KR102347745B1 - 전고체 리튬공기전지용 양극 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전고체 리튬공기전지용 양극 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄소재 표면에 리튬이온 전도성 고체전해질을 부분적으로 코팅시킨 다공성 탄소계 복합재료를 적용함으로써 방전생성물로 인한 부반응을 저감시켜 전지의 안정성 및 내구성을 향상시키고, 고체전해질의 코팅을 통해 산소와 리튬의 원활한 가역반응이 이루어져 전지의 충방전 용량 및 장수명 특성을 개선할 수 있는 전고체 리튬공기전지용 양극 및 그 제조방법에 관한 것이다.

Description

전고체 리튬공기전지용 양극 및 그 제조방법{AIR ELECTRODE FOR ALL-SOLID LITHIUM AIR BATTERY AND METHOD FOR PRODUCING THEREOF}
본 발명은 전고체 리튬공기전지용 양극 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄소재 표면에 리튬이온 전도성 고체전해질을 부분적으로 코팅시킨 다공성 탄소계 복합재료를 적용함으로써 방전생성물로 인한 부반응을 저감시켜 전지의 안정성 및 내구성을 향상시키고, 고체전해질의 코팅을 통해 산소와 리튬의 원활한 가역반응이 이루어져 전지의 충방전 용량 및 장수명 특성을 개선할 수 있는 전고체 리튬공기전지용 양극 및 그 제조방법에 관한 것이다.
리튬공기전지는 기존 리튬이온전지 대비 10 배 이상의 높은 이론용량으로 인해 전기자동차 전지용 차세대중대형전지로 각광받고 있다. 하지만 방전 시 반응성이 강한 방전생성물 및 음극 부반응 또는 음극과 반응 같은 전해질의 불안정성으로 리튬공기전지의 가역성을 저해하여 수명을 제한하고 있다.
또한 기존 리튬공기전지는 유기 액체전해질을 주로 사용하는데, 휘발성과 누출되기 쉬어 폭발성 유발시킬 수 있어 차량 운전 시 상당한 위험성을 갖고 있다. 또한 O2와의 부반응 및 음극 리튬금속과의 반응으로 분해되어 셀의 열화를 일으켜 전지의 장수명 수명특성을 갖지 못하는 문제가 있다.
또한 리튬공기전지 구조상 공기흡입이 필요하기 때문에 전지 내 외부와 공기 통로를 만들기 위해 오픈 시스템으로 제조되는데 이러한 구조는 충격에 의해 액체 전해질 및 기화된 전해질 누출을 유발시키므로 휘발 및 폭발 위험성을 가중시켜 안정성에 큰 문제를 일으킬 수 있다.
종래 한국공개특허 제2014-0066517호(특허문헌1)에서는 이온성 액체를 함유하는 전해질을 포함하는 리튬공기전지를 개시하고 있다. 그러나 이온성 액체는 이온전도도가 매우 낮고 고가라는 한계가 있다. 또한 상기 특허문헌1은 안정한 고체전해질을 분리막으로만 사용하였다. 양극에서 리튬 이온, 전자, 산소의 전도를 이룰 수 있는 구조 형성 기술이 없기 때문에 고체전해질 대신에 이온성 액체를 사용한 것이라 사료된다.
한국공개특허 제2012-0011322호(특허문헌2)는 수계전해질을 이용한 리튬공기전지를 개시하고 있는데, 수계전해질은 리튬 음극과 부반응을 일으킬 수 있으므로 분리막/보호막으로서 고체전해질막을 이용하였다.
이와 같이 리튬 이온, 전자 및 산소의 전도를 위해 대부분의 종래 기술은 액체 전해질을 사용하고 있다. 리튬공기전지에서 고체전해질은 새로운 효율적 양극구조를 갖기 어렵기 때문에 종래 기술에서 고체전해질은 분리막 또는 리튬 보호막으로만 사용되고 있다.
이를 해결하기 위해서 기존 액체전해질이 가진 안전성 문제와 부반응을 저감시키기 위해 액체전해질을 고체전해질로 대체한 새로운 구조의 리튬공기전지용 양극에 대한 연구 개발이 요구된다.
한국공개특허 제2014-0066517호 한국공개특허 제2012-0011322호
상기와 같은 문제 해결을 위하여, 본 발명은 전고체 리튬공기전지용 양극으로 탄소재 표면에 리튬이온 전도성 고체전해질을 부분적으로 코팅시킨 다공성 탄소계 복합재료를 적용함으로써 방전생성물로 인한 부반응을 저감시켜 전지의 안정성 및 내구성을 향상시키고, 결과적으로 전지의 충방전 용량 및 장수명 특성을 개선할 수 있다는 사실을 알게 되어 발명을 완성하였다.
따라서 본 발명의 목적은 전지의 안정성 및 내구성이 향상된 전고체 리튬공기전지용 양극을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 전지의 충방전 용량 및 장수명 특성이 개선된 전고체 리튬공기전지를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 전고체 리튬공기전지용 양극의 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명은 다공성 탄소계 복합재료; 및 바인더;를 포함하고, 상기 다공성 탄소계 복합재료는 탄소재로 이루어진 코어 및 상기 코어 표면의 일부에 코팅된 리튬이온 전도성 고체전해질로 이루어진 다공성 코팅층을 포함하되, 상기 리튬이온 전도성 고체전해질의 함량은 다공성 탄소계 복합재료 전체 중량을 기준으로 하여 2~10 중량%인 것인 전고체 리튬공기전지용 양극을 제공한다.
또한 본 발명은 상기 전고체 리튬공기전지용 양극; 리튬 금속 또는 리튬계 금속 산화물로 이루어진 음극; 및 상기 양극과 음극 사이에 배치된 분리막;을 포함하는 전고체 리튬공기전지를 제공한다.
또한 본 발명은 (a) 리튬이온 전도성 고체전해질 코팅액을 준비하는 단계; (b) 탄소재 표면의 일부에 상기 리튬이온 전도성 고체전해질 코팅액을 부분 코팅시켜 다공성 코팅층을 형성하는 단계; (c) 상기 다공성 코팅층이 형성된 탄소재를 열처리하여 다공성 탄소계 복합재료를 제조하는 단계; (d) 상기 탄소계 복합재료와 바인더를 혼합하여 양극 슬러리를 제조하는 단계; 및 (e) 상기 양극 슬러리를 양극기재에 도포한 후 열처리하여 양극을 제조하는 단계;를 포함하는 전고체 리튬공기전지용 양극의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 전고체 리튬공기전지용 양극은 탄소재 표면에 리튬이온 전도성 고체전해질을 부분적으로 코팅시킨 다공성 탄소계 복합재료를 사용함으로써 유기 액체전해질을 전혀 사용하지 않아 방전 시 형성되는 방전생성물(O2 -, LiO2, Li2O2)에 안정하여 분해반응이 일어나지 않고, 비휘발성의 고체전해질로 인해 리튬공기전지의 안정성 및 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한 금속 공기전지 내 유기 액체전해질을 무기 고체전해질을 대체함으로써 직렬 적층이 가능하다. 즉, 종래와 같이 액체전해질을 사용하는 경우에는 반드시 양극, 전해질 및 음극의 단위로 구성되어 있는 일종의 패키지를 사용해야만 한다. 패키징(packaging)되어 있지 않은 단위셀을 직렬로 적층하면 액체전해질이 이동 및 혼합되어 단락이 생길 수 있기 때문이다. 반면에 본 발명에 따르면 위와 같은 단위 패키지의 필요성이 없으며, 에너지밀도가 향상된 전고체 공기전지를 제작할 수 있다.
또한 양극 내 탄소재에 효율적인 고체전해질의 코팅을 통해 산소와 리튬의 원활한 가역반응이 이뤄짐으로써 전지의 충방전 용량 및 장수명 특성을 개선할 수 있다.
도 1은 탄소재의 고체전해질 코팅여부에 따른 전도이동 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 다공성 탄소계 복합재료의 측면도를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 전고체 리튬공기전지의 구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예 3에서 제조된 다공성 탄소계 복합재료의 TEM 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1-5 및 비교예에서 제조된 전고체 리튬공기전지의 수명특성을 평가한 그래프이다.
이하에서는 본 발명을 하나의 실시예로 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은 기존 리튬공기전지에 사용되는 액체 전해질을 고체전해질로 대체함으로써 전지의 장수명화 안정성을 향상시킨 전고체 리튬공기전지용 양극에 관한 것이다.
보다 구체적으로 본 발명의 전고체 리튬공기전지용 양극은 다공성 탄소계 복합재료; 및 바인더;를 포함하고, 상기 다공성 탄소계 복합재료는 탄소재로 이루어진 코어 및 상기 코어 표면의 일부에 코팅된 리튬이온 전도성 고체전해질로 이루어진 다공성 코팅층을 포함하되, 상기 리튬이온 전도성 고체전해질의 함량은 다공성 탄소계 복합재료 전체 중량을 기준으로 하여 2~10 중량%인 것일 수 있다.
도 1은 탄소재의 고체전해질 코팅여부에 따른 전도이동 구조를 나타낸 도면이다. 상기 도 1을 살펴보면, (a)는 탄소재 표면에 고체전해질이 전혀 코팅되어 있지 않아 리튬전도가 이루어지지 않으며, (b)는 탄소재 표면에 고체전해질이 전면 코팅되어 있어 리튬전도는 용이하나 전자 전도가 이루어지지 않는 것을 알 수 있다.
도 2는 본 발명의 다공성 탄소계 복합재료의 측면도를 나타낸 것이다. 상기 도 2를 살펴보면, 리튬공기전지용 양극으로 탄소재, 공기 전해질이 모두 접촉하고 있어 리튬이온, 전자 및 산소의 이동이 원활하게 이루어짐을 보여주고 있다.
즉, 이러한 양극을 구현하기 위해 본 발명의 다공성 탄소계 복합재료는 탄소재 표면에 리튬이온 전도성 고체전해질이 부분적으로 코팅되어 다공성 코팅층을 형성하는 것이 바람직하다. 상기 다공성 탄소계 복합재료는 리튬이온, 전자, 산소 전도가 원활한 가역 반응을 이루고, 유기 액체전해질을 전혀 사용하지 않아 방전 시 형성되는 방전생성물(O2 -, LiO2, Li2O2)에 안정하여 분해반응이 일어나지 않는 이점이 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 리튬이온 전도성 고체전해질은 다공성 탄소계 복합재료 전체 중량을 기준으로 하여 2~10 중량%가 탄소재 표면에 코팅될 수 있다. 이때, 그 함량이 2 중량% 미만이면 고체전해질이 충분히 표면에 확보되지 못하여 리튬 이온전도의 경로(path)가 부족할 수 있고, 10 중량% 초과이면 표면 상에 과량의 고체전해질이 위치하여 산소 및 전자의 이동 경로(path)가 제한될 수 있다. 바람직하게는 4~8 중량%인 것이 좋으며, 더욱 바람직하게는 6 중량%로 코팅하는 것이 좋다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 탄소재는 천연흑연, 인조흑연, 탄소나노튜브, 환원된 산화그래핀(rGO), 탄소섬유, 카본블랙, 케첸블랙 및 아세틸렌 블랙으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 리튬이온 전도성 고체전해질은 공기 중 수분과 산소와의 부반응이 없고 비휘발성을 가지는 산화물 고체전해질을 사용하는 것이 좋다. 바람직하게는 LiNbO3 , LiTaO3 및 Li3PO4로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 사용할 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 바인더는 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 스티렌-부타디엔 러버 및 에틸렌 옥사이드로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 탄소계 복합재료 및 바인더는 6:4 내지 8:2 중량비로 혼합될 수 있다. 이때, 상기 탄소계 복합재료 및 바인더의 혼합비율이 6:4 보다 미만이면 과량의 바인더에 의해 전기전도 및 공기의 확산이 방해될 수 있고, 8:2 보다 초과이면 바인더의 함량이 부족하여 탄소재와 기재가 쉽게 탈리 될 수 있다.
한편, 본 발명은 상기 전고체 리튬공기전지용 양극; 리튬 금속 또는 리튬계 금속 산화물로 이루어진 음극; 및 상기 양극과 음극 사이에 배치된 분리막;을 포함하는 전고체 리튬공기전지를 제공한다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 분리막의 소재는 Li1 +x+ yAlyTi2 -ySixP3-xO12(여기서, X 및 Y는 자연수임), Li14Zn(GeO4)4, La2 /3- xLi3xTiO3(여기서, X 및 Y는 자연수임) 및 Li7La3Zr2O12, Li3 .6Si0 .6P0 .4O4로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속산화물계 고체전해질인 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 음극에서 리튬계 금속 산화물은 Li4Ti5O12, LiFePO4 또는 이들의 혼합물인 것을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 발명의 전고체 리튬공기전지용 양극의 제조방법은 (a) 리튬이온 전도성 고체전해질 코팅액을 준비하는 단계; (b) 탄소재 표면의 일부에 상기 리튬이온 전도성 고체전해질 코팅액을 부분 코팅시켜 다공성 코팅층을 형성하는 단계; (c) 상기 다공성 코팅층이 형성된 탄소재를 열처리하여 다공성 탄소계 복합재료를 제조하는 단계; (d) 상기 탄소계 복합재료와 바인더를 혼합하여 양극 슬러리를 제조하는 단계; 및 (e) 상기 양극 슬러리를 양극기재에 도포한 후 열처리하여 양극을 제조하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 (a) 단계는, (a-1) 에탄올에 리튬금속을 용해시켜 리튬 에톡시드 용액을 제조하는 단계; (a-2) 에탄올에 Nb, Ti, P, W, Al 및 Zr로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속을 용해시켜 금속 에톡시드 용액을 준비하는 단계; 및 (a-3) 상기 리튬 에톡시드 용액 및 상기 금속 에톡시드 용액을 목적하는 고체전해질의 종류(LiNbO3 , LiTaO3, Li3PO4 등)의 화학양론적 몰비로 혼합하여 리튬이온 전도성 고체전해질 코팅액을 제조하는 단계;로 이루어진 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 (a) 단계에서 제조된 리튬이온 전도성 고체전해질은 LiNbO3 , LiTaO3 및 Li3PO4로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 (b) 단계는 탄소재 표면의 일부에 상기 리튬이온 전도성 고체전해질 코팅액을 부분적으로 코팅시켜 다공성 코팅층을 형성할 수 있다. 이때, 상기 리튬이온 전도성 고체전해질은 탄소계 복합재료 전체 중량을 기준으로 2~10 중량%를 코팅시키는 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 (b) 단계에서는 스프레이 코팅법 또는 딥 코팅법을 이용하여 탄소재 표면에 다공성 코팅층을 형성시킬 수 있다. 이때, 상기 리튬이온 전도성 고체전해질 코팅액의 농도로 다공도(분포도)를 제어할 수 있다. 상기 다공성 탄소계 복합재료는 다공도가 40 ~ 60%인 것일 수 있다. 상기 다공도가 40% 미만이면 양극내 과량의 고체전해질에 의해 공기의 확산이 어려워 질 수 있고, 탄소와 탄소 사이의 전자 전도를 방해할 수 있다. 또한 60%를 초과하면 양극내 고체전해질의 양이 적어 리튬 이온 전도를 위한 경로(path)가 부족해 질 수 있다.
상기 스프레이 코팅법은 용액을 분무 형태로 탄소 위에 퍼트려 코팅시키는 방법이다. 상기 딥 코팅법은 코팅 용액에 탄소재를 넣어 혼합한 후 건조하여 코팅시키는 방법이다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 (c) 단계에서 열처리는 30분~90분 동안 250~400 ℃의 온도에서 수행할 수 있다. 이때, 상기 열처리 온도가 250 ℃ 미만이면 에톡시드가 잔존할 여지가 있고, 400 ℃ 초과이면 고체전해질이 결정성으로 변화게 되어 이온 전도도가 떨어질 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 (d) 단계에서 열처리된 탄소계 복합재료 및 바인더는 6:4 내지 8:2 중량비로 혼합하여 양극 슬러리를 제조할 수 있다.
도 3은 본 발명의 전고체 리튬공기전지의 구조를 나타낸 도면이다. 상기 도 3을 살펴보면, 다공성 집전체에 다공성 탄소계 복합재료를 포함하는 양극을 형성하고, 고체전해질 분리막 및 음극이 차례로 형성된 구조의 전고체 리튬공기전지를 보여주고 있다. 상기 다공성 탄소계 복합재료는 탄소재 표면에 고체전해질이 부분적으로 코팅되어 리튬이온, 전자 및 산소의 이동이 손쉽게 이루어지는 것을 보여준다.
따라서 본 발명에 따른 전고체 리튬공기전지용 양극은 탄소재 표면에 고체전해질을 부분적으로 코팅시킨 다공성 탄소계 복합재료를 사용함으로써 유기 액체전해질을 전혀 사용하지 않아 방전 시 형성되는 방전생성물(O2 -, LiO2, Li2O2)에 안정하여 분해반응이 일어나지 않고, 비휘발성의 고체전해질로 인해 리튬공기전지의 안정성 및 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한 금속 공기전지 내 유기 액체전해질을 무기 고체전해질을 대체함으로써 직렬 적층이 가능하여 기존 양극, 전해질 및 음극의 단위로 구성되어 있는 단위 패키지의 구조가 불필요하고, 에너지밀도가 향상된 전고체 공기전지를 제작할 수 있다.
또한 양극 내 탄소재에 효율적인 고체전해질의 코팅을 통해 산소와 리튬의 원활한 가역반응이 이뤄짐으로써 전지의 충방전 용량 및 장수명 특성을 개선할 수 있다.
이하 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 구체적으로 설명하겠는 바, 본 발명이 다음 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
제조예: 다공성 탄소계 복합재료의 제조
아르곤 분위기 하에서 Li 금속을 에탄올에 넣은 뒤 용해하여 리튬 에톡시드(Lithium ethoxide) 용액을 제조하였다. 또한 에탄올에 Nb 금속을 용해시켜 Nb2(OC2H5)10 용액(금속 에톡시드)을 제조하였다.
그 다음 상기 리튬 에톡시드에 Nb2(OC2H5)10(Kojundo Chemical Corporation)을 혼합하여 LiNbO3 고체전해질 코팅액을 제조하였다. 화학양론적 몰비인 Li:Nb = 1:1이 되도록 리튬 에톡시드 및 Nb2(OC2H5)10를 혼합하였다.
그런 다음 탄소재 KB(케첸블랙)을 LiNbO3 고체전해질 코팅액에 딥코팅법을 이용하여 24 시간 동안 침지시킨 후 120 ℃의 온도에서 건조하였다. 그 다음 공기(ambient) 분위기 하에 300 ℃의 온도에서 1 시간 동안 열처리하여 다공성의 탄소계 복합재료를 제조하였다.
실시예 1-5 및 비교예 1
하기 표 1에 나타낸 바와 같이 LiNbO3 고체전해질이 코팅된 다공성 탄소계 복합재료는 LiNbO3 고체전해질 코팅량(0, 2, 4, 6, 8, 10 중량%)을 각각 다르게 하여 제조하였다. 그 다음 다공성 탄소계 복합재료와 PVdF(폴리비닐리덴 플루오라이드)를 7:3 중량비로 혼합하여 양극 슬러리를 제조하였다. 그런 다음 탄소시트(양극재)에 상기 양극 슬러리를 도포한 후 건조하여 양극을 제작하였다.
그 다음 상기 양극을 이용하여 통상의 방법으로 리튬공기전지를 제작하였다. 이때, 음극은 500um 리튬금속호일을 사용하였고, 분리막 고체전해질은 Li2O-Al2O3-SiO2-P2O5-TiO2(2.5~4 * 10-4S/cm, OHARA glass; OHARA Inc., Japan)을 사용하였다.
실험예
상기 실시예 1-5 및 비교예 1에서 제조된 리튬공기전지는 2V-4.6V 전위 범위 및 2 bar 압력에서 산소 분위기 및 60℃의 온도에서 수명특성을 평가하였으며, 그 결과는 하기 표 1에 나타내었다.
구분 다공성 탄소계 복합재료
(LiNbO3 고체전해질의 코팅량)		 Charge
Capacity
[mAh/cm2]		 Discharge
Capacity
[mAh/cm2]		 수명특성
(Cut-off, 1mAh/cm2)
비교예1 0wt% LiNbO3 고체전해질 0 0 0회
실시예1 2wt% LiNbO3 고체전해질 5.0 5.2 5회
실시예2 4wt% LiNbO3 고체전해질 6.4 6.6 13회
실시예3 6wt% LiNbO3 고체전해질 10.2 10.4 20회
실시예4 8wt% LiNbO3 고체전해질 8.4 8.7 16회
실시예5 10wt% LiNbO3 고체전해질 4.2 4.3 3회
상기 표 1의 결과에 의하면, 상기 비교예 1의 경우 LiNbO3 고체전해질이 코팅되지 않은 KB를 사용하게 되면 리튬이온의 전도가 없어서 용량 발현이 되지 않는 것을 확인하였다.
이에 반해, 상기 실시예 1-5의 경우 탄소재 표면에 LiNbO3 고체전해질이 부분적으로 코팅되어 있어 리튬이온, 산소 및 전자의 이동이 원활하게 전도되어 충방전 용량이 우수하며, 수명특성이 향상된 것을 확인하였다.
다만, 상기 실시예 5의 경우 탄소재 표면 위에 고체전해질이 전면적으로 많이 코팅됨으로써 탄소 내 전자가 산소와 반응하지 못하게 되어 방전생성물이 생성되지 않아 전지용량이 상기 실시예 4에 비해 다소 낮아진 것을 확인하였다.
이를 통해 탄소재 표면에 코팅되는 고체전해질의 함량에 따라 전지의 수명 특성이 좌우되는 것을 확인하였다.
도 4는 상기 실시예 3에서 제조된 다공성 탄소계 복합재료의 TEM 사진이다. 상기 도 4에서 확인할 수 있듯이, KB 표면에 LiNbO3 고체전해질이 부분적으로 코팅되어 있음을 확인하였다.
도 5는 본 발명의 실시예 1-5 및 비교예에서 제조된 전고체 리튬공기전지의 수명특성을 평가한 그래프이다. 상기 도 5을 살펴보면, 실시예1 내지 실시예5, 특히 실시예3의 수명 특성이 매우 향상되었음을 확인할 수 있다.

Claims (16)

  1. 다공성 탄소계 복합재료; 및
    바인더;
    를 포함하고,
    상기 다공성 탄소계 복합재료는 탄소재로 이루어진 코어 및 상기 코어 표면의 일부에 코팅된 리튬이온 전도성 고체전해질로 이루어진 다공성 코팅층을 포함하되,
    상기 리튬이온 전도성 고체전해질의 함량은 다공성 탄소계 복합재료 전체 중량을 기준으로 하여 2~10 중량%이며,
    상기 리튬이온 전도성 고체전해질은 LiNbO3, LiTaO3 및 Li3PO4로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것인 전고체 리튬공기전지용 양극.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄소재는 천연흑연, 인조흑연, 탄소나노튜브, 환원된 산화그래핀(rGO), 탄소섬유, 카본블랙, 케첸블랙 및 아세틸렌 블랙으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 전고체 리튬공기전지용 양극.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 바인더는 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 스티렌-부타디엔 러버 및 에틸렌 옥사이드로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 전고체 리튬공기전지용 양극.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 탄소계 복합재료 및 바인더는 6:4 내지 8:2 중량비로 혼합되는 것을 특징으로 하는 전고체 리튬공기전지용 양극.
  6. 제1항의 전고체 리튬공기전지용 양극;
    리튬 금속 또는 리튬계 금속 산화물로 이루어진 음극; 및
    상기 양극과 음극 사이에 배치된 분리막;
    을 포함하는 전고체 리튬공기전지.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 분리막의 소재는 Li1 +x+ yAlyTi2 - ySixP3 - xO12(여기서, X 및 Y는 자연수임), Li14Zn(GeO4)4, La2 /3- xLi3xTiO3(여기서, X 및 Y는 자연수임) 및 Li7La3Zr2O12, Li3.6Si0.6P0.4O4로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속산화물계 고체전해질인 것을 특징으로 하는 전고체 리튬공기전지.
  8. (a) 리튬이온 전도성 고체전해질 코팅액을 준비하는 단계;
    (b) 탄소재 표면의 일부에 상기 리튬이온 전도성 고체전해질 코팅액을 부분 코팅시켜 다공성 코팅층을 형성하는 단계;
    (c) 상기 다공성 코팅층이 형성된 탄소재를 열처리하여 다공성 탄소계 복합재료를 제조하는 단계;
    (d) 상기 탄소계 복합재료와 바인더를 혼합하여 양극 슬러리를 제조하는 단계; 및
    (e) 상기 양극 슬러리를 양극기재에 도포한 후 열처리하여 양극을 제조하는 단계;
    를 포함하며,
    상기 (a) 단계에서 리튬이온 전도성 고체전해질은 LiNbO3, LiTaO3 및 Li3PO4로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 전고체 리튬공기전지용 양극의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 (a) 단계는,
    (a-1) 에탄올에 리튬금속을 용해시켜 리튬 에톡시드 용액을 제조하는 단계;
    (a-2) 에탄올에 Nb, Ti, P, W, Al 및 Zr로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속을 용해시켜 금속 에톡시드 용액을 준비하는 단계; 및
    (a-3) 상기 리튬 에톡시드 용액 및 상기 금속 에톡시드 용액을 혼합하여 리튬이온 전도성 고체전해질 코팅액을 제조하는 단계;
    로 이루어진 것을 특징으로 하는 전고체 리튬공기전지용 양극의 제조방법.
  10. 삭제
  11. 제8항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서는 탄소계 복합재료 전체 중량을 기준으로 상기 리튬이온 전도성 고체전해질 2~10 중량%를 코팅시키는 것을 특징으로 하는 전고체 리튬공기전지용 양극의 제조방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서는 스프레이 코팅법 또는 딥 코팅법을 이용하는 것을 특징으로 하는 전고체 리튬공기전지용 양극의 제조방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서 탄소재는 천연흑연, 인조흑연, 탄소나노튜브, 환원된 산화그래핀(rGO), 탄소섬유, 카본블랙, 케첸블랙 및 아세틸렌 블랙으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 전고체 리튬공기전지용 양극의 제조방법.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서 열처리는 30분~90분 동안 250~400 ℃의 온도에서 수행하는 것을 특징으로 전고체 리튬공기전지용 양극의 제조방법.
  15. 제8항에 있어서,
    상기 (d) 단계에서 바인더는 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 스티렌-부타디엔 러버 및 에틸렌 옥사이드로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 전고체 리튬공기전지용 양극의 제조방법.
  16. 제8항에 있어서,
    상기 (d) 단계에서 열처리된 탄소계 복합재료 및 바인더는 6:4 내지 8:2 중량비로 혼합하여 양극 슬러리를 제조하는 것을 특징으로 하는 전고체 리튬공기전지용 양극의 제조방법.
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