KR101946148B1 - Preparing method of anode for integrated lithium-air battery with micro-pattern - Google Patents

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Abstract

본 발명은 마이크로 패턴이 형성된 일체형의 리튬-공기전지용 양극 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명은 촉매층을 준비하는 단계; 상기 준비된 촉매층과 격자 모양의 패턴이 새겨진 금속 몰드를 가스확산층 상에 순차적으로 적층시켜 적층체를 준비하는 단계; 및 상기 준비된 적층체를 가압한 후 적층체 상부에 위치한 금속 몰드를 제거하여 촉매층과 가스확산층의 표면 상에 마이크로 패턴을 형성하는 단계;를 포함하는, 마이크로 패턴이 형성된 일체형의 리튬-공기전지용 양극 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따라 제조된 3차원의 마이크로 패턴이 형성된 일체형의 리튬-공기전지용 양극은 패턴이 형성되지 않은 2차원의 일체형의 리튬-공기전지용 양극에 비해 높은 에너지밀도와 고출력 특성의 향상을 유도할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따라 제조된 3차원의 마이크로 패턴이 형성된 일체형의 리튬-공기전지용 양극은 가압공정을 통해 가스확산층과 촉매층이 압착되기 때문에 바인더를 가스촉매층에 포함할 필요가 없으며, 바인더를 사용하였을 때 보다 접착력을 보다 향상시킬 수 있다.
The present invention relates to a method of fabricating an anode for a lithium-air battery having a micropattern formed therein, the method comprising: preparing a catalyst layer; Preparing a laminate by sequentially laminating the prepared catalyst layer and a metal mold having a lattice pattern engraved on the gas diffusion layer; And forming a micropattern on the surface of the catalyst layer and the gas diffusion layer by removing the metal mold located above the stacked body after pressing the prepared stacked body. ≪ / RTI >
The positive electrode for an integrated lithium-air battery in which a three-dimensional micropattern produced according to the present invention is formed can induce an improvement in energy density and high output characteristics as compared with a positive electrode for a two-dimensional integrated lithium- There is an effect.
In addition, since the positive electrode for a lithium-air battery having a three-dimensional micropattern formed according to the present invention has a gas diffusion layer and a catalyst layer pressed through a pressing process, it is not necessary to include a binder in the gas catalyst layer. The adhesive force can be further improved.

Description

마이크로 패턴이 형성된 일체형의 리튬-공기전지용 양극 제조방법{Preparing method of anode for integrated lithium-air battery with micro-pattern}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a method of manufacturing an anode for an integrated lithium-

본 발명은 가스확산층 표면 상에 마이크로 패턴의 형성으로 인하여 표면적이 증가되어 전기화학적 성능을 개선시킬 수 있는 마이크로 패턴이 형성된 일체형의 리튬-공기전지용 양극 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing an anode for a lithium-air battery in which a micropattern is formed which can increase the surface area due to the formation of a micropattern on the surface of the gas diffusion layer to improve the electrochemical performance.

리튬-공기전지(lithium-air battery)는 기존의 리튬이온전지에 비해 2~3배 이상의 높은 이론적 에너지 밀도(3000 Wh/kg 이상)를 가지는 전지로서, 가솔린 자동차를 대체할 미래의 친환경 전기자동차 전지로 크게 주목받고 있다.The lithium-air battery is a battery with a theoretical energy density (3000 Wh / kg or more) that is 2 to 3 times higher than that of a conventional lithium-ion battery. It is a future- .

더욱이, 가솔린 등의 연료와 대응한 효율성을 발휘하며 전지 부피와 무게를 획기적으로 줄일 수 있으며, 친환경적이며, 안정성이 높다는 장점이 있다.In addition, it exhibits efficiency in correspondence with fuel such as gasoline, can remarkably reduce the volume and weight of the battery, is environment-friendly, and has high stability.

다만, 리튬-공기전지를 이루는 구성인 가스확산층은 평면의 2차원 구조를 가지고 있기 때문에 면적당 촉매의 면적을 증가시키기에는 한계가 존재하였으며, 기존의 리튬-공기전지는 낮은 고출력 특성이 문제점으로 지적되어 이것을 향상시키기 위해 비싼 귀금속(Pt, Pd, Ru)등을 사용해 왔다.However, since the gas diffusion layer constituting the lithium-air battery has a planar two-dimensional structure, there is a limit to increase the area of the catalyst per area, and the conventional lithium-air battery has a problem of low power output In order to improve this, expensive noble metals (Pt, Pd, Ru) have been used.

따라서, 가스확산층의 면적을 증가시키며 비귀금속을 이용함으로써 고출력 특성을 개선시킬 수 있는 리튬-공기전지용 양극에 대한 연구 개발이 시급한 실정이다.Therefore, it is urgent to research and develop a positive electrode for a lithium-air battery which can improve a high output characteristic by increasing the area of the gas diffusion layer and using a noble metal.

대한민국 공개특허 제2016-0068415호Korean Patent Publication No. 2016-0068415

본 발명의 목적은 격자 모양의 패턴이 새겨진 금속 몰드를 이용하여 가압공정을 통해 촉매층과 가스확산층의 표면 상에 입체적인 3차원 구조인 마이크로 패턴이 형성됨으로써 높은 에너지밀도와 고출력 특성을 나타낼 수 있는 리튬-공기전지용 양극의 제조방법을 제공하는 데에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a lithium ion secondary battery capable of exhibiting high energy density and high output characteristics by forming a micropattern having a three-dimensional three-dimensional structure on a surface of a catalyst layer and a gas diffusion layer through a pressing process using a metal mold having a grid- And an object of the present invention is to provide a method for manufacturing an anode for an air battery.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 촉매층을 준비하는 단계; 상기 준비된 촉매층과 격자 모양의 패턴이 새겨진 금속 몰드를 가스확산층 상에 순차적으로 적층시켜 적층체를 준비하는 단계; 및 상기 준비된 적층체를 가압한 후 적층체 상부에 위치한 금속 몰드를 제거하여 촉매층과 가스확산층의 표면 상에 마이크로 패턴을 형성하는 단계;를 포함하는, 마이크로 패턴이 형성된 일체형의 리튬-공기전지용 양극 제조방법을 제공한다.According to an aspect of the present invention, Preparing a laminate by sequentially laminating the prepared catalyst layer and a metal mold having a lattice pattern engraved on the gas diffusion layer; And forming a micropattern on the surface of the catalyst layer and the gas diffusion layer by removing the metal mold located above the stacked body after pressing the prepared stacked body. ≪ / RTI >

본 발명에 따라 제조된 3차원의 마이크로 패턴이 형성된 일체형의 리튬-공기전지용 양극은 패턴이 형성되지 않은 2차원의 일체형의 리튬-공기전지용 양극에 비해 높은 에너지밀도와 고출력 특성의 향상을 유도할 수 있는 효과가 있다.The positive electrode for an integrated lithium-air battery in which a three-dimensional micropattern produced according to the present invention is formed can induce an improvement in energy density and high output characteristics as compared with a positive electrode for a two-dimensional integrated lithium- There is an effect.

또한, 본 발명에 따라 제조된 3차원의 마이크로 패턴이 형성된 일체형의 리튬-공기전지용 양극은 가압공정을 통해 가스확산층과 촉매층이 압착되기 때문에 바인더를 가스촉매층에 포함할 필요가 없으며, 바인더를 사용하였을 때 보다 접착력을 보다 향상시킬 수 있다. In addition, since the positive electrode for a lithium-air battery having a three-dimensional micropattern formed according to the present invention has a gas diffusion layer and a catalyst layer pressed through a pressing process, it is not necessary to include a binder in the gas catalyst layer. The adhesive force can be further improved.

도 1은 듀랄루민 소재로 이루어진 금속 몰드의 패턴을 관찰하기 위한 광학 이미지(a,d), SEM을 이용한 각 샘플의 단면 이미지(b,c), 및 SEM을 이용한 각 샘플의 표면 이미지(e,f)를 나타낸 도면;
도 2는 실시예 1에 의해 제조된 M-GDL(a), 및 비교예 1에 의해 제조된 P-GDL(b)의 다양한 전류밀도에서의 충방전 곡선, 높은 전류밀도에서 진행된 각 샘플의 방전 그래프(c), 및 각 샘플의 250 mAh/g 지점에서의 전압을 비교한 그래프(d)를 나타낸 도면; 및
도 3은 0.5 mV/s의 스캔속도로 진행된 각 샘플의 순환전류전압법(Cyclic voltammetry; 이하 'CV')(a), 및 선형주사전위법(Linear sweep voltammetry; 이하 'LSV')(b) 분석을 나타낸 도면이다.
Fig. 1 shows optical images (a and d) for observing patterns of metal molds made of duralumin, sectional images (b and c) of each sample using SEM, and surface images (e, f FIG.
2 is a graph showing the charging / discharging curves at various current densities of M-GDL (a) prepared in Example 1 and P-GDL (b) prepared in Comparative Example 1, Graph (c), and graph (d) comparing voltages at 250 mAh / g of each sample; And
3 shows the cyclic voltammetry (CV) (a) and linear sweep voltammetry (LSV) (b) of each sample conducted at a scan rate of 0.5 mV / s, FIG.

이하, 본 발명인 마이크로 패턴이 형성된 일체형의 리튬-공기전지용 양극 제조방법을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, a method for manufacturing a positive electrode for an integrated lithium-air battery in which the micropattern of the present invention is formed will be described in more detail.

본 발명의 발명자들은 격자 모양의 패턴이 새겨진 금속 몰드를 이용하여 가압공정을 통해 촉매층과 가스확산층의 표면 상에 마이크로 패턴이 형성된 일체형의 리튬-공기전지용 양극을 리튬-공기전지에 이용할 경우 종래 리튬-공기전지와 비교하였을 때 높은 에너지밀도와 고출력 특성을 나타낼 수 있음을 밝혀내어 본 발명을 완성하였다.The inventors of the present invention have found that when an integral lithium-air battery anode in which a micropattern is formed on the surface of a catalyst layer and a gas diffusion layer through a pressing process using a metal mold with a grid pattern is used for a lithium- It is possible to exhibit high energy density and high output characteristics when compared with an air cell.

본 발명은 촉매층을 준비하는 단계; 상기 준비된 촉매층과 격자 모양의 패턴이 새겨진 금속 몰드를 가스확산층 상에 순차적으로 적층시켜 적층체를 준비하는 단계; 및 상기 준비된 적층체를 가압한 후 적층체 상부에 위치한 금속 몰드를 제거하여 촉매층과 가스확산층의 표면 상에 마이크로 패턴을 형성하는 단계;를 포함하는, 마이크로 패턴이 형성된 일체형의 리튬-공기전지용 양극 제조방법을 제공한다.The present invention provides a method for preparing a catalyst, comprising: preparing a catalyst layer; Preparing a laminate by sequentially laminating the prepared catalyst layer and a metal mold having a lattice pattern engraved on the gas diffusion layer; And forming a micropattern on the surface of the catalyst layer and the gas diffusion layer by removing the metal mold located above the stacked body after pressing the prepared stacked body. ≪ / RTI >

상기 촉매층은 탄소나노섬유 또는 탄소나노튜브 중 어느 하나일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.The catalyst layer may be any one of carbon nanofibers and carbon nanotubes, but is not limited thereto.

특히 상기 촉매층 중에서 탄소나노섬유는 전기방사법을 통해 제조할 수 있다.Particularly, the carbon nanofibers in the catalyst layer can be produced by electrospinning.

구체적으로, 상기 탄소나노섬유를 제조하는 단계는 폴리아크릴로나이트릴과 N,N-디메틸포름아마이드(N,N-dimethylformamide)를 1 : 5 내지 15의 중량비로 혼합한 전기방사 용액을 플라스틱 주시기에 연결한 후 15 내지 25 μℓ/min 속도로 작동하여 폴리아크릴로나이트릴 나노섬유를 제조하는 단계, 상기 제조된 폴리아크릴로나이트릴 나노섬유를 대기 분위기 하에서 200 내지 300℃까지 가열한 후 2 내지 4시간 동안 유지하여 불순물을 제거하는 단계, 및 상기 불순물이 제거된 폴리아크릴로나이트릴 나노섬유를 질소 분위기 하에서 2 내지 4시간 동안 800 내지 1000℃까지 열처리하여 탄소나노섬유를 제조하는 단계를 포함할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.More specifically, the step of preparing the carbon nanofibers may include a step of mixing an electrospinning solution prepared by mixing polyacrylonitrile and N, N-dimethylformamide at a weight ratio of 1: 5 to 15, The polyacrylonitrile nanofiber is heated to 200 to 300 DEG C under an atmospheric environment, and then the polyacrylonitrile nanofiber is heated to a temperature of 2 to 4 And a step of heat treating the impregnated polyacrylonitrile nanofibers under a nitrogen atmosphere for 2 to 4 hours to 800 to 1000 ° C to produce carbon nanofibers But is not limited thereto.

상기 금속 몰드는 듀랄루민(duralumin) 소재로 이루어질 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.The metal mold may be made of duralumin, but is not limited thereto.

상기 금속 몰드는 방전가공(electrical discharge machining; 이하 'EDM') 공정을 이용하여 격자 모양의 패턴이 새겨진 것일 수 있다.The metal mold may be patterned with a lattice pattern using an electrical discharge machining (EDM) process.

상기 가스확산층은 활성탄, 탄소 블랙(carbon black), 탄소 클로스(carbon cloth), 및 탄소 페이퍼(carbon paper)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.The gas diffusion layer may be any one selected from the group consisting of activated carbon, carbon black, carbon cloth, and carbon paper, but is not limited thereto.

상기 촉매층과 가스확산층의 표면 상에 마이크로 패턴을 형성하는 단계는 준비된 적층체를 10 내지 15 MPa의 압력으로 3 내지 10분 동안 가압한 후 적층체 상부에 위치한 금속 몰드를 제거하여 촉매층과 가스확산층의 표면 상에 마이크로 패턴을 형성할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.In the step of forming the micropattern on the surface of the catalyst layer and the gas diffusion layer, the prepared laminate is pressurized at a pressure of 10 to 15 MPa for 3 to 10 minutes, and then the metal mold located on the upper part of the laminate is removed, The micropattern can be formed on the surface, but is not limited thereto.

구체적으로, 상기 준비된 적층체를 10 MPa 미만의 압력으로 가압할 경우 충분한 모양의 패턴이 새겨지지 않는 문제점이 있으며, 또한 상기 준비된 적층체를 15 MPa를 초과하는 압력으로 가압할 경우 가스확산층의 손상일 일으키는 문제점을 야기할 수 있는 바, 상기 준비된 적층체를 10 내지 15 MPa의 압력으로 가압하는 것이 바람직하며, 특히 적절한 패턴의 형성 및 가스확산층의 구조적 안정성을 고려하였을 때 상기 준비된 적층체를 13 MPa의 압력으로 가압하는 것이 보다 바람직하다.Specifically, when the prepared laminate is pressed at a pressure of less than 10 MPa, there is a problem that a pattern of a sufficient shape is not engraved. Also, when the prepared laminate is pressed at a pressure exceeding 15 MPa, It is preferable to pressurize the prepared laminate at a pressure of 10 to 15 MPa. In particular, when the formation of a proper pattern and the structural stability of the gas diffusion layer are taken into consideration, the prepared laminate is pressed at a pressure of 13 MPa It is more preferable to pressurize it.

구체적으로, 상기 준비된 적층체를 3분 미만동안 가압할 경우 새겨진 패턴이 재생되는 문제점이 있으며, 또한 상기 준비된 적층체를 10분을 초과하여 가압할 경우 가스확산층의 손상일 일으키는 문제점을 야기할 수 있는 바, 상기 준비된 적층체를 3 내지 10분 동안 가압하는 것이 바람직하며, 특히 패턴의 유지 및 가스확산층의 구조적 안정성을 고려하였을 때 상기 준비된 적층체를 5분 동안 가압하는 것이 보다 바람직하다.Specifically, when the prepared laminate is pressed for less than 3 minutes, the engraved pattern is regenerated If the prepared laminate is pressurized for more than 10 minutes, it may cause a problem of damaging the gas diffusion layer. Therefore, it is preferable to pressurize the prepared laminate for 3 to 10 minutes, And the structural stability of the gas diffusion layer It is more preferable to press the prepared laminate for 5 minutes.

이하, 하기 실시예에 의해 본 발명인 마이크로 패턴이 형성된 일체형의 리튬-공기전지용 양극 제조방법을 보다 상세하게 설명한다. 다만, 이러한 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, a method of manufacturing an integral positive electrode for a lithium-air battery in which a micropattern according to the present invention is formed will be described in more detail with reference to the following examples. However, the present invention is not limited by these examples.

<실시예 1> 마이크로 패턴이 형성된 일체형의 리튬-공기전지용 양극 제조<Example 1> Preparation of a positive electrode for a lithium-air battery having a micro pattern formed therein

1. 촉매층인 탄소나노섬유의 준비1. Preparation of carbon nanofiber as catalyst layer

전기방사(electrospinning)법을 이용하여 탄소나노섬유를 준비하였다.Carbon nanofibers were prepared by electrospinning.

먼저, 폴리아크릴로나이트릴(Polyacrylonitrile; 이하 'PAN', MW = 150,000) 1 g과 N,N-디메틸포름아마이드(N,N-Dimethylformamide; 이하 'DMF', > 99.8% 순도) 10 g을 패이스트 믹서(동서과학)를 이용하여 균일한 전기방사용액을 준비하였다.First, 1 g of polyacrylonitrile (hereinafter referred to as 'PAN', MW = 150,000) and 10 g of N, N-Dimethylformamide (hereinafter referred to as 'DMF',> 99.8% A homogeneous electric spinning solution was prepared using an East Mixer (East-West Science).

준비된 전기방사용액을 23-gauge 바늘이 달린 10 ㎖ 부피의 플라스틱 주사기에 채운 후, 전기방사가 진행되는 동안 20 μℓ/min의 속도로 주사되도록 펌프를 설정해 주었다. The prepared electrosurgical fluid was filled into a 10 ml plastic syringe with a 23-gauge needle and the pump was set to be injected at a rate of 20 l / min during electrospinning.

주사기 끝에서 20 cm 되는 지점에 콜렉터 표면(collector surface)으로 알루미늄 호일(Al foil)을 설치하고 그 사이에 가해지는 전압은 20 kV로 설정하여 전기방사를 수행함으로써 폴리아크릴로나이트릴 나노섬유를 얻었다.The polyacrylonitrile nanofiber was obtained by applying an aluminum foil (collector foil) to a collector surface at a point 20 cm from the end of the syringe and electrospinning the applied voltage at 20 kV .

폴리아크릴로나이트릴 나노섬유의 불순물을 제거하기 위해 1 ℃/min의 승온속도로 대기 분위기 하에서 250℃로 가열한 후 3시간 동안 유지시켜 주었다. In order to remove impurities of the polyacrylonitrile nanofiber, the sheet was heated to 250 DEG C in an atmospheric environment at a rate of 1 DEG C / min, and then held for 3 hours.

그 후, 샘플의 결정화를 위한 카본화 과정은 5 ℃/min의 승온속도로 하여, 질소 분위기에서 900℃로 3시간 동안 열처리를 진행하여 촉매층인 탄소나노섬유를 제조하였다.Thereafter, the carbonization process for crystallization of the sample was conducted at a temperature raising rate of 5 ° C / min, and then heat-treated at 900 ° C for 3 hours in a nitrogen atmosphere to prepare a carbon nanofiber as a catalyst layer.

2. 촉매층과 촉매층과 가스확산층 표면 상에 마이크로패턴이 형성된 일체형의 리튬-공기전지용 양극 제조2. Manufacture of positive electrode for integrated lithium-air battery in which a micropattern is formed on the surface of catalyst layer, catalyst layer and gas diffusion layer

가스확산층인 탄소 페이퍼(Toray TGP-H-060) 상에 촉매층인 탄소나노섬유를 적층한 후 최상단에 격자 모양의 패턴이 새겨진 듀랄루민 소재의 금속 몰드를 적층하여 적층체를 준비하였다.Carbon nanofibers as a catalyst layer were laminated on a carbon paper (Toray TGP-H-060) as a gas diffusion layer, and metal molds of a duralumin material having a lattice pattern engraved on the top were laminated to prepare a laminate.

그 후, 13 MPa의 압력으로 5분 동안 가압한 후 금속 몰드를 제거하여 촉매층인 탄소나노섬유 표면 상에 마이크로 패턴 새겨진 일체형의 리튬-공기전지용 양극(이하 'M-GDL')을 제조하였다.Thereafter, the mixture was pressurized at a pressure of 13 MPa for 5 minutes, and the metal mold was removed to produce an integral lithium-pneumatic battery anode (hereinafter referred to as "M-GDL") micropatterned on the surface of the carbon nanofibers serving as the catalyst layer.

<비교예 1> 마이크로 패턴을 포함하지 않은 일체형의 리튬-공기전지용 양극 제조&Lt; Comparative Example 1 > Preparation of a positive electrode for an integrated lithium-air battery not including a micropattern

격자 모양의 패턴이 새겨지지 않은 듀랄루민 소재의 금속 몰드를 이용하여 일체형의 리튬-공기전지용 양극(이하 'P-GDL')을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 조건이었다.The same conditions as those of Example 1 were obtained except that a lithium-air battery anode (hereinafter referred to as "P-GDL") was produced by using a duralumin-based metal mold in which a lattice pattern was not formed.

<실험예 1> 실시예 1 및 비교예 1에 의해 제조된 일체형의 리튬-공기전지용 양극의 구조 분석<Experimental Example 1> Structural analysis of the anode for lithium-air battery of Example 1 prepared in Example 1 and Comparative Example 1

도 1은 듀랄루민 소재로 이루어진 금속 몰드의 패턴을 관찰하기 위해 광학현미경(Nicon TS100)을 이용하여 광학 이미지(a,d)를 관찰하였다.1, optical images (a, d) were observed using an optical microscope (Nicon TS100) to observe patterns of metal molds made of duralumin.

도 1(a)는 듀랄루민 소재로 이루어진 금속 몰드의 표면 광학 이미지를 나타낸 도면이다. 구체적으로, 금속 몰드 표면에 격자 모양의 패턴이 새겨져 있는 것을 확인하였고, 패턴의 확대한 이미지를 도 1(d)에 나타내었다. 1 (a) is a view showing a surface optical image of a metal mold made of duralumin. Specifically, it was confirmed that a lattice pattern was engraved on the surface of the metal mold, and an enlarged image of the pattern was shown in Fig. 1 (d).

격자 모양의 패턴을 구체적으로 살펴보면, 가운데에 사각형 모양이 음각 형태로 존재하고, 주변에는 양각 형태로 직선들이 격자 모양을 형성하고 있는 것을 확인하였다.The lattice pattern was examined in detail. It was confirmed that the rectangle had a rectangular shape in the center and the straight lines formed a relief shape in the periphery.

또한, 도 1(b) 및 도 1(c)는 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope; 이하 'SEM', JEOL-7800)을 이용한 각 샘플의 단면 이미지(b,c)를 나타낸 도면이다.1 (b) and 1 (c) are cross-sectional images (b, c) of respective samples using a scanning electron microscope (SEM) (JEOL-7800).

구체적으로, 실시예 1에 의해 제조된 M-GDL 샘플은 패턴에 의해 각 단면의 모양이 평탄하지 않고, 울퉁불퉁한 3차원의 구조가 형성된 것을 확인(도 1(b) 참조)하였고, 비교예 1에 의해 제조된 P-GDL 샘플의 단면은 평면 형태의 단면이 관찰(도 1(c) 참조)되었다.Specifically, the M-GDL sample prepared in Example 1 confirmed that the shape of each cross-section was not planar and a rugged three-dimensional structure was formed by the pattern (see Fig. 1 (b) The cross section of the P-GDL sample prepared by this method was observed in a plane cross section (see Fig. 1 (c)).

또한, 도 1(e) 및 도 1(f)는 SEM을 이용한 각 샘플의 표면 이미지(e,f)를 나타낸 도면이다.1 (e) and 1 (f) are diagrams showing surface images (e, f) of each sample using an SEM.

구체적으로, 실시예 1에 의해 제조된 M-GDL 샘플은 가운데가 움푹 파인 격자의 형태를 확인(도 1(e) 참조)하였고, 비교예 1에 의해 제조된 P-GDL 샘플은 평평한 탄소 페이퍼 그대로의 모양(도 1(f) 참조)을 나타내었다.Specifically, the M-GDL sample prepared in Example 1 was confirmed to have a shape of a center-pitted lattice (see FIG. 1 (e)), and the P-GDL sample prepared in Comparative Example 1 was flat carbon paper (See Fig. 1 (f)).

상기 결과를 통해 방전가공(electrical discharge machining; 이하 'EDM') 공정에 의해 금속 몰드에 새겨진 패턴이 패턴공정을 통해 그대로 탄소 페이퍼에 새겨졌다는 것을 확인할 수 있었다.From the above results, it was confirmed that the pattern engraved in the metal mold by the electrical discharge machining (EDM) process was directly embedded in the carbon paper through the patterning process.

또한 이미지의 스케일 바를 통해 각 샘플의 패턴이 micro-scale의 크기로 제조된 것을 확인할 수 있었다. Also, the scale bar of the image shows that the pattern of each sample was fabricated with a micro-scale size.

<실험예 2> 실시예 1 및 비교예 1에 의해 제조된 일체형의 리튬-공기전지용 양극의 전기화학적 특성 분석EXPERIMENTAL EXAMPLE 2 Electrochemical Characteristic Analysis of the Integrated Li-air Battery Cathode Prepared by Example 1 and Comparative Example 1

1. 전기화학 테스트1. Electrochemical test

상기 실시예 1 및 비교예 1에 의해 제조된 일체형의 리튬-공기전지용 양극 의 수분을 제거하기 위해 110℃의 오븐에서 24시간동안 건조시켰다. The battery was dried in an oven at 110 DEG C for 24 hours to remove moisture from the positive electrode for the integrated lithium-air battery produced in Example 1 and Comparative Example 1. [

건조가 끝난 후 순수한 아르곤 기체로 유지되어 있는 그루브 박스 안에서 조립하였으며, 상대 전극으로는 리튬 메탈을 이용하였다.After drying, it was assembled in a groove box maintained with pure argon gas, and lithium metal was used as a counter electrode.

전해질로는 리튬 이온의 이동을 위한 염으로서 비스(트리플루오로메탄)술폰아미드 리튬염 (Bis(trifluoromethane)sulfonamide lithium salt; LiTFSI)과 용매의 역할을 하는 트리에틸렌 글리콜 디메틸 에터(Triethylene glycol dimethyl ether; TEGDME)의 혼합용액을 이용하였다. As the electrolyte, a bis (trifluoromethane) sulfonamide lithium salt (LiTFSI) and a triethylene glycol dimethyl ether (LiTFSI) acting as a solvent are used as a salt for lithium ion migration. TEGDME) was used.

조립한 리튬-공기전지는 수분이 5 % 이하로 제어되고, 산소가 포화상태인 케이스에서 하루 동안 안정화 시킨 후 전기화학적 특성을 분석하였다.The assembled lithium - air cells were controlled for moisture content below 5%, and stabilized for one day in a case where oxygen was saturated, and then the electrochemical characteristics were analyzed.

2. 충방전 곡선 분석2. Charge / discharge curve analysis

도 2는 실시예 1에 의해 제조된 M-GDL(a), 비교예 1에 의해 제조된 P-GDL(b)의 다양한 전류밀도(100 mA/g, 200 mA/g, 500 mA/g, 1000 mA/g, 및 2000 mA/g)에서의 충방전 곡선을 나타낸 도면이다.FIG. 2 is a graph showing the current density (100 mA / g, 200 mA / g, 500 mA / g) of the M-GDL (a) prepared in Example 1 and the P- 1000 mA / g, and 2000 mA / g).

도 2(a) 및 도 2(b)를 참조하면, 전류밀도가 증가함에 따라 저항이 증가함으로써 나타나는 전지의 특성에 기인하여 실시예 1에 의해 제조된 M-GDL, 및 비교예 1에 의해 제조된 P-GDL 모두에서 전류밀도 값이 증가할수록 방전곡선의 전위가 점차 낮아지는 것을 확인하였다.2 (a) and 2 (b), the M-GDL produced in Example 1 and the M-GDL produced in Comparative Example 1 due to the characteristics of the battery exhibited by increasing the resistance with increasing current density It was confirmed that the electric potential of the discharge curve gradually decreased as the current density value was increased in the P-GDL.

3. 1000 mA/g, 및 2000 mA/g의 높은 전류밀도에서의 방전곡선 변화 분석3. Analysis of discharge curves at high current densities of 1000 mA / g and 2000 mA / g

도 2(c)는 1000 mA/g, 및 2000 mA/g의 높은 전류밀도에서 진행된 실시예 1에 의해 제조된 M-GDL, 비교예 1에 의해 제조된 P-GDL의 방전 그래프를 나타낸 도면이다.2 (c) is a graph showing a discharge graph of the M-GDL prepared in Example 1 and the P-GDL prepared in Comparative Example 1, which proceed at a high current density of 1000 mA / g and 2000 mA / g .

도 2(c)를 참조하면, 1000 mA/g, 및 2000 mA/g의 높은 전류밀도에서의 방전곡선의 변화를 면밀히 관찰하기 위해 y축의 scale을 변화시켜 자세한 값을 나타내었다. Referring to FIG. 2 (c), the scale of the y-axis is varied in order to closely observe the change of the discharge curve at a high current density of 1000 mA / g and 2000 mA / g.

구체적으로, 실시예 1에 의해 제조된 M-GDL, 및 비교예 1에 의해 제조된 P-GDL 두 샘플의 차이가 선명하게 나타났다. 높은 전류밀도인 2000 mA/g에서의 전위 감소가 실시예 1에 의해 제조된 M-GDL 샘플이 비교예 1에 의해 제조된 P-GDL 샘플에 비해 매우 적게 나타났다.Specifically, the difference between the two samples of the M-GDL prepared in Example 1 and the P-GDL prepared in Comparative Example 1 clearly appeared. The decrease in dislocation at 2000 mA / g, which is a high current density, was much less than that of the P-GDL sample prepared by Comparative Example 1 with the M-GDL sample prepared by Example 1.

반면에, 비교예 1에 의해 제조된 P-GDL 샘플은 500 mAh/g 이전에 방전 cut-off potential이 2.2 V까지 감소하여 방전이 종료된 반면, 실시예 1에 의해 제조된 M-GDL 샘플은 500 mAh/g 이후까지도 계속 방전을 진행하는 것을 통해 방전용량이 증가하였음을 확인하였다.On the other hand, the P-GDL sample prepared in Comparative Example 1 had discharge cut-off potential reduced to 2.2 V before 500 mAh / g, whereas the M-GDL sample prepared in Example 1 It was confirmed that the discharging capacity was increased by continuing the discharge even after 500 mAh / g.

4. 율속특성 분석4. Analysis of rate-limiting characteristics

도 2(d)는 실시예 1에 의해 제조된 M-GDL, 및 비교예 1에 의해 제조된 P-GDL의 율속특성을 수치적으로 알아보기 위해, 각각의 전류밀도 값에서 가지는 방전용량 1/2 지점(250 mAh/g)에서의 전위를 나타낸 도면이다.FIG. 2 (d) is a graph showing the relationship between the discharge capacity 1/2 and the discharge capacity at each current density value, in order to numerically examine the rate characteristics of the M-GDL produced by Example 1 and the P- 2 shows the potential at the point (250 mAh / g).

도 2(d)를 참조하면, 모든 전류밀도에서 실시예 1에 의해 제조된 M-GDL 샘플이 높은 전위 값을 가지는 것을 확인할 수 있었다. Referring to FIG. 2 (d), it was confirmed that the M-GDL sample prepared in Example 1 had a high potential at all current densities.

또한, 2000 mA/g의 전류밀도에서 리튬-공기전지의 이론 방전전압인 2.96 V와 대비하여 실시예 1에 의해 제조된 M-GDL 샘플은 0.543 V이었고, 비교예 1에 의해 제조된 P-GDL 샘플은 0.7 V의 과전압이 측정되는데, 과전압을 기준으로 비교 시 실시예 1에 의해 제조된 M-GDL 샘플이 비교예 1에 의해 제조된 P-GDL 샘플에 비해 23.5%의 낮은 과전압을 나타내는 것을 알 수 있었다. Also, at the current density of 2000 mA / g, the M-GDL sample prepared by Example 1 was 0.543 V, as compared with the theoretical discharge voltage of 2.96 V of the lithium-air battery, and the P-GDL The sample was measured for an overvoltage of 0.7 V. It was found that the M-GDL sample prepared according to Example 1 exhibited a low overvoltage of 23.5% as compared with the P-GDL sample prepared according to Comparative Example 1, I could.

5. 순환전류전압법(Cyclic voltammetry; 이하 'CV') 분석5. Cyclic voltammetry (CV) analysis

실시예 1에 의해 제조된 M-GDL, 및 비교예 1에 의해 제조된 P-GDL의 촉매로서의 성능을 확인하기 위해 0.5 mV/s의 스캔속도로 CV 분석을 수행하였다.CV analysis was performed at a scan rate of 0.5 mV / s to confirm the performance of the M-GDL prepared in Example 1 and the P-GDL prepared in Comparative Example 1 as a catalyst.

구체적으로, 도 3(a)을 참조하면, 실시예 1에 의해 제조된 M-GDL 샘플은 비교예 1에 의해 제조된 P-GDL 샘플에 비해 높은 산소환원반응(oxygen reduction reaction; ORR) 피크 전류밀도를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 3 (a), the M-GDL sample prepared in Example 1 has a higher oxygen reduction reaction (ORR) peak current than the P-GDL sample prepared in Comparative Example 1 And it was confirmed that it represents density.

높은 전류밀도는 해당 전압에서의 반응 정도를 나타낸다. The high current density represents the degree of reaction at that voltage.

구체적으로, 실시예 1에 의해 제조된 M-GDL 샘플과 비교예 1에 의해 제조된 P-GDL 샘플의 가장 높은 전류밀도 값을 비교하면, 실시예 1에 의해 제조된 M-GDL 샘플은 2.266 A/g의 전류밀도를 나타내었고, 비교예 1에 의해 제조된 P-GDL 샘플은 0.834 A/g의 전류밀도를 나타내었다.Specifically, when comparing the highest current density values of the M-GDL sample prepared in Example 1 with the P-GDL sample prepared in Comparative Example 1, the M-GDL sample prepared in Example 1 had a peak value of 2.266 A / g, and the P-GDL sample prepared in Comparative Example 1 showed a current density of 0.834 A / g.

즉, 실시예 1에 의해 제조된 M-GDL 샘플의 전류밀도가 비교예 1에 의해 제조된 P-GDL 샘플에 비해서 약 2.71배 높은 수치를 나타내었다. That is, the current density of the M-GDL sample prepared in Example 1 was about 2.71 times higher than that of the P-GDL sample prepared in Comparative Example 1.

6. 선형주사전위법(Linear sweep voltammetry; 이하 'LSV') 분석6. Linear sweep voltammetry (LSV) analysis

실시예 1에 의해 제조된 M-GDL, 및 비교예 1에 의해 제조된 P-GDL 샘플의 상대적 반응속도를 확인하기 위해 LSV 분석을 수행하였고, 그 결과를 도 3(b)에 나타내었다.LSV analysis was performed to confirm the relative reaction rates of the M-GDL prepared in Example 1 and the P-GDL sample prepared in Comparative Example 1, and the results are shown in FIG. 3 (b).

도 3(b)를 참조하면, -0.1 A/g의 전류밀도에서 실시예 1에 의해 제조된 M-GDL, 및 비교예 1에 의해 제조된 P-GDL 샘플의 전위를 분석한 결과, 실시예 1에 의해 제조된 M-GDL 샘플은 2.697 V의 전위 값이 측정되었고, 비교예 1에 의해 제조된 P-GDL 샘플은 2.671 V의 전위 값이 측정되었다.Referring to FIG. 3 (b), the potentials of the M-GDL prepared in Example 1 and the P-GDL sample prepared in Comparative Example 1 at a current density of -0.1 A / g were analyzed, The M-GDL sample prepared by 1 had a potential value of 2.697 V, and the P-GDL sample prepared by Comparative Example 1 had a potential value of 2.671 V.

즉, 실시예 1에 의해 제조된 M-GDL 샘플이 약 26 mV의 높은 개시전위(on set potential)를 나타내는 것을 확인 할 수 있었다. That is, it was confirmed that the M-GDL sample prepared by Example 1 exhibited a high set potential of about 26 mV.

높은 개시전위는 반응 속도의 척도를 나타내는 하나의 수치이며, 이러한 결과를 통해서 3차원 구조의 패턴을 가지는 실시예 1에 의해 제조된 M-GDL 샘플은 표면적이 증가하였고, 이로 인해 면적당 표면적이이 확장되었기 때문에 진행된 전기화학분석에서 향상된 성능을 나타내었다.The high initiation potential is a measure of the rate of the reaction. From these results it can be seen that the M-GDL sample prepared according to Example 1 having a pattern of three-dimensional structure has an increased surface area, And thus showed improved performance in advanced electrochemical analysis.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. It is to be understood that various modifications and changes may be made without departing from the scope of the appended claims.

Claims (5)

촉매층을 준비하는 단계;
상기 준비된 촉매층과 격자 모양의 패턴이 새겨진 금속 몰드를 가스확산층 상에 순차적으로 적층시켜 적층체를 준비하는 단계; 및
상기 준비된 적층체를 가압한 후 적층체 상부에 위치한 금속 몰드를 제거하여 촉매층과 가스확산층의 표면 상에 마이크로 패턴을 형성하는 단계;
를 포함하는, 마이크로 패턴이 형성된 일체형의 리튬-공기전지용 양극 제조방법.
Preparing a catalyst layer;
Preparing a laminate by sequentially laminating the prepared catalyst layer and a metal mold having a lattice pattern engraved on the gas diffusion layer; And
Forming a micropattern on the surface of the catalyst layer and the gas diffusion layer by removing the metal mold located above the stacked body after pressing the prepared stacked body;
Wherein the micropattern is formed on the surface of the anode.
청구항 1에 있어서,
상기 촉매층은,
탄소나노섬유 또는 탄소나노튜브 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 마이크로 패턴이 형성된 일체형의 리튬-공기전지용 양극 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the catalyst layer comprises:
Carbon nanofibers, and carbon nanotubes, wherein the micropattern is formed on the surface of the anode.
청구항 1에 있어서,
상기 금속 몰드는,
듀랄루민(duralumin) 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는, 마이크로 패턴이 형성된 일체형의 리튬-공기전지용 양극 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the metal mold comprises:
A method for manufacturing a positive electrode for a lithium-air battery in which a micropattern is formed, which is formed of a duralumin material.
청구항 1에 있어서,
상기 가스확산층은,
활성탄, 탄소 블랙(carbon black), 탄소 클로스(carbon cloth), 및 탄소 페이퍼(carbon paper)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 마이크로 패턴이 형성된 일체형의 리튬-공기전지용 양극 제조방법.
The method according to claim 1,
The gas diffusion layer
Wherein the positive electrode is any one selected from the group consisting of activated carbon, carbon black, carbon cloth, and carbon paper.
청구항 1에 있어서,
상기 촉매층과 가스확산층의 표면 상에 마이크로 패턴을 형성하는 단계는,
상기 준비된 적층체를 10 내지 15 MPa의 압력으로 3 내지 10분 동안 가압한 후 적층체 상부에 위치한 금속 몰드를 제거하여 촉매층과 가스확산층의 표면 상에 마이크로 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는, 마이크로 패턴이 형성된 일체형의 리튬-공기전지용 양극 제조방법.
The method according to claim 1,
Forming a micropattern on the surface of the catalyst layer and the gas diffusion layer,
Characterized in that the prepared laminate is pressurized at a pressure of 10 to 15 MPa for 3 to 10 minutes and then a metal mold located on the laminate is removed to form a micropattern on the surface of the catalyst layer and the gas diffusion layer, Wherein the positive electrode and the negative electrode are made of a metal.
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