AlO 2 -, AlCl 4 -, C x F 2x +1 SO 3 - (where, x is a natural number), (C x F 2x + 1 SO 2) (C y F 2y + 1 SO 2) N - ( wherein, x and y are natural numbers), and A halide, and a halide.
도 2는 다른 실시예에 따른 리튬 공기 전지(20)의 구조를 나타낸 것이다.2 shows a structure of a
이를 참조하면, 양극(11), 음극(12)과 이격 배치된 음극(12), 양극(11)과 음극(12) 사이에 배치되는 제1 전해질(13), 제1 전해질(13)과 음극(12) 사이에 배치되는 보호막(24), 보호막(24)과 음극(12) 사이에 배치되는 제2 전해질(25)을 포함한다. 도 2에서 음극(12), 제2 전해질(25), 보호막(24)은 통틀어 보호음극이라고 칭할 수 있다. 도 2에 도시된 양극(11), 음극(12), 제1 전해질(13)은 도 1에 도시된 양극(11), 음극(12) 및 제1 전해질(13)과 대응되기 때문에 구체적인 설명은 생략한다. A
제2 전해질(25)은 비수계 전해질일 수 있다. The
상기 보호막(24)은 무기 고체 전해질막, 고분자 고체 전해질막, 겔형 고분자 전해질 및 리튬 이온 전도성 고체 전해질막중에서 선택된 하나 이상이다.The
상기 무기 고체 전해질막은 예를 들어 Cu3N, Li3N, 또는 LiPON이 있다.The inorganic solid electrolyte membrane may be, for example, Cu 3 N, Li 3 N, or LiPON.
상기 고분자 고체 전해질막으로는 폴리에틸렌옥사이드막 등이 있다.Examples of the polymer solid electrolyte membrane include a polyethylene oxide membrane and the like.
상기 고분자 고체 전해질막은 예를 들어 리튬 이온 전도성 고분자 및 리튬염을 혼합하여 제조할 수 있다. The polymer solid electrolyte membrane can be prepared, for example, by mixing a lithium ion conductive polymer and a lithium salt.
상기 리튬염으로는 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiN(SO2C2F5)2, Li(CF3SO2)2N, LiC4F9SO3, LiClO4, LiAlO2, LiAlCl4, LiN(CxF2x +1SO2)(CyF2y +1SO2)(여기서, x 및 y는 자연수임), LiF, LiBr, LiCl, LiI 및 LiB(C2O4)2(리튬 비스옥살레이토 보레이트(lithium bis(oxalato) borate; LiBOB)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 사용할 수 있다. The lithium salt may be LiPF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, LiC 4 F 9 SO 3 , LiClO 4 , LiAlO 2 , LiAlCl 4, LiN (C x F 2x +1 SO 2) (C y F 2y +1 SO 2) ( where, x and y are natural numbers), LiF, LiBr, LiCl, LiI , and LiB (C 2 O 4 ) 2 (lithium bis (oxalato) borate (LiBOB)) may be used.
상기 리튬 이온 전도성 고분자로는 폴리에틸렌옥사이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리에스테르 등을 사용한다.As the lithium ion conductive polymer, polyethylene oxide, polyacrylonitrile, polyester, or the like is used.
상기 리튬 이온 전도성 고체 전해질막은 무기물질 및 고분자 고체 전해질 성분으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. The lithium ion conductive solid electrolyte membrane may include at least one selected from the group consisting of an inorganic substance and a polymer solid electrolyte component.
상기 리튬 이온 전도성 고체 전해질막은 글래스-세라믹 고체 전해질이거나 또는 글래스-세라믹 고체 전해질과 고분자 고체 전해질의 적층구조체일 수 있다. 이와 같은 리튬 이온 전도성 고체 전해질막에 대하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. The lithium ion conductive solid electrolyte membrane may be a glass-ceramic solid electrolyte or a laminated structure of a glass-ceramic solid electrolyte and a polymer solid electrolyte. The lithium ion conductive solid electrolyte membrane will be described in more detail as follows.
상기 리튬 이온 전도성 고체 전해질막으로서는, 리튬 이온 전도성 글래스, 리튬 이온 전도성 결정(세라믹 또는 글래스-세라믹) 또는 이들의 혼합물을 함유하는 무기 물질을 예시할 수 있다. 화학적 안정성을 고려할 때, 상기 리튬 이온 전도성 고체 전해질막은 산화물을 예로 들 수 있다.Examples of the lithium ion conductive solid electrolyte film include inorganic materials containing lithium ion conductive glass, lithium ion conductive crystals (ceramics or glass-ceramics), or mixtures thereof. In consideration of chemical stability, the lithium ion conductive solid electrolyte membrane may be exemplified by an oxide.
상기 리튬 이온 전도성 고체 전해질막이 리튬 이온 전도성 결정을 다량 포함하는 경우 높은 이온 전도도가 얻어지므로, 예를 들어 리튬 이온 전도성 결정을 고체 전해질막 전체 중량에 대하여 예를 들어, 50중량% 이상, 55중량% 이상, 또는 55중량% 이상의 양으로 포함할 수 있다.When the lithium ion conductive solid electrolyte membrane contains a large amount of lithium ion conductive crystals, a high ion conductivity is obtained. For example, lithium ion conductive crystals may be added to the solid electrolyte membrane in an amount of, for example, 50 wt% or more and 55 wt% By weight or more, or 55% by weight or more.
상기 리튬 이온 전도성 결정으로서는, Li3N, LISICON류, La0 .55Li0 .35TiO3 등의 리튬 이온 전도성을 가지는 페로브스카이트(perovskite) 구조를 가지는 결정, NASICON형 구조를 가지는 LiTi2P3O12, 또는 이들 결정을 석출시키는 글래스-세라믹을 사용할 수 있다.Examples of the lithium ion conductive crystals include crystals having a perovskite structure having lithium ion conductivity such as Li 3 N, LISICON, La 0 .55 Li 0 .35 TiO 3 , LiTi 2 having a NASICON structure P 3 O 12 , or glass-ceramics for precipitating these crystals.
상기 리튬 이온 전도성 결정으로서는 예를 들어, Li1 +x+y(Al, Ga)x(Ti, Ge)2-xSiyP3-yO12 (단, O≤x≤1, O≤y≤1이며, 예를 들어 0≤x≤0.4, 0≤y≤0.6이고, 또는 0.1≤x≤0.3, 0.1 0≤y≤0.4임)를 들 수 있다. 상기 결정이, 이온 전도를 저해하는 결정립계를 포함하지 않는 결정인 경우에는 전도성 측면에서 글래스하다. 예를 들어, 글래스-세라믹은 이온 전도를 방해하는 기공이나 결정립계를 거의 가지고 있지 않기 때문에, 이온 전도성이 높고, 아울러, 우수한 화학적 안정성을 가질 수 있다.As the lithium ion conductive crystal, for example, Li 1 + x + y (Al, Ga) x (Ti, Ge) 2-x Si y P 3 -y O 12 1, for example, 0? X? 0.4, 0? Y? 0.6, or 0.1? X? 0.3 and 0.1 0? Y? 0.4). When the crystal is a crystal containing no crystal grain boundary which inhibits ion conduction, it is glass in terms of conductivity. For example, since glass-ceramics have few pores or grain boundaries that interfere with ion conduction, they can have high ionic conductivity and excellent chemical stability.
상기 리튬 이온 전도성 글래스-세라믹을 예시하면, 리튬-알루미늄-게르마늄-인산염(LAGP), 리튬-알루미늄-티타늄-인산염(LATP), 리튬-알루미늄-티타늄-실리콘-인산염(LATSP) 등을 예로 들 수 있다.Examples of the lithium ion conductive glass-ceramics include lithium-aluminum-germanium-phosphate (LAGP), lithium-aluminum-titanium-phosphate (LATP), and lithium- aluminum- titanium-silicon- phosphate have.
예를 들어, 모글래스가 Li2O-Al2O3-TiO2-SiO2-P2O5계 조성을 가지며, 상기 모글래스를 열처리하여 결정화하는 경우, 이 때의 주결정상은 Li1 +x+ yAlxTi2 - xSiyP3 - yO12 (0≤x≤1, O≤y≤1)이 되며, 이때, x 및 y로서는 예를 들어 0≤x≤0.4, 또는 0≤y≤0.6이다. x 및 y는 구체적으로 0.1≤x≤0.3, 0.1 ≤y≤0.4이다. For example, when the mother glass has a composition of Li 2 O-Al 2 O 3 -TiO 2 -SiO 2 -P 2 O 5 and the mother glass is crystallized by heat treatment, the main crystal phase is Li 1 + x + y Al x Ti 2 - x Si y P 3 - y O 12 (0? x? 1, 0? y? 1), where x and y are, for example, 0? x? 0.4 or 0? y ? 0.6. x and y are specifically 0.1? x? 0.3 and 0.1? y? 0.4.
여기서, 이온 전도를 방해하는 기공이나 결정립계란, 리튬 이온 전도성 결정을 포함하는 무기 물질 전체의 전도도를, 상기 무기 물질 중의 리튬 이온 전도성 결정 그 자체의 전도도에 대해 1/10 이하의 값으로 감소시키는 기공이나 결정립계 등의 이온 전도성 저해 물질을 칭한다.Here, the pores or grain boundaries that interfere with ion conduction are meant to mean that the conductivity of the entire inorganic material including lithium ion conductive crystals is reduced to 1/10 or less of the conductivity of the lithium ion conductive crystals in the inorganic material Or an ionic conductivity inhibitor such as a grain boundary system.
또한, 상기 글래스-세라믹이란 글래스를 열처리함으로써 글래스상 중에 결정상을 석출시켜 얻어지는 재료로서, 비정질 고체와 결정으로 이루어진 재료를 일컬으며, 아울러, 글래스상 모두를 결정상으로 상전이시킨 재료, 예를 들어 재료 중의 결정량(결정화도)이 100중량%인 재료를 포함할 수 있다. 그리고 100% 결정화시킨 재료라도, 글래스-세라믹의 경우에는 결정 입자 사이나 결정 중에 기공이 거의 존재하지 않는다.The glass-ceramics is a material obtained by crystallizing a crystal phase in a glass phase by heat-treating the glass, and is also referred to as a material comprising an amorphous solid and a crystal. In addition, a material in which all phases of the glass phase are phase- And a material having a crystal amount (crystallinity) of 100% by weight. Even in the case of a 100% crystallized material, in the case of glass-ceramics, there is almost no pores in crystal grains or crystals.
상기 리튬 이온 전도성 고체 전해질막은 상기 글래스 세라믹을 다량 포함함으로써, 높은 이온 전도율을 얻을 수 있기 때문에, 상기 리튬 이온 전도성 고체 전해질막 중에 80 중량% 이상의 리튬 이온 전도성 글래스 세라믹을 포함할 수 있으며, 보다 높은 이온 전도율을 얻기 위해서는 상기 리튬 이온 전도성 글래스 세라믹을 85 중량% 이상 또는 90 중량% 이상의 양으로 포함할 수 있다.Since the lithium ion conductive solid electrolyte film contains a large amount of the glass ceramic, a high ion conductivity can be obtained. Therefore, the lithium ion conductive solid electrolyte film can contain 80 wt% or more of lithium ion conductive glass ceramics, In order to obtain the conductivity, the lithium ion conductive glass ceramic may be contained in an amount of 85 wt% or more or 90 wt% or more.
상기와 같은 리튬 이온 전도성 고체 전해질막은 글래스-세라믹 성분 외에 고분자 고체 전해질 성분을 더 포함할 수 있다. 이와 같은 고분자 고체 전해질은 리튬염이 도핑된 폴리 에틸렌옥사이드로서, 상기 리튬염으로서는 LiN(SO2CF2CF3)2, LiBF4, LiPF6, LiSbF6, LiAsF6, LiClO4, LiCF3SO3, LiN(SO2CF3)2, LiN(SO2C2F5)2, LiC(SO2CF3)3, LiN(SO3CF3)2, LiC4F9SO3, LiAlCl4 등을 예시할 수 있다.The lithium ion conductive solid electrolyte membrane may further include a polymeric solid electrolyte component in addition to the glass-ceramic component. Such a polymer solid electrolyte is a lithium salt-doped polyethylene oxide. Examples of the lithium salt include LiN (SO 2 CF 2 CF 3 ) 2 , LiBF 4 , LiPF 6 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiClO 4 , LiCF 3 SO 3 , such as LiN (SO 2 CF 3) 2 , LiN (SO 2 C 2 F 5) 2, LiC (SO 2 CF 3) 3, LiN (SO 3 CF 3) 2, LiC 4 F 9 SO 3,
상기 고분자 고체 전해질막은 상기 글래스-세라믹과 적층 구조체를 형성할 수 있으며, 상기 성분을 포함하는 제1 고분자 고체 전해질과 제2 고분자 고체 전해질 사이에 상기 글래스-세라믹이 개재될 수 있다.The polymer solid electrolyte membrane may form a laminate structure with the glass-ceramics, and the glass-ceramic may be interposed between the first polymer solid electrolyte containing the component and the second polymer solid electrolyte.
상기 리튬 이온 전도성 고체 전해질막은 단층 또는 다층막으로 사용될 수 있다.The lithium ion conductive solid electrolyte film can be used as a single layer or a multilayer film.
리튬 공기 전지(10)(20)의 동작 원리는 다음과 같다. 방전시 음극(12)으로부터 유래되는 리튬이 양극(11)으로부터 도입되는 산소와 만나 리튬산화물이 생성되며 산소는 환원된다(oxygen reduction reaction: ORR). 또한, 반대로 충전시 리튬 산화물이 환원되고, 산소가 산화되어 발생한다(oxygen evolution reaction:OER).The operation principle of the lithium ion battery 10 (20) is as follows. At the time of discharging, lithium derived from the
한편, 리튬 공기 전지(10)(20)가 충전 완료된 후에도, 미분해된 Li2O2 또는 전해질 분해산물이 양극(11)의 촉매 또는 전기화학적 활성 계면을 둘러싸게 된다. 그리하여 다음 방전시 과전압을 형성하게 된다. On the other hand, even after the
따라서, 상기 일구현예에 따른 리튬 공기 전지(10)(20)는 전해질에 유기화합물을 첨가함으로써, 용량 상승 및 충방전분극(=충전전압-방전전압) 저감이 가능하다.Therefore, by adding an organic compound to the electrolyte, the
유기계 전해질내 상기 유기화합물이 전극반응에 참여함에 의하여 전극반응의 반응면적이 전극과 유기화합물 사이의 계면반응과 상기 유기화합물과 Li2O2 의 계면 반응으로 확장될 수 있다. The reaction area of the electrode reaction can be expanded by the interfacial reaction between the electrode and the organic compound and the interfacial reaction between the organic compound and Li 2 O 2 by the participation of the organic compound in the organic electrolyte in the electrode reaction.
또한, 계면의 성질이 변화되므로 계면 저항도 변화된다. 그러므로, 기존의 리튬 공기 전지에 비하여 전극반응 속도의 현저한 증가, 즉 가역적인 전극반응이 가능하게 되어, 충방전시의 과전압이 현저히 감소될 수 있다.Further, since the property of the interface is changed, the interface resistance is also changed. Therefore, it is possible to remarkably increase the electrode reaction rate, that is, reversible electrode reaction, compared with the conventional lithium air cells, and the overvoltage at the time of charging and discharging can be remarkably reduced.
상기 유기화합물은 전기화학 반응에 수반되는 전자를 흡장 방출할 수 있으며 이러한 전자의 흡장 방출에 수반되는 산화 및 환원 반응에 의하여 산화-환원쌍(Red-Ox couple)을 형성할 수 있다. 즉, 산화된 상태와 환원된 상태를 교대로 반복하면서 전극반응의 전자 전달에 관여할 수 있다.The organic compound is capable of occluding and releasing electrons involved in an electrochemical reaction and forming an oxidation-reduction couple by oxidation and reduction reactions accompanying the occlusion and release of the electrons. That is, it can participate in the electron transfer of the electrode reaction while alternately repeating the oxidized state and the reduced state.
상기 유기화합물 및 이를 포함하는 유기계 전해질은 방전 과정에서 양극(11)과 리튬산화물사이의 전자 전달을 일부 또는 전부 매개하는 매개체(mediator)의 역할을 수행할 수 있다. 상기 리튬산화물은 Li2O, Li2O2 등일 수 있다. 본 명세서에서 리튬산화물은 리튬과산화물을 포함하는 모든 종류의 리튬산화물을 의미한다.The organic compound and the organic electrolyte containing the organic compound may act as a mediator that partially or wholly mediates electron transfer between the
상기 유기화합물의 환원 전위(reduction potential)는 리튬 금속에 대하여 2.5 내지 3.5V로서, 리튬 공기 전지(10)(20)의 충방전 전압 범위에 포함될 수 있다. 즉, 상기 리튬 공기 전지(10)(20)의 방전 과정에서 상기 유기화합물의 환원 및 산화 과정이 일어날 수 있다. 상기 유기화합물은 리튬 공기 전지(10)(20)의 충방전 전압 범위 예를 들어, 리튬 금속에 대하여 2.5 내지 3.5V 의 전압 범위 내에서 환원 전위를 가지며 유기계 전해질 내에서 안정된 상태를 유지하는 것이라면 구체적인 화학적 구조에 상관없이 모두 사용가능하다.The reduction potential of the organic compound is 2.5 to 3.5 V relative to the lithium metal, and may be included in the charge / discharge voltage range of the
이하에서 상기 유기화합물 및 이를 포함하는 유기계 전해질이 충방전 과정에서 전자 전달에 관여하는 메커니즘을 보다 구체적으로 예시하여 설명하나 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로서 본 발명의 범위를 이러한 설명의 범위로 한정하려는 의도가 아니다.Hereinafter, the mechanism of the organic compound and the organic electrolyte including the organic compound involved in the electron transfer in the charging and discharging process will be described in more detail. However, the scope of the present invention is limited only by the scope of the present invention. It is not intended to be.
예를 들어, 상기 리튬 공기 전지(10)(20)의 방전 과정에서 상기 유기화합물이 리튬산화물에 비하여 낮은 전압에서 양극(11)으로 전자를 전달받아 먼저 환원된다. 이어서, 상기 환원된 유기화합물이 전해액에 용해있는 산소분자 및 1차적인 리튬 산화물로 전자를 전달하며 산화되어 최초의(original) 유기화합물로 재생된다. 상기 환원된 유기화합물로부터 전자를 전달받은 산소분자 및 리튬 산화물은 산소환원생성물또는 2차적인 리튬산화물이 된다. 이어서, 상기 재생된 유기화합물은 양극(11)에서 전자를 전달받아 다시 환원된다. 이와 같이 전자전달을 매개함에 의하여 공기중으로부터 공급되는 산소 및 생성된 1차적인 리튬산화물의 전극까지의 이동거리가 축소됨으로써 방전시의 평균 방전전압이 증가될 수 있다.For example, in the discharge process of the
또한, 상기 유기화합물은 Li2O2 등의 리튬산화물 표면에 약하게 배위되는 상호작용(interaction)을 통하여 리튬산화물의 계면을 안정화시키는 역할을 할 수 있다. 예를 들어, 1,4-벤조퀴논의 말단 산소 또는 7,7,8,8-테트라시아노퀴노디메탄의 말단 시아노기가 Li2O2의 리튬에 약하게 배위될 수 있다. 이와 같이 리튬산화물의 계면이 안정됨에 의하여 충전시의 평균 충전전압이 감소될 수 있다.In addition, the organic compound may stabilize the interface of the lithium oxide through an interaction that is weakly coordinated to the surface of the lithium oxide such as Li 2 O 2 . For example, the terminal oxygen of 1,4-benzoquinone or the terminal cyano group of 7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane can be weakly coordinated to the lithium of Li 2 O 2 . As described above, since the interface of the lithium oxide is stable, the average charging voltage at the time of charging can be reduced.
상기 유기화합물은 분자 내에 이중결합 및/또는 삼중결합을 포함할 수 있다. 상기 이중결합은 탄소와 탄소 사이의 이중결합, 탄소와 산소 사이의 이중결합, 질소와 질소 사이의 이중결합 등을 포함할 수 있으며, 상기 삼중결합은 탄소와 질소 사이의 삼중 결합 등을 포함할 수 있으나, 반드시 이러한 범위로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 사용될 수 있는 이중결합 및/또는 삼중결합이라면 모두 가능하다.The organic compound may include a double bond and / or a triple bond in the molecule. The double bond may include a double bond between carbon and carbon, a double bond between carbon and oxygen, a double bond between nitrogen and nitrogen, and the triple bond may include a triple bond between carbon and nitrogen However, it is not necessarily limited to such a range, and any double bond and / or triple bond that can be used in the technical field is possible.
또한, 상기 유기화합물은 공액구조(conjugated system)를 포함할 수 있다. 상기 공액구조는 이중 결합과 단일 결합이 교대로 연결되거나, 인접한(contiguous) 원자가 이용할 수 있는 p-오비탈을 가짐에 의하여 p-오비탈이 연속적으로 연결되어 중첩되는 시스템을 의미한다. 상기 공액구조는 -전자의 비편재화(deolocalization)가 가능한 구조이다. 상기 -전자의 비편재화는 공액구조를 포함하는 화합물을 안정화시킨다. 따라서, 상기 공액구조를 포함하는 리간드를 포함하는 착화합물은 산화 및/또는 환원시에 안정한 상태를 유지할 수 있다. 예를 들어, 벤젠, 티오펜(thiophene) 등이다.In addition, the organic compound may include a conjugated system. The conjugated structure means a system in which p-orbital is successively connected and overlapped by having a double bond and a single bond alternately connected or having contiguous atoms available for p-orbitals. The conjugated structure is a structure capable of deolocalization of electrons. The delignification of the - electron stabilizes a compound containing a conjugated structure. Therefore, the complex containing the ligand containing the conjugated structure can maintain a stable state upon oxidation and / or reduction. For example, benzene, thiophene, and the like.
상기 유기화합물은 퀴논계 화합물을 포함할 수 있다. 상기 퀴논계 화합물은 퀴논 및 퀴논 유도체를포함한다. The organic compound may include a quinone-based compound. The quinone compounds include quinone and quinone derivatives.
상기 "유도체"란 용어는 상기에 나열된 화합물 등에 하나 이상의 치환기가 연결된 것을 의미하며, 상기 치환기는 -F; -Cl; -Br; -CN; -NO2 -OH; 비치환 또는 -F, -Cl, -Br, -CN, -NO2 또는 -OH로 치환된C1-C60 알킬기 비치환 또는 C1-C60 알킬기, -F, -Cl, -Br, -CN, -NO2 또는 -OH로 치환된 C5-C60 사이클로알킬기 비치환 또는 C1-C60 알킬기, -F, -Cl, -Br, -CN, -NO2 또는 -OH로 치환된C2-C60 헤테로사이클로알킬기 비치환 또는 C1-C60 알킬기, -F, -Cl, -Br, -CN, -NO2 또는 -OH로 치환된C5-C60 아릴기 및 비치환 또는 C1-C60 알킬기, -F, -Cl, -Br, -CN, -NO2 또는 -OH로 치환된 C2-C60 헤테로아릴기로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다.The term "derivative " means that one or more substituents are connected to the above-listed compounds, -Cl; -Br; -CN; -NO2-OH; A C1-C60 alkyl group unsubstituted or substituted with -F, -Cl, -Br, -CN, -NO2 or -OH or a C1-C60 alkyl group, -F, -Cl, -Br, -CN, -NO2 C60 cycloalkyl group unsubstituted or substituted with -OH or a C2-C60 heterocycloalkyl group unsubstituted or substituted with a C1-C60 alkyl group, -F, -Cl, -Br, -CN, -NO2 or -OH, A C5-C60 aryl group substituted with an alkyl group, -F, -Cl, -Br, -CN, -NO2 or -OH and an unsubstituted or C1-C60 alkyl group, -F, -Cl, -Br, -CN, -NO2 Or a C2-C60 heteroaryl group substituted with -OH.
상기 아릴기는 방향족 고리 시스템을 갖는 1가 그룹으로서, 2 이상의 고리 시스템을 포함할 수 있으며, 상기 2 이상의 고리 시스템은 서로 결합 또는 융합된 형태로 존재할 수 있다. 상기 헤테로아릴기는 상기 아릴기 중 하나 이상의 탄소가 N, O, S 및 P로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상으로 치환된 그룹을 가리킨다. 한편, 사이클로알킬기는 고리 시스템을 갖는 알킬기를 가리키며, 상기 헤테로사이클로알킬기는 상기 사이클로알킬기 중 하나 이상의 탄소가 N, O, S 및 P로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상으로 치환된 그룹을 가리킨다. 상기 융합된 방향족 고리 또는 융합된 헤테로방향족 고리는 상기 기본 고리와 융합된 형태로 존재하며 2 이상의 고리 시스템을 포함할 수 있으며, 상기 2 이상의 고리 시스템은 서로 결합 또는 융합된 형태로 존재할 수 있다. 그리고, 상기 헤테로방향족고리는 상기 방향족고리 중 하나 이상의 탄소가 N, O, S 및 P로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상으로 치환된 고리를 가리킨다.The aryl group is a monovalent group having an aromatic ring system, and may include two or more ring systems, and the two or more ring systems may exist in a bonded or fused form to each other. The heteroaryl group refers to a group in which at least one of the aryl groups is substituted with at least one member selected from the group consisting of N, O, S, and P. Meanwhile, the cycloalkyl group refers to an alkyl group having a ring system, and the heterocycloalkyl group refers to a group in which at least one carbon in the cycloalkyl group is substituted with at least one member selected from the group consisting of N, O, S and P. The fused aromatic ring or the fused heteroaromatic ring is fused to the basic ring and may include two or more ring systems, and the two or more ring systems may exist in a bonded or fused form to each other. And the heteroaromatic ring refers to a ring in which at least one of the aromatic rings is substituted with at least one member selected from the group consisting of N, O, S and P.
또는 리튬 공기 전지(10)(20)를 충전후 약간의 방전을 수행하여 미분해된 Li2O2 또는 전해물 분해산물의 계면 반응을 활성화시킬 수 있다. Or the
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 공기 전지를 포함한 배터리 팩(100)의 모식도이다. 3 is a schematic diagram of a
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩(100)은 충방전이 가능한 하나 이상의 리튬 공기 전지(10)(20)를 포함하는 전지부(110), 상기 전지부(110)와 외부 전원 장치 또는 부하를 전기적으로 연결시키는 외부 단자(P+, P-), 상기 전지부(110)의 충전 상태에 따라 상기 전지부(110)의 충방전을 제어하는 제어부(120), 제어부(120)로부터 신호를 인가받아 상기 전지부(110) 와 외부 단자(P+, P-) 사이의 전기적 연결을 제어하는 충방전 제어부(130), 상기 제어부(120) 또는 충방전 제어부(130)의 오작동에 의해 상기 전지부(110)에 과전류가 흐르는 것을 방지하기 위하여, 상기 전지부(110)의 대전류 경로 상에 위치하며, 상기 전지부(110)와 외부 단자(P+, P-) 사이의 전기적 연결을 차단시키는 보호부(140), 특정 전류로 전지부(110)를 방전시키는 방전부(150)를 포함할 수 있다. 3, a
전지부(110)는 도 1 또는 도 2에 도시된 리튬 공기 전지(10)(20)를 적어도 하나 포함할 수 있다. 리튬 공기 전지(10)가 복수 개인 경우, 직렬, 병렬 또는 직병렬로 연결될 수 있다. The
제어부(120)는 외부 단자(P+, P-)에 외부 전원 장치가 전기적으로 연결되면 전지부(110)의 전압을 측정하고 측정된 전압이 만충전시의 전압보다 작으면 전지부(110)에 충전을 수행하고, 외부 단자에 부하가 전기적으로 연결되면 전지부(110)가 방전되도록, 배터리 팩의 구성요소들을 제어한다. The
상기 충방전 제어부(130)는 충전 FET 소자(미도시) 및 방전 FET 소자(미도시)를 포함할 수 있다. 그리고, 제어부(120)의 제어에 따라 의해 상기 충전 FET 소자 또는 방전 FET 소자 중 어느 하나가 구동되어 상기 전지부(110)가 충전 또는 방전되도록 한다. 예를 들어, 전지부(110)을 충전하는 경우 충전 FET 소자가 구동하고, 전지부(110)을 방전하는 경우 방전 FET 소자가 구동할 수 있다. The charge /
상기 외부 단자(P+, P-)는 상기 전지부(110)와 병렬로 연결되며, 양극 단자 (P+) 및 음극 단자 (P-)로 구성된다. 상기 외부 단자(P+, P-)는 상기 전지부(110)를 외부 전원 장치 또는 부하에 전기적으로 연결시켜, 상기 전지부(110)가 충전 또는 방전을 수행할 수 있도록 한다. 보다 자세하게는, 상기 외부 단자(P+, P-)에 외부 전원 장치가 연결되는 경우에 상기 전지부(110)는 충전을 수행하며, 상기 외부 단자(P+, P-)에 부하가 연결되는 경우에 상기 전지부(110)는 방전을 수행한다.The external terminals P + and P- are connected in parallel with the
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 리튬 공기 전지를 포함하는 배터리 팩(100)의 충전 방법을 설명하는 흐름도이다. 4 is a flowchart illustrating a charging method of a
도 4를 참조하면, 외부 단자(P+, P-)에 외부 전원 장치가 연결되면, 제어부(120)는 정전류 방식으로 전지부(110)를 충전한다. 예를 들어, 전지부(110)에 인가되는 전압을 단계적 또는 점진적으로 증가시켜 전지부(110)에 일정한 정류가 인가되도록 한다. 그리고, 전지부(110)의 인가 전압이 기준 전압이 되면 제어부(120)는 전지부(110)에 인가되는 전압을 기준 전압으로 유지하면서 전지부(110)에 인가되는 전류가 기준 전류가 될때까지 전지부(110)에 인가되는 전류를 단계적 또는 점지적으로 감소시킨다. 그리하여 전지부(110)에 인가되는 전류가 기준 전류가 되면, 제어부(120)는 전지부(110)를 방전시킨다. Referring to FIG. 4, when the external power source is connected to the external terminals P + and P-, the
전지부(110)의 방전시 제어부(120)는 기준값 이하의 전류로 전지부(110)을 방전시킬 수 있다. 상기한 기준값 이하의 전류는 정전류일 수 있다. 이하 기준값 이하의 전류를 방전 전류라고 한다. 상기한 방전 전류는 전지부(110)를 충전할 때의 정전류 이하이거나 기준 전류 이하일 수 있다. 또는 방전 전류는 전지부(110)를 충전할 때의 정전류와 기준 전류 사이의 값일 수도 있다. 또는 방전 전류를 배터리 팩이 부하와 연결된 상태에서 방전할 때의 최소 전류이하일 수 있다. 예를 들어, 방전 전류는 0.5mA/cm2이하일 수 있다. The
여기서, 방전 전류는 외부 단자(P+, P-)에 외부 전원 장치가 연결된 상태에서 수행될 수 있다. 즉, 제어부(120)는 전지부(110)에 인가되는 전류가 기준 전류가 되면 충전 FET 소자의 구동을 중지시키고, 방전 FET 소자의 구동을 구동시킨다. 방전 FET 소자는 전지부(110)의 전류를 방전부로 방전시킴으로써 전지부(110)가 방전된다. 이와 같이 외부 단자(P+, P-)에 부하가 연결되지 않는 상태에서의 방전을 사전 방전이라고 한다. Here, the discharging current may be performed in a state where the external power source is connected to the external terminals P + and P-. That is, when the current applied to the
방전 전류로의 방전은 전지부(110)의 충전 용량이 기준 용량이 될때까지 수행된다. 여기서 기준 용량은 전지부(110)가 만충전할 때의 만충전시의 충전 용량의 99% 내지 90%일 수 있다. 또는 방전 전류로의 방전일 일정 시간동안 수행될 수도 있다. The discharging to the discharging current is performed until the charging capacity of the
이와 같이 전지부(110)에 인가되는 전류가 기준 전류가 되면 방전 전류로 전지부(110)를 방전시킴으로써 리튬 공지 전지(10)의 활성 계면에 부착된 Li2O2, LiO2 또는 부속물을 제거함으로써 방전시 전지부(110)의 과전압을 방지할 수 있다. When the current applied to the
이하의 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명이 더욱 상세하게 설명된다. 단, 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로서 이들만으로 본 발명의 범위가 한정되는 것이 아니다.The present invention will be described in more detail by way of the following examples and comparative examples. However, the examples are for illustrating the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.
(유기계 전해질의 제조) (Preparation of organic electrolyte)
실시예 1Example 1
테트라메틸렌글리콜디메틸에테르(TEGDME)에 1M의 Li(CF3SO2)2N(Lithium bis (trifluoromethylsulphonyl)amine, LiTFSI) 및 10mM의 1,2-벤조퀴논이 첨가된 유기계 전해질을 제조하였다.An organic electrolyte was prepared in which 1 M of Li (
비교예 1Comparative Example 1
테트라메틸렌글리콜디메틸에테르(TEGDME)에 1M의 Li(CF3SO2)2N(Lithium bis (trifluoromethylsulphonyl)amine, LiTFSI)이 용해된 유기계 전해질을 제조하였다.
An organic electrolyte in which 1 M of Li (
평가예 1: 충방전특성 평가Evaluation Example 1: Evaluation of charge / discharge characteristics
60℃, 1atm에서 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 전해질을 포함하는 리튬 공기 전지를 1mA/cm2의 정전류로 2V(vs. Li)까지 방전시킨 후, 동일한 전류로 4.7V까지 충전시켰다. 충방전시의 방충용량효율은 하기 수학식 1로 정의된다.A lithium air cell including the electrolyte prepared in Example 1 and Comparative Example 1 was discharged at 2 mA (vs. Li) at a constant current of 1 mA / cm < 2 > at 60 DEG C and 1 atm, and then charged to 4.7 V with the same current. The insecticidal capacity efficiency at the time of charging / discharging is defined by the following equation (1).
<수학식 1>&Quot; (1) "
방충용량효율[%]=[충전용량]/[방전용량]×100Insecticide capacity efficiency [%] = [charge capacity] / [discharge capacity] × 100
상기 식에서, 충전용량은 충전시의 4.7V 컷오프 전압에서의 충전용량이고, 방전용량은 방전시의 2.0V 컷오프 전압에서의 방전용량이다.In the above equation, the charging capacity is the charging capacity at the 4.7V cut-off voltage at the time of charging, and the discharging capacity is the discharging capacity at the 2.0V cut-off voltage at the time of discharging.
그 결과, 실시예 1의 방충용량효율 및 방전 전압 각각은 42%, 2.32V이고, 비교예 1의 방충용량효율 및 방전 전압 각각은 16%, 2.17 V이었다. 따라서,방충용량효율 및 방전 전압이 현저히 향상됨을 알 수 있다. As a result, the insecticidal capacity efficiency and the discharge voltage of Example 1 were 42% and 2.32 V, respectively, and the insecticidal capacity efficiency and the discharge voltage of Comparative Example 1 were 16% and 2.17 V, respectively. Thus, it can be seen that the insect repellent capacity efficiency and the discharge voltage are remarkably improved.
다음은 충전 후 방전의 유무에 따른 리튬 공지 전지의 성능을 살펴본다. Next, the performance of the lithium-ion secondary battery according to the presence or absence of the discharge after charging is examined.
1M LiTFSI의 테트라글라임 용액을 제조하여 제1 전해질을 포함하는 리튬 공기 전지를 준비하였다. 실시예 2는 60℃, 1기압에서 리튬 공기 전지를 1mA/cm2의 정전류로 1.7V(vs. Li)까지 방전시킨다. 그리고, 1mA/cm2의 정전류로 4.2 V까지 충전시킨 후 다시 4.2 V에서 정전압으로 0.2 mA/cm2까지 충전시킨 다음 0.2mA/cm2로 방전시킨다. 반면 비교예 2는 60℃, 1기압에서 리튬 공기 전지를 1mA/cm2의 정전류로 1.7V(vs. Li)까지 방전시킨다. 그리고, 1mA/cm2의 정전류로 4.2 V까지 충전시킬 뿐 0.2mA/cm2 의 방전은 수행하지 않는다. 이와 같은 충방전을 반복적으로 수행하였다. A 1M LiTFSI tetraglyme solution was prepared to prepare a lithium air cell containing the first electrolyte. In Example 2, the lithium air cell is discharged to 1.7 V (vs. Li) at a constant current of 1 mA / cm 2 at 60 ° C and 1 atm. And thereby it was charged again at 4.2 V after charging to 4.2 V with a constant current of 1mA / cm 2 with a constant voltage up to 0.2 mA / cm 2 and then discharged at 0.2mA / cm 2. On the other hand, Comparative Example 2 discharges the lithium air battery to 1.7 V (vs. Li) at a constant current of 1 mA / cm 2 at 60 ° C and 1 atm. Then, a discharge of 0.2 mA / cm < 2 > is not performed although only a charge of 4.2 V is performed at a constant current of 1 mA / cm < 2 >. This charge / discharge was repeatedly performed.
도 5는 사전 방전이 없는 경우 전압 이익을 측정한 결과이고, 도 6은 사전 방전이 있는 경우 전압 이익을 측정한 결과이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 사전 방전이 없는 비교예 2는 충방전의 횟수가 증가할수록 전압 이익이 감소하였다. 그러나, 도 6에 도시된 바와 같이, 사전 방전이 있는 실시예 2는, 충방전의 횟수가 증가하여 전압 이익이 감소하더라도 전압 이익은 2V이상을 유지하였다. FIG. 5 shows the result of measuring the voltage gain in the absence of the pre-discharge, and FIG. 6 shows the result of measuring the voltage gain in the presence of the pre-discharge. As shown in FIG. 5, in Comparative Example 2 in which there was no pre-discharge, the voltage gain was decreased as the number of charging / discharging was increased. However, as shown in Fig. 6, in the second embodiment having the pre-discharge, the voltage gain was maintained at 2V or more even when the number of charging / discharging was increased and the voltage gain was decreased.
10, 20 : 리튬 공기 전지 셀
11 : 양극 12 : 음극
13 : 제1 전해질 24 : 보호막
25 : 제2 전해질 100 : 배터리 팩
110 : 전지부 120 : 제어부
130 : 충방전 제어부 140 : 보호부
150 : 방전부 10, 20: Lithium air battery cell
11: anode 12: cathode
13: first electrolyte 24: protective film
25: Second electrolyte 100: Battery pack
110: electrical part 120:
130: charge / discharge control unit 140:
150: discharge
Claims (16)
상기 리튬 공기 전지를 충전하는 단계; 및
기준값 이하의 전류로 상기 리튬 공기 전지를 방전하여 상기 리튬 공기 전지의 활성 계면에 부착된 물질을 제거하는 단계;를 포함하는 리튬 공기 전지의 충전 방법.In a charging method of a lithium air battery,
Charging the lithium air battery; And
And discharging the lithium ion battery with a current equal to or lower than a reference value to remove a substance attached to the active interface of the lithium ion battery.
상기 기준값은 부하를 통해 상기 리튬 공기 전지가 방전할 때의 최소 전류이하인 리튬 공기 전지의 충전 방법. The method according to claim 1,
Wherein the reference value is equal to or less than a minimum current when the lithium ion battery discharges through a load.
상기 충전하는 단계는,
정전류로 상기 리튬 공기 전지의 전압이 기준 전압에 도달할 때까지 충전하는 단계; 및
상기 리튬 공기 전지의 전압이 기준 전압에 도달하면, 상기 기준 전압에서 상기 리튬 공기 전지의 전류가 기준 전류가 될때까지 충전하는 단계;를 포함하는 리튬 공기 전지의 충전 방법.The method according to claim 1,
The step of charging comprises:
Charging the lithium ion battery until a voltage of the lithium ion battery reaches a reference voltage with a constant current; And
And charging the lithium-air battery until the voltage of the lithium-ion battery reaches a reference voltage, until the current of the lithium-ion battery reaches a reference current at the reference voltage.
상기 기준값은 상기 기준 전류이하인 리튬 공기 전지의 충전 방법. The method of claim 3,
Wherein the reference value is equal to or less than the reference current.
상기 기준값은 상기 정전류와 상기 기준 전류의 사이의 값인 리튬 공기 전지의 충전 방법. The method of claim 3,
Wherein the reference value is a value between the constant current and the reference current.
상기 기준값은 0.5mA/cm2이하인 리튬 공기 전지의 충전 방법. The method according to claim 1,
Wherein the reference value is 0.5 mA / cm 2 or less.
상기 방전은,
상기 리튬 공기 전지의 용량이 기준 용량이 될때까지 상기 리튬 공기 전지를방전하는 리튬 공기 전지의 충전 방법. The method according to claim 1,
The discharge may include,
And discharging the lithium ion battery until the capacity of the lithium ion battery reaches a reference capacity.
상기 리튬 공기 전지는,
리튬을 포함하는 음극, 산소를 양극 활물질로 사용하는 양극 및 유기계 전해질을 포함하며,
상기 유기계 전해질이 전기화학 반응에 수반되는 전자를 흡장 방출할 수 있는 유기화합물을 포함하는 리튬 공기 전지의 충전 방법.The method according to claim 1,
In the lithium air battery,
An anode including lithium, a cathode using oxygen as a cathode active material, and an organic electrolyte,
Wherein the organic electrolyte includes an organic compound capable of intercalating and deintercalating electrons involved in an electrochemical reaction.
상기 유기화합물은 공액구조(conjugated system)를 포함하는 리튬 공기 전지의 충전 방법.9. The method of claim 8,
Wherein the organic compound comprises a conjugated system.
상기 유기화합물은 방향족 탄화수소고리를 포함하는 리튬 공기 전지의 충전 방법. 9. The method of claim 8,
Wherein the organic compound comprises an aromatic hydrocarbon ring.
상기 유기화합물은 퀴논계 화합물을 포함하는 리튬 공기 전지의 충전 방법.9. The method of claim 8,
Wherein the organic compound comprises a quinone-based compound.
상기 유기화합물은 1,2-벤조퀴논, 1,4-벤조퀴논, 1,2-나프토퀴논, 2,3- 나프토퀴논, 1,4-나프토퀴논, 1,2-안트라퀴논, 2,3-안트라퀴논, 1,4-안트라퀴논, 9,10-안트라퀴논, 1,2-파이렌디온, 4,5-파이렌디온, 1,2-코로넨디온, 1,2,5,6-코로넨테트라논, 및 1,2,5,6,9,10-코로넨헥사논 클로라닐(chloranil, tetrachloro-p-benzoquinone), 로손(Lawsone, 2-Hydroxy-1,4-naphthoquinone), DDQ (2,3-Dichloro-5,6-dicyano-1,4-benzoquinone), 테트라플루오로-1,4-벤조퀴논, 7,7,8,8-테트라시아노퀴노디메탄, 및 2,3,5,6-테트라플루오로-7,7,8,8-테트라시아노퀴노디메탄으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 리튬 공기 전지의 충전 방법.9. The method of claim 8,
The organic compound may be selected from the group consisting of 1,2-benzoquinone, 1,4-benzoquinone, 1,2-naphthoquinone, 2,3-naphthoquinone, 1,4-naphthoquinone, , 3-anthraquinone, 1,4-anthraquinone, 9,10-anthraquinone, 1,2-pyrenedione, 4,5- pyrenedione, 1,2- 6-coronenetetranone, and 1,2,5,6,9,10-choloranil (tetrachloro- p -benzoquinone), Lawsone (2-Hydroxy-1,4- naphthoquinone) , DDQ (2,3-Dichloro-5,6-dicyano-1,4-benzoquinone), tetrafluoro-1,4-benzoquinone, 7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane, and 2 , 3,5,6-tetrafluoro-7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane, and the like.
상기 유기계 전해질은 알칼리금속 또는 알칼리토금속의 염을 포함하는 리튬 공기 전지의 충전 방법.9. The method of claim 8,
Wherein the organic electrolyte comprises a salt of an alkali metal or an alkaline earth metal.
상기 음극은 리튬 금속, 리튬 금속 기반의 합금, 또는 리튬 삽입 화합물 (lithium intercalating compound)을 포함하는 것인 리튬 공기 전지의 충전 방법.9. The method of claim 8,
Wherein the negative electrode comprises a lithium metal, a lithium metal based alloy, or a lithium intercalating compound.
상기 양극은 도전성 재료를 포함하는 리튬 공기 전지의 충전 방법.9. The method of claim 8,
Wherein the positive electrode comprises a conductive material.
상기 도전성 재료은 다공성 탄소계 재료를 포함하는 리튬 공기 전지의 충전 방법.16. The method of claim 15,
Wherein the conductive material comprises a porous carbon-based material.
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