KR102440691B1 - 금속 공기 전지용 양극의 제조 방법 - Google Patents

금속 공기 전지용 양극의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

금속 공기 전지용 양극의 제조 방법은 탄소재, 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE: Polytetrafluoroethylene), 및 액체 전해질을 제공하여 혼합물을 형성하는 단계, 및 상기 혼합물을 압연하여 금속 공기 전지용 양극을 형성하는 단계를 포함한다.

Description

금속 공기 전지용 양극의 제조 방법{THE FABRICATION METHOD OF CATHODE FOR THE METAL AIR BATTERY}
본 발명은 금속 공기 전지용 양극의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 함습성을 향상시켜, 충방전 용량이 높고, 수명이 긴 금속 공기 전지에 사용할 수 있는 금속 공기 전지용 양극의 제조 방법에 관한 것이다.
금속 공기 전지는 높은 에너지 밀도로 운송 수단용 차세대 이차 전지로 주목받고 있다. 그 중 리튬 공기 전지가 각광받고 있고, 리튬 이온 전지의 에너지 밀도가 200 Wh/kg 정도를 한계로 포화된 상태인 것에 비해 리튬 공기 전지는 높은 에너지 밀도로 차세대 에너지 저장 장치로서의 요구에 부합하는 이차 전지이다. 기본이 되는 양극 물질은 활성 탄소 계열이며, 리튬 이온과 산소가 만나 Li2O2, LiO2, Li2O 등의 리튬 산화물을 형성하면서 방전이 되고, 형성된 방전 생성물을 분해하면서 전지의 충전이 진행된다. 금속 공기 전지는 고 에너지 밀도의 차세대 에너지 저장 장치로서 패러다임을 바꿀 수 있는 높은 가능성에도 불구하고 현실화에 어려움을 겪고 있다.
리튬 공기 전지는 양극, 전해질층, 및 음극으로 구성된다. 리튬 공기 전지의 장수명화를 위해서는 휘발성이 낮은 전해질을 포함하는 전해질층이 요구되지만, 저휘발성 전해질은 대부분 고점도 물질이다. 고점도 전해질의 경우, 밀도가 높고, 탄소를 포함하는 양극에 적용될 경우 액체 전해질의 함습이 어려워, 탄소와 전해질 간의 접촉 영역이 적고, 이에 따라 방전시 반응 영역이 제한적이다. 또한, 저점도의 전해질을 사용할 경우, 함습에는 큰 어려움이 없지만 높은 휘발성으로 반복적인 충방전시 전해질 고갈로 수명이 열화되는 문제점이 있다.
한국등록특허 제10-1365980호 한국등록특허 제10-1309577호
본 발명의 목적은 함습성을 향상시켜, 충방전 용량이 높고, 수명이 긴 금속 공기 전지에 사용할 수 있는 금속 공기 전지용 양극의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 금속 공기 전지용 양극의 제조 방법은 탄소재, 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE: Polytetrafluoroethylene), 및 액체 전해질을 제공하여 혼합물을 형성하는 단계, 및 상기 혼합물을 압연하여 금속 공기 전지용 양극을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 혼합물을 형성하는 단계에서, 상기 탄소재는 탄소 나노 케이지(CNC: Carbon Nano Cage), 카본나노튜브(CNT: Carbon Nano tube) 환원된 그래핀 옥사이드(rGO: reduced graphene oxide), Super P, Acetylene Black, 기상증착카본파이버(VGCF: vapor-grown carbon fiber) 및 케첸 블랙(Kethen black) 중 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.
상기 혼합물을 형성하는 단계에서, 상기 탄소재의 탄소 밀도는 0.1 g/cm3 내지 2.0 g/cm3인 것일 수 있다.
상기 혼합물을 형성하는 단계에서, 상기 액체 전해질의 점도는 0.7 내지 2,000인 것일 수 있다.
상기 혼합물을 형성하는 단계에서, 상기 액체 전해질은 용매가 술포란(sulfolane)이고, 염이 LiNO3인 것일 수 있다.
상기 혼합물을 형성하는 단계에서, 상기 액체 전해질의 함량은 상기 탄소재의 함량 및 상기 폴리테트라 플루오로에틸렌의 함량의 합 100 중량부를 기준으로, 25 내지 100 중량부인 것일 수 있다.
상기 금속 공기 전지용 양극을 형성하는 단계에서, 상기 금속 공기 전지용 양극의 밀도는 0.05g/cm3 내지 3g/cm3인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 금속 공기 전지용 양극의 제조 방법은 함습성을 향상시켜, 충방전 용량이 높고, 수명이 긴 금속 공기 전지에 사용할 수 있는 금속 공기 전지용 양극을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 공기 전지용 양극의 제조 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 공기 전지용 양극의 제조 방법에 의해 제조된 양극을 포함하는 금속 공기 전지의 개략적인 단면도이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 공기 전지용 양극의 제조 방법에 의해 제조된 양극의 개략적인 단면도이다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 공기 전지용 양극의 제조 방법에 의해 제조된 양극에 액체 전해질이 함습된 것을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 4a 및 도 4b 각각은 종래의 금속 공기 전지용 양극의 제조 방법에 의해 제조된 양극의 개략적인 단면도이다.
도 5a, 도 5b, 도 5c 및 도 5d 각각은 비교예 1, 비교예 2, 비교예 3, 및 실시예 1 각각의 충방전 횟수에 따른 커패시티와 전압의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 6a, 도 6b, 도 6c 및 도 6d 각각은 비교예 1, 비교예 2, 비교예 3, 및 실시예 1 각각의 충방전 횟수에 따른 커패시티와 전압의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 7a, 도 7b, 도 7c 및 도 7d 각각은 비교예 4, 실시예 1, 실시예 2, 및 실시예 3 각각의 충방전 횟수에 따른 커패시티와 전압의 관계를 나타낸 그래프이다.
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 사용할 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.
달리 명시되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 성분, 반응 조건, 폴리머 조성물 및 배합물의 양을 표현하는 모든 숫자, 값 및/또는 표현은, 이러한 숫자들이 본질적으로 다른 것들 중에서 이러한 값을 얻는 데 발생하는 측정의 다양한 불확실성이 반영된 근사치들이므로, 모든 경우 "약"이라는 용어에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 기재에서 수치범위가 개시되는 경우, 이러한 범위는 연속적이며, 달리 지적되지 않는 한 이러한 범 위의 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지의 모든 값을 포함한다. 더 나아가, 이러한 범위가 정수를 지칭하는 경우, 달리 지적되지 않는 한 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지를 포함하는 모든 정수가 포함된다.
본 명세서에 있어서, 범위가 변수에 대해 기재되는 경우, 상기 변수는 상기 범위의 기재된 종료점들을 포함하는 기재된 범위 내의 모든 값들을 포함하는 것으로 이해될 것이다. 예를 들면, "5 내지 10"의 범위는 5, 6, 7, 8, 9, 및 10의 값들뿐만 아니라 6 내지 10, 7 내지 10, 6 내지 9, 7 내지 9 등의 임의의 하위 범위를 포함하고, 5.5, 6.5, 7.5, 5.5 내지 8.5 및 6.5 내지 9 등과 같은 기재된 범위의 범주에 타당한 정수들 사이의 임의의 값도 포함하는 것으로 이해될 것이다. 또한 예를 들면, "10% 내지 30%"의 범위는 10%, 11%, 12%, 13% 등의 값들과 30%까지를 포함하는 모든 정수들뿐만 아니라 10% 내지 15%, 12% 내지 18%, 20% 내지 30% 등의 임의의 하위 범위를 포함하고, 10.5%, 15.5%, 25.5% 등과 같이 기재된 범위의 범주 내의 타당한 정수들 사이의 임의의 값도 포함하는 것으로 이해될 것이다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 공기 전지용 양극의 제조 방법에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 공기 전지용 양극의 제조 방법에 의해 제조된 양극을 포함하는 금속 공기 전지의 개략적인 단면도이다.
도 1을 참조하면, 금속 공기 전지(MAB)는 양극(10), 전해질층(20), 및 음극(30)을 포함한다. 전해질층(20)은 양극(10) 상에 제공된다. 음극(30)은 전해질층(20) 상에 제공된다. 양극(10)에 대해서는 보다 구체적으로 후술한다.
금속 공기 전지(MAB)는 예를 들어, 운송 수단의 에너지원으로 사용할 수 있다. 운송 수단이란 물건, 사람 등의 운송을 위해 사용되는 수단을 의미하는 것일 수 있다. 운송 수단은 예를 들어 육상 운송 수단, 해상 운송 수단, 천상 운송 수단을 포함한다. 육상 운송 수단은 예를 들어, 승용차, 승합차, 트럭, 트레일러 트럭, 및 스포츠카 등을 포함하는 자동차, 자전거, 오토바이, 기차 등을 포함할 수 있다. 해상 운송 수단은 예를 들어, 배, 잠수함 등을 포함할 수 있다. 천상 운송 수단은 예를 들어 비행기, 헹글라이더, 열기구, 헬리콥터, 드론 등의 소형 비형체를 포함하는 것일 수 있다.
금속 공기 전지(MAB)는 예를 들어, 리튬 공기 전지인 것일 수 있다. 이하에서는 금속 공기 전지(MAB)가 리튬 공기 전지인 것을 예를 들어 설명한다. 리튬 공기 전지는 양극(10)에서 활물질로 공기 중의 산소를 이용하고, 음극(30)으로 리튬을 사용하는 전지 시스템이다. 양극(10)에서는 외부로부터 유입되는 산소의 환원 및 산화 반응이 일어나고, 음극(30)에서는 리튬의 산화 및 환원 반응이 일어 난다.
하기 화학식 1 및 화학식 2는 금속 공기 전지(MAB)의 방전시 양극(10)과 음극(30)에서 일어나는 반응을 나타낸 것이다.
[화학식 1]
(음극): Li → Li+ + e-
[화학식 2]
(양극): 2Li+ + O2 + 2e- → Li2O2
양극(10)은 다공성이므로 외부 공기가 유입될 수 있다. 외부 공기에 포함된 산소는 양극(10)에서 상기 전자에 의해 환원되고, 방전생성물로 Li2O2가 형성된다. 음극(30)의 리튬 금속이 산화되어 리튬 이온과 전자가 생성된다. 리튬 이온은 전해질층(20)을 통해, 전자는 집전체 및 외부 도선을 통해 양극(10)으로 이동한다.
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-
전해질층(20)은 양극(10) 및 음극(30) 사이에 제공된다. 전해질층(20)은 액체 전해질을 포함한다. 전해질층(20)은 예를 들어, 황화물계 전해질, 산화물계 전해질, 고분자 전해질인 것일 수 있다. "~계 전해질"은 "~" 화합물을 포함하는 전해질을 의미하는 것일 수 있다. 전해질층(20)은 금속 공기 전지(MAB) 내에서 리튬 이온의 공급원으로 작용할 수 있으며, 전해질층(20), 및 음극(30) 사이에 리튬 이온의 이동을 촉진하는 역할을 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 공기 전지용 양극의 제조 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 공기 전지용 양극(10)의 제조 방법은 탄소재, 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE: Polytetrafluoroethylene), 및 액체 전해질을 제공하여 혼합물을 형성하는 단계(S100), 및 혼합물을 압연하여 금속 공기 전지용 양극(10)을 형성하는 단계(S200)를 포함한다. 상기 양극(10)을 형성하는 단계(S200)는 혼합물을 압연한 뒤, 원하는 크기로 자르는 방식으로 수행될 수도 있다.
탄소재, 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE: Polytetrafluoroethylene), 및 액체 전해질을 제공하여 혼합물(도 3a의 11)을 형성한다(S100). 탄소재, 및 폴리테트라 플루오로에틸렌은 혼합되어 양극재(11)를 형성할 수 있다.
혼합물(도 3a의 11)을 형성하는 단계(S100)에서, 탄소재의 탄소 밀도는 0.1g/cm3 내지 2.0g/cm3 인 것일 수 있다. 탄소 밀도가 0.1g/cm3 미만이면, 밀도가 낮아, 금속 공기 전지(MAB)의 충방전 용량이 낮아지고, 탄소 밀도가 2.0g/cm3 초과이면, 탄소재가 액체 전해질을 충분히 함습하지 못할 수 있다. 탄소재에 액체 전해질이 충분히 함습되지 않으면, 탄소재와 액체 전해질의 접촉 면적이 줄어들어, 금속 공기 전지(MAB)를 방전시 반응 영역이 줄어들고, 이에 따라 방전 용량이 낮아질 수 있다.
혼합물(도 3a의 11)을 형성하는 단계(S100)에서, 탄소재는 예를 들어, 탄소 나노 케이지(CNC: Carbon Nano Cage), 카본나노튜브(CNT: Carbon Nano tube) 환원된 그래핀 옥사이드(rGO: reduced graphene oxide), Super P, Acetylene Black, 기상증착카본파이버(VGCF: vapor-grown carbon fiber) 및 케첸 블랙(Kethen black) 중 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.
혼합물(도 3a의 11)을 형성하는 단계(S100)에서, 액체 전해질의 점도는 0.7 내지 2,000인 것일 수 있다. 액체 전해질의 점도가 0.7 미만이면, 액체 전해질의 휘발성이 높아 반복적인 충방전시 휘발되어, 금속 공기 전지(MAB)의 수명을 낮출 수 있고, 액체 전해질의 점도가 2,000 초과이면, 탄소재에 액체 전해질이 충분히 함습되지 않을 수 있다. 탄소재에 액체 전해질이 충분히 함습되지 않으면, 탄소재와 액체 전해질의 접촉 면적이 줄어들어, 금속 공기 전지(MAB)를 방전시 반응 영역이 줄어들고, 이에 따라 방전 용량이 낮아질 수 있다.
혼합물(도 3a의 11)을 형성하는 단계(S100)에서, 액체 전해질은 용매가 술포란(sulfolane)이고 염이 LiNO3인 것일 수 있다. 다만 이에 한정되는 것은 아니고, 아래와 같이 통상적으로 사용될 수 있는 액체 전해질이라면 어떠한 것도 사용할 수 있다.
상기 비수계전해질은 비양자성 용매를 포함할 수 있다. 비양성자성 용매로서 예를 들어 카보네이트계, 에스테르계, 에테르계, 또는 케톤계 용매를 사용할 수 있다. 상기 카보네이트계 용매로는 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 에틸메틸 카보네이트(EMC), 디프로필 카보네이트(DPC), 메틸프로필 카보네이트(MPC), 에틸프로필 카보네이트(EPC), 메틸에틸 카보네이트(MEC), 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 부틸렌 카보네이트(BC), 테트라에틸렌글리콜디메틸에테르(TEGDME) 등이 사용될 수 있으며, 상기 에스테르계 용매로는 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, n-프로필 아세테이트, 디메틸아세테이트, 메틸프로피오네이트, 에틸프로피오네이트, γ-부티로락톤, 데카놀라이드(decanolide), 발레로락톤, 메발로노락톤(mevalonolactone), 카프로락톤(caprolactone), 등이 사용될 수 있다. 상기 에테르계 용매로는 디부틸 에테르, 테트라글라임, 디글라임, 디메톡시에탄, 2-메틸테트라히드로퓨란, 테트라히드로퓨란 등이 사용될 수 있으며, 상기 케톤계 용매로는 시클로헥사논 등이 사용될 수 있다. 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 사용될 수 있는 용매라면 모두 가능하다.
상기 전해질은 염을 포함할 수 있다. 상기 염은 이에 한정되는 것은 아니나, 예를 들어 알칼리 금속 및/또는 알칼리 토금속의 염일 수 있고, 구체적으로 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiN(SO2C2F5)2, Li(CF3SO2)2N, LiC4F9SO3, LiClO4, LiAlO2, LiAlCl4, LiF, LiBr, LiCl, LiI 및 LiB(C2O4)2(리튬 비스옥살레이토 보레이트(lithium bis(oxalato) borate; LiBOB) LiTFSI(Lithium Bis(Trifluoromethanesulfonyl)Imide), LiNO3 등일 수 있다.
혼합물(도 3b의 11)을 형성하는 단계(S100)에서, 액체 전해질의 함량은 탄소재의 함량 및 폴리테트라 플루오로에틸렌의 함량의 합 100 중량부를 기준으로, 25 내지 100 중량부인 것일 수 있다. 탄소재의 함량 및 폴리테트라 플루오로에틸렌의 함량의 합 100 중량부를 기준으로 액체 전해질의 함량이 25 중량부 미만이면, 탄소재 대비 액체 전해질의 양이 적어 탄소재에 액체 전해질이 충분히 함습되지 않을 수 있고, 100 중량부 초과이면, 탄소재 대비 액체 전해질의 양이 많아 양극(10)의 내구성에 문제가 생길 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 금속 공기 전지용 양극(10)의 제조 방법은 유발을 통해 혼합물(도 3a의 11)을 혼합하는 단계, 및 그라인딩 하는 단계를 더 포함할 수 있다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 공기 전지용 양극의 제조 방법에 의해 제조된 양극의 개략적인 단면도이다. 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 공기 전지용 양극의 제조 방법에 의해 제조된 양극에 액체 전해질이 함습된 것을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2, 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 혼합물(11)을 압연하여 금속 공기 전지용 양극(10)을 형성한다(S200). 금속 공기 전지용 양극(10)을 형성하는 단계(S200)에서 형성된 양극(10)은 프리 스탠딩 양극(10)일 수 있다. "프리 스탠딩 양극"이란 별도의 기판 없이, 혼합물(11)로만 형성된 양극(10)을 의미하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 금속 공기 전지용 양극의 제조 방법은 양극을 형성하는 혼합물을 형성 때, 액체 전해질을 포함시켜, 양극의 함습성을 향상시킬 수 있다. 양극이 전해질층에 포함되는 액체 전해질을 충분히 함습할 수 있어, 충방전시 액체 전해질과 양극의 접촉 면적을 넓혀, 금속 공기 전지의 충방전 용량을 향상시키고, 반복적인 충방전에도 수명을 유지할 수 있다.
도 4a 및 도 4b 각각은 종래의 금속 공기 전지용 양극의 제조 방법에 의해 제조된 양극의 개략적인 단면도이다.
이에 반해, 도 4a를 참조하면, 종래의 금속 공기 전지용 양극(10a)는 기판(15a) 및 기판(15a) 상에 제공된 양극재(11a)를 포함한다. 양극재(11a)는 탄소재 및 폴리테트라 플루오로에틸렌의 혼합물일 수 있다. 도 4b를 참조하면, 종래의 금속 공기 전지용 양극(10b)이 기판 없이 형성된 양극일 때, 양극재(11b)만으로 구성될 수 있다. 양극재(11b)는 탄소재 및 폴리테트라 플루오로에틸렌의 혼합물일 수 있다. 종래의 금속 공기 전지용 양극(10a, 10b)은 전해질층에 포함되는 액체 전해질을 충분히 함습하지 못해, 양극과 전해질 간의 접촉 영역이 적고, 이에 따라 방전시 반응 영역이 제한적이다.
다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 금속 공기 전지용 양극(10)을 형성하는 단계(S200)에서, 금속 공기 전지용 양극(10)의 밀도는 0.05g/cm3 내지 3g/cm3 인 것일 수 있다. 금속 공기 전지용 양극(10)의 밀도가 0.05g/cm3 미만이면, 금속 공기 전지(MAB)의 충방전 용량이 낮아 운송 수단에 사용되기 적절하지 않고, 3g/cm3 초과이면, 금속 공기 전지(MAB)의 안정성에 문제가 생길 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
90 mg의 탄소 나노 케이지, 10 mg의 PTFE, 및 100 mg의 설포란(Sulfolane) 1M LiNO3을 혼합하여 혼합물을 제조하였다. 이를 압연하여 100 ㎛ 두께의 양극을 제조하였다.
실시예 2
25 mg의 설포란(Sulfolane) 1M LiNO3을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 하여 양극을 제조하였다.
실시예 3
50 mg의 설포란(Sulfolane) 1M LiNO3을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 하여 양극을 제조하였다.
비교예 1
기판(substrate or gas diffusion layer)을 준비하고, 기판 상에 케첸 블랙을 도포하여 도 4a에 도시된 단면을 갖는 양극을 제조하였다.
비교예 2
케첸 블랙 대신 탄소 나노 케이지를 사용한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일하게 하여 양극을 제조하였다.
비교예 3
탄소 나노 케이지만으로, 도 4b에 도시된 단면을 갖는 양극을 제조하였다.
비교예 4
실시예 1에서 설포란(Sulfolane) 1M LiNO3을 제공하지 않을 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 하여 양극을 제조하였다.
금속 공기 전지의 형성
실시예 1 내지 3, 및 비교예 1 내지 4의 양극 상에 설포란(Sulfolane) 1M LiNO3으로 전해질층을 형성하였다. 전해질층 상에 리튬 음극을 형성하여 금속 공기 전지를 형성하였다.
물성 평가
1. 0.5 mA/cm2의 조건에서 풀 방전(Full discharge)하여 비교예 1, 비교예 2, 비교예 3, 및 실시예 1 각각의 충방전 횟수에 따른 커패시티와 전압의 관계를 도 5a, 도 5b, 도 5c 및 도 5d 각각에 나타내었다.
2. 0.5 mA/cm2 조건에서 1 mAh/cm2 cut-off하여 비교예 1, 비교예 2, 비교예 3, 및 실시예 1 각각의 충방전 횟수에 따른 커패시티와 전압의 관계를 도 6a, 도 6b, 도 6c 및 도 6d 각각에 나타내었다.
3. 도 5a 내지 도 5d, 및 도 6a 내지 도 6d를 참조하면, 비교예 2 및 비교예 3의 경우 함습성 문제로, 비교예 1에 비해 충방전 용량이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 비교예 1은 충방전 용량이 높지만, 케첸 블랙은 저용량 금속 공기 전지에 적합하고, 실시예 1만이 고용량 금속 공기 전지에 적합하다. 실시예 1로부터 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 공기 전지용 양극의 전해질에 대한 함습성을 향상시켜, 전해질의 선택 범위를 넓힐 수 있을 것으로 예측된다.
4. 실시예 1 내지 3 및 비교예 4를 참조하면, 비교예 4의 경우 커패시티에 따른 전압이 높아, 실시예 1 내지 3의 경우에만 금속 공기 전지에 사용되기 적합한 것을 확인할 수 있었다.
5. 실시예 1, 비교예 2 및 비교예 3의 양극을 포함하는 금속 공기 전지에서, 2 mA/cm2의 전류 밀도에서의 전지 용량을 측정하였고, 각각 9 mA/cm2, 6 mA/cm2 및 1 mA/cm2을 나타내었다. 이에 따라 실시예 1만이 높은 출력을 요구하는 운송 수단용 금속 공기 전지의 양극으로 사용되기 적합한 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.
MAB: 금속 공기 전지 10: 양극
20: 전해질 30: 음극

Claims (7)

  1. 탄소재, 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE: Polytetrafluoroethylene), 및 액체 전해질을 제공하여 혼합물을 형성하는 단계; 및
    상기 혼합물을 압연하여 금속 공기 전지용 양극을 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 혼합물을 형성하는 단계에서,
    상기 액체 전해질의 함량은 상기 탄소재의 함량 및 상기 폴리테트라 플루오로에틸렌의 함량의 합 100 중량부를 기준으로, 25 내지 100 중량부인 것인 금속 공기 전지용 양극의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 혼합물을 형성하는 단계에서,
    상기 탄소재는 탄소 나노 케이지(CNC: Carbon Nano Cage), 카본나노튜브(CNT: Carbon Nano tube) 환원된 그래핀 옥사이드(rGO: reduced graphene oxide), Super P, Acetylene Black, 기상증착카본파이버(VGCF: vapor-grown carbon fiber) 및 케첸 블랙(Kethen black) 중 적어도 하나를 포함하는 것인 금속 공기 전지용 양극의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 혼합물을 형성하는 단계에서,
    상기 액체 전해질의 점도는 0.7 내지 2,000인 것인 금속 공기 전지용 양극의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 혼합물을 형성하는 단계에서,
    상기 액체 전해질은 용매가 술포란(sulfolane)이고, 염이 LiNO3인 것인 금속 공기 전지용 양극의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 혼합물을 형성하는 단계에서,
    상기 탄소재의 탄소 밀도는 0.1 g/cm3 내지 2.0 g/cm3인 것인 금속 공기 전지용 양극의 제조 방법.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 금속 공기 전지용 양극을 형성하는 단계에서,
    상기 금속 공기 전지용 양극의 밀도는 0.05g/cm3 내지 3g/cm3인 것인 금속 공기 전지용 양극의 제조 방법.
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