KR102298970B1 - 리튬 공기 전지용 양극, 이를 포함하는 리튬 공기 전지, 및 리튬 공기 전지용 양극의 제조 방법 - Google Patents

리튬 공기 전지용 양극, 이를 포함하는 리튬 공기 전지, 및 리튬 공기 전지용 양극의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

리튬 공기 전지용 양극은 제1 탄소 구조체 및 상기 제1 탄소 구조체 상에 제공되는 제2 탄소 구조체를 포함한다. 상기 제1 탄소 구조체는 제1 탄소 코팅층 및 상기 제1 탄소 코팅층 상에 제공되고, 상기 제1 탄소 코팅층보다 얇은 제1 탄소 시트를 포함한다. 상기 제2 탄소 구조체는 제2 탄소 코팅층 및 상기 제2 탄소 코팅층 상에 제공되고, 상기 제2 탄소 코팅층보다 얇은 제2 탄소 시트를 포함한다. 상기 제1 탄소 구조체 및 상기 제2 탄소 구조체 각각의 두께는 150 내지 300μm인 것일 수 있다.

Description

리튬 공기 전지용 양극, 이를 포함하는 리튬 공기 전지, 및 리튬 공기 전지용 양극의 제조 방법{A CATHODE OF A LITHIUM-AIR BATTERY, A LITHIUM-AIR BATTERY INCLUDING THE SAME, AND FABRICATION METHOD OF THE ANODE OF THE LITHIUM-AIR BATTERY}
본 발명은 리튬 공기 전지용 양극, 이를 포함하는 리튬 공기 전지, 및 리튬 공기 전지용 양극의 제조 방법에 관한 것이다.
리튬 공기 전지는 높은 에너지 밀도로 전기자동차 전지용 차세대 이차 전지로 주목 받고 있다. 리튬 공기 전지는 가볍고, 고전도도를 갖는 탄소 소재를 양극에 적용하여 고 에너지 밀도(무게당 용량)를 발현한다. 전기차용 고용량 배터리로 적용하기 위하여 리튬 공기 전지용 양극에서 넓은 전기 화학 반응 영역을 보유해야 하고, 이를 위해 양극 도전재의 양을 증가시켜야 한다. 다만 도전재의 양을 늘리는 경우, 도전재층이 갈라지고 탈리가 되기 쉬워, 도전재의 코팅량이 제한될 수 밖에 없다. 고에너지 밀도에 도달하기 위해서는 면적당 용량을 늘려야 하지만, 현재의 제한된 도전재의 코팅량으로는 방전 용량을 충분히 증가시키기 어려우며, 과전압 문제 해결 및 사이클 수명 향상에도 크게 기여하기 어렵다. 본 발명은 전기 화학 반응 면적을 증가시키고, 효율적인 이온, 전자의 전도를 할 수 있는 양극을 제안한다.
한국등록특허 제10-1365980호
본 발명의 목적은 높은 로딩량에도 크랙 발생이 적고 충전 용량 및 방전 용량을 높이는데 기여할 수 있는 리튬 공기 전지용 양극을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 높은 로딩량에도 크랙 발생이 적은 양극을 포함하고, 충전 용량 및 방전 용량을 높은 리튬 공기 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 높은 로딩량에도 크랙 발생이 적고 충전 용량 및 방전 용량을 높이는데 기여할 수 있는 리튬 공기 전지용 양극의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 공기 전지용 양극은 제1 탄소 구조체 및 상기 제1 탄소 구조체 상에 제공되는 제2 탄소 구조체를 포함한다. 상기 제1 탄소 구조체는 제1 탄소 코팅층 및 상기 제1 탄소 코팅층 상에 제공되고, 상기 제1 탄소 코팅층보다 얇은 제1 탄소 시트를 포함한다. 상기 제2 탄소 구조체는 제2 탄소 코팅층 및 상기 제2 탄소 코팅층 상에 제공되고, 상기 제2 탄소 코팅층보다 얇은 제2 탄소 시트를 포함한다. 상기 제1 탄소 구조체 및 상기 제2 탄소 구조체 각각의 두께는 150 내지 300μm인 것일 수 있다.
상기 제1 탄소 코팅층 및 상기 제2 탄소 코팅층 각각은 카본 블랙을 포함하는 것일 수 있다.
상기 양극의 두께는 300 내지 600μm인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 공기 전지용 양극은 상기 제2 탄소 구조체 상에 제공되는 제3 탄소 구조체를 더 포함할 수 있다. 상기 제3 탄소 구조체는 제3 탄소 코팅층 및 상기 제3 탄소 코팅층 상에 제공되고, 상기 제3 탄소 코팅층보다 얇은 제3 탄소 시트를 포함한다. 상기 제3 탄소 구조체의 두께는 150 내지 300μm인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 공기 전지용 양극은 상기 제3 탄소 구조체 상에 제공되는 제4 탄소 구조체를 더 포함할 수 있다. 상기 제4 탄소 구조체는 제4 탄소 코팅층 및 상기 제4 탄소 코팅층 상에 제공되고, 상기 제4 탄소 코팅층보다 얇은 제4 탄소 시트를 포함한다. 상기 제4 탄소 구조체의 두께는 150 내지 300μm인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 공기 전지는 양극, 음극, 및 전해질을 포함한다. 상기 음극은 상기 양극과 대향한다. 상기 전해질은 상기 양극 및 상기 음극 사이에 제공된다. 상기 양극은 제1 탄소 구조체 및 상기 제1 탄소 구조체 상에 제공되는 제2 탄소 구조체를 포함한다. 상기 제1 탄소 구조체는 제1 탄소 코팅층 및 상기 제1 탄소 코팅층 상에 제공되고, 상기 제1 탄소 코팅층보다 얇은 제1 탄소 시트를 포함한다. 상기 제2 탄소 구조체는 제2 탄소 코팅층 및 상기 제2 탄소 코팅층 상에 제공되고, 상기 제2 탄소 코팅층보다 얇은 제2 탄소 시트를 포함한다. 상기 제1 탄소 구조체 및 상기 제2 탄소 구조체 각각의 두께는 150 내지 300μm인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 공기 전지용 양극의 제조 방법은 제1 탄소 시트를 준비하는 단계, 상기 제1 탄소 시트 상에 제1 탄소 코팅층을 형성하는 단계, 상기 제1 탄소 시트 및 상기 제1 탄소 코팅층을 건조하여 150 내지 300μm 두께의 제1 탄소 구조체를 형성하는 단계, 제2 탄소 시트를 준비하는 단계, 상기 제2 탄소 시트 상에 제2 탄소 코팅층을 형성하는 단계, 상기 제2 탄소 시트 및 상기 제2 탄소 코팅층을 건조하여 150 내지 300μm 두께의 제2 탄소 구조체를 형성하는 단계 및 상기 제1 탄소 구조체 상에 상기 제2 탄소 구조체를 제공하는 단계를 포함한다.
상기 제1 탄소 코팅층을 형성하는 단계 및 상기 제2 탄소 코팅층을 형성하는 단계 각각은 카본 블랙, 바인더 및 용매를 혼합하여 슬러리를 제조하고, 상기 슬러리를 상기 제1 탄소 시트 및 상기 제2 탄소 시트 각각 상에 제공하여 수행되는 것일 수 있다.
상기 제1 탄소 구조체 및 상기 제2 탄소 구조체를 형성하는 단계는 80 내지 120℃에서 건조하여 수행되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 공기 전지용 양극은 높은 로딩량에도 크랙 발생을 줄일 수 있고, 충전 용량 및 방전 용량이 높은 리튬 공기 전지에 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 공기 전지는 충전 용량 및 방전 용량을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 공기 전지용 양극의 제조 방법은 높은 로딩량에도 크랙 발생을 줄일 수 있고, 충전 용량 및 방전 용량이 높은 리튬 공기 전지에 사용될 수 있는 양극을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 공기 전지의 단면도이다.
도 2a, 도 2b, 및 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 공기 전지용 양극의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 공기 전지용 양극의 제조 방법의 개략적인 순서도이다.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 공기 전지용 양극의 제조 방법을 순차적으로 나타낸 단면도이다.
도 5a는 본 발명의 비교예 1에 따른 리튬 공기 전지용 양극의 표면 사진이다.
도 5b는 본 발명의 실시예 1 및 2의 양극에 사용되는 탄소 구조체의 표면 사진이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하부에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 공기 전지의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 공기 전지(LAB)는 양극(10), 음극(30) 및 전해질(20)을 포함한다. 리튬 공기 전지(LAB)는 음극(30)으로 리튬을 사용하고, 양극(10)에서 활물질로 공기 중의 산소를 이용하는 전지 시스템이다. 음극(30)에서는 리튬의 산화 및 환원 반응이, 양극(10)에서는 외부로부터 유입되는 산소의 환원 및 산화 반응이 일어난다.
하기 화학식 1 및 화학식 2는 리튬 공기 전지(LAB)의 방전시 음극(30)과 양극(10)에서 일어나는 반응을 나타낸 것이다.
[화학식 1]
(음극): Li Li+ + e-
[화학식 2]
(양극): 2Li+ + O2 + 2e- Li2O2
음극(30)의 리튬 금속이 산화되어 리튬 이온과 전자가 생성된다. 리튬 이온은 전해질(20)을 통해, 전자는 집전체 및 외부 도선을 통해 양극(10)으로 이동한다. 양극(10)은 다공성이므로 외부 공기가 유입될 수 있다. 외부 공기에 포함된 산소는 양극(10)에서 상기 전자에 의해 환원되고, 방전생성물로 Li2O2가 형성된다.
충전 반응은 이와 반대로 진행된다. 하기 화학식 3와 같이 양극(10)에서 Li2O2가 분해되어 리튬 이온과 전자가 생성된다.
[화학식 3]
(양극) Li2O2 2Li+ + O2 + 2e-
전해질(20)은 양극(10) 및 음극(30) 사이에 함침된다. 전해질(20)은 고체 전해질을 포함하는 것일 수 있다. 전해질(20)은 리튬염을 포함할 수 있다. 리튬염은 용매에 용해되어, 전지 내에서 리튬 이온의 공급원으로 작용할 수 있으며, 음극(30)과 리튬 이온과 전해질(20) 간에 리튬 이온의 이동을 촉진하는 역할을 한다.
리튬염은 통상적으로 사용하는 것이라면 특별히 한정하지 않으나, 예를 들어, 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)3, LiNO3으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다.
도 2a, 도 2b, 및 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 공기 전지용 양극의 단면도이다.
도 1 및 도 2a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 공기 전지용 양극(10)은 제1 탄소 구조체(100) 및 제2 탄소 구조체(200)를 포함한다. 제1 탄소 구조체(100)의 두께(T1)는 150 내지 300μm인 것일 수 있다. 제1 탄소 구조체(100)의 두께(T1)는 150μm 미만이면, 제1 탄소 코팅층(110) 형성이 용이하지 않고, 제1 탄소 구조체(100)의 두께(T1)가 300μm 초과이면, 충방전시 제1 탄소 코팅층(110)에 크랙이 발생할 수 있다. 제1 탄소 구조체(100)는 제1 탄소 코팅층(110) 및 제1 탄소 시트(120)를 포함한다. 제1 탄소 코팅층(110)은 카본 블랙을 포함하는 것일 수 있다.
제1 탄소 시트(120)는 제1 탄소 코팅층(110) 상에 제공된다. 제1 탄소 시트(120)는 양극(10)의 골조를 이루는 구조체이다. 제1 탄소 시트(120)는 전자의 이동 통로이다. 제1 탄소 시트(120)는 다공성으로 복수의 기공들을 포함하고, 이는 공기의 이동 통로이다. 제1 탄소 시트(120)의 두께(t2)는 제1 탄소 코팅층(110)의 두께(t1)보다 얇다. 제1 탄소 시트(120)의 두께(t2)가 제1 탄소 코팅층(110)의 두께(t1)보다 두꺼우면 양극(10) 내 도전재가 부족하여, 충분한 충방전 용량을 확보할 수 없다.
제2 탄소 구조체(200)는 제1 탄소 구조체(100) 상에 제공된다. 제2 탄소 구조체(200)의 두께(T2)는 제1 탄소 구조체(100)의 두께(T1)와 동일할 수도 있고, 서로 상이할 수도 있다. 제2 탄소 구조체(200)의 두께(T2)는 150 내지 300μm인 것일 수 있다. 제2 탄소 구조체(200)의 두께(T2)는 150μm 미만이면, 제2 탄소 코팅층(210) 형성이 용이하지 않고, 제2 탄소 구조체(200)의 두께(T2)가 300μm 초과이면, 충방전시 제2 탄소 코팅층(210)에 크랙이 발생할 수 있다. 제2 탄소 구조체(200)는 제2 탄소 코팅층(210) 및 제2 탄소 시트(220)를 포함한다. 제2 탄소 코팅층(210)은 도전재를 포함한다. 도전재는 예를 들어 카본 블랙인 것일 수 있다.
제2 탄소 시트(220)는 제2 탄소 코팅층(210) 상에 제공된다. 제2 탄소 시트(220)는 양극(10)의 골조를 이루는 구조체이다. 제2 탄소 시트(220)는 전자의 이동 통로이다. 제2 탄소 시트(220)는 다공성으로 복수의 기공들을 포함하고, 이는 공기의 이동 통로이다. 제2 탄소 시트(220)의 두께(t4)는 제2 탄소 코팅층(210)의 두께(t3)보다 얇다. 제2 탄소 시트(220)의 두께(t4)가 제2 탄소 코팅층(210)의 두께(t3)보다 두꺼우면 양극(10) 내 도전재가 부족하여, 충분한 충방전 용량을 확보할 수 없다.
양극(10)의 두께는 제1 탄소 구조체(100)의 두께(T1) 및 제2 탄소 구조체(200)의 두께(T2)의 합과 동일할 수 있다. 양극(10)의 두께는 300 내지 600μm인 것일 수 있다.
도 1 및 도 2b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 공기 전지용 양극(10)은 제2 탄소 구조체(200) 상에 제공되는 제3 탄소 구조체(300)를 더 포함할 수 있다. 제3 탄소 구조체(300)의 두께(T3)는 150 내지 300μm인 것일 수 있다. 제3 탄소 구조체(300)의 두께(T3)는 150μm 미만이면, 제3 탄소 코팅층(310) 형성이 용이하지 않고, 제3 탄소 구조체(300)의 두께(T3)가 300μm 초과이면, 충방전시 제3 탄소 코팅층(310)에 크랙이 발생할 수 있다. 제3 탄소 구조체(300)는 제3 탄소 코팅층(310) 및 제3 탄소 시트(320)를 포함한다. 제3 탄소 코팅층(310)은 도전재를 포함한다. 도전재는 예를 들어 카본 블랙인 것일 수 있다.
제3 탄소 시트(320)는 제3 탄소 코팅층(310) 상에 제공된다. 제3 탄소 시트(320)는 양극(10)의 골조를 이루는 구조체이다. 제3 탄소 시트(320)는 전자의 이동 통로이다. 제3 탄소 시트(320)는 다공성으로 복수의 기공들을 포함하고, 이는 공기의 이동 통로이다. 제3 탄소 시트(320)의 두께(t6)는 제3 탄소 코팅층(310)의 두께(t5)보다 얇다. 제3 탄소 시트(330)의 두께(t6)가 제3 탄소 코팅층(310)의 두께(t5)보다 두꺼우면 양극(10) 내 도전재가 부족하여, 충분한 충방전 용량을 확보할 수 없다.
도 1 및 도 2c를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 공기 전지용 양극(10)은 제3 탄소 구조체(300) 상에 제공되는 제4 탄소 구조체(400)를 더 포함할 수 있다. 제4 탄소 구조체(400)의 두께(T4)는 제3 탄소 구조체(300)의 두께(T3)와 동일할 수도 있고, 서로 상이할 수도 있다. 제4 탄소 구조체(400)의 두께(T4)는 150 내지 300μm인 것일 수 있다. 제4 탄소 구조체(400)의 두께(T4)는 150μm 미만이면, 제4 탄소 코팅층(410) 형성이 용이하지 않고, 제4 탄소 구조체(400)의 두께(T4)가 300μm 초과이면, 충방전시 제4 탄소 코팅층(410)에 크랙이 발생할 수 있다. 제4 탄소 구조체(400)는 제4 탄소 코팅층(410) 및 제4 탄소 시트(420)를 포함한다. 제4 탄소 코팅층(410)은 도전재를 포함한다. 도전재는 예를 들어 카본 블랙인 것일 수 있다.
제4 탄소 시트(420)는 제4 탄소 코팅층(410) 상에 제공된다. 제4 탄소 시트(420)는 양극(10)의 골조를 이루는 구조체이다. 제4 탄소 시트(420)는 전자의 이동 통로이다. 제4 탄소 시트(420)는 다공성으로 복수의 기공들을 포함하고, 이는 공기의 이동 통로이다. 제4 탄소 시트(420)의 두께(t8)는 제4 탄소 코팅층(410)의 두께(t7)보다 얇다. 제4 탄소 시트(440)의 두께(t8)가 제4 탄소 코팅층(410)의 두께(t7)보다 두꺼우면 양극(10) 내 도전재가 부족하여, 충분한 충방전 용량을 확보할 수 없다.
본원발명의 일 실시예에 따른 리튬 공기 전지용 양극은 전기 화학 반응 면적을 증가시키고, 전자의 이동 경로를 단일 탄소 코팅층을 포함하는 리튬 공기 전지용 양극보다 줄일 수 있어, 반응 속도를 증가시킬 수 있다. 또한, 복수의 탄소 코팅층을 포함하여, 하나의 탄소 코팅층보다 높은 로딩량에도 크랙 발생이 적고, 충전 용량 및 방전 용량을 높일 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 공기 전지용 양극의 제조 방법에 대하여 설명한다. 이하에서는 앞서 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 공기 전지용 양극과의 차이점을 위주로 구체적으로 설명하고, 설명되지 않은 부분은 앞서 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 공기 전지용 양극에 따른다. 이하에서는 탄소 구조체가 두 개인 리튬 공기 전지용 양극의 제조 방법에 대해서만 예를 들어 설명하지만, 탄소 구조체가 세 개, 네 개인 리튬 공기 전지용 양극도 동일한 제조 방법으로 제조할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 공기 전지용 양극의 제조 방법의 개략적인 순서도이다. 도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 공기 전지용 양극의 제조 방법을 순차적으로 나타낸 단면도이다.
도 3 및 도 4a 내지 도 4e를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 공기 전지용 양극의 제조 방법은 제1 탄소 시트(120)를 준비하는 단계(S110), 제1 탄소 시트(120) 상에 제1 탄소 코팅층(110)을 형성하는 단계(S120), 제1 탄소 시트(120) 및 제1 탄소 코팅층(110)을 건조하여 150 내지 300μm 두께의 제1 탄소 구조체(100)를 형성하는 단계(S130), 제2 탄소 시트(220)를 준비하는 단계(S210), 제2 탄소 시트(220) 상에 제2 탄소 코팅층(210)을 형성하는 단계(S220), 제2 탄소 시트(220) 및 제2 탄소 코팅층(210)을 건조하여 150 내지 300μm 두께의 제2 탄소 구조체(200)를 형성하는 단계(S230) 및 제1 탄소 구조체(100) 상에 제2 탄소 구조체(200)를 제공하는 단계(S300)를 포함한다.
도 3 및 도 4a를 참조하면, 제1 탄소 시트(120)를 준비한다(S110). 제1 탄소 시트(120)는 양극(10)의 골조를 이루는 구조체이다. 제1 탄소 시트(120)는 전자의 이동 통로이다. 제1 탄소 시트(120)는 다공성으로 복수의 기공들을 포함하고, 이는 공기의 이동 통로이다.
도 3 및 도 4b를 참조하면, 제1 탄소 시트(120) 상에 제1 탄소 코팅층(110)을 형성한다(S120). 제1 탄소 코팅층(110)의 두께(t1)는 제1 탄소 시트(120)의 두께(t2)보다 두꺼운 것일 수 있다. 제1 탄소 코팅층(110)을 형성하는 단계(S120)는 카본 블랙, 바인더 및 용매를 혼합하여 슬러리를 제조하고, 슬러리를 제1 탄소 시트(120) 상에 제공하여 수행되는 것일 수 있다.
다음으로, 제1 탄소 시트(120) 및 제1 탄소 코팅층(110)을 건조하여 150 내지 300μm 두께(T1)의 제1 탄소 구조체(100)를 형성한다(S130). 제1 탄소 구조체(100)를 형성하는 단계(S130)는 80 내지 120℃에서 건조하여 수행되는 것일 수 있다. 80℃ 미만이면, 용매, 바인더 등이 충분히 기화되지 않을 수 있고, 120℃ 초과이면, 제1 탄소 시트(120) 및 제1 탄소 코팅층(110)에 결함이 발생할 수 있다.
도 3 및 도 4c를 참조하면, 제2 탄소 시트(220)를 준비한다(S210). 제2 탄소 시트(220)는 양극(20)의 골조를 이루는 구조체이다. 제2 탄소 시트(220)는 전자의 이동 통로이다. 제2 탄소 시트(220)는 다공성으로 복수의 기공들을 포함하고, 이는 공기의 이동 통로이다.
도 3 및 도 4d를 참조하면, 제2 탄소 시트(220) 상에 제2 탄소 코팅층(210)을 형성한다(S220). 제2 탄소 코팅층(210)의 두께(t3)는 제2 탄소 시트(220)의 두께(t4)보다 두꺼운 것일 수 있다. 제2 탄소 코팅층(210)을 형성하는 단계(S220)는 카본 블랙, 바인더 및 용매를 혼합하여 슬러리를 제조하고, 슬러리를 제2 탄소 시트(220) 상에 제공하여 수행되는 것일 수 있다.
다음으로, 제2 탄소 시트(220) 및 제2 탄소 코팅층(210)을 건조하여 150 내지 300μm 두께(T2)의 제2 탄소 구조체(200)를 형성한다(S230). 제2 탄소 구조체(200)를 형성하는 단계(S230)는 80 내지 120℃에서 건조하여 수행되는 것일 수 있다. 90℃ 미만이면, 용매, 바인더 등이 충분히 기화되지 않을 수 있고, 120℃ 초과이면, 제2 탄소 시트(220) 및 제2 탄소 코팅층(210)에 결함이 발생할 수 있다.
도 3 및 도 4e를 참조하면, 제1 탄소 구조체(100) 상에 제2 탄소 구조체(200)를 제공한다. 제1 탄소 구조체(100)의 두께(T1)는 제2 탄소 구조체(200)의 두께(T2)와 동일할 수도 있고, 서로 상이할 수도 있다.
본원발명의 일 실시예에 따른 리튬 공기 전지용 양극의 제조 방법은 전기 화학 반응 면적을 증가시키고, 전자의 이동 경로를 단일 탄소 코팅층을 포함하는 리튬 공기 전지용 양극보다 줄일 수 있어, 반응 속도를 증가시킬 수 있는 리튬 공기 전지용 양극을 제공할 수 있다. 또한, 복수의 탄소 코팅층을 포함하여, 하나의 탄소 코팅층보다 높은 로딩량에도 크랙 발생이 적고, 충전 용량 및 방전 용량을 높일 수 있는 리튬 공기 전지용 양극을 제공할 수 있다.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
150㎛의 탄소 시트를 준비한다. 카본 블랙으로 Ketien black, 바인더로 PTFE(Polytetrafluoroethylene), 카본 블랙:바인더를 9:1의 중량%로 혼합하고, H2O를 용매로 하여 슬러리를 제작하였다. 제작한 슬러리를 300㎛로 탄소 시트 상에 닥터블래이드로 코팅하였다. 100℃에서 건조하여 두께 200㎛의 탄소 구조체를 복수 개 형성하였다.
탄소 구조체 두 개를 결합하여 양극을 형성하고, 25㎛ 폴리에틸렌(Polyethylene)을 분리막으로, 1M LiNO3(in 다이메틸아세트아미드(Dimethylacetamide))을 전해질로, 500 ㎛의 리튬금속호일을 음극으로 하여 리튬 공기 전지를 형성하였다.
실시예 2
탄소 구조체 3개를 결합하여 양극을 형성한 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 리튬 공기 전지를 제조하였다.
비교예 1
슬러리를 600㎛로 코팅하고, 100℃로 건조하여 400㎛의 양극을 형성한 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 리튬 공기 전지를 제조하였다.
비교예 2
슬러리를 1000㎛로 코팅하고, 100℃로 건조하여 800㎛의 양극을 형성한 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 리튬 공기 전지를 제조하였다.
충방전 평가
2 내지 4.6Ｖ 전위 범위의 산소(99.999%) 분위기하(2bar)에서, 전류 밀도 0.5mA/cm2로 충방전 평가하였고, 이를 표 1에 나타내었다.
실험 결과
로딩량
(mg/cm2)		 방전 용량 (mAh/cm2)
2V-4.6V cut-off		 수명
(5mAh/cm2 cutoff)
비교예 1 2 17 5
실시예 1 4 39 10
비교예 2 3 20 8
실시예 2 8 75 47
실시예 1 및 비교예 1을 비교하면, 로딩량, 방전 용량, 수명 모두 실시예 1이 뛰어남을 확인할 수 있었다. 도 5a를 참조하면, 비교예 1은 육안으로 확인하였을 때, 탄소 코팅층에 갈라짐이 발생하였고, 이에 따라 빈 공간이 많이 발생하여 탈리 현상이 심하였다. 이로 인해 로딩량이 감소한 것으로 예측된다. 닥터블래이드를 이용하여 단층 코팅시, 블래이드의 두께와 로딩량과 정비례하지않음. 실시예 2 및 비교예 2를 비교하더라도, 유사한 결과를 확인할 수 있었다. 도 5b는 실시예 1 및 2의 양극에 사용된 탄소 구조체의 표면 상태이다. 비교예 1 및 2와 비교할 때, 실시예 1 및 2의 탄소 구조체는 비교적 얇은 두께 200㎛ 로서 크랙이 거의 없는 것을 확인할 수 있었다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징으로 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
리튬 공기 전지: LAB 양극: 10
전해질: 20 음극: 30
제1 탄소 구조체: 100 제1 탄소 코팅층: 110
제1 탄소 시트: 120 제2 탄소 구조체: 200
제2 탄소 코팅층: 210 제2 탄소 시트: 220
제3 탄소 구조체: 300 제3 탄소 코팅층: 310
제3 탄소 시트: 320 제4 탄소 구조체: 400
제4 탄소 코팅층: 410 제4 탄소 시트: 420

Claims (9)

  1. 제1 탄소 구조체; 및
    상기 제1 탄소 구조체 상에 제공되는 제2 탄소 구조체;를 포함하고,
    상기 제1 탄소 구조체는
    제1 탄소 코팅층; 및
    상기 제1 탄소 코팅층 상에 제공되고, 상기 제1 탄소 코팅층보다 얇은 제1 탄소 시트;를 포함하고,
    상기 제2 탄소 구조체는
    제2 탄소 코팅층; 및
    상기 제2 탄소 코팅층 상에 제공되고, 상기 제2 탄소 코팅층보다 얇은 제2 탄소 시트;를 포함하고,
    상기 제1 탄소 구조체 및 상기 제2 탄소 구조체 각각의 두께는
    150 내지 300μm인 것인 리튬 공기 전지용 양극.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 탄소 코팅층 및 상기 제2 탄소 코팅층 각각은
    카본 블랙을 포함하는 것인 리튬 공기 전지용 양극.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 양극의 두께는 300 내지 600μm인 것인 리튬 공기 전지용 양극.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 탄소 구조체 상에 제공되는 제3 탄소 구조체를 더 포함하고,
    상기 제3 탄소 구조체는
    제3 탄소 코팅층; 및
    상기 제3 탄소 코팅층 상에 제공되고, 상기 제3 탄소 코팅층보다 얇은 제3 탄소 시트;를 포함하고,
    상기 제3 탄소 구조체의 두께는
    150 내지 300μm인 것인 리튬 공기 전지용 양극.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제3 탄소 구조체 상에 제공되는 제4 탄소 구조체를 더 포함하고,
    상기 제4 탄소 구조체는
    제4 탄소 코팅층; 및
    상기 제4 탄소 코팅층 상에 제공되고, 상기 제4 탄소 코팅층보다 얇은 제4 탄소 시트;를 포함하고,
    상기 제4 탄소 구조체의 두께는
    150 내지 300μm인 것인 리튬 공기 전지용 양극.
  6. 제1항에 따른 양극;
    상기 양극과 대향하는 음극; 및
    상기 양극 및 상기 음극 사이에 제공되는 전해질을 포함하는 리튬 공기 전지.
  7. 제1 탄소 시트를 준비하는 단계;
    상기 제1 탄소 시트 상에 제1 탄소 코팅층을 형성하는 단계;
    상기 제1 탄소 시트 및 상기 제1 탄소 코팅층을 건조하여 150 내지 300μm 두께의 제1 탄소 구조체를 형성하는 단계;
    제2 탄소 시트를 준비하는 단계;
    상기 제2 탄소 시트 상에 제2 탄소 코팅층을 형성하는 단계;
    상기 제2 탄소 시트 및 상기 제2 탄소 코팅층을 건조하여 150 내지 300μm 두께의 제2 탄소 구조체를 형성하는 단계; 및
    상기 제1 탄소 구조체 상에 상기 제2 탄소 구조체를 제공하는 단계;를 포함하는 리튬 공기 전지용 양극의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 탄소 코팅층을 형성하는 단계 및 상기 제2 탄소 코팅층을 형성하는 단계 각각은
    카본 블랙, 바인더 및 용매를 혼합하여 슬러리를 제조하고, 상기 슬러리를 상기 제1 탄소 시트 및 상기 제2 탄소 시트 각각 상에 제공하여 수행되는 것인 리튬 공기 전지용 양극의 제조 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제1 탄소 구조체 및 상기 제2 탄소 구조체를 형성하는 단계는
    80 내지 120℃에서 건조하여 수행되는 것인 리튬 공기 전지용 양극의 제조 방법.
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