KR102050832B1 - Positive electrode for lithium air battery, and lithium air battery employing thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리튬 공기 전지용 양극 및 이를 포함하는 리튬 공기 전지에 관한 것으로서, 상세하게는 상기 리튬 공기 전지용 양극재로 형태가 서로 다른 2종의 카본나노튜브의 복합체를 포함한다.
본 발명에 따르면 전극 표면의 갈라짐 현상이 없으면서도, 수명이 길고 충, 방전 용량이 향상된 리튬 공기 전지를 제공할 수 있다.
The present invention relates to a positive electrode for a lithium air battery and a lithium air battery including the same, and specifically includes a composite of two kinds of carbon nanotubes different in form as the positive electrode material for the lithium air battery.
According to the present invention, it is possible to provide a lithium air battery having a long life and improved charging and discharging capacity without a cracking phenomenon on the surface of the electrode.

Description

리튬 공기 전지용 양극 및 이를 포함하는 리튬 공기 전지 {Positive electrode for lithium air battery, and lithium air battery employing thereof}Positive electrode for lithium air battery and lithium air battery comprising same {Positive electrode for lithium air battery, and lithium air battery employing

본 발명은 전극 갈라짐 현상이 저감된 리튬 공기 전지용 양극 및 이를 포함하는 리튬 공기 전지에 관한 것이다. 또한 본 발명은 사이클 수명이 길면서도 충,방전 용량이 향상된 리튬-공기 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a positive electrode for a lithium air battery having a reduced electrode split phenomenon, and a lithium air battery including the same. The present invention also relates to a lithium-air battery having a long cycle life and improved charge and discharge capacity.

전기 기기에 대한 전력 공급을 위한 수단의 일종으로 전지(battery)가 널리 사용되고 있다. 이러한 전지로는 일회용 전지인 일차 전지와, 충전이 가능한 이차 전지 및 외부로부터 활물질을 공급받는 연료 전지 등이 있다.Batteries are widely used as a means for supplying power to electric devices. Such batteries include primary batteries that are disposable batteries, rechargeable secondary batteries, and fuel cells that receive an active material from the outside.

그 중에서도 이차 전지는 충전이 가능한 특성으로 인하여 각종 전자 제품들에 많이 사용되고 있는데, 그 예로서 니켈 카드뮴(Ni-Cd)전지,니켈(Ni-MH) 수소 전지, 리튬 이온 전지 등을 들 수 있다. Among them, secondary batteries are widely used in various electronic products due to their chargeable characteristics, and examples thereof include nickel cadmium (Ni-Cd) batteries, nickel (Ni-MH) hydrogen batteries, and lithium ion batteries.

특히, 리튬 이차 전지는 높은 에너지 밀도 특성으로 인해 핸드폰, 노트북 등 가전 제품 이외에도 전기 자동차, 전력 저장 장치에도 확대 적용되고 있다. 그러나 핸드폰 사용 시간, 전기 자동차의 주행거리, 전력 저장 장치의 용량 등을 늘리기 위해서는 더 높은 에너지 밀도를 갖는 차세대 이차 전지의 개발이 필요하게 되었고, 이에 대한 방안으로 금속-공기 전지인 리튬 공기 전지(Lithium-air battery)가 제안되었다.In particular, lithium secondary batteries have been widely applied to electric vehicles and power storage devices in addition to home appliances such as mobile phones and laptops due to their high energy density characteristics. However, in order to increase the use time of mobile phones, the mileage of electric vehicles, and the capacity of electric power storage devices, it is necessary to develop a next-generation secondary battery having a higher energy density, and as a solution, a lithium air battery, a lithium-air battery (Lithium) -air battery) has been proposed.

리튬 공기 전지는 이론적으로는 기존의 리튬 이온 전지 (Lithium-ion battery)보다 10배 가까이 에너지 밀도가 높아 가솔린에 상응하는 효율을 가지고, 전지의 부피와 무게를 획기적으로 줄일 수 있으며, 친환경적이고, 리튬 이온 전지 보다 안정성이 높다는 장점이 있다.Lithium-air batteries are theoretically nearly 10 times more energy dense than conventional lithium-ion batteries, so they have an efficiency equivalent to gasoline, dramatically reduce the volume and weight of batteries, and are environmentally friendly. There is an advantage that the stability is higher than the ion battery.

특히 리튬 공기 전지의 중량 에너지 밀도는 약 500Wh/kg 이상으로 현재의 리튬 이온 전지나(200Wh/kg)나 차세대 리튬 이온 전지(300Wh/kg)에 비하여 월등히 높기 때문에 최근에는 1회 충전 장거리 주행이 가능한 전기차용 배터리로 활용하기 위하여 많은 연구가 진행되고 있으며, 이에 리튬 공기 전지의 성능을 향상시키기 위한 다양한 시도들이 있어 왔다.In particular, the weight energy density of lithium air batteries is about 500 Wh / kg or more, which is much higher than that of current lithium ion batteries (200 Wh / kg) or the next generation of lithium ion batteries (300 Wh / kg). Many researches are being conducted to utilize the battery as a vehicle, and various attempts have been made to improve the performance of lithium air batteries.

그러한 시도의 일 측면으로, 리튬 공기 전지의 양극(Positive electrode, Cathode, 또는 '공기극'이라고도 함)의 구성 및 재료에 대한 몇 가지 제안이 있어 왔다.In one aspect of such an attempt, there have been several proposals for the construction and material of positive electrodes (also called positive electrodes, cathodes, or 'air electrodes') in lithium air cells.

종래 리튬 공기 전지의 양극 재료는 주로 카본 블랙이 사용되었다. 구체적으로 카본블랙에는 케첸 블랙(ketjen black), 수퍼 피(Super P), 덴카 블랙(Denka black) 등이 있는데, 그 중에서도 케첸 블랙은 고 에너지 밀도용 양극 재료로서 많은 연구가 진행되어온 바 있다. 그러나 선행 문헌 'Bull. Korean Chem. Soc. 2010, Vol. 31, No. 11 3221' 에 따르면 케첸블랙은 비표면적 및 기공 부피가 커서 질량당 용량(mAh/g carbon)이 크다는 장점은 있으나, 상기 케첸 블랙으로 전극 슬러리를 제조하는 경우에는 요구되는 용매의 양이 상당히 많고, 전극 코팅 및 건조 후에 전극 갈라짐 (mud crack, 머드 크랙) 현상이 쉽게 발생하는 문제점이 있다. 또한 케첸블랙은 충,방전 용량이 큰 재료임에도 불구하고 용량의 일부분만 사용하여 연속 충,방전하더라도 사이클 수명이 짧다는 단점이 있다.As a positive electrode material of a conventional lithium air battery, carbon black is mainly used. Specifically, the carbon black includes ketjen black, super P, and Denka black. Among them, Ketjen black has been studied as a high energy density anode material. However, prior art 'Bull. Korean Chem. Soc. 2010, Vol. 31, No. According to 11 3221 ', ketjen black has a large specific surface area and pore volume, so that the capacity per mass (mAh / g carbon) is large. However, when preparing an electrode slurry from the ketjen black, a large amount of solvent is required. Electrode cracking (mud crack) phenomenon easily occurs after electrode coating and drying. In addition, although ketjen black is a material having a large charge and discharge capacity, there is a disadvantage in that the cycle life is short even when continuous charging and discharging using only a part of the capacity.

이러한 문제를 해결하고 보다 향상된 특성을 가진 소재를 제공하기 위하여 최근에는 리튬 공기 전지의 양극재로서 카본나노튜브를 적용한 연구 결과도 다수 보고되고 있다. 그러나 선행 문헌 'Adv. Mater. 2013, 25, 1348-1352'에 따르면 상기 카본나노튜브를 적용하는 경우에는 케첸 블랙을 양극재로 사용한 경우보다 사이클 수명은 우수하지만 충,방전 용량이 작은 단점이 있다.In order to solve this problem and provide a material having more improved properties, a number of research results of applying carbon nanotubes as a cathode material of lithium air batteries have been reported recently. However, the preceding document 'Adv. Mater. According to 2013, 25, 1348-1352 ', when the carbon nanotube is applied, the cycle life is better than that of Ketjen black as the cathode material, but the charge and discharge capacity is small.

이러한 충,방전 용량의 감소 문제는 전지의 적용 범위를 좁히고 활용성을 떨어뜨려 실용화에 큰 장애로 작용하게 된다.Such a problem of reducing the charge and discharge capacity narrows the application range of the battery and decreases the usability, which is a major obstacle to practical use.

따라서, 종래의 각 소재들이 가진 문제점을 해결하고, 나아가 보다 우수한 성능을 갖는 리튬 공기 전지에 대한 개발이 필요한 실정이다.Therefore, it is necessary to solve the problems of the conventional materials and to further develop a lithium air battery having better performance.

다공성 탄소계 복합재료, 이를 포함하는 양극 및 리튬 공기전지, 및 이의 제조 방법 (대한민국 공개특허 제2013-0084903호)Porous carbon-based composite material, a positive electrode and lithium air battery comprising the same, and a method for manufacturing the same (Korea Patent Publication No. 2013-0084903)

상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 본 발명의 발명자들은 다각적인 연구를 수행한 결과, 종래의 양극재 중 카본나노튜브를 그대로 사용하면서도 형태가 서로 다른 2종의 카본나노튜브를 혼합하여 전극층을 구성하는 경우 양극의 갈라짐이 저감되고 전지의 충방전 용량이 향상됨을 확인하여 본 발명을 완성하게 되었다.In order to solve the above-mentioned problems, the inventors of the present invention have conducted various studies. As a result, an electrode layer is formed by mixing two kinds of carbon nanotubes having different shapes while using carbon nanotubes as they are. In this case, it was confirmed that the splitting of the positive electrode was reduced and the charge / discharge capacity of the battery was improved, thereby completing the present invention.

따라서, 본 발명의 목적은 전극 갈라짐이 저감된 리튬 공기 전지용 양극을 제공하는 것이다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a positive electrode for a lithium air battery with reduced electrode splitting.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 상기 리튬 공기 전지용 양극을 구비하여 충, 방전 용량 및 전지 효율이 향상된 리튬 공기 전지를 제공하는 것이다.In addition, another object of the present invention is to provide a lithium air battery having the positive electrode for a lithium air battery, thereby improving the charge, discharge capacity and battery efficiency.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은In order to achieve the above object, the present invention

다공성 집전체 및 전극층으로 구성되고,Consisting of a porous current collector and an electrode layer,

상기 전극층은 형태가 서로 다른 2종의 카본나노튜브의 복합체를 포함하는 리튬 공기 전지용 양극을 제공한다.The electrode layer provides a cathode for a lithium air battery including a composite of two types of carbon nanotubes having different shapes.

구체적으로, 상기 2종의 카본나노튜브는 번들(bunddle)형 및 구형의 뭉침형(entangled) 카본나노튜브일 수 있다.Specifically, the two types of carbon nanotubes may be bundle type and spherical entangled carbon nanotubes.

또한 본 발명은In addition, the present invention

양극, 음극 및 이들 사이에 충전되거나 이들 중 어느 한 쪽 이상에 함침된 전해질을 포함하고,A positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte charged therebetween or impregnated with at least one of them,

상기 양극은 전술한 바의 양극인 리튬 공기 전지를 제공한다.The positive electrode provides a lithium air battery which is the positive electrode as described above.

본 발명에 따른 리튬 공기 전지용 양극은 종래 양극재로 카본 블랙을 사용한 경우에 비하여 전극의 갈라짐이 현저하게 저감된다.In the lithium air battery positive electrode according to the present invention, the splitting of the electrode is significantly reduced as compared with the case of using carbon black as a conventional positive electrode material.

또한 상기 양극을 구비한 본 발명의 리튬 공기 전지는 종래 단일 카본나노튜브로 구성된 양극을 구비한 리튬 공기 전지에 비하여 충, 방전 용량이 최대 51%, 전지 효율이 최대 8% 증가하는 효과가 있다. In addition, the lithium air battery of the present invention having the positive electrode has an effect of increasing the charge and discharge capacity by up to 51% and the battery efficiency by up to 8% compared to the lithium air battery having the positive electrode composed of a single carbon nanotube.

도 1은 본 발명의 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 3의 리튬 공기 전지의 양극 표면을 광학 현미경으로 관찰한 결과이다.
도 2는 본 발명의 실시예1, 실시예 2 및 비교예 1, 비교예 2의 리튬 공기 전지의 충,방전 용량 및 전지 효율을 측정한 결과 그래프이다.
1 is the result of observing the positive electrode surface of the lithium air battery of Example 1, Example 2, and the comparative example 3 of this invention with the optical microscope.
2 is a graph showing the results of measuring charge and discharge capacities and battery efficiency of lithium air batteries of Examples 1, 2, Comparative Examples 1 and 2 of the present invention.

본 발명은 The present invention

다공성 집전체 및 전극층으로 구성되고, Consisting of a porous current collector and an electrode layer,

상기 전극층은 형태가 서로 다른 2종의 카본나노튜브의 복합체를 포함하는 리튬 공기 전지용 양극을 제공한다.The electrode layer provides a cathode for a lithium air battery including a composite of two types of carbon nanotubes having different shapes.

또한 본 발명은 상기 양극을 구비한 리튬 공기 전지를 제공한다.In another aspect, the present invention provides a lithium air battery having the positive electrode.

이하 본 발명의 구성을 보다 상세히 설명한다. 다만, 하기 내용은 본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 가장 대표적인 실시 형태만을 기재한 것으로서 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되지 않으며 본 발명은 하기 내용과 균등한 모든 범위를 포괄하는 것으로 이해되어야 한다.Hereinafter, the configuration of the present invention in more detail. However, the following contents are described only for the most representative embodiments in order to help the understanding of the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto, and the present invention should be understood to cover all ranges equivalent to the following contents.

<리튬 공기 전지용 양극><Anode for lithium air battery>

1. 다공성 1. Porous 집전체House

본 발명의 다공성 집전체는 통상의 리튬 공기 전지용 집전체로 사용될 수 있는 것이라면 어느 것이든 제한 없이 사용 가능하다. 공기전지의 특성상 산소가 통과하기 용이한 다공성 집전체를 사용하는 것이 일반적이며, 바람직하게는 다공성 금속판 또는 탄소 소재의 다공성 막 등을 사용할 수 있다. 다만 카본페이퍼와 같이 탄소 소재의 다공성 막을 사용하는 경우, 찢어지기 쉬운데 반해 다공성 금속을 포함하는 경우에는 그보다 높은 강도를 가질 수 있다.The porous current collector of the present invention can be used without limitation as long as it can be used as a current collector for a conventional lithium air battery. It is common to use a porous current collector through which oxygen easily passes, due to the characteristics of the air cell, and preferably, a porous metal plate or a porous membrane made of a carbon material. However, in the case of using a porous membrane made of carbon material such as carbon paper, it may be easily torn, but may have a higher strength than that of the porous metal.

다공성 금속은 전자를 이동시키는 역할과 외부의 산소를 전지 내부로 확산시키는 역할을 할 뿐 아니라 금속의 종류에 따라 전기화학 반응에 직접 참여하므로 전지의 전기 화학적 성능을 향상시켜서 고용량의 전지를 제조할 수 있고, 전지의 수명 싸이클을 향상시킬 수 있다. 또한 다공성 금속 상에 전극 물질을 코팅할 때의 공정이 용이하므로 전극 제조시의 공정상의 이점도 있다.Porous metal not only plays a role of transporting electrons and diffuses oxygen from inside the cell, but also directly participates in the electrochemical reaction depending on the type of metal, thereby improving the electrochemical performance of the battery and thus manufacturing a high capacity battery. And life cycle of a battery can be improved. In addition, since the process of coating the electrode material on the porous metal is easy, there is also a process advantage in manufacturing the electrode.

상기 다공성 금속으로는 주기율표 ⅠA족~ⅤA족 및 ⅠB족~ⅧB족의 원소로 구성된 군으로 부터 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 합금을 사용할 수 있다. 특히, 상기 군 중 스테인레스강은 STS 또는 SUS 일 수 있다.As the porous metal, an alloy containing at least one element selected from the group consisting of elements of Groups IA to VA and Groups IB to VIIIB of the periodic table can be used. In particular, the stainless steel in the group may be STS or SUS.

또한 상기 다공성 금속은 금속 호일(foil), 금속 메쉬(mesh) 또는 금속 폼(foam) 형태로 사용할 수 있다. 가장 바람직하게는 금속 호일일 수 있는데, 금속 호일의 경우 일정 간격으로 기공 또는 홀을 가공하기 용이하고, 전극 코팅이 편리한 특성이 있기 때문이다.In addition, the porous metal may be used in the form of a metal foil, a metal mesh, or a metal foam. Most preferably, it may be a metal foil, because the metal foil is easy to process pores or holes at regular intervals, and the electrode coating is convenient.

금속 메쉬인 경우에는 메쉬 구조를 이루는 단위 구조의 형상은 제한되지 않으며, 삼각형, 사각형, 오각형, 다각형 또는 사다리꼴 등의 형상이 규칙 또는 불규칙적으로 반복될 수 있다.In the case of the metal mesh, the shape of the unit structure constituting the mesh structure is not limited, and shapes of triangles, squares, pentagons, polygons, or trapezoids may be regularly or irregularly repeated.

본 발명의 다공성 집전체로서 상기 다공성 금속판은 기공의 직경은 20nm~1mm 인 것이 바람직하다. 기공의 직경이 20nm 이하이면 기공이 너무 작아 산소가 충분히 확산되기 어렵고, 1mm 이상이면 양극의 물질을 집전체 표면에 코팅할 때 상기 물질이 기공으로 빠져나가 전극의 두께가 불균일해질 수 있기 때문이다.As the porous current collector of the present invention, the porous metal plate preferably has a pore diameter of 20 nm to 1 mm. If the pore diameter is 20 nm or less, the pores are too small to diffuse oxygen sufficiently, and if the diameter is 1 mm or more, the material may escape into the pores when the material of the positive electrode is coated on the surface of the current collector, resulting in uneven thickness of the electrode.

다공성 금속판의 기공률은 20~50%인 것을 특징으로 한다.The porosity of the porous metal plate is characterized in that 20 to 50%.

한편, 본 발명의 다공성 집전체의 두께는 바람직하게는 10~50um이다. 이는 두께가 10um 이상일 때 기공이 효율적으로 활용될 수 있고 기계적 강도가 우수하며, 50um 이하일 때 집전체의 무게나 부피가 너무 커지는 것을 방지할 수 있기 때문이다. 상기 다공성 집전체의 두께로 보다 바람직하게는 15~30um일 수 있다.On the other hand, the thickness of the porous current collector of the present invention is preferably 10 ~ 50um. This is because when the thickness is more than 10um, the pores can be effectively utilized, and the mechanical strength is excellent, and when the thickness is less than 50um, the weight or volume of the current collector can be prevented from becoming too large. The thickness of the porous current collector may be more preferably 15 ~ 30um.

2. 2. 전극층Electrode layer

카본나노튜브Carbon Nano Tube 복합체 Complex

카본나노튜브(carbon nano tube, CNT)란 탄소 동소체의 일종으로 탄소 원자들이 육각형 벌집 형태로 결합되어 튜브 형태를 이루고 있으며 그 직경이 나노미터 수준으로 극히 작은 물질을 말한다. 카본나노튜브는 우수한 전기 및 열 전도체이며 그라파이트 결정 구조를 바탕으로 한 고강도/고탄성 소재로 나노 구조에 의한 높은 비표면적을 가진다.Carbon nanotubes (CNTs) are a type of carbon allotrope that combines carbon atoms in the form of hexagonal honeycomb to form a tube. Carbon nanotubes are excellent electrical and thermal conductors and have a high specific surface area due to nanostructures.

카본나노튜브는 그라파이트면(graphite sheet)이 나노 미터 수준의 직경으로 둥글게 말린 형태이며, 이 그라파이트 면이 말리는 각도와 형태에 따라서 특성이 서로 다른 다양한 구조를 가지는데, 본 발명의 카본나노튜브 복합체는 번들 (bundle) 형태의 카본나노튜브 및 구형의 뭉침형(entangled) 카본나노튜브로 구성된 것을 특징으로 한다.Carbon nanotubes have a graphite sheet rounded to a nanometer diameter, and the graphite sheet has various structures having different characteristics according to the angle and shape of the graphite sheet. It is characterized by consisting of a bundle of carbon nanotubes and spherical entangled carbon nanotubes.

또한 그라파이트 면으로 이루어진 벽(wall)의 개수에 따라서 단일벽 탄소나노튜브(Single-walled carbon nanotubes:SWCNT) 또는 다중벽 카본 나노튜브(Multi-walled carbon nanotube:MWCNT)로 구분할 수 있으며 여러 개의 카본튜브가 뭉쳐 있는 형태의 다발형(carbon nanotube rope)로 존재하기도 한다.In addition, depending on the number of walls made of graphite, it can be classified into single-walled carbon nanotubes (SWCNT) or multi-walled carbon nanotubes (MWCNT). It also exists as a bundle of carbon nanotube ropes.

본 발명의 리튬 공기 전지용 양극은 서로 다른 형태의 2 종류의 카본나노튜브를 포함하는 것을 특징으로 한다. 구체적으로, 상기 2종류의 카본 나노튜브는 번들(bundle)형 및 구형의 뭉침형(entangled) 카본나노튜브일 수 있으며, 본 명세서 상에서는 이를 '카본나노튜브 복합체'로 지칭한다.The positive electrode for a lithium air battery of the present invention is characterized by including two types of carbon nanotubes of different forms. Specifically, the two types of carbon nanotubes may be bundle type and spherical entangled carbon nanotubes, which are referred to herein as 'carbon nanotube composites'.

번들형 카본나노튜브로만 전극을 제조하는 경우에는 번들형 카본 나노튜브가 촘촘히 스태킹되어 전극 공극률을 충분히 높이기 어렵고, 따라서 고용량의 리튬 공기 전지를 제조하는데 한계가 있다. 한편, 구형의 뭉침형 카본 나노 튜브로만 전극을 제조하는 경우에는 뭉침형 카본 나노 튜브 사이에 거대 기공이 존재하게 되는데 이들 거대 기공은 리튬-공기 전지의 용량을 구현하는데 효과적이지 않다.In the case of manufacturing the electrode only with the bundled carbon nanotubes, the bundled carbon nanotubes are closely stacked, so that it is difficult to sufficiently increase the electrode porosity, and thus there is a limitation in manufacturing a high capacity lithium air battery. On the other hand, when the electrode is manufactured only with the spherical aggregated carbon nanotubes, there are large pores between the aggregated carbon nanotubes, which are not effective for realizing the capacity of a lithium-air battery.

특히 '카본나노튜브 복합체'에서 '복합'의 의미는 2종의 카본나노튜브가 혼성될 수 있는 모든 형태를 포함하는 의미로 해석되어야 하며, 이를테면 규칙적 또는 불규칙적 배열로 단순 혼합되어 있는 형태, 어느 1종의 카본나노튜브를 중심(core)으로 하여 다른 1종의 카본나노튜브가 이를 둘러싼 형태와 같이 일종의 단위 구조를 형성하는 상호 복합 형태 및/또는 화학적으로 결합된 상호 화합 형태 등을 포함할 수 있다. In particular, the meaning of 'composite' in the 'carbon nanotube composite' should be interpreted to include all forms in which two carbon nanotubes can be mixed, for example, a simple mixed form in a regular or irregular arrangement. It may include an inter-composite form and / or chemically-combined mutual compound form in which one carbon nanotube forms a kind of unit structure such as a form surrounding the carbon nanotube as a core. .

한편, 상기 2종의 카본나노튜브는 각각 단일벽, 이중벽 또는 다중벽 탄소나노튜브 중 어느 하나의 형태일 수 있다. 특히, 다중벽 카본나노튜브의 형태일 경우에는 단일벽 카본나노튜브에 비해 낮은 가격으로 대량 생산이 가능한 이점이 있다.On the other hand, the two kinds of carbon nanotubes may be in the form of any one of single-wall, double-walled or multi-walled carbon nanotubes, respectively. In particular, in the form of multi-walled carbon nanotubes, there is an advantage that mass production is possible at a lower price than single-walled carbon nanotubes.

상기 카본나노튜브 복합체를 구성하는 2종의 카본나노튜브는 바람직하게는 1:10 ~ 10:1, 보다 바람직하게는 1:3~3:1의 중량비로 포함되는 것이 바람직하다. Two types of carbon nanotubes constituting the carbon nanotube composite are preferably included in a weight ratio of 1:10 to 10: 1, more preferably 1: 3 to 3: 1.

또한 카본나노튜브 복합체는 전극층의 총 중량에 대하여 60~95중량%로 구성될 수 있다.In addition, the carbon nanotube composite may be composed of 60 to 95% by weight relative to the total weight of the electrode layer.

상술한 바와 같은 카본나노튜브 복합체로 구성된 리튬 공기 전지용 양극은, 종래 카본 블랙을 소재로 구성된 양극에 비하여 전극의 갈라짐 현상이 없거나 현저히 감소하며, 또한 이를 구비하는 리튬 공기 전지의 충, 방전 용량 및 전지 효율을 효과적으로 향상시킬 수 있다.As described above, the positive electrode for a lithium air battery composed of a carbon nanotube composite has no or significantly reduced electrode splitting as compared to a positive electrode composed of a conventional carbon black material, and also has a charge, discharge capacity, and battery of a lithium air battery including the same. The efficiency can be improved effectively.

바인더bookbinder

바인더는 카본나노튜브와 같은 전극 물질을 결집시키고 전극층을 시트(sheet)상으로 형성하기 위하여 전극층의 제조 시 통상적으로 첨가되는 물질이다.The binder is a material that is commonly added in the manufacture of the electrode layer in order to aggregate electrode materials such as carbon nanotubes and form the electrode layer in a sheet form.

본 발명에 사용될 수 있는 바인더로는 리튬 공기 전지에 사용될 수 있는 것으로 알려져 있는 종래의 모든 바인더가 가능하며, 바람직하게는 폴리비닐 알콜, 폴리(비닐아세테이트), 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리비닐 피롤리돈, 알킬레이티드 폴리에틸렌 옥사이드, 가교 결합된 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 스티렌-부타디엔 고무, 폴리비닐 에테르, 폴리(메틸 메타크릴레이트), 폴리(에틸 아크릴레이트), 폴리불화비닐리덴(PVDF), 폴리테트라플루오로 에틸렌(PTFE), 폴리클로로트리플루오로에틸렌, 폴리 테트라 플로오로에틸렌폴리비닐클로라이드, 폴리아크로니트릴, 폴리비닐피리딘, 폴리스티렌, 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체, 폴리불화비닐리덴-헥사플루오로프로필렌 공중합체(상품명 : Kynar), 불화비닐리덴-클로로트리플루오로에틸렌 공중합체, 에틸렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체, 프로필렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체, 불화비닐리덴-펜타플루오로 프로필렌 공중합체, 에틸렌-클로로트리플루오로에틸렌 공중합체, 불화비닐리덴-헥사플루오로프로필렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체, 불화비닐리덴-퍼플루오로메틸비닐에테르-테트라플루오로에틸렌 공중합체, 에틸렌-아크릴산 공중합체, 내피온(듀퐁사(社), Nafion)으로 이루어진 군 중에 선택되는 1종 이상의 물질 또는 이들의 유도체를 사용할 수 있다.Binders that can be used in the present invention include all conventional binders known to be used in lithium air batteries, preferably polyvinyl alcohol, poly (vinylacetate), polyethylene oxide, polyvinyl pyrrolidone, alkyl Rated polyethylene oxide, crosslinked polyethylene oxide, polyethylene, polypropylene, styrene-butadiene rubber, polyvinyl ether, poly (methyl methacrylate), poly (ethyl acrylate), polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetra Fluoro ethylene (PTFE), polychlorotrifluoroethylene, poly tetrafluoroethylenepolyvinylchloride, polyacrylonitrile, polyvinylpyridine, polystyrene, tetrafluoroethylene-perfluoroalkylvinylether copolymer, polyvinyl fluoride Liden-hexafluoropropylene copolymer (trade name: Kynar), vinylidene fluoride Chlorotrifluoroethylene copolymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, propylene-tetrafluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-pentafluoro propylene copolymer, ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride Hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-perfluoromethylvinylether-tetrafluoroethylene copolymer, ethylene-acrylic acid copolymer, Nafion (Dupont, Nafion) One or more substances selected from the group or derivatives thereof can be used.

보다 바람직하게는 폴리불화비닐리덴(PVDF), 폴리테트라플루오로 에틸렌(PTFE), 내피온(Nafion)중 어느 하나 이상을 사용할 수 있다.More preferably, at least one of polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoro ethylene (PTFE), and Nafion may be used.

상기 바인더는 전극층의 총 중량 대비 5 ~ 40중량% 포함되는 것이 바람직하다. 만약 바인더의 함량이 5 중량% 미만이면 양극의 물리적 성질이 저하되어 전극 내 활물질이 탈락하거나 카본나노튜브와 같은 전극 물질의 뭉침이 어려울 수 있고, 40 중량%를 초과하면 양극에서 활물질의 비율이 상대적으로 감소되며 이에 따라 충,방전 효과 또한 저감될 수 있다.The binder is preferably included 5 to 40% by weight based on the total weight of the electrode layer. If the content of the binder is less than 5% by weight, the physical properties of the positive electrode may be degraded, so that the active material in the electrode may be dropped or the electrode material such as carbon nanotubes may be difficult to aggregate. As a result, the charging and discharging effects may also be reduced.

상술한 바인더와 카본나노튜브 복합체의 구조 외에도 본 발명의 전극층은 선택적으로 산소 환원 촉매를 더 포함할 수 있다.In addition to the structure of the binder and the carbon nanotube composite described above, the electrode layer of the present invention may optionally further include an oxygen reduction catalyst.

구체적으로, 상기 산소 환원 촉매는 양극에서 활물질로 이용되는 산소의 반응을 촉진시키기 위하여 첨가될 수 있다. 상기 산소 환원 촉매로는, 어느 특정의 종류로 한정하는 것은 아니나, 귀금속, 비금속, 금속 산화물 및 유기 금속 착제로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 선택할 수 있다.Specifically, the oxygen reduction catalyst may be added to promote the reaction of oxygen used as the active material in the positive electrode. The oxygen reduction catalyst is not limited to any particular kind, but may be selected from one or more selected from the group consisting of noble metals, nonmetals, metal oxides and organometallic complexes.

보다 구체적으로, 상기 귀금속은 백금(Pt), 금(Au) 및 은(Ag)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 또는 둘 이상일 수 있고, 상기 비금속은 붕소(B), 질소(N) 및 황(S)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다. 또한 상기 금속산화물은 망간(Mn), 니켈(Ni), 코발트(Co), 및 루테늄(Ru)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 산화물일 수 있으며 이를테면 루테늄 옥사이드일 수 있다. 그리고 상기 유기 금속 착제는 금속 포피린 및 금속 프탈로시아닌으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.More specifically, the precious metal may be one or two or more selected from the group consisting of platinum (Pt), gold (Au) and silver (Ag), and the nonmetal may be boron (B), nitrogen (N) and sulfur (S). It may be one or more selected from the group consisting of. In addition, the metal oxide may be at least one oxide selected from the group consisting of manganese (Mn), nickel (Ni), cobalt (Co), and ruthenium (Ru), such as ruthenium oxide. The organometallic complex may be at least one selected from the group consisting of metal porphyrins and metal phthalocyanines.

상기 산소 환원 촉매의 함량은 전극층의 총 중량 대비 0.1~10중량%로 할 수 있다. 0.1중량% 이상인 경우 촉매의 역할을 수행하기에 바람직하며, 10중량% 이하인 경우 분산도가 저하되는 현상을 방지할 수 있고, 비용 면에서도 바람직하다.The content of the oxygen reduction catalyst may be 0.1 to 10% by weight relative to the total weight of the electrode layer. If it is 0.1 wt% or more, it is preferable to play the role of a catalyst, and if it is 10 wt% or less, it is possible to prevent the phenomenon that the dispersibility is lowered and is preferable in terms of cost.

상술한 구성을 포함하는 전극층의 총 두께는 10 ~ 300um 범위인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 20 ~ 200um일 수 있다. 이는 전극층의 두께 10um 이상에서 전기 화학적 반응 장소가 너무 줄어드는 것과 용량이 제한되는 것을 방지할 수 있고, 300 um 이하에서 전극 반응장소의 효율성이 떨어지는 것을 방지할 수 있기 때문이다.The total thickness of the electrode layer including the above-described configuration is preferably in the range of 10 ~ 300um, more preferably 20 ~ 200um. This is because it is possible to prevent the electrochemical reaction site from decreasing too much and the capacity of the electrode layer at a thickness of 10 μm or more, and to prevent the efficiency of the electrode reaction site from falling below 300 μm.

<리튬 공기 전지><Lithium air battery>

한편, 본 발명은On the other hand, the present invention

양극, 음극 및 이들 사이에 충전 되거나 어느 한 극 이상에 함침된 전해질을 포함하고, 상기 양극은 전술한 바의 양극인 리튬 공기 전지를 제공한다.Comprising a positive electrode, a negative electrode and an electrolyte charged therebetween or impregnated in any one or more, the positive electrode provides a lithium air battery which is the positive electrode as described above.

본 발명의 리튬 공기 전지는 종래 모양이 같은 동종의 카본나노튜브를 양극재로 사용한 경우에 비하여 충, 방전 용량 및 전지 효율이 향상되는 효과가 있다. 구체적으로는 후술되는 시험예 2에서 확인할 수 있는 바와 같이 방전 용량은 최대 51%, 전지 효율은 최대 8% 향상된다.The lithium air battery of the present invention has the effect of improving the charge, discharge capacity and battery efficiency compared to the case of using the same type of carbon nanotubes of the same shape as the cathode material. Specifically, as can be seen in Test Example 2 described later, the discharge capacity is improved by up to 51% and the battery efficiency by up to 8%.

본 발명의 리튬 공기전지에 대하여 보다 상세하게 설명하면, The lithium air battery of the present invention will be described in more detail.

음극은 리튬(Li)을 흡장 및 방출할 수 있는 부위로서 방전 시에 리튬 이온을 방출하고 충전 시에 리튬 이온을 수용하며, 상기 양극은 방전 시에 산소를 환원하며, 충전 시에 산소를 방출한다.The negative electrode is a site capable of occluding and releasing lithium (Li), which releases lithium ions at discharge and receives lithium ions at charge, and the positive electrode reduces oxygen at discharge and releases oxygen at charge. .

상기 음극 활성 물질로서는 리튬 금속 및 리튬 금속 기반의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함할 수 있다.The negative electrode active material may include one selected from the group consisting of lithium metal and an alloy based on lithium metal.

구체적으로, 상기 리튬 금속 기반의 합금은 이를테면 리튬과 소듐(Na), 포타슘(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs), 프란슘(Fr), 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 라듐(Ra), 알루미늄(Al) 및 주석(Sn)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속의 합금일 수 있다.Specifically, the lithium metal-based alloy is, for example, lithium and sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb), cesium (Cs), francium (Fr), beryllium (Be), magnesium (Mg), calcium It may be an alloy of one or more metals selected from the group consisting of (Ca), strontium (Sr), barium (Ba), radium (Ra), aluminum (Al), and tin (Sn).

또한 상기 음극은 집전체를 더 포함할 수 있다. 상기 음극 집전체의 소재는 음극의 집전을 실시할 수 있으면서 전지 작동 조건에서 전기 화학적으로 안정한 재료이면 어느 것이든 무방하다. 구체적으로는 구리, 카본, 스테인레스, 니켈, 알루미늄, 철 및 티탄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있고, 보다 구체적으로는 리튬이 증착된 구리 집전체를 사용할 수 있다.In addition, the negative electrode may further include a current collector. The material of the negative electrode current collector may be any material that is capable of performing current collecting of the negative electrode and which is electrochemically stable under battery operating conditions. Specifically, one or more selected from the group consisting of copper, carbon, stainless, nickel, aluminum, iron, and titanium can be used, and more specifically, a copper current collector on which lithium is deposited can be used.

음극 집전체의 형태로는 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체 또는 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.The negative electrode current collector may be in various forms such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam, or a nonwoven fabric.

한편, 본 발명의 리튬 공기 전지를 구성하는 전해질은 통상적으로 음극과 양극 사이에 구비되는 것이 일반적이나 고체가 아닌 액체의 특성상 전해질의 일부 또는 전부가 양극 및/또는 음극 구조물에 함침된 형태로 존재하는 것도 가능하다. 또한, 분리막이 존재하는 경우, 상기 분리막에 함침된 형태로도 존재할 수 있다.On the other hand, the electrolyte constituting the lithium-air battery of the present invention is generally provided between the negative electrode and the positive electrode, but due to the nature of the non-solid liquid, part or all of the electrolyte is present in the form impregnated in the positive electrode and / or negative electrode structure It is also possible. In addition, when the separator is present, it may be present in the form impregnated with the separator.

상기 전해질은 리튬 염을 포함할 수 있다. 상기 리튬염은 용매에 용해되어, 전지 내에서 리튬 이온의 공급원으로 작용할 수 있으며, 음극과 리튬 이온과 전도성 고체 전해질막 간에 리튬 이온의 이동을 촉진하는 역할을 한다.The electrolyte may comprise a lithium salt. The lithium salt may be dissolved in a solvent to act as a source of lithium ions in the battery and to promote the movement of lithium ions between the negative electrode, the lithium ions, and the conductive solid electrolyte membrane.

상기 리튬염으로는 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiN(SO2C2F5)2, Li(CF3SO2)2N, LiC4F9SO3, LiClO4, LiAlO2, LiAlCl4, LiF, LiBr, LiCl, LiI, LiB(C2O4)2, LiCF3SO3, LiN(SO2CF3)2(LiTFSI), LiN(SO2C2F5)2 및 LiC(SO2CF3)3으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다. 상기 리튬염의 농도는 0.1 ~ 1.5 M 범위로 할 수 있으며, 이 범위 내에서 전해질은 적절한 전도도 및 점도를 가지게 되어 우수한 전해질 성능을 나타낼 수 있으며 리튬 이온이 효과적으로 이동할 수 있다.Examples of the lithium salt include 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 , LiF, LiBr, LiCl, LiI, LiB (C 2 O 4 ) 2 , LiCF 3 SO 3 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 (LiTFSI), LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 and LiC One or more types selected from the group consisting of (SO 2 CF 3 ) 3 can be used. The concentration of the lithium salt can be in the range of 0.1 ~ 1.5 M, within this range the electrolyte has an appropriate conductivity and viscosity can exhibit excellent electrolyte performance and lithium ions can move effectively.

한편, 용매의 종류에 따라 상기 전해질은 수계 전해질 또는 비수계 전해질로 구분될 수 있다. 구체적으로 상기 수계 전해질은 물에 상기 리튬염을 포함시킨 형태일 수 있고, 상기 비수계 전해질은 유기용매에 상기 리튬염을 포함시킨 형태일 수 있다.Meanwhile, the electrolyte may be classified into an aqueous electrolyte or a non-aqueous electrolyte according to the type of solvent. Specifically, the aqueous electrolyte may be in the form containing the lithium salt in water, the non-aqueous electrolyte may be in the form containing the lithium salt in an organic solvent.

상기 비수계 전해질의 유기 용매는 카보네이트계, 에스테르계, 에테르계, 케톤계, 유기황(organosulfur)계, 유기인(organophosphorous)계, 비양성자성 용매 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있는데, 보다 구체적으로는 상기 비수계 유기용매로는 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 부틸렌 카보네이트(BC), 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디프로필 카보네이트(DPC), 디부틸 카보네이트(DBC), 에틸 메틸 카보네이트(EMC), 메틸 프로필 카보네이트(MPC), 에틸 프로필 카보네이트(EPC), 플루오로에틸렌카보네이트(FEC), 디부틸에테르, 테트라글라임, 디글라임, 디메톡시에탄, 테트라하이드로퓨란, 2-메틸 테트라하이드로퓨란, 1,3-디옥솔란(1,3-dioxolane), 1,4-디옥산, 1,2-디메톡시에탄, 1,2-디에톡시에탄, 1,2-디부톡시에탄, 아세토니트릴,디메틸포름아미드, 메틸 포르메이트, 에틸 포르메이트, 프로필 포르메이트, 부틸 포르메이트, 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 프로필 아세테이트, 부틸 아세테이트, 메틸 프로피오네이트, 에틸 프로피오네이트, 프로필 프로피오네이트, 부틸 프로피오네이트, 메틸 부티레이트, 에틸 부티레이트, 프로필 부티레이트, 부틸 부티레이트, γ-부티로락톤, 2-메틸-γ-부티로락톤, 3-메틸-γ-부티로락톤, 4-메틸-γ-부티로락톤, β-프로피오락톤, δ-발레로락톤, 트리메틸 포스페이트, 트리에틸 포스페이트, 트리스(2-클로로에틸) 포스페이트, 트리스(2,2,2-트리플루오로에틸) 포스페이트, 트리프로필 포스페이트, 트리에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(TEGDME), 트리이소프로필포스페이트, 트리부틸 포스페이트, 트리헥실 포스페이트, 트리페닐 포스페이트, 트리톨릴 포스페이트(tritolylphosphate), 폴리에틸렌글리콜디메틸에테르(PEGDME) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다.The organic solvent of the non-aqueous electrolyte is one selected from the group consisting of carbonates, esters, ethers, ketones, organosulfurs, organophosphorouss, aprotic solvents, and combinations thereof. More specifically, the non-aqueous organic solvent may include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), and dipropyl carbonate. (DPC), dibutyl carbonate (DBC), ethyl methyl carbonate (EMC), methyl propyl carbonate (MPC), ethyl propyl carbonate (EPC), fluoroethylene carbonate (FEC), dibutyl ether, tetraglyme, diglyme , Dimethoxyethane, tetrahydrofuran, 2-methyl tetrahydrofuran, 1,3-dioxolane (1,3-dioxolane), 1,4-dioxane, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-die Methoxyethane, 1,2-dibutoxyethane, Cetonitrile, dimethylformamide, methyl formate, ethyl formate, propyl formate, butyl formate, methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, butyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, propyl propionate, Butyl propionate, methyl butyrate, ethyl butyrate, propyl butyrate, butyl butyrate, γ-butyrolactone, 2-methyl-γ-butyrolactone, 3-methyl-γ-butyrolactone, 4-methyl-γ-buty Rolactone, β-propiolactone, δ-valerolactone, trimethyl phosphate, triethyl phosphate, tris (2-chloroethyl) phosphate, tris (2,2,2-trifluoroethyl) phosphate, tripropyl phosphate, Triethylene glycol dimethyl ether (TEGDME), triisopropylphosphate, tributyl phosphate, trihexyl phosphate, triphenyl phosphate, tri Tolyl phosphate (tritolylphosphate), polyethylene glycol may be used dimethyl ether (PEGDME), and one or more selected from the group consisting of.

상기 비수계 유기용매는 리튬염 이외에도 다른 금속염을 추가로 포함할 수 있다. 예를 들면 AlCl3, MgCl2, NaCl, KCl, NaBr, KBr 또는 CaCl2, LIi, NaI, KI 등이 있다.The non-aqueous organic solvent may further include other metal salts in addition to lithium salts. For example AlCl 3 , MgCl 2 , NaCl, KCl, NaBr, KBr or CaCl 2 , LIi, NaI, KI and the like.

본 발명의 리튬 공기 전지는 상기 양극과 음극 사이에 구비되는 분리막을 더 구비할 수 있다. 상기 분리막으로는, 양 전극을 서로 분리 또는 절연시키고 리튬 이온만을 통과시키면서 다른 물질은 차단할 수 있는 것이라면, 어느 것이나 제한 없이 사용 가능하다. 예를 들어, 다공성, 비전도성 또는 절연성 물질로 이루어질 수 있다. 보다 구체적으로 이를테면 폴리프로필렌 소재의 부직포나 폴리페닐렌 설파이드 소재의 부직포와 같은 고분자 부직포, 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌과 같은 올레핀계 수지의 다공성 필름 등을 사용할 수 있다. 이들을 2종 이상 병용하는 것도 가능하다.The lithium air battery of the present invention may further include a separator provided between the positive electrode and the negative electrode. As the separator, any one may be used without limitation as long as it separates or insulates both electrodes from each other and blocks only other materials while passing only lithium ions. For example, it may be made of a porous, nonconductive or insulating material. More specifically, for example, a polymer nonwoven fabric such as a nonwoven fabric of polypropylene or a nonwoven fabric of polyphenylene sulfide, a porous film of an olefin resin such as polyethylene or polypropylene may be used. It is also possible to use these 2 or more types together.

분리막의 구비 형태는 필름과 같은 독립적인 부재일 수도 있고, 양극 및/또는 음극에 부가된 코팅층일 수도 있다. 아울러 상기 분리막은 전해질을 함침시키는 것으로서 전해질의 지지체 역할을 할 수도 있다.The separation form of the separator may be an independent member such as a film, or may be a coating layer added to the anode and / or the cathode. In addition, the separator may serve as a support for the electrolyte by impregnating the electrolyte.

이상의 구성을 포함하는 본 발명의 리튬 공기 전지의 형태는 제한되지 않고 용도에 따라 다양하게 제조할 수 있으며, 이를테면 코인형, 평판형, 원통형, 뿔형, 버튼형, 시트형 또는 적층형일 수 있다.The shape of the lithium air battery of the present invention including the above configuration is not limited and may be variously manufactured according to the use, for example, may be coin type, flat plate type, cylindrical type, horn type, button type, sheet type, or stacked type.

또한, 본 발명의 리튬 공기 전지는 이를 단위 전지로 포함하는 전지 모듈로 사용될 수 있다. 상기 전지 모듈은 리튬 공기 전지 사이에 바이폴라(bipolar) 플레이트를 삽입하여 스택킹(stacking)하여 형성할 수 있다.In addition, the lithium air battery of the present invention can be used as a battery module including it as a unit cell. The battery module may be formed by stacking by inserting a bipolar plate between lithium air batteries.

본 발명의 리튬 공기 전지는 전극의 갈라짐이 없고, 충전 및 방전 용량과 전지 효율이 향상된 전지로서, 이를 포함하는 상기 전지모듈은 구체적으로 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 또는 전력 저장장치의 전원 등에 사용 가능하다.Lithium-air battery of the present invention is a battery without the electrode split, the charging and discharging capacity and battery efficiency is improved, the battery module including the same specifically for electric vehicles, hybrid electric vehicles, plug-in hybrid electric vehicles or power storage It can be used for power supply of the device.

이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 비교예1~2, 실시예1~2 및 이를 이용한 시험예를 기재한다. 다만 하기 비교예, 실시예 및 시험예들은 본 발명의 구성 및 효과에 관한 일 측면에 해당하는 것일 뿐이므로 본 발명의 권리 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, Comparative Examples 1 and 2, Examples 1 and 2, and test examples using the same will be described to help the understanding of the present invention. However, the following Comparative Examples, Examples and Test Examples are only one aspect of the configuration and effects of the present invention, so the scope of the present invention is not limited thereto.

<< 실시예Example  And 비교예Comparative example >>

본 발명에 따른 리튬 공기 전지의 양극을 구성하는 2종의 카본나노튜브의 조합비를 달리하여 하기 실시예 1 및 실시예 2의 양극을 제조하였다.The positive electrode of Examples 1 and 2 was prepared by varying the combination ratio of the two carbon nanotubes constituting the positive electrode of the lithium air battery according to the present invention.

실시예Example 1 One

번들 형태의 카본나노튜브와 구형 뭉침 형태의 카본나노튜브의 조합비를 3:1로 하는 카본나노튜브 복합체 및 PVDF 바인더를 80:20의 중량비로 섞고, NMP를 고형분 대비 1300 중량 %를 넣어 혼합하여 전극 슬러리를 제조하였다. 양극 집전체로는 카본 페이퍼(Toray TGP-H-030)를 사용하였으며, 상기 제조한 전극 슬러리를 카본 페이퍼 상에 닥터 블레이드로 코팅한 후 120℃에서 12시간 동안 진공 건조하여 양극을 제조하였다. 전극 로딩은 카본나노튜브(CNT) 카본 기준으로 약 0.5mg/cm2가 되도록 조절하였다. 건조된 양극은 19mm 직경의 원형 전극으로 가공하여 셀 조립에 사용하였다. 전해액은 1M의 LiTFS1 리튬염과 TEGDME 용매를 사용하여 제조하였고, 음극은 150mm 두께의 리튬 호일을 15mm 직경의 원형 전극으로 가공하여 사용하였다. 상기한 양극 및 음극의 분리막으로는 19mm 직경, 420um 두께의 글라스 파이버(glass fiber: Whatman社 GF/C)를 사용하여 직경이 20mm이고, 두께가 3.2mm인 코인셀을 조립 하였다.Carbon nanotube composites and PVDF binders having a combination ratio of 3: 1 to bundle carbon nanotubes and spherical agglomerated carbon nanotubes are mixed at a weight ratio of 80:20, and NMP is mixed with 1300 weight% of solids. Slurry was prepared. Carbon paper (Toray TGP-H-030) was used as the positive electrode current collector, and the electrode slurry was coated on a carbon paper with a doctor blade, followed by vacuum drying at 120 ° C. for 12 hours to prepare a positive electrode. Electrode loading was adjusted to about 0.5 mg / cm 2 based on carbon nanotubes (CNT) carbon. The dried anode was processed into a 19 mm diameter circular electrode was used for cell assembly. The electrolyte was prepared using 1M LiTFS1 lithium salt and TEGDME solvent, and the negative electrode was used by processing a 150 mm thick lithium foil into a 15 mm diameter circular electrode. As the separator of the positive electrode and the negative electrode, a coin cell having a diameter of 20 mm and a thickness of 3.2 mm was assembled using a glass fiber (glass fiber: Whatman GF / C) having a diameter of 420 μm.

실시예Example 2 2

양극재인 카본나노튜브 복합체를 구성하는 번들 형태의 카본나노튜브 및 구형 뭉침 형태의 카본나노튜브의 조합비를 1 :3으로 하여 실시예 1과 동일한 방법으로 셀을 조립하였다.A cell was assembled in the same manner as in Example 1, with a combination ratio of carbon nanotubes in the form of bundles and carbon nanotubes in the form of spherical agglomerations constituting the carbon nanotube composite as the cathode material.

상기 실시예와의 비교를 위하여, 종래의 리튬 공기 전지와 같이 동일한 형태의 1종의 카본나노튜브(비교예 1 및 비교예 2) 또는 카본블랙(비교예 3)으로 구성된 양극을 갖는 셀을 제조하였다.For comparison with the above embodiment, a cell having a positive electrode composed of one kind of carbon nanotubes (Comparative Example 1 and Comparative Example 2) or carbon black (Comparative Example 3) of the same type as a conventional lithium air battery was manufactured. It was.

비교예Comparative example 1 One

양극재로 번들(bundle) 형태의 카본나노튜브를 사용하여 실시예 1과 동일한 방법으로 셀을 제조하였다.A cell was manufactured in the same manner as in Example 1, using carbon nanotubes in a bundle form as a cathode material.

비교예Comparative example 2 2

양극재로 구형의 뭉침(entangled) 형태의 카본나노튜브를 사용하여 실시예 1과 동일한 방법으로 셀을 제조하였다.Cells were prepared in the same manner as in Example 1 using spherical entangled carbon nanotubes as the cathode material.

비교예Comparative example 3 3

양극재로 카본블랙인 케첸블랙(Ketjen black EC600JD)을 사용하여 실시예 1과 동일한 방법으로 셀을 제조하였다.A cell was prepared in the same manner as in Example 1 using Ketjen black EC600JD as a cathode material.

<< 시험예Test Example 1> - 전극의 갈라짐 관찰 1>-Observe the splitting of the electrode

본 발명의 2종의 카본나노튜브의 복합체를 양극재로 포함하는 실시예 1 및 2의 리튬 공기 전지의 양극 표면을 종래의 카본 블랙을 양극재로 사용한 비교예 3의 경우와 대비하여 광학 현미경으로 관찰하였다. 관찰 결과는 도 1로 제시한다.The surface of the positive electrode of the lithium air batteries of Examples 1 and 2 including the composite of two carbon nanotubes of the present invention as the positive electrode material was compared with the case of Comparative Example 3 using the conventional carbon black as the positive electrode material. Observed. The observations are shown in FIG. 1.

도 1을 참조하면, 비교예 3의 양극 표면에서는 갈라짐이 크고 뚜렷하게 관찰되는 반면, 실시예 1에서는 갈라짐이 완전히 제거되었고, 실시예 2에서는 갈라짐이 현저히 감소하여 거의 발생하지 않은 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 1, while the cracks are large and distinctly observed on the anode surface of Comparative Example 3, the cracks are completely removed in Example 1, and in Example 2, the cracks are significantly reduced and hardly occur.

<< 시험예Test Example 2> - 리튬 공기 전지의 충, 방전 용량 및 효율 측정 2>-Charge and discharge capacity and efficiency measurement of lithium air battery

상기 실시예 1~2 및 비교예 1~2의 리튬 공기 전지를 이용하여 충, 방전 용량 및 전지 효율을 측정하였다.Charge and discharge capacity and battery efficiency were measured using the lithium air battery of Examples 1-2 and Comparative Examples 1-2.

방전용량 측정 방법How to measure discharge capacity

포텐시오스탯(Potentiostat, bio-Logic社, VMP3)을 이용하여 전지의 방전 실험을 진행하였다. 2종의 카본나노튜브 복합체를 소재로 한 실시예 1의 전극 중량에 대하여 100 mA/g의 전류밀도를 가하여 전압 cut-off 방법으로 방전시키고, 하한 전압을 2.0 V로 설정하여 실시예 1 ~ 2 및 비교예 1 ~ 2에서 제조한 코인셀의 전기화학 실험을 진행하였다. 제조한 셀에 밀폐된 공간에서 순수한 산소를 1.5 atm 으로 채우고 전해액이 전극, 분리막에 충분히 침투될 수 있도록 5시간 동안 젖음(wetting) 시간을 충분히 준 다음에 측정을 시작하였다.Potentiostat (Potentiostat, bio-Logic, VMP3) was conducted using the discharge experiment of the battery. 100 mA / g current density was added to the electrode weight of Example 1, which is made of two kinds of carbon nanotube composites, and discharged by a voltage cut-off method. The lower limit voltage was set to 2.0 V. Examples 1 to 2 And electrochemical experiments of the coin cells prepared in Comparative Examples 1 and 2. Pure oxygen was charged to 1.5 atm in a sealed space in the prepared cell, and the measurement was started after sufficient wet time for 5 hours to sufficiently infiltrate the electrode and the separator.

충전용량 측정 방법How to measure charge capacity

앞서 방전용량 측정에 사용하기 위하여 제조한 셀은 방전 한 상태 그대로 변화를 주지 않고 포텐시오스탯(Potentiostat, bio-Logic社, VMP3)을 이용하여 전지의 방전 실험을 끝낸 후 전극 중량에 대하여 100 mA/g의 전류밀도를 가하여 전압 cut-off 방법으로 충전시키고, 상한 전압을 4.6 V로 설정하여 실시예 1 ~ 2 및 비교예 1 ~ 2에서 제조한 코인셀의 전기화학 실험을 진행하였다.The cell prepared for the measurement of the discharge capacity was 100 mA / with respect to the electrode weight after completing the discharge experiment of the battery using a potentiostat (Potentiostat, bio-Logic, VMP3) without changing the state as it was discharged. The current density of g was charged and charged by the voltage cut-off method, and the upper limit voltage was set to 4.6 V to conduct an electrochemical experiment of the coin cells prepared in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2.

전지 효율 계산Battery efficiency calculation

전지효율(%) = (충전용량/방전용량) X 100 Battery efficiency (%) = (charge capacity / discharge capacity) X 100

측정 결과는 도 2 및 하기 표 1로 제시한다.The measurement results are shown in FIG. 2 and Table 1 below.

  비교예Comparative example 1 One 비교예Comparative example 2 2 실시예Example 1 One 실시예Example 2 2 방전용량(A) (Discharge Capacity (A) ( mAhmAh /g)/ g) 23972397 20722072 28852885 29012901 충전용량(B) (Charge capacity (B) ( mAhmAh /g)/ g) 22332233 18751875 28352835 28472847 효율(B/A) (Efficiency (B / A) ( %% )) 93.193.1 90.590.5 98.398.3 98.198.1

측정 결과, 각각 단일 형태의 1종 카본나노튜브를 포함하는 전극을 양극으로 갖는 비교예 1 및 2의 리튬 공기전지에 대비하여, 서로 다른 형태의 2종 복합 카본나노튜브 전극을 양극으로 갖는 실시예 1 및 2의 리튬 공기 전지에 있어서의 충,방전 용량이 27 ~ 51% 정도로 현저히 향상된 것을 확인할 수 있다.As a result of the measurement, in contrast to the lithium air batteries of Comparative Examples 1 and 2 each having an electrode containing a single type of carbon nanotube as a positive electrode, an example having two types of composite carbon nanotube electrodes having different types as the positive electrode It can be seen that the charge and discharge capacities in the lithium air batteries of 1 and 2 were remarkably improved by 27 to 51%.

또한, 상기 실시예 1 및 2의 리튬 공기 전지는 전지 효율에 있어서도 비교예 1 및 2의 경우에 대비하여 5 ~ 8% 향상된 효율을 나타냄을 알 수 있다.In addition, it can be seen that the lithium air batteries of Examples 1 and 2 exhibited 5 to 8% improved efficiency in comparison with the case of Comparative Examples 1 and 2 in battery efficiency.

본 발명의 리튬 공기 전지용 양극 및 이를 구비한 리튬 공기 전지는 사이클 수명이 길면서도 충, 방전 용량이 향상되어 보다 다양한 전기, 전자 제품에 대하여 편리하게 사용 가능하다.The positive electrode for a lithium air battery of the present invention and a lithium air battery having the same have a long cycle life and have improved charging and discharging capacities, and thus can be conveniently used for various electric and electronic products.

Claims (9)

다공성 집전체 및 전극층으로 구성되고,
상기 전극층은 번들형(bunddle) 카본나노튜브 및 구형의 뭉침형(entangled) 카본나노튜브를 포함하고,
상기 번들형(bunddle) 카본나노튜브 및 구형의 뭉침형(entangled) 카본나노튜브는 1:3 ~ 3:1의 중량비로 포함되는 것인 리튬 공기 전지용 양극.
Consisting of a porous current collector and an electrode layer,
The electrode layer includes bundle carbon nanotubes and spherical entangled carbon nanotubes.
The bundled carbon nanotubes and spherical entangled carbon nanotubes are included in a weight ratio of 1: 3 to 3: 1.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 번들형(bunddle) 카본나노튜브 및 구형의 뭉침형(entangled) 카본나노튜브는 단순 혼합된 형태인 것을 특징으로 하는 리튬 공기 전지용 양극.
The method of claim 1,
The bundle type carbon nanotubes and the spherical entangled carbon nanotubes are a simple mixed type positive electrode for a lithium air battery.
제1항에 있어서,
상기 번들형(bunddle) 카본나노튜브 및 구형의 뭉침형(entangled) 카본나노튜브는 상호 복합된 형태인 것을 특징으로 하는 리튬 공기 전지용 양극.
The method of claim 1,
The bundle type carbon nanotubes and the spherical entangled carbon nanotubes are a composite of a lithium air battery, characterized in that the composite form.
제1항에 있어서,
상기 번들형(bunddle) 카본나노튜브 및 구형의 뭉침형(entangled) 카본나노튜브는 상호 화합된 형태인 것을 특징으로 하는 리튬 공기 전지용 양극.
The method of claim 1,
The bundle carbon nanotubes and the spherical entangled carbon nanotubes are mutually combined form, the positive electrode for a lithium air battery.
제1항에 있어서,
상기 번들형(bunddle) 카본나노튜브 및 구형의 뭉침형(entangled) 카본나노튜브는 각각 단일벽, 이중벽 또는 다중벽 카본나노튜브인 것을 특징으로 하는 리튬 공기 전지용 양극.
The method of claim 1,
The bundle type carbon nanotubes and the spherical entangled carbon nanotubes are single-walled, double-walled, or multi-walled carbon nanotubes, respectively.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 번들형(bunddle) 카본나노튜브 및 구형의 뭉침형(entangled) 카본나노튜브의 복합체는 전극층의 총 중량 대비 60 ~ 95 중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 리튬 공기 전지용 양극.
The method of claim 1,
The composite of the bundle carbon nanotubes and the spherical entangled carbon nanotubes is 60 to 95% by weight relative to the total weight of the electrode layer, characterized in that the lithium air battery positive electrode.
양극, 음극 및 이들 사이에 충전되거나 어느 한 극 이상에 함침된 전해질을 포함하고,
상기 양극은 제1항, 제3항 내지 제6항 및 제8항 중 어느 한 항의 리튬 공기 전지용 양극인 리튬 공기 전지.
A positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte charged therebetween or impregnated with one or more poles,
The positive electrode is a lithium air battery is a positive electrode for a lithium air battery of any one of claims 1, 3 to 6 and 8.
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