KR101984715B1 - 연속 이온 담지를 통한 리튬 공기 전지의 금속화합물계 촉매층을 형성하는 방법 및 이를 이용하여 제조된 리튬 공기 전지 - Google Patents

연속 이온 담지를 통한 리튬 공기 전지의 금속화합물계 촉매층을 형성하는 방법 및 이를 이용하여 제조된 리튬 공기 전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연속 이온 담지 공정을 통해 리튬 공기 전지 공기극을 금속화합물계 촉매로 코팅하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 리튬 공기 전지의 충전 과전압 증가를 방지하고 리튬 공기 전지의 사이클 수명을 개선할 수 있어 유용하다.

Description

연속 이온 담지를 통한 리튬 공기 전지의 금속화합물계 촉매층을 형성하는 방법 및 이를 이용하여 제조된 리튬 공기 전지{Method for forming a metallic compound catalyst layer through continuous ion impregnation and Lithium air battery manufactured by using the same}
본 발명은 연속 이온 담지 공정을 통해 리튬 공기 전지의 금속화합물계 촉매층을 형성하는 방법에 관한 것이다.
리튬 공기 전지는 중량 에너지 밀도가 약 500Wh/kg 이상으로, 현재의 리튬 이온 배터리(200Wh/kg)나 차세대 리튬 이온 배터리(300Wh/kg)에 비하여 월등히 높기 때문에, 1회 충전 장거리 주행이 가능한 전기차용 배터리로 많은 연구가 진행되고 있다.
리튬 공기 전지는 에너지 밀도가 높은 반면에 충전시 과전압이 크고, 사이클 수명이 짧다는 문제점이 있다. 리튬 공기 전지의 사이클 수명이 짧은 한 가지 원인으로는 공기 분위기 하에서 여러 가지 부반응, 예를 들면 전해질 분해 반응, 카본 전극과 산소와의 부반응, 반응 생성물과 전해질간 부반응, 반응 생성물과 카본 전극간의 부반응 등이 발생하기 때문이다. 이러한 부반응을 줄이기 위한 방안으로 충전시 과전압을 줄여 전지 작동 전압을 낮추거나, 반응성 있는 카본 전극을 비활성화시키거나, 카본 전극 대신에 TiC 혹은 금(gold)으로 된 전극을 사용하는 방법 등이 보고되었다.
한편, 현재 리튬 공기 전지의 공기극은 대부분 기체 투과성의 다공성 기판(gas diffusion layer)
위에 도전재를 코팅하여 사용하고 있다. Ketjen black, Super P, 활성탄소 등의 다양한 도전성, 다공성 탄소 재료들을 이용하여 제조되고 있으나 충전 시 고전압 환경에서 전해액과의 부반응으로 인해 안정하지 못하다는 한계가 있다. 따라서 충전 시의 과전압 절감 및 사이클 수명 향상을 위해 금속계 촉매 층을 공기극에 담지 또는 코팅하여 전지의 성능을 향상시키는 방법이 널리 쓰이고 있다. 현재까지의 널리 알려진 촉매/도전재 복합 전극의 제조 방법은 나노 구조체 제조 및 물리적 혼합이나 수열합성법 등이 알려져 있으나, 대개의 방법은 장시간, 고온, 고압 환경에서의 batch 반응이 주를 이루고 있다. 따라서 대량의 촉매/도전재 복합체 제조 및 대면적 전극의 촉매 담지에 있어 반응 용기의 용량에 매우 의존적이며, 제조 시간 및 합성 원료의 사용에 있어 경제적이지 못하다는 문제가 있다.
이에 본 발명자들은 리튬 공기 전지의 성능을 개선할 수 있는 방안을 개발하고자 노력한 결과, 양이온 및 음이온이 포함된 전구체 용액을 각각 제조하고 리튬 공기 전지의 기판을 양이온 및 음이온 전구체 용액에 순차적으로 담구고 세척하는 과정을 반복함으로써 리튬 공기 전지의 기판을 금속 화합물계 층으로 코팅하는 방법을 완성하게 되었다.
본 발명의 목적은 리튬 공기 전지의 전극용 기판을 양이온 및 음이온 전구체 용액에 순차적으로 담구고 세척하는 과정을 반복함으로써 충전시 과전압 증가를 방지하고 사이클 수명이 개선된 리튬 공기 전지를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, (a) 양이온 전구체 용액 및 음이온 전구체 용액을 준비하는 단계; 및 (b) 기판을 양이온 전구체 용액과 음이온 전구체 용액에 순차적으로 담근 후 빼내는 단계를 포함하는 리튬 공기 전지의 금속화합물계 촉매층을 형성하는 방법을 제공한다.
상기 양이온은 루테늄 이온, 구리 이온, 납 이온, 카드뮴 이온, 아연 이온, 타이타늄 이온 및 은 이온으로 구성된 군에서 선택될 수 있다.
상기 음이온은 산소 이온, 황 이온 및 셀레늄 이온으로 구성된 군에서 선택될 수 있다.
상기 (b) 단계는 2 내지 10회 반복할 수 있다.
상기 (b) 단계는 상온 및 상압에서 이루어질 수 있다.
상기 (b) 단계 이후에 건조 단계(c)를 더 포함하며, 상기 (c) 단계는 110 내지 150℃에서 10 내지 14시간 동안 건조시킬 수 있다.
상기 기판 표면에는 도전성 재료 및 바인더를 포함하는 층이 형성되어 있고, 상기 금속화합물계 촉매층은 상기 도전성 재료 및 바인더를 포함하는 층에 담지될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 산소를 양극 활물질로 사용하는 양극, 상기 양극과 이격되어 배치되는 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 전해질을 포함하는 리튬 공기 전지에 있어서, 상기 양극 표면에 양이온 층 및 음이온 층이 순차적으로 흡착된 금속화합물계 촉매층이 형성된 것을 특징으로 하는 리튬 공기 전지를 제공한다.
상기 양이온은 루테늄 이온, 구리 이온, 납 이온, 카드뮴 이온, 아연 이온, 타이타늄 이온 및 은 이온으로 구성된 군에서 선택될 수 있다.
상기 음이온은 산소 이온, 황 이온 및 셀레늄 이온으로 구성된 군에서 선택될 수 있다.
상기 리튬 공기 전지는 리튬 공기 전지의 충전 시 과전압이 감소할 수 있다.
본 발명에 따르면 리튬 공기 전지의 충전 과전압 증가를 방지하고 리튬 공기 전지의 사이클 수명을 개선할 수 있어 유용하다.
도 1은 연속 이온 담지를 통해 리튬 공기 전지의 기판에 금속 화합물계 촉매층을 형성하는 과정을 나타낸 모식도이다.
도 2는 탄소 도전재만으로 이루어진 탄소 전극 및 산화루테늄이 코팅된 탄소 전극을 이용한 리튬 공기 전지의 충/방전 곡선을 비교한 것이다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 공기 전지의 금속화합물계 촉매층을 형성하는 방법은 (a) 양이온 전구체 용액 및 음이온 전구체 용액을 준비하는 단계; 및 (b) 기판을 양이온 전구체 용액과 음이온 전구체 용액에 순차적으로 담근 후 빼내는 단계; 및 선택적으로, (c) 상기 전극을 건조시키는 단계를 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 양이온은 루테늄 이온, 구리 이온, 납 이온, 카드뮴 이온, 아연 이온, 타이타늄 이온 및 은 이온으로 구성된 군에서 선택되고, 상기 음이온은 산소 이온, 황 이온 및 셀레늄 이온으로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 할 수 있다.
예를 들어, 상기 양이온이 루테늄 이온인 경우, 상기 양이온 전구체 용액은 염화루테늄(RuCl2)을 증류수에 용해시킨 것을 사용할 수 있고, 상기 음이온이 산소 이온인 경우 상기 음이온 전구체 용액은 증류수일 수 있다.
상기 (b) 단계에서 상기 양이온 전구체 용액에 상기 기판을 함침시키면 Ru+ 이온이 상기 기판 표면에 이온 상태로 흡착하게 되고, 이를 상기 음이온 전구체 용액에 함침시키면 증류수의 OH- 이온이 상기 양이온 표면에 흡착되어 RuOH 화합물이 형성된 후, 상기 RuOH 화합물의 대부분은 RuO2 화합물로 산화되어 촉매층이 형성된다.
본 발명에 있어서, 상기 (b) 단계는 2 내지 10회 반복하는 것을 특징으로 할 수 있다. 상기 (b) 단계가 2회 미만으로 반복하는 경우 금속화합물계 촉매층이 담체에 충분히 코팅되지 않아 전해질과의 부반응이 발생될 수 있다. 즉, 상기 (b) 단계의 반복 횟수가 적을 경우 코팅되는 양이 적어 기판 표면이나 탄소 담체 등의 표면을 완벽히 막을 수 없어 촉매층이 코팅되지 않은 부분에서 부반응이 일어날 수 있다. 다만, 상기 반복 횟수가 10 회를 초과하여 늘어날 경우 금속화합물계 촉매층으로부터 도전재까지의 전기 전도 길이(path) 증가에 따른 전하 손실이 우려될 수 있고, 전극 무게가 증가할 수 있어 무게당 에너지 밀도가 낮아질 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 (b) 단계는 상온 및 상압에서 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다. 상기 상온은 20 내지 30℃ 정도이고, 상압은 0.5 내지 1.5 atm 정도이나, 이는 상기 (b) 단계가 특별한 온도 및 압력 조건 없이 진행된다는 것을 설명하기 위한 것이고, 본 발명이 상기 조건에 특별히 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 있어서, 상기 (c) 단계는 110 내지 150℃에서 10 내지 14시간 동안 건조시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 건조는 촉매층 형성시 사용되는 용매(증류수 등)의 제거를 위한 공정으로, PVDF 등의 바인더를 사용한 경우 상기 바인더의 녹는점(약 160℃) 때문에 150℃ 이하에서 건조를 진행하는 것이 바람직하다. 또한, 전지 내 수분이 과량 포함될 경우 수분에 취약한 리튬 금속 음극이 산화되어 전지가 퇴화될 가능성이 매우 높기 때문에 건조 시간은 10 시간 이상인 것이 바람직하나, 건조 시간이 늘어나더라도 기술적인 문제는 발생하지 않으며, 다만 공정 비용 증가만이 문제될 수 있다.
상기 건조 온도가 110℃ 미만인 경우 공기극 내 수분이 완벽히 증발하지 않고 잔존하게 되어 리튬 공기 전지 제작 후 전해질 내에 수분의 함량이 증가하거나 리튬 금속이 산화하는 등의 문제가 있을 수 있고, 150℃를 초과하는 경우 공기극 내 바인더의 액화가 진행되어 다공성 구조체가 파괴되거나 전극이 기체 확산층으로부터 박리될 수 있으며, 건조 시간이 10 시간 미만인 경우 수분이 잔존할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 기판 표면에는 도전성 재료 및 바인더를 포함하는 층이 형성되어 있고, 상기 금속화합물계 촉매층은 상기 도전성 재료 및 바인더를 포함하는 층에 담지되는 것을 특징으로 할 수 있다. 상기 도전성 재료 및 바인더를 포함하는 층에 대해서는 후술한다.
본 발명은 다른 일 실시예에 따른 리튬 공기 전지는 산소를 양극 활물질로 사용하는 양극, 상기 양극과 이격되어 배치되는 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 전해질을 포함하는 리튬 공기 전지에 있어서, 상기 양극 표면에 양이온 층 및 음이온 층이 순차적으로 흡착된 금속화합물계 촉매층이 형성된다.
본 발명에 따른 리튬 공기 전지는 충전 시 과전압이 감소하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 양이온은 루테늄 이온, 구리 이온, 납 이온, 카드뮴 이온, 아연 이온, 타이타늄 이온 및 은 이온으로 구성된 군에서 선택되고, 상기 음이온은 산소 이온, 황 이온 및 셀레늄 이온으로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 할 수 있다.
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.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 공기 전지는 공기 중의 산소를 양극 활물질로 하여 산소의 산화 환원 촉매를 포함하는 양극, 리튬 이온의 흡장 및 방출이 가능한 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되며 리튬 이온 전도성 매체인 전해질을 포함한다.
상기 양극은 제1 집전체 상에 형성되며, 산소를 활물질로 한다. 그리고 상기 음극은 제2 집전체 상에 형성되며 리튬의 저장/방출이 가능하다. 상기 집전체로서는 산소의 확산을 신속하게 하기 위하여 망상 또는 메시 모양 등의 다공체를 이용할 수 있으며, 스테인레스강, 니켈, 알루미늄 등의 다공성 금속판 또는 카본페이퍼를 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.
한편, 상기 산소를 양극 활물질로 사용하는 양극은 도전성 재료를 포함할 수 있다. 상기 도전성 재료는 다공성일 수 있다. 따라서, 상기 도전성 재료로는 다공성 및 도전성을 갖는 것이라면 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어 다공성을 갖는 탄소계 물질을 사용할 수 있다. 이와 같은 탄소계 물질로는 카본 블랙, 그래파이트, 그라펜, 활성탄, 탄소섬유 등을 사용할 수 있다. 또한, 상기 도전성 재료로는 금속 섬유, 금속 메쉬 등의 금속성 도전성 재료; 구리, 은, 니켈, 알루미늄 등의 금속성 분말; 또는 폴리페닐렌 유도체 등의 유기 도전성 재료도 사용할 수 있다. 상기 도전성 재료들은 단독 또는 혼합하여 사용될 수 있다.
상기 양극은 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-헥사 플루오로프로필렌 공중합체, 불화비닐리덴-클로로트리플루오로에틸렌 공중합체, 에틸렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체, 폴리클로로트리플루오로에틸렌, 불화비니리덴-펜타프루오로 프로필렌 공중하체, 프로필렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체, 에틸렌-클로로트리플루오로에틸렌 공중합체, 불화비닐리덴-헥사플루오로프로필렌-테트라 플루오로에틸렌 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.
상기 양극은, 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 양극은 선택적으로 리튬 산화물을 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명에서 상기 양극은 도전성 재료 및 바인더를 혼합한 후 적당한 용매를 첨가하여 슬러리를 제조한 후 집전체 표면에 도포 및 건조하여 준비된 기판 표면에 상기 촉매층을 연속 이온 담지를 통한 금속화합물계 촉매층 형성 방법에 의하여 양극을 제조할 수 있다.
상기 리튬을 흡장 및 방출할 수 있는 음극은 리튬 금속, 리튬 금속 기반의 합금 또는 리튬을 흡장 및 방출할 수 있는 물질을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 리튬 금속 기반의 합금은 예를 들어 알루미늄, 주석, 마그네슘, 인듐, 칼슘, 게르마늄, 안티몬, 비스무스, 납 등과 리튬의 합금 등일 수 있다.
상기 전해질은 수계 전해질, 비수계 전해질, 또는 이들의 혼합일 수 있다. 상기 비수계 전해질은 비양성자성 용매를 포함할 수 있다. 상기 비양성자성 용매로는, 예를 들어, 카보네이트계, 에스테르계, 에테르계, 케톤계, 아민계 또는 포스핀계 용매가 사용될 수 있다.
상기 에테르계 용매는 비환형 에테르(acyclic ethers) 또는 환형 에테르(cyclic ethers)를 포함하는 것이다.
비제한적인 예로, 상기 비환형 에테르는 1,2-디메톡시에탄(1,2-dimethoxyethane), 1,2-디에톡시에탄(1,2-diethoxyethane), 1,2-디부톡시에탄(1,2-dibuthoxyethane), 디에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(diethylene glycol dimethyl ether), 디에틸렌 글리콜 디에틸 에테르(diethylene glycol diethyl ether), 트리에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(triethylene glycol dimethyl ether), 트리에틸렌 글리콜 디에틸 에테르(triethylene glycol diethyl ether), 테트라에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(tetraethylene glycol dimethyl ether), 테트라에틸렌 글리콜 디에틸 에테르(tetraethylene glycol diethyl ether) 디메틸 설폭사이드(dimethyl sulfoxide) 및 디메틸 아세트아마이드(N,N-dimethyl acetamide)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 화합물일 수 있다.
또한, 비제한적인 예로, 상기 환형 에테르는 1,3-디옥소란(1,3-dioxolane), 4,5-디메틸-디옥소란(4,5-dimethyl-dioxolane), 4,5-디에틸-디옥소란(4,5-diethyl-dioxolane), 4-메틸-1,3-디옥소란(4-methyl-1,3-dioxolane), 4-에틸-1,3-디옥소란(4-ethyl-1,3-dioxolane), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran), 2-메틸 테트라하이드로퓨란(2-methyl tetrahydrofuran), 2,5-디메틸 테트라하이드로퓨란(2,5-dimethyl tetrahydrofuran), 2,5-디메톡시 테트라하이드로퓨란(2,5-dimethoxy tetrahydrofuran), 2-에톡시 테트라하이드로퓨란(2-ethoxy tetrahydrofuran), 2-메틸-1,3-디옥소란(2-methoxy-1,3-dioxolane), 2-비닐-1,3-디옥소란(2-vinyl-1,3-dioxolane), 2,2-디메틸-1,3-디옥소란(2,2-dimethyl-1,3-dioxolane), 2-메톡시-1,3-디옥소란(2-methoxy-1,3-dioxolane), 2-에틸-2-메틸-1,3-디옥소란(2-ethyl-2-methyl-1,3-dioxolane), 테트라하이드로파이란(tetrahydropyran), 1,4-디옥산(1,4-dioxane), 1,2-디메톡시 벤젠(1,2-dimethoxy benzene), 1,3-디메톡시 벤젠(1,3-dimethoxy benzene), 1,4-디메톡시 벤젠(1,4-dimethoxy benzene), 및 아이소소바이드 디메틸 에테르(isosorbide dimethyl ether)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 화합물일 수 있다.
상기 전해질에는 상기 비수계 유기 용매 상에 분산된 리튬염이 포함될 수 있다.
상기 리튬염으로는 리튬 공기 전지에 통상적으로 적용 가능한 것이 특별한 제한 없이 사용될 수 있다. 바람직하게는, 상기 리튬염은 LiSCN, LiBr, LiI, LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiCH3SO3, LiCF3SO3, LiClO4, Li(Ph)4, LiC(CF3SO2)3, LiN(CF3SO2)2, LiN(C2F5SO2)2, LiN(SFO2)2, 및 LiN(CF3CF2SO2)2로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 화합물일 수 있다.
그리고, 상기 리튬염의 농도는 이온 전도도 등을 고려하여 결정될 수 있으며, 바람직하게는 0.2 내지 2.0 M, 또는 0.5 내지 1.6 M 일 수 있다. 즉, 전지의 구동에 적합한 이온 전도도의 확보를 위하여, 상기 리튬염의 농도는 0.2 M 이상인 것이 바람직하다. 다만, 리튬염이 과량으로 첨가될 경우 전해질 용액의 점도가 증가하여 리튬 이온의 이동성이 떨어질 수 있고, 리튬염 자체의 분해 반응이 증가하여 전지의 성능이 저하될 수 있다. 따라서, 상기 리튬염의 농도는 2.0 M 이하인 것이 바람직하다.
이하, 본 발명을 하기의 실시예에 의해 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
( 실시예 1: 리튬 공기 전지의 공기극 제조)
탄소 도전재(KB300J, 0.8g) 과 PVDF 바인더(poly vinylidene fluoride)가 NMP(N-Methyl-2-pyrrolidoe) 용매에 용해된 kf1100를 1.695g 첨가하여 도전재와 바인더의 비율을 8:2가 되도록 1차 슬러리를 제조하였다. 이후, NMP를 추가로 14g 첨가하여 코팅이 가능한 2차 슬러리를 제조하였다. 제조된 2차 슬러리를 이용하여 카본지 위에 블레이드 코팅하였다. 코팅 후 미리 120℃로 가열된 진공 오븐에서 12시간 이상 건조시켰다.
( 실시예 2: 리튬 공기 전지 공기극의 산화루테늄 촉매층 코팅)
산화루테늄 촉매층을 담지하기 위해 전구체 용액을 준비하였다. 비이커에 염화루테늄(RuCl2)을 증류수에 10m M 농도를 갖도록 용해시켰다. 또 다른 비이커에는 같은 양의 증류수를 준비하고 60℃로 가열하였다. 상기 실시예 1에서 제조된 전극을 루테늄 이온이 포함된 수용액과 60℃로 가열된 증류수에 각각15초, 30초 동안 담궜다 빼는 과정을 5회 반복하였다. 산소 음이온이 증류수로부터 담지되기 때문에 별도의 세척과정은 포함시키지 않았다. 담지된 리튬-공기 전지용 공기극은 다시 미리 120℃로 가열된 진공 오븐에서 12시간 이상 건조시켰다.
( 실시예 3: 리튬 공기 전지의 제조 및 충/방전 실험)
상기 실시예 2에서 제조된 공기극을 이용하여, 아르곤(Ar) 분위기의 글러브박스(glov e box)에서 코인셀(coin cell)형태로 조립하였다. 스테인레스틸 재질의 타공된 하판에 공기극, 분리막(glass fiber), 리튬 음극, 가스킷(gasket), 스테인레스스틸 코인, 스프링, 상판을 차례로 올려놓고 압력을 가해 코인셀을 조립하였다. 전해액은 1M LiTFS I가 용해된 TEGDME를 사용하였다. 완성된 코인셀은 1기압의 산소 분위기에서 방전 및 충전 실험을 진행하였다. 탄소 도전재만으로 이루어진 공기극을 사용한 리튬 공기 전지와 산화루테늄을 담지하여 제작한 공기극을 사용한 리튬 공기 전지의 충/방전 곡선을 비교한 결과, 산화루테늄을 담지하여 제작한 공기극을 사용한 리튬 공기 전지의 경우에 탄소 도전재만으로 이루어진 공기극을 사용한 경우에 비하여 충전 전압이 감소한 것을 확인하였다(도 2).

Claims (11)

  1. (a) 루테늄 이온 전구체 용액 및 산소 이온 전구체 용액을 준비하는 단계; 및
    (b) 기판을 루테늄 이온 전구체 용액과 산소 이온 전구체 용액에 순차적으로 담근 후 빼내는 단계;
    를 포함하는 리튬 공기 전지의 금속화합물계 촉매층을 형성하는 방법으로,
    상기 금속화합물계 촉매층은 RuO2를 포함하는 것을 특징으로 하는, 리튬 공기 전지의 금속화합물계 촉매층을 형성하는 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 (b) 단계는 2 내지 10회 반복하는 것을 특징으로 하는 리튬 공기 전지의 금속화합물계 촉매층을 형성하는 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 (b) 단계는 상온 및 상압에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬 공기 전지의 금속화합물계 촉매층을 형성하는 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 (b) 단계 이후에 건조 단계(c)를 더 포함하며,
    상기 (c) 단계는 110 내지 150℃에서 10 내지 14시간 동안 건조시키는 것을 특징으로 하는 리튬 공기 전지의 금속화합물계 촉매층을 형성하는 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 기판 표면에는 도전성 재료 및 바인더를 포함하는 층이 형성되어 있고,
    상기 금속화합물계 촉매층은 상기 도전성 재료 및 바인더를 포함하는 층에 담지되는 것을 특징으로 하는 리튬 공기 전지의 금속화합물계 촉매층을 형성하는 방법.
  8. 산소를 양극 활물질로 사용하는 양극, 상기 양극과 이격되어 배치되는 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 전해질을 포함하는 리튬 공기 전지에 있어서, 상기 양극 표면에 루테늄 이온 층 및 산소 이온 층이 순차적으로 흡착된 금속화합물계 촉매층이 형성된 것을 특징으로 하는 리튬 공기 전지로서,
    상기 금속화합물계 촉매층은 RuO2를 포함하는 것을 특징으로 하는, 리튬 공기 전지.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제 8항에 있어서,
    리튬 공기 전지의 충전 시 과전압이 감소하는 것을 특징으로 하는 리튬 공기 전지.
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