KR102197491B1 - 결함내재 탄소구조체를 적용한 리튬이차전지용 음극 및 이를 포함하는 리튬이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기재층 상부에 결함내재 탄소구조체가 코팅되어 있고, 상기 탄소구조체 상부에 리튬금속층이 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 전극에 관한 것으로, 결함내재 탄소구조체를 코팅한 후에 리튬을 전착시켜 리튬이차전지용 전극을 제조할 경우, 음극의 비표면적을 늘려서 전류밀도를 낮춤으로써 리튬 덴드라이트 형성을 억제하고, 사이클 성능을 향상시킬 수 있으며, 리튬이온 전도도 및 기계적 강도가 우수한 무기물계 SEI 계면을 보다 선택적으로 생성함으로써 리튬 전착　과전압을 감소시켜 리튬이차전지의 전기화학적 성능을 개선시킬 수 있다.

Description

결함내재 탄소구조체를 적용한 리튬이차전지용 음극 및 이를 포함하는 리튬이차전지{Anode for Lithium Secondary Battery Comprising Defective Carbon Structure and Lithium Secondary Battery Comprising the Same}
본 발명은 결함내재 탄소구조체를 적용한 리튬이차전지용 음극 및 이를 포함하는 리튬이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기재층 상부에 결함내재 탄소구조체가 코팅되어 있고, 상기 탄소구조체 상부에 리튬금속층이 코팅되어 있는 리튬이차전지용 전극 및 이를 포함하는 리튬이차전지에 관한 것이다.
휴대폰 등의 전자기기의 소형화 및 고성능화에 따라 용량밀도 및 에너지 효율이 향상된 이차전지의 개발이 활발하게 이루어지고 있다.
현재 적용되고 있는 이차전지 중에서 1990년대 초에 개발된 리튬 이차전지는 수용액 전해액을 사용하는 Ni-MH, Ni-Cd, 황산-납 전지 등의 재래식 전지에 비해서 작동 전압이 높고 에너지 밀도가 월등히 크다는 장점으로 각광을 받고 있다.
리튬 이차전지는 양극, 음극 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체가 적층 또는 권취된 구조로 전지케이스에 내장되며, 그 내부에 비수 전해액이 주입됨으로써 구성된다. 음극으로서 리튬 전극은 평면상의 집전체 상에 리튬 호일을 부착시켜 사용한다. 충방전 진행 시 리튬의 형성과 제거가 불규칙하여 리튬 덴드라이트가 형성되며 이는 지속적인 용량 저하로 이어지게 된다. 이를 해결하기 위해 현재 리튬 금속층에 폴리머 보호층 또는 무기 고체 보호층을 도입하거나, 전해액의 염의 농도를 높이거나 적절한 첨가제의 적용하는 연구가 진행되었다. 하지만 상기 기술들에 대한 리튬 덴드라이트 억제 효과는 미미한 실정이다. 따라서 리튬 금속 음극 자체의 형태 변형이나 전지의 구조 변형을 통하여 문제를 해결하는 것이 효과적인 대안이 될 수 있다.
이와 같은 대안으로서, 대한민국 공개특허 제2018-0103725호는 탄소계 박막이 형성된 음극 및 이를 포함하는 리튬이차전지를 제조함으로써 음극의 비표면적을 늘려주고, 리튬 금속층과 전해질의 직접적인 접촉에 의한 부반응을 차단하여 리튬 덴드라이트 형성을 억제하고, 전류밀도 분포를 균일하게 구현하며, 사이클 성능을 향상시키고 리튬이차전지의 전기화학 성능을 개선시키는 것을 개시하고 있다.
또한, 대한민국 공개특허 제2018-0105345호는 리튬 금속층의 적어도 일면에 형성되며 질화리튬 박막층 및 상기 질화리튬 박막층 상에 형성되는 탄소계 박막층을 포함하는 음극을 개시하고 있다.
대한민국 공개특허 제2018-0036600호는 고분자 보호층과 탄소계 보호층이 형성된 리튬 이차전지용 음극 및 이를 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것으로, 안정적인 불화리튬(LiF)막 형성으로 고체 전해질 계면(Solid electrolyte interface: SEI) 층의 손실을 방지함으로써 전지의 성능 향상 및 안정적인 성능 발현이 가능하고, 불활성 리튬 또는 리튬 덴드라이트를 흡수함으로써 전지의 내부 단락이 방지되어 충방전 시 사이클 수명 특성이 향상된다고 기재되어 있다.
또한, 리튬금속전극을 사용하는 리튬이차전지(Li-S, Li-Air 전지 등)에서 중요한 문제 중의 하나는 전해질 용액과 리튬 간 반응성을 제어하고, 전류분포를 균일화시켜 덴드라이트 수지성장을 억제시키는 것인데, 기존에는 많이 알려진 탄소구조체를 도입하여 음극의 반응 면적을 넓혀 이와 같은 문제를 해결할 수 있었다. 그러나 이러한 장점에도 불구하고, 전도성 물질인 탄소 물질은 전해액과 계속 반응하여 전극 표면에 전해액 분해 부산물을 계속 만들어 셀 성능의 감소를 야기하는 문제점이 있다.
리튬금속전지에 있어 음극에 탄소 물질을 적용하는 경우 단순 구리만을 사용하는 경우보다 리튬 핵 생성을 열역학적으로 안정하게 생성할 수 있을 뿐만 아니라, 음극의 비표면적을 늘려서 전류 밀도를 낮춤으로써 한 곳으로 리튬 전착이 집중되는 것을 방지할 수 있다. 탄소 물질 중에서는 MWCNT와 그래핀을 이용한 연구들이 많이 진행되었다. 하지만 MWCNT와 같이 그라파이트(graphite) 구조를 가지는 경우 이온 층간 삽입이 리튬 이온의 전착을 방해할 뿐만 아니라, 리튬 카바이드(LixCy)라는 비가역적인 상의 생성으로, 이후의 전지 수명을 빠르게 퇴화시킬 수 있다(Wenzhi Li et al,, Journal of Power sources, 208, 74-85, 2012). 그래핀 구조를 단층으로 적용할 경우 그 공정이 까다롭고 비용상 문제를 고려하지 않을 수 없다. 복층으로 코팅을 진행할 경우, 이차원적인 물질의 구조 특징상 층간 사이로의 이온 전달에 있어 저항이 심하게 걸릴 뿐만 아니라, 리튬을 전착하여 저장하는 점에 있어서도 크게 제약을 받는다. 이러한 현상은 고전류 조건 운전에서 더 유의미하게 관찰된다(그래핀 적용 사례: Qiang Zhang et al,, ACS Nano, 9, 6373-6382, 2015; RGO 적용 사례: Jiang-Ping Tu et al, RSC advances, 6, 11657-11665, 2016).
그러므로, 상기와 같은 문제점을 해결하고 리튬이차전지의 전기화학 성능의 개선을 개선하는 기술이 요구되고 있는 실정이다.
이에, 본 발명자들은 상기 문제점을 해결하기 위하여 예의 노력한 결과, 결함내재 탄소구조체를 코팅한 후에 리튬을 전착시켜 리튬이차전지용 전극을 제조할 경우, 음극의 비표면적을 늘려서 전류밀도를 낮춤으로써 리튬 덴드라이트 형성을 억제하고, 사이클 성능을 향상시킬 수 있으며, 리튬이온 전도도 및 기계적 강도가 우수한 무기물계 SEI 계면을 보다 선택적으로 생성함으로써 리튬 전착　과전압을 감소시켜 리튬이차전지의 전기화학적 성능을 개선시킬 수 있다는 것을 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명의 목적은 음극의 비표면적을 늘려서 전류밀도를 낮춤으로써 리튬 덴드라이트 형성을 억제하고, 사이클 성능을 향상시키는 리튬이차전지용 전극 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 리튬이온 전도도 및 기계적 강도가 우수한 무기물계 SEI 계면을 선택적으로 생성함으로써 리튬 전착　과전압을 감소시키고 리튬이차전지의 전기화학적 성능을 개선한 리튬이차전지를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 기재층 상부에 결함내재 탄소구조체가 코팅되어 있고, 상기 탄소구조체 상부에 리튬금속층이 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 전극을 제공한다.
본 발명은 또한, (a) 휘발성 유기용매에 결함내재 탄소구조체를 분산시킨 용액을 기재층 위에 코팅하는 단계; 및 (b) 상기 결함내재 탄소구조체 상에 리튬금속을 전착시키는 단계를 포함하는 리튬이차전지용 전극의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 리튬이차전지용 전극을 포함하는 리튬이차전지를 제공한다.
본 발명에 따르면, 음극에 형성된 탄소계 박막은 리튬 금속층과 전해질의 직접적인 접촉에 의한 부반응을 차단할 수 있다. 특히, 결함 구조가 적용되었을 경우 그렇지 않은 경우보다 음극의 비표면적을 늘려서 전류밀도를 낮춤으로써, 리튬 덴드라이트 형성을 억제하고, 사이클 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 탄소구조의 결함이 많은 구조는 리튬이 전착될 경우 리튬 이온 전도도가 좋으면서 기계적 강도가 우수한 무기물계 SEI 계면을 보다 선택적으로 생성함으로써, 리튬 전착　과전압을 감소시켜 리튬 이차전지의 전기화학적 성능을 개선시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 실시예(a) 및 비교예(b)에 의한 리튬 전착 형상 단면도를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 탄소 로딩 정도에 따른 코팅 결과를 도시한 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 결함 정도에 따른 탄소 표면 기능기의 분포도를 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 전기화학적 성능을 비교한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 리튬 전착 형성을 나타낸 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 결함내재 탄소를 적용한 리튬이차전지의 전기화학 반응 분석을 확인한 그래프이다.
다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술 분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.
본 발명에서는 탄소 결함 구조를 리튬 금속에 적용하여 기재층 상부에 결함내재 탄소구조체가 코팅되어 있고, 상기 탄소구조체 상부에 리튬금속층이 코팅되어 있는 리튬이차전지용 전극을 제조할 경우 리튬 금속 음극에 이온전도도가 높고 물리적 강도가 높은 무기물계 SEI 계면을 만들 수 있어, 결과적으로 리튬이차전지의 전기화학적 성능을 향상시킬 수 있다는 것을 확인하였다.
따라서, 본 발명은 일 관점에서, 기재층 상부에 결함내재 탄소구조체가 코팅되어 있고, 상기 탄소구조체 상부에 리튬금속층이 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 전극에 관한 것이다.
본 발명은 다른 관점에서 (a) 휘발성 유기용매에 결함내재 탄소구조체를 분산시킨 용액을 기재층 위에 코팅하는 단계; 및 (b) 상기 결함내재 탄소구조체 상에 리튬금속을 전착시키는 단계를 포함하는 리튬이차전지용 전극의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 기존 기술과 달리 탄소구조체를 리튬을 보호하는 목적으로 적용한 것뿐만 아니라, 탄소 결함 구조를 리튬 금속을 보호하는 계면 형성체 및 리튬 저장체로 사용하고 있다.
본 발명에서 사용된 결함이 많이 있는 탄소구조체의 경우 C=O, C-OOH 등 리튬 이온과 강한 결합력을 가지는 기능기들이 표면에 많이 존재하고 있다. 이런 기능기들은 리튬염과 전기화학 반응을 일으킬 시 음극 주변에서 좋은 계면이라고 알려진 무기물계 SEI 계면(LiF, LiOH 등)을 보통 탄소보다 더 많이 선택적으로 만들 수 있다.
본 발명에 기재된 "결함내재 탄소구조체"란 흑연, 그래핀 등과 같은 그라파이트(graphite) 결정을 이룰 수 있는 탄소계 물질에서, 그라파이트 결정의 윗면보다 옆면이 환경에 주로 노출되어 있는 구조체 상태를 의미한다. 그라파이트 구조의 옆면은 윗면과 다르게 비공유 전자쌍들이 많이 드러나있어 표면 에너지가 높으며, 여러 가지 반응을 일으킬 수 있는 장소이다. 이로 인해 결정의 윗면에서는 형성할 수 없는 -C=O 또는 -COOH 등의 이중결합 작용기가 결함내재 탄소 물질 표면에 주로 결합되어 있는 특징을 가지고 있다. 예를 들면 그래핀 옥사이드 나노리본(grapheme oxide nanoribbon), 환원 그래핀 옥사이드 나노리본(reduced grapheme oxide nanoribbon), 그래핀 옥사이드 퀀텀닷(grapheme oxide quantum dot), 환원 그래핀 옥사이드 퀀텀닷(reduced grapheme oxide quantum dot) 등이 적층된 구조체 등의 예시가 있을 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 결함내재 탄소구조체는 그래핀, 그래핀 옥사이드, 환원 그래핀 옥사이드, 그래핀 나노리본 및 그래핀 퀀텀닷으로 구성된 군에서 1종 이상 선택된 물질의 표면에 -C=O 또는 -COOH의 작용기가 결합되어 있는 것일 수 있다. 또한 비슷한 결함 구조를 가지고 있는 물질들을 리튬금속 음극에 똑같은 원리로 적용할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 기재는 구리 등의 금속을 사용할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 결함내재 탄소구조체의 양은 0.02~0.05 mg/cm2일 수 있다. 결함내재 탄소구조체의 양이 0.02 mg/cm2 미만인 경우에는 스프레이 코팅의 과정에서 구리 표면에 충분히 탄소가 코팅이 되지 못해 균일한 분포를 이루지 못하여 리튬의 균일한 전착을 기대하기 어렵다. 0.05 mg/cm2 초과로 탄소 코팅 두께가 너무 두꺼운 경우에는 결함이 많은 물질의 특성상 표면 에너지가 높아, 탄소 입자들이 서로 뭉치면서 코팅이 균일하게 일어나지 못하는 현상이 발생한다. 이러한 현상 또한 리튬 전착 전기화학적 성능의 향상 효과를 제대로 발휘되지 못하는 요인이 될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 휘발성 유기용매는 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran), 디메틸에테르(dimethyl ether), 디에틸에테르(diethyl ether) 또는 1,3-디옥살란(1,3-dioxolane)과 같은 리튬이차전지 내에 사용될 수 있는 에테르(ether) 계열의 전해액 군에서 1종 이상 선택될 수 있으며, 바람직하게는 테트라하이드로퓨란을 사용하나, 이에 한정되는 것은 아니며, 휘발성을 띠는 유기용매라면 제한 없이 사용할 수 있다.
본 발명에 의하여 리튬이차전지용 전극을 제조하는 방법은 탄소를 휘발성이 높은 유기용매에 분산시킨 후 스프레이 방식으로 구리 포일 위에 우선 코팅을 하고 이를 전극으로 사용하는 방법이다.
　상기 방법은 리튬 금속과 전해액과의 반응을 완화시키는 데 도움을 주었으며, 또한 특이한 첨가제를 사용하지 않고 리튬 금속 주변에 좋은 계면을 선택적으로 만드는 데 용이하다는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 리튬금속전지 상용화 개발에 적용될 수 있으며, 이에 국한되지 않고 차세대 고용량 이차전지로 적용될 수 있는 다른 금속 전극(나트륨, 칼륨, 아연 등)의 음극에도 동일한 원리를 적용한 기술로도 활용될 수 있다. 또한, 이 기술을 기반으로 제작한 전극은 리튬/공기 전지와 리튬/황 전지에서의 음극으로도 활용될 수 있다.
따라서, 본 발명의 또 다른 관점에서 상기 리튬이차전지용 전극을 포함하는 리튬이차전지에 관한 것이다.
현재까지의 리튬금속　이차전지 시장동향을 고려하면 안전성 문제로 상용화되지 못하고, 적용한다고 하더라도 주로 전자부품용, 이동 통신 기기용의 소형 제품 배터리용에만 국한되어 왔다. 만약 대용량의 에너지 밀도를 가지는 에너지 저장 장치 및 교환국,　기지국 전원용, 무공해차량(FCEV, HEV 등)용, 산업용 배터리 등에 성공적으로 적용될 경우, 고출력과　고성능의 중대형 배터리로서의 그 수요가 늘어나리라 예상되며, 기술 개발을 통한 에너지 절약효과 및 파급효과를 고려한다면 더 큰 시장성 증가를 기대할 수 있다.
리튬금속 활용 기술의 개발로 인해 현재의 흑연 음극을 리튬금속으로 대체할 경우 질량당 에너지밀도 측면에서 10배 이상의 높은 용량 구현이 가능함으로써 현재의 리튬이온 음극재 시장을 빠르게 대체할 것으로 기대된다.　높은 용량과 안정성을 가지는 리튬 금속 전지를 개발하면, 대용량 에너지 저장 장치의 효율이 높아지며, 신재생 에너지 발전을 이용하여 생성된 에너지를 효과적으로 저장이 가능하다. 신재생 에너지 발전을 할 수 없는 시간에도 현재에 비하여 안정적으로 전기 사용 가능함으로써 환경오염 물질을 배출하는 화석 연료 발전과 원자력 발전의 비율이 줄어들 수 있으며 연료 수입량 역시 감소하므로 수입 대체 효과도 가능하다.　또한 에너지 저장 장치의 안정적이고 긴 수명특성으로 인해 여러 번 교체해야 하는 불필요한 비용을 절감할 수 있다.
차후 현재 소재의 두께의 최적화 및 결함의 종류, 분포 등의 최적화가 이루어지면서 대량 생산의 코팅 방법이 효과적으로 연구될 경우, 현재 리튬 금속전지에서 음극 재료로 가장 많이 쓰이고 있는 리튬이온 흑연 음극재, 혹은 구리/리튬 호일보다 경쟁력이 훨씬 우수할 것으로 기대된다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
[실시예]
제조예 1: 리튬이차전지용 전극의 제조
본 발명에서 사용된 2전극 셀을 구성 시 표준 2032형 코인 셀을 기준으로 평가하였다. 코인 셀 전극으로 사용하고자, 결함내재 탄소가 코팅된 구리 포일과 함께, 비교군으로 표면을 깨끗하게 마모시킨 구리포일(cupper foil)을 지름 1.6 cm 펀처를 이용하여 잘랐다. 대칭전극으로는 1.2cm 크기의 150 ㎛ 두께의 리튬금속 포일(Honzo, Japan)을 사용하였으며, 분리막과 전해액으로는 상용화된 제품인 폴리프로필렌(polypropylene, Cellgard 2300)과 1M LiTFSI DOL/DME (Pynax) 전해액을 사용하였다. 이후, O2 가스 및 H2O 가스가 1ppm 미만으로 제어되는 환경 조건을 유지한 채 아르곤 글러브 박스 내에서 2전극 셀을 조립하였다.
실시예 1: 탄소 로딩 정도에 따른 코팅 정도 확인
스프레이 코팅을 진행하기 위해 탄소 입자들을 유기 용매에 1~2wt% 농도로 섞은 후, 고른 코팅을 위해 3시간 동안 초음파 분산을 진행하였다. 이 때, 용매의 종류에 따라 분산제를 추가 용해하여 분산시킬 수 있다. 이후, 유기 용매의 끓는점 온도 부근으로 기판을 미리 가열한 후, 그 위에 5X5cm 크기로 자른 구리를 고정시켰다. 스프레이 건을 통해 질소 가스를 퍼징(purging)하여 1ml 단위로 스프레이 코팅을 1회 진행하였다. 탄소 로딩의 정도는 코팅 횟수로 조절이 가능하다. 스프레이 코팅이 끝난 후, 60℃ 온도 조건에서 충분히 시간을 두고 남아있는 유기 용매를 증발시켰다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 구리(Bare Cu)보다 GONR 0.05 mg/cm2 일 때는 코팅 효과가 우수하였으나, GONR (Graphene Oxide Nano-ribbon) 0.10 mg/cm2 일 또는 0.15 mg/cm2 일 때는 불량하였다.
실시예 2: 결함 정도에 따른 탄소 표면 기능기의 분포 확인
스프레이 코팅을 통해 얻은 탄소 코팅된 구리 전극을 충분히 진공 건조시킨 후, 샘플링하여 XPS 장비(Thermo-VG Sigma Probe)를 통해 분석을 진행하였다.
도 3의 XPS 데이타에 나타낸 바와 같이, CNT보다 GO에서는 C=O가 9%이었으나, GONR에서는 COOH 4.88%, C=O 13.5%로 나타났다. 결함이 많아질수록 리튬 이온과 친한 결착력을 가지는 C=O, C-OOH의 기능기가 증가하는 것을 확인하였다.
실시예 3: 리튬 전착 형성 확인
1mA/cm2 전류 조건에서 총 1mAh/cm2 만큼 리튬을 전착시킨 후, 코인 셀을 해체하여 리튬이 전착된 형상을 주사전자현미경을 통해 관찰하였다. 결함내재 탄소를 적용한 경우, 리튬과의 친한 결착력으로 비교예와 대비하여 보다 리튬의 평평한 전착을 유도할 수 있었고, 같은 배율로 찍은 사진에서도 전착된 리튬의 두께가 더욱 얇은 것을 사진을 통해 확인할 수 있었다.
도 5의 리튬 전착 SEM 사진에 나타낸 바와 같이, 보통 구리(Bare Cu)의 경우보다 결함내재 탄소구조체(GONR: Graphene Oxide Nano-ribbon/Cu)를 적용한 경우 리튬이 좀 더 균일하게, 안정적으로 전착된 것을 확인할 수 있었다.
실시예 4: 리튬이차전지용 전극성능의 확인
배터리 충방전기(Wonatech, Korea, WLCS3200)를 이용하여 1mA/cm2 전류 조건에서 1시간 동안 리튬의 전착 및 탈리 과정을 반복하였다. 도 4의 왼쪽 그래프는 사이클이 진행됨에 따라 리튬 구리 셀에서의 리튬의 가역성 정도를 평가한 것이다. 결함내재 탄소를 적용한 경우 비교예보다 100번째 싸이클 이상부터 효과를 보이는 것을 확인할 수 있다. 도 4의 오른쪽 그래프는 5번째 싸이클에서 리튬이 전착되는 과정에 대한 전압 프로파일(profile)이다. 결함내재 탄소를 적용한 경우 비교예와 대비하여 전착 과전압이 60mV 이상 줄어든 것을 확인할 수 있었으며, 이는 리튬 이온이 환원될 때 전기화학적 저항을 보다 적게 받으면서 더욱 안정한 형상으로 전착됨을 확인할 수 있는 데이터이다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 도 4의 왼쪽 그래프에서 결함내재 탄소구조체를 적용한 경우 셀 성능이 증가한 것을 확인하였고, 도 4의 오른쪽 그래프에서 결함내재 탄소구조체를 적용한 경우 리튬 전착 과전압이 확연히 줄어드는 것을 확인하였다.
실시예 5: 리튬이차전지용 전극성능의 확인(CV 테스트)
순환전압전류법(Cyclic Voltammetry test)은 셀의 개방 전위 상태에서 시작하여 0V까지 애노딕 스캔(anodic scan)을 먼저 시작하여, 0.1mV/s의 스캔속도(scan rate)로 총 3회 진행하였다. 처음 1회 때만 보인 비가역적인 반응들의 전류피크(current peak) 대비 2,3회 때 보인 가역 반응에 대한 전류피크(current peak)의 크기 변화를 비교하여, 각각의 전위에서 일어날 수 있는 전기화학 반응을 참고문헌과 함께 분석하였다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 순환전압전류법(Cyclic Voltammetry test)을 통하여 결함이 더 많은 내재탄소를 적용한 표본에서 리튬염이 더 많이 분해되어 무기물계 SEI 계면이 형성하는 반응(1.5~1.6V 부근)이 선택적으로 더 많이 이루어짐을 관찰할 수 있었다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (8)

  1. 기재층 상부에 결함내재 탄소구조체가 코팅되어 있고, 상기 탄소구조체 상부에 리튬금속층이 코팅되어 있으며,
    상기 결함내재 탄소구조체는 표면에 -C=O 또는 -COOH의 작용기가 결합되어 있는 그래핀 나노리본 또는 그래핀 옥사이드 나노리본이고, 그 양은 0.02~0.05 mg/cm2인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 전극.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 다음 단계를 포함하는 제1항의 리튬이차전지용 전극의 제조방법:
    (a) 휘발성 유기용매에 결함내재 탄소구조체를 분산시킨 용액을 기재층 위에 코팅하는 단계; 및
    (b) 상기 결함내재 탄소구조체 상에 리튬금속을 전착시키는 단계,
    상기 결함내재 탄소구조체는 표면에 -C=O 또는 -COOH의 작용기가 결합되어 있는 그래핀 나노리본 또는 그래핀 옥사이드 나노리본이며, 그 양은 0.02~0.05 mg/cm2인 것을 특징으로 함.
  5. 삭제
  6. 제4항에 있어서, 상기 휘발성 유기용매는 테트라하이드로퓨란, 디메틸에테르, 디에틸에테르 및 1,3-디옥살란으로 구성된 군에서 1종 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 전극의 제조방법.
  7. 제1항의 리튬이차전지용 전극을 포함하는 리튬이차전지.
  8. 제7항에 있어서, 상기 리튬이차전지는 Li-S 전지 또는 Li-Air 전지인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.
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